Элементарные частицы как глубинный уровень организации материи

7. 4. 1. Элементарны ли элементарные частицы

Элементарные частицы в точном значении этого слова – первичные, далее неразложимые частицы, из которых, по предположению, состоит вся материя. В этом понятии в современной физике находит выражение идея о первообразных сущностях, определяющих все известные свойства материального мира. Эта идея зародилась на ранних этапах становления естествознания и всегда играла важную роль в его развитии.

Понятие элементарных частиц сформировалось в тесной связи с установлением дискретного характера строения вещества на микро уровне. Использование этого термина имеет исторические причины и связано с тем периодом, когда единственными известными их представителями были фотон, протон, электрон, нейтрон, мезон и нейтрино, которые считались действительно элементарными, так как служили основой для построения вещества и взаимодействующего с ним электромагнитного поля, а сложная структура протона и нейтрона еще не была известна. Все эти частицы были при деле. Из протонов и нейтронов построены ядра атомов. Протоны имеют положительный заряд, нейтроны не имеют электрического заряда, но по массе они примерно равны массе протона и вместе с ним определяют атомный вес. В ядре между протонами и нейтронами действуют силы притяжения, к которым определенное отношение имеет мезон. Нейтрино – нейтральная частица, не имеющая массы покоя, как и фотон, ни с чем не взаимодействующая. Она нужна только для того, чтобы при ядерных реакциях не нарушался закон сохранения энергии. Открытие новых частиц разрушило эту простую картину. Мир, оказалось, устроен гораздо сложнее и непонятнее: например, протоны и нейтроны имеют сложную структуру. Поэтому уже нельзя утверждать, что элементарные частицы в смысле приведенного выше определения в действительности существуют, и от такого определения элементарности пришлось отказаться.

В настоящее время термин”элементарные частицы” в современной физике употребляется для наименования большой группы частиц материи, которые не являются атомами или ядрами. Эта группа частиц достаточно обширна. Помимо упоминавшихся протонов(p), нейтронов(n) и электронов(e-), к ней относятся: фотоны(γ), пи-мезоны(π), мюоны(µ), тяжелые лептоны(τ), нейтрино трех типов – (электронное νe, мюонно еνµ и τ-нейтрино), так называемые странные частицы (K-мезоны и гипероны), разнообразные резонансы, мезоны со скрытым ”очарованием” (J/ª,ª′ и другие),”очарованные” частицы и ипсилон частицы(¨) – всего более 350 частиц, абсолютное большинство из которых являются нестабильными.

Элементарных частиц оказалось так много, а свойства их настолько разнообразны, что их пришлось распределить по семействам, используя основные характеристики – массу, электрический заряд и спин.

Первую группу составила одна частица – фотон. Его масса и заряд равны нулю, спин равен 1.

Вторую группу образовали лептоны (от греческого “лептос” – мелкий, легкий), среди которых наиболее известными являются электрон, мюон, электронное и мюонное нейтрино. Они могут иметь электрический заряд, а могут и не иметь. Их спин равен 1/2. Обычно они принимают участие в слабых взаимодействиях, но могут участвовать и в сильных. Среди лептонов, по-видимому, наиболее удивительной частицей является нейтрино, которая не участвует ни в сильном, ни в электромагнитном взаимодействиях. Считается, что нейтрино наиболее распространены во Вселенной, но, тем не менее, изучать их очень сложно, так как они практически неуловимы.

Все остальные частицы принадлежат к третьему семейству, которое называют адроны (от греческого “хадрос“ – массивные). Все адроны участвуют в сильном (в том числе ядерном) взаимодействии. Они, в свою очередь, делятся на две подгруппы: мезоны (от греческого “mesos” – средний, промежуточный) и барионы (от греческого ”barys” – тяжелый). Мезоны со спином 0 образуют семейство, в состав которого входят: положительный и нейтральный пионы(π+, π0), положительный и нейтральный каоны (K+,K0) и другие. К барионам относятся нуклоны (протон, нейтрон), гипероны с полуцелым спином и еще множество других частиц.

Иногда в особую группу выделяют частицы, которые переносят взаимодействия, но не являются строительным материалом вещества. Это, прежде всего, фотоны– переносчики электромагнитных взаимодействий. Переносчики сильного взаимодействия – глюоны, обеспечивающие взаимодействие между кварками– частицами, из которых состоят нуклоны. Переносчики слабого взаимодействия –W±, Z◦-бозоны, открытые в 1983 г. Гипотетические частицы, ответственные за гравитационное взаимодействие, называются гравитонами.

Все элементарные частицы, за исключением фотона, протона, электрона и двух нейтрино, нестабильны. Это означает, что они самопроизвольно, без каких-либо воздействий извне, распадаются, превращаясь в другие частицы. Например, нейтрон распадается на протон, электрон и электронное нейтрино. Невозможно предсказать, когда именно произойдет этот распад; каждый акт распада происходит совершенно случайно.

7. 4. 2. Типы фундаментальных взаимодействий и квантовые поля – поля и частицы

Все силы, существующие в природе, сводятся сегодня к четырем взаимодействиям, которые называют фундаментальными: гравитационное, электромагнитное, сильное и слабое. Эти фундаментальные взаимодействия лежат в основе всех других известных форм движения материи.

Гравитационное взаимодействие самое универсальное – оно характерно для всех материальных объектов, не зависит от их природы и простирается на огромные расстояния. Любое материальное тело создает гравитационное поле. Гравитация проявляется в виде притяжения между телами. Но важную роль оно играет только при взаимодействии больших массивных объектов и не учитывается при взаимодействии микрообъектов. В этом смысле гравитационное самое слабое из всех известных взаимодействий. Однако на расстояниях 10^−33см (фундаментальная длина) и при очень больших энергиях гравитация вновь приобретает существенное значение, так как становится сравнимой с остальными взаимодействиями. В рамках общей теории относительности гравитация рассматривается как искривление пространства-времени. Такой подход наиболее адекватен в случае сильных гравитационных полей.

Электромагнитное взаимодействие действует между электрически заряженными телами, как покоящимися, так и движущимися. Оно присутствует в электрических, магнитных и электромагнитных явлениях и процессах, с которыми мы встречаемся наиболее часто в жизни. Электромагнитное взаимодействие определяет строение и свойства атомов и молекул, включает в себя кулоновские силы, силы взаимодействия между проводниками с током, силы трения, сопротивления, упругости, химические силы и другие, т.е. проявляется на макроскопическом уровне. Оно считается основным в химии и биологии. В электромагнитных взаимодействиях не участвуют только нейтрино и антинейтрино.

Сильное взаимодействие ”скрепляет” кварки внутри нуклонов. В сильных взаимодействиях участвуют все адроны. Оно действует на расстояниях 10^−13 см и меньше и представляет собой притяжение или отталкивание между составными частями микрообъекта.

Ядерные силы, действующие внутри ядра и отвечающие за связь протонов и нейтронов (нуклонов) в атомных ядрах, а также за многообразие ядерных реакций, перестали считаться фундаментальными. Пока до конца не все еще ясно, но предполагается, что они должны как-то выражаться через сильные взаимодействия.

Слабое взаимодействие ответственно за большинство распадов и многие превращения элементарных частиц. В этом процессе принимают участие все частицы. Оно простирается на расстояния 10^−15−10^−22 см. Это взаимодействие ответственно, например, за превращение в ядре нейтрона в протон, электрон и антинейтрино; оно же вызывает переходы между лептонами. Большинство частиц нестабильны именно из-за слабого взаимодействия.