Физика элементарных частиц материи - Владимир Голощапов

Резонансы

В 1960-х гг. на ускорителях было открыто большое число крайне неустойчивых (по сравнению с др. нестабильными элементарными частицами) частиц, получивших название “резонансов". Массы большинства резонансов превышают массу протона. Первый из них D1 (1232) был известен с 1953 г. Оказалось, что резонансы составляют основная часть элементарных частиц. Сильное взаимодействие р-мезона и нуклона в состоянии с полным изотопическим спином 3/2 и моментом 3/2 приводит к появлению у нуклона возбуждённого состояния. Это состояние в течение очень короткого времени (порядка 10-23с) распадается на нуклон и р-мезон. Поскольку это состояние имеет вполне определённые квантовые числа, как и стабильные элементарные частицы, естественно было назвать его частицей. Чтобы подчеркнуть очень малое время жизни этого состояния, его и подобные короткоживущие состояния стали называть резонансными. Нуклонный резонанс, открытый Ферми в 1952 г., позже стали называть Д3/2 3/2 – изобарой (чтобы выделить тот факт, что спин и изотопический спин Д-изобары равны 3/2). Так как время жизни резонансов незначительна, их нельзя наблюдать непосредственно, аналогично тому, как наблюдают "обычные" протон, р-мезоны и мюоны (по их следам в трековых приборах). Резонансы обнаруживают по характерному поведению сечений рассеивания частиц, а также изучая свойства продуктов их распада. Большинство известных элементарных частиц относится именно к группе резонансов. Открытие Д-резонанса имело важнейшее значение для физики элементарных частиц. Заметим, что возбуждённые состояния или резонансы не являются абсолютно новыми объектами физики. Ранее они были известны в атомной и ядерной физике, где их существование связано с составной природой атома (образованного из ядра и электронов) и ядра (образованного из протонов и нейтронов). Что касается свойств атомных состояний, то они определяются только электромагнитным взаимодействием. Малые вероятности их распада связаны с малостью константы электромагнитного взаимодействия. Возбуждённые состояния существуют не только у нуклона (в этом случае говорят о его изобарных состояниях), но и у р-мезона (в этом случае говорят о мезонных резонансах). "Причина появления резонансов в сильных взаимодействиях непонятна – пишет Фейнман, – сначала теоретики и не предполагали, что в теории поля с большой константой взаимодействия существуют резонансы. Позднее они осознали, что если константа взаимодействия достаточно велика, то возникают изобарные состояния. Однако истинное значение факта существования резонансов для фундаментальной теории остаётся неясной".

Классификация

По величине спина все элементарные частицы делятся на два класса: 1. бозоны – частицы с целым спином (например, фотон, глюон, мезоны). 2. фермионы – частицы с полуцелым спином (например, электрон, протон, нейтрон, нейтрино); Спин это характеристика, отражающая внутреннее состояние элементарной частицы. По видам взаимодействий. Элементарные частицы делятся на следующие группы: Составные частицы. адроны – частицы, участвующие во всех видах фундаментальных взаимодействий. Они состоят из кварков и подразделяются, в свою очередь, на: мезоны – адроны с целым спином, то есть являющиеся бозонами; барионы – адроны с полуцелым спином, то есть фермионы. К ним, в частности, относятся частицы, составляющие ядро атома, – протон и нейтрон. Фундаментальные (бесструктурные) частицы. Лептоны – фермионы, которые имеют вид точечных частиц (т. е. не состоящих ни из чего) вплоть до масштабов порядка 10−18 м. Не участвуют в сильных взаимодействиях. Участие в электромагнитных взаимодействиях экспериментально наблюдалось только для заряженных лептонов (электроны, мюоны, тау-лептоны) и не наблюдалось для нейтрино. Известны 6 типов лептонов. Кварки – дробнозаряженные частицы, входящие в состав адронов. В свободном состоянии не наблюдались (для объяснения отсутствия таких наблюдений предложен механизм конфайнмента). Как и лептоны, делятся на 6 типов и считаются бесструктурными, однако, в отличие от лептонов, участвуют в сильном взаимодействии. Калибровочные бозоны – частицы, посредством обмена которыми осуществляются взаимодействия: фотон – частица, переносящая электромагнитное взаимодействие; восемь глюонов – частиц, переносящих сильное взаимодействие; три промежуточных векторных бозона W+, W− и Z0, переносящие слабое взаимодействие; гравитон – гипотетическая частица, переносящая гравитационное взаимодействие. Существование гравитонов, хотя пока не доказано экспериментально в связи со слабостью гравитационного взаимодействия, считается вполне вероятным; однако гравитон не входит в Стандартную модель элементарных частиц. Адроны и лептоны образуют вещество. Калибровочные бозоны – это кванты разных типов взаимодействий. Кроме того, в Стандартной модели с необходимостью присутствует хиггсовский бозон, который, впрочем, пока ещё не обнаружен экспериментально. Первоначально термин «элементарная частица» подразумевал нечто абсолютно элементарное, первокирпичик материи. Однако, когда в 1950-х и 1960-х годах были открыты сотни адронов с похожими свойствами, стало ясно, что по крайней мере адроны обладают внутренними степенями свободы, то есть не являются в строгом смысле слова элементарными. Это подозрение в дальнейшем подтвердилось, когда выяснилось, что адроны состоят из кварков. Таким образом, физики продвинулись ещё немного вглубь строения вещества: самыми элементарными, точечными частями вещества сейчас считаются лептоны и кварки?. Для них (вместе с калибровочными бозонами) применяется термин «фундаментальные частицы». Стандартная модель элементарных частиц включает в себя 12 ароматов фермионов, соответствующие им античастицы, а также калибровочные бозоны (фотон, глюоны, W– и Z-бозоны), которые переносят взаимодействия между частицами, и не обнаруженный на данный момент бозон Хиггса, отвечающий за наличие массы у частиц. Однако Стандартная модель в значительной степени рассматривается скорее как теория временная, а не действительно фундаментальная, поскольку она не включает в себя гравитацию и содержит несколько десятков свободных параметров (массы частиц и т. д.), значения которых не вытекают непосредственно из теории. Возможно, существуют элементарные частицы, которые не описываются Стандартной моделью – например, такие, как гравитон (частица, переносящая гравитационные силы) или суперсимметричные партнёры обычных частиц. Фермионы. 12 ароматов фермионов разделяются на 3 семейства (поколения) по 4 частицы в каждом. Шесть из них – кварки. Другие шесть – лептоны, три из которых являются нейтрино, а оставшиеся три несут единичный отрицательный заряд: электрон, мюон и тау-лептон.

Поколения частиц

Также существуют 12 фермионных античастиц, соответствующих вышеуказанным двенадцати частицам. Кварки и антикварки никогда не были обнаружены в свободном состоянии – это объясняется явлением конфайнмента. На основании симметрии между лептонами и кварками, проявляемой в электромагнитном взаимодействии, выдвигаются гипотезы о том, что эти частицы состоят из более фундаментальных частиц преонов. Строение и поведение элементарных частиц изучается физикой элементарных частиц.

Фермионные античастицы

Как видно из приведённого перечня, элементарных частиц множество. При делении или бомбардировке ядро атома распадается на нуклоны(составляющие ядра), перечень которых мы Вам поведали раньше. Здесь описания ещё ряда частиц, но эти частицы виртуальные. Не распадаются только электроны (позитроны), нейтрино и фотоны. Так может быть какая-то из этих частиц, которые не распадаются, и есть та самая элементарная частица, из которых состоит вся материя? Какая же из них самая элементарная? Вольфганг Паули “изобрел” частицу «нейтрино» для того, чтобы объяснить, куда девается часть энергии, выделяемая при радиоактивном распаде ядер с испусканием электронов. Такой распад называют бета-распадом. Масса нейтрино измерена. Массы покоя электронных нейтрино составляет примерно 6 ● 10-32 грамма. Так может быть нейтрино это и есть то, из чего состоит материя? Может быть нейтрино – элементарная частица материи? Однако нет. Мы знаем, что атом состоит из заряженных частиц, нейтрино же не имеет электрического заряда. Значит, нейтрино не может быть элементарной частицей материи. Электрон (позитрон) слишком массивен. На место частицы, из которой состоит материя, остаётся одна кандидатура, – фотон. Согласно Википедии Фотон – частица, переносящая электромагнитное взаимодействие. Итак, фотон это элементарная частица; но частица чего, – материи или поля?