Физика для углубленного изучения 3. Строение и свойства вещества - Бутиков Е.И.
Скачать (прямая ссылка):
§ 40. ЭЛЕМЕНТАРНЫЕ ЧАСТИЦЫ
333
лоны уже перестали играть роль исходных частиц. Оказалось, что все адроны можно представить как составные частицы, образованные из так называемых кварков.
Кварки бывают шести сортов. В строении окружающего нас мира наиболее важны и- и d-кварки, из которых построены протоны и нейтроны. Кварки обладают дробным электрическим зарядом. Заряд ц-кварка составляет +2/3 элементарного заряда, заряд d-кварка —1/3. Протон состоит из двух и- и одного d-кварка. Нейтрон состоит из одного и- и двух d-кварков. Когда d-кварк внутри нейтрона превращается в u-кварк, заряд нуклона изменяется на (+2/3) — (—1/3) = 1, что воспринимается наблюдателем как превращение нейтрона в протон.
Кварки не наблюдаются в свободном состоянии и по современным представлениям принципиально не могут существовать сами по себе вне адронов. Всякая попытка освободить кварк из «заключения» в адроне неизбежно заканчивается рождением пары кварк—антикварк, образующих в совокупности мезон. Взаимодействие между кварками в адроне осуществляется посредством обмена так называемыми глюонами — гипотетическими электрически нейтральными частицами с нулевой массой покоя. Основной вклад в массы протонов и нейтронов дают не кварки, из которых они состоят, а сильное взаимодействие между кварками, обусловленное глюонами. В этом смысле говорят, что глюоны переносят массу, хотя сами ею не обладают.
Состояние кварков характеризуют рядом квантовых чисел, получивших экзотические названия, одно из которых — цвет дало название всей науке, описывающей взаимодействие кварков с глюонами, — квантовая хромодинамика. Гипотеза кварковой структуры оказалась необходимой для понимания динамики различных процессов с участием адронов. Кроме того, эта гипотеза позволила объяснить эмпирически установленную классификацию адронов.
Внутренние симметрии. Руководящая идея в развитии теории элементарных частиц основана на представлении о внутренних симметриях. Например, сильное взаимодействие симметрично относительно поворотов в абстрактном изотопическом пространстве. Одним из проявлений этой симметрии является зарядовая независимость ядерных сил. Так называемая калибровочная симметрия отвечает тому факту, что некоторые сохраняющиеся величины, называемые «зарядами» (например, электрический заряд), являются одновременно источниками полей, переносящих взаимодействия между частицами, обладающими данным типом «заряда». С каждым типом симметрии в физике связан определенный закон сохранения.
Аннигиляция частицы и античастицы. Соображения симметрии приводят к неизбежному выводу о том, что у каждой элементарной частицы существует «двойник» — античастица, которая отличается от частицы только знаком некоторых характеристик взаимодей-
334
VIII. АТОМНОЕ ЯДРО И ЭЛЕМЕНТАРНЫЕ ЧАСТИЦЫ
ствий (например, электрического заряда, магнитного момента, леп-тонного и барионного заряда). У некоторых частиц, в частности у фотона, античастица совпадает с самой частицей. Такие частицы называют истинно нейтральными.
При встрече частицы со своей античастицей происходит их аннигиляция. Например, при аннигиляции электрона и позитрона они превращаются в два, три или несколько 7-квантов. Один 7-квант излучиться не может, так как это несовместимо с законами сохранения. При аннигиляции тяжелых частиц и античастиц возникают не столько 7-кванты, сколько другие легкие частицы, например л-мезоны при аннигиляции протона и антипротона. Наряду с аннигиляцией при достаточно большой энергии возможен и обратный процесс рождения пары частицаа—нтичастица.
Великое объединение. Значительные усилия прилагаются в настоящее время в попытках рассмотреть на единой основе не только электромагнитное и слабое, но и сильное взаимодействие. Наблюдаемые большие различия между этими взаимодействиями считаются обусловленными нарушением симметрии при доступных в настоящее время энергиях. Их единая природа может проявиться только при энергии частиц во встречных пучках порядка 1014 ГэВ. При этом кварки и лептоны окажутся однотипными объектами и станут возможными их взаимные превращения. Следствием таких представлений явилось предсказание нестабильности свободного протона со средним временем жизни Ю30—1032 лет, что существенно превышает возраст Вселенной. Эта теория известна под названием Великого объединения. Теория, которая сумеет включить и гравитацию, уже заранее получила название Суперобъединение.
Теории Великого объединения актуальны лишь при столь высоких энергиях, какие могли быть только на самых ранних этапах существования Вселенной. Таким образом, физика элементарных частиц, прорываясь в область высоких энергий, соединилась с современной космологией — теорией эволюции Вселенной. Появилась новая наука — космомикрофизика.
• Какой смысл вкладывается в понятие «элементарная частица» в современной физике?
• Укажите роль каждого из видов фундаментальных взаимодействий в различных физических явлениях.
• Почему слабое взаимодействие, несмотря на свою малую интенсивность и короткодействующий характер, играет очень важную роль в эволюции Вселенной?
