Очарование физики - Глэшоу Ш.Л.
ISBN 5-93972-151-6
Скачать (прямая ссылка):
что такое элементарная частица?
энергии. На самом деле, именно изучение уровней энергии атомов (или спектроскопия) было необходимым предшественником нашего восприятия атома как структурированной системы. Атомное ядро тоже имеет несколько возбужденных состояний (или уровней энергии), в которых составляющие его нуклоны могут совершать сложные движения. Даже сам нуклон обладает сложной и хорошо изученной совокупностью энергетических уровней, что является следствием того, что он представляет собой сложную и структурированную систему, содержащую три кварка. Таким образом, создается впечатление, будто жизненно важным является ответ на вопрос о том, подвержены ли кварки и лептоны внутренним движениям. Пока что все свидетельства говорят об обратном. Ни кварки, ни электроны, ни нейтрино не выказали никаких признаков наличия внутренней структуры. Быть может, они все-таки действительно элементарны. Или, возможно, мы должны изучать их более тщательно, используя более совершенные инструменты и более высокие энергии.
По мере более глубокого проникновения во внутренние структуры материи мы должны использовать зонды, обладающие все более и более высокой энергией. Это следствие квантовой механики, а также связанного с ней отношения между расстояниями и импульсами. Например, свет имеет характеристический размер, или длину волны, которая намного превышает размер атома. Мы не можем изучать внутреннюю структуру атома, используя видимый свет. Нам нужны волны более короткой длины и более высокой энергии. Внутреннюю область атома помогли увидеть рентгеновские лучи — светоподобные частицы, в тысячу раз более маленькие и обладающие в тысячу раз большей энергией, нежели видимые фотоны. Каждая из этих частиц обладает энергией в тысячи электрон-вольт.
Изучение ядра требует использования еще больших энергий. Ранняя ядерная физики зависела от существования естественной радиоактивности, которая предоставляет энергии в миллионы электрон-вольт. Резерфорд использовал такие частицы, чтобы открыть ядро. Он заметил, что альфа-частицы иногда рассеиваются в обратном направлении от кусочка золотой фольги. Годы спустя Резерфорд сказал, что это выглядело так, словно пушечное ядро, ударившись о кусочек материи, отскочило от него. Из этого опыта он заключил, что большая часть массы атома сосредоточена в точечном ядре.
Интересно заметить, что эксперимент, во многом напоминающий эксперимент Резерфорда, привел к первому убедительному свидетельству существования кварков. Этот эксперимент было проведен в Стэн-форде в конце шестидесятых годов на самом большом ускорителе в мире. Электроны с очень высокой энергией приводились в столкновение с атомами водорода. И вновь наблюдалось, что очень большое количе- 145 что такое элементарная частица?
ство электронов отклоняется на большие углы. Ясно, что внутри самого протона существуют маленькие и твердые рассеивающие центры. Сначала эти части протона назвали «партонами». Сегодня мы знаем, что партон — это кварк.
Именно в процессе изучения естественной радиоактивности в 1932 году был открыт нейтрон. Сразу же появилась рациональная доктрина ядерной физики, основными кирпичиками которой были нейтрон и протон. Ядра имели почти целочисленные атомные массы, потому что были образованы именно таким количеством нуклонов. Последние удерживались вместе новой разновидностью взаимодействия, достаточно отличного от гравитации или электромагнетизма. В тридцатых годах Юкава предположил, что это взаимодействие может переноситься гипотетической частицей, масса которой лежит между массами нуклона и электрона.
Многие ранние открытия в физике частиц были сделаны благодаря изучению космических лучей. Эти таинственные частицы обладают чрезвычайно высокой энергией и появляются из отдаленных частей нашей собственной галактики. Эксперименты с космическими лучами предоставили первое свидетельство существования антиматерии: позитрон, античастица электрона, наблюдался в 1932 году. В 1938 году в космическом излучении была замечена частица, масса которой оказалась в нужном промежутке. Был ли это мезон Юкавы — клей, удерживающий нуклоны вместе? Оказалось, что нет. Это был непонятно тяжелый электрон, который мы называем мюоном. Частицу Юкавы один из физиков, специализирующихся на космических лучах, наблюдал в 1947 году вместе с несколькими любопытными и неожиданными частицами, которые известны под названием странных частиц.
Хотя космические лучи и обладают огромным количеством энергии, проблема состоит в том, что в действительности их не слишком много. С точки зрения выживания на Земле человека, это хорошо. Однако это также значит, что специалисты по физике частиц нуждаются в искусственном источнике частиц с высокой энергией. Все больше и больше изучение физики высоких энергий начинает зависеть от создания все больших и больших ускорителей.
По мере ввода в эксплуатацию ускорителей возрос темп открытий. Первое возбужденное состояние нуклона было открыто в 1954 году; в 1955 году впервые наблюдался антипротон, в в 1961 году было продемонстрировано существование, по крайней мере, двух видов нейтрино.
