§ 40. Элементарные частицы

В современной физике термин элементарные частицы употребляется не в своем обычном значении чего-то первичного, неразложимого на более простое, а для наименования большой группы мельчайших субъядерных частиц. В эту группу входит протон, нейтрон, электрон, фотон, -мезон, мюон, нейтрино нескольких типов, так называемые странные частицы (-мезоны, гипероны), очарованные частицы, промежуточные векторные бозоны и т. д. — всего к настоящему времени известно более 350 частиц, в основном нестабильных.

Большинство перечисленных частиц не удовлетворяют обычному определению элементарности, поскольку по современным представлениям они сами являются составными системами. Объединяющий их признак заключается в том, что они представляют форму материи, не ассоциированной в ядра и атомы.

Превращения элементарных частиц. Наиболее важное свойство всех элементарных частиц — способность к взаимным превращениям, т. е. способность рождаться и уничтожаться (испускаться и поглощаться). Все процессы с элементарными частицами, включая их распады, протекают через последовательность актов поглощения и испускания, в которых непременно выполняются законы сохранения.

Фундаментальные взаимодействия. Процессы с участием различных элементарных частиц сильно различаются по интенсивности протекания, т. е. по характерным временам и энергиям. В соответствии с этим взаимодействия, в которых они участвуют, феноменологически подразделяют на сильное, электромагнитное, слабое и гравитационное. Сильное взаимодействие приводит к наиболее прочной связи элементарных частиц; именно оно обусловливает связь протонов и нейтронов в атомных ядрах.

Электромагнитное взаимодействие ответственно за связь атомных электронов с ядрами и связь атомов в молекулах и конденсированных средах. Между элементарными частицами это взаимодействие осуществляется через электромагнитное поле; для его существования наличие электрического заряда у частицы не обязательно. Например, не обладающий элементарным зарядом нейтрон имеет магнитный момент и участвует в электромагнитном взаимодействии.

Слабое взаимодействие проявляется в сравнительно медленно протекающих процессах распада некоторых элементарных частиц и атомных ядер. Например, благодаря слабому взаимодействию

свободный нейтрон распадается на протон, электрон и электронное антинейтрино. Несмотря на сравнительно малую интенсивность и короткодействие, слабое взаимодействие играет очень важную роль в устройстве Вселенной. Например, если бы удалось «выключить» слабое взаимодействие, то погасло бы Солнце, так как был бы невозможен процесс превращения протона в нейтрон, позитрон и нейтрино, в результате которого четыре протона в конечном счете синтезируются в ядро Этот процесс служит источником энергии Солнца и большинства звезд.

Все без исключения частицы участвуют в гравитационном взаимодействии, которое, однако, на субатомных расстояниях порядка см и меньше не играет практически никакой роли.

В зависимости от способности к участию в тех или иных видах взаимодействий все элементарные частицы, за исключением фотона, разбиваются на две основные группы: адроны и лептоны. Адроны наряду с электромагнитным и слабым взаимодействием участвуют в сильном взаимодействии. Лептоны участвуют только в электромагнитном и слабом взаимодействиях.

Поиски единого взаимодействия. Относительная роль разных видов взаимодействий (сильного, электромагнитного, слабого) в процессах с элементарными частицами зависит от энергии частиц. Поэтому деление взаимодействий на виды в зависимости от интенсивности процессов надежно осуществляется только при не слишком высоких энергиях. В современной физике растет уверенность, что все взаимодействия в природе тесно связаны между собой и по существу являются различными проявлениями некоторого единого поля. Объединение всех взаимодействий остается пока нерешенной задачей физической теории.

Очень важным этапом на этом пути стал успех в создании теории, объединившей электромагнитное и слабое взаимодействия в единое так называемое электрослабое взаимодействие. В этой новой теории электромагнитное поле и поле слабого взаимодействия рассматриваются как разные компоненты одного поля, в котором наряду с квантом электромагнитного поля фотоном участвуют три новых частицы — промежуточные векторные бозоны Необходимость существования этих частиц вытекает в новой теории из аналогии с электромагнитным взаимодействием, где электрический заряд играет двойную роль: с одной стороны, он является сохраняющейся величиной, определяющей само существование взаимодействия, а с другой стороны — источником электромагнитного поля, кванты которого осуществляют взаимодействие между заряженными частицами. Будучи аналогичными фотону, новые частицы все же резко отличаются от него наличием заряда и массы.

Электрический заряд такой же, как и у протона, — как у электрона, электрически нейтрален.

Новая теория не только предсказала существование этих частиц, но и позволила выразить их массы через известные из опыта константы, характеризующие электромагнитное и слабое взаимодействия при низких энергиях. Они оказались равными ГэВ и ГэВ. Большая масса этих частиц (примерно в 100 раз больше, чем у протона) не давала возможности обнаружить их и исследовать экспериментально, пока не было достаточно мощных ускорителей. В 1983 г. в Женеве на ускорителе, где происходили столкновения протонов и антипротонов во встречных пучках с энергией 270 ГэВ в каждом пучке, все три частицы были открыты. Их массы оказались в блестящем согласии с теоретически предсказанными значениями.

О механизме фундаментальных взаимодействий. Идея о том, что в мире элементарных частиц взаимодействие осуществляется посредством обмена квантами какого-либо поля, родилась в физике еще в 30-х годах XX века, когда X. Юкава предположил, что сильное взаимодействие между нуклонами обязано своим происхождением гипотетическим частицам, получившим название мезонов. Массу этих частиц можно оценить с помощью соотношения неопределенностей. Неопределенность значения энергии ядра при испускании некоторой частицы (мезона) массы порядка энергии этой частицы: Эта неопределенность в значении энергии существует в течение времени пролета мезона внутри ядра, которое дается отношением размера ядра к скорости частицы Входящее сюда значение импульса оценим из соотношения неопределенностей, учитывая, что мезон локализован внутри ядра: Отсюда следует, что Подставляя в соотношение получим оценку для массы мезона

Частицы с такой массой были впоследствии открыты на опыте и получили название -мезонов (пионов). Существуют три вида пионов: массы которых составляют .

Радиус фундаментальных взаимодействий. Описанная выше идея о том, что физический механизм взаимодействия заключается в обмене квантами некоторого поля, оказалась очень плодотворной. Найденная связь между радиусом действия сил и массой обмениваемых частиц имеет универсальный характер: для любых видов взаимодействия радиус сил, как видно из (1), обратно пропорционален массе частицы:

Электромагнитное взаимодействие характеризуется бесконечным радиусом действия сил, и поэтому масса фотона равна нулю. Как мы видели, для ядерных сил с радиусом действия см масса мезона оказалась около 150 МэВ. В случае слабого взаимодействия радиус действия сил составляет см, что дает для массы векторных бозонов приведенное выше значение.

Обсуждаемая связь между массой обмениваемой частицы и радиусом соответствующего взаимодействия по существу отражает корпускулярно-волновой дуализм, присущий всем квантовым объектам. Действительно, кванту поля с энергией рассматриваемому как частица, следует сопоставить выражение откуда для радиуса взаимодействия имеем

Величину называют комптоновской длиной волны частицы с массой . Именно она характеризует пространственный масштаб взаимодействия, осуществляемого обменом частицами такой массы.

Свойства электрослабого взаимодействия. Большая масса промежуточных векторных бозонов и связанный с этим очень малый радиус слабого взаимодействия приводят к важным для нас следствиям. Важнейшая вытекающая отсюда особенность заключается в том, что при низких энергиях обусловленные слабым взаимодействием процессы протекают очень медленно. Даже при температурах и плотностях, которые господствуют в центре Солнца, обусловленные слабым взаимодействием процессы синтеза протонов в легкие ядра приводят к скорости выделения теплоты на единицу массы, приблизительно в 100 раз меньшей, чем при естественном обмене веществ в организме человека. Медленность этих процессов обеспечивает постепенное «выгорание» Солнца на данном этапе его эволюции, когда оно своим излучением дает жизнь всему земному.

При высоких энергиях, достижимых на современных ускорителях с встречными протон-антипротонными пучками, ситуация кардинально изменяется. Обмен тяжелыми векторными бозонами происходит теперь столь же эффективно, как и обмен фотонами. При очень высоких энергиях слабое взаимодействие может стать даже сильнее электромагнитного. Здесь законы обычной электродинамики уже не работают. Правильное описание процессов дает новая теория — теория электрослабого взаимодействия, учитывающая как обмен фотонами, так и обмен промежуточными векторными бозонами. Эта теория продолжает теорию Максвелла в область малых расстояний или, что то же самое, в область высоких энергий.

Сильное взаимодействие. Кварки. Значительные успехи достигнуты в последние годы и в теории сильного взаимодействия, где

нуклоны 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 -кварки, из которых построены протоны и нейтроны. Кварки обладают дробным электрическим зарядом. Заряд -кварка составляет элементарного заряда, заряд -кварка —1/3. Протон состоит из двух и- и одного -кварка. Нейтрон состоит из одного и- и двух -кварков. Когда -кварк внутри нейтрона превращается в и-кварк, заряд нуклона изменяется на 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

взаимодействий (например, электрического заряда, магнитного момента, лептонного 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 -квантов. Один -квант излучиться не может, так как это несовместимо с законами сохранения. При аннигиляции тяжелых частиц и античастиц возникают не столько -кванты, сколько другие легкие частицы, например -мезоны при аннигиляции протона и антипротона. Наряду с аннигиляцией при достаточно большой энергии возможен и обратный процесс рождения пары частица-античастица.

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 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 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?

• Как с помощью соотношения неопределенностей оценить массу мезона, переносящего сильное взаимодействие?

• Каковы современные физические представления о механизме взаимодействия в мире элементарных частиц?

• Как связаны между собой радиус действия сил и масса частиц, обменом которыми обусловлено данное взаимодействие?

• Что такое комптоновская длина волны частицы? Как она связана с пространственным масштабом взаимодействия, осуществляемого обменом такими частицами?

• Какую роль играет малый радиус слабого взаимодействия в эволюции Солнечной системы?

• Почему единая теория электрослабого взаимодействия актуальна только при высоких энергиях? При каких именно?

• Почему протоны и нейтроны не являются в истинном смысле элементарными частицами?

• Какую роль играют соображения симметрии в теории элементарных частиц?

• Покажите, что невозможна аннигиляция электрона и позитрона с рождением только одного кванта.