Free Student HQ / FSHQ / "Штаб-Квартира свободного Студента"

Элементарные частицы и фундаментальные взаимодействия

Элементарные частицы и фундаментальные взаимодействия

В квантовой электродинамике в различных электродинамических процессах и электрон и фотон всегда выступают как нечто целое. Они рождаются и уничтожаются целиком, поэтому и называются элементарными частицами. Однако существуют и другие элементарные частицы.

В настоящее время известно более 400 различных элементарных частиц, их количество значительно превосходит количество элементов в Периодической системе элементов Менделеева. Заметим, что понятие элементарности претерпевало в физике изменения. Когда-то неделимым, элементарным считался атом. Однако в дальнейшем выяснилось, что каждый атом состоит из ядра и электронов, движущихся около ядра. При этом все электроны, или электроны всех атомов, одинаковы и неразличимы, ядра же различных элементов различны. Затем установили, что все ядра состоят из двух сортов частиц — протонов и нейтронов. Все протоны Одинаковы и тождественны так же, как одинаковы и тождественны все нейтроны. Долгое время считалось, что протоны и нейтроны являются элементарными частицами такого же типа, как электрон. Этот вывод исходил из того, что никогда не наблюдалась половина протона или одна треть нейтрона. Но в дальнейшем обнаружилось, что и протон и нейтрон в отличие от электрона обладают внутренней пространственной структурой. Если бы можно было выделить внутренние структурные элементы протона и нейтрона, то мы бы сказали, что протон и нейтрон не являются элементарными частицами. Однако ситуация оказалась более сложной. Внутренние элементы выделить не удается. Но для того, чтобы все свойства протонов и нейтронов, связанные с их внутренней структурой, можно было описать, вынуждены были считать, что и протоны и нейтроны состоят из некоторых субчастиц, которые носят название кварков. Пока речь идет о протонах и нейтронах, в теории достаточно иметь два типа кварков u и d. При этом заряд кварка равен 2/3 e, а заряд d кварка - -1/3 e , где е — заряд протона.

Полагаем, что протон состоит из двух u кварков и одного d кварка, а нейтрон – из одного u кварка и двух d кварков.

Однако, несмотря на такую кварковую структуру протона и нейтрона, протон и нейтрон являются элементарными частицами, так как свободные кварки не наблюдаются. Чтобы описать свойства всего многообразия элементарных частиц, достаточно полагать, что существует всего шесть сортов кварков u, d, s, c, b, t и шесть сортов соответствующих им антикварков ¯u, ¯d, ¯s, ¯c, ¯b, ¯t (антикварк связан с кварком так же, как позитрон связан с электроном). Различные комбинации разных кварков и антикварков позволяют сконструировать огромное многообразие, элементарных частиц. Частицы, имеющие кварковую структуру, называются адронами. Адроны делятся на два класса: барионы и мезоны. Барионы состоят из трех кварков В = qqq, а мезоны — из кварка и антикварка: М = ¯q¯q. Кроме адронов, имеющих кварковую структуру, существуют элементарные частицы, не имеющие кварковой структуры: лептоны, фотон и промежуточные векторные бозоны. К лептонам относятся заряженные лептоны обоих знаков заряда (электрон, мюон, £ - лептон) и три тина нейтральных лептонов (нейтрино электронное, мюонное и £ - лентонное, а также соответствующие им антинейтрино).

Элементарные частицы по-разному взаимодействуют между собой. Существует всего три типа фундаментальных взаимодействий между элементарными частицами: сильное, электромагнитное и слабое. Кроме них в природе имеется еще четвертое взаимодействие — гравитационное. Взаимодействия отличаются интенсивностью, радиусом действия и внутренними симметриями.

Если интенсивность сильного взаимодействия принять за единицу, то интенсивность электромагнитного будет порядка 10 в минус 2 степени, слабого — порядка 10 в минус 10 степени 3начительно меньше интенсивность гравитационного взаимодействия. Например, сила гравитационного взаимодействия между двумя электронами меньше по сравнению с интенсивностью электромагнитного взаимодействия в 10 в 44 степени раз. Помимо интенсивности фундаментальные взаимодействия различаются радиусами их действия и присущими им внутренними симметриями.

Самым интенсивным является сильное взаимодействие. Оно лежит в основе ядерных сил, действующих между протонами и нейтронами, входящими в состав атомных ядер. Кроме того, ему подвержены и все адроны, т.е. все частицы, имеющие кварковую внутреннюю структуру. Адроны испытывают сильное взаимодействие только в том случае, если расстояние между ними очень мало — меньше или порядка 10 в минус 13 степени см. На больших расстояниях сильное взаимодействие не проявляется, поэтому значение 10 в минус 13 степени см определяет порядок радиуса действия сильного взаимодействия. То, что все адроны состоят из кварков, указывает на то, что в основе сильного взаимодействия лежит взаимодействие между кварками. Кварки взаимодействуют между собой путем обмена особой частицей, называемой глюоном. Один кварк излучает глюон, а другой поглощает его, благодаря чему происходит взаимодействие между кварками. Внутренняя симметрия сильного взаимодействия определяется симметрией кварковой структуры адронов. Так, процессы с участием легких адронов, в состав которых входят u и d кварки, симметричны (инвариантны) относительно замены кварков u на кварки d, и наоборот. Это приводит к симметрии сильного взаимодействия при замене протона нейтроном.

Группа адронов объединяет подавляющее количество элементарных частиц. Для сильного взаимодействия не важно, имеет адрон электрический заряд или нет. Электрический заряд определяет следующее по интенсивности за сильным электромагнитное взаимодействие. Ему подвержены все заряженные частицы и фотон, который не имеет электрического заряда. Кроме того, электромагнитное взаимодействие существует и между нейтральными частицами, обладающими магнитными моментами, например между нейтронами. Электрический заряд всех элементарных частиц кратен заряду протона. Электрический же заряд гипотетических кварков составляет +2/3 для положительно заряженных кварков u, c, t и -1/3 для отрицательно заряженных кварков d, s, b в единицах заряда протона.

Хотя электромагнитное взаимодействие играет определенную роль в строении ядер, главной его сферой являются атомы и молекулы, структура которых полностью определяется им. Структура твердых тел также определяется электромагнитным взаимодействием. Все химические превращения веществ обусловлены, в конечном счете, электромагнитным взаимодействием. Радиус действия электромагнитного взаимодействия равен бесконечности (не ограничен). Электромагнитное взаимодействие не изменяется при замене знака зарядов всех взаимодействующих частиц. В основе электромагнитного взаимодействия заряженных частиц лежит обмен фотонами, квантами электромагнитного поля. Одна из заряженных частиц испускает фотон, а другая его поглощает. Все элементарные частицы (адроны, лептоны), за исключением фотона, подвержены слабому взаимодействию. Как отмечалось выше, его интенсивность порядка 10 в минус 10 степени по сравнению с интенсивностью сильного взаимодействия, радиус его действия значительно меньше радиуса сильного взаимодействия и составляет примерно 10 в минус 15 степени см. Слабое взаимодействие проявляется в распадах ряда элементарных частиц, являющихся нестабильными. Например, нестабилен свободный нейтрон, который за счет слабого взаимодействия распадается за время порядка 15 мин на протон электрон и электронное антинейтрино. Аналогично за счет слабого взаимодействия распадается свободный К-мезон на п мезон, µ мезон и мюонное нейтрино (антинейтрино). Слабое взаимодействие ответственно за β - распад ядер. Оно обусловливает также рассеяние нейтрино различными элементарными частицами. Многие ядерные превращения, происходящие на Солнце, также обусловлены слабым взаимодействием.

Слабое взаимодействие, как сильное и электромагнитное, имеет обменный характер. Одна из частиц испускает промежуточный векторный бозоны W+- или Z0, а другая — его поглощает. Эти бозоны в отличие от безмассового фотона и безмассовых глюонов, обусловливающих взаимодействие кварков, являются очень массивными (их масса порядка 100 ГэВ), чем объясняется очень малый радиус слабых сил: радиус взаимодействия всегда обратно пропорционален массе промежуточных (обменных) частиц: r = h/М с.

Наименее интенсивно гравитационное взаимодействие, зато ему подвержена вся материя в целом. В этом состоит закон всемирного тяготения. Радиус его действия бесконечен. Гравитационное взаимодействие проявляется главным образом между макроскопическими телами. Оно определяет движение планет и звезд. Структура Вселенной в целом определяется этим взаимодействием. Гравитационное взаимодействие элементарных частиц не наблюдается ввиду малости масс элементарных частиц.

От квантов света до цветных кварков / Ахиезер А. И., Степановский Ю. П.,

  • Категории раздела:
  •      Другое
  • Смотрите также:
  •  

    Сайт создан в 2012 г. © Все права на материалы сайта принадлежат его автору! 
    Копирование любых материалов сайта возможно только с разрешения автора и при указании ссылки на первоисточник
    Яндекс.Метрика