Три этапа в развитии физики элементарных частиц

 

Мы хотим не только знать, как устроена природа и как происходят природные явления, но и... узнать, почему природа является такой, а не другой.

А. Эйнштейн

 

Этап первый. От электрона до позитрона: 1897—1932 гг. (Элементарные частицы — «атомы Демокрита» на более глубоком уровне.) Много раз говорилось о существовании час­тиц, называемых элементарными. Вы уже более или менее знакомы с электроном, фотоном, протоном и нейтроном. Упо­минались еще позитрон и пион. Но что же такое элементарная частица?

Когда греческий философ Демокрит назвал простейшие, не­расчленимые далее частицы атомами (слово атом, напом­ним, означает неделимый), то ему, вероятно, все представля­лось в принципе не очень сложным. Различные предметы, рас­тения, животные построены из неделимых, неизменных частиц. Превращения, наблюдаемые в мире, — это простая пе­рестановка атомов. Все в мире течет, все изменяется, кроме са­мих атомов, которые остаются неизменными.

Но в конце XIX в. было открыто сложное строение атомов и был выделен электрон как составная часть атома. Затем, уже в XX в., были открыты протон и нейтрон — частицы, входящие в состав атомного ядра. Поначалу на все эти частицы смотрели точь-в-точь как Демокрит смотрел на атомы: их считали неде­лимыми и неизменными первоначальными сущностями, ос­новными кирпичиками мироздания.

Этап второй. От позитрона до кварков: 1932—1970 гг. (Все элементарные частицы превращаются друг в друга.) Ситу­ация привлекательной ясности длилась недолго. Все оказалось намного сложнее: как выяснилось, неизменных частиц нет совсем. В самом слове элементарная заключается двоякий смысл. С одной стороны, элементарный — это само собой ра­зумеющийся, простейший. С другой стороны, под элементар­ным понимается нечто фундаментальное, лежащее в основе ве­щей (именно в этом смысле сейчас и называют субатомные частицы элементарными).

Считать известные сейчас элементарные частицы подобны­ми неизменным атомам Демокрита мешает следующий прос­той факт. Ни одна из частиц не бессмертна. Большинство час­тиц, называемых сейчас элементарными, не могут прожить бо­лее двух миллионных долей секунды, даже в отсутствие какого-либо воздействия извне.

Лишь четыре частицы — фотон, электрон, протон и нейтрино — могли бы сохранять свою неизменность, если бы каждая из них была одна в целом мире.

Но у электронов и протонов имеются опаснейшие собратья — позитроны и антипротоны, при столкновении с которыми проис­ходит взаимное уничтожение этих частиц и образование новых.

Фотон, испущенный настольной лампой, живет не более с. Это то время, которое ему нужно, чтобы достичь стра­ницы книги и поглотиться бумагой.

Лишь нейтрино почти бессмертно из-за того, что оно чрез­вычайно слабо взаимодействует с другими частицами. Однако и нейтрино гибнут при столкновении с другими частицами, хо­тя такие столкновения случаются крайне редко.

Итак, в извечном стремлении к отысканию неизменного в нашем изменчивом мире ученые оказались не на «гранитном основании», а на «зыбком песке».

Все элементарные частицы превращаются друг в друга, и эти взаимные превращения — главный факт их существо­вания.

Представления о неизменности элементарных частиц оказа­лись несостоятельными. Но идея об их неразложимости сохра­нилась.

Элементарные частицы уже далее неделимы, но они неис­черпаемы по своим свойствам.  Вот что заставляет так думать. Пусть у нас возникло естест­венное желание исследовать, состоит ли, например, электрон из каких-либо других субэлементарных частиц*. Что нужно сделать для того, чтобы попытаться расчленить электрон? Можно придумать только один способ. Это тот же способ, к ко­торому прибегает ребенок, если он хочет узнать, что находится внутри пластмассовой игрушки, — сильный удар.

Разумеется, по электрону нельзя ударить молотком. Для этого можно воспользоваться другим электроном, летящим с огромной скоростью, или какой-либо иной, движущейся с большой скоростью элементарной частицей.

Современные ускорители сообщают заряженным частицам скорости, очень близкие к скорости света.

Что же происходит при столкновении частиц сверхвысоких энергий? Они отнюдь не дробятся на нечто такое, что можно было бы назвать их составными частями. Нет, они рождают новые частицы из числа тех, которые уже фигурируют в спи­ске элементарных частиц. Чем больше энергия сталкиваю­щихся частиц, тем большее количество, и притом более тяже­лых, частиц рождается. Это возможно благодаря тому, что при увеличении скорости масса частиц растет. Всего лишь из од­ной пары любых частиц с возросшей массой можно в принципе получить все известные на сегодняшний день частицы.

На рисунке 8.1 вы видите результат столкновения ядра углерода, имевшего энергию 60 млрд эВ (жирная верхняя линия), с ядром серебра фото­эмульсии. Ядро раскалывается на осколки, разлетающиеся в разные стороны. Одновременно рождается много новых элемен­тарных частиц — пионов. По­добные реакции при столкно­вениях релятивистских ядер, полученных в ускорителе, впер­вые в мире были осуществлены в 1976 г. в лаборатории высо­ких энергий Объединенного тута ядерных исследований в г. Дубне под руководством акаде­мика А. М. Балдина. Лишенные электронной оболочки ядра были получены путем ионизации атомов углерода лазерным лучом.

Можно даже представить себе поистине фантастическую, но находящуюся в полном соответствии с известными законами природы картину: две сверхэнергичные частицы при столкно­вении рождают целые миры, из которых потом могут возник­нуть звезды и галактики. Случается ведь, что одна частица из космоса рождает ливни различных частиц, общим числом до сотен миллионов, захватывающие у поверхности Земли пло­щадь в несколько квадратных километров.

Возможно, конечно, что при столкновениях частиц с недо­ступной пока нам энергией будут рождаться и какие-то новые, еще неизвестные частицы. Но сути дела это не изменит. Рож­даемые при столкновениях новые частицы никак нельзя рас­сматривать как составные части частиц — «родителей». Ведь «дочерние» частицы, если их ускорить, могут, не изменив сво­ей природы, а только увеличив массу, породить в свою очередь при столкновениях сразу несколько таких же в точности час­тиц, какими были их «родители», да еще и множество других частиц.

Итак, по современным представлениям элементарные час­тицы — это первичные, неразложимые далее частицы, из ко­торых построена вся материя. Однако неделимость элементар­ных частиц не означает, что у них отсутствует внутренняя структура.

Этап третий. От гипотезы о кварках (1964 г.) до наших дней. (Большинство элементарных частиц имеет сложную структуру.) В 60-е гг. возникли сомнения в том, что все час­тицы, называемые сейчас элементарными, полностью оправ­дывают свое название. Часть из них, возможно даже большая часть, носит это название вряд ли заслуженно. Основание для сомнений простое: этих частиц очень много.

Открытие новой элементарной частицы всегда составляло и сейчас составляет выдающийся триумф науки. Но уже доволь­но давно к каждому очередному триумфу начала примеши­ваться доля беспокойства. Триумфы стали следовать букваль­но друг за другом.

Была открыта группа так называемых «странных» частиц: АГ-мезонов и гиперонов с массами, превышающими массу нук­лонов. В 70-е гг. к ним прибавилась большая группа «очаро­ванных» частиц с еще большими массами. Кроме того, были открыты чрезвычайно короткоживущие частицы с временем жизни порядка 10”22—10-23 с. Эти частицы были названы резонансами, и их число перевалило за двести.

Вот тогда-то (в 1964 г.) М. Гелл-Манном и Дж. Цвейгом была предложена модель, согласно которой все частицы, участвующие в сильных (ядерных) взаимодействиях, постро­ены из более фундаментальных (или первичных) частиц — кварков.

В настоящее время в реальности кварков почти никто не сомневается, хотя в свободном состоянии они не обнаружены. О кварковой структуре сильно взаимодействующих частиц (их называют адронами ) мы расскажем в конце главы.

Сейчас остановимся на открытии позитрона, с которого на­чался второй этап развития физики элементарных частиц.

 

Открытие позитрона. Античастицы.

Существование двойника электрона — позитрона — было предсказано теоретически английским физиком П. Дираком в 1931 г. Одновременно Дирак предсказал, что при встрече по­зитрона с электроном обе частицы должны исчезать (анниги­лировать), породив фотоны большой энергии. Может проте­кать и обратный процесс — рождение электронно-позитрон­ной пары, — например, при столкновении фотона достаточно большой энергии (его масса должна быть больше суммы масс покоя рождающихся частиц) с ядром. Спустя год позитрон был обнаружен с помощью камеры Вильсона, помещенной в магнитное поле. Направление иск­ривления трека частицы указывало знак ее заряда, а по ра­диусу кривизны и энергии частицы было определено отно­шение ее заряда к массе. Оно оказалось по модулю таким же, как и у электрона. На рисунке 8.2 вы видите первую фотогра­фию, доказавшую существование позитрона. Частица двига­лась снизу вверх и, пройдя свинцовую пластинку, потеряла часть своей энергии. Из-за этого кривизна траектории увели­чилась.

Процесс рождения пары электрон — позитрон у-квантом в свинцовой пластинке виден на фотографии, приведенной на рисунке 8.3. В камере Вильсона, находящейся в магнит­ном поле, пара оставляет характерный след в виде двурогой вилки.

 То, что исчезновение (аннигиляция) одних частиц и появ­ление других при реакциях между элементарными частицами является именно превращением, а не просто возникновением новой комбинации составных частей старых частиц, особенно наглядно обнаруживается именно при аннигиляции пары электрон — позитрон.

Обе эти частицы обладают определен­ной массой в состоянии покоя и электрическими зарядами. Фотоны же, которые при этом рождаются, не имеют зарядов и не обладают массой покоя, так как не могут существовать в состоянии покоя.

В свое время открытие рождения и аннигиляции электрон­но-позитронных пар вызвало настоящую сенсацию в науке. До того никто не предполагал, что электрон, старейшая из час­тиц, важнейший строительный материал атомов, может ока­заться невечным. Впоследствии двойники (античастицы) были найдены у всех частиц. Античастицы противопоставляются частицам именно потому, что при встрече любой частицы с со­ответствующей античастицей происходит их аннигиляция, т. е. обе частицы исчезают, превращаясь в кванты излучения или другие частицы.

Обнаружены сравнительно недавно антипротон и анти­нейтрон. Электрический заряд антипротона отрицателен. Сейчас хорошо известно, что рождение пар частица — анти­частица и их аннигиляция не являются монополией электро­нов и позитронов.

Атомы, ядра которых состоят из антинуклонов, а оболоч­ка — из позитронов, образуют антивещество. Антиводород получен экспериментально.

При аннигиляции антивещества с веществом энергия покоя превращается в кинетическую энергию образующихся гам­ма-квантов.

 Энергия покоя — самый грандиозный и концентрирован­ный резервуар энергии во Вселенной. И только при аннигиля­ции она полностью высвобождается, превращаясь в другие ви­ды энергии. Поэтому антивещество — самый совершенный ис­точник энергии, самое калорийное «горючее». В состоянии ли будет человечество когда-либо это «горючее» использовать, трудно сейчас сказать.

 

Распад нейтрона. Открытие нейтрино

Пока ничего не было сказано о то, что свободный нейт­рон, в отличие от протона, нестабильная частица. Пора рассказать об этом.  Природа B распада.

При (B-распаде из ядра вылетает электрон. Но электрона в ядре нет. Откуда же он берется? После вылета электрона из яд­ра заряд ядра, а значит, и число протонов увеличиваются на единицу. Массовое число ядра не меняется. Это означает, что число нейтронов уменьшается на единицу. Следовательно, вну­три Р-радиоактивных ядер нейтрон способен распадаться на протон и электрон. Протон остается в ядре, а электрон вылетает наружу. Только в стабильных ядрах нейтроны устойчивы.

Но вот что странно. Совершенно тождественные ядра испус­кают электроны различной энергии. Вновь образующиеся яд­ра, однако, совершенно одинаковы независимо от того, какова энергия испущенного электрона. Это, по-видимому, противо­речит закону сохранения энергии — самому фундаментально­му физическому закону! Энергия исходного ядра оказывается неравной сумме энергий конечного ядра и электрона.

 

Гипотеза Паули

Швейцарский физик В. Паули предположил, что вместе с протоном и электроном при распаде нейтрона рождается ка­кая-то частица-«невидимка», которая уносит с собой недос­тающую энергию. Частица эта не регистрируется приборами, потому что она не несет электрического заряда и не имеет мас­сы покоя. Значит, она не способна производить ионизацию атомов, расщеплять ядра, т. е. не может вызвать эффекты, по которым можно судить о появлении частицы.

Конечно, нелепо утверждать, будто частица, какой бы не­обычной она ни была, вообще ни с чем не взаимодействует. Ина­че введение такой частицы в физику означало бы замаскирован­ный отказ от закона сохранения энергии. Выходило бы, что энергия теряется вместе с частицей безвозвратно и навсегда. Вот почему Паули предположил, что гипотетическая частица просто очень слабо взаимодействует с веществом и поэтому может пройти сквозь большую толщу вещества, не обнаружив себя.

Эту частицу Ферми назвал нейтрино, что означает «нейтрон- чик». Масса покоя нейтрино, как и предсказал Паули, оказа­лась равной нулю . За этими словами кроется простой смысл: покоящихся нейтрино нет. Едва успев появиться на свет, они сразу движутся со скоростью 300 000 км/с. Подсчитали, как взаимодействуют нейтрино с веществом в слое определенной толщины. Результат оказался далеко не утешительным в смыс­ле возможности обнаружить эту частицу экспериментально. Нейтрино способно пройти в свинце расстояние, равное расстоя­нию, проходимому светом в вакууме за несколько лет.

 

Распад свободного нейтрон

Роль нейтрино не сводится только к объяснению Р-распада ядер. Очень многие элементарные частицы в свободном состоя­нии самопроизвольно распадаются с испусканием нейтрино. Именно так ведет себя нейтрон. Только в ядрах нейтрон за счет взаимодействия с другими нуклонами приобретает стабиль­ность. Свободный же нейтрон живет в среднем 16 мин. Это бы­ло экспериментально доказано лишь после того, как были по­строены ядерные реакторы, дающие мощные пучки нейтронов.

В 1980 г. появились сообщения о том, что у нейтрино, возможно, обнаружена очень малая масса покоя. Но пока этот результат нельзя считать установленным бесспорно.

Как и другие частицы, нейтрино (символ v) иеет античас­тицу, называемую антинейтрино (символ v). При распаде нейт­рона на протон и электрон излучается именно антинейтрино:

Энергия нейтрона всегда больше суммы энергий протона и электрона. Избыточная энергия уносится с антинейтрино.

​

Экспериментальное открытие нейтрино

Несмотря на свою неуловимость, нейтрино (точнее, анти­нейтрино) после почти 26 лет его «призрачного существова­ния» в научных журналах было открыто экспериментально. Теория предсказала, что при попадании антинейтрино в про­тон возникнут позитрон и нейтрон:

Вероятность такого процесса мала из-за чудовищной прони­кающей способности антинейтрино. Но если антинейтрино бу­дет очень много, то можно надеяться их обнаружить. Громад­ное количество антинейтрино возникает при работе ядерного реактора, когда при делении ядер урана образуется множество (3-радиоактивных осколков с малым временем жизни. И вот возле реактора (опыт был проведен в США в 1956 г.) в землю был закопан ящик со свинцово-парафиновыми стенками. В ящике было 200 л воды, окруженной слоем жидкого сцин­тиллятора (около 300 л), который давал вспышки при прохож­дении сквозь него у-квантов.

Позитрон, появившийся при попадании антинейтрино в один из протонов молекулы воды (точка В на рисунке V форза­ца), немедленно аннигилирует с одним из электронов (точка А), давая два у-кванта. Гамма-кванты вызывают вспышки сцинтиллятора, которые регистрируются специальными при­борами. Рожденный при реакции нейтрон после некоторого блуждания захватывается ядром кадмия (точка С), специаль­но добавленного к воде. После этого ядро кадмия излучает несколько у-квантов, сигнализируя тем самым о появлении нейтрона. По возникновению сначала двух разлетающихся в разные стороны у-квантов, а потом, спустя небольшой проме­жуток времени, еще нескольких у-квантов было установлено существование антинейтрино с той степенью достоверности, какая только возможна в мире элементарных частиц.

 

Солнечные нейтрино

В результате термоядерного слияния протонов в Солнце в большом количестве рождаются нейтрино. Вблизи Земли поток нейтрино достигает значения частиц на 1 см . Это не так уж много для столь проникающих частиц, как нейт­рино. Тем не менее можно построить детектор, способный ре­гистрировать солнечные нейтрино.

Детектирование нейтрино осуществляется с помощью ра­диохимического метода, предложенного Б. М. Понтекорво в 1946 г. Используется реакция

Под действием солнечного нейтрино ядро хлора превращается в ядро радиоактивного аргона с периодом полураспада 35 сут.

Детектор, созданный американским физиком Р. Дэвисом, представляет собой цилиндрический бак, содержащий 390 000 л жидкого тетрахлорэтилена (С2С12) массой 10 т. Уст­ройство располагается в соляной шахте на глубине 1,5 км для защиты от облучения космическими лучами. Возникающий аргон извлекается с помощью продувания через бак 20 000 л гелия. Затем аргон вымораживается охлаждением до 77 К и адсорбируется активированным углем. После этого атомы ар­гона регистрируются по радиоактивному распаду.

После нескольких лет работы, в 1979 г., солнечные нейтри­но были зарегистрированы, но в количестве, в 3 раза меньшем расчетного. Причины этого пока не вполне ясны.

В нашей стране создана нейтринная Баксанская станция. В ущелье Баксан на Кавказе в монолитной скале проделан двухкилометровый тоннель и сооружена научная лаборато­рия, защищенная от космических лучей скалой толщиной в несколько километров. В лаборатории располагается аппара­тура для регистрации солнечных нейтрино и нейтрино из кос­моса.

 

Сущность распада элементарных частиц

Распад нейтрона и других частиц представляет собой пре­вращение в мире элементарных частиц, а не разъединение сложной системы на составные части.

Отношение частиц-потомков к частице-предку совсем не на­поминает отношение разбитого горшка к целому сосуду. В слу­чае распада нейтрона, например, это очевидно: так как анти­нейтрино существует лишь в движении по прямой со скоростью света, то оно содержаться внутри нейтрона не может. Возни­кающие же при распаде нейтрона протон и электрон могут об­разовать устойчивую систему. Однако это будет хорошо извест­ный и превосходно изученный атом водорода, а не нейтрон.

Так же обстоит дело и с другими частицами, живущими лишь определенный интервал времени. Распад частицы совсем не является признаком того, что она не элементарна. Нейтрон, несмотря на свою нестабильность, считается элементарной час­тицей, а ядро атома тяжелого водорода — дейтрон, вне всяких сомнений, состоит из нейтрона и протона, хотя он и стабилен.

Промежуточные бозоны- переносчики слабых взаимодействий

​

Слабые взаимодействия

Распад нейтрона на протон, электрон и антинейтрино не мо­жет быть вызван ядерными силами, так как электрон не испы­тывает сильных взаимодействий и поэтому не может быть рожден за их счет. Рождение электронов возможно под дейст­вием электромагнитных сил. Но ведь есть еще антинейтрино, которое лишено электрического заряда и не участвует в элек­тромагнитных взаимодействиях. Такая же ситуация возника­ет при распаде л-мезонов и других частиц с испусканием нейт­рино или антинейтрино.

Следовательно, должны быть какие-то другие взаимодейст­вия, ответственные за распад нейтрона (и многих других час­тиц). Так на самом деле и есть. В природе существует четвер­тый тип сил — слабые взаимодействия. Именно эти силы яв­ляются главным действующим лицом в трагедии гибели частиц.

Слабыми эти взаимодействия названы потому, что они дей­ствительно слабы: примерно в 1014 раз слабее ядерных! Ими всегда можно пренебречь там, где проявляются сильные или электромагнитные взаимодействия. Но есть много процессов, которые могут быть вызваны только слабыми взаимодействия­ми. Вот тут-то они и встают во весь рост.

Из-за малого значения слабые взаимодействия не влияют на движение частиц заметным образом. Не ускоряют их и не за­медляют. Слабые взаимодействия не способны удерживать ка­кие-либо частицы друг возле друга с образованием связанных состояний. Тем не менее это силы в таком же смысле, как и электромагнитные и ядерные. Главное ведь в любом взаимо­действии — это рождение и уничтожение частиц. А именно эти функции (особенно последнюю) слабые взаимодействия выполняют не торопясь, но совершенно неукоснительно.

Заметим еще, что слабые взаимодействия совсем не ред­кость. Напротив, они до крайности универсальны. В них участ­вуют все частицы. Заряд, или, точнее, константа слабых взаи­модействий, имеется у всех частиц. Но только для частиц, уча­ствующих в других взаимодействиях, способность к слабым взаимодействиям несущественна. Лишь нейтрино ни к каким взаимодействиям, кроме слабых, неспособны (за исключением, конечно, ультраслабых — гравитационных). Поэтому все реак­ции, в которых происходит рождение или уничтожение нейт­рино, наверняка вызваны слабыми взаимодействиями.

Роль слабых взаимодействий в эволюции Вселенной совсем не мала. Если бы слабые взаимодействия выключились, то погасло бы Солнце и другие звезды. Протон-протонный цикл, происходит за счет слабых взаимодействий с участием нейтрино.

​

«Быстрые» и «медленные» лучше, чем «сильные» и «слабые»

Наименования взаимодействий — «слабые» и «сильные» — удачны, но все же в определенном смысле они не вполне оправ­даны.

Действительно, если, скажем, человек слаб, то он никогда не сможет совершить выдающегося действия вроде поднятия двухпудовой гири. Слабые же взаимодействия слабы совсем не в том смысле, что ничто выдающееся в микромире им не под силу. Они могут вызвать развал любой частицы, обладающей массой покоя, если только это допускается законами сохране­ния. Соблюдение последнего условия весьма существенно. В противном случае нейтроны в ядрах были бы нестабильны­ми и в природе не было бы ничего, кроме водорода.

Все дело в том, что действия слабых взаимодействий прояв­ляются очень редко. В этом смысле они скорее медленные, чем слабые, и напоминают тяжелоатлета, способного поднять ог­ромную штангу, но только очень и очень медленно.

Сильные взаимодействия — это самые быстрые взаимодей­ствия, и вызываемые ими превращения элементарных частиц происходят очень часто. Электромагнитные взаимодействия работают медленнее, чем сильные, но все же неизмеримо быст­рее, чем слабые. Характерное время слабых взаимодействий 10-10 с против  10-21 с для электромагнитных.

Однако при больших энергиях сталкивающихся частиц по­рядка ста миллиардов электронвольт слабые взаимодействия перестают быть слабыми по сравнению с электромагнитными.

 

Как осуществляются слабые взаимодействия

Долгое время считалось, что слабые взаимодействия происхо­дят между четырьмя частицами в одной точке. В случае распада нейтрона это сам нейтрон, протон, электрон и антинейтрино. Бы­ла построена Э. Ферми, Р. Фейнманом и другими учеными соот­ветствующая (разумеется, квантовая) теория слабых взаимодей­ствий. Правда, исходя из общих соображений о единстве сил природы, высказывалось предположение, что слабые взаимодей­ствия, подобно всем другим, должны осуществляться посред­ством некоего «слабого» поля. Соответственно должны существо­вать кванты этого поля — частицы — переносчики взаимодейст­вия. Но никаких экспериментальных указаний на это не было.

 

Единая теория слабых и электромагнитных взаимодействий

Новый важнейший шаг в развитии теории слабых взаимо­действий был сделан в 60-х гг. американскими физиками С. Вайнбергом, Ш. Глэшоу и пакистанским ученым А. Саламом, работавшим в Триесте. Ими была выдвинута смелая гипо­теза о единстве слабых и электромагнитных взаимодействий.

В основе гипотезы Вайнберга, Глэшоу и Салама лежало предположение, высказывавшееся ранее, о том, что слабые взаимодействия осуществляются путем обмена частицами, на­званными промежуточными или векторными бозонами, трех

сортов: W+, W- и Z°. Первые две частицы несут заряд, равный элементарному, а третья нейтральна.

Суть новой гипотезы состоит в следующем: природа слабого и электромагнитного взаимодействий едина в том смысле, что на са­мом глубоком уровне истинная их сила одинакова и промежуточ­ные бозоны взаимодействуют со всеми частицами на малх рас­стояниях точно так же, как фотоны с заряженными частицами.

Соответственно на очень малых расстояниях слабые взаимо­действия должны проявляться с той же силой, что и электро­магнитные. Почему тогда эти взаимодействия все же оправды­вают свое название? Почему вызываемые ими процессы проте­кают гораздо медленнее, чем электромагнитные процессы?

Дело в том, что радиус слабых взаимодействий гораздо меньше, чем электромагнитных. Из-за этого они кажутся сла­бее электромагнитных. Вспомним, что радиус I действия сил, как вытекает из соотношения неопределенностей, связан с массой покоя т частиц-переносчиков взаимодействия форму­лой . У фотонов масса покоя равна нулю и радиус слабых взаимодействий означает, что масса промежу­точных бозонов — переносчиков этих взаимодействий — очень велика — несколько десятков протонных масс.

Образно говоря, если «фотонная шуба» простирается на сколь угодно большие расстояния от заряженных частиц, то «область обитания» переносчиков слабых взаимодействий крайне мала. И только в этой области слабые взаимодействия сравниваются с электромагнитными. Но сверхмалые расстоя­ния между взаимодействующими частицами встречаются не­часто. Гораздо вероятнее, что частицы пролетают друг от друга на расстояниях, больших радиуса слабого взаимодействия , где mw — масса промежуточных бозонов. Лишь при больших энергиях сталкивающихся частиц вероятность их сближения повышается и интенсивность слабых взаимодейст­вий увеличивается. Малый радиус слабых взаимодействий маскирует их истинную силу. Как и большинство других частиц, промежуточные бозоны не могут быть стабильными. Время их жизни по теоретическим оценкам порядка 3*10-25 с. Распадаться бозоны могут на элект­рон и антинейтрино, мюон и нейтрино, пару электрон—позит­рон и т. д.:

На диаграмме Фейнмана распад ней­трона с участием промежуточного бозо­на выглядит так, как показано на рисун­ке 8.4.

 

 

 

 

 

 

Открытие промежуточных бозонов

По теоретическим оценкам масса промежуточных бозонов очень велика: масса заряженных И^-бозонов превышает массу электрона в 160 000 раз, а масса нейтрального Z°-бозона равна 186 000 электронных масс. Следовательно, для их рождения нужна очень большая энергия. Это обстоятельство и очень ма­лое время жизни бозонов затрудняет их поиски. Тем не менее в 1983 г. бозоны были обнаружены экспериментально с помощью ускорителя с встречными протон-антипротонными пучками. Такой ускоритель был сооружен в Европейском центре ядер- ных исследований (ЦЕРН) в 1981 г. Энергия, сообщаемая уско­рителем протонам (или антипротонам), превышает 500 ГэВ.

При столкновениях протонов с антипротонами таких огром­ных энергий рождаются десятки самых разнообразных час­тиц. Выловить в этом море частиц промежуточные бозоны, ко­торые тут же распадаются, очень трудно. Были сооружены специальные детекторы длиной 10 м и шириной 5 м, массой 2000 т. Промежуточные бозоны были обнаружены по продук­там их распада, и довольно точно была измерена их масса. Она оказалась в блестящем согласии с теорией Вайнберга—Глэ­шоу—Салама.

 

Сколько существует элементарных частиц?

Мы не будем перечислять все частицы, называемые по традиции элементарными. Их слишком много, более 200.

В таблицу элементарных частиц (смотрите таблицу №1 ) не включены все короткоживущие частицы — резонансы, в частности не­давно открытые «очарованные» частицы. Не включены также переносчики слабых взаимодействий — векторные бозоны. В результате получается таблица из 39 частиц. Не все характе­ристики частиц включены в таблицу. Только самые главные: масса, электрический заряд и время жизни. Масса частиц выражена, как сейчас принято в физике элементарных частиц, в энергетических единицах — мегаэлектронвольтах (МэВ), а электрический заряд — в элементарных зарядах е.

Все частицы в таблице разделены на группы и (за исключе­нием т-лептона) помещены в порядке возрастания массы.

Таблица1

Таблица открывается фотоном. Фотон, оставаясь в одиноче­стве, образует первую группу.

Следующую группу образуют легкие частицы — лептоны. В нее входит двенадцать частиц (включая античастицы). Име­ются три сорта нейтрино: электронное нейтрино рождается вместе с электронами, мюонное нейтрино — вместе с мюонами и т-лептонное нейтрино рождается вместе с т-лептонами. Далее следуют электрон, мюон и, наконец, т-лептон, открытый в 1957 г. Хотя т-лептон имеет очень большую массу, он включен в группу лептонов, поскольку по всем другим свойствам бли­зок к ним. Главное свойство, которое его роднит с остальными лептонами, состоит в том, что эта частица, как и другие лепто­ны, не участвует в сильных взаимодействиях.

Затем идут мезоны. Эта группа состоит из восьми частиц. Наиболее легкие из них л-мезоны: положительные, отрица­тельные и нейтральные. Пионы являются квантами ядерного поля, подобно тому как фотоны — кванты электромагнитного поля. Еще имеются четыре Х-мезона и один n°-мезон.

Последняя группа — барионы — самая обширная. В нее входит 18 частиц из 39. Самыми легкими из барионов являют­ся нуклоны — протоны и нейтроны. За ними следуют так на­зываемые гипероны. Вся таблица замыкается £2”(омега-минус- частицей), открытой в 1964 г. после того, как она была пред­сказана теоретически.

 

Кварки

Теперь мы перейдем к третьему этапу в развитии физи­ки элементарных частиц.

Главная идея, высказанная впервые М. Гелл-Манном и Дж. Цвейгом, состоит в том, что все частицы, участвующие в сильных взаимодействиях, построены из более фундаменталь­ных частиц — кварков. Кроме лептонов, фотонов и промежуточ­ных бозонов все уже открытые частицы являются составными.

Субэлементарных частиц мало, но зато свойства их до край­ности необычны. Поэтому Гелл-Манн дал им название весьма необыкновенного происхождения. В романе английского писа­теля Джойса «Поминки по Финнегану» главному герою чудит­ся, будто он король Марк из средневековой легенды, у которо­го племянник Тристан похитил жену Изольду. Король Марк гонится за Изольдой на корабле. Над ним кружатся чайки (ко­торые, впрочем, может быть, вовсе не чайки, а судьи) и злобно кричат: «Три кварка мистеру Марку!» И все громче их зага­дочный, страшный клич: «Три кварка, три кварка, три квар­ка, три кварка!» Кварки — бесы. Выбрав это название для суб­элементарных частиц, Гелл-Манн, по-видимому, хотел под­черкнуть проблематичность существования этих частиц.

Первоначально была введена гипотеза о существовании трех кварков (и соответственно трех антикварков). Кварки обозначаются буквами u, d, s. Они должны иметь дробные электрические заряды. Первый из них — u-кварк имеет заряд , а d- и s-кварки имеют одинаковые заряды, , (где е — модуль заряда электрона). Протон состоит из двух i/ кварков и одного d-кварка; пионы состоят из комбинации кварк — антикварк и т. д. Странные частицы (каоны и гиперо­ны) содержат более тяжелый s-кварк, называемый «странным».

Было предсказано существование четвертого — с-кварка, названного «очарованным». Затем экспериментально были об­наружены частицы, содержащие этот кварк. Масса с-кварка превышает массу s-кварка. Впоследствии были предсказаны, а затем и открыты еще более тяжелые b- и t-кварки.

 

Кварковая структура частиц

Подобно тому как в опытах Резерфорда по рассеянию а-частиц было обнаружено малое образование внутри атома — атом­ное ядро, в опытах по рассеянию электронов на протонах и нейтронах было обнаружено пространственное распределение электрического заряда в этих частицах. Затем с увеличением энергии рассеиваемых частиц (электронов и нейтрино) до 50 МэВ удалось установить существование точечных образова­ний в протонах и нейтронах. Так подтвердилась кварковая структура нуклонов.

Все барионы построены из трех кварков. В состав протона входит два u-кварка и один d-кварк. Нейтрон составлен из двух d-кварков и одного u-кварка. В результате заряд протона равен е, а нейтрона — нулю. Античастицы состоят из антикварков.

Мезоны построены иначе. Каждый мезон состоит из одного кварка и одного антикварка. Так, п+-мезон содержит u-кварк и d-антикварк;  п+-мезон составлен из d-кварка и u-антикварка и т. д.

 

Удержание кварков

Все адроны состоят из кварков, но расцепить их на кварки не удалось. Кварки искали среди материковых пород, отложе­ний на дне океана, в лунном грунте. Но свободные кварки об­наружены не были. Не удалось их получить и с помощью уско­рителей элементарных частиц.

Сейчас правдоподобной и привлекательной кажется точка зрения, согласно которой свободных кварков в природе не су­ществует и не может существовать. Кварки не могут вылетать из адронов.

Развивается несколько теорий, объясняющих невозмож­ность разделения адронов на кварки. В основе всех этих те­орий лежит утверждение о том, что межкварковые силы, в от­личие от всех других сил в природе, не убывают с расстоянием. При увеличении расстояния они остаются постоянными, а мо­жет быть, даже и возрастают. Если это справедливо, то из­влечь кварк из адрона нельзя. Точно так же нельзя было бы разделить атомы в молекуле, если бы потенциальная энергия взаимодействия атомов имела форму ветви параболы при лю­бых расстояниях между атомами (рисунок. 8.5).

Удаление электрона из атома (ионизация атома) требует энергии порядка 10 эВ. Расщепление ядра требует гораздо большей энергии — несколько миллионов электронвольт. Уда­ление же одного кварка на расстояние 3 см от протона требует  энергии около  МэВ. Этой энергии достаточно для того, чтобы поднять человека на высоту 10 м над землей.

Однако задолго до удаления кварка начнет действовать осо­бый механизм рождения частиц. Когда при удалении кварка из нуклона потенциальная энергия достигнет достаточно высо­кого уровня, начнут образовываться за счет этой энергии ре­альные пары кварк — антикварк (рисунок 8.6, а). Кварк остается в нук­лоне и восстанавливает эту частицу, а антикварк объединяется с удаля­емым кварком и образует мезон (рисунок 8.6, б). Вместо удаления квар­ка из нуклона происходит рождение мезона.

При столкновениях частиц высо­кой энергии, например электрона с позитроном, образуются направленные пучки многих адронов, называемые струями. Наблюде­ние струй служит еще одним доказательством реальности кварков.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

​

 

О массе кварков

Из-за того что кварки не существуют в свободном состоя­нии, вопрос об их массе оказывается сложным. Массы могут быть оценены лишь косвенным путем.

Простейшие соображения о массе кварков выглядят так. Массы протона и нейтрона близки. Их кварковые составы uud и udd. Поэтому массы и- и d-кварков примерно равны и состав­ляют 1/3 от массы протона, т. е. чуть больше 300 МэВ. Стран­ный кварк s входит в состав Л°-гиперона, масса которого на 180 МэВ больше массы протона. Если эту разницу отнести на счет более тяжелого s-кварка, то для его массы получится зна­чение около 500 МэВ. Подобным образом масса очарованного с-кварка оценивается в 1550 МэВ, Ь-кварка в 4700 МэВ, а f-кварка в 40 000 МэВ. Но эти массы представляют собой некие эффективные характеристики, описывающие связанные со­стояния кварков в адронах. Они могут не совпадать с фунда­ментальными массами частиц, на основе которых должна строиться теория.

Если строить теорию, описывающую детально взаимодейст­вия кварков, то для согласия теории с опытом кваркам надо приписать следующие массы: ы-кварки — 4,2 МэВ, d-кварки —7,5 МэВ, s-кварки — 150 МэВ, с-кварки — 1200 МэВ и b-кварки — 4350 МэВ. Видно, что для легких кварков различие по­лучается очень большим. Полной ясности с массами кварков в настоящее время нет.

​

Кварк-лептонная симметрия

По современым представлениям все лептоны, как и кварки, лишены внутренней структуры. В этом смысле лептоны и кварки могут считаться истинно элементарными частицами. Без учета античастиц открыто сейчас шесть лептонов. Кварков открыто то­же шесть. Существует кварк-лептонная симметрия, которая вы­ражается в том, что в природе встречается шесть лептонов, а все сильно взаимодействующие частицы состоят из шести кварков.

При этом можно выделить три поколения лептонов и квар­ков. Массы частиц возрастают от поколения к поколению. Все три поколения частиц и значения их электрических зарядов представлены в таблице 2.

Таблица 2

Именно кварк-лептонная симметрия позволила предсказать существование с-кварка.

Вещество Вселенной стабильно, все атомы построены из час­тиц первого поколения: электронов, и- и d-кварков. Кварки и и d образуют нуклоны и, следовательно, атомные ядра. Электронное нейтрино хотя и не входит в состав атомов, но играет ключевую роль в термоядерных реакциях внутри Солнца и других звезд.

Почему существуют лептоны и кварки второго и третьего поколений, пока не ясно. Мир согласно имеющимся в физике представлениям мог бы существовать и без них.

​

Цвет

Для согласования кварковой модели адронов с принципом Паули был предложен новый, усложненный вариант модели. Эта модель была предложена в 1965 г. Н. Н. Боголюбовым, Б. В. Струминским, А. Н. Тавхелидзе в нашей стране и неза­висимо Й. Намбу, М. И. Ханом и другими учеными в США. В этой модели каждый из кварков может появляться в трех различных состояниях, идентичных по всем свойствам, кроме нового особого свойства, названного «цветом» (например, кварки могут быть красными, зелеными и синими). Принятая терминология, как видите, довольно причудлива. Разумеется, цвет не имеет прямого отношения к тому, что принято назы­вать цветом в повседневной жизни, да и в привычной нам обыкновенной физике. Кварки никак нельзя мыслить в виде окрашенных шариков.

Кстати, определенный тип кварка (и, d или s) часто именуют «ароматом». Кварки, как говорят, различаются по цвету и аро­мату. Согласно этой терминологии каждый аромат кварка мо­жет проявляться в трех различных цветовых состояниях, имеющих одинаковые массы, электрические заряды и все дру­гие свойства. Антикварки имеют цвета, дополнительные к цве­там кварков: сине-зеленый, пурпурный и желтый. Число раз­личных кварков, включая антикварки, равно: 6*2*3 = 36.

 

Бесцветность

На первый взгляд может показаться, что утроение числа кварков должно привести к значительному увеличению воз­можного числа адронов, составленных из этих кварков. Но в действительности это не так. Чтобы результаты новой кварко­вой модели согласовались с действительностью, был введен принцип «бесцветности». Согласно этому принципу все адро­ны должны быть бесцветными или белыми. Это означает, что каждый барион должен состоять из трех кварков различных цветов. Так как кваркам приписываются основные цвета спектра, то каждая комбинация может быть названа белой, по­скольку при смешении основных цветов получается белый цвет . При таком построении барионов принцип Паули выпол­няется автоматически.

Мезоны также бесцветны: каждый из них состоит из кварка и антикварка, цвета которых дополнительны. Причем цвет и антицвет кварков любого аромата непрерывно меняется. Ана­логично цвета кварков в барионах не фиксированы и претерпе­вают непрерывные изменения. Гипотеза бесцветности одно­значно приводит к определенным правилам конструирования барионов и мезонов из кварков и автоматически исключает комбинации из двух или четырех кварков. Из них нельзя со­ставить белые адроны.

Правила композиций адронов после введения постулата бес­цветности остаются теми же, что и раньше, но получают некото­рое обоснование. Гипотеза цветных кварков находит экспери­ментальное подтверждение. При аннигиляции электронно-по­зитронных пар высокой энергии в одних случаях появляются адроны, а в других пары |u, |u* мюонов. Отношение числа слу­чаев рождения адронов к числу рождения мюонов зависит, со­гласно теории, от количества различных кварков. Гипотеза цветных кварков приводит к неплохому согласию с эксперимен­том, в то время как первоначальная кварковая модель дает заве­домо неверные результаты.

 

Взаимодействие кварков. Глюоны

Кварки внутри адронов взаимодействуют друг с другом. Взаимодействие это, очевидно, является сильным. Иначе адроны без труда можно было бы расщепить на составляющие их кварки. Теория этих взаимодействий, называемая квантовой хромодинамикой, успешно развивается. Получены обнадежи­вающие результаты, хотя говорить об удовлетворительной за­конченной теории еще слишком рано.

Согласно основным идеям квантовой хромодинамики взаи­модействие кварков осуществляется посредством обмена осо­быми частицами — глюонами . Глюоны «склеивают» кварки воедино.

Подобно фотонам глюоны лишены электрического заряда и не имеют массы покоя.

При обмене глюонами кварки меняют свой цвет, но не аро­мат. Например, красный u-кварк, испуская глюон, превраща­ется в зеленый и-кварк или синий, но не может превратиться в d- или s-кварк. Именно беспрестанный обмен глюонами приво­дит к тому, что кварки в адронах непрерывно меняют свой цвет, оставляя адрон во все моменты времени бесцветным. Цвет — главная характеристика кварка в сильных взаимодей­ствиях.

Набор глюонов, обеспечивающий перенос всех цветов меж­ду всеми кварками, по необходимости оказывается довольно обширным. Согласно предсказаниям теории их должно быть восемь. В то же время электромагнитные взаимодействия обусловлены обменом частицами одного сорта — фотонами, а слабые взаимодействия обменом тремя сортами промежуточ­ных бозонов: W*, W~ и Z0. В отличие от фотонов, глюоны взаи­модействуют друг с другом.

Глюоны, как и кварки, в свободном состоянии не существу­ют. Глюон в адроне может превратиться в виртуальную пару кварк — антикварк, и эти превращения происходят постоян­но. В результате наряду с реальными кварками, называемыми валентными, внутри адронов имеется поле виртуальных квар­ковых пар. Эти пары реально проявляют себя, влияя на про­цесс рассеяния электронов на нуклонах.

Виртуальная пара кварк — антикварк — это виртуальный мезон. Обмен виртуальными мезонами обусловливает взаимо­действие барионов, например связывает протоны и нейтроны внутри атомного ядра. Обсуждавшиеся нами ранее сильные взаимодействия адронов должны сводиться с точки зрения кварковой модели к первичным межкварковым взаимодейст­виям. По словам Ш. Глэшоу, «...взаимодействие бесцветных адронов — не более чем слабый остаток от основного взаимо­действия цветных кварков. Точно так же как межмолекуляр­ные силы между нейтральными молекулами — только слабый след электромагнитных сил, которые притягивают электроны к ядру, сильные взаимодействия между адронами — лишь сла­бый след сил, действующих внутри отдельного адрона».

Сильное взаимодействие глюонов друг с другом и с кварка­ми приводит к удержанию кварков и глюонов внутри адронов.

​

Слабые взаимодействия кварков

Адроны наряду с сильными взаимодействиями участвуют также в слабых. С точки зрения кварковой модели адронов это означает, что в слабом взаимодействии участвуют кварки.

Обмен глюонами, ответтвенный за сильные взаимодействия, меняет только цвет кварка, оставляя все его остальные свойства неизменными. При слабом взаимодействии кварки обменивают­ся промежуточными бозонами W*, W~, Z°. Этот обмен приводит к изменению аромата кварка, т. е. почти всех его свойств.

Распад нейтрона за счет слабого взаимодействия в кварко­вой модели выглядит так. Один из двух d-кварков нейтрона ис­пускает W~-мезон и превращается в u-кварк. В результате обра­зуется протон, состоящий из одного d-кварка и двух и-кварков.

W~-мезон распадается на лептоны: электрон и антинейтрино.

Таким образом, слабые взаимодействия осуществляют опре­деленную связь между кварками и лептонами — частицами, ко­торые в первую очередь можно считать истинно элементарными.

​

«Великое объединение»

За последние годы физика элементарных частиц (на третьем этапе развития) сделала огромный скачок вперед. Была уста­новлена структура адронов. Это открытие по своим масштабам не уступает открытию ядра и сложного строения атома. По­строена единая теория электромагнитных и слабых взаимодей­ствий (теория электрослабых взаимодействий). Открыты пред­сказанные ею промежуточные бозоны. Успешно развивается теория взаимодействия кварков — кварковая хромодинамика.Выдвинута и находится в стадии построения новая теорети­ческая модель, получившая название «Великое объединение».Эта теория объединяет электромагнитные, слабые и сильные взаимодействия. В основе ее лежит кварк-лептонная симмет­рия и теория электрослабого взаимодействия. Новая теория предсказывает нестабильность протона. Среднее время жизни протона должно быть равным 10 лет. Пока эти предсказания не получили экспериментального подтверждения.В еще более грандиозном обобщении, названном «Суперсим­метрией», делается попытка объединить все четыре фунда­ментальных взаимодействия, включить гравитацию в рамки единой теории сил и построить обобщение теории тяготения — супергравитацию. Пока предложенные варианты теории дале­ки от реальной действительности.
 

Надежды

Достигнутые результаты позволяют надеяться, что недале­ко то время, когда будет решена основная задача физики эле­ментарных частиц и всей физики вообще. Будет получен спектр масс элементарных частиц и будет выяснено, чем опре­деляются значения электрического заряда и других констант взаимодействий.

​

Вопросы для самоконтроля

​

1. Какие частицы называют элементарными?

2. Каково основное свойство элементарных частиц?

3. Произвольны ли превращения элементарных частиц или они чем- либо ограничены?

4. Какова структура протона и нейтрона  согласно кварковой гипотезе?

5. Сколько существует элементарных частиц?

6. Свойства и взаимодействия кварков.

​