§ 44-1. Фундаментальные взаимодействия и классификация элементарных частиц (для дополнительного чтения)

По мере роста количества открытых элементарных частиц, стали возникать вопросы об их классификации (подобно таблице Менделеева), об особенностях и свойствах различных частиц к участию в тех или иных взаимодействиях. Какие частицы «отвечают» за известные взаимодействия в физике? Как и на каком этапе эволюции Вселенной у элементарных частиц появилась масса? Каких элементарных частиц еще недостает для построения завершенной теории?

В настоящее время сложилась общепринятая теория наиболее общих типов элементарных частиц и их взаимодействий, которая называется стандартной моделью (рис. 232-1).

Стандартная модель — теоретическая конструкция в физике элементарных частиц, объединяющая электромагнитное, слабое и сильное взаимодействие всех элементарных частиц. И только при определенных низких энергиях о них можно говорить как об отдельных физических взаимодействиях.

Из четырех фундаментальных взаимодействий лишь гравитационное является универсальным. Электромагнитные силы оказывают влияние главным образом на частицы, обладающие электрическим зарядом.

В слабых взаимодействиях участвуют все частицы, за исключением фотонов. Сильное взаимодействие — самое избирательное. Оно служит основой для разделения элементарных частиц на две обширные группы — группу адронов (от греч. (адрос) — большой, сильный), которые участвуют в сильных взаимодействиях, и группу лептонов (от греч.  (лептос) — тонкий, легкий), которые не участвуют в сильном взаимодействии.     

Среди элементарных частиц выделяют фундаментальные и составные элементарные частицы.

Фундаментальная частица — бесструктурная элементарная частица, которую до настоящего времени не удалось описать как составную. В настоящее время термин применяется для 6 лептонов (электрон , мюон μ^-, таон τ^-, электронное ν_e, мюонное ν_μ- и тау ν_τ нейтрино) и 6 кварков (u (верхний), d (нижний), s (странный), c (очарованный), b (прелестный), t (истинный)). Каждый из кварков существует в трех «цветовых» видах — «зеленом», «синем», «красном» (рис. 232-2).

Все эти частицы являются фермионами со спином 1/2 и организуются в три поколения (см. рис. 232-2). Вместе с античастицами составляют набор из 24 фундаментальных частиц в совокупности с калибровочными бозонами (частицами-переносчиками фундаментальных взаимодействий).

Между фундаментальными фермионами действуют три типа сил — электромагнитные, слабые и сильные (таблица 13-1). Кварки участвуют в слабых, сильных и электромагнитных взаимодействиях; заряженные лептоны (электрон, мюон, таон) — в слабых и электромагнитных; нейтрино — только в слабых взаимодействиях. Сильное взаимодействие связывает кварки в адроны — составные частицы, состоящие из кварков в разных комбинациях.

Адронами являются частицы, участвующие во всех видах взаимодействий. В 1964 г. американские физики Г. Цвейг и М. Гелл-Манн выдвинули гипотезу, что все адроны можно представить в виде комбинаций кварков и антикварков.

Особенностью этих частиц является их дробный электрический заряд, кратный 1/3 элементарного, и предельно малые размеры (см. рис. 232-3). Кварки  обладают зарядом  и  — зарядом . В свободном состоянии их не обнаружено.

В зависимости от кваркового состава адроны делятся на две группы — барионы и мезоны (от греч. μεσος — средний).

Адроны являются самым многочисленным классом элементарных частиц. Характерный масштаб массы адронов задается массой протона . Наименьшую массу среди адронов имеет π - мезон  , наибольшую  - мезон .

Барионы состоят из трех различных кварков. К ним относятся нуклоны (протон и нейтрон) и гипероны. Протон состоит из кварков , нейтрон —  (рис. 232-4). Гипероны (от греч.  (айпер) — сверх, над, выше) - нестабильные барионы с массами, большими массы нейтрона.

Мезоны состоят из кварка и антикварка.

Согласно стандартной   модели существуют два основных вида фундаментальных элементарных частиц: фермионы (с полуцелым спином) и бозоны (с целым спином). Фундаментальные фермионы являются элементарными «кирпичиками» окружающего нас вещества, а фундаментальные бозоны  — переносчиками взаимодействий между фермионами (см. рис. 232-5).

Бозон — частица с целым значением спина, названная в честь индийского физика Н. Бозе. Термин был предложен английским физиком Полем Дираком.

Различают элементарные и составные бозоны. Элементарные бозоны являются квантами полей, при помощи которых осуществляется взаимодействие элементарных фермионов (лептонов и кварков) в Стандартной модели.

К таким бозонам относят:

— фотон (электромагнитное взаимодействие),

— глюон (сильное взаимодействие),

— - бозоны (слабое взаимодействие),

— бозон Хиггса.

Фотон не обладает электрическим зарядом, он передает электромагнитное взаимодействие, которое связывает атомы в молекулы (см. рис. 232-4).

В современной теории сильного взаимодействия — квантовой хромодинамике, частицы, переносящие сильное взаимодействие, получили название глюоны (от англ. glue — клей) (см. рис. 232-4, в). Глюоны являются электрически нейтральными частицами с нулевой массой покоя, и переносят сильное взаимодействие между кварками. Они не существуют в свободном виде, а проявляются только в процессах рождения и уничтожения барионов и мезонов. Глюон передает сильное взаимодействие и отвечает за ядерные силы, скрепляющие протоны и нейтроны в ядрах.

Бозоны  заряжены соответственно положительно, отрицательно и нейтрально. Они отвечают за  слабое взаимодействие, которое превращает одни частицы в другие (рис. 232-4, г).

Бозон Хиггса был предсказан в теории в 1964 г. Представители ЦЕРНа сообщили  4 июля 2012 г., что на обоих основных детекторах БАК (большого адронного коллайдера) наблюдалась новая частица. 14 марта 2013 г. физики ЦЕРНа подтвердили, что найденная полугодом ранее частица действительно является бозоном Хиггса. С помощью поля Хиггса объясняется наличие  инертной массы частиц-переносчиков слабого взаимодействия (W^±- и - бозоны) и отсутствие массы у частиц-переносчиков сильного (-глюон) и электромагнитного (-фотон) взаимодействий (см. табл. 13-1).

К составным бозонам относят многочисленные двухкварковые связанные состояния, называемые мезонами (см. рис. 232-5, в). Как и у любых бозонов, спин мезонов является целочисленным, и его значение, в принципе, не ограничено (0, 1, 2, 3, …). Другими примерами бозонов являются ядра, содержащие четное количество нуклонов (протонов и нейтронов).

В микромире существуют законы сохранения, характерные только для него, например закон сохранения лептонного заряда (числа).

При ядерных реакциях необходимо учитывать еще один закон сохранения —  закон сохранения барионного заряда (числа).

Понятие «барионный заряд» было введено швейцарским физиком Э. Штюкельбергом для объяснения стабильности протона. Барионам приписывают заряд (число), называемый барионным, который обозначается буквой . У всех барионов , у антибарионов . У частиц, которые не являются барионами, например электрон, фотон, барионный заряд равен нулю . Этот заряд введен вследствие того что в природе происходят только такие процессы, в которых барионный заряд системы сохраняется, т. е. выполняется закон сохранения барионного заряда: алгебраическая сумма барионных зарядов, входящих в систему частиц, сохраняется при всех взаимодействиях.

Барионный заряд любой частицы, так же как и лептонный, представляет собой безразмерное целое число. Барионный заряд системы равен количеству присутствующих в ней барионов. Поэтому массовое число , которое определяет число протонов и нейтронов в атомном ядре, одновременно является и барионным зарядом.

Название «кварк» было заимствовано М. Гелл-Маном из книги  Джеймса Джойса «Поминки по Финнигану». По-немецки «кварк» — «творог», но в романе это слово означает нечто двусмысленное и таинственное: герой видит сон, где чайки кричат: «Три кварка для мистера Марка». Скорее всего, этот термин прижился потому, что соответствует «таинственной» роли кварков в физике.  М. Гелл-Ман является лауреатом Нобелевской премии по физике за 1969 г. «за открытия, связанные с классификацией элементарных частиц и их взаимодействий».   В  2013 г. британский физик Питер Хиггс и бельгийский физик Франсуа Энглер были удостоены Нобелевской премии по физике за «теоретические работы, позволившие объяснить появление массы у элементарных частиц».

Вопросы к параграфу

1. Что описывает стандартная модель элементарных частиц?
2. Какие взаимодействия называются фундаментальными?
3. Какие элементарные частицы считаются фундаментальными?
4. Перечислите все стабильные элементарные частицы.
5. Какие частицы участвуют в сильном взаимодействии? Какие частицы являются переносчиками сильного взаимодействия?
6. Как называется современная теория сильного взаимодействия?
7. Сколько типов кварков известно в настоящее время?
8. Какие частицы состоят из кварков? Чем барионы отличаются от мезонов?
9. Какие частицы называются лептонами? В каком взаимодействии участвуют лептоны?
10. Какие частицы называются адронами?
11. Что подразумевается под термином «обменное взаимодействие»?
12. Сформулируйте закон сохранения лептонного заряда. Приведите пример его применения.
13. Сформулируйте закон сохранения барионного заряда. Приведите пример его применения.
14. Какие частицы называются истинно элементарными?