Фізіка. 11 клас

Па меры росту колькасці адкрытых элементарных часціц, сталі ўзнікаць пытанні аб іх класіфікацыі (падобна да табліцы Мендзялеева), аб асаблівасцях і здольнасцях розных часціц да ўдзелу ў тых ці іншых узаемадзеяннях. Якія часціцы «адказваюць» за вядомыя ўзаемадзеянні ў фізіцы? Як і на якім этапе эвалюцыі Сусвету ў элементарных часціц з'явілася маса? Якіх элементарных часціц яшчэ не хапае для пабудовы завершанай тэорыі?

У цяперашні час склалася агульнапрынятая тэорыя найбольш агульных тыпаў элементарных часціц і іх узаемадзеянняў, якая называецца стандартнай мадэллю (мал. 232-1).

Стандартная мадэль — тэарэтычная канструкцыя ў фізіцы элементарных часціц, якая аб'ядноўвае электрамагнітнае, слабае і моцнае ўзаемадзеянні ўсіх элементарных часціц. І толькі пры пэўных нізкіх энергіях аб іх можна гаварыць як аб асобных фізічных узаемадзеяннях.

З чатырох фундаментальных узаемадзеянняў толькі гравітацыйнае з'яўляецца ўніверсальным. Электрамагнітныя сілы ўплываюць галоўным чынам на часціцы, якія валодаюць электрычным зарадам.

У слабых узаемадзеяннях удзельнічаюць усе часціцы, за выключэннем фатонаў. Моцнае ўзаемадзеянне — самае выбарчае. Яно служыць асновай для падзелу элементарных часціц на дзве шырокія групы — групу адронаў (ад грэч.  (адрос) — вялікі, моцны), якія ўдзельнічаюць у моцных узаемадзеяннях, і групу лептонаў (ад грэч.  (лептос) — тонкі, лёгкі), якія не ўдзельнічаюць у моцным узаемадзеянні.

Табліца 13-1. Фундаментальныя ўзаемадзеянні, іх адносная інтэнссіўнасць і адпаведныя кванты
Узаемадзеянне	Квант поля	Абазначэнне	Маса (ГэВ)	Электрычны зарад
Электрамагнітнае	Фатон		0	0
Моцнае	Глюён		0	0
Слабае	Базоны	W±	80,4
Слабае	Базон		91,2	0
Гравітацыйнае	Гравітон?		0	0
Поле Хігса	Базон Хігса	Н	125	0

Сярод элементарных часціц вылучаюць фундаментальныя і састаўныя элементарныя часціцы.

Фундаментальная часціца — бесструктурная элементарная часціца, якую да гэтага часу не ўдалося апісаць як састаўную. У цяперашні час тэрмін ужываецца для 6 лептонаў (электрон , мюён μ^-, таон τ^-, электроннае ν_e, мюённае- ν_μ^- і тау- ν_τ нейтрына) і 6 кваркаў (u (верхні), d (ніжні), s (дзіўны), c (зачараваны), b (цудоўны), t (сапраўдны)). Кожны з кваркаў існуе ў трох «колеравых» відах — «зялёным», «сінім», «чырвоным» (мал. 232-2).

Усе гэтыя часціцы з'яўляюцца ферміёнамі са спінам 1/2 і арганізуюцца ў тры пакаленні (гл. мал. 232-2). Разам з антычасціцай складаюць набор з 24 фундаментальных часціц у сукупнасці з калібровачнымі базонамі (часціцамі-пераносчыкамі фундаментальных узаемадзеянняў).

Паміж фундаментальнымі ферміёнами дзейнічаюць тры тыпы сіл — электрамагнітныя, слабыя і моцныя (табл. 13-1). Кваркі ўдзельнічаюць у слабых, моцных і электрамагнітных узаемадзеяннях; зараджаныя лептоны (электрон, мюён, таон) — у слабых і электрамагнітных; нейтрына — толькі ў слабых узаемадзеяннях. Моцнае ўзаемадзеянне звязвае кваркі ў адроны — састаўныя часціцы, якія складаюцца з кваркаў у розных камбінацыях.

Адронамі з'яўляюцца часціцы, якія ўдзельнічаюць ва ўсіх відах узаемадзеянняў. У 1964 г. амерыканскія фізікі Г. Цвейг і М. Гел-Ман выказалі гіпотэзу, што ўсе адроны можна прадставіць у выглядзе камбінацый кваркаў і антыкваркаў.

Асаблівасцю гэтых часціц з'яўляецца іх дробны электрычны зарад, кратны 1/3 элементарнага, і гранічна малыя памеры (гл. мал. 232-3). Кваркі  маюць зарад   і  — зарад . У свабодным стане яны не выяўлены.

У залежнасці ад кваркавага складу адроны падзяляюцца на дзве групы — барыёны і мезоны (ад грэч. μεσος — сярэдні).

Адроны з’яўляюцца самым шматлікім класам элементарных часціц. Характэрны маштаб масы адронаў задаецца масай пратона . Найменшую масу сярод адронаў мае π -мезон , найбольшую — мезон .

Барыёны складаюцца з трох розных кваркаў. Да іх адносяцца нуклоны (пратон і нейтрон) і гіпероны. Пратон складаецца з кваркаў , нейтрон —  (мал. 232-4). Гіпероны (ад грэч.  (айпер) — звыш, над, вышэй) нестабільныя барыёны з масамі, большымі за масу нейтрона.

Мезоны складаюцца з кварка і антыкварка.

Згодна са стандартнай мадэллю існуюць два асноўныя віды фундаментальных элементарных часціц: ферміёны (з паўцэлым спінам) і базоны (з цэлым спінам). Фундаментальныя ферміёны з'яўляюцца элементарнымі «цаглінкамі» навакольнага рэчыва, а фундаментальныя базоны — пераносчыкамі ўзаемадзеянняў паміж ферміёнамі (гл. мал. 232-5).

Базон — часціца з цэлым значэннем спіна, названая ў гонар індыйскага фізіка Н. Базэ. Тэрмін быў прапанаваны англійскім фізікам Полем Дзіракам.

Адрозніваюць элементарныя і састаўныя базоны. Элементарныя базоны з'яўляюцца квантамі палёў, пры дапамозе якіх ажыццяўляецца ўзаемадзеянне элементарных ферміёнаў (лептонаў і кваркаў) у Стандартнай мадэлі. Да такіх базонаў адносяць:

—  фатон (электрамагнітнае ўзаемадзеянне),

—  глюён (моцнае ўзаемадзеянне),

—  - базоны (слабае ўзаемадзеянне),

—  базон Хігса.

Фатон не мае электрэчнага зараду, ён перадае электрамагнітнае ўзаемадзеянне, якое звязвае атамы ў малекулы (гл. мал. 232-4, б).

У сучаснай тэорыі моцнага ўзаемадзеяння — квантавай хромадынаміцы, часціцы, што пераносяць моцнае ўзаемадзеянне, атрымалі назву глюёны (ад англ. glue — клей) (гл. мал. 232-5, в). Глюёны з’яўляюцца электрычна нейтральнымі часціцамі з нулявой масай спакою і пераносяць моцнае ўзаемадзеянне паміж кваркамі. Яны не існуюць у свабодным стане, а праяўляюцца толькі ў працэсах нараджэння і знішчэння барыёнаў і мезонаў. Глюён перадае моцнае ўзаемадзеянне і адказвае за ядзерныя сілы, якія змацоўваюць пратоны і нейтроны ў ядрах.

Базоны   зараджаны адпаведна дадатна, адмоўна і нейтральна. Яны адказваюць за слабае ўзаемадзеянне, якое ператварае адны часціцы  ў іншыя (мал. 232-4, г).

Базон Хігса быў прадказаны ў тэорыі ў 1964 г. Прадстаўнікі CERN паведамілі 4 ліпеня 2012 г., што на абодвух асноўных дэтэктарах ВАК (вялікага адроннага калайдара) назіралася новая часціца. 14 сакавіка 2013 г. фізікі CERN пацвердзілі, што знойдзеная паўгода назад часціца сапраўды з'яўляецца базонам Хігса. З дапамогай поля Хігса тлумачыцца наяўнасць інертнай масы часціц-пераносчыкаў слабага ўзаемадзеяння (W^±- і  - базоны) і адсутнасць масы ў часціц-пераносчыкаў моцнага ( - глюён) і электрамагнітнага ( - фатон) узаемадзеянняў (гл. табл. 13-1).

Да састаўных базонаў адносяць шматлікія двухкваркавыя звязаныя станы, якія назывыаюцца мезонамі (гл. мал. 232-5, в). Як і ў любых базонаў, спін мезонаў з'яўляецца цэлалікавым, і яго значэнне, у прынцыпе, не абмежавана (0, 1, 2, 3, ...). Іншымі прыкладамі базонаў з'яўляюцца ядры, якія змяшчаюць цотны лік нуклонаў (пратонаў і нейтронаў).

У мікрасвеце існуюць законы захавання, характэрныя толькі для яго, напрыклад закон захавання лептоннага зараду (ліку).

Пры ядзерных рэакцыях неабходна ўлічваць яшчэ адзін закон захавання — закон захавання барыённага зараду (ліку).

Паняцце «барыённый зарад» было ўведзена швейцарскім фізікам Э. Шцюкельбергам для тлумачэння стабільнасці пратона. Барыёнам прыпісваюць зарад (лік), які называецца барыённым і абазначаецца літарай В. Ва ўсіх барыёнаў , у антыбарыёнаў . У часціц, якія не з’яўляюцца барыёнамі, напрыклад электрона, фатона, барыённы зарад роўны нулю В = 0. Гэты зарад уведзены з прычыны таго што ў прыродзе адбываюцца толькі такія працэсы, у якіх барыённы зарад сістэмы захоўваецца, г. зн. выконваецца закон захавання барыённага зараду: алгебраічная сума барыённых зарадаў, якія ўваходзяць у сістэму часціц, захоўваецца пры ўсіх узаемадзеяннях.

Барыённы зарад любой часціцы, гэтак жа як і лептонны, уяўляе сабой безразмерны цэлы лік. Барыённы зарад сістэмы роўны колькасці прысутных у ёй барыёнаў. Таму масавы лік А, які вызначае лік пратонаў і нейтронаў у атамным ядры, адначасова з'яўляецца і барыённым зарадам.

Назва «кварк» была запазычана М. Гел-Манам з кнігі Джэймса Джойса «Памінкі па Фінігану». Па-нямецку «кварк» — «тварог», але ў рамане гэта слова азначае нешта двухсэнсоўнае і таямнічае: герой бачыць сон, дзе чайкі крычаць: «Тры кваркі для містэра Марка». Хутчэй за ўсё, гэты тэрмін прыжыўся таму, што адпавядае «таямнічай» ролі кваркаў у фізіцы. М. Гел-Ман з'яўляецца лаўрэатам Нобелеўскай прэміі па фізіцы за 1969 г. «за адкрыцці, звязаныя з класіфікацыяй элементарных часціц і іх узаемадзеянняў». У 2013 г. брытанскі фізік Пітэр Хігс і бельгійскі фізік Франсуа Энглер былі ўдастоены Нобелеўскай прэміі па фізіцы за «тэарэтычныя працы, якія дазволілі растлумачыць з'яўленне масы ў элементарных часціц».