История развития физики элементарных частиц. Как изучают элементарные частицы
Сумский государственный университет
по физике
История открытия элементарных частиц
Преподаватель
Нефедченко В.Ф.
От электрона до нейтрино. 5
Электрон. 5
Нейтрон. 8
Позитрон. 10
Пионы и Мюоны. Открытие мезона. 12
Нейтрино. 17
От странности до очарования. 19
Открытие странных частиц. 19
Резонансы. 21
«Очарованные» частицы. 22
Заключение. 23
Литература. 26
Введение.
В середине и второй половине ХХ века в тех разделах физики, которые заняты изучением фундаментальной структуры материи, были получены поистине удивительные результаты. Прежде всего, это проявилось в открытии целого множества новых субатомных частиц. Их обычно называют элементарными частицами, но далеко не все из них действительно элементарны. Многие из них в свою очередь состоят из еще более элементарных частичек.
Открытие элементарных частиц явилось закономерным результатом общих успехов в изучении строения вещества, достигнутых физикой в конце 19 в. Оно было подготовлено всесторонними исследованиями оптических спектров атомов, изучением электрических явлений в жидкостях и газах, открытием фотоэлектричества, рентгеновских лучей, естественной радиоактивности, свидетельствовавших о существовании сложной структуры материи.
Мир субатомных частиц поистине многообразен. К ним относятся протоны и нейтроны, составляющие атомные ядра, а также обращающиеся вокруг ядер электроны. Но есть и такие частицы, которые в окружающем нас веществе практически не встречаются. Время их жизни чрезвычайно мало, оно составляет мельчайшие доли секунды. По истечении этого чрезвычайно короткого времени они распадаются на обычные частицы. Таких нестабильных короткоживущих частиц поразительно много: их известно уже несколько сотен.
В 60-70-е годы физики были совершенно сбиты с толку многочисленностью, разнообразием и необычностью вновь открытых субатомных частиц. Казалось, им не будет конца. Совершенно непонятно, для чего столько частиц. Являются ли эти элементарные частицы хаотическими и случайными осколками материи? Или, возможно, они таят в себе ключ к познанию структуры Вселенной? Развитие физики в последующие десятилетия показало, что в существовании такой структуры нет никаких сомнений. В конце ХХ в. физика начинает понимать, каково значение каждой из элементарных частиц.
Миру субатомных частиц присущ глубокий и рациональный порядок. В основе этого порядка - фундаментальные физические взаимодействия.
Элементарные частицы в точном значении этого термина - первичные, далее неразложимые частицы, из которых, по предположению, состоит вся материя. В понятии “Элементарные частицы” в современной физике находит выражение идея о первообразных сущностях, определяющих все известные свойства материального мира, идея, зародившаяся на ранних этапах становления естествознания и всегда игравшая важную роль в его развитии.
Понятие “Элементарные частицы” сформировалось в тесной связи с установлением дискретного характера строения вещества на микроскопическом уровне. Обнаружение на рубеже 19-20 вв. мельчайших носителей свойств вещества - молекул и атомов - и установление того факта, что молекулы построены из атомов, впервые позволило описать все известные вещества как комбинации конечного, хотя и большого, числа структурных составляющих - атомов. Выявление в дальнейшем наличия составных слагающих атомов - электронов и ядер, установление сложной природы ядер, оказавшихся построенными всего из двух типов частиц (протонов и нейтронов), существенно уменьшило количество дискретных элементов, формирующих свойства вещества, и дало основание предполагать, что цепочка составных частей материи завершается дискретными бесструктурными образованиями - элементарными частицами. Такое предположение, вообще говоря, является экстраполяцией известных фактов и сколько-нибудь строго обосновано быть не может. Нельзя с уверенностью утверждать, что частицы, элементарные в смысле приведённого определения, существуют. Протоны и нейтроны, например, длительное время считавшиеся элементарными частицами, как выяснилось, имеют сложное строение. Не исключена возможность того, что последовательность структурных составляющих материи принципиально бесконечна. Может оказаться также, что утверждение “состоит из...” на какой-то ступени изучения материи окажется лишённым содержания. От данного выше определения “элементарности” в этом случае придется отказаться. Существование элементарных частиц - это своего рода постулат, и проверка его справедливости - одна из важнейших задач физики.
От электрона до нейтрино
Исторически первой открытой элементарной частицей был электрон - носитель отрицательного элементарного электрического заряда в атомах.
Это самая «старая» элементарная частица. В идейном плане он вошел в физику в 1881 г., когда Гельмгольц в речи в честь Фарадея указал, что атомная структура вещества вместе с законами электролиза Фарадея неизбежно приводит к мысли, что электрический заряд всегда должен быть кратен некоторому элементарному заряду, - т. е. к выводу о квантовании электрического заряда. Носителем отрицательного элементарного заряда, как мы теперь знаем, и является электрон.
Максвелл же, создавший фундаментальную теорию электрических и магнитных явлений и использовавший существенным образом экспериментальные результаты Фарадея, не принимал гипотезы атомного электричества.
Между тем «временная» теория о существовании электрона была подтверждена в 1897 г. в экспериментах Дж. Дж. Томсона, в которых он отождествил так называемые катодные лучи с электронами и измерил заряд и массу электрона. Частицы катодных лучей Томсон называл «корпускулами» или изначальными атомами. Слово «электрон» первоначально использовалось для обозначения величины заряда «корпускулы». И только со временем электроном стали называть саму частицу.
Однако идея об электроне не сразу получила признание. Когда на лекции в Королевском обществе Дж. Дж. Томсон – первооткрыватель электрона – высказал предположение, что частицы катодных лучей следует рассматривать как возможные компоненты атома, некоторые его коллеги искренне считали, что он мистифицирует их. Сам Планк признавался в 1925 г., что не верил тогда, в 1900г., до конца в гипотезу об электроне.
Можно сказать, что после опытов Милликена, измерившего в 1911г. заряды индивидуальных электронов, эта первая элементарная частица получила право на существование.
Прямое экспериментальное доказательство существования фотона было дано Р. Милликеном в 1912-1915 гг. в его исследованиях фотоэффекта, а также А. Комптоном в 1922 г., обнаружившим рассеяние рентгеновских лучей с изменением их частоты.
Фотон – в некотором смысле особая частица. Дело в том, что масса его покоя в отличие от других частиц (кроме нейтрино) равна нулю. Поэтому его стали считать частицей не сразу: вначале полагали, что наличие конечной и отличной от нуля массы покоя – обязательная черта элементарной частицы.
Фотон – это «оживленный» планковский квант света, т. е. квант света, несущий импульс.
Кванты света ввел Планк в 1901 г. для того, чтобы объяснить законы излучения абсолютно черного тела. Но он был не частицами, а только минимально возможными «порциями» энергии света той или иной частоты.
Хотя предположение Планка о квантовании энергии света абсолютно противоречило всей классической теории, сам Планк понял это не сразу. Ученый писал, что он «… пытался как-то ввести величину h в рамки классической теории. Однако вопреки всем таким попыткам эта величина оказалась весьма строптивой». Впоследствии эта величина получила название постоянной Планка (h=6*10 -27 эрг.с).
После введения постоянной Планка ситуация не стала более ясной.
«Живыми» фотоны или кванты сделала теория относительности Эйнштейна, который в 1905 г. показал, что кванты должны иметь не только энергию, но и импульс, и что они являются в полном смысле частицами, только особенными, так как масса покоя их равна нулю, и двигаются они со скоростью света.
Итак вывод о существовании частицы электромагнитного поля - фотона - берёт своё начало с работы М. Планка (1900). Предположив, что энергия электромагнитного излучения абсолютно чёрного тела квантована, Планк получил правильную формулу для спектра излучения. Развивая идею Планка, А. Эйнштейн (1905) постулировал, что электромагнитное излучение (свет) в действительности является потоком отдельных квантов (фотонов), и на этой основе объяснил закономерности фотоэффекта.
Протон был открыт Э. Резерфордом в 1919 г. в исследованиях взаимодействия альфа-частиц с атомными ядрами.
Точнее открытие протона связано с открытием атомного ядра. Оно было сделано Резерфордом в результате бомбардировки атомов азота высоко энергетическими α-частицами. Резерфорд заключил, что «ядро атома азота распадается вследствие громадных сил, развивающихся при столкновении с быстрой α-частицей, и что освобождающийся водородный атом образует составную часть ядра азота». В 1920 г. ядра атома водорода были названы Резерфордом протонами (протон по-гречески означает простейший, первичный). Были и другие предложения по поводу названия. Так, например, предлагалось название «барон» (барос по-гречески означает тяжесть). Однако оно подчеркивало только одну особенность ядра водорода – его массу. Термин «протон» был существенно глубже и содержательнее, отражая фундаментальность протона, ибо протон – это простейшее ядро – ядро самого легкого изотопа водорода. Это, несомненно, один из наиболее удачных терминов в физике элементарных частиц. Таким образом, протоны - это частицы с единичным положительным зарядом и массой, в 1840 раз превышающей массу электрона.
III Микромир
Движение и физическое взаимодействие.
Основополагающие принципы современной физики и квантовой механики: принцип симметрии, принцип дополнительности и соотношения неопределенностей, принцип суперпозиции, принцип соответствия. «Апофатизм» в описании структуры и механики микромира.
Богословское осмысление тенденций к построению «Теории Всего».
Литература для изучения:
1. Барбур И. Религия и наука: история и современность. – М.: Библейско-Богословский институт св. ап. Андрея, 2001. – C. 199-216; 230-238; 253-256. (Электронный ресурс: http://www.mpda.ru/publ/text/59427.html)
2. Горелов А.А. Концепции современного естествознания. – М.: Высшее образование, 2006. – C. 110-120.
3. Грин Б. Элегантная вселенная. Суперструны, скрытые размерности и поиски окончательной теории: Пер. с англ. – М.: КомКнига, 2007.
4. Грин Б. Ткань космоса: Пространство, время и текстура реальности: Пер. с англ. – М.: URSS, 2009.
5. Осипов А.И. Путь разума в поисках истины. – СПб.: Сатис, 2007. - С. 100-110.
6. Садохин А.П. Концепции современного естествознания: курс лекций. – М.: Омега-Л, 2006. – С. 64-78.
7. Фейнман Р ., Характер физических законов. – М.: Наука, 1987. (Электронный ресурс: http://vivovoco.rsl.ru/VV/Q_PROJECT/FEYNMAN/CONT.HTM)
История открытия элементарных частиц: атомы, адроны, кварки, струны.
Согласно древнегреческим философам Левкиппу (Λεύκιππος, V век до р. Х.) и Демокриту (Δημόκριτος; ок. 460 до н. э. - ок. 370 до р. Х.) – основоположникам атомизма, в основе мира лежат атомы - мельчайшие неделимые частицы, которые сцепляются и образуют все живое и неживое.
К XVIII в. стало понятно, что атом является элементарной химически неделимой частицей, в то время как молекула , - элементарная частица вещества, сохраняющая его свойства, - состоит из определенных «сортов» атомов. Атомы одного вида получили названия элементов. В 1869 г. Дмитрий Иванович Менделеев создал свою Периодическую систему, включающую 64 элемента (на октябрь 2009 года известно 117 химических элементов с порядковыми номерами с 1 по 116 и 118, из них 94 обнаружены в природе (некоторые - лишь в следовых количествах), остальные 23 получены искусственно в результате ядерных реакций).
Однако уже в 1910-х гг. физики приходят к выводу о делимости атома (ἄτομος - неделимый!). Создаются ряд моделей атома, из которых признание завоевала «планетарная» модель атома с внесенными поправками-постулатами (Э. Резерфорд, Ernest Rutherford; 1871 – 1937, Н. Бор, Niels Bohr; 1885 - 1962).
Планетарная модель атома весьма скоро была признана непригодной из-за принципиального противоречия с фактом линейчатого характера спектра излучения: электрон, вращающийся вокруг положительно заряженного ядра, непрерывно излучает, т.е., теряет энергию и скоро неизбежно должен «падать» на ядро. Положение исправили постулаты Бора, в которых электрон не мог непрерывно терять энергию, излучение происходит в результате скачкообразного перехода на нижележащую орбиту. Создание квантовой теории атома в 20-х годах показало, что от постулатов Бора необходимо отказаться. Представление о ядре атома в то же время оставалось все таким же, как после опытов Резерфорда по рассеиванию альфа-частиц в начале ХХ в.: ядро состоит из протонов и некоторого, меньшего числа электронов. Нейтрон был открыт английским физиком Дж. Чедвиком (James Chadwick; 1891 - 1974) в 1932 году. Тут наступил следующий акт драмы. Считалось, что электрон, который вылетает из ядра при бета-распаде, - это один из электронов, которые находились в ядре. Но теперь уже было известно, что ядро состоит из протонов и нейтронов. Откуда же берется электрон? Выдающийся итальянский физик Э. Ферми (Enrico Fermi; 1901 - 1954) выдвинул парадоксальную гипотезу. Электронов в ядре нет, при распаде происходит рождение электрона, а нейтрон превращается в протон. Такое решение вопроса казалось настолько неприемлемым, что солидный журнал Nature отказался опубликовать статью Ферми на эту тему. Это первый прецедент рождения частицы из энергии. Цепочка странных идей не этом не оборвалась. Японский физик-теоретик Хидэки Юкава (1907 - 1981) построил простую физическую модель, в которой в результате обмена нуклонов частицей с ненулевой массой возникает сила, удерживающая нуклоны в ядре. Юкава также рассчитал массу этой «виртуальной» частицы. Однако по понятиям физиков того времени частицу можно признать существующей, если она обнаружена также в свободном состоянии. Были предприняты поиски частицы Юкавы в космических лучах, и, казалось бы, частица была найдена. Однако найденная частица имела меньшую массу, чем частица Юкавы. Кроме того, появились данные, что найденная частица подобна электрону, но тяжелее. В дальнейшем частица была названа мю-мезоном (греч. μέσος - средний). Поиски продолжались, и в сороковых годах была найдена другая полностью подходящая частица (ее назвали пи-мезоном). В 1948 году Юкава получил Нобелевскую премию.
Таким образом, физики осознали возможность существования частиц в виртуальном состоянии, т.е., при расщеплении ядра частица не обнаруживается, но реально обеспечивает взаимное притяжение нуклонов в ядре. Оказалось, что неделимы не только атомы, но и «кирпичики», слагающие их ядра, - протоны и нейтроны.
В 1960-х гг. было доказано, что и эти частицы состоят из еще более маленьких частиц с дробным положительным или отрицательным зарядом (1 /3 е или 2/3 е ) - кварков . Гипотеза о том, что «элементарные» частицы построены из специфических субъединиц, была впервые выдвинута американскими физиками М. Гелл-Манном (Murray Gell-Mann; род. в 1929 г.) и Дж. Цвейгом (род. в 1937 г.) в 1964 году. В период с 1969 по 1994 гг. удалось экспериментально обосновать, по крайней мере косвенно, возможность существования кварков.
Слово «кварк» было заимствовано Гелл-Манном из художественного романа Дж. Джойса «Поминки по Финнегану», где в одном из эпизодов звучит фраза «Three quarks for Muster Mark!» (обычно переводится как «Три кварка для м. Марка!»). Само слово «quark» в этой фразе предположительно является звукоподражанием крику морских птиц или означает на немецком сленге что-то в роде «чепуха».
Кварки не существуют автономно, «сами по себе», а только в системе – «элементарной» частице (протон, нейтрон и т. д.), и описываются такими специфическими параметрами как «аромат» (6 видов, см. схему) и «цвет» («красный, «синий», «зеленый», «антикрасный», «антисиний», «антизеленый»). Суммарный заряд 2-х или 3-х кварков, объединенных в систему должен быть целочисленным (0 или 1). Сумма цветов также равна «нулю» (белый).
Кварки «сцепляются» между собой благодаря сильному физическому взаимодействию. Высказано предположение, что кварки участвуют также в электромагнитных и слабых взаимодействиях. Причем в первом случае кварки не меняют свой цвет и аромат, а во втором – меняют аромат, сохраняя цвет.
Всего же на протяжении ХХ века было обнаружено около 400 элементарных частиц. Одни из них, как было сказано выше, имеют определенную структуру (протон, нейтрон), другие являются бесструктурными (электрон, нейтрино, фотон, кварк).
Элементарные частицы обладают довольно большим количеством параметров, поэтому существует несколько стандартных типов их классификаций, приводимые ниже.
1. По массе покоя частицы (масса покоя, определяемая по отношению к массе покоя электрона, считающегося самой легкой из всех частиц, имеющих массу):
фотоны (φῶς, φωτός - свет) - частицы, не имеющие массы покоя и движущиеся со скоростью света;
лептоны (λεπτός - легкий) - легкие частицы (электрон и разные виды нейтрино);
мезоны (μέσος - средний, промежуточный) - средние частицы с массой от одной до тысячи масс электрона;
барионы (βαρύς - тяжелый) - тяжелые частицы с массой более тысячи масс электрона (протоны, нейтроны, гипероны, многие резонансы).
2. По электрическому заряду, всегда кратному фундаментальной единице заряда - заряду электрона (-1), который рассматривается в качестве единицы отсчета зарядов. Заряд частиц может быть отрицательным, положительным или нулевым. Как было сказано выше, для кварков характерен дробный электрическим заряд.
3. По типу физического взаимодействия (см. ниже), в котором принимают участие те или иные элементарные частицы. По данному показателю их можно разделить на три группы:
· адроны (ἁδρός - тяжелый, крупный, сильный), участвующие в электромагнитном, сильном и слабом взаимодействиях (мезоны и барионы);
· лептоны, участвующие только в электромагнитном и слабом взаимодействиях;
· частицы - переносчики взаимодействий (фотоны - переносчики электромагнитного взаимодействия, глюоны - переносчики сильного взаимодействия, тяжелые векторные бозоны - переносчики слабого взаимодействия, гипотетические гравитоны - частицы, обеспечивающие гравитационное взаимодействие).
4. По времени жизни частиц:
· стабильные «долгожители» (фотон, нейтрино, нейтрон, протон, электрон; время жизни –до бесконечности);
· квазистабильные (резонансы) ; время существования составляет 10 -24 -10 -26 с.; распадаются в результате электромагнитного и слабого взаимодействия;
· нестабильные (большинство элементарных частиц; время их жизни - 10 -10 - 10 -24 с).
5. По спину (от англ. spin – веретено, вертеть(ся)) - собственному моменту количества движения (импульса) частицы, ее внутренней степени свободы, обеспечивающей дополнительное физическое состояние. В отличие от классического момента количества движения, который может принимать любые значения, спин принимает только пять возможных значений. Он может равняться целому (0, 1, 2) или полуцелому (1/2 (электрон, протон, нейтрон), 3/2 (омега-гиперон)) числу. Частицы с полуцелым спином называются фермионами , а с целым - бозонами (фотоны со спином 1; мезоны - 0; гравитоны - 2).
Каждая частица имеет свою античастицу (вещество и антивещество). При их встрече происходит взаимное уничтожение (аннигиляция) и выделяется большое количество энергии.
Найденные закономерности в свойствах элементарных частиц и подразделение их на «семейства» или «поколения» позволили поставить вопрос о наличии внутренних глубинных закономерностях, определяющих их свойства (см. схему).
Существуют теории, объясняющие структуру микромира (например, Стандартная модель). В 1970-х гг. появилась весьма оригинальная теория струн (Джон Хенри Шварц, Schwartz, р. 1941; Г. Венециано,Gabriele Veneziano; род. 1942; М. Грин, Michael Greene, и др.). Теория струн - направление математической физики, изучающее не точечные частицы, как многие разделы физики, а одномерные протяженные геометрические объекты - квантовые струны . Теория основана на гипотезе, предполагающей, что все фундаментальные частицы и их взаимодействия возникают в результате колебаний (возбужденных состояний) и взаимодействий ультрамикроскопических энергетических квантовых струн на масштабах порядка т.н. планковской длины 10 −33 м, подобно тому, как звуки разной частоты порождаются вибрацией струны музыкального инструмента. Более того, само пространство и время рассматриваются как производные определенных модусов колебаний струн. Вселенная, состоящая из бесчисленного количества этих колеблющихся струн, подобна звучащей «космической симфонии». Несмотря на разрешение целого ряда существующих проблем, теория струн остается в настоящее время в основном математической абстракцией, требующей экспериментального подтверждения.
Ядерная физика зародилась при изучении явлений, обнаруженных впервые всего 50-70 лет тому назад. За прошедшие после этого годы проводились глубокие исследования, в результате которых многократно исправлялись и изменялись взгляды на природу процессов, происходящих в микромире. Был накоплен большой экспериментальный материал, который еще анализируется и систематизируется. Это привело к созданию новых отраслей науки. Так, прошло немногим более десяти лет с тех пор, как выделилась особая ветвь ядерной физики, предметом изучения которой являются первичные свойства, пространственная структура, взаимодействия и взаимные связи различных элементарных частиц.
Часто эту отрасль ядерной физики называют физикой высоких энергий, потому что для проведения большинства экспериментов в данной области нужны частицы весьма высокой энергии. Это обусловлено двумя причинами: во-первых, для изучения пространственной структуры элементарных частиц необходимо использовать пучки частиц с очень малой длиной волны К, сравнимой с изучаемыми расстояниями; во-вторых, для генерации новых частиц необходимо превысить порог генерации, определяемый их массами. Так, если при изучении ядерных реакций были достаточны энергии бомбардирующих частиц порядка энергии связи нуклонов в ядрах, т. е. то для опытов по рождению пионов потребовались протоны, ускоренные до энергий а для экспериментов по рождению протон-антипротонных пар-частицы - с энергией 6 млрд. эв.
Естественным источником частиц высоких энергий являются космические лучи. Не случайно поэтому, что до начала 50-х годов развитие физики элементарных частиц было тесно связано с изучением процессов в космических лучах. Однако интенсивность потока их сравнительно мала, и поэтому интересующие исследователей события крайне редки. Кроме того, космические частицы
неуправляемы, многие параметры их при высоких энергиях неизвестны, и поэтому опыты не вполне однозначны.
Совершенно новые возможности появились, когда частицы высоких энергий научились получать в лабораториях с помощью ускорителей заряженных частиц. Современные ускорители - это огромные инженерные сооружения, оснащенные сложнейшей управляющей, контрольной и измерительной аппаратурой. Будущее физики элементарных частиц тесно связано с развитием и усовершенствованием ускорительной техники для генерации частиц еще больших энергий в пучках повышенной плотности.
В настоящее время, когда интенсивно разрабатывается теория элементарных частиц, на основе которой можно будет предсказывать и объяснять их характеристики, для подтверждения высказанных гипотез и теоретических построений необходима постановка новых экспериментов, проведение которых невозможно с помощью существующей аппаратуры. Поэтому разрабатываются все более сложные установки для исследования взаимодействий при энергиях в космических лучах и новые ускорители, на которых можно будет производить прецизионные опыты при энергиях -
В начале тридцатых годов были известны только четыре частицы: электрон протон нейтрон -квант. Первая элементарная частица - электрон - была предсказана Лоренцом и открыта Томсоном в 1897 г. Вторая частица - протон - открыта Резерфордом в 1911 г. Открытие нейтрона Чадвиком привело к представлению о том, что из этих четырех частиц можно построить все известные формы материи: ядра, атомы вещества и электромагнитное поле. Открытие других частиц значительно усложнило картину.
Остановимся на важнейших этапах проникновения в мир элементарных частиц.
Античастицы. Существование античастиц было предсказано Дираком, как об этом уже говорилось в § 26. В настоящее время известно, что, за немногими исключениями, всякой элементарной частице, в том числе и электрически нейтральной, соответствует так называемая античастица. Массы, спины, изотопические спины и четности частицы и античастицы в точности равны. Знаки электрического и нуклонного зарядов, странностей а также магнитных моментов частицы и античастицы противоположны. В вакууме античастицы имеют то же время жизни, что и частицы; так, например, позитрон и антипротон стабильны.
Отличительной особенностью пары - частица и античастица - является их способность аннигилировать при встрече друг с другом, превращаясь в другие формы материи; при этом энергия, эквивалентная сумме масс покоя пары, переходит в энергию покоя и кинетическую энергию новых частиц или в энергию
Наоборот, для рождения пары требуется затратить энергию, эквивалентную или превышающую ту, которая определяется их массами покоя.
Открытие Дирака послужило основанием для формулировки общего свойства материи, названного зарядовым сопряжением, согласно которому наряду с частицей должна существовать ее античастица.
Известны три частицы, у которых античастиц не существует. Можно сказать, что такие частицы тождественны своим античастицам. Это - фотон, -мезон и -мезон, их называют абсолютно нейтральными.
Принцип зарядового сопряжения 1 гласит, что законы природы не меняются для системы, в которой все частицы заменены античастицами. Как выяснилось впоследствии, этот принцип справедлив для ядерных («сильных») и электромагнитных взаимодействий и не выполняется для слабых взаимодействий. Иными словами, если исключить из рассмотрения слабое взаимодействие, то мир, составленный из частиц, и мир, составленный из античастиц, тождественны по своим свойствам.
Первой античастицей, которую обнаружили экспериментально, был позитрон. В 1933 г. впервые удалось наблюдать процесс образования пары фотонами радиоактивных источников по фотографиям треков в камере Вильсона.
И только более 20 лет спустя удалось наблюдать рождение пары протон-антипротон и таким образом доказать существование частицы зарядово сопряженной протону. Так как масса покоя протона почти в две тысячи раз превышает массу покоя электрона, то и энергия для создания протон-антипротонной пары должна быть в несколько тысяч раз больше энергии, затрачиваемой на электронно-позитронную пару. В лабораторных условиях частицы с энергией в миллиарды электрон-вольт удалось получить только в 1953 г. Поэтому лишь в 1955 г. группа американских физиков обнаружила антипротоны среди других частиц, создаваемых при бомбардировке медной мишени протонами с энергией в Появление антипротона при этом происходило в результате реакции
После столкновения каждая из четырех частиц движется в среднем с кинетической энергией порядка Пороговая энергия для рождения пары при столкновении двух свободных нуклонов в лабораторной системе координат (принимается, что один из нуклонов до соударения покоился) равна Если соударение происходит с нуклоном, связанным в ядре то пороговая энергия уменьшается за счет внутриядерного движения
нуклонов. Таким образом, энергии протонов, ускоренных в беватроне до достаточно для рождения пары
План первого опыта основывался на трех свойствах антипротона. Во-первых, так как стабилен, то он может пройти через длинную установку. Во-вторых, знак заряда может быть определен по отклонению в магнитном поле, а величина заряда - по ионизации среды. В-третьих, зная, скорость частицы, можно вычислить ее массу по кривизне траектории в данном магнитном поле.
Рис. 94. Схема эксперимента для обнаружения антипротона
Основная трудность заключается в том, что при бомбардировке мишени протонами рождается огромное количество -мезонов с такими же импульсами, какие должны быть у антипротона (на один антипротон рождается примерно 62 000 -мезонов). Они имеют ту же траекторию, но значительно большую скорость из-за малости массы. Разница в скоростях и была использована для отделения антипротонов от -мезонов. Схема первого опыта приведена на рис. 94. Медная мишень бомбардировалась пучком протонов. Рожденные при столкновении отрицательные частицы отклонялись магнитными призмами и фокусировались магнитными линзами и При заданных полях через линзы проходили единично заряженные частицы с импульсами, равными Для определения скорости частиц на их пути ставились два быстродействующих люминесцентных счетчика на расстоянии друг от друга. С точностью до сек они регистрировали время пролета частицами -метрового интервала. Антипротоны проходили его за сек, а -мезоны за сек при одинаковой величине импульса. Для исключения случайных совпадений в счетчиках вызванных двумя -мезонами, на пути пролетающих частиц
были поставлены два черенковских счетчика Счетчик регистрировал только те частицы, которые проходят со скоростью от 75 до 78% скорости света, т. е. со скоростью антипротона. Счетчик включенный в схему антисовпадений, давал сигнал, когда проходила частица со скоростью, большей 78% скорости света -мезона с импульсом относительная скорость Для исключения частиц, которые могут попасть снаружи, ставился люминесцентный счетчик регистрирующий только частицы, движущиеся в направлении пучка.
В результате частица регистрировалась как антипротон лишь по выполнении следующих требований: счетчики указывали, что она прошла за сек, счетчик не давал сигнала, скорость частицы, зарегистрированная счетчиком лежала в интервале скорости света, счетчик указывал, что частица прошла через всю длину селектора.
Всего в первом опыте было зарегистрировано 60 антипротонов. Для проверки надежности методики ставились контрольные опыты. Изменялись направления магнитных полей, и в установку направлялись протоны с таким же импульсом, равным Из результатов этого и последующих экспериментов стало очевидно, что массы протона и антипротона равны, что антипротон является стабильной частицей и исчезает только в результате аннигиляции, сопровождающейся в основном рождением нескольких -мезонов К
Антинейтроны впервые были получены в 1956 г. Для их получения использовался пучок антипротонов, которые в результате взаимодействия с нуклонами могут совершать так называемые процессы перезарядки:
Антинейтрон отличается от нейтрона направлением магнитного момента, оно уантинейтрона совпадает с направлением спина. Подобно антипротону, при встрече с нуклоном, антинейтрон аннигилирует с ним, в результате чего выделяется энергия
которая идет на образование и -мезонов. Именно это свойство антинейтрона было использовано для его обнаружения.
Так же как и нейтрон, антинейтрон является частицей нестабильной с тем же периодом полураспада мин. Распадается он по схеме
Как уже говорилось, в настоящее время античастицы известны почти для всех элементарных частиц.
Нейтрино. Следующая элементарная частица - нейтрино - также была предсказана теоретически в 1931 г. в связи с процессами -распада (см. § 19). Но только 20 лет спустя удалось обнаружить прямое взаимодействие ее с веществом.
Нейтрино с энергией имеет эффективное сечение взаимодействия что соответствует длине свободного пробега, равной примерно плотного вещества. Для сравнения укажем, что расстояние от Земли до Солнца составляет всего лишь Чтобы зарегистрировать хотя бы один акт взаимодействия при столь ничтожном эффективном сечении, надо располагать огромными потоками нейтрино. Поэтому такое наблюдение стало возможным только после появления мощных ядерных реакторов, внутри которых идут процессы -распада с образованием антинейтрино. Поток антинейтрино от реактора мощностью около 100 тыс. за толстой стеной, защищающей от нейтронов и но легко проницаемой для нейтрино, огромен и составляет приблизительно сек.
Это дало возможность Рейнесу и К. Коуэну в 1956 г. при работе с реактором зарегистрировать процесс:
Такая реакция возможна, если энергия антинейтрино превышает (это связано с тем, что масса нейтрона и позитрона на превышает массу протона и антинейтрино).
Детектором и одновременно мишенью в данных опытах служил жидкий сцинтиллятор объемом свысоким содержанием водорода и, кроме того, насыщенный кадмием. Его окружали свыше ста фотоумножителей, которые должны были регистрировать световые вспышки. На рис. 95 приведена схема процессов, идущих внутри детектора антинейтрино.
Рис. 95. Схема опыта для обнаружения нейтрино
Итак, антинейтрино вызывает превращению протона в нейтрон и позитрон в точке 1. Позитрон замедляется и аннигилирует с испусканием двух с энергией по в точке 2. За счет фото- и комптон-электронов они дают первую вспышку в сцинтилляторе. Нейтрон в течение нескольких микросекунд замедляется водородом, содержащимся в
сцинтилляторе, потом захватывается кадмием в точке 3. Происходит реакция и возникающие при этом захвате, дают второю вспышку. Схема запаздывающих совпадений регистрирует эти две вспышки.
Теоретически время аннигиляции позитрона имеет порядок сек. Диффузия нейтрона, который должен замедлиться до тепловых скоростей происходит в течение сек, т. е. на два порядка медленнее. Таким образом, на выходе радиосхемы появляются два коррелированных импульса с интервалом в 1 мксек. Этому соответствует сечение реакции (113), равное
Так как частота событий была мала и не превышала уровня фона от космических лучей, то возникла необходимость в постановке контрольных опытов:
а) изменялась мощность реактора, соответственно изменялась частота событий;
б) увеличивалось содержание кадмия в сцинтилляторе, в результате чего время диффузии нейтрона уменьшалось и интервал времени между импульсами сокращался.
В результате длительной работы установки было найдено, что детектор регистрирует за час примерно 3 импульса. Эти опыты по существу впервые дали экспериментальное доказательство существования нейтрино.
Согласно принципу зарядового сопряжения у нейтрино также должна быть античастица. Действительно, уже экспериментальные данные 1956-1957 гг. свидетельствовали в пользу существования антинейтрино, отличного по своим свойствам от нейтрино.
В 1962 г. был обнаружен совершенно новый факт: слабовзаимодействующие нейтральные частицы с нулевой массой существуют двух типов: при -распаде образуется так называемое электронное нейтрино - а при распаде -мезона образуется нейтрино мюонно - Эксперимент показал, что они отличаются друг от друга по типу взаимодействий.
Мезоны. Как уже говорилось в § 11, существование мезонов - частиц с массой, промежуточной между массами электрона и протона, - было предсказано в 1935 г. Юкава при построении теории ядерных сил.
Эти частицы являются квантами ядерного поля, испускаются и поглощаются протонами и нейтронами в процессе взаимодействия, а при подходящих условиях могут породить нуклон - анти-нзуклонные пары. При аннигиляции нуклона с антинуклоном их энергия и импульс переходят к мезонам.
В 1947 г. английский физик Пауэлл, изучая фотоэмульсионные пластинки, облученные на горах космическими лучами, обнаружил следы от частиц с массой . Эти частицы были названы -мезонами, или пионами. Последующие опыты показали, что существуют -мезоны с электрическим зарядом (+), (-) и (0). Положительный и отрицательный -мезоны нужно рассматривать
соответственно, как частицу и античастицу. Каждый из них имеет массу . Масса нейтрального -мезона равна . Спины ионов равны нулю. Все пионы являются нестабильными частицами. Заряженные ямезоны, имея время жизни сек, распадаются по схеме
Время жизни нейтрального -мезона порядка сек и распадается он на два
Свойства пионов оказались именно такими, какие предсказывались теорией Юкавы. Было подтверждено сильное взаимодействие -мезонов с ядром.
На десять лет ранее пиона в космических лучах был открыт -мезон (или мюон), который в отличие от -мезонов не взаимодействует с ядром и поэтому не может быть ответственным за поле ядерных сил. Возникает мюон в результате распада пиона, и за промежуток времени 2-10-6 сек в свою очередь распадается спонтанно на электрон (позитрон), нейтрино и антинейтрино по схеме
Масса мюонов равна они имеют либо отрицательный, либо положительный заряд. Нейтрального мюона не существует. Подобно электрону и позитрону и являются частицей и античастицей. Свойства мюонов, тип взаимодействий, в которых они участвуют, аналогичны свойствам электронов. В этом смысле их часто и рассматривают как нестабильные тяжелые электроны.
Поиски частиц Юкава привели к открытию и другого семейства мезонов - К-мезонов (каонов). Это еще более тяжелые нестабильные частицы. Масса К-мезонов равна . Время жизни -мезон является античастицей -мезона. Они могут распадаться самыми различными способами, преимущественно образуя и -мезоны.
Кроме заряженных существуют два нейтральных зарядовосопряженных К-мезона: Массы их равны 974 те, что несколько больше масс заряженных каонов. Нейтральные К-мезоны исключительно интересны, потому что каждый из них является изменяющейся суперпозицией двух других элементарных нейтральных частиц и имеют разное время жизни, различные схемы распада и слегка различные массы. Время жизни К равно сек и распадается он преимущественно на два -мезона.
Такие каоны называют короткоживущими. Время жизни равно сек и распадается он в большинстве случаев на три пиона. Его называют долгоживущим каоном. Разница в их массах определяется величиной
Существование элементарных частиц ученые обнаружили при исследовании ядерных процессов, поэтому вплоть до середины XX века физика элементарных частиц была разделом ядерной физики. В настоящее время эти разделы физики являются близкими, но самостоятельными, объединенными общностью многих рассматриваемых проблем и применяемыми методами исследования. Главная задача физики элементарных частиц – это исследование природы, свойств и взаимных превращений элементарных частиц.
Представление о том, что мир состоит из фундаментальных частиц , имеет долгую историю. Впервые мысль о существовании мельчайших невидимых частиц, из которых состоят все окружающие предметы, была высказана за 400 лет до нашей эры греческим философом Демокритом. Он назвал эти частицы атомами, т. е. неделимыми частицами. Наука начала использовать представление об атомах только в начале XIX века, когда на этой основе удалось объяснить целый ряд химических явлений. В 30-е годы XIX века в теории электролиза, развитой М. Фарадеем, появилось понятие иона и было выполнено измерение элементарного заряда. Конец XIX века ознаменовался открытием явления радиоактивности (1896 г., А. Беккерель), а также открытиями электронов (1897 г., Дж. Томсон) и α-частиц (1899 г., Э. Резерфорд). В 1905 году в физике возникло представление о квантах электромагнитного поля – фотонах (А. Эйнштейн).
В 1911 году было открыто атомное ядро (Э. Резерфорд) и окончательно было доказано, что атомы имеют сложное строение. В 1919 году Резерфорд в продуктах расщепления ядер атомов ряда элементов обнаружил протоны. В 1932 году Дж. Чедвик открыл нейтрон. Стало ясно, что ядра атомов, как и сами атомы, имеют сложное строение. Возникла протон-нейтронная теория строения ядер (Д. Д. Иваненко и В. Гейзенберг). В том же 1932 году в космических лучах был открыт позитрон (К. Андерсон). Позитрон – положительно заряженная частица, имеющая ту же массу и тот же (по модулю) заряд, что и электрон. Существование позитрона было предсказано П. Дираком в 1928 году. В эти годы были обнаружены и исследованы взаимные превращения протонов и нейтронов и стало ясно, что эти частицы также не являются неизменными элементарными «кирпичиками» природы. В 1937 году в космических лучах были обнаружены частицы с массой в 207 электронных масс, названные мюонами (μ-мезонами ). Затем в 1947–1950 годах были открыты пионы (т. е. π-мезоны ), которые, по современным представлениям, осуществляют взаимодействие между нуклонами в ядре. В последующие годы число вновь открываемых частиц стало быстро расти. Этому способствовали исследования космических лучей, развитие ускорительной техники и изучение ядерных реакций.
В настоящее время известно около 400 субъядерных частиц, которые принято называть элементарными. Подавляющее большинство этих частиц являются нестабильными . Исключение составляют лишь фотон, электрон, протон и нейтрино. Все остальные частицы через определенные промежутки времени испытывают самопроизвольные превращения в другие частицы. Нестабильные элементарные частицы сильно отличаются друг от друга по временам жизни. Наиболее долгоживущей частицей является нейтрон. Время жизни нейтрона порядка 15 мин. Другие частицы «живут» гораздо меньшее время. Например, среднее время жизни μ-мезона равно 2,2·10 –6 с, нейтрального π-мезона – 0,87·10 –16 с. Многие массивные частицы – гипероны – имеют среднее время жизни порядка 10 –10 с.
Существует несколько десятков частиц со временем жизни, превосходящим 10 –17 с. По масштабам микромира это значительное время. Такие частицы называют относительно стабильными . Большинство короткоживущих элементарных частиц имеют времена жизни порядка 10 –22 –10 –23 с.
Способность к взаимным превращениям – это наиболее важное свойство всех элементарных частиц. Они способны рождаться и уничтожаться (испускаться и поглощаться). Это относится также и к стабильным частицам с той только разницей, что превращения стабильных частиц происходят не самопроизвольно, а при взаимодействии с другими частицами. Примером может служить аннигиляция (т. е. исчезновение ) электрона и позитрона, сопровождающаяся рождением фотонов большой энергии. Может протекать и обратный процесс – рождение электронно-позитронной пары, например, при столкновении фотона достаточно большой энергии с ядром. Такой опасный двойник, каким для электрона является позитрон, есть и у протона. Он называется антипротоном . Электрический заряд антипротона отрицателен. В настоящее время античастицы найдены у всех частиц. Античастицы противопоставляются частицам потому, что при встрече любой частицы со своей античастицей происходит их аннигиляция, т. е. обе частицы исчезают, превращаясь в кванты излучения или другие частицы.
Античастица обнаружена даже у нейтрона. Нейтрон и антинейтрон отличаются только знаками магнитного момента и так называемого барионного заряда. Возможно существование атомов антивещества , ядра которых состоят из антинуклонов, а оболочка – из позитронов. При аннигиляции антивещества с веществом энергия покоя превращается в энергию квантов излучения. Это огромная энергия, значительно превосходящая ту, которая выделяется при ядерных и термоядерных реакциях.
В многообразии элементарных частиц, известных к настоящему времени, обнаруживается более или менее стройная система классификации. В табл. 6.9.1 представлены некоторые сведенья о свойствах элементарных частиц со временем жизни более 10 –20 с. Из многих свойств, характеризующих элементарную частицу, в таблице указаны только масса частицы (в электронных массах), электрический заряд (в единицах элементарного заряда) и момент импульса (так называемый спин ) в единицах постоянной Планка ħ = h / 2π. В таблице указано также среднее время жизни частицы.
Элементарные частицы объединяются в три группы: фотоны , лептоны и адроны .
К группе фотонов относится единственная частица – фотон, которая является носителем электромагнитного взаимодействия.
Следующая группа состоит из легких частиц – лептонов . В эту группу входят два сорта нейтрино (электронное и мюонное), электрон и μ-мезон. К лептонам относятся еще ряд частиц, не указанных в таблице. Все лептоны имеют спин
Третью большую группу составляют тяжелые частицы, называемые адронами . Эта группа делится на две части. Более легкие частицы составляют подгруппу мезонов . Наиболее легкие из них – положительно и отрицательно заряженные, а также нейтральные π-мезоны с массами порядка 250 электронных масс (табл. 6.9.1). Пионы являются квантами ядерного поля, подобно тому, как фотоны являются квантами электромагнитного поля. В эту подгруппу входят также четыре K-мезона и один η 0 -мезон. Все мезоны имеют спин, равный нулю.
Вторая подгруппа – барионы – включает более тяжелые частицы. Она является наиболее обширной. Самыми легкими из барионов являются нуклоны – протоны и нейтроны. За ними следуют так называемые гипероны. Замыкает таблицу омега-минус-гиперон, открытый в 1964 г. Это тяжелая частица с массой в 3273 электронных масс. Все барионы имеют спин
Обилие открытых и вновь открываемых адронов навела ученых на мысль, что все они построены из каких-то других более фундаментальных частиц. В 1964 г. американским физиком М. Гелл-Маном была выдвинута гипотеза, подтвержденная последующими исследованиями, что все тяжелые частицы – адроны – построены из более фундаментальных частиц, названных кварками . На основе кварковой гипотезы не только была понята структура уже известных адронов, но и предсказано существование новых. Теория Гелл-Мана предполагала существование трех кварков и трех антикварков, соединяющихся между собой в различных комбинациях. Так, каждый барион состоит из трех кварков, антибарион – из трех антикварков. Мезоны состоят из пар кварк–антикварк.
С принятием гипотезы кварков удалось создать стройную систему элементарных частиц. Однако предсказанные свойства этих гипотетических частиц оказались довольно неожиданными. Электрический заряд кварков должен выражаться дробными числами, равными и элементарного заряда.
Многочисленные поиски кварков в свободном состоянии, производившиеся на ускорителях высоких энергий и в космических лучах, оказались безуспешными. Ученые считают, что одной из причин ненаблюдаемости свободных кварков являются, возможно, их очень большие массы. Это препятствует рождению кварков при тех энергиях, которые достигаются на современных ускорителях. Тем не менее, большинство специалистов сейчас уверены в том, что кварки существуют внутри тяжелых частиц – адронов.