Фундаментальные (бесструктурные) частицы. Фундаментальная частица Классификация элементарных частиц

Дата написания: 05.09.2022

Время на чтение: 37 минут

Еще сравнительно недавно элементарными считались несколько сот частиц и античастиц. Детальное изучение их свойств и взаимодействий с другими частицами и развитие теории показали, что большинство из них на самом деле не элементарны, так как сами состоят из простейших или, как сейчас говорят, фундаментальных частиц. Фундаментальные частицы сами уже ни из чего не состоят. Многочисленные эксперименты показали, что все фундаментальные частицы ведут себя как безразмерные точечные объекты, не имеющие внутренней структуры, по крайней мере до наименьших, изученных сейчас расстояний ~10 -16 см.

Введение

Среди бесчисленных и разнообразных процессов взаимодействия между частицами имеются четыре основных или фундаментальных взаимодействия: сильное (ядерное), электромагнитное, и гравитационное. В мире частиц гравитационное взаимодействие очень слабое, его роль еще неясна, и о нем дальше мы говорить не будем.

В природе существуют две группы частиц: адроны, которые участвуют во всех фундаментальных взаимодействиях, и лептоны, не участвующие только в сильном взаимодействии.

Согласно современным представлениям, взаимодействия между частицами осуществляются посредством испускания и последующего поглощения квантов соответствующего поля (сильного, слабого, электромагнитного), окружающего частицу. Такими квантами являются калибровочные бозоны, также являющиеся фундаментальными частицами. У бозонов собственный момент количества движения, называемый спином, равен целочисленному значению постоянной Планка $h = 1,05 \cdot 10^{-27} эрг \cdot с$. Квантами поля и соответственно переносчиками сильного взаимодействия являются глюоны, обозначаемые символом g, квантами электромагнитного поля являются хорошо известные нам кванты света - фотоны, обозначаемые $\gamma $, а квантами слабого поля и соответственно переносчиками слабых взаимодействий являются W ± (дубль ве)- и Z 0 (зет нуль)-бозоны.

В отличие от бозонов все остальные фундаментальные частицы являются фермионами, то есть частицами, имеющими полуцелое значение спина, равное h /2.

В табл. 1 приведены символы фундаментальных фермионов - лептонов и кварков.

Каждой частице, приведенной в табл. 1, соответствует античастица, отличающаяся от частицы лишь знаками электрического заряда и других квантовых чисел (см. табл. 2) и направлением спина относительно направления импульса частицы. Античастицы мы будем обозначать теми же символами, как и частицы, но с волнистой чертой над символом.

Частицы в табл. 1 обозначены греческими и латинскими буквами, а именно: буквой $\nu$ - три различных нейтрино, буквами е - электрон, $\mu$ - мюон, $\tau$ - таон, буквами u, c, t, d, s, b обозначены кварки; их наименования и характеристики приведены в табл. 2.

Частицы в табл. 1 сгруппированы в три поколения I, II и III в соответствии со структурой современной теории . Наша Вселенная построена из частиц первого поколения - лептонов и кварков и калибровочных бозонов, но, как показывает современная наука о развитии Вселенной, на начальной стадии ее развития важную роль играли частицы всех трех поколений.

Лептоны

Кварки

I	II	III
$\nu_e$ e	$\nu_{\mu}$ $\mu$	$\nu_{\tau}$ $\tau$

I	II	III
u d	c s	t b

Лептоны

Сначала рассмотрим более подробно свойства лептонов. В верхней строке табл. 1 содержатся три разных нейтрино: электронное $\nu_e$, мюонное $\nu_m$ и тау-нейтрино $\nu_t$. Их масса до сих пор точно не измерена, но определен ее верхний предел, например для ne равный 10 -5 от величины массы электрона (то есть $\leq 10^{-32}$ г).

При взгляде на табл. 1 невольно возникает вопрос о том, зачем природе потребовалось создание трех разных нейтрино. Ответа на этот вопрос пока нет, ибо не создана такая всеобъемлющая теория фундаментальных частиц, которая бы указала на необходимость и достаточность всех таких частиц и описала бы их основные свойства. Возможно, эта проблема будет решена в XXI веке (или позже).

Нижняя строка табл. 1 начинается с наиболее изученной нами частицы - электрона. Электрон был открыт еще в конце прошлого века английским физиком Дж. Томсоном. Роль электронов в нашем мире огромна. Они являются теми отрицательно заряженными частицами, которые вместе с атомными ядрами образуют все атомы известных нам элементов Периодической таблицы Менделеева. В каждом атоме число электронов в точности равно числу протонов в атомном ядре, что и делает атом электрически нейтральным.

Электрон стабилен, главной возможностью уничтожения электрона является его гибель при соударении с античастицей - позитроном e + . Этот процесс получил название аннигиляции:

$$e^- + e^+ \to \gamma + \gamma .$$

В результате аннигиляции образуются два гамма-кванта (так называют фотоны высокой энергии), уносящие и энергии покоя e + и e - , и их кинетические энергии. При высокой энергии e + и e - образуются адроны и кварковые пары (см., например, (5) и рис. 4).

Реакция (1) наглядно иллюстрирует справедливость знаменитой формулы А. Эйнштейна об эквивалентности массы и энергии: E = mc 2 .

Действительно, при аннигиляции остановившегося в веществе позитрона и покоящегося электрона вся масса их покоя (равная 1,22 МэВ) переходит в энергию $\gamma$-квантов, которые не имеют массы покоя.

Во втором поколении нижней строки табл. 1 расположен >мюон - частица, являющаяся по всем своим свойствам аналогом электрона, но с аномально большой массой. Масса мюона в 207 раз больше массы электрона. В отличие от электрона мюон нестабилен. Время его жизни t = 2,2 · 10 -6 с. Мюон преимущественно распадается на электрон и два нейтрино по схеме

$$\mu^- \to e^- + \tilde \nu_e +\nu_{\mu}$$

Еще более тяжелым аналогом электрона является $\tau$-лептон (таон). Его масса более чем в 3 тыс. раз превосходит массу электрона ($m_{\tau} = 1777$ МэВ/с 2), то есть таон тяжелее протона и нейтрона. Время его жизни равно 2,9 · 10 -13 с, а из более чем ста разных схем (каналов) его распада возможны следующие:

$$\tau^-\left\langle\begin{matrix} \to e^- + \tilde \nu_e +\nu_{\tau}\\ \to \mu^- + \tilde \nu_\mu +\nu_{\tau} \end{matrix}\right.$$

Говоря о лептонах, интересно сравнить слабые и электромагнитные силы на некотором определенном расстоянии, например R = 10 -13 см. На таком расстоянии электромагнитные силы больше слабых сил почти в 10 млрд раз. Но это вовсе не значит, что роль слабых сил в природе мала. Отнюдь нет.

Именно слабые силы ответственны за множество взаимных превращений различных частиц в другие частицы, как, например, в реакциях (2), (3), и такие взаимопревращения являются одной из характернейших черт физики частиц. В отличие от реакций (2), (3) в реакции (1) действуют электромагнитные силы.

Говоря о лептонах, необходимо добавить, что современная теория описывает электромагнитные и слабые взаимодействия с помощью единой электрослабой теории. Она разработана С. Вайнбергом, А. Саламом и Ш. Глэшоу в 1967 году .

Кварки

Сама идея кварков возникла в результате блестящей попытки классифицировать большое количество частиц, участвующих в сильных взаимодействиях и называемых адронами. М. Гелл-Ман и Г. Цвейг предположили, что все адроны состоят из соответствующего набора фундаментальных частиц - кварков, их антикварков и переносчиков сильного взаимодействия - глюонов .

Полное число адронов, наблюденное в настоящее время, составляет более ста частиц (и столько же античастиц). Много десятков частиц еще не зарегистрировано. Все адроны подразделяются на тяжелые частицы, названные барионами , и средние, названные мезонами .

Барионы характеризуются барионным числом b = 1 для частиц и b = -1 для антибарионов. Их рождение и уничтожение всегда происходят парами: бариона и антибариона. У мезонов барионный заряд b = 0. Согласно идее Гелл-Мана и Цвейга, все барионы состоят из трех кварков, антибарионы - из трех антикварков. Поэтому каждому кварку было приписано барионное число 1/3, чтобы в сумме у бариона было b = 1 (или -1 для антибариона, состоящего из трех антикварков). Мезоны имеют барионное число b = 0, поэтому они могут быть составлены из любой комбинации пар любого кварка и любого антикварка. Помимо одинаковых для всех кварков квантовых чисел - спина и барионного числа имеются другие важные их характеристики, такие, как величина их массы покоя m , величина электрического заряда Q /e (в долях заряда электрона е = 1,6 · 10 -19 кулон) и некоторого набора квантовых чисел, характеризующих так называемый аромат кварка . К ним относятся:

1) величина изотопического спина I и величина его третьей проекции, то есть I 3 . Так, u -кварк и d -кварк образуют изотопический дублет, им приписан полный изотопический спин I = 1/2 с проекциями I 3 = +1/2, соответствующей u -кварку, и I 3 = -1/2, соответствующей d -кварку. Обе компоненты дублета имеют близкие значения массы и идентичны по всем остальным свойствам, за исключением электрического заряда;

2) квантовое число S - странность характеризует странное поведение некоторых частиц, имеющих аномально большое время жизни (~10 -8 - 10 -13 с) по сравнению с характерным ядерным временем (~10 -23 с). Сами частицы были названы странными, в их состав входит один или несколько странных кварков и странных антикварков. Рождение или исчезновение странных частиц вследствие сильных взаимодействий происходят парами, то есть в любой ядерной реакции сумма $\Sigma$S до реакции должна быть равна $\Sigma$S после реакции. Однако в слабых взаимодействиях закон сохранения странности не выполняется.

В опытах на ускорителях наблюдали частицы, которые было невозможно описать с помощью u -, d - и s -кварков. По аналогии со странностью потребовалось ввести еще три новых кварка с новыми квантовыми числами С = +1, В = -1 и Т = +1. Частицы, составленные из этих кварков, имеют существенно большую массу (> 2 ГэВ/с 2). Они имеют большое разнообразие схем распадов со временем жизни ~10 -13 с. Сводка характеристик всех кварков приведена в табл. 2.

Каждому кварку табл. 2 соответствует свой антикварк. У антикварков все квантовые числа имеют знак, противоположный тому, который указан для кварка. О величине массы кварков необходимо сказать следующее. Приведенные в табл. 2 значения соответствуют массам голых кварков, то есть собственно кварков без учета окружающих их глюонов. Масса одетых кварков за счет энергии, несомой глюонами, больше. Особенно это заметно для легчайших u - и d -кварков, глюонная шуба которых имеет энергию около 300 МэВ.

Кварки, которые определяют основные физические свойства частиц, называют валентными кварками. Помимо валентных кварков в составе адронов имеются виртуальные пары частиц - кварки и антикварки, которые испускаются и поглощаются глюонами на очень короткое время

(где Е - энергия виртуальной пары), что происходит с нарушением закона сохранения энергии в соответствии с соотношением неопределенности Гейзенберга . Виртуальные пары кварков называют кварками моря или морскими кварками . Таким образом, в структуру адронов входят валентные и морские кварки и глюоны.

Главная особенность всех кварков в том, что они являются обладателями соответствующих сильных зарядов. Заряды сильного поля имеют три равноправные разновидности (вместо одного электрического заряда в теории электрических сил). В исторически сложившейся терминологии эти три разновидности заряда называют цветами кварков, а именно: условно красным, зеленым и синим. Таким образом, каждый кварк в табл. 1 и 2 может быть в трех ипостасях и является цветной частицей. Смешение всех трех цветов, подобно тому как это имеет место в оптике, дает белый цвет, то есть обесцвечивает частицу. Все наблюдаемые адроны бесцветны.

Кварки	u (up)	d (down)	s (strange)	c (charm)	b (bottom)	t (top)
Масса m 0	(1,5-5) МэВ/с 2	(3-9) МэВ/с 2	(60-170) МэВ/с 2	(1,1-4,4) ГэВ/с 2	(4,1-4,4) ГэВ/с 2	174 ГэВ/с 2
Изоспин I	+1/2	+1/2	0	0	0	0
Проекция I 3	+1/2	-1/2	0	0	0	0
Электрический заряд Q /e	+2/3	-1/3	-1/3	+2/3	-1/3	+2/3
Странность S	0	0	-1	0	0	0
Чарм C	0	0	0	+1	0	0
Боттом B	0	0	0	0	-1	0
Топ T	0	0	0	0	0	+1

Взаимодействия кварков осуществляют восемь разных глюонов. Термин "глюон" означает в переводе с английского языка клей, то есть эти кванты поля есть частицы, которые как бы склеивают кварки между собой. Как и кварки, глюоны являются цветными частицами, но поскольку каждый глюон изменяет цвета сразу двух кварков (кварка, который испускает глюон, и кварка, который поглотил глюон), то глюон окрашен дважды, неся на себе цвет и антицвет, как правило отличный от цвета.

Масса покоя глюонов, как и у фотона, равна нулю. Кроме того, глюоны электрически нейтральны и не обладают слабым зарядом.

Адроны принято также делить на стабильные частицы и резонансы: барионные и мезонные.
Для резонансов характерно чрезвычайно малое время жизни (~10 -20 -10 -24 с), так как их распад обусловлен сильным взаимодействием.

Десятки таких частиц были открыты американским физиком Л.В. Альваресом. Поскольку путь таких частиц до распада столь мал, что они не могут наблюдаться в детекторах, регистрирующих следы частиц (таких, как пузырьковая камера и др.), все они были обнаружены косвенно, по наличию пиков в зависимости вероятности взаимодействия различных частиц друг с другом от энергии. Рисунок 1 поясняет сказанное. На рисунке приведена зависимость сечения взаимодействия (пропорциональное величине вероятности) положительного пиона $\pi^+$ с протоном p от кинетической энергии пиона. При энергии около 200 МэВ виден пик в ходе сечения. Его ширина $\Gamma = 110$ МэВ, а полная масса частицы $\Delta^{++}$ равна $T^{"}_{max}+M_p c^2+M_\pi c^2=1232$ МэВ/с 2 , где $T^{"}_{max}$ - кинетическая энергия соударения частиц в системе их центра масс. Большинство резонансов можно рассматривать как возбужденное состояние стабильных частиц, так как они имеют тот же кварковый состав, что и их стабильные аналоги, хотя масса резонансов больше за счет энергии возбуждения.

Кварковая модель адронов

Кварковую модель адронов начнем описывать с рисунка силовых линий, исходящих из источника - кварка с цветным зарядом и заканчивающихся на антикварке (рис. 2, б ). Для сравнения на рис. 2, а мы показываем, что в случае электромагнитного взаимодействия силовые линии расходятся от их источника - электрического заряда веером, ибо виртуальные фотоны, испущенные одновременно источником, не взаимодействуют друг с другом. В результате получаем закон Кулона.

В отличие от этой картины глюоны сами обладают цветными зарядами и сильно взаимодействуют друг с другом. В результате вместо веера из силовых линий мы имеем жгут, показанный на рис. 2, б . Жгут протянут между кварком и антикварком, но самое удивительное то, что сами глюоны, имея цветные заряды, становятся источниками новых глюонов, число которых нарастает по мере их удаления от кварка.
Такая картина взаимодействия соответствует зависимости потенциальной энергии взаимодействия между кварками от расстояния между ними, показанной на рис. 3. А именно: до расстояния R > 10 -13 см зависимость U(R) имеет воронкообразный характер, причем сила цветного заряда в этой области расстояний относительно невелика, так что кварки при R > 10 -15 cм в первом приближении можно рассматривать как свободные, невзаимодействующие частицы. Это явление имеет специальное название асимптотической свободы кварков при малых R . Однако при R больше некоторого критического $R_{кр} \approx 10^{-13}$ cм величина потенциальной энергии взаимодействия U (R ) становится прямо пропорциональной величине R . Отсюда прямо следует, что сила F = -dU /dR = const, то есть не зависит от расстояния. Никакие другие взаимодействия, которые физики ранее изучили, не обладали столь необычным свойством .

Расчеты показывают, что силы, действующие между кварком и антикварком, действительно, начиная с $R_{кр} \approx 10_{-13}$ см, перестают зависеть от расстояния, оставаясь на уровне огромной величины, близкой 20 т. На расстоянии R ~ 10 -12 см (равном радиусу средних атомных ядер) цветные силы более чем в 100 тыс. раз больше электромагнитных сил. Если сравнить цветную силу с ядерными силами между протоном и нейтроном внутри атомного ядра, то оказывается, что цветная сила в тысячи раз больше! Таким образом, перед физиками открылась новая грандиозная картина цветных сил в природе, на много порядков превышающих ныне известные ядерные силы. Конечно, сразу же возникает и вопрос о том, можно ли такие силы заставить работать как источник энергии. К сожалению, ответ на этот вопрос отрицательный.

Естественно, встает и другой вопрос: до каких расстояний R между кварками потенциальная энергия линейно растет с ростом R ?
Ответ простой: при больших расстояниях жгут силовых линий рвется, так как энергетически более выгодно образовать разрыв с рождением кварк-антикварковой пары частиц. Это происходит, когда потенциальная энергия в месте разрыва больше массы покоя кварка и антикварка. Процесс разрыва жгута силовых линий глюонного поля показан на рис. 2, в .

Такие качественные представления о рождении кварка-антикварка позволяют понять, почему одиночные кварки вообще не наблюдаются и не могут наблюдаться в природе. Кварки навечно заключены внутри адронов. Это явление невылета кварков называется конфайнментом . При высоких энергиях жгуту может быть выгоднее разорваться сразу во многих местах, образовав множество $q \tilde q$-пар. Таким путем мы подошли к проблеме множественного рождения кварк-антикварковых пар и образованию жестких кварковых струй.

Рассмотрим сначала строение легких адронов, то есть мезонов. Они состоят, как мы уже говорили, из одного кварка и одного антикварка.

Чрезвычайно важно, что оба партнера пары имеют при этом одинаковый цветной заряд и такой же антизаряд (например, кварк синий и антикварк антисиний), так что их пара независимо от ароматов кварков не имеет цвета (а только бесцветные частицы мы и наблюдаем).

Все кварки и антикварки имеют спин (в долях от h ), равный 1/2. Поэтому суммарный спин сочетания кварка с антикварком равен либо 0, когда спины антипараллельны, либо 1, когда спины параллельны друг другу. Но спин частицы может быть и больше 1, если сами кварки вращаются по каким-либо орбитам внутри частицы.

В табл. 3 приведены некоторые парные и более сложные комбинации кварков с указанием, каким известным ранее адронам данное сочетание кварков соответствует.

Кварки	Мезоны		Кварки	Барионы
	J =0	J =1		J =1/2	J =3/2
	частицы	резонансы		частицы	резонансы
	$\pi^+$	$\rho^+$	uuu		$\Delta^{++}$
$\tilde u d$	$\pi^-$	$\rho^-$	uud	p	$\Delta^+$
$u \tilde u - d \tilde d$	$\pi^0$	$\rho^0$	udd	n (нейтрон)	\Delta^0 (дельта0)
$u \tilde u + d \tilde d$	$\eta$	$\omega$	ddd		$\Delta^-$
$d \tilde s$	$k^0$	$k^0*$	uus	$\Sigma^+$	$\Sigma^+*$
$u \tilde s$	$k^+$	$k^+*$	uds	$\Lambda^0$	$\Sigma^0*$
$\tilde u s$	$k^-$	$k^-*$	dds	$\Sigma^-$	$\Sigma^-*$
$c \tilde d$	$D^+$	$D^+*$	uss	$\Xi^0$	$\Xi^0*$
$c \tilde s$	$D^+_s$	$D^+_s*$	dss	$\Xi^-$	$\Xi^-*$
$c \tilde c$	Чармоний	$J/\psi$	sss	$\Omega^-$
$b \tilde b$	Боттоний	Ипсилон	udc	$\Lambda^+_c$ (лямбда-цэ+)
$c \tilde u$	$D^0$	$D^0*$	uuc	$\Sigma^{++}_c$
$b \tilde u$	$B^-$	$B*$	udb	$\Lambda_b$

Из наиболее изученных в настоящее время мезонов и мезонных резонансов наибольшую группу составляют легкие неароматные частицы, у которых квантовые числа S = C = B = 0. В эту группу входят около 40 частиц. Таблица 3 начинается с пионов $\pi$ ±,0 , открытых английским физиком С.Ф. Пауэллом в 1949 году. Заряженные пионы живут около 10 -8 с, распадаясь на лептоны по следующим схемам:

$\pi^+ \to \mu + \nu_{\mu}$ и $\pi^- \to \mu^- + \tilde \nu_{\mu}$.

Их "родственники" в табл. 3 - резонансы $\rho$ ±,0 (ро-мезоны) имеют в отличие от пионов спин J = 1, они нестабильны и живут всего около 10 -23 с. Причина распада $\rho$ ±,0 - сильное взаимодействие.

Причина распада заряженных пионов обусловлена слабым взаимодействием, а именно тем, что составляющие частицу кварки способны испускать и поглощать в результате слабого взаимодействия на короткое время t в соответствии с соотношением (4) виртуальные калибровочные бозоны: $u \to d + W^+$ или $d \to u + W^-$, причем в отличие от лептонов осуществляются и переходы кварка одного поколения в кварк другого поколения, например $u \to b + W^+$ или $u \to s + W^+$ и т.д., хотя такие переходы существенно более редкие, чем переходы в рамках одного поколения. Вместе с тем при всех подобных превращениях электрический заряд в реакции сохраняется.

Изучение мезонов, включающих s - и c -кварки, привело к открытию нескольких десятков странных и чармированных частиц. Их исследование проводится сейчас во многих научных центрах мира.

Изучение мезонов, включающих b - и t -кварки, интенсивно началось на ускорителях, и мы пока не будем говорить о них более подробно.

Перейдем к рассмотрению тяжелых адронов, то есть барионов. Все они составлены из трех кварков, но таких, у которых имеются все три разновидности цвета, поскольку, так же как и мезоны, все барионы бесцветны. Кварки внутри барионов могут иметь орбитальное движение. В этом случае суммарный спин частицы будет превышать суммарный спин кварков, равный 1/2 или 3/2 (если спины всех трех кварков параллельны друг другу).

Барионом с минимальной массой является протон p (см. табл. 3). Именно из протонов и нейтронов состоят все атомные ядра химических элементов. Число протонов в ядре определяет его суммарный электрический заряд Z .

Другой основной частицей атомных ядер является нейтрон n . Нейтрон немного тяжелее протона, он неустойчив и в свободном состоянии со временем жизни около 900 с распадается на протон, электрон и нейтрино. В табл. 3 показано кварковое состояние протона uud и нейтрона udd . Но при спине этой комбинации кварков J = 3/2 образуются резонансы $\Delta^+$ и $D^0$ соответственно. Все другие барионы, состоящие из более тяжелых кварков s , b , t , имеют и существенно большую массу. Среди них особый интерес вызывал W - -гиперон, состоящий из трех странных кварков. Он был открыт сначала на бумаге, то есть расчетным образом, с использованием идей кваркового строения барионов. Были предсказаны все основные свойства этой частицы, подтвержденные затем экспериментами.

Многие экспериментально наблюденные факты убедительно говорят сейчас о существовании кварков. В частности, речь идет и об открытии нового процесса в реакции соударения электронов и позитронов, приводящей к образованию кварк-антикварковых струй. Схема этого процесса показана на рис. 4. Эксперимент выполнен на коллайдерах в Германии и США. На рисунке показаны стрелками направления пучков e + и e - , а из точки их столкновения вылет кварка q и антикварка $\tilde q$ под зенитным углом $\Theta$ к направлению полета e + и e - . Такое рождение $q+\tilde q$ пары происходит в реакции

$$e^+ + e^- \to \gamma_{вирт} \to q + \tilde q$$

Как мы уже говорили, жгут силовых линий (чаще говорят струна) при достаточно большом растяжении рвется на составляющие.
При большой энергии кварка и антикварка, как говорилось ранее, струна рвется во многих местах, в результате чего в обоих направлениях вдоль линии полета кварка q и антикварка образуются два узких пучка вторичных бесцветных частиц, как это показано на рис. 4. Такие пучки частиц названы струями. Достаточно часто на опыте наблюдается образование трех, четырех и более струй частиц одновременно.

В экспериментах, которые проводились при сверхускорительных энергиях в космических лучах, в которых принимал участие и автор этой статьи, получены как бы фотографии процесса образования многих струй. Дело в том, что жгут или струна одномерны и поэтому центры образования трех, четырех и более струй также располагаются вдоль прямой линии .

Теория, описывающая сильные взаимодействия, называется квантовой хромодинамикой или сокращенно КХД . Она гораздо сложнее теории электрослабых взаимодействий. Особенно успешно КХД описывает так называемые жесткие процессы, то есть процессы взаимодействия частиц с большой передачей импульса между частицами. Хотя создание теории еще не завершено, многие физики-теоретики уже сейчас заняты созданием "великого объединения" - объединения квантовой хромодинамики и теории электрослабого взаимодействия в единую теорию.

В заключение кратко остановимся на том, исчерпывают ли шесть лептонов и 18 разноцветных кварков (и их античастицы), а также кванты фундаментальных полей - фотон, W ± -, Z 0 -бозоны, восемь глюонов и, наконец, кванты гравитационного поля - гравитоны весь арсенал истинно элементарных, точнее, фундаментальных частиц. По-видимому, нет. Скорее всего, описанные картины частиц и полей суть отражение лишь наших знаний в настоящее время. Недаром уже сейчас есть много теоретических идей, в которые вводятся большая группа еще на наблюденных так называемых суперсимметричных частиц, октет сверхтяжелых кварков и многое другое.

Очевидно, современная физика еще далека от построения завершенной теории частиц. Возможно, был прав великий физик Альберт Эйнштейн, полагая, что лишь учет гравитации, несмотря на ее сейчас кажущуюся малую роль в микромире, позволит построить строгую теорию частиц. Но все это уже в XXI веке или еще позже.

Литература

1. Окунь Л.Б. Физика элементарных частиц. М.: Наука, 1988.

2. Кобзарев И.Ю. Лауреаты Нобелевской премии 1979 г.: С. Вайнберг, Ш. Глэшоу, А. Салам // Природа. 1980. N 1. С. 84.

3. Зельдович Я.Б. Классификация элементарных частиц и кварки в изложении для пешеходов // Успехи физ. наук. 1965. Т. 8. С. 303.

4. Крайнов В.П. Соотношение неопределенности для энергии и времени // Соросовский Образовательный Журнал. 1998. N 5. С. 77-82.

5. Намбу И. Почему нет свободных кварков // Успехи физ. наук. 1978. Т. 124. С. 146.

6. Жданов Г.Б., Максименко В.М., Славатинский С.А. Эксперимент "Памир" // Природа. 1984. N 11. С. 24

Рецензент статьи Л.И. Сарычева

С. А. Славатинский Московский физико-технический институт, Долгопрудный Московской обл.

лептоны - не участвуют в сильном взаимодействии.

электрон . позитрон. мюон.

нейтрино - легкая нейтральная частица, участвующая только в слабом и гравитационном

взаимодействии.

нейтринный (# поток).

переносчики взаимодействий:

фотон - квант света, переносчик электромагнитного взаимодействия.

глюон - переносчик сильного взаимодействия.

промежуточные векторные бозоны - переносчики слабого взаимодействия;

частицы с целым спином.

"фундаментальная частица" в книгах

Глава 1 Частица океана

Из книги Кровь: река жизни [От древних легенд до научных открытий] автора Азимов Айзек

Глава 1 Частица океана Любое одноклеточное существо, живущее в море, настолько крошечное, что его можно разглядеть только под микроскопом, имеет запас крови, в миллиарды раз превосходящий человеческий.Поначалу это может показаться невозможным, но, когда вы поймете, что

ЧАСТИЦА «-СЯ» ПОБЕЖДАЕТ

Из книги Как говорить правильно: Заметки о культуре русской речи автора Головин Борис Николаевич

Фундаментальная асимметрия

Из книги Антихрупкость [Как извлечь выгоду из хаоса] автора Талеб Нассим Николас

Фундаментальная асимметрия Выразим асимметрию Сенеки в четком правиле.Я уже использовал концепцию большей потери при неблагоприятном исходе. Если от перемены обстоятельств вы больше теряете, чем обретаете, вы имеете дело с асимметрией, и это скверная асимметрия.

Что такое частица?

Из книги Гиперпространство автора Каку Мичио

Что такое частица? Суть теории струн в том, что она может объяснить природу и материи, и пространства-времени, т. е. природу и «дерева», и «мрамора». Теория струн дает ответы на ряд головоломных вопросов о частицах: например, почему в природе их так много. Чем глубже мы

Бозе-частица

Из книги Большая Советская Энциклопедия (БО) автора БСЭ

Ферми-частица

Из книги Большая Советская Энциклопедия (ФЕ) автора БСЭ

Фундаментальная астрометрия

БСЭ

Фундаментальная длина

Из книги Большая Советская Энциклопедия (ФУ) автора БСЭ

8.5. КАК РАБОТАЕТ ЧАСТИЦА «НЕ»

автора Самсонова Елена

8.5. КАК РАБОТАЕТ ЧАСТИЦА «НЕ» Уважаемый коллега! Если у вас есть ребенок, то вы можете вспомнить, как вы кричали ему, когда он был еще маленьким: «Не беги!», «Не упади!» или «Не испачкайся!» И сразу после вашего крика ребенок начинал бежать еще быстрее, падал или пачкался. Вы

8.6. КАК РАБОТАЕТ ЧАСТИЦА «НО»

Из книги Танец продавца, или Нестандартный учебник по системным продажам автора Самсонова Елена

8.6. КАК РАБОТАЕТ ЧАСТИЦА «НО» Знаете ли вы, что частица «но» полностью «зачеркивает» то, что вы сказали перед ее употреблением?– Вы очень симпатичный человек, но…– Вы правы, но…– То, что вы говорите, интересно, но…Когда вы разговариваете с клиентом или покупателем,

Третья частица

Из книги Атомный проект. История сверхоружия автора Первушин Антон Иванович

Третья частица Как мы видели, период с 1895 по 1919 год был густо насыщен важными открытиями в области ядерной физики. Но после 1919 года развитие этой науки, казалось, приостановилось. И это неслучайно.Вспомним, что для исследования атома физики использовали явление

Фундаментальная стратегия

Из книги Истоки нейро-лингвистического программирования автора Гриндер Джон

Фундаментальная стратегия Фрэнк и я поразмышляли над тем, как справляться с подобными моментами. Мы выработали особую стратегию. Мы решили придерживаться курса минимизации таких отдельных искажений, призвав на помощь большое количество людей, которые физически

Фундаментальная подлость

Из книги Глобальный человейник автора Зиновьев Александр Александрович

Фундаментальная подлость Судьба поступила со мной так, что я невольно прикоснулся к самым фундаментальным явлениям нашего общественного строя и смог посмотреть на них без всяких скрывающих их покровов и иллюзий. Как мне казалось тогда, я увидел, в чем заключалась самая

3. Фундаментальная напряженность

Из книги Единство и многообразие в Новом Завете Исследование природы первоначального христианства автора Данн Джеймс Д.

3. Фундаментальная напряженность В самой сущности христианства заложено то, что оно происходит от иудаизма I в. Иисус был евреем. Самые первые христиане были сплошь евреями. Христианство началось изнутри иудаизма, из мессианской секты в рамках иудаизма. Оно воспринимало

ФУНДАМЕНТАЛЬНАЯ ИСТИНА

Из книги Движимые вечностью автора Бивер Джон

ФУНДАМЕНТАЛЬНАЯ ИСТИНА В нашей притче Джалин является прообразом Иисуса Христа, а царь Отец? это Всемогущий Бог Отец. Дагон представляет!собой дьявола; жизнь в Энделе? это человеческая жизнь на земле; Аффабель представляет небесный город Бога. Отверженная земля Лон?

О ПОНИМАНИИ ДВИЖЕНИЯ МАТЕРИИ, СПОСОБНОСТИ ЕЕ К САМОРАЗВИТИЮ, А ТАКЖЕ СВЯЗИ И ВЗАИМОДЕЙСТВИИ МАТЕРИАЛЬНЫХ ОБЪЕКТОВ В СОВРЕМЕННОМ ЕСТЕСТВОЗНАНИИ

Цюпка В. П.

Федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего профессионального образования «Белгородский государственный национальный исследовательский университет» (НИУ «БелГУ»)

1. Движение материи

«Неотъемлемое свойство материи – движение» 1 , являющееся формой существования материи и проявляющееся в каких-либо ее изменениях. Из несотворимости и неуничтожимости материи и ее атрибутов, в т. ч. движения, следует, что и движение материи существует вечно и бесконечно многообразно по форме своих проявлений.

Существование любого материального объекта проявляется в его движении, т. е. в каком-либо происходящем с ним изменении. В ходе изменения всегда изменяются какие-то свойства материального объекта. Т. к. совокупность всех свойств материального объекта, характеризующая его определенность, индивидуальность, особенность в какой-то конкретный момент времени, соответствует его состоянию, получается, что движение материального объекта сопровождается сменой его состояний. Изменение свойств может зайти так далеко, что один материальный объект может стать другим материальным объектом. «Но никогда материальный объект не может превратиться в свойство» (например, массу, энергию), а «свойство – в материальный объект» 2 , потому что изменяющейся субстанцией может быть только лишь движущаяся материя. В естествознании движение материи называют еще явлением природы (природным явлением).

Известно, что «без движения нет материи» 3 как и без материи не может быть никакого движения.

Движение материи можно выразить количественно. Универсальной количественной мерой движения материи, как и любого материального объекта, является энергия, выражающая собственную активность материи и любого материального объекта. Отсюда энергия – это одно из свойств движущейся материи, и энергия не может быть вне материи, отдельно от нее. Энергия находится в эквивалентной зависимости с массой. Следовательно, масса может характеризовать не только количество вещества, но и степень его активности. Из того, что движение материи существует вечно и бесконечно многообразно по форме своих проявлений, неумолимо следует, что и энергия, характеризующая движение материи количественно, также существует вечно (несотворима и неуничтожима) и бесконечно многообразна по форме своих проявлений. «Таким образом, энергия никогда не исчезает и не появляется вновь, она лишь превращается из одного вида в другой» 1 в соответствии с изменением видов движения.

Наблюдаются различные виды (формы) движения материи. Их можно классифицировать с учетом изменений свойств материальных объектов и особенностей их воздействий друг на друга.

Движение физического вакуума (свободных фундаментальных полей в обычном состоянии) сводится к тому, что он все время незначительно отклоняется в разные стороны от своего равновесия, как бы «дрожит». В результате таких спонтанных низкоэнергетических возбуждений (отклонений, возмущений, флуктуаций) и формируются виртуальные частицы, которые тут же растворяются в физическом вакууме. Это низшее (основное) энергетическое состояние движущегося физического вакуума, его энергия близка к нулю. Но физический вакуум может на какое-то время в каком-то месте перейти в возбужденное состояние, характеризующееся неким избытком энергии. При таких значительных, высокоэнергетических возбуждениях (отклонениях, возмущениях, флуктуациях) физического вакуума виртуальные частицы могут завершить свое появление и тогда из физического вакуума вырываются реальные фундаментальные частицы разных типов, причем, как правило, парами (имеющие электрический заряд в виде частицы и античастицы с электрическими зарядами противоположных знаков, например, в виде электрон-позитронной пары).

Одиночными квантовыми возбуждениями различных свободных фундаментальных полей являются фундаментальные частицы.

Фермионные (спинорные) фундаментальные поля могут породить 24 фермиона (6 кварков и 6 антикварков, а также 6 лептонов и 6 антилептонов), разделяющиеся на три поколения (семейства). В первом поколении верхний и нижний кварки (и антикварки), а также лептоны электрон и электронное нейтрино (и позитрон с электронным антинейтрино), образующие обычное вещество (и редко обнаруживаемое антивещество). Во втором поколении имеющие бóльшую массу (бóльший гравитационный заряд) очарованный и странный кварки (и антикварки), а также лептоны мюон и мюонное нейтрино (и антимюон с мюонным антинейтрино). В третьем поколении истинный и прелестный кварки (и антикварки), а также лептоны таон и таонное нейтрино (и антитаон с таонным антинейтрино). Фермионы второго и третьего поколений не участвуют в образовании обычного вещества, отличаются нестабильностью и распадаются с образованием фермионов первого поколения.

Бозонные (калибровочные) фундаментальные поля могут породить 18 типов бозонов: гравитационное поле – гравитоны, электромагнитное поле – фотоны, поле слабого взаимодействия – 3 типа «вионов» 1 , глюонное поле – 8 типов глюонов, поле Хиггса – 5 типов бозонов Хиггса.

Физический вакуум в достаточно высокоэнергетическом (возбужденном) состоянии способен породить множество фундаментальных частиц, обладающих значительной энергией, в виде минивселенной.

Для вещества микромира движение сводится:

к распространению, столкновению и превращению друг в друга элементарных частиц;

образованию из протонов и нейтронов атомных ядер, их перемещению, столкновению и изменению;

образованию из атомных ядер и электронов атомов, их перемещению, столкновению и изменению, в т. ч. с перескакиванием электронов с одной атомной орбитали на другую и отрывом их от атомов, присоединением лишних электронов;

образованию из атомов молекул, их перемещению, столкновению и изменению, в т. ч. с присоединением новых атомов, высвобождением атомов, замещением одних атомов на другие, изменением порядка расположения атомов относительно друг друга в молекуле.

Для вещества макромира и мегамира движение сводится к перемещению, столкновению, деформации, разрушению, объединению разнообразных тел, а также к самым различным их изменениям.

Если движение материального объекта (квантованного поля или вещественного объекта) сопровождается изменением только лишь его физических свойств, например, частоты или длины волны для квантованного поля, мгновенной скорости, температуры, электрического заряда для вещественного объекта, тогда такое движение относят к физической форме. Если движение вещественного объекта сопровождается изменением его химических свойств, например, растворимости, горючести, кислотности, тогда такое движение относят к химической форме. Если движение касается изменения объектов мегамира (космических объектов), тогда такое движение относят к астрономической форме. Если движение касается изменения объектов глубинных земных оболочек (земных недр), тогда такое движение относят к геологической форме. Если движение касается изменения объектов географической оболочки, объединяющей все поверхностные земные оболочки, тогда такое движение относят к географической форме. Движение живых тел и их систем в виде их всевозможных жизненных проявлений относят к биологической форме. Движение материальных объектов, сопровождаемое изменением социально значимых свойств с обязательным участием человека, например, добыча железной руды и производство чугуна и стали, выращивание сахарной свеклы и производство сахара, относят к социально обусловленной форме движения.

Движение любого материального объекта далеко не всегда может быть отнесено к какой-то одной форме. Оно сложное, многообразное. Даже физическое движение, присущее материальным объектам от квантованного поля до тел, может включать в себя несколько форм. Например, упругое столкновение (соударение) двух твердых тел в виде бильярдных шаров включает в себя и изменение положения шаров с течением времени относительно друг друга и стола, и вращение шаров, и трение шаров о поверхность стола и воздух, и движение частиц каждого шара, и практически обратимое изменение формы шаров при упругом соударении, и обмен кинетической энергией с частичным превращением ее во внутреннюю энергию шаров при упругом соударении, и перенос теплоты между шарами, воздухом и поверхностью стола, и возможный радиоактивный распад ядер содержащихся в шарах нестабильных изотопов, и проникновение нейтрино космических лучей сквозь шары, и др. С развитием материи и возникновением химических, астрономических, геологических, географических, биологических и социально обусловленных материальных объектов формы движения усложняются, становятся все более многообразными. Так, в химическом движении можно увидеть и физические формы движения и качественно новые, не сводимые к физическим, химические формы. В движении астрономических, геологических, географических, биологических и социально обусловленных объектов можно увидеть и физические, и химические формы движения, а также качественно новые, не сводимые к физическим и химическим, соответственно астрономические, геологические, географические, биологические или социально обусловленные формы движения. При этом низшие формы движения материи не различаются у материальных объектов разной степени сложности. Например, физическое движение элементарных частиц, атомных ядер и атомов не отличается у астрономических, геологических, географических, биологических или социально обусловленных материальных объектов.

В изучении сложных форм движения следует избегать двух крайностей. Во-первых, нельзя сводить изучение сложной формы движения к простым формам движения, нельзя сложную форму движения выводить из простых. Например, биологическое движение нельзя выводить только лишь из физических и химических форм движения, игнорируя при этом сами биологические формы движения. А во-вторых, нельзя ограничиваться изучением только сложных форм движения, игнорируя простые. Например, изучение биологического движения хорошо дополняет изучение проявляющихся при этом физической и химической форм движения.

2. Способность материи к саморазвитию

Как известно, саморазвитие материи, а материя способна к саморазвитию, характеризуется самопроизвольным, направленным и необратимым поэтапным усложнением форм движущейся материи.

Самопроизвольность саморазвития материи означает, что процесс поэтапного усложнения форм движущейся материи происходит сам собой, естественным образом, без участия каких-то неестественных или сверхъестественных сил, Творца, в силу внутренних, естественных причин.

Направленность саморазвития материи означает своеобразную канализованность процесса поэтапного усложнения форм движущейся материи от одной ее формы, существовавшей раньше, к другой форме, появившейся позже: для какой-либо новой формы движущейся материи можно найти предшествующую форму движущейся материи, которая дала ей начало, и наоборот, для какой-либо предшествующей формы движущейся материи можно найти новую форму движущейся материи, которая из нее возникла. При этом всегда предшествующая форма движущейся материи существовала раньше возникшей из нее новой формы движущейся материи, предшествующая форма всегда древнее возникшей из нее новой формы. Благодаря канализованности саморазвития движущейся материи возникают своеобразные ряды поэтапного усложнения ее форм, показывающие в каком направлении, а также через какие промежуточные (переходные) формы шло историческое развитие той или иной формы движущейся материи.

Необратимость саморазвития материи означает, что процесс поэтапного усложнения форм движущейся материи не может пойти в обратном направлении, вспять: новая форма движущейся материи не может породить предшествовавшую ей форму движущейся материи, из которой она возникла, но она может стать предшествующей формой для новых форм. И если вдруг какая-либо новая форма движущейся материи окажется очень похожа на одну из предшествовавших ей форм, то это не будет означать, что движущаяся материя стала саморазвиваться в обратном направлении: предшествующая форма движущейся материи появилась гораздо раньше, а новая форма движущейся материи, даже и очень похожая на нее, появилась гораздо позже и является хотя и похожей, но принципиально другой формой движущейся материи.

3. Связь и взаимодействие материальных объектов

Неотъемлемые свойства материи – связь и взаимодействие, являющиеся причиной ее движения. Т. к. связь и взаимодействие являются причиной движения материи, поэтому связь и взаимодействие, как и движение, универсальны, т. е. присущи всем материальным объектам вне зависимости от их природы, происхождения и сложности. Все явления в материальном мире детерминированы (в смысле обусловлены) естественными материальными связями и взаимодействиями, а также объективными законами природы, отражающими закономерности связи и взаимодействия. «В этом смысле в мире нет ничего сверхъестественного и абсолютно противостоящего материи.» 1 Взаимодействие, как и движение, является формой бытия (существования) материи.

Существование всех материальных объектов проявляется во взаимодействии. Для всякого материального «объекта существовать – значит как-то проявлять себя по отношению к другим материальным объектам, взаимодействуя с ними, находясь в объективных связях и отношениях с ними. Если гипотетический материальный «объект, который никак не проявлял бы себя по отношению к каким-то другим материальным объектам, никак не был бы с ними связан, не взаимодействовал бы с ними, то он и «не существовал бы для этих других материальных объектов. «Но и наше предположение о нем также не могло бы ни на чем основываться, так как из-за отсутствия взаимодействия мы имели бы о нем нулевую информацию.» 2

Взаимодействие представляет собой процесс взаимного воздействия одних материальных объектов на другие с обменом энергией. Взаимодействие вещественных объектов может быть непосредственным, например, в виде столкновения (соударения) двух твердых тел. А может происходить на расстоянии. В этом случае взаимодействие вещественных объектов обеспечивают связанные с ними бозонные (калибровочные) фундаментальные поля. Изменение одного вещественного объекта вызывает возбуждение (отклонение, возмущение, флуктуацию) связанного с ним соответствующего бозонного (калибровочного) фундаментального поля, и это возбуждение распространяется в виде волны с конечной скоростью, не превышающей скорости распространения света в вакууме (без малого 300 тыс. км/с). Взаимодействие вещественных объектов на расстоянии согласно квантово-полевому механизму передачи взаимодействия носит обменный характер, т. к. переносят взаимодействие частицы-переносчики в виде квантов соответствующего бозонного (калибровочного) фундаментального поля. Разные бозоны как частицы-переносчики взаимодействия являются возбуждениями (отклонениями, возмущениями, флуктуациями) соответствующих бозонных (калибровочных) фундаментальных полей: во время испускания и поглощения вещественным объектом они являются реальными, а во время распространения – виртуальными.

Получается, что в любом случае взаимодействие материальных объектов даже на расстоянии является близкодействием, т. к. осуществляется без каких-то разрывов, пустот.

Взаимодействие частицы с античастицей вещества сопровождается их аннигиляцией, т. е. превращением их в соответствующее фермионное (спинорное) фундаментальное поле. При этом их масса (гравитационная энергия) превращается в энергию соответствующего фермионного (спинорного) фундаментального поля.

Виртуальные частицы возбуждающегося (отклоняющегося, возмущающего, «дрожащего») физического вакуума могут взаимодействовать с реальными частицами, как бы обволакивая, сопровождая их в виде так называемой квантовой пены. Например, в результате взаимодействия электронов атома с виртуальными частицами физического вакуума происходит некоторый сдвиг их энергетических уровней в атомах, а сами электроны при этом совершают колебательные движения с малой амплитудой.

Выделяют четыре вида фундаментальных взаимодействий: гравитационное, электромагнитное, слабое и сильное.

«Гравитационное взаимодействие проявляется во взаимном притяжении... материальных объектов, имеющих массу» 1 покоя, т. е. вещественных объектов, на каких угодно больших расстояниях. Предполагается, что возбужденный физический вакуум, порождающий множество фундаментальных частиц, способен к проявлению гравитационного отталкивания. Гравитационное взаимодействие переносится гравитонами гравитационного поля. Гравитационное поле связывает тела и частицы, обладающие массой покоя. Для распространения гравитационного поля в виде гравитационных волн (виртуальных гравитонов) не требуется среда. Гравитационное взаимодействие самое слабое по своей силе, поэтому оно несущественно в микромире из-за незначительности масс частиц, в макромире его проявление заметно и оно вызывает, например, падение тел на Землю, а в мегамире ему принадлежит ведущая роль из-за огромнейших масс тел мегамира и оно обеспечивает, например, вращение Луны и искусственных спутников вокруг Земли; образование и движение планет, планетоидов, комет и других тел в Солнечной системе и ее целостность; образование и движение звезд в галактиках – гигантских звездных системах, включающих до сотен миллиардов звезд, связанных взаимным тяготением и общим происхождением, а также их целостность; целостность скоплений галактик – систем относительно близко расположенных галактик, связанных силами гравитации; целостность Метагалактики – системы всех известных скоплений галактик, связанных силами гравитации, как изученной части Вселенной, целостность всей Вселенной. Гравитационное взаимодействие обусловливает концентрацию рассеянного во Вселенной вещества и включение его в новые циклы развития.

«Электромагнитное взаимодействие обусловлено электрическими зарядами и передается» 1 фотонами электромагнитного поля на какие угодно большие расстояния. Электромагнитное поле связывает тела и частицы, имеющие электрические заряды. Причем неподвижные электрические заряды связывает только электрическая составляющая электромагнитного поля в виде электрического поля, а подвижные электрические заряды связывает и электрическая, и магнитная составляющие электромагнитного поля. Для распространения электромагнитного поля в виде электромагнитных волн не требуется дополнительная среда, т. к. «изменяющееся магнитное поле порождает переменное электрическое поле, которое, в свою очередь, является источником переменного магнитного поля» 2 . «Электромагнитное взаимодействие может проявляться и как притяжение (между разноименными зарядами), и как отталкивание (между» 3 одноименными зарядами). Электромагнитное взаимодействие намного сильнее гравитационного. Оно проявляется как в микромире, так и в макромире и мегамире, но ведущая роль ему принадлежит в макромире. Электромагнитное взаимодействие обеспечивает взаимодействие электронов с ядрами. Межатомное и межмолекулярное взаимодействие электромагнитное, благодаря ему, например, существуют молекулы и осуществляется химическая форма движения материи, существуют тела и определяются их агрегатные состояния, упругость, трение, поверхностное натяжение жидкости, функционирует зрение. Таким образом, электромагнитное взаимодействие обеспечивает стабильность атомов, молекул и макроскопических тел.

В слабом взаимодействии участвуют элементарные частицы, имеющие массу покоя, его переносят «вионы» 4 калибровочных полей. Поля слабого взаимодействия связывают различные элементарные частицы, обладающие массой покоя. Слабое взаимодействие намного слабее электромагнитного, но сильнее гравитационного. Из-за своего короткодействия оно проявляется только в микромире, обусловливая, например, большинство самораспадов элементарных частиц (например, свободный нейтрон самораспадается с участием отрицательно заряженного калибровочного бозона на протон, электрон и электронное антинейтрино, иногда при этом образуется еще фотон), взаимодействие нейтрино с остальным веществом.

Сильное взаимодействие проявляется во взаимном притяжении адронов, к которым относят кварковые структуры, например, двухкварковые мезоны и трехкварковые нуклоны. Оно передается глюонами глюонных полей. Глюонные поля связывают адроны. Это самое сильное взаимодействие, но из-за своего короткодействия проявляется только лишь в микромире, обеспечивая, например, связь кварков в нуклонах, связь нуклонов в атомных ядрах, обеспечивая их стабильность. Сильное взаимодействие в 1000 раз сильнее электромагнитного и не дает разлететься одноименно заряженным протонам, объединенным в ядре. Термоядерные реакции, в которых несколько ядер соединяются в одно, также возможны благодаря сильному взаимодействию. Естественными термоядерными реакторами являются звезды, создающие все химические элементы тяжелее водорода. Тяжелые многонуклонные ядра становятся неустойчивыми и делятся, т. к. их размеры уже превышают расстояние, на котором проявляется сильное взаимодействие.

«В результате экспериментальных исследований взаимодействий элементарных частиц … было обнаружено, что при больших энергиях столкновения протонов – около 100 ГэВ – … слабое и электромагнитное взаимодействия не различаются – их можно рассматривать как единое электрослабое взаимодействие.» 1 Предполагается, что «при энергии 10 15 ГэВ к ним присоединяется сильное взаимодействие, а при» 2 еще «больших энергиях взаимодействия частиц (до 10 19 ГэВ) или при чрезвычайно высокой температуре материи все четыре фундаментальных взаимодействия характеризуются одинаковой силой, т. е. представляют собой одно взаимодействие» 3 в виде «суперсилы». Возможно, такие высокоэнергетические условия были в начале развития Вселенной, появившейся из физического вакуума. В процессе дальнейшего расширения Вселенной, сопровождавшегося быстрым охлаждением образовавшегося вещества, целостное взаимодействие разделилось сначала на электрослабое, гравитационное и сильное, а затем электрослабое взаимодействие разделилось на электромагнитное и слабое, т. е. на четыре принципиально отличающихся друг от друга взаимодействия.

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ:

Карпенков, С. Х. Основные концепции естествознания [Текст] : учеб. пособие для вузов / С. Х. Карпенков. – 2-е изд., перераб. и доп. – М. : Академический Проект, 2002. – 368 с.

Концепции современного естествознания [Текст] : учеб. для вузов / Под ред. В. Н. Лавриненко, В. П. Ратникова. – 3-е изд., перераб. и доп. – М. : ЮНИТИ-ДАНА, 2005. – 317 с.

Философские проблемы естествознания [Текст] : учеб. пособие для аспирантов и студентов филос. и естеств. фак. ун-тов / Под ред. С. Т. Мелюхина. – М. : Высшая школа, 1985. – 400 с.

Цюпка, В. П. Естественнонаучная картина мира: концепции современного естествознания [Текст] : учеб. пособие / В. П. Цюпка. – Белгород: ИПК НИУ «БелГУ», 2012. – 144 с.

Цюпка, В. П. Концепции современной физики, составляющие современную физическую картину мира [Электронный ресурс] // Научный электронный архив Российской Академии Естествознания: заоч. электрон. науч. конф. «Концепции современного естествознания или естественнонаучная картина мира» URL: http://сайт/article/6315 (размещено: 31.10.2011)

Яндекс. Словари. [Электронный ресурс] URL: http://slovari.yandex.ru/

1Карпенков С. Х. Основные концепции естествознания. М. Академический Проект. 2002. С. 60.

2Философские проблемы естествознания. М. Высшая школа. 1985. С. 181.

3Карпенков С. Х. Основные концепции естествознания... С. 60.

1Карпенков С. Х. Основные концепции естествознания... С. 79.

1Карпенков С. Х.

1Философские проблемы естествознания... С. 178.

2Там же. С. 191.

1Карпенков С. Х. Основные концепции естествознания... С. 67.

1Карпенков С. Х. Основные концепции естествознания... С. 68.

3Философские проблемы естествознания... С. 195.

4Карпенков С. Х. Основные концепции естествознания... С. 69.

1Карпенков С. Х. Основные концепции естествознания... С. 70.

2Концепции современного естествознания. М. ЮНИТИ-ДАНА. 2005. С. 119.

3Карпенков С. Х. Основные концепции естествознания... С. 71.

Цюпка В.П. О ПОНИМАНИИ ДВИЖЕНИЯ МАТЕРИИ, СПОСОБНОСТИ ЕЕ К САМОРАЗВИТИЮ, А ТАКЖЕ СВЯЗИ И ВЗАИМОДЕЙСТВИЯ МАТЕРИАЛЬНЫХ ОБЪЕКТОВ В СОВРЕМЕННОМ ЕСТЕСТВОЗНАНИИ // Научный электронный архив.
URL: (дата обращения: 17.03.2020).

Представленные на рис.1 фундаментальные фермионы , обладающие спином ½, представляют собой «первокирпичики» вещества. Они представлены лептонами (электронами e , нейтрино и др.) – частицами не участвующими в сильных ядерных взаимодействиях, и кварками , которые участвуют в сильных взаимодействиях. Из кварков состоят ядерные частицы – адроны (протоны, нейтроны и мезоны). Каждая из этих частиц имеет свою античастицу, которая должна быть помещена в ту же клетку. Обозначение античастицы отличается знаком «тильда» (~).

Из шести разновидностей кварков или шести ароматов электрическим зарядом 2/3 (в единицах элементарного заряда e ) обладают верхний (u ), очарованный (c ) и истинный (t ) кварки, а зарядом –1/3 – нижний (d ), странный (s ) и красивый (b ) кварки. Антикварки с теми же ароматами будут обладать электрическими зарядами –2/3 и 1/3, соответственно.

Фундаментальные частицы

Фундаментальные фермионы (полуцелый спин)

Фундаментальные бозоны (целый спин)

Лептоны

Кварки

n e

n m

n t

2/3

Сильное

Эл.-магнитное

Слабое

Гравитационное

–1

–1/3

8 g J = 1 m = 0

g J = 1 m = 0

W ± ,Z 0 J = 1 m @100

G J = 2 m = 0

III

Электрослабое взаимодействие

Великое объединение

Суперобъединение

В квантовой хромодинамике (теории сильного взаимодействия), кваркам и антикваркам приписываются заряды сильного взаимодействия трех типов: красный R (антикрасный ); зеленый G (антизеленый ); синий B (антисиний ). Цветовое (сильное) взаимодействие связывает кварки в адронах. Последние делятся на барионы , состоящие из трех кварков, и мезоны , состоящие из двух кварков. Например, протоны и нейтроны, относящиеся к барионам, имеют следующий кварковый состав:

p = (uud ) и , n = (ddu ) и .

Для примера приведем состав триплета пи-мезонов:

, ,

Легко видеть из этих формул, что заряд протона равен +1, а у антипротона он равен –1. Нейтрон и антинейтрон имеют нулевой заряд. Спины кварков в этих частицах складываются так, что суммарные их спины равны ½. Возможны и такие комбинации из этих же кварков, у которых суммарные спины равны 3/2. Такие элементарные частицы (D ++ , D + , D 0 , D –) обнаружены и относятся к резонансам, т.е. короткоживущим адронам.

Известный процесс радиоактивного b-распада, который представлен схемой

n ® p + e + ,

с точки зрения теории кварков выглядит как

(udd ) ® (uud ) + e + или d ® u + e + .

Несмотря на многократные попытки обнаружить в опытах свободные кварки не удалось. Это говорит о том, что кварки, по всей видимости, проявляются только в составе более сложных частиц (пленение кварков ). Полного объяснения этого явления на сегодняшний день не дано.

Из рис.1 видно, что между лептонами и кварками существует симметрия, называемая кварк-лептонной симметрией. Частицы верхней строчки имеют заряд на единицу больше чем частицы нижней строчки. Частицы первого столбца относятся к первому поколению, второго – ко второму поколению, а третьего столбца – к третьему поколению. Собственно кварки c , b и t были предсказаны на основе этой симметрии. Окружающая нас материя состоит из частиц первого поколения. Какова роль частиц второго и третьего поколений? Окончательного ответа на этот вопрос пока нет.

Структуры микромира

Ранее элементарными частицами называли частицы, входящие в состав атома и неразложимые на более элементарные составляющие, а именно электроны и ядра.

Позднее было установлено, что ядра состоят из более простых частиц – нуклонов (протонов и нейтронов), которые в свою очередь состоят из других частиц. Поэтому элементарными частицами стали считать мельчайшие частицы материи , исключая атомы и их ядра .

На сегодняшний день открыты сотни элементарных частиц, что требует их классификации:

– по видам взаимодействий

– по временам жизни

– по величине спина

Элементарные частицы делятся на следующие группы:

Составные и фундаментальные (бесструктурные) частицы

Составные частицы

Адроны (тяжелые) – частицы, участвующие во всех видах фундаментальных взаимодействий. Они состоят из кварков и подразделяются, в свою очередь, на: мезоны – адроны с целым спином, то есть являющиеся бозонами; барионы – адроны с полуцелым спином, то есть фермионы. К ним, в частности, относятся частицы, составляющие ядро атома, – протон и нейтрон, т.е. нуклонов .

Фундаментальные (бесструктурные) частицы

Лептоны (легкие) – фермионы, которые имеют вид точечных частиц (т. е. не состоящих ни из чего) вплоть до масштабов порядка 10 − 18 м. Не участвуют в сильных взаимодействиях. Участие в электромагнитных взаимодействиях экспериментально наблюдалось только для заряженных лептонов (электроны, мюоны, тау-лептоны) и не наблюдалось для нейтрино.

Кварки – дробнозаряженные частицы, входящие в состав адронов. В свободном состоянии не наблюдались.

Калибровочные бозоны – частицы, посредством обмена которыми осуществляются взаимодействия:

– фотон – частица, переносящая электромагнитное взаимодействие;

– восемь глюонов – частиц, переносящих сильное взаимодействие;

– три промежуточных векторных бозона W + , W − и Z 0 , переносящие слабое взаимодействие;

– гравитон – гипотетическая частица, переносящая гравитационное взаимодействие. Существование гравитонов, хотя пока не доказано экспериментально в связи со слабостью гравитационного взаимодействия, считается вполне вероятным; однако гравитон не входит в Стандартную модель элементарных частиц.

По современным представлениям, к фундаментальным частицам (или «истинно» элементарным частицам), не имеющим внутренней структуры и конечных размеров, относятся :

Кварки и лептоны

Частицы, обеспечивающие фундаментальные взаимодействия: гравитоны, фотоны, векторные бозоны, глюоны.

Классификация элементарных частиц по временам жизни :

- стабильные: частицы, время жизни которых очень велико (в пределе стремится к бесконечности). К ним относятся электроны , протоны , нейтрино . Внутри ядер стабильны также нейтроны, но они нестабильны вне ядра

- нестабильные (квазистабильные): элементарные частицы – это такие частицы, которые распадаются за счет электромагнитного и слабого взаимодействий, и время жизни которых больше 10 –20 сек. К таким частицам относится свободный нейтрон (т.е. нейтрон вне ядра атома)

- резонансы (нестабильные, краткоживущие). К резонансам относятся элементарные частицы, распадающиеся за счет сильного взаимодействия. Время жизни для них меньше 10 -20 сек.

Классификация частиц по участию во взаимодействиях :

- лептоны : к их числу относятся и нейтроны. Все они не участвуют в водовороте внутриядерных взаимодействий, т.е. не подвержены сильному взаимодействию. Они участвуют в слабом взаимодействии, а имеющие электрический заряд участвуют и в электромагнитном взаимодействии

- адроны : частицы, существующие внутри атомного ядра и участвующие в сильном взаимодействии. Самые известные из них это протон и нейтрон .

На сегодня известны шесть лептонов :

К одному семейству с электроном относятся мюоны и тау-частицы, которые похожи на электрон, но массивнее его. Мюоны и тау-частицы нестабильны и со временем распадаются на несколько других частиц, включая электрон

Три электрически нейтральных частицы с нулевой (или близкой к нулю, на этот счет ученые пока не определились) массой, получившие название нейтрино . Каждое из трех нейтрино (электронное нейтрино, мюонное нейтрино, тау-нейтрино) парно одному из трех разновидностей частиц электронного семейства.

У самых известных адронов , протонов и нейтрино имеются сотни родственников, которые во множестве рождаются и тут же распадаются в процессе различных ядерных реакций. За исключением протона, все они нестабильны, и их можно классифицировать по составу частиц, на которые они распадаются:

Если среди конечных продуктов распада частиц имеется протон, то его называют барион

Если протона среди продуктов распада нет, то частица называется мезон .

Сумбурная картина субатомного мира, усложнявшаяся с открытием каждого нового адрона, уступила место новой картине, с появлением концепции кварков. Согласно кварковой модели, все адроны (но не лептоны) состоят из еще более элементарных частиц – кварков. Так барионы (в частности протон) состоят из трех кварков, а мезоны – из пары кварк – антикварк.