Проблемы современной теории элементарных частиц. Систематика элементарных частиц

Систематика элементарных частиц. Суперэлементарные частицы. Основная трудность, которая возникает при определении понятие элементарной частицы связано с тем, что в настоящее время таких частиц оказывается очень много значительно больше, чем атомов химических элементов.

Недавно были открыты частицы в 10 раз более тяжлые, чем протон, и приблизительно с такой же массой, как у ядра бора. Отчаявшись выявить какую либо иерархию в разрастающемся множестве равноэлементарных объектов, некоторые физики выдвинули идею бутстрапа шнуровки, или ядерной демократии, согласно которой каждая элементарная частица состоит из всех других частиц точнее, структура каждой элементарной частицы определяется взаимодействиями всех других частиц.

Однако эта идея не устраняет чувства удовлетворнности из за слишком большого числа наипростейших сущностей последовательная формулировка идеи бутстрапа, напоминающая чем то концепцию Демокрита приводит к выводу о бесконечном числе элементарных объектов. Структура микрообъектов в теории бутстрапа принимает относительный смысл что - то вроде особой системы координат, которую можно выбрать различным образом. Определение элементов структуры становится весьма неоднозначным.

Так как одну и туже частицу можно различными способами составить из других частиц. Более того, остатся неясным, можно ли вообще на этом пути сформулировать точную замкнутую систему уравнений, определяющую различные свойства, в том числе и структуру элементарных частиц. Теоретиками анализировались лишь очень грубые модели бутстрапа, учитывающие взаимосвязь всего двух трх сортов частиц, и, хотя в ряде случаев были получены обнадживающие качественные результаты, попытки их уточнения сразу же наталкиваются на огромные трудности.

Идею бутстрапа нельзя считать удовлетворительным решением проблемы наипростейших элементов. Значительно более плодотворным оказался путь объединения частиц в замкнутые группы мультиплеты, члены каждой из которых могут трактоваться как различные состояния одной и той же частицы. Руководящим принципом при этом служит выявление симметрий в свойствах различных частиц.

Такой групповой подход, использующий хорошо разработанный математический аппарат теории групп, является дальнейшим развитием формализма зарядовых изотопических мультиплетов. Большое значение имело открытие так называемой унитарной симметрии, позволившее объединить изотопические мультиплеты обычных и странных частиц в единые октеты и декаплеты. Учт спинов дал возможность построить ещ более сложные семейства частиц унитарные мультиплеты мезонов объединились в семейство, состоящее из 35 частиц 35 - плет, а октет и декаплет барионов в семейство из 56 элементов 56 - плет. Дальнейшее разработка систематики частиц связана с идеей кварков.

Выяснилось, что отдельные унитарные мультиплеты не являются совершенно изолированными друг от друга, а связаны строгими правилами симметрии. И самым поразительным было то, что эти правила предсказывали существование частиц с дробными электрическими зарядами кварков. Вот эти то частицы на современном уровне развития науки действительно можно считать самыми элементарными, потому что из них могут быть построены вс остальное взаимодействующие частицы иногда простым сложением, как атомные ядра из протонов и нейтронов, а иногда рассматривая их как возбужднные состояния уже построенных частиц и в то же время сами кварки нельзя построить из других элементарных частиц. В этом смысле кварки существенно отличаются от всех других частиц, среди которых, как уже отмечалось, невозможно выделить какие либо более элементарные строительные элементы.

Кварки можно рассматривать как следующий, более глубокий, суперэлементарный уровень организации материи и с точки зрения величины дефекта масс, то есть плотности из упаковки внутри протонов, мезонов и других менее элементарных объектов.

С позиции теории кварков структурный уровень элементарных частиц это область объектов, состоящих из кварков и антикварков и характеризуемых большим дефектом масс в отношении любых их распадов и виртуальных диссоциаций.

Вместе с тем, хотя кварк и является самой простейшей известной сегодня частицей, он обладает очень сложными свойствами. От всех других известных нам частиц кварк отличается не только дробным электрическим зарядом, но и дробным барионным числом. Среди других элементарных частиц он выглядит неким кентавром по своим свойствам он одновременно и мезон, и барион. Первоначально считалось, что кварк имеет три состояния два из них различаются лишь величиной электрического заряда, а в третьем состоянии кварк проявляется как странная частица.

Однако после открытия семейств шармированных очарованных частиц к трм состояниям кварка пришлось добавить четвртое шармом. На самом большом мире ускорителе протонов в Батавии, близ Чикаго, была обнаружена новая удивительная частица - -мезон. Его масса значительно превосходит массу нуклона, а свойства таковы, что его приходится рассматривать как слипшиеся кварк и антикварк. При этом приходится допустить, что кварк и антикварк обладают ещ одним, пятым по счту состоянием.

Для квантового числа, характеризующего это состояние, ещ нет даже общепринятого названия чаще всего его называют прелестью кварка или соответствующим английским термином бьюти. Пять квантовых степеней свободы кварка принято называть его ароматом некоторые авторы предпочитают говорить о пяти степенях вкуса кварка. Но и эти не исчерпывается перечень свойств кварка. Анализ экспериментальных данных привл к выводу, что каждый из пяти ароматов вкусов кварка имеет три цвета, то есть каждое из пяти состояний кварка расщеплено ещ на три независимых состояния, характеризуемых величиной специфического квантового числа цвета.

Цвет у кварка изменяется при испускании или поглощении им глюона кванта промежуточного поля, склеивающего кварки и антикварки в мезоны и барионы. Можно сказать, что глюонное поле это поле цвета, его кванты переносят цвет. Термин глюоны происходит от английского слова glue клей. В настоящее время идея суперэлементарных частиц кварков буквально пронизывают физику энергий.

С их помощью объясняется так много экспериментальных данных, что физику просто невозможно обойти без этих удивительных частиц, так же как, например, химику без атомов и молекул. По мнению большинства физиков, если кварки не существуют в природе как реальные объекты, то это само по себе являлось бы поразительной загадкой. И вместе с тем кварки никогда не наблюдались в чистом виде, хотя, с тех пор как они были введены в теорию, прошло почти два десятилетия.

Все многочисленные попытки обнаружить кварки или глюоны в свободном состоянии неизменно заканчиваются неудачей. Строго говоря, глюоны и кварки остаются пока хотя вероятными, но вс же гипотетическими объектами. В том, что кварки и глюоны это физические объекты, а не просто удобный феноменологический способ описания на привычном для нас корпускулярном языке каких то ещ непонятных аспектов структуры элементарных частиц, убеждают косвенные опыты. Прежде всего это эксперименты по зондированию протонов в нейтрон с помощью очень быстрых электронов и нейтрино, когда налетающая частица рассеивается отскакивает, сталкиваясь с одним из находящихся внутри частицы мишени кварков. С учтом кварков список сильно взаимодействующих суперэлементарных частиц сведтся к трм частицам кварку, антикварку и связывающему их глюону.

К ним следует добавить ещ приблизительно десяток наипростейших частиц других типов, структура которых пока ещ не проявляется в эксперименте квант электромагнитного поля фотон, уверенно предсказываемый теоретиками гравитон и семейство лептонов.

Заключение. За прошедшие года положение в теории элементарных частиц существенно изменилось. Были открыты слабые нейтральные токи, приводящие к таким эффектам, как рассеяние мюонного нейтрино на электронах. Открыты, начиная с J-мезона, целая группа элементарных частиц со временем жизни, в тысячу раз превышающим время жизни резонансов. Фактически уже сейчас нужно эти частицы включить в таблицу относительно стабильных элементарных частиц.

Значительны успехи в теории элементарных частиц. Единая теория слабых и электромагнитных взаимодействий получила солидное экспериментальное подтверждение, хотя по-прежнему не может считаться с несомненностью достоверной. Кварковая модель строения адронов получает вс новые и новые экспериментальные подтверждения. После многих лет застоя большой прогресс достигнут в теории сильных взаимодействий, которые теперь рассматриваются как межкварковые взаимодействия.

Очень вероятно, что подлинно элементарными частицами, неделимыми уже дальше, являются лептоны и кварки. Вс огромное множество адронов построено из кварков. Модель четырх цветных кварков и чтырх лептонов позволяет в общих чертах понять структуру материи. Учные вплотную подошли к решению новой проблемы, проблемы структуры элементарных частиц. При бомбардировке протонами высокой энергии неподвижной мишени обнаружены сверхтяжелые нейтральные мезоны, названные ипсилонами с массой порядка 9,4 ГэВ. Найдено три модификации этих мезонов с близкими массами.

Чтобы включить ипсилоны в рамки кварковой модели, надо предположить, что существуют кварки более массивные, чем с-кварк. Для сохранения кварк-лептонной симметрии требуется введение двух новых кварков, соответствующие паре -лептон, -нейтрино. Эти кварки уже получили наименование топ вершина по-английски и боттом дно. Итак, с увеличением энергии сталкивающихся частиц обнаруживается рождение новых вс более и более тяжлых частиц.

Это усложняет и без того непростую картину мира элементарных частиц. Появляются новые проблемы, хотя множество старых проблем остатся нерешнными. Вероятно, основной нерешнной проблемой следует считать проблему кварков могут ли они быть свободными или же пленение их внутри адронов является абсолютным. Если же кварки принципиально не могут быть выделены и обнаружены в свободном состоянии, то как убедиться, что они с несомненностью существуют Далее остатся недоказанным экспериментально существование промежуточных векторных бозонов W , W- и W0, столь необходимых для уверенности в справедливости единой теории слабых и электромагнитных взаимодействий.

Несомненно, что выяснение строения элементарных частиц будет представлять собой столь же значительный шаг, как и открытие строения атома и ядра.

Конец работы -

Эта тема принадлежит разделу:

Становление физической картины мира от Галилея до Эйнштейна

Функциональное значение такого рода суммарного знания видится в обеспечении синтеза знания, связи различных разделов естествознания. При этом есть расхождения понимания того, для чего необходим синтез ь Одни.. Это различие в понимании функций картины мира в свою очередь ведет к расхождению в самом подходе к е анализу В первом..

Если Вам нужно дополнительный материал на эту тему, или Вы не нашли то, что искали, рекомендуем воспользоваться поиском по нашей базе работ:

Что будем делать с полученным материалом:

Если этот материал оказался полезным ля Вас, Вы можете сохранить его на свою страничку в социальных сетях:

Уильям Гильберт сформулировал примерно 400 лет назад постулат, который можно считать главным постулатом естественных наук . Несмотря на то, что в наше время невозможно найти исследователя, который был бы не согласен с эти утверждением, целый ряд современных физических теорий не удовлетворяют этому принципу .

В физике микромира существует несколько общепринятых моделей, которые также не удовлетворяют постулату Гильберта. Эти модели не дают возможности вычислить основные характерные параметры, такие как массы и магнитные моменты элементарных частиц. В данной статье рассмотрен альтернативный подход к решению этой проблемы.

Рассмотрен новый подход к проблеме природы ядерных сил. Показано, что притяжение в паре протон – нейтрон может возникать за счёт обмена релятивистским электроном. Оценка энергии такого обмена согласуется с экспериментальным значением энергии связи некоторых лёгких ядер. Нейтрон при этом рассматривается как составная частица, состоящая из протона и релятивистского электрона, что позволяет предсказать его массу, магнитный момент и энергию его распада.

В рамках стандартной максвелловской теории электромагнитного поля показано, что имеется возможность возбудить в пустом пространстве (эфире) магнитный γ-квант (всплеск магнитного поля), лишённый электрической составляющей и обладающий спином ħ  / 2. Характерной особенностью такого магнитного γ-кванта является слабость его взаимодействия с веществом, которое на много порядков меньше, чем у электромагнитной волны. Эти его свойства позволяют предполагать, что магнитный γ-квант можно отождествить с нейтрино. На этом основании удаётся по-новому взглянуть на природу π-мезона, μ-мезона и λ-гиперона, вычислив их массы и магнитный момент.

1. Главный постулат естественных наук.

1.1. Постулат Гильберта и современная физика.

2. Протон и нейтрон.

2.1. Протон и нейтрон в кварковой модели Гелл-Манна.

2.2. Модель протона, состоящего из кварков с целочисленным зарядом.

2.3. Физические свойства нейтрона.

2.4. Структура нейтрона.

2.4.1. Электромагнитная модель нейтрона.

2.4.2. Основные параметры нейтрона.

2.5. Обсуждение.

3. О природе ядерных сил.

3.1. Молекулярный ион водорода.

3.2. Дейтрон.

3.3. Лёгкие ядра.

3.3.1. Ядро 3 2 He.

3.3.2. Ядро 4 2 He.

3.3.3. Ядро 6 3 Li.

3.4. Обсуждение.

4. Нейтрино и мезоны.

4.1. Нейтрино.

4.2. Мезоны.

4.3. Возбуждённое состояние с S = 0.

4.4. Возбуждённое состояние с n = 2 и S = ħ  / 2.

5. Заключение.

1. Главный постулат естественных наук

Нашим современникам, уровень образования которых соответствует развитию наук в XXI веке, может показаться, что средневековая наука была сосредоточена в теологии, астрологии и алхимии. Но это совершенно не так. Средневековье было временем разработки основ современной науки.

Средневековый учёный Уильям Гильберт (1544...1603) ввёл в научный обиход понятия электрического и магнитного полей, сделав первый шаг к пониманию природы электромагнетизма. Он первым попытался объяснить природу магнитного поля Земли. Но при этом кажется, что самым важным его вкладом в науку является разработанный им принцип, ставший главным принципом современных естественно-научных исследований* .

* Можно предполагать, что идея этого принципа, как говорится, витала в воздухе среди образованных людей того времени. Но нашёл свою формулировку, дошедшую до нас, этот принцип благодаря У. Гильберту.

Принцип Гильберта формулируется просто:

Все теоретические построения, претендующие быть научными, должны быть проверены и подтверждены экспериментально.

Кажется, что среди наших современных учёных нет никого, кто возражал бы против этого. Однако и в ХХ веке был создан целый ряд научных построений, которые были приняты научным сообществом и до сих являются доминирующими в своих областях знания, но при этом они не удовлетворяют принципу Гильберта.

1.1. Постулат Гильберта и современная физика

Следует подчеркнуть, что в подавляющем большинстве современные теоретические модели адекватно и точно отражают свойства вещества и законы Природы, поскольку на всех этапах построение этих теорий ведётся в полном соответствии с принципом Гильберта.

Но в ряде случаев модели, разработанные теоретиками, оказались неверными .

Рассмотрим некоторые проблемы микромира, при решении которых был нарушен принцип Гильберта.

2. Протон и нейтрон

2.1. Протон и нейтрон в кварковой модели Гелл-Манна

Создаётся впечатление, что специалисты по физике элементарных частиц сначала исходили из предположения, что при сотворении мира каждой элементарной частице индивидуально подбирались подходящие параметры: заряд, спин, масса, магнитный момент и т.д.

Гелл-Манн несколько упростил эту работу. Он разработал правило, согласно которому набор кварков определяет суммарный заряд и спин формируемой элементарной частицы. Но массы и магнитные моменты этих частиц под это правило не подпадают.

Рис. 1. Кварковое строение протона и нейтрона по Гелл-Манну. Заряды кварков подбираются так, чтобы превращение нейтрона в протон осуществлялось заменой одного d-кварка на u-кварк. На предсказание масс и магнитных моментов протона и нейтрона модель Гелл-Манна не претендует

Кварковая модель Гелл-Манна предполагает, что кварки, из которых состоят все элементарные частицы (за исключением самых лёгких), должны обладать дробным (равным 1/3 e или 2/3 e ) электрическим зарядом.

В 60-е годы после формулирования этой модели многие экспериментаторы пытались найти частицы с дробным зарядом. Но безуспешно.

Для того чтобы это объяснить было предположено, что для кварков характерен конфайнмент, т.е. свойство, запрещающее им как-либо проявлять себя в свободном состоянии. При этом понятно, что конфайнмент выводит кварки из подчинённости принципу Гильберта. В таком виде модель кварков с дробными зарядами претендует на научность без подтверждения данными измерений.

Следует отметить, что модель кварков удачно описывает некоторые эксперименты по рассеянию частиц при высоких энергиях, например, образование струй или особенность рассеяния частиц высоких энергий без разрушения. Однако этого кажется мало для того, чтобы признать существование кварков с дробным зарядом.

2.2. Модель протона, состоящего из кварков с целочисленным зарядом

Поставим перед собой цель сконструировать модель протона из кварков с целочисленным зарядом так, чтобы она предсказывала массу и магнитный момент протона. Будем предполагать, что, как и в модели Гелл-Манна, протон состоит из трёх кварков. Но в нашем случае два из них имеют заряд +e и один –e . Пусть собственным спином эти кварки не обладают, а их квантовое движение выражается их вращением вокруг общего центра по окружности радиуса R .

Рис. 2.

Пусть величина радиуса R определяется тем, что на длине окружности 2πR укладывается длина дебройлевской волны кварка λ D :

Обобщённый момент количества вращения (спин) системы будет составлен из двух слагаемых: из механического момента вращения всех трёх кварков 3p q  × R и момента импульса магнитного поля, создаваемого кварком с не скомпенсированным зарядом \(\frac{e}{c}{\bf{A}}\):

и магнитный момент кругового тока

здесь β = v /c .

Исходя из того, что величина спина протона равна ħ  / 2, имеем

Суммарная масса трёх кварков

С учётом величины массы кварка (8), создаваемый им магнитный момент получается равным

2.3. Физические свойства нейтрона

В кварковой модели Гелл-Манна нейтрон предполагается элементарной частицей в том смысле, что он состоит из другого набора кварков, чем протон. В 30-е годы прошлого века физики-теоретики пришли к заключению об элементарности нейтрона, не опираясь на данные измерений, которых в то время не было.

Чтобы объяснить данные измерений параметров нейтрона – магнитного момента нейтрона, массы и энергии его распада – рассмотрим электромагнитную модель нейтрона, в которой он не является элементарной частицей .

Предположим, что нейтрон, так же как и боровский атом водорода, состоит из протона, вокруг которого на очень малом расстоянии от него вращается электрон. Вблизи протона движение электрона должно быть релятивистским. Однако особенность формирующейся при этом устойчивой орбиты в том, что при её вычислении все релятивистские поправки компенсируют друг друга и полностью выпадают.

Рассмотрим электромагнитную модель нейтрона подробнее .

2.4. Структура нейтрона

2.4.1. Электромагнитная модель нейтрона

В первое время после открытия нейтрона в физике обсуждался вопрос о том, следует ли его считать элементарной частицей. Экспериментальных данных, которые могли бы помочь решить этот вопрос, не было, и вскоре сложилось мнение, что нейтрон подобно протону – элементарная частица. Однако тот факт, что нейтрон нестабилен и распадается на протон и электрон (+ антинейтрино), даёт основание относить его к неэлементарным составным частицам.

Рассмотрим составную частицу, в которой вокруг протона со скоростью v  → c вращается частица с массой покоя m e и зарядом – e . (Ранее подобный подход был рассмотрен в работах и ).

Выберем цилиндрическую систему координат, в которой ось z совпадёт с направлением магнитного момента протона

Между положительно заряженным протоном и отрицательно заряженным электроном должна существовать сила кулоновского притяжения (, §24):

которое проявляется в силе Лоренца:

и силой, создаваемой магнитным полем кольца стремящейся его разорвать

В результате это уравнение равновесия с неизвестными R 0 и β приобретает вид:

Магнитное поле в системе создаётся магнитным моментом протона

Здесь α = e 2  / ħc – постоянная тонкой структуры,

r c = ħ  / m e c – радиус Комптона.

Для того чтобы записать второе уравнение, связывающее эти параметры, используем теорему вириала. Согласно этой теореме кинетическая энергия частиц, объединённых электромагнитным взаимодействием, при их финитном движении равна половине их потенциальной энергии, взятой с обратным знаком:

поэтому второе уравнение, связывающие эти параметры, приобретает вид:

При этом магнитный момент токового кольца, выраженный в ядерных магнетонах μ N

Эта величина хорошо согласуется с измеренным значением магнитного момента нейтрона (ξ n = –1,91304272):

Согласно теореме вириала полная энергия рассматриваемой системы должна быть равна её кинетической энергии (26):

Эта энергия при распаде нейтрона перейдёт в кинетическую энергию вылетающего электрона (и антинейтрино), что точно согласуется с экспериментально определённой границей спектра распадных электронов, равной 782 кэВ.

2.5. Обсуждение

В рассмотренной выше модели протона, составленной из кварков с целыми зарядами, не возникает вопроса с наблюдаемостью кварков в свободном состоянии. Однако остаётся много непонятного.

Непонятно куда исчезает магнитный момент позитрона, формирующего протон. Магнитный момент электрона, формирующего нейтрон, не проявляет себя в связи с тем, что спин кольцевого тока равен нулю. Однако с кварком-позитроном это не так. Непонятно почему кварк-позитрон не аннигилирует с кварком-электроном, и какие взаимодействия заставляют их объединиться в совершенно стабильную частицу – протон, распадов которого в природе не наблюдается.

Полученное согласие оценок с данными измерений свойств нейтрона говорит о том, что он не является элементарной частицей. Его следует рассматривать как некий релятивистский аналог боровского атома водорода. С тем различием, что в боровском атоме нерелятивистский электрон удерживается на оболочке кулоновскими силами, а в нейтроне релятивистский электрон удерживается в основном за счёт магнитного взаимодействия . В соответствии с постулатом Гильберта подтверждение опытом рассмотренной выше электромагнитной модели нейтрона представляется необходимым и полностью достаточным аргументом её достоверности.

Тем не менее, для понимания модели важно использовать при её построении общепринятый теоретический аппарат. Следует отметить, что для учёных, привыкших к языку релятивистской квантовой физики, методика, использованная выше при проведении оценок, при беглом взгляде не содействует восприятию полученных результатов. Принято думать, что для достоверности, учёт влияния релятивизма на поведение электрона в кулоновском поле должен быть проведён в рамках теории Дирака. Однако в конкретном случае вычисления массы нейтрона, его магнитного момента и энергии распада в этом нет необходимости, поскольку спин электрона в рассматриваемом состоянии равен нулю и все релятивистские эффекты, описываемые слагаемыми с коэффициентами \({\left({1 - \frac{{{v^2}}}{{{c^2}}}} \right)^{ - 1/2}}\), компенсируют друг друга и полностью выпадают. Рассмотренный в нашей модели нейтрон является квантовым объектом, поскольку радиус R 0 пропорционален постоянной Планка ħ , но формально его нельзя считать релятивистским, т.к. коэффициент \({\left({1 - \frac{{{v^2}}}{{{c^2}}}} \right)^{ - 1/2}}\)в определение R 0 не входит. Это позволяет провести вычисление массы нейтрона, его магнитного момента и энергии распада, просто находя равновесные параметры системы из условия баланса сил, как это принято для нерелятивистских объектов. По-другому обстоит дело с оценкой времени жизни нейтрона. На этот параметр релятивизм по всей видимости должен оказывать влияние. Без его учёта не удаётся правильно оценить время жизни нейтрона даже по порядку величины.

3. О природе ядерных сил

3.1. Молекулярный ион водорода

В 1927 году было опубликовано квантово-механическое описание простейшей молекулы – молекулярного иона водорода. Авторы этой статьи В. Гайтлер и Ф. Лондон рассчитали притяжение, которое возникает между двумя протонами за счёт обмена электроном в том случае, если состояние молекулярного иона описывается двуямным потенциалом (рис. 3). Этот обмен является квантово-механическим эффектом и в его классического аналога не существует. (Некоторые детали этого расчёта приведены в ).

Главный вывод этой работы состоит в том, что энергия связи между двумя протонами, возникающая за счёт обмена электроном, по порядку величины близка к энергии связи протона и электрона (энергии электрона на первой боровской орбите). Этот вывод удовлетворительно согласуется с данными измерений, которые дают результат, отличающийся от расчётного менее чем в два раза.

Рис. 3. Схематическое представление симметричного двуямного потенциала. В основном состоянии электрон может либо в правой, либо в левой части ямы. В невозмущённом состоянии его энергия равна E 0 . Туннелирование из одного состояния в другое ведёт к расщеплению основного уровня и понижению энергетически выгодного состояния на Δ

Рис. 4. Схематическое изображение структуры лёгких ядер. Прерывистая линия иллюстрирует возможность обменного перехода релятивистского электрона между протонами

3.2. Дейтрон

Электромагнитная модель нейтрона, рассмотренная выше, позволяет по-новому взглянуть на механизм взаимодействия нейтрона с протоном. Нейтрон – т.е. протон, окружённый релятивистским электронным облаком – и свободный протон составляют вместе объект, подобный молекулярному иону водорода. Различие в том, что в данном случае электрон является релятивистским, радиус его орбиты R 0 ≈ 10 –13 см (28) и масса примерно 2,57 m e .

Приложение результатов квантово-механических вычислений Гайтлера – Лондона к этому случаю даёт возможность оценить энергию связи дейтрона с точностью примерно такой же, как и в случае молекулярного иона водорода . Оценка предсказывает величину энергии связи примерно равной 2,13·10 –6 эрг, в то время как измерения дают

3.3. Лёгкие ядра

3.3.1. Ядро 3 2 He

Из рис. 4, на котором схематически показаны энергетические связи в ядре 3 2 He, видно, что они составлены тремя парными взаимодействиями протонов. Поэтому следует предполагать, что энергия связи этого ядра должна быть равна утроенной энергии связи дейтрона:

Дефект массы этого ядра

Согласие оценки E He3 с измеренным значением энергии связи E  (3 2 He) можно считать очень хорошим.

3.3.2. Ядро 4 2 He

Из схемы энергетических связей в ядре 4 2 He, показанной на рис. 4, видно, что эти связи образованы шестью парными взаимодействиями протонов, реализуемой двумя электронами. По этой причине можно предполагать, что энергия связи ядра 4 2 He должна быть равна:

Дефект массы этого ядра

Этот дефект массы соответствует энергии связи

Такое согласие этих величин можно вполне считать удовлетворительным.

3.3.3. Ядро 6 3 Li

Можно предполагать, что энергия связи ядра Li – 6 должна быть близка к сумме энергий связи ядра He – 4 и дейтрона, располагающегося на следующей оболочке:

Такое предположение возможно, если обмен электроном между протонами разных оболочек затруднён.

В то же время дефект массы этого ядра

и связанная с ним энергия связи

что действительно подтверждает слабую связь между протонами на разных оболочках.

Следует отметить, что с остальными лёгкими ядрами ситуация не столь проста. Ядро 3 1 T состоит из трёх протонов и двух электронов, осуществляющих связь между ними. Перескок двух электронов в такой системе должен подчиняться постулату Паули. По-видимому, это является причиной того, что энергия связи трития не очень сильно превышает энергию связи He – 3.

Ядерные связи в ядре 7 3 Li, казалось бы, могут быть представлены схемой E Li7 ≈ E He4 + E T , но это представление ведёт к довольно грубой оценке. Однако для нестабильного ядра Be – 8 аналогичное представление E Be8 ≈ 2E He4 ведёт к очень хорошему согласию с измерениями.

3.4. Обсуждение

Хорошее согласие вычисленной энергии связи для некоторых лёгких ядер с данными измерений позволяет считать, что ядерные силы (по крайней мере, в случае этих ядер) имеют описанный выше обменный характер.

Впервые внимание на возможность объяснения ядерных сил на основе эффекта обмена электроном обратил видимо И.Е. Тамм ещё в 30-е годы прошлого века. Однако позже в ядерной физике преобладающей стала модель обмена π-мезонами, а потом глюонами. Причина этого понятна. Для объяснения величины и радиуса действия ядерных сил нужна частица с малой собственной длиной волны. Нерелятивистский электрон для этого не подходит. Однако с другой стороны, модели π-мезонного или глюонного обмена тоже не оказались продуктивными. Дать достаточно точное количественное объяснение энергии связи даже лёгких ядер эти модели не смогли. Поэтому приведённая выше простая и согласующаяся с измерениями оценка этой энергии является однозначным доказательством того, что так называемое сильное взаимодействие (в случае некоторых лёгких ядер) является проявлением эффекта притяжения между протонами, возникающего за счёт обмена релятивистским электроном.

4. Нейтрино и мезоны

4.1. Нейтрино

Ранее было показано, что в рамках стандартной максвелловской теории электромагнитного поля имеются две возможности . Используя разные методы возбуждения, можно в пустом пространстве (эфире) возбудить либо поперечную электромагнитную волну (фотон), либо магнитный квант (магнитный солитон), т.е. волну лишённую электрической составляющей. Для генерации в вакууме электромагнитной волн нужно использовать колеблющийся электрический или магнитный диполь.

Согласно уравнениям Максвелла, величина электрического поля, переносимого фотоном, пропорциональна второй производной по времени от меняющегося во времени магнитного момента, который генерирует фотон. Если временная зависимость магнитного момента описывается идеально острой ступенчатой функцией Хевисайда, то первая производная от этой ступеньки есть δ-функция, а вторая производная равна нулю. Поэтому при переднем фронте ступеньки, длящемся порядка 10 –23 секунды (такова оценка времени превращения π-мезона в μ-мезон, при котором рождается антинейтрино) должен излучаться квант, имеющий δ-образную магнитную составляющую и лишённый электрической составляющей (см. подробнее в ).

Характерными особенностями магнитного солитона является то, что, будучи циркулярно поляризован, он должен обладать спином ħ  / 2, и его взаимодействие с веществом почти на два десятка порядков слабее, чем у электромагнитной волны. Эта особенность обусловлена тем, что в природе отсутствуют магнитные монополи.

Это позволяет предполагать, что магнитный солитон можно отождествить с нейтрино. При этом при рождении магнитного момента возникает антинейтрино, а при его исчезновении нейтрино.

Так в процессе последовательного превращении π  – -мезона сначала в μ  – -мезон, а затем в электрон, таких магнитных γ-квантов возникает три (рис. 5).

Рис. 5. Схема рождения трёх магнитных солитонов (нейтрино) в процессе распада π  – -мезона . π  – -мезон не обладает магнитным моментом. При распаде он превращается в μ  – -мезон, несущий магнитный момент. Этот процесс должен сопровождаться излучением магнитного γ-кванта (вылетом антинейтрино). При распаде μ  – -мезона его магнитный момент исчезает и излучается ещё один магнитный γ-квант (нейтрино). Третий магнитный солитон (антинейтрино) возникает в момент рождения электрона

4.2. Мезоны

В цепочке превращений пион → мюон → электрон рождается три нейтрино (рис. 5). Заряженные пионы (π  – -мезоны), спины которых равны нулю, не обладают магнитными диполями. В момент превращения π  – -мезона в мюон (μ‑мезон) скачкообразно возникает магнитный момент, что сопровождается испусканием мюонного антинейтрино \({\widetilde \nu _\mu }\). При распаде мюона генерируется излучение мюонного нейтрино ν μ , которое вызвано тем, что исчезает мюонный магнитный момент. Одновременно с этим рождается электрон, обладающий магнитным моментом, что приводит к излучению электронного антинейтрино \(\mathop {\widetilde \nu }\nolimits_e \).

Тот факт, что никаких других продуктов кроме нейтрино и антинейтрино в этих реакциях не возникает, приводит нас к предположению, что пион и мюон не являются самостоятельными элементарными частицами, а есть возбуждённые состояния электрона.

Эти мезоны имеют массы

здесь λ D = 2πħ  / P – длина волны де Бройля,

P – обобщённый импульс частицы,

n = 1, 2, 3... – целое число.

Инвариантный кинетический момент импульса (спин) такой частицы

получаем

Это значение массы очень близко к величине массы π-мезона (46), имеющего спин равный нулю:

Это значение массы очень близко к величине массы μ-мезона (46), имеющего спин равный ħ  / 2:

\[\frac{{{M_{1/2}}}}{{{M_{{\mu ^ \pm }}}}} \simeq 0,9941.\]

(54)

Обнаруженная возможность вычисления масс мезонов, исходя только из их спинов, подтверждает предположение о том, что эти мезоны являются возбуждёнными состояниями электрона.

5. Заключение

Проведённые выше вычисления свойств элементарных частиц обнаруживают недостаточность кварковой модели с дробными зарядами кварков, в рамках которой такие оценки не удаётся получить. Эта модель в современном виде демонстрирует возможность классификации частиц, но это не доказывает того, что такая классификация является единственно возможной и верной.

При этом важно отметить, что для описания протон-нейтронного взаимодействия (в лёгких ядрах) нет необходимости привлекать модель глюонов, а также использовать теории сильного и слабого взаимодействий.

Действительно, обмен релятивистским электроном между протонами в дейтроне и также как обмен нерелятивистским электроном в молекулярном ионе водорода – это квантово-механическое явление и нет основания приписывать этому обменному эффекту в случае дейтрона роль фундаментального взаимодействия Природы.

Излучение нейтрино происходит в процессе β-распада (или К-захвата). Процессы распадов ядер, как α так и β, не требуют введения какого-либо нового особенного фундаментального природного взаимодействия. Но β-распад имеет существенную особенность: при β-распаде за чрезвычайно короткое время возникает (или исчезает при К-захвате) магнитный момент свободного электрона. Это производит магнитный удар по эфиру и приводит к излучению магнитного γ-кванта, т.е. нейтрино. Это явление имеет сугубо электромагнитный характер, и для его описания не нужно вводить специальное слабое или электрослабое взаимодействие.

Однако формально отсутствие необходимости вводить сильное и слабое взаимодействия в описание других объектов микромира не доказано. Очевидно, что для расчёта ядерных сил в тяжёлых ядрах потребуется привлекать другие эффекты, связанные, например, с существованием ядерных оболочек.

Тем не менее, возможность электромагнитного описания некоторых частиц делает актуальным вопрос о корректности существующего описания многих других, более сложных объектов микромира.

Очевидно, что в соответствии с главным постулатом естественных наук У. Гильберта проверка корректности такого описания должна опираться на экспериментальные данные базовых свойств исследуемых объектов . Удачный метод систематизации частиц в некую таблицу нельзя считать исчерпывающим доказательством правильности и единственности данного подхода.

Литература:

1. Гильберт У. О магните, магнитных телах и большом магните – Земле. М.: Издательство Академии наук СССР, 1956.
, 2016.

Неустойчивость структуры Вселенной к численному значению фундаментальных постоянных отражает некий принцип, названный нами принципом целесообразности: законы физики, действующие во Вселенной не только достаточны, но и необходимы для образования и существования в ней основных се элементов: электронов, нуклонов, атомов, звезд и галактик. Хотя этот принцип и является модификацией антропного принципа , однако на наш взгляд принцип целесообразности имеет сравнительно с первым - одно существенное преимущество. В его основе лежат представления об относительно хорошо изученных физических объектах, а не возникновение или существование жизни (или тем более разума) объекта весьма далекого, по крайней мере, на нынешнем этапе развития науки, от физики. Именно это обстоятельство и является, на наш взгляд, причиной относительно слабой связи антропного принципа с теорией элементарных частиц, а, следовательно, и тесно связанной с ней - космологией.
Здесь мы кратко изложим приложение принципа целесообразности к решению проблем физики элементарных частиц и сделаем одно важное, на наш взгляд, предсказание, основанное на принципе целесообразности.
Изложение этого принципа, а также его приложение к решению некоторых проблем физики элементарных частиц см. в работах . Здесь мы ограничимся перечислением проблем физики элементарных частиц, весьма краткими комментариями и указанием на метод их решения на основе принципа целесообразности. Во многих оригинальных статьях и обзорах указывается на многие проблемы в теории элементарных частиц (5-Sj.
Перечислим основные проблемы физики элементарных частиц. Иерархия масс элементарных частиц. Существование трех поколений лептонов. Относительная малость безразмерных констант электромагнитного, слабого и гравитационного взаимодействия, сравнительное единицей. Выбор Природой калибровочной группы SU(3)xSU(2)x U(l), лежащей в основе объединенного взаимодействия. Малое (а, может быть, и нулевое) значение энергии вакуума. Размерность N физического макроскопического пространства. Представим, далее, кратко решение некоторых из перечисленных здесь проблем.
Вопрос об иерархии, сводится к вопросу: почему масса Х-бозо- на, определяющего большое объединение столь велика сравнительно с массой тр протона. На основе принципа целесообразности предлагается следующее решение проблемы. Время жизни tp протона с логарифмической точностью определяется следующим соотношением: tp ~ тх4 (знак пропорциональности).
Следовательно, если, например, масса Х-бозона была бы на несколько порядков меньше, чем в нашей Вселенной, то его время жизни было бы меньше времени существования Вселенной и все протоны (а, следовательно, и атомы) распались бы4 Важнейшей проблемой является существование трех, и именно трех, поколений лептонов (электрон, мюон и t-лептон). Однако, в рамках современной теории именно существование трех (или более) поколений лептонов необходимо для существования нарушения комбинированной четности (CP-нарушение). Однако, после известной работы А.Д. Сахарова стало общепризнанным, что CP-нарушение необходимо для возникновения во Вселенной барионной асимметрии, т.е. существования протонов. Если бы число поколений было бы меньше трех, то число протонов и антипротонов было бы одинаковым, что привело бы к их аннигиляции.
Очень давно (в 1917 г.) II. Эренфест отметил, что в эвклидовых пространствах с размерностью N gt; 3 не могут существовать устойчивые аналоги атомов и планетных систем. Поскольку при N lt; 3 не могут возникнуть сложные структуры, то N = 3 является единственной размерностью, при которой реализуются основные устойчивые элементы Вселенной.
Аналогично, на основе принципа целесообразности, решаются и другие сформулированные выше проблемы физики элементарных частиц.
Таким образом, мы должны заключить: с высокой степенью вероятности существуют другие Вселенные с иными значениями фундаментальных постоянных (см. также часть 1).

Еще по теме 2. Проблемы теории элементарных частиц:

1. 1. Проблема рационализации общества в «критической теории»
2. 3.2. Проблема ценностей в социально-психологической теории

Элементарными называют частицы, входящие в состав прежде «неделимого» атома. Первыми были обнаружены электрон, протон, нейтрон и фотон - квант электромагнитного поля. Из пер-

вых трех строили вещество, а фотон осуществлял взаимодействие между ними. Считали, что они ни на что далее не могут быть разложены и потому являются «первичными кирпичиками» мироздания. Потом оказалось, что эти элементарные частицы имеют внутреннюю структуру и могут друг в друга превращаться. После второй мировой войны благодаря мощной технике было открыто еще много частиц, претендующих на «элементарность». У каждой частицы, кроме фотона, оказалась еще и античастица. Сейчас элементарных частиц уже более трехсот. К ним относят и те частицы, которые получают на мощных циклотронах, синхротронах и других ускорителях. Есть элементарные частицы, возникающие при прохождении через атмосферу космических лучей, они существуют несколько миллионных долей секунды, потом распадаются, видоизменяются, превращаясь в другие элементарные частицы, или испускают энергию в форме излучения.

Современная наука выявила единство на самом глубоком уровне: наблюдаемое вещество состоит из фотонов, лептонов (электроны, мюоны, нейтрино) и кварков. Помимо переносимых фотонами электромагнитных взаимодействий существуют сильные ядерные взаимодействия, связывающие кварки в барионы (протоны, нейтроны и пр.) и мезоны. Слабые ядерные взаимодействия ответственны за распад нейтронов, например. Все они описываются единой нелинейной теорией, обобщающей уравнения Максвелла. Такое обобщение было сделано в 1954 г. Ч.Янгом и Р. Миллсом, и другие обобщения называются также теорией Янга - Миллса. Ранее подобные теории выдвигали Г. Ми и М. Борн, А. Эйнштейн и Я. И.Френкель. Хотя проблема элементарных частиц связана с самими основами науки, их изучение ведется в некотором отрыве от других областей физики.

Основными характеристиками элементарных частиц являются масса, электрический заряд, спин, среднее время жизни, магнитный момент, пространственная четность, барионный заряд и квантовые числа.

Масса элементарных частиц - это масса покоя, поскольку она не зависит от состояния движения. Ее определяют по отношению к массе покоя электрона m е, самой маленькой из масс покоя. Нейтрон и протон тяжелее электрона почти в 2000 раз. Но есть и очень тяжелые частицы, например Z-частицы, получаемые на ускорителях, с массой покоя 2 000 000 т е. Фотоны вообще не имеют массы покоя. По массе частицы делят на лептоны (электрон и нейтрино); мезоны (с массой от 1 до 1000 т е); барионы (с массой более 1000 т е). В состав барионов входят протоны, нейтроны, гипероны и др.

Электрический заряд меняется от нуля до «+» или «-». Каждой частице, кроме фотона, нейтрино и двух мезонов, соответствует частица с противоположным зарядом, или античастица. В 1963 г.

была высказана гипотеза о существовании частиц с дробным зарядом - кварков.

Спин - одна из важнейших характеристик элементарных частиц. Она определяется собственным моментом импульса частицы. Спин фотона равен 1; это означает, что частица примет тот же вид после полного оборота на 360°. Частица со спином - 1/2 примет прежний вид при обороте, в 2 раза большем, т. е. в 720°. Спин протона, нейтрона и электрона - 1/2. Существуют частицы со спином 3/2, 5/2 и т.д. Частица со спином, равным нулю, одинаково выглядит при любом угле поворота. В зависимости от значения спина все частицы делят на две группы:

фермионы (название дано в честь Энрико Ферми) - с полуцелыми (1/2, 3/3, ...) спинами. Фермионы составляют вещество и, в свою очередь, делятся на два класса - лептоны (от греч. leptos - легкий) и кварки. Кварки входят в состав протонов, нейтронов и других подобных им частиц, называемых в совокупности адрона-ми (от греч. adros - сильный). Заряженные лептоны могут так же, как и электроны, вращаться вокруг ядер, образуя атомы. Лептоны, не имеющие заряда, могут, как и нейтрино, проходить сквозь всю Землю, ни с чем не взаимодействуя. У каждой частицы есть и античастица, отличающаяся только зарядом;

бозоны (названные в честь индийского ученого Шатьендраната Бозе, одного из создателей квантовой статистики) - это частицы с целыми спинами (0, 1, 2), бозоны переносят взаимодействие.

Между частицами существуют четыре типа взаимодействий, каждое из которых переносится своим типом бозонов: фотон, квант света - электромагнитные взаимодействия, гравитон - силы тяготения, действующие между любыми телами, имеющими массу. Восемь глюонов переносят сильные ядерные взаимодействия, связывающие кварки. Промежуточные векторные бозоны переносят слабые взаимодействия, ответственные за некоторые распады частиц. Считается, что к этим четырем взаимодействиям сводятся все силы в природе. Одним из самых ярких достижений нашего века стало доказательство того, что при очень высоких температурах (или энергиях) все четыре взаимодействия сливаются в одно.

При энергии 100 ГэВ (10 9 эВ) объединяются электромагнитное и слабое взаимодействия. Такая энергия соответствует температуре Вселенной через 10 -10 с после Большого Взрыва, и в 4 триллиона раз выше комнатной. Это открытие позволило предположить, что при энергии порядка 10 15 ГэВ можно достичь объединения с ними сильных взаимодействий, как это утверждается в Теориях Великого Объединения (ТВО), а при энергии 10 19 ГэВ к взаимодействиям ТВО присоединится и гравитационное взаимодействие, «образуя» ТВС (Теорию Всего Сущего).

Ускорителей, на которых можно получить такие энергии и проверить эти теории, пока нет и не предвидится, поэтому обра-

щаются к Вселенной, чтобы найти в ней возможные ограничения для огромного числа элементарных частиц. В последние тридцать лет между физикой элементарных частиц и космологией существует тесная связь. Совокупность астрофизических данных можно рассматривать как «экспериментальный материал», накопленный в результате работы Вселенной - гигантского ускорителя частиц. Мы можем иметь дело только с косвенными следствиями происходивших и происходящих процессов, с усредненным по всей Вселенной результатом их влияния на эволюцию материи.

Среди лептонов наиболее известен электрон, вероятно, он не состоит из других частиц, т. е. элементарен. Другой лептон - нейтрино. Это самый распространенный лептон во Вселенной и в то же время самый неуловимый. Нейтрино не участвует ни в сильном, ни в электромагнитном взаимодействиях. После предсказания нейтрино было обнаружено только через 30 лет на ускорителях. Нейтрино бывает трех видов - электронное, мюонное и тау-нейтрино. Мюон - тоже широко распространенный в природе лептон. Он был обнаружен в космических лучах в 1936 г.; это нестабильная частица, а в остальном он похож на электрон. За две миллионные доли секунды он распадается на электрон и два нейтрино. Фоновое космическое излучение в большей части состоит из мюонов. В конце 70-х гг. был обнаружен третий заряженный лептон (кроме электрона и мюона) - тау-лептон. Он ведет себя очень похоже на своих собратьев, но тяжелее электрона в 3500 раз. У каждого лептона есть и античастица, т.е. всего их 12.

Адронов существует очень много, их сотни. Поэтому часто их считают не элементарными частицами, а составленными из других. Они бывают электрически заряженными и нейтральными. Все адроны участвуют в сильном, слабом и гравитационном взаимодействиях. Среди них самые известные - протон и нейтрон. Остальные живут очень мало, распадаясь за 10 -6 с за счет слабого взаимодействия или за 10 -23 с - за счет сильного. Адроны рассортировали по массе, заряду и спину. В этом помогла гипотеза кварков, или частиц, составляющих адроны.

Кварки могут соединяться для этого тройками, составляя барионы, либо парами: кварк-антикварк, составляя мезоны (промежуточные частицы). Кварки имеют заряд 1/3 или 2/3 заряда электрона. Тогда в комбинации они дадут 0 или 1. Все кварки имеют спин, равный 1/2, т.е. они относятся к фермионам. Считают, что они сцепляются сильным взаимодействием, но участвуют и в слабом. Особенности сильного взаимодействия характеризуют типами («ароматами») - «верхний», «нижний», «странный». Но слабое взаимодействие может поменять «аромат» кварка. Например, при распаде нейтрона один из «нижних» кварков становится «верхним», а избыток заряда уносит рождающийся электрон. Так что сильное взаимодействие не может менять «аромат», а без изменения «аромата» кварка невозможен распад адрона.

Новый адрон, названный -частицей, был обнаружен на ускорителях (1974). Поэтому в соответствии с теорией кварков ввели еще одну характеристику, четвертый «аромат», так появился «очарованный» кварк. Так что -частица - это предположительно мезон, состоящий из с-кварка и с-антикварка. Сейчас обнаружено уже много «очарованных» частиц, и все

они тяжелые. А в 1977 г. появился -мезон, и вся история повторилась, пятый аромат получил название «прелестный». Так развивается ныне атомистика. Сейчас считают, что существуют 12 кварков - фундаментальных частиц и столько же античастиц. Шесть частиц - это кварки с экзотическими именами «верхний», «нижний», «очарованный», «странный», «истинный», «прелестный». Они являются порождением теории, стремящейся к упорядоченности и красоте, и открыты все, за исключением «истинного». Остальные шесть - лептоны: электрон, мюон, -частица и соответствующие им нейтрино (электронное, мюонное, нейтрино).

Эти 12 частиц, или две по шесть, группируют в три поколения, каждое из которых состоит из четырех членов. В первом поколении - «верхний» и «нижний» кварки, электрон и электронное нейтрино, во втором - «очарованный» и «странный» кварки, мюон и мюонное нейтрино, в третьем - «истинный» и «прелестный» кварки и -частица со своим нейтрино. Все обычное вещество состоит из частиц первого поколения. Протон, например, состоит из двух «верхних» кварков и одного «нижнего», нейтрон - из двух «нижних» и одного «верхнего». Каждый атом состоит из тяжелого ядра (сильно связанных протонов и нейтронов), окруженного электронным облаком.

Но почему существуют другие поколения частиц и сколько их еще может быть? По мнению японских физиков М. Кобаяси и Т. Маскава, асимметрия между веществом и антивеществом требует наличия трех поколений. Если же число поколений не ограничено, являются ли кварки и лептоны основными «кирпичиками природы» и насколько они фундаментальны? Последние данные, полученные на разных ускорителях, позволяют считать, что число поколений не может быть более пяти, так как полное число нейтрино не превышает этого числа. Ответы на эти вопросы ищут в современной космологии, в моделях первичного нуклеосинтеза, породившего те или иные частицы, часть которых может быть установлена по распространенности того или другого элемента во Вселенной. Эти исследования дают человеку возможность прикоснуться к тайне мироздания, найти те «кирпичики», из которых построено все в мире, а за ними стоят и новые технологии.

Вопросы для самопроверки и повторения

1. Какие частицы составляют ядро атома, каковы его размеры? Как это было установлено?

2. Поясните понятие элементарной частицы, как классифицируются элементарные частицы и как они исследуются. Что такое «античастицы»? В чем состоит гипотеза кварков? Какие проблемы стоят в теории элементарных частиц?

3. В чем заключается единство дискретности и непрерывности? Охарактеризуйте проблему поиска «первичных объектов» и концепцию атомизма. Что такое «квазичастицы»?

4. Какова специфика микромира по сравнению с изучением мега- и макромира. Поясните принципы соответствия и дополнительности.

5. Поясните принцип неопределенности, понятия детерминизма и индетерминизма. Как изменились представления о случайном и закономерном? Поясните роль прибора в квантовой механике.

6. Как развились представления о причинности в квантовой механике? Почему ограничение воздействия на микроуровне имеет смысл фундаментального закона природы?

7. Какими параметрами описывается состояние микрочастицы? Как при этом осуществляется синтез волновых и корпускулярных свойств? Каково отличие в описании состояния в классической и квантовой механике?

8. Какое уравнение описывает движение в микромире и соответствует второму закону Ньютона? Какой смысл имеют входящие в него величины?

9. Какие модели описывают строение и свойства атомных ядер? Почему тяжелые элементы не распадаются самопроизвольно на легкие? Какие реакции деления возможны и какие для этого необходимы условия?

10. Поясните, чем определяется устойчивость атомных ядер. Что такое
«дефект массы» и как происходят реакции в недрах звезд?

КОНЦЕПЦИИ СТРОЕНИЯ ВЕЩЕСТВА (ОТ МИКРОМИРА К МАКРОМИРУ)

На первом этапе стремление каким-то образом ограничить количество элементарных составляющих материи привело к обсуждению теоретических схем, в которых фундаментальными частицами считалась лишь часть известных адронов, которые рассматривались как связанные состояния, состоящие из фундаментальных адронов. Однако позже оказалось, что эти схемы могут описать свойства всех известных частиц.

С увеличением количества открытых адронов трудности, с которыми столкнулись подобные схемы, усложнялись и становилось все более очевидным, что адроны не могут быть элементарными образованиями, элементарные частицы, если они существуют, должны быть объектами какой-то другой природы.

Адроны с целочисленным спином называют мезонными, поскольку первые обнаруженные мезоны (седьмой, К) имели массу, промежуточную между массой электрона и протона. Адроны с пивцилим спином вследствие значительной массы получили название барионной адронов. К ним относятся нуклоны, гипероны и некоторые другие частицы.

Знание характеристик адронов позволяет надежно провести их классификацию, то есть выделить группы с одинаковыми или близкими свойствами. Часть таких достаточно широких групп мы упоминали. Оказывается, что можно выделить и другие группы адронов, близких друг к другу по некоторым признакам. Современные исследования направлены на поиски фундаментальных частиц, из которых можно создать все сильновзаемодиючи частицы, т.е. адроны. Этих фундаментальных частиц предъявляют следующие требования: они должны быть барионами и антибарионамы - частицами с соответственно положительным и отрицательным барионным зарядами. их комбинация способствовать образованию барионного заряда любого адронов. Барионный заряд мезонов равен нулю, поэтому их получают комбинацией барионов с антибарионом. Фундаментальные частицы должны иметь минимальное пивциле значение обычного спина, чтобы из них можно было построить частицы с любыми целыми и пивцилимы спинами. Среди них обязательно должен быть Барион с странность, равной единице, для контроля странных частиц. Важно также, чтобы масса фундаментальных частиц не очень отличалась, что может свидетельствовать о одинаковые значения сильного взаимодействия, которое существует между ними. Еще одно требование связано с изотопическим спином фундаментальных частиц. Чтобы можно было достать любые изотопический мультиплет, в нашем распоряжении должно быть хотя бы изотопический синглет и изотопический дублет.

С. Саката, руководствуясь этими требованиями, за фундаментальные частицы взял три барионы ^ протон, нейтрон и?-гиперон (р, n, X) и их античастицы (р, л, X). Схема Саката удовлетворительно описывает мезонные адроны, но оказывается непригодной для барионной адронов. Для устранения недостатков схемы Саката был применен октетного формализм М. Гелл-Манна и Ю. Неймана. Авторы октетного формализма предложили расширить схему Саката, выбрав в качестве фундаментальных частиц восемь барионов вместо трех.

Новую схему оказалось возможным распространить на барионного адроны. На основе предложенной схемы Гелл-Манн предсказал существование неизвестного в то время и ~-гиперон. При этом с помощью октетного схемы определили не только все квантовые числа предусмотренного гиперонов, но и его массу. Предсказанное значение массы совпало с экспериментальным значением, когда ^ "-гиперон был открыт в Брукхейвене в двухметровой водородной пузырьковой камере, облученной К-мезонами.
В первой форме этой модели было предложено три типа кварков, обозначенных буквами u, d9 s, которые происходят от английских слов up (вверх), down (вниз), strange (странный). Носителем странности был кварк s, поэтому в состав всех странных частиц входил минимум один s-кварк, или s-антикварк. В кварковой модели распределение масс между адронами отражает распределение масс между кварками. Итак, поскольку s-кварк значительно массивнее от других кварков, масса странных адронов значительно больше массы Неудивительно адронов.

Позже систему кварков расширили, было дополнительно введено кварки: «очарованный» (с), «привлекательный» (Ь) и «правдивый» (t). Свойства, которые приписываются кваркам, приведены в табл. 18.3. Основанием увеличение количества кварков было то, что связанные состояния из трех кварков вроде иии (Д +), ddd (Д), sss (? ~) противоречат принципу Паули. Из табл. 18.3 видно, что все квантовые числа кварков в этих образованиях одинаковы. Поскольку кварки имеют пивцили спины и, следовательно, имеют описываться статистике Ферми, то в одной системе не может быть не только трех, но даже двух кварков с одинаковым набором квантовых чисел. Исходя из некоторых соображений, в частности для устранения противоречия с принципом Паули, было введено понятие «цвет» кварка. Возникла мысль, что каждый кварк может существовать в трех «окрашенных» формах: красной, зеленой, синей (отметим, что смесь этих цветов дает «нулевой» белый цвет). Тогда можно утверждать, что из квар-ки, образующие, например Q ~-гиперон, имеют различную окраску, поэтому принцип Паули не нарушается.

Сочетание «цветов» кварков в случае адронов должны быть таким, чтобы в целом «цвет» адронный был нулевым (т.е. адрон должен быть «бесцветным»). Так, в состав протона входят кварки и (красный), и (зеленый) и d (синий). В результате получают нулевой (белый) «цвет».

Антикварки считаются окрашенными в дополнительные «цвета» («ан-тикольоры»), дающие вместе с «цветом» нулевой «цвет». Поэтому мезоны, состоящие из кварка и антикварка, также имеют нулевой «цвет». В основном «цвет» кварка (подобно электрическому заряду) передает различие в свойствах, которая определяет притяжения и отталкивания кварков. По аналогии с квантами полей различных взаимодействий (фотонами в электромагнитном взаимодействии, я-мезонами в сильном взаимодействии и т. д.) введен частицы-переносчики взаимодействия между кварками. Эти частицы назвали глюонами (от англ. Glue - клей). Они переносят «цвет» от одного кварка в другой, в результате чего кварки удерживаются вместе.

Еще один характерный признак кварков - это их электрический заряд. Кварки d, s, Ъ имеют заряд -1 / 3, тогда как заряд кварков ц, с, t равен +2 / 3. Антикварки d, s, b и т. д. имеют противоположные по знаку электрические заряды, следовательно, электрический заряд антикварка d равен +1 / 3, антикварка и равна -2 / 3 и т. д. антикварка характеризуются также противоположными цветами: античервоним, анти-зеленым и антисиним. При образовании адронов кварки могут комбинироваться двумя путями: либо объединяются три кварки при одном кварк каждого «цвета», или кварк определенного «цвета» присоединяет к себе антикварк с соответствующим «антикварков». Эти комбинации называют «бесцветный», и они, кроме этого, имеют еще одну важную особенность. Во всех возможных комбинациях дробные электрические заряды кварков складываются так, что дают целочисленный суммарный заряд; никакие другие комбинации (кроме образованных сложением уже разрешенных комбинаций) не имеют такого свойства. Кварковой состав протона uud, дающий полный электрический заряд 2/3 + 2/3-1/3 или +1. Нейтрон состоит из кварков uud с зарядом 2/3-1/3-1/3, что в результате дает ноль. Положительный пион содержит кварк и и антикварк J, заряды их +2 / 3 и +1 / 3 дают в сумме +1.

Лептоны и кварки принято разбивать на три поколения. Каждое поколение состоит из заряженного лептона, соответствующего ему нейтрино и двух кварков, один из которых имеет заряд -1 / 3, а второй +2 / 3. Первое поколение состоит из электрона, электронного нейтрино, кварков diu. Поскольку кварки существуют в трех «цветах», это поколение содержит восемь частиц, представители других поколений наблюдаются практически только в лабораторных экспериментах с ускоренными частицами. В единой теории эти три поколения описываются независимо, но аналогичным образом.

На рис. 18.2 изображены три поколения лептонов и кварков: заряды в лептонов цели, в кварков - дробные. Лептоны существуют в свободном виде, а кварки являются лишь составляющими более сложных частиц - адронов. В обычной веществе содержатся частицы только с первого поколения. Развитие физики элементарных частиц допускает сложную структуру кварков и лептонов, т.е. они, в свою очередь, состоят из суб-кварков. Гипотеза субкваркив обсуждается многими учеными, хотя никому еще не удалось обойти трудности, которые встречаются на этом пути, очевидно, потому, что они имеют принципиальный характер.

Сейчас «внутренность» частиц изучена до размеров порядка 10 ~ 18 м, но субкваркив не обнаружено. Достаточно вероятно, что фундаментальные физические законы, известные ныне, перестают действовать на расстояниях, меньших чем 10 ~ 18 м, а открытие субкваркив, если оно состоится, приведет к изменению основных представлений о законах природы.

Мы рассмотрели некоторые проблемы физики элементарных частиц, которая изучает свойства вещества. Трудно предсказать ход развития этого раздела физики. Однако экспериментальные результаты в области физики элементарных частиц является надежной основой ее развития в будущем.