Элементарные частицы

Файл : elementarn.doc (размер : 104,448 байт)

Элементарными называют частицы, у которых на данный момент не обнаружено внутренней структуры. Еще в прошлом веке элементар​ными частицами считались атомы. Их внут​ренняя структура — ядра и электроны — была обнаружена в начале XX в. в опытах Э. Резерфорда. Размер атомов — около 10 -8 см, ядер — в десятки тысяч раз меньше, а размер электронов совсем мал. Он меньше чем 10 -16 см, как это следует из современных тео​рий и экспериментов.

Таким образом, сейчас электрон — элемен​тарная частица. Что касается ядер, то их внутренняя структура обнаружилась вскоре после их открытия. Они состоят из нукло​нов — протонов и нейтронов. Ядра довольно плотные: среднее расстояние между нуклонами всего в несколько раз больше их собственного размера. Для того чтобы выяснить, из чего состоят нуклоны, понадобилось около полуве​ка, правда, при этом заодно появились и были разрешены и другие загадки природы.

Нуклоны состоят из трех кварков, которые элементарны с той же точностью, что и элек​трон, т. е. их радиус меньше 10-16 см. Радиус нуклонов — размер области, занимаемой квар​ками, — около 10-13см. Нуклоны принадлежат к большому семейству частиц — барионов, составленных из трех различных (или одина​ковых) кварков. Кварки могут по-разному связываться в тройки, и это определяет раз​личия в свойствах бариона, например, он может иметь различный спин.

Кроме того, кварки могут соединяться в пары - мезоны, состоящие из кварка и антикварка. Спин мезонов принимает целые значения, в то время как для барионов он при​нимает полуцелые значения. Вместе барионы и мезоны называются адронами.

В свободном виде кварки не найдены, и сог​ласно принятым в настоящее время представ​лениям они могут существовать только в виде адронов. До открытия кварков некоторое время адроны считались элементарными частицами (и такое их название еще довольно часто встре​чается в литературе).

Первым экспериментальным указанием на составную структуру адронов были опыты по рассеянию электронов на протонах на линейном ускорителе в Станфорде (США), которые мож​но было объяснить, лишь предположив наличие внутри протона каких-то точечных объектов.

Вскоре стало ясно, что это — кварки, существо​вание которых предполагалось еще ранее тео​ретиками.

Здесь представлена таблица современных элементарных частиц. Кроме шести видов квар​ков (в опытах пока проявляются только пять, но теоретики предполагают, что есть и шестой) в этой таблице приведены лептоны — частицы, к семье которых принадлежит и электрон. Еще в этой семье обнаружены мюон и (совсем не​давно) (-лептон. У каждого из них есть свое нейтрино, так что лептоны ес​тественным образом разбиваются на три пары е, (е; (, ((;(, ((.

Каждая из этих пар объединяется с соответ​ствующей парой кварков в четверку, которая называется поколением. Свойства частиц повторяются из поколения в поколение, как это видно из таблицы. Отличаются лишь массы. Второе поколение тяжелее первого, а третье по​коление тяжелее второго.

В природе встречаются в основном частицы первого поколения, а остальные создаются искусственно на ускорителях заряженных час​тиц или при взаимодействии космических лучей в атмосфере.

Кроме имеющих спин 1/2 кварков и лептонов, вместе называемых частицами ве​щества, в таблице приведены частицы со спином 1. Это кванты полей, создаваемых час​тицами вещества. Из них наиболее известная частица — фотон, квант электромагнитного поля.

Так называемые промежуточные бозоны W+ и W- , обладающие очень большими массами, были недавно обнаружены в экспериментах на встречных р-пучках при энергиях в несколь​ко сотен ГэВ. Это переносчики слабых взаимо​действий между кварками и лептонами. И на​конец, глюоны — переносчики сильных взаимодействий между кварками. Как и сами квар​ки, глюоны не обнаружены в свободном виде, но проявляются на промежуточных стадиях реакций рождения и уничтожения адронов. Недавно были зарегистрированы струи адронов, порожденные глюонами. Поскольку все пред​сказания теории кварков и глюонов — кван​товой хромодинамики — сходятся с опытом, почти нет сомнений в существовании глюонов.

Частица со спином 2 — это гравитон. Его существование вытекает из теории тяготе​ния Эйнштейна, принципов квантовой механики и теории относительности. Обнаружить грави​тон экспериментально будет чрезвычайно трудно, поскольку он очень слабо взаимодействует с веществом.