Головна

Взаімопревращаемость елементарних частинок. Закони збереження та симетрія в світі елементарних частинок. Віртуальні частки. Кварки і глюони. На шляху до Великого Об'єднанню

  1.  Sup1; Лотман Ю. М. Асиметрія і діалог. Текст і культура // Серія: Праці з знаковим системам. Тарту, 1989. Вип. 16. С. 16.
  2.  А. Закони природи
  3.  А. І. Гельман. Зараз всі закони історії як би завмерли
  4.  Аксіоми і закони алгебри логіки
  5.  АКСІОМИ І ЗАКОНИ ІНФОРМАЦІЙНОЇ ЕКОЛОГІЇ
  6.  Американська стратегія збереження глобального домінування.
  7.  Ар Веди. Правила і закони.

Найважливішим властивістю елементарних частинок є їх взаімопревращаемость. Навіть стабільні частки не відчувають перетворень лише у вільному, тобто ізольованому від інших частинок стані. При взаємодії ж з іншими частинками всі частинки, в тому числі і стабільні, можуть відчувати перетворення, в результаті яких замість вихідних виникають нові частинки. Для перетворень квазістабільності і нестабільних частинок взаємодія з іншими частинками необов'язково, вони і так мимовільно розпадаються, породжуючи нові частинки.

Таким чином, перетворення елементарних частинок відбуваються або при так званих непружних процесах (реакціях) взаємодії частинок A и B:

 , (11.1)

або при розпаді нестабільних частинок:

 , (11.2)

Крім того, можливо пружне розсіяння

,

при якому частинки не відчувають перетворень, а лише змінюють стан свого руху.

Прикладами непружних процесів є анігіляція (взаємне знищення) пари електрон-позитрон з народженням двох фотонів:

 (11.3)

і народження електрон-позитронної пари при зіткненні досить енергійного фотона (його енергія  повинна перевищувати подвоєну енергію спокою електрона:  ) Із зарядженою часткою X (Як правило - з атомним ядром):

 . (11.4)

Непружними є також процес виникнення протон-антипротонів пари при зіткненні двох протонів з велику кінетичну енергію:

 . (11.5)

і процес народження антинейтрона в реакції «перезарядки»:

 . (11.6)

При зіткненнях відомих частинок з великими енергіями було відкрито більшість раніше невідомих часток. До початку 50-х років основним джерелом частинок з високими енергіями служило космічне випромінювання, а в даний час такими джерелами служать прискорювачі заряджених частинок, в тому числі - із зустрічними пучками.

Так, спочатку в космічних променях, а потім - за допомогою прискорювачів спостерігалися реакції виникнення дивних частинок, наприклад

 , (11.7)

 . (11.8)

Прикладами розпадів, що протікають за схемою (11.2), є Розпад не стабільних частинок, наведених у таблиці 11.2, з утворенням продуктів, зазначених у останньому стовпці цієї таблиці.

Найважливішим принципом, що дозволяє аналізувати результати експериментів і планувати нові досліди, є необхідність дотримання при взаємоперетвореннях елементарних частинок ряду законів збереження. Крім відомих з класичної фізики законів збереження енергії, імпульсу, моменту імпульсу і електричного заряду, безумовно виконуються у всіх явищах мікросвіту, при взаємодіях елементарних частинок дотримується ще цілий ряд специфічних законів збереження, які не мають аналогів в макросвіті. Так, у всіх дослідах при взаємоперетвореннях, обумовлених взаємодіями будь-якого типу, виконуються закони збереження баріонів і лептонного зарядів.

Запишемо, наприклад, рівняння реакції розпаду нейтрона (див. Таблицю 11.2), підписавши під умовним позначенням кожної частки значення її лептонної, баріонів, а також електричного зарядів:

 0 0 1 -1

 1 1 0 0

 0 1 -1 0.

Видно, що сума значень зарядів L, B, q продуктів реакції (p,  ) Дорівнює значенням цих зарядів вихідної частинки (n).

Деякі закони збереження виконуються при одних взаємодіях і порушуються при інших. Так реакції (11.7) і (11.8) протікають дуже швидко в результаті сильної взаємодії, і при цьому виконується закон збереження дивацтва:

 0 0 1 -1

 0 0 1 -1 0

Розпад же утворюються при цьому дивних частинок протікає порівняно повільно, так як обумовлений слабкою взаємодією, і при цьому дивина не зберігається. Дійсно, в таблиці 11.2 наведені різні варіанти розпаду дивних частинок  , Але у всіх випадках все утворюються частинки мають дивина S= 0. Таким чином, закон збереження дивацтва виконується при сильній взаємодії (а також електромагнітному), але порушується при слабкій взаємодії.

У фізиці елементарних частинок відомий ряд таких нестрогих законів збереження.

Як було показано в розділі 6, механічні закони збереження пов'язані з симетрією фізичного простору-часу. Ідея про зв'язок законів збереження і симетрії виявилася дуже плідною для фізики елементарних частинок і для з'ясування природи фундаментальних взаємодій.

Однак, закони збереження електричного, лептонної і баріонів зарядів, старанність і ряду інших величин пов'язані не з очевидними і наочними симетрійного властивостями простору-часу, а з симметричностью хвильових функцій, що описують мікрочастинки, щодо певних математичних перетворень.

Прикладом зв'язку фізичних властивостей мікрочастинок з симетрійного властивостями їх хвильових функцій є зв'язок спина часток з симметричностью хвильової функції щодо перестановки частинок. Цей зв'язок обумовлена ??також квантовомеханічним принципом тотожності (непомітності) частинок однакового типу.

Для розуміння цього принципу розглянемо спочатку зіткнення двох класичних (що не володіють хвильовими властивостями) частинок, перша з яких рухається зліва, друга - праворуч (малюнок 11.1). Нехай після зіткнення одна з частинок відлітає вгору, інша - вниз. У класичній механіці можна розрізнити частинки і після удару, для чого, простеживши їх траєкторії при ударі, встановити, яка з них пішла вгору, яка - вниз, тобто який із варіантів, показаних на малюнок 11.1, реалізується при цьому взаємодії. Для мікрочастинок, що володіють хвильовими властивостями, поняття траєкторії втрачає сенс, область взаємодії частинок виявляється «розмитою» і в принципі неможливо встановити, яка з частинок після зіткнення пішла вгору, яка - вниз. Отже, однотипні частинки стають повністю невиразними - тотожними.

 
 


Малюнок 11.1 - Зіткнення двох частинок: а) і б) - два варіанти зіткнення класичних частинок, в) - зіткнення квантових частинок.

Принцип тотожності однакових частинок на мові хвильових функцій можна сформулювати так. Для системи з двох однакових частинок ймовірність виявлення будь-якої з них в деякій області простору описується квадратом модуля хвильової функції  , Де 1 і 2 позначають сукупність координат і спинив першої і другої частки. Тотожність частинок означає, що їх перестановка не змінює цю ймовірність:

.

Отже, або  , або  . У першому випадку, коли перестановка часток не змінює хвильової функції, вона називається симетричною, у другому випадку - антисиметричною.

Було доведено, що частинки з антисиметричною хвильової функцією володіють напівцілим спіном і є ферміонами, частки із симетричною щодо перестановки хвильової функцією мають цілочисельний спін і є бозонами.

Прикладом симетрії, що виконується ні при будь-якій взаємодії, є симетрія щодо зарядового сполучення, тобто заміни всіх частинок, що беруть участь в будь-якому взаємодії, на їх античастинки. Досвід показав, що операція зарядового сполучення не змінює закономірностей процесів, обумовлених сильним і електромагнітним взаємодіями. Це означає, що будь-якому реальному процесу, зумовленого цими взаємодіями, відповідає настільки ж реальний ідентичний процес, що відрізняється лише заміною всіх частинок на античастинки і навпаки. При слабкому ж взаємодії симетрія щодо зарядового сполучення порушується і заміна частинок, що беруть участь в будь-якої реакції, на античастинки змінює параметри реакції.

Розглянемо, наприклад, викликані слабкою взаємодією реакції розпаду мюона  і його античастинки :

,

.

Продукти розпаду в цих двох реакціях зарядово пов'язані, але з огляду на те, що реакції обумовлені слабкою взаємодією, їх геометричні властивості виявляються різними - вони відрізняються напрямками розльоту частинок.

Зупинимося на розгляді механізму фундаментальних взаємодій. По всій видимості, цей механізм аналогічний для всіх чотирьох фундаментальних взаємодій, тобто всі вони мають обмінний характер. Як елементарних актів кожного взаємодії виступають процеси випускання і поглинання даної часткою A деякої частки X, Як раз і визначає тип даного взаємодії. сама частка A може залишитися незмінною, а може і перетворитися в іншу частку B:

 . (11.9)

Розташована поблизу частка C також здатна поглинати і випромінювати частку X:

 . (11.10)

якщо A випустить X, а C поглине X або навпаки, то проміжна частка X, Зігравши роль як би «каталізатора», зникне, а між A, B и C, D виникне взаємодія, яке призведе до перетворення

 . (11.11)

при и  має місце пружне розсіяння. Описане взаємодія і називається обмінним; частинки A, B, C, D називаються учасниками взаємодії, частка X - Його переносником.

Однак, здавалося б, зазначений механізм взаємодії суперечить закону збереження енергії, що особливо очевидно для процесу  , Де вихідна частка нерухома і має мінімальну енергію, рівну енергії спокою  . За рахунок якого джерела енергії виникає частка X, Також володіє деякою енергією?

Пояснення полягає в тому, що в мікросвіті діють закони квантової механіки, набагато менш наочні, ніж закони класичної фізики. Зокрема, має місце співвідношення невизначеностей для енергії і часу (9.6):

 , (11.12)

з якого випливає, що для процесів тривалістю не більше  , Повна енергія системи не має чітко визначеного значення, а визначена лише з точністю  . Тобто для нестаціонарних станів тривалістю  співвідношення невизначеностей (11.12) як би допускає порушення закону збереження енергії на величину

 . (11.13)

У разі обмінного взаємодії частинка X випускається часткою A і швидко поглинається частинкою C. На час існування частинки X енергія системи збільшується, як мінімум, на величину її енергії спокою  , Але це можливо, якщо час існування частинки X не перевищує  , Що визначається з (11.12):

 . (11.14)

радіус взаємодії R є максимальна відстань, на яке частка X може відійти від A за час  , тобто  , де c - швидкість світла. З огляду на (11.14), одержуємо, що

 . (11.15)

З (11.15) можна зробити наступні висновки. По-перше, знаючи радіус деякого взаємодії, можна оцінити масу його переносників. Так, Юкава, знаючи радіус ядерного взаємодії R ~(1 ? 2) · 10-15 м, оцінив масу його переносників m= (200 ? 300) ·  , Що збіглося з масою виявлених згодом  -мезонів і послужило підтвердженням викладеної теорії. По-друге, з (11.15) випливає, що радіус взаємодій, що здійснюються безмасовими переносниками (з масою спокою  = 0), прямує до нескінченності.

Це пророцтво теорії цілком виправдано для електромагнітної взаємодії, у якого  , А переносником є ??фотон з нульовою масою спокою. Крім того, цей прогноз дозволяє припустити, що і гіпотетичний переносник гравітаційної взаємодії - гравітон - також не має маси спокою.

Відзначимо, що переносник X взаємодії не може реально спостерігатися і бути зареєстрованим в процесі обміну між частинками A и C; він «приречений» виникнути і бути поглинутим. Такі короткоживучі частинки, під час існування яких хіба що порушується визначається законами збереження зв'язок енергії, маси і імпульсу системи, називаються віртуальними частинками, а стан системи, в якому є віртуальні частинки, - віртуальним станом. Стосовно до віртуальних частинок сам термін «існування» має відмінну від повсякденного трактування. З одного боку, віртуальні частинки, безсумнівно, реальні, їх наявність проявляється у виникненні викликаного ними взаємодії, з іншого боку, якимось чином зареєструвати факт їх існування неможливо.

Уже вказувалося, що до 60-их років кількість відомих частинок склало кілька сотень, особливо численної виявилася група адронів. Виникло природне сумнів в тому, що всі вони є істинно елементарними, тобто найпростішими нерозкладними «цеглинками» матерії. Ряд експериментів також вказував на наявність внутрішньої структури адронів. Були зроблені численні спроби класифікувати адрони і виявити мінімальний набір істинно елементарних, фундаментальних частинок.

Взагалі прагнення до зменшення числа базових елементів, з яких складаються складні структури, а також до встановлення мінімального набору параметрів і базових законів, що дозволяють описувати досліджувані об'єкти, характерно для багатьох наук, в тому числі - і для фізики. Ця тенденція до мінімізації базового набору елементів, понять, параметрів і законів є прояв принципу редукціонізму (від лат. Reductio - відсунення назад, повернення до попереднього стану). У широкому плані редукционизм є методологічний принцип, згідно з яким вищі форми руху матерії можуть бути повністю пояснені на основі закономірностей, властивих нижчим формам. Наприклад, біологічні явища - за допомогою законів фізики і хімії, соціальні - за допомогою законів біології.

Зведення складного до простого відображає пошук найбільш загальних, основних законів світобудови, воно пов'язане з поданням про матеріальну єдність світу. Однак абсолютизація принципу редукціонізму неприйнятна.

У рішенні проблеми фундаментальних частинок в даний час найважливішу роль відіграє кваркова модель будови адронів. Гіпотеза про існування кварків була висунута в 1964 р М. Гелл-Манном і Г. Цвейг (амер.). В її первісному варіанті передбачалося, що всі адрони складаються з кварків трьох типів ( «ароматів»): u, d, s (Від англ. Up, down, strange - верхній, нижній, дивний) і їх античастинок. Всі кварки мають спін J= 1/2 і баріонів заряд B= + 1/3 (для антікварка, природно, B= - 1/3). Несподіваним виявилося те, що електричний заряд кварків повинен бути менше здавався неподільним елементарного заряду і становить 2/3 або 1/3 елементарного заряду (характеристики кварків наведені в таблиці 11.3).

Ядерна фізика є комбінацією трьох кварків, мезони - кварка і антікварка. Присутність у складі частки дивного sкварка повідомляє частці «дивина». Потім з урахуванням нових експериментальних фактів кваркова модель була розширена шляхом включення в неї cкварка і bкварка, які повідомляють містить їх часткам властивості «чарівності» і «краси». В даний час передбачається існування шостого - «істинного» tкварка, проте частинки, що містять цей кварк і володіють властивістю «істинності», поки не виявлені.

Таблиця 11.3 - Кварки та їх характеристики

 Назва  символ
 Верхній (up) Нижній (down) «Зачарований» (charm) «Дивний» (strange) «Істинний» (true) «Гарний» (beauty) u d c s t b  + 2 / 3-1 / 3 + 2 / 3-1 / 32 / 3-1 / 3  -1

Відповідно до цієї моделі кваркової складу ряду адронів такий (в круглих дужках взаємна орієнтація спінів кварків):

Порівнюючи дані таблиць 11.2 і 11.3, неважко переконатися, що зазначені набори кварків забезпечують належні значення всіх параметрів, що характеризують частки. Звертають на себе увагу омега-мінус-гіперон і ряд інших баріонів, що містять по три ідентичних кварка, що, здавалося б, заборонено принципом Паулі, оскільки кварки є ферміонами.

Щоб зняти цю суперечність Н. Н. Боголюбов (сов.), Й. Намбу (яп.), М. Хан (амер.) В 1965 р припустили, що кожен тип ( «аромат») кварка може існувати в трьох різновидах, відрізняються новим квантовим числом, названим «кольором» кварка. Значення кольору позначили R (red-червоний), G (green - зелений), B (blue - блакитний), маючи на увазі, що до складу баріонів входять кварки трьох різних кольорів, що дають в поєднанні нейтральний білий колір. Таким чином, склад гіперона  такий:  , Що входять до нього кварки відрізняються «кольором» і принцип Паулі дотримується. Антикварки приписали «антіцвета»  , Які можна розглядати як додаткові до основних кольорів і дають в поєднанні з ними знову ж білий колір. Виходить, що всі адрони безбарвні, тобто «колір» є властивість, властиве лише кваркам і невиявна у складених з них частинок.

Численні спроби виявити кварки у вільному стані були безуспішні. Пояснення цьому, мабуть, полягає в тому, що сила тяжіння кварків не зменшується з відстанню, як у випадку будь-якого іншого взаємодії, а, навпаки, збільшується. Тому для поділу адрону на окремі кварки потрібна була б нескінченно велика енергія, що неможливо в дійсності.

На закінчення зупинимося на питанні про створення єдиної теорії всіх взаємодій, яка відображала б передбачуване єдність їх природи. Прецедент подібного об'єднання різних взаємодій добре відомий з історії фізики. Довгий час електричне та магнітне взаємодії розглядалися як незалежні, поки ряд експериментів не виявлено їх взаємозв'язок. Це дозволило Дж. Максвеллу ввести поняття електромагнітного поля як єдиного посередника цих взаємодій і створити теорію електромагнетизму, що описує єдину природу електричних і магнітних явищ. Зараз відомі факти, що вказують на можливість єдності вже неодноразово згаданих чотирьох фундаментальних фізичних взаємодій. Один з таких фактів - зближення інтенсивностей різних взаємодій частинок при збільшенні їх кінетичних енергій і зменшенні відстані між ними.

Прогрес у виявленні єдиної природи різних взаємодій пов'язаний з розробкою квантової теорії поля, відповідно до якої частки - переносники взаємодій є квантами полів, відповідних кожному з взаємодій. Найбільш повно розроблена і знаходиться у відмінному відповідно до експериментом вже згадана квантова електродинаміка - теорія, яка розглядає електромагнітне взаємодія як обмін фотонами - квантами електромагнітного поля.

Зараз практично завершена теорія, за якою електромагнітне і слабке взаємодії є різними проявами єдиного взаємодії, названого електрослабкої. Стандартну теорію електрослабкої взаємодії (Нобелівська премія 1979 г.) створили в 60-70-х роках С. Вайнберг, Ш. Гледшоу (амер.), А. Салам (пакіст.). В основі цієї теорії лежить уявлення про особливий фізичному полі, відповідальному як за слабке, так і за електромагнітне взаємодія, переносниками яких є кванти цього поля - добре відомий фотон і передбачені даною теорією так звані проміжні векторні бозони  . З формули (11.15) випливає, що з огляду на надзвичайну малості радіусу слабкої взаємодії (~ 10-18 м) маси проміжних векторних бозонів повинні бути досить великими. Блискучим успіхом даної теорії і фізики в цілому стало експериментальне відкриття в 1983 р проміжних векторних бозонів. У згоді з передбаченнями теорії їх маси виявилися більшими: у бозонів  близько 81000 МеВ, у  - Близько 93000 МеВ, а час життя - дуже маленьким (~ 10-25 з).

В рамках кваркової моделі адронів розвивається нова теорія - квантова хромодинамика, відповідно до якої «колір» кварків грає для сильної взаємодії ту ж роль, що електричний заряд - для електромагнітного, а переносниками сильного взаємодії є кванти відповідного поля - вісім електронейтральних і безмассових частинок, названих глюонами (від англ. glue - клей). Складність квантової хромодинаміки обумовлена ??тим, що, на відміну від електронейтральних фотонів, глюони самі несуть «колір» і тому вступають в сильну взаємодію один з одним. З цієї теорії стає зрозумілим, що лептони не беруть участі в сильній взаємодії, оскільки не мають «кольору». Сильне ж взаємодія «білих» адронів пояснюється їх кварковой структурою, тобто наявністю у них «прихованих квітів».

Взаємодія глюонів один з одним пояснює, по-видимому, і неможливість виділення вільних кварків і те, що радіус сильної взаємодії малий, незважаючи на відсутність маси спокою у його переносників.

Отже, на даний момент мінімальний набір істинно елементарних (фундаментальних) частинок включає в себе кварки шести «ароматів» і трьох «квітів», шість лептонів, яким приписуються ті ж шість «ароматів», що і кварків, і їх античастинки. Крім того, до фундаментальних частинок відносяться переносники взаємодій, тобто кванти відповідних полів: фотон, вісім глюонів, проміжні векторні бозони і гіпотетичний гравітон.

Зараз інтенсивно розробляються різні варіанти теорії так званого Великого об'єднання (Grand Unification), яка розглядає електромагнітне, сильне і слабке взаємодії як різні прояви єдиного взаємодії. Фотони, глюони, проміжні векторні бозони за цією теорією є лише різновидами квантів єдиного поля. Перераховані три взаємодії об'єднуються в одне при гігантських енергіях взаємодіючих частинок: від 109? 1011 МеВ до 1017? 1019 МеВ за різними варіантами теорії.

При ще більших енергіях частинок порядку  1022 МеВ ~ 109 Дж або їх зближенні на так зване Планка відстань  10-35 м сумірною стає і інтенсивність гравітації. При цих умовах всі чотири фундаментальні взаємодії об'єднуються в єдине фізичне взаємодія. Теорія такого об'єднання, яка називається теорією супергравітації, починає розроблятися в даний час.

Умови, при яких Велике об'єднання і навіть супергравітації могли б реалізуватися, повинні були мати місце незабаром після Великого вибуху на стадії дуже ранньому Всесвіті, коли основну частину матерії становили частки з колосальними енергіями, абсолютно недоступними сучасній науці. Отже, ми бачимо, що, як зазначалося в розділі 4, проблеми, що виникають при вивченні мікросвіту (фізика елементарних частинок) і мегамира (космологія, космогонія), багато в чому взаємопов'язані.

Сучасні дослідження з фізики елементарних частинок, єдиної теорії взаємодій, астрономії, космології і космогонії доповнюють один одного, допомагаючи створенню єдиної фізичної картини світу, що охоплює велике різноманіття різних явищ на різних рівнях організації матерії.

 



 Елементарні частинки, їх характеристики і класифікація. фундаментальні взаємодії |  ЧАСТИНА V. ХІМІЧНІ СИСТЕМИ

 Невизначеностей. Предмет квантової механіки |  Функція і її статистичний зміст. Принцип суперпозиції в квантовій механіці |  Теорія будови атомів Бора. Квантова теорія будови атомів. спін ??мікрочастинок |  Будова атомного ядра. Ядерні сили. Дефект маси. енергія зв'язку |  Радіоактивність. основи дозиметрії |  Основи ядерної та термоядерної енергетики |

© um.co.ua - учбові матеріали та реферати