ЭЛЕМЕНТАРНЫЕ ЧАСТИЦЫ

Элементарные частицы - 1. Введение 2. Классификация элементарных частиц 3. Кварковая модель строения адронов 4. Элементарные частицы и космология 1. Введение По первоначальному смыслу понятие "элементарный" означает простейший, не имеющий внутр. структуры, неделимый. По мере углубления наших знаний о природе материи многие объекты микромира, ранее считавшиеся элементарными, потеряли право так называться. Известным примером такого рода явл. атом (по-гречески "неделимый"). Атомы, отвечающие определенным хим. элементам, как известно, состоят из электронов и атомных чдер. Физич. исследования показали, что ядра тоже составные частицы, они построены из протонов и нейтронов. Следовательно, ни ядра, ни тем более атомы не явл. Э.ч. Электроны, а также протоны и нейтроны наз. Э.ч., хотя протоны и нейтроны, как установлено, состоят из кварков. На современном уровне знаний у электронов и др. лептонов (см. ниже), а также у кварков внутр. структура не обнаружена, хотя и существуют теоретич. модели, согласно к-рым и лептоны, и кварки построены из более фундаментальных кирпичиков мироздания - преонов (этот термин, впрочем, пока не является общепринятым). Исторически первыми экспериментально обнаруженными Э.ч. были электрон, протон, а затем нейтрон. Казалось, что совокупности этих частиц и кванта эл.-магн. поля фотона достаточно для построения известных форм вещества (атомов и молекул). Вещество при таком подходе строилось из протонов, нейтронов и электронов, а эл.-магн. поле (фотоны) осуществляло взаимодействие между ними. Однако вскоре выяснилось, что мир устроен значительно сложнее. Было установлено, что для каждой частицы имеется своя античастица, отличиющаяся от нее лишь знаком зарядов (см. ниже); для частиц с нулевыми значениями всех зарядов античастица совпадает с частицей (пример - фотон). Далее, с развитием экспериментальной ядерной физики, к перечисленным выше четырем (или с учетом античастиц - семи) частицам прибавилось еще свыше 300 частиц. Можно считать установленным, что большинство этих частиц построено из кварков, число к-рых равно 6 (или 12 с учетом антикварков). Еще одним важнейшим достижением физики микромира стало открытие, что Э.ч. присуще не только эл.-магн. взаимодействие. С изучением строения атомных ядер выяснилось, что силы, удерживающие протоны и нейтроны в ядре, не являются электромагнитными. Характерное для нуклонов (протонов и нейтронов в ядре) взаимодействие получило название сильного. Оно оказалось короткодействующим - на расстояниях r, превышающих 10-13 см, сильное взаимодействие пренебрежимо мало. Однако при r -13 см его величина существенно (в 10-100 раз) превосходит электромагнитное, что отражено в его названии (см. Ядерные силы). Открытие нестабильности нейтрона и нек-рых атомных ядер указало на существование еще одного типа взаимодействия, названного слабым. Тремя перечисленными выше типами взаимодействий, а также гравитационным взаимодействием (см. Тяготение) исчерпываются известные типы фундаментальных физ. взаимодействий. Существует точка зрения, что все 4 (или хотя бы 3) типа взаимодействий представляют собой явления одной природы и должны описываться единым образом. Единая теория слабых и эл.-магн. взаимодействий уже построена и подтверждена опытом; имеются теоретические модели, единообразно описывающие все типы взаимодействий (см. Великого объединения модели). 2. Классификация элементарных частиц Табл. 1. Элементарные частицы (Q - Электрич. заряд, L - Лептонный заряд, B - Барионный заряд, S - Странность, C - Очарование). Тип частицы Символ Масса m, МэВ Спин,в ед. Время жизни, с Q L B S C Лептоны e- 0,511 1/2 6\cdot 10^(29)$" align="absmiddle" width="65" height="15" > -1 1 0 0 0 стабильно3) 0 105 -1 2) стабильно3) 0 1784 -1 2) стабильно3) 0 Мезоны-переносчикивзаимодействия 0 1 стабилен 0 0 0 0 0 W Z0 0 глюон5) 06) стабилен6) 0 Мезоны (адроны) 135 0 0 0 0 0 0 140 +1 0 0 K0 498   0 +1 0 K+ 494 +1 +1 0 D0 1864 0 0 +1 D+ 1869 ~ 10-12 +1 0 +1 F+ 2020 +1 -1 +1 Барионы8) (адроны) p 938,3 1/2 >1038 +1 0 1 0 0 n 939,6 900 0 0 0 1115 0 -1 0 1189 +1 -1 0 1192 0 -1 0 1197 -1 -1 0 1315 0 -2 0 1321 -1 -2 0 1672 -1 -3 0 2280 ~ 10-13 +1 0 1 Примечания к табл.: 1) Кроме частиц, приведенных в таблице, имеется большое число короткоживущих частиц, т.н. резонансов, обладающих временем жизни ~ 10-20-10-24 с. Для приведенных частиц в таблице частиц не указаны их античастицы, имеющие те же значения массы, времени жизни, но противоположные знаки квантовых чисел Q, L, B, S, C. 2) Полагают, что , хотя спец. оснований для этого нет; возможно, . 3) Если , то естественно ожидать, что нейтрино нестабильны, хотя их время жизни может быть очень велико. 4) Приведена теоретич. оценка. 5) Глюон как свободная частица не существует. 6) Теоретич. оценка. 7) K0- и -мезоны не обладают определенным временем жизни. 8) Должны существовать барионы с большими значениями C (до 3), а также с ненулевыми значениями C и S одновременно; обнаружен мезон ( ГэВ), у к-рого не равно нулю квантовое число ("красота"), приписываемое b-кварку. В зависимости от характера взаимодействия Э.ч. подразделяются на неск. больших групп (табл. 1). Э.ч., к-рым присуще сильное взаимодействие, наз. адронами. К адронам относятся протоны, нейтроны и более тяжелые частицы гипероны (все они объединены общим названием барионы), а также большое семество мезонов. Частицы, не участвующие в сильном взаимодействии, наз. лептонами. Сюда относятся помимо электрона два других заряженных лептона: мюон и тау-лептон ("тяжелый лептон"), к-рые соответственно в 210 и 3600 раз массивней электрона. Каждому заряженному лептону отвечает нейтральная частица - нейтрино (электронное, мюонное или тау). Масса нейтрино равна нулю или весьма мала. Известно 6 (с античастицами 12) типов лептонов. Нйетральные лептоны участвуют только в слабом взаимодействии; зареженные - с слабом и электромагнитном. У нейтральных лептонов, впрочем, могут быть очень малые магн. моменты. Адроны участвуют в сильном, слабом и эл.-магн. взаимодействиях. И, разумеется, все частицы взаимодействуют гравитационно. Кроме перечисленных, имеются частицы - переносчики взаимодействий: фотон (переносчик эл.-магн. взаимодействия), W- и Z0-бозоны (переносчики слабого взаимодействия). Считается, что существует переносчик гравитац. взаимодействия - гравитон. Э.ч. характеризуются своей массой, электрическим зарядом, собственным моментом количества движения - спином. Массы легчайших частиц (таких, как фотоны) равны нулю, а массы наиболее тяжелых из известных частиц в 100 раз превышают массу протона. Электрич. заряд Э.ч. представляет собой целое кратное заряда электрона. Срин частиц бывает лтбо целым (0, 1, 2, ...) - в этом случае они называются бозонами, либо полуцелым (1/2, 3/2, ...) - в этом случае их называют фермионами. Лептонам приписывают т.н. лептонный заряд L, принимаемый равным +1 для частиц и -1 для их античастиц. Введение этого заряда обосновано тем, что во всех процессах, происходящих в замкнутой системе, полное число лептонов минут число антилептонов сохраняется. Кроме того, каждая пара лептонов обладает своим специальным лнптонным зарядом, соответственно . Введение этих зарядов отражает то обстоятельство, что, напр., электронное нейтрино, налетая на нейтрон, может родить электрон, но не мюон или -лептон. Значения равны +1 для указанных пар лептонов и -1 для их античастиц. Сейчас, однако, широко обсуждается возможность того, что свободное нейтрино со временем может изменять свой лептонный заряд, превращаясь в нейтрино другого типа (нейтринные осцилляции). В результате на разных расстояниях от места своего рождения нейтрино способно рождать заряженные лептоны различного типа. Барионам, подобно лептонам, приписывается свой сохраняющийся барионный заряд B. Природа сохранения лептонного и барионного зарядов до конца не ясна. Более того, модели великого объединения предсказывают, что это сохранение явл. лищь приближенным, хотя обнаружение возможного нарушения сохранения находится, по-видимому, на грани или за пределами совр. экспериментальных возможностей. Все известные лептоны и барионы явл. фермионами. Мезоны не имеют ни барионного, ни лептонного заряда и явл. бозонами. Кроме того, адронамприписывают специфические квантовые числа (заряды), называемые странностью (S), очарованием (C) и т.п., к-рые, в отличие от B и L, не сохраняются в слабых взаимодействиях, сохраняясь в сильных и электромагнитных. В силу этого легчайшие частицы с (или ), являясь нестабильными, имеют довольно большое время жизни в масштабах мира Э.ч. (см. табл. 1), т.к. к их распаду может привести только слабое взаимодействие. 3. Кварковая модель строения адронов Все адроны, согласно совр. представлениям, построены из более фундаментальных частиц - кварков (q). Как и лептоны, кварки явл. фермионами, их спин равен 1/2, электрич. заряд +2/3 и -1/3 (в ед. заряда электрона), заряд антикварков -2/3 и +1/3, у всех кварков барионный заряд B=1/3, лептонный заряд L=0. Аналогично лептону кварки также группируются в пары. Причем, по-видимому, имеет место кварк-лептонная симметрия: каждой паре лептонов отвечает пара кварков (см. табл. 2). Паре (e,) отвечают кварки, обозначаемые (u,d). Это самые легкие кварки, их масса составляет 5-10 МэВ, их странность, очарование и др. подобные квантовые числа равны нулю. Из трех таких кварков можно построить нуклоны, т.е. протон и нейтрон: p=(uud), n=(udd). Др. возможные тройки этих кварков также реализуются в природе, образуя более тяжелые частицы, напр. частицу со спином 3/2 и массой 1240 МэВ. Из пары кварк-антикварк строятся мезоны, в частности легчайший из известных мезонов -мезон: ), ) и , представляющие собой смесь и . Четверка частиц (u,d,,e) образуют т.н. первое кварк-лептонное поколение. Известно еще два поколения (c,s, ) и (t,b,) (см. табл. 2), сожержащие более массивные частицы. Табл. 2. Кварки и лептоны. I поколение II поколение III поколение Обозначения u d e c s t b Электический заряд в ед. заряда электрона +2/3 -1/3 0 -1 +2/3 -1/3 0 -1 +2/3 -1/3 0 -1 Масса, МэВ 0,5 1200 150 105 1784 По-видимому, данные космологии говорият об отсутствии последующих кварк-лептонных поколений (см. ниже). С др. стороны, трех поколений частиц оказывается достаточно для теоретич. объяснения различия св-в частиц и античастиц. Каждый из тяжелых кварков (c,s и t,b) обладает соответственно своим квазисохраняющимся квантовым числом C, S или T, B. Поскольку S наз. странностью, и s-кварк наз. странным; C наз. очарованием, B - красотой, для T термин пока не истановился. Частицы, в состав к-рых входит s-кварк, наз. странными. Заменяя теоретически один, два или три кварка в нуклоне, моно объяснить существование всех открытых странных барионов - гиперонов (см. табл. 1). Аналогично при замене u- или d-кварка в -мезоне на s-кварк модно получить обнаруженный в природе странный К-мезоны. Точно также наблюдаемые очарованные частицы (с ) имеют в своем составе с-кварк и т.д. В принципе возможны связанные состояния всех шести типов кварков между собой, но на опыте пока наблюдается лишь часть из них. Однако все открытые адроны можно описать как связанные состояния этих шести кварков. Каждый кварк имеет квантовое число, называемое цветом. Цвет явл. аналогом электрич. заряда, хотя и более сложным. Наличие цвета объясняет сильное взаимодействие кварков, отсутствующее у не имеющих цвета лептонов. Аналогично тому, как электрические заряды взаимодействуют посредством фотонов, так взаимодействие цветовых зарядов осуществляют переносчики сильного взаимодействия - глюоны. Однако в отличие от единственного фотона, имеется восемь различных типов глюонов. Др. существенное отличие состоит в том, что фотон не имеет электрич. заряда и поэтому сам с собой не взаимодействует, а глюоны, обладая цветовым зарядом, взаимодействуют друг с другом. По-видимому, в этом лежит причина принципиально нового явления, называемого конфайнментом или невылетанием кварков. Дело в том, что, несмотря на достаточно большие энергии частиц, ускоренных в совр. ускорителях, кварки наблюдать в свободном состоянии не удается. Они, по-видимому, существуют в природе только в виде пар кварк-антикварк (), троек (qqq) или более сложных образований, но обязательно таких, чтобы электрич. заряд этих объектов оказывался целочисленным. Все подобные объекты обладают нулевым цветовым зарядом. Если говорить очень упрощенно, то явление конфайнмента состояит в следующем. При попытке получить кварк в свободном состоянии (т.е. "вытащить" его из адрона на достаточно большое расстояние, сообщив ему высокую энергию) напряженность поля нескомпенсированного цветового заряда кварка оказывается столь сильной, что за счет сообщенной энергии из вакуума рождается пара и антикварк движется вместе с кварком, к-рый пытаются оторвать. В результате вылетает не кварк, а составная частица, не имеющая цвета. По этой же причине глюоны также не удается наблюдать в свободном состоянии. Явление конфайнмента обусловливает малый радиус действия сильного взаимодействия. Область физики элементарных частиц, изучающая взаимодействие кварков и глюонов, носит название квантовой хромодинамики. Квантовая хромодинамика явл. теорией сильного взаимодействия Э.ч. Т.о., на совр. уровне понимания элементарности фундаментальными составляющими материи явл. 6 лептонов (с античастицами 12), 6х3=18 кварков (с античастицами 36), а также переносчики взаимодействия: сильного - 8 глюонов, электромагнитного - фотон, слабого - W- и Z0-бозоны. Лептоны и кварки имеют спин 1/2, а переносчики взаимодействия - спин, равный 1, их называют векторными бозонами. Существование всех перечисленных частиц подтверждается экспериментом. Помимо этого теория требует существования постоянного во всем пространстве скалярного поля, с к-рым различные лептоны и кварки взаимодействуют по-разному, что определяет различие их масс. Кванты скалярного поля представляют собой новые, предсказываемые теорией Э.ч. снулевым спином. Их называют хиггсовскими бозонами (по имени англ. физика П. Хиггса, 1964 г., предложившего их существование). Число хиггсовских бозонов может достигать неск. десятков. Взаимодействие W- и Z0-бозонов со скалярным полем обусловливает значит. массу этих частиц и малый радиус слабого взаимодействия. Хиггсовские бозоны пока е обнаружены на опыте. Более того, ряд физиков считает их существование необязательным, однако полноценной теоретической схемы без хиггсовских бозонов пока не найдено. Модели великого объединения требуют введения дополнительных векторных частиц - переносчиков взаимодействия адронов с лептонами. В простейшем варианте таких частиц должно быть 12 с массой m ~ 1014-1015 ГэВ. Получить и изучить экспериментально такие частицы пока невозможно, т.к. масса находится далеко за пределами энергий, достижимых на ускорителях как существующих конструкций, так и вообще мыслимых. При взаимодействиях с этими векторными бозонами не сохраняется ни барионный, ни лептонный заряд. Снова число частиц на новом уровне элементарности приближается или даже превосходит сотню. Впрочем, большое количество новых частиц требуется лишь теорией, но не опытом, и, возможно, иные, пока неизвестные теоретич. схемы позволят обойтись без особого множества уже известных частиц. Рост количества фундаментальных Э.ч. заставил теоретиков искать модели, в к-рых все семейства кварков и лептонов, а также частицы - переносчики взаимодействия и хиггсовские бозоны рассматривались бы как составные из каких-то более фундаментальных объектов; одно из названий, предлагаемых для последних, - преоны. Осн. трудность, стоящая перед теорией преонов, состояит в том, что масса объектов m, составленных из преонов, должна быть мала по сравнению с обратным размером этих объектов r-1. В др. стороны, согласно квантовой механике, вообще говоря, должно выполнятся условие . Удовлетворительного решения этой проблемы пока нет. В то же время, совершенно необязательно структура материи должна напоминать игрушку "матрешку", нельзя исключить, что лептоны и кварки есть и навсегда останутся последним этапом в дроблении вещества. Решающее слово здесь должно принадлежать эксперименту. К сожалению, эксперименты на существующих ускорителях не могут дать ответа на постановленные вопросы. 4. Элементарные частицы и космология С 70-х годов 20 в. на стыке космологии и физики элементарных частиц стало бурно развиваться научное направление, имеющее целью получить на основе астрономич. данных важную информацию о фундаментальных частицах микромира. Такая возможность обусловлена существованием теории, рассматривающей эволюцию Вселенной как эволюцию материального мира, находившегося на ранней стадии развития в состоянии оченб горячей плотной плазмы (см. Модель горячей Вселенной). В первичной плазме находились все Э.ч., рождение к-рых могло происходить при данной темп-ре плазмы. С расширением Вселенной темп-ра T плазмы падала, наиболее массивные частицы переставали рождаться, а их аннигиляция приводила к тому, что число массивных стабильных Э.ч. и античастиц в элементе т.н. сопутствующего объема (т.е. расширяющегося в темпе расширения Вселенной) убывало пропорционально exp(mc2kT). Если бы такой закон уменьшения концентрации Э.ч. продолжался до настоящего времени (до К), то практически никаких следов Э.ч., рожденных на ранних стадиях эволюции вселенной, сейчас не осталось бы. Однако когда концентрация таких частиц становится достаточно малой, их взаимная аннигиляция прекращается и в дальнейшем концентрация Э.ч. падает только за счет расширения Метагалактики (т.е. остается постоянной в сопутствующем объеме). Это явление наз. закалкой (иногда замораживанием) концентрации. Для слабовзаимодействующих частиц их теперяшняя концентрация должна быть порядка совр. концентрации реликтовых фотонов . Именно такая ситуация имеет место для нейтрино. Расчет показывает, что количество реликтовых нейтрино должно быть весьма велико: (для каждого типа нейтрино). Последнее обстоятельство позволяет получить очень сильное ограничение на массу нейтрино: эВ. Если бы масса всех типов нейтрино превосходила указанный предел, то нейтрино оказывали бы существенное влияние на темп расширения Вселенной и ее возраст, вычисляемый по совр. значению постоянной Хаббла и плотности массы реликтовых нейтрино, оказался бы меньше, чем дают астрофизич. оценки и методы космохронологии ядерной. Доказательство того, что ограничение снизу на возраст Вселенной приводит к ограничению сверху на массы нейтрино, было дано С.С. Герштейном и Я.Б. Зельдовичем (1966 г.) и инициировало применение космологич. методов к физике Э.ч. Данные космологии позволяют заключить также, что количество различных нейтрино не может быть произвольно велико (В.Ф. Шварцман, 1969 г.). Обилие легких элементов (таких, как 4He и дейтерий) во Вселенной таково, что , т.е. все нейтрино уже открыты. Правда, ряд физиков, не доверяя надежности существующих данных придерживаются иной оценки: . Возможно, скоро количество типов нейтрино станет известно точно, т.к. открытый в 1983 г. Z0-бозон слабых взаимодействий должен, согласно теоретич. предсказаниям, распадаться на все типы нейтрино и поэтому измерение его полной вероятности распада позволит определить . Поясним, как по обилию 4He и 2H можно определить . Образовались эти элементы на очень ранней стадии развития Вселенной, когда темп-ра первичной плазмы составляла 1 МэВ-100 кэВ (в энергетич. единицах или 1010-109 К. При такой темп-ре плазма содержала примерно в равном количестве фотоны, все типы нейтрино, электрон-позитронные пары и небольшое количество нуклонов (~ 10-10 от количества легких частиц). Относительное содержание нейтронов и протонов вначале определяется термодинамическим равновесием и составляет , где =1,3 МэВ - разность масс нейтрона и протона. Переходы np происходят за счет процессов, обусловленных слабым взаимодействием, напр., n+p+e-. По мере раширения Вселенной концентрации частиц падают и скорость реакций np-переходов становится меньше скорости расширения, происходит закалка отношения концентраций n и p, т.е. величина Nn/Np становится постоянной, если пренебречь медленным распадом енйтронов. Эта величина определяет относительное содержание (обилие) 4He, т.к. за счет водородной цепочки ядерных реакций практически все нейтроны связываются в ядра 4He. Очевидно, что чем выше темп расширения и охлаждения, темвыше темп-ра закалки и соответственно выше отношение Nn/Np. Можно показать, что чем больше число различных типов частиц в первичной плазме, тем выше темп расширения при данной темп-ре, поэтому добавление новых типов нейтрино в первичную плазму влечет за собой увеличение темп-ры закалки и соответственно увеличение концентрации первичного 4He. Совр. данные указывают, что доля 4He (по массе) в веществе Метагалактики составляет 22-25%, что находится в хорошем согласии с теорией при =3. Если бы число типов нейтрино составляло 10-20, количество 4He достигло бы 40-50%, что совершенно не соответствует данным наблюдений. Расчет, однако, содержит нек-рую неопределенность, связанную с тем, что относительная концентрация нуклонов известна с плохой точностью. По данным о количестве 2H во Вселенной можно получить такое ограничение на величину f, при к-ром исключается >3. К сожалени, соотношение между современным количеством дейтерия и первичным определено довольно плохо и это оставляет нек-рую лазейку для увеличения числа . Космология позволяет также делать выводы о частицах и процессах, к-рые находятся далеко за энергетич. пределами, доступными совр. и будущим ускорителям. Ярким примером явл. оценка концентрации магнитнчх монополей - частиц, имеющих элементарный магн. заряд. Существование этих частиц предсказывается моделями великого объединения. Их масса должна быть ~ 1016 ГэВ, так что ни сейчас, ни в обозримом будущем нет никакой надежды получить эти частицы в лаборатории, подобно тому, как получают, напр., антипротоны, W- и Z0-бозоны. Единственная возможность обнаружить эти частицы состоит в поисках их среди реликтовых частиц. Теоретич. ожидания для концентрации реликтовых монополей, полученные в рамках простейшей модели, противоречат существующим данным наблюдений. Это противоречие послужило одной из предпосылок для создания формулировки модели инфляционной модели Вселенной. Взаимосвязь физики Э.ч. и космологии особенно укрепилась в последнее время. Сейчас ни одна теоретич. модель взаимодействий Э.ч. не может быть признанной, если она не согласуется с данными космологии. С др. стороны, методы физики Э.ч. позволили решить ряд известных космологических проблем, таких, как проблемы барионной асимметрии Вселенной, однородности и изотропии, горизонта Вселенной, близости плотности вещества к критич. значению. Лит.: Окунь Л.Б., Лептоны и кварки, М., 1981; Долгов А.Д., Зельдович Я.Б., Космология и элементарные частицы, УФН, 1980, т. 130, в. 4, с. 559-614. (А.Д. Долгов)