Іменна частка. Значення слова b-частка в медичних термінах A b частки

Бозон Хіггса намагаються знайти десятки років, але поки що безуспішно. Тим часом без нього ключові положення сучасної теоріїмікросвіту зависають у повітрі.

Вивчення частинок почалося недавно. В 1897 Джозеф Джон Томсон відкрив електрон, а через 20 років Ернест Резерфорд довів, що ядра водню входять до складу ядер інших елементів, і пізніше назвав їх протонами. У 1930-х було виявлено нейтрон, мюон і позитрон і передбачено існування нейтрино. Тоді ж Хідекі Юкава побудував теорію ядерних сил, що переносяться гіпотетичними частинками в сотні разів важчими за електрон, але набагато легше протону (мезонами). У 1947 році сліди розпадів пі-мезонів (півонів) знайшли на фотопластинках, експонованих у космічних променях. Пізніше виявили й інші мезони, причому деякі з них важчі не лише протону, а й ядра гелію. Фізики також відкрили безліч баріонів, важких і тому нестабільних родичів протону та нейтрону. Колись усі ці частки називали елементарними, але така термінологія давно застаріла. Зараз елементарними прийнято вважати лише нескладні частинки – ферміони (з половинним спином – лептони та кварки) та бозони (з цілочисленним спином – переносники фундаментальних взаємодій).

Елементарні частинки стандартної моделі

Ферміонна група (з напівцілим спином) складається з лептонів та кварків так званих трьох поколінь. Заряджені лептони - це електрон та його потужні аналоги мюон і тау-частка (та їх античастинки). Кожен лептон має нейтральний партнер в особі одного з трьох різновидів нейтрино (теж з античастинками). Сімейство бозонів, спин яких дорівнює 1, - це частинки, що переносять взаємодії між кварками та лептонами. Деякі з них не мають маси та електричного заряду – це глюони, що забезпечують міжкваркові зв'язки в мезонах та баріонах, і фотони, кванти електромагнітного поля. Слабкі взаємодії, що виявляються в процесах бета-розпаду, забезпечує трійка масивних частинок - двох заряджених та однієї нейтральної.

Індивідуальні назви елементарних і складових часток зазвичай пов'язані з іменами конкретних учених. Проте майже 40 років тому було передбачено ще одну елементарну частинку, якій надали ім'я живої людини, шотландського фізика Пітера Хіггса. Подібно до переносників фундаментальних взаємодій, вона має цілий спин і належить до класу бозонів. Однак спин її дорівнює не 1, а 0, і в цьому відношенні вона не має аналогів. Ось уже десятки років її шукають на найбільших прискорювачах - закритому торік американському «Теватроні» і Великому адронному колайдері, який нині функціонує під пильною увагою світових ЗМІ. Адже бозон Хіггса дуже потрібний сучасній теорії мікросвіту – стандартній моделі елементарних частинок. Якщо його не вдасться виявити, ключові положення цієї теорії зависнуть у повітрі.

Калібрувальні симетрії

Початок шляху до бозона Хіггса можна відраховувати від короткої статті, опублікованої в 1954 році китайським фізиком Янг Чженьніном, який перебрався в США, і його колегою по Брукхейвенській національній лабораторії Робертом Міллсом. У роки експериментатори відкривали дедалі нові частки, достаток яких ніяк не вдавалося пояснити. У пошуках перспективних ідей Янг та Міллс вирішили випробувати можливості дуже цікавої симетрії, якій підпорядковується квантова електродинаміка. На той час ця теорія довела свою здатність давати результати, що чудово узгоджуються з досвідом. Щоправда, в ході деяких обчислень там з'являються нескінченності, проте їх можна позбавлятися за допомогою математичної процедури, названої перенормуванням.

Симетрію, яка зацікавила Янга і Міллса, в 1918 ввів у фізику німецький математик Герман Вейль. Він назвав її калібрувальною, і ця назва збереглася до наших днів. У квантовій електродинаміці калібрувальна симетрія проявляється в тому, що хвильову функцію вільного електрона, яка є вектором з речовинною і уявною частиною, можна безперервно повертати в кожній точці простору-часу (через це симетрія називається локальною). Ця операція (формальною мовою - зміна фази хвильової функції) призводить до того, що в рівнянні руху електрона з'являються добавки, які необхідно компенсувати, щоб воно зберегло силу. Для цього туди вводиться додатковий член, який описує електромагнітне поле, що взаємодіє з електроном. Квантом цього поля виявляється фотон, безмасова частка з одиничним спином. Таким чином, з локальної калібрувальної симетрії рівняння вільного електрона випливає існування фотонів (а також і сталість електронного заряду). Можна сказати, що ця симетрія наказує електрону взаємодіяти з електромагнітним полем. Будь-який фазовий зсув стає актом такої взаємодії - наприклад, випромінюванням або поглинанням фотона.

Зв'язок калібрувальної симетрії з електромагнетизмом був виявлений ще в 1920-ті роки, проте особливого інтересу не викликав. Янг і Міллс першими спробували застосувати цю симетрію для конструювання рівнянь, що описують частинки іншої природи, ніж електрон. Вони зайнялися двома «найстарішими» баріонами – протоном та нейтроном. Хоча ці частинки і не тотожні, але стосовно ядерних сил вони поводяться практично однаково і мають майже однакову масу. В 1932 Вернер Гейзенберг показав, що протон і нейтрон можна формально вважати різними станами однієї і тієї ж частинки. Для їх опису він запровадив нове квантове число – ізотопічний спин. Оскільки сильна взаємодія не робить відмінностей між протонами та нейтронами, вона зберігає повний ізотопічний спин, подібно до того, як електромагнітна взаємодія зберігає електричний заряд.

Янг і Міллс запитали, які локальні калібрувальні перетворення зберігають ізоспінову симетрію. Було ясно, що вони не можуть збігатися з калібрувальними перетвореннями квантової електродинаміки - хоча б тому, що йшлося вже про дві частинки. Янг і Міллс проаналізували сукупність таких перетворень і з'ясували, що вони породжують поля, чиї кванти, ймовірно, переносять взаємодії між протонами і нейтронами. Квантів у разі було три: два заряджених (позитивно і негативно) і один нейтральний. Вони мали нульову масу і одиничний спин (тобто векторні бозони) і переміщалися зі швидкістю світла.

Теорія B-полів, як їх назвали співавтори, була дуже гарна, але не витримувала випробування досвідом. Нейтральний B-бозон можна було ототожнити з фотоном, але його заряджені побратими залишалися не при ділі. Відповідно до квантової механіки, посередниками у перенесенні короткодіючих сил може лише досить потужні віртуальні частки. Радіус ядерних сил не перевищує 10 –13 см, і безмасові бозони Янга та Міллса явно не могли претендувати на роль їхніх переносників. До того ж, експериментатори ніколи не реєстрували таких частинок, хоча в принципі заряджені безмасові бозони легко виявити. Янг та Міллс довели, що локальні калібрувальні симетрії «на папері» можуть породжувати силові поля неелектромагнітної природи, але фізична реальність цих полів була чистою гіпотезою.

Електрослабка двоєдність

Наступний крок до бозону Хіггса було зроблено 1957 року. На той час теоретики (той же Янг і Лі Дзундао) припустили, а експериментатори довели, що при бета-розпадах не зберігається парність (порушується дзеркальна симетрія). Цей несподіваний результат зацікавив багатьох фізиків, серед яких був і Джуліан Швінгер, один із творців квантової електродинаміки. Він висунув гіпотезу, що слабкі взаємодії між лептонами (до кварків тоді наука ще не дійшла!) переносяться трьома векторними бозонами – фотоном та парою заряджених частинок, аналогічних B-бозонам. Звідси випливало, що це взаємодії перебувають у партнерстві з електромагнітними силами. Швінгер цієї проблеми більше не займався, проте запропонував її своєму аспіранту Шелдону Глешоу.

Робота тривала чотири роки. Після ряду невдалих спробГлешоу побудував модель слабкої та електромагнітної взаємодій, засновану на об'єднанні калібрувальних симетрій електромагнітного поля та полів Янга та Міллса. Крім фотона в ній фігурували ще три векторні бозони - два заряджені та один нейтральний. Однак ці частинки знов-таки мали нульову масу, що створювало проблему. У слабкої взаємодії радіус на два порядки менше, ніж у сильного, і йому потрібні дуже масивні посередники. До того ж наявність нейтрального переносника вимагала допустити можливість бета-переходів, які не змінюють електричного заряду, а тоді такі не були відомі. Через це після публікації своєї моделі наприкінці 1961 року Глешоу втратив інтерес до поєднання слабкої та електромагнітної взаємодій і переключився на інші теми.

Гіпотеза Швінгера зацікавила і пакистанського теоретика Абдуса Салама, який разом із Джоном Уордом побудував модель, схожу на модель Глешоу. Він теж зіткнувся з безмасовістю калібрувальних бозонів і навіть вигадав спосіб її усунення. Салам знав, що їх маси не можна ввести «від руки», оскільки теорія ставала ненормованою, але розраховував обійти цю скруту за допомогою спонтанного порушення симетрії, так щоб рішення рівнянь руху бозонів не мали калібрувальну симетрію, властиву самим рівнянням. Цим завданням він зацікавив американця Стівена Вайнберга.

Але в 1961 році англійський фізик Джефрі Голдстоун показав, що в релятивістських квантових теоріяхполя спонтанне порушення симетрії начебто неминуче породжує безмасові частки. Салам та Вайнберг спробували спростувати теорему Голдстоуна, але лише посилили її у своїй роботі. Загадка виглядала нерозв'язною, і вони взялися до інших областей фізики.

Хіггс та інші

Допомога надійшла від фахівців з фізики конденсованих середовищ. У 1961 році Йоітіро Намбу зазначив, що при переході нормального металу в надпровідний стан колишня симетрія спонтанно порушується, але при цьому не з'являється жодних безмасових частинок. Через два роки Філіп Андерсон на тому ж прикладі зазначив, що якщо електромагнітне поле не підпорядковується теоремі Голдстоуна, то на те ж саме можна очікувати і від інших калібрувальних полів з локальною симетрією. Він навіть передбачив, що голдстоунівські бозони та бозони полів Янга та Міллса можуть якось ліквідувати один одного, залишаючи по собі масивні частки.

Цей прогноз виявився пророчим. У 1964 році його виправдали фізики з брюссельського Вільного університету Франсуа Енглерт та Роджер Броут, Пітер Хіггс та співробітники лондонського Імперського коледжу Джеррі Гуральник, Роберт Хаген та Томас Кіббл. Вони не тільки показали, що в полях Янга-Міллса не дотримуються умов застосування теореми Голдстоуна, але і знайшли спосіб забезпечити порушення цих полів ненульовою масою, який зараз називають механізмом Хіггса.

Ці чудові роботи помітили та оцінили аж ніяк не відразу. Лише в 1967 році Вайнберг побудував єдину модель електрослабкої взаємодії, в якій трійка векторних бозонів отримує масу на основі механізму Хіггса, а роком пізніше це зробив і Салам. У 1971 році голландці Мартінус Велтман і Герард "т Хоофт довели, що ця теорія піддається перенормування і, отже, має чіткий фізичний сенс. Вона міцно встала на ноги після 1973 року, коли у бульбашковій камері Gargamelle(CERN, Швейцарія) експериментатори зареєстрували так звані слабкі нейтральні струми, що вказують на існування незарядженого проміжного бозона (пряму реєстрацію всіх трьох векторних бозонів було здійснено у CERN лише у 1982–1983 роках). Глешоу, Вайнберг та Салам отримали за неї Нобелівські премії 1979 року, Велтман і "т Хоофт - 1999. Ця теорія (а разом з нею і бозон Хіггса) вже давно стала невід'ємною частиною Стандартної моделі елементарних частинок.

Механізм Хіггса

В основі механізму Хіггса лежать скалярні поля з безспиновими квантами – хіггсівські бозони. Як вважається, вони виникли за мить після Великого вибуху і тепер заповнюють весь Всесвіт. Такі поля мають найменшу енергію при ненульовій величині - це і є їх стійкий стан.

Нерідко пишуть, що елементарні частинки знаходять масу внаслідок гальмування хіггсівським полем, але це надто механістична аналогія. У теорії електрослабкої взаємодії фігурують чотири хіггсовські поля (кожне зі своїми квантами) і чотири векторні бозони - два нейтральні і два заряджені, які самі по собі не мають маси. Три бозони, обидва заряджені та один нейтральний, поглинають по одному хіггсу і в результаті знаходять масу і здатність переносити короткодіючі сили (їх позначають символами W + , W - і Z 0). Останній бозон нічого не поглинає і залишається безмасовим – це фотон. «З'їдені» хіггси неспостерігаються (фізики їх називають «духами»), тоді як їх четвертий побратим повинен спостерігатися при енергіях, достатніх для його народження. Загалом це саме ті процеси, які примудрився передбачити Андерсон.

Невловима частка

Перші серйозні спроби відловити бозон Хіггса були зроблені на рубежі ХХ і ХХІ століть на Великому електронно-позитронному колайдері ( Large Electron-Positron Collider, LEP) у ЦЕРНі. Ці експерименти стали воістину лебединою піснею чудової установки, на якій з безпрецедентною точністю було визначено маси та часи життя важких векторних бозонів.

Стандартна модель дозволяє передбачити канали народжень та розпадів хіггсовського бозона, але не дає можливості обчислити його масу (яка, до речі, виникає з його здатності до самодії). За найзагальнішими оцінками, вона повинна бути менше 8–10 ГеВ і більше 1000 ГеВ. До початку сеансів на LEP більшість фізиків вважали, що, швидше за все, діапазон становить 100-250 ГеВ. Експерименти LEP підняли нижній поріг до 114,4 ГеВ. Багато фахівців вважали і вважають, що якби цей прискорювач пропрацював довше і відсотків на десять збільшив енергію пучків, що стикаються (що було технічно можливо), бозон Хіггса вдалося б зареєструвати. Проте керівництво ЦЕРН не захотіло відстрочити запуск Великого адронного колайдера, який мав бути споруджений у цьому ж тунелі, і наприкінці 2000 року LEP було закрито.

Загорода для бозона

Численні експерименти один за одним виключали можливі діапазони мас бозона Хіггса. На прискорювачі LEP було встановлено нижній поріг - 114,4 ГеВ. На "Теватроні" виключили маси, що перевищують 150 ГеВ. Пізніше діапазони мас було уточнено до інтервалу 115–135 ГеВ, а ЦЕРН на Великому адронному колайдері зрушили верхню кордон до 130 ГеВ. Так що бозон Хіггса Стандартної моделі, якщо він існує, замкнений у досить вузькі межі мас.


Наступні цикли пошуків проводили на «Теватроні» (на детекторах CDF та DZero) та на ВАК. Як розповів «ПМ» Дмитро Денисов, один із керівників колаборації DZero, «Теватрон» почав набирати статистику з хіггсів у 2007 році: «Хоча енергії й вистачало, труднощів було чимало. Зіткнення електронів і позитронів - найчистіший спосіб відловити хіггс, адже ці частинки не мають внутрішньої структури. Наприклад, при анігіляції високоенергетичної електронно-позитронної пари народжується Z 0 -бозон, який випромінює хіггс без будь-якого фону (щоправда, у цьому випадку можливі реакції та брудніші). Ми ж стикали протони та антипротони, пухкі частинки, що складаються з кварків та глюонів. Так що Головна задача- Виділити народження хіггса на фоні безлічі схожих реакцій. Аналогічна проблема існує і у команд ВАК».

Сліди небачених тварин

Існує чотири основні способи (як кажуть фізики, канали) народження бозона Хіггса.

Основний канал – це злиття глюонів (gg) при зіткненні протонів та антипротонів, які взаємодіють за допомогою петель важких топ-кварків.
Другий канал - це злиття віртуальних векторних бозонів WW або ZZ (WZ), що випромінюються та поглинаються кварками.
Третій канал народження бозона Хіггса – це так зване асоціативне народження (спільно з W-або Z-бозоном). Цей процес іноді називають Higgsstrahlung(за аналогією з німецьким терміном bremsstrahlung- гальмівне випромінювання).
І нарешті, четвертий - злиття топ-кварка та антикварка (асоціативне народження спільно з топ-кварками, tt) із двох топ-кварк-антикваркових пар, породжених глюонами.


«У грудні 2011 року з ВАК прийшли нові повідомлення, – продовжує Дмитро Денисов. - Там шукали розпади хіггса або на top-кварк та його антикварк, які анігілюють та перетворюються на пару гамма-квантів, або на два Z 0 -бозони, кожен з яких розпадається на електрон та позитрон або мюон та антимюон. Отримані дані дозволяють припустити, що бозон Хіггса тягне приблизно на 124–126 ГеВ, але остаточних висновків цього недостатньо. Наразі і наші колаборації, і фізики в ЦЕРН продовжують аналізувати результати експериментів. Не виключено, що ми і вони скоро дійдемо нових висновків, які 4 березня будуть представлені на міжнародній конференції в Італійських Альпах, і я передчуваю, що нудьгувати там не доведеться».

Бозон Хіггса та кінець світу

Отже, цього року очікується або відкриття бозона Хіггса Стандартної моделі, або його, так би мовити, анулювання. Зрозуміло, другий варіант створить потребу в нових фізичних моделях, але це може статися і в першому випадку! Принаймні так вважає один із найавторитетніших фахівців у цій галузі, професор лондонського Королівського коледжу Джон Елліс. На його думку, відкриття «легкого» (не масивніше за 130 ГеВ) бозона Хіггса створить неприємну проблему для космології. Воно означатиме, що наш Всесвіт нестабільний і колись (можливо, навіть у будь-який момент) перейде в новий стан із меншою енергією. Тоді станеться кінець світу - у самому повному значенніцього слова. Залишається сподіватися, що або бозон Хіггса не знайдуть, або Елліс помиляється, або Всесвіт трохи почекає з самогубством.

Баріони (від грецького «баріс» – важкий) – важкі елементарні частинки, сильно взаємодіючі ферміони, що складаються з трьох кварків. Найбільш стабільні баріони - протон та нейтрон. До основних баріонів відносяться: протон (uud), антипротон, нейтрон (ddu), антинейтрон, ламбда-гіперіон, сигма-гіперіон, кси-гіперіон, омега-гіперіон.

Співробітники міжнародної колаборації DZero Національної лабораторії прискорювачів імені Фермі, яка входить до системи дослідних центрів США, відкрили нову елементарну частинку-баріон. Частка, що отримала назву «кси-бі-мінус баріон» (Ξ-b), унікальна. Це не просто черговий баріон, що містить b-кварк, а перша частка, що містить три кварки трьох різних сімейств - d-кварк, s-кварк та b-кварк.

Є в неї й інша назва - "каскад-бі". Баріон несе негативний заряд і за масою приблизно в шість разів перевищує протон (маса частки 5774 ± 0019 ГеВ).

Для реєстрації нової частки вченим довелося проаналізувати треки за п'ять років прискорювача. У результаті вдалося виявити 19 подій, які свідчили про утворення нового баріону.

До цього вчені вже отримували баріон, що складається з трьох різних кварків - лямбда-бі баріон, що складається з u-, d-і b-кварка, проте містить кварки тільки двох поколінь (див. вріз).

Таким чином, уперше за всю історію фізики високих енергій виявлено баріон, що складається з кварків трьох поколінь чи родин. Каскад-бі складається з одного d-кварка («нижній» кварк, що відноситься до першого сімейства), одного s-кварка («дивний» кварк, друге сімейство) та одного b-кварка («чарівний» кварк, третє сімейство). Саме тому нова частка Ξ-b по-справжньому унікальна.

Цікаво, що хоча колаборація базується у Фермілабі, що володіє потужним прискорювачем Теватрон, нинішнє відкриття зроблено в Європі - на Великому електрон-позитронному колайдері в ЦЕРНі (LEP)

Таким чином, вчені продовжують пошуки на «другому поверсі» баріонної піраміди, відкриваючи баріони, що містять один «чарівний» або «дно»-кварк (b).

Вперше такі частки отрималатеж команда із Фермілаба. Минулого року Міжнародна колаборація CDF, яка проводить експерименти на базі Національної прискорювальної лабораторії імені Фермі міністерства енергетики США (Department of Energy's Fermi National Accelerator Laboratory), оголосила про відкриття двох нових елементарних частинок, що відносяться до класу барліонів. Σ-b.

В експериментах фізики зіштовхували протони з антипротонами, розганяючи їх на найпотужнішому зараз прискорювачі Теватрон.

На цьому прискорювачі проводяться експерименти при зіткненні пучка протонів, що мають енергію 1 ТеВ, із зустрічним пучком антипротонів тієї ж енергії. При зіткненні з такою енергією виникав b-кварк, який потім, взаємодіючи з кварками протонів та антипротонів, утворював дві нові частки.

Експеримент зареєстрував 103 події, пов'язані з народженням позитивно заряджених u-u-b частинки(Σ+b) та 134 народження негативно заряджених d-d-b частинки(?-b). Для виявлення такої кількості подій вченим довелося проаналізувати треки від 100 трлн зіткнень за п'ять років роботи Теватрона.

Приблизно 1000 секунд (для вільного нейтрона) до мізерно малої частки секунди (від 10 −24 до 10 −22 з для резонансів).

Будова та поведінка елементарних частинок вивчається фізикою елементарних частинок.

Усі елементарні частинки підпорядковуються принципу тотожності (всі елементарні частинки одного виду у Всесвіті повністю однакові за всіма своїми властивостями) та принципом корпускулярно-хвильового дуалізму (кожній елементарній частинці відповідає хвиля де-Бройля).

Всі елементарні частинки мають властивість взаємоперетворюваності, що є наслідком їх взаємодій: сильної, електромагнітної, слабкої, гравітаційної. Взаємодії частинок викликають перетворення частинок та їх сукупностей на інші частинки та їх сукупності, якщо такі перетворення не заборонені законами збереження енергії, імпульсу, моменту кількості руху, електричного заряду, баріонного заряду та ін.

Основні характеристики елементарних частинок:час життя, маса, спин, електричний заряд, магнітний момент, баріонний заряд, лептонний заряд, дивність, ізотопічний спин, парність, зарядова парність, G-парність, CP-парність.

Класифікація

За часом життя

  • Стабільні елементарні частинки - частинки, що мають нескінченно великий час життя у вільному стані (протон, електрон, нейтрино, фотон та їх античастинки).
  • Нестабільні елементарні частинки - частки, що розпадаються інші частки у вільному стані за кінцевий час (всі інші частки).

За масою

Всі елементарні частинки поділяються на два класи:

  • Безмасові частки - частки з нульовою масою (фотон, глюон).
  • Частинки з ненульовою масою (всі інші частки).

За величиною спина

Всі елементарні частинки поділяються на два класи:

За видами взаємодій

Елементарні частинки поділяються на такі групи:

Складові частинки

  • Адрони - частки, що беруть участь у всіх видах фундаментальних взаємодій. Вони складаються з кварків і поділяються, своєю чергою, на:
    • мезони - адрони з цілим спином , тобто бозонами ;
    • баріони - адрони з напівцілим спином, тобто ферміони. До них, зокрема, відносяться частинки, що становлять ядро ​​атома - протон і нейтрон.

Фундаментальні (безструктурні) частинки

  • Лептони - ферміони, які мають вигляд точкових частинок (тобто ні з чого не складаються) аж до масштабів порядку 10 -18 м. Не беруть участі в сильних взаємодіях. Участь в електромагнітних взаємодіях експериментально спостерігалося лише заряджених лептонів (електрони , мюони , тау-лептони) і спостерігалося для нейтрино . Відомі 6 типів лептонів.
  • Кварки - дробозаряджені частинки, що входять до складу адронів. У вільному стані не спостерігалися (для пояснення відсутності таких спостережень запропоновано механізм конфайнменту). Як і лептони, діляться на 6 типів і вважаються безструктурними, проте, на відміну від лептонів, беруть участь у сильній взаємодії.
  • Калібрувальні бозони - частки, за допомогою обміну якими здійснюються взаємодії:
    • фотон - частка, що переносить електромагнітну взаємодію;
    • вісім глюонів - частинок, що переносять сильну взаємодію;
    • три проміжні векторні бозони W + , W− і Z 0, що переносять слабку взаємодію;
    • гравітон - гіпотетична частка, що переносить гравітаційну взаємодію. Існування гравітонів, хоча поки що не доведено експериментально у зв'язку зі слабкістю гравітаційної взаємодії, вважається цілком імовірним; однак гравітон не входить до стандартної моделі елементарних частинок.

Розміри елементарних частинок

Незважаючи на велику різноманітність елементарних частинок, їх розміри укладаються у дві групи. Розміри адронів (як баріонів, так і мезонів) становлять близько 10 -15 м, що близько до середньої відстані між кварками, що входять до них. Розміри фундаментальних, безструктурних частинок - калібрувальних бозонів, кварків і лептонів - у межах похибки експерименту узгоджуються з їх точковістю (верхня межа діаметра становить близько 10 -18 м) див. пояснення). Якщо в подальших експериментах остаточні розміри цих частинок не будуть виявлені, то це може свідчити про те, що розміри калібрувальних бозонів, кварків і лептонів близькі до фундаментальної довжини (яка, можливо, може виявитися планковською довжиною 1,6·10 −35 м). .

Слід зазначити, однак, що розмір елементарної частки є досить складною концепцією, яка не завжди узгоджується з класичними уявленнями. По-перше, принцип невизначеності не дозволяє суворо локалізувати фізичну частинку. Хвильовий пакет , що представляє частку як суперпозицію точно локалізованих квантових станів , завжди має кінцеві розміри і певну просторову структуру, причому розміри пакета можуть бути цілком макроскопічними - наприклад, електрон в експерименті з інтерференцією на двох щілинах «відчуває» обидві щілини інтерферометра, рознесені на макроскоп . По-друге, фізична частка змінює структуру вакууму навколо себе, створюючи «шубу» з короткочасно існуючих віртуальних частинок – ферміон-антиферміонних пар (див. Поляризація вакууму) та бозонів-переносників взаємодій. Просторові розміри цієї області залежать від калібрувальних зарядів, якими володіє частка, і від мас проміжних бозонів (радіус оболонки з масивних віртуальних бозонів близький до їхньої комптонівської довжини хвилі, яка, у свою чергу, обернено пропорційна їх масі). Так, радіус електрона з погляду нейтрино (між ними можлива лише слабка взаємодія) приблизно дорівнює комптонівській довжині хвилі W-бозонів ~3×10 −18 м , а розміри області сильної взаємодії адрону визначаються комптонівської довжиною хвилі найлегшого з адронів, пі-мезона (~10 -15 м), що виступає тут як переносник взаємодії.

Історія

Спочатку термін «елементарна частка» мав на увазі щось абсолютно елементарне, першоцеглину матерії. Однак, коли в 1950-х і 1960-х роках були відкриті сотні адронів зі схожими властивостями, стало ясно, що принаймні адрони мають внутрішні ступеня свободи, тобто не є в строгому сенсі слова елементарними. Ця підозра надалі підтвердилася, коли з'ясувалося, що адрони складаються з кварків.

Таким чином, фізики просунулися ще трохи вглиб будови речовини: елементарними, точковими частинами речовини зараз вважаються лептони і кварки. Для них (разом з калібрувальними бозонами) застосовується термін « фундаментальнічастинки».

В теорії струн, що активно розробляється приблизно з середини 1980-х, передбачається, що елементарні частинки та їх взаємодії є наслідками різних видівколивань особливо малих «струн».

Стандартна модель

Стандартна модель елементарних частинок включає 12 ароматів ферміонів, відповідні їм античастинки, а також калібрувальні бозони (фотон, глюони, W- І Z-бозони), які переносять взаємодії між частинками, та виявлений у 2012 році бозон Хіггса, який відповідає за наявність інертної маси у частинок. Однак Стандартна модель значною мірою розглядається швидше як теорія тимчасова, а не дійсно фундаментальна, оскільки вона не включає гравітацію і містить кілька десятків вільних параметрів (маси частинок і т. д.), значення яких не випливають безпосередньо з теорії. Можливо, існують елементарні частинки, які не описуються Стандартною моделлю - наприклад, такі як гравітон (частка, що гіпотетично переносить гравітаційні сили) або суперсиметричні партнери звичайних частинок. Усього модель описує 61 частинку.

Ферміони

12 ароматів ферміонів поділяються на 3 сімейства (покоління) по 4 частинки у кожному. Шість із них - кварки. Інші шість - лептони, три з яких є нейтрино, а три несуть одиничний негативний заряд: електрон, мюон і тау-лептон.

Покоління частинок
Перше покоління Друге покоління Третє покоління
Електрон: e − Мюон: μ − Тау-лептон: τ −
Електронне нейтрино: ν e Мюонне нейтрино: ν μ Тау-нейтрино: ν τ (\displaystyle \nu _(\tau ))
u-кварк («верхній»): u c-кварк («зачарований»): c t-кварк («істинний»): t
d-кварк («нижній»): d s-кварк («дивний»): s b-кварк («чарівний»): b

Античастинки

Також існують 12 ферміонних античастинок, що відповідають вищезгаданим дванадцяти частинкам.

Античастинки
Перше покоління Друге покоління Третє покоління
позитрон: e+ Позитивний мюон: μ + Позитивний тау-лептон: τ +
Електронне антинейтрино: ν e (\displaystyle (\bar (\nu ))_(e)) Мюоне антинейтрино: ν μ (\displaystyle (\bar (\nu ))_(\mu )) Тау-антинейтрино: ν τ (\displaystyle (\bar (\nu ))_(\tau ))
u-антикварк: u ¯ (\displaystyle (\bar(u))) c-антикварк: c ¯ (\displaystyle (\bar(c))) t-антикварк: t ¯ (\displaystyle (\bar (t)))
d-антикварк: d ¯ (\displaystyle (\bar(d))) s-антикварк: s ¯ (\displaystyle (\bar(s))) b-антикварк: b ¯ (\displaystyle (\bar (b)))

Кварки

Кварки та антикварки ніколи не були виявлені у вільному стані – це пояснюється явищем

Альфа(а)-промені- Позитивно заряджені іони гелію (Не ++), що вилітають з атомних ядер зі швидкістю 14 000-20 000 км/год. Енергія частинок складає 4-9 MeV. а-випромінювання спостерігається, як правило, у важких і переважно природних радіоактивних елементів (радій, торій та ін.). Величина пробігу а-частки у повітрі зростає зі збільшенням енергії а-випромінювання.

Так наприклад, а-частки торію(Th232), що мають енергію 3,9в MeV, в повітрі пробігають 2,6 см, а а-частинки радію З з енергією 7,68 MeV мають пробіг 6,97 см. Мінімальна товщина поглинача, необхідна для повного поглинання частинок, називається пробігом цих частинок у цій речовині. Пробіги а-часток у воді та тканині становлять величини 0,02-0,06 мм.

а-часткипоглинаються повністю листком цигаркового паперу або тонким шаром алюмінію. Одним з найважливіших властивостейа-випромінювання є сильною іонізуючою дією. На шляху руху а-частка у газах утворює величезну кількість іонів. Наприклад, у повітрі при 15° та 750 мм тиску одна а-частка дає 150 000-250000 пар іонів залежно від її енергії.

Так, наприклад, питома іонізація у повітрі а-часток від радону, Що мають енергію 5,49 MeV, становить 2500 пар іонів на 1 мм шляху. Щільність іонізації наприкінці пробігу а-частинок зростає, тому уражуваність клітин наприкінці пробігу приблизно 2 разу більше, ніж на початку пробігу.

Фізичні властивостіа-частоквизначають особливості їх біологічної дії на організм та способи захисту від цього виду випромінювання. Зовнішнє опромінення а-променями не становить небезпеки, оскільки достатньо відійти від джерела на кілька (10-20) сантиметрів або встановити найпростіший екран з паперу, тканини, алюмінію та інших звичайних матеріалів, щоб випромінювання було повністю поглинене.

Найбільшу небезпека а-променіпредставляють при попаданні та відкладення всередині радіоактивних а-випромінюючих елементів. У цих випадках відбувається безпосереднє опромінення а-променями клітин та тканин організму.

Бета(b)-промені- Потік електронів, що викидаються з атомних ядер зі швидкістю приблизно 100 000-300 000 км/сек. Максимальна енергія р-часток знаходиться у межах від 0,01 до 10 MeV. Заряд b-частинки за знаком і величиною дорівнює заряду електрона. Радіоактивні перетворення типу b-розпаду широко поширені серед природних та штучних радіоактивних елементів.

b-променімають значно більшу проникаючу здатність Але порівняно з а-променями. Залежно від енергії b-променів їх пробіг у повітрі становить від часток міліметра до кількох метрів. Так, пробіг b-часток з енергією 2-3 MeV у повітрі становить 10-15 м, а у воді та тканині вимірюється міліметрами. Наприклад, пробіг b-частинок, що випускаються радіоактивним фосфором (Р32) з максимальною енергією 1,7 MeV, у тканині дорівнює 8 мм.

b-частка з енергією, Що дорівнює 1 MeV, може утворити на своєму шляху в повітрі близько 30 000 пар іонів. Іонізуюча здатність b-часток у кілька разів менша, ніж така а-часток тієї ж енергії.

Вплив b-променівна організм може проявлятися як при зовнішньому, так і при внутрішньому опроміненні у разі потрапляння в організм активних речовин, що випромінюють b-частинки. Для захисту від b-променів при зовнішньому опроміненні необхідне застосування екранів із матеріалів (скло, алюміній, свинець та ін.). Інтенсивність випромінювання можна знизити збільшенням відстані джерела.

З чого складаються ядра? Чим частини ядра утримуються разом? Виявлено, що є сили величезної величини, які й утримують складові ядра. Коли ці сили вивільняються, то енергія, що виділяється, порівняно з хімічною енергією величезна, це все одно, що порівняти вибух атомної бомби з вибухом тротилу. Пояснюється це тим, що атомний вибух викликаний змінами всередині ядра, тоді як під час вибуху тротилу перебудовуються лише електрони зовнішньої оболонці атома.

Тож які сили, якими нейтрони і протони скріплені в ядрі?

Електричну взаємодію пов'язують із часткою - фотоном. Аналогічно цьому Юкава припустив, що сили тяжіння між протоном і нейтроном мають поле особливого роду, а коливання цього поля поводяться як частинки. Отже, не виключено, що крім нейтронів і протонів, у світі існують деякі інші частинки. Юкава зумів вивести властивості цих частинок з відомих характеристик ядерних сил. Наприклад, він передбачив, що вони повинні мати масу, в 200-300 разів більшу, ніж електрон. І-о, диво! - У космічних променях якраз відкрили частинку з такою масою! Втім, згодом з'ясувалося, що це зовсім не та частка. Назвали її μ-мезон, або мюон.

І все-таки трохи пізніше, в 1947 чи 1948 р., виявилася частка-π-мезон, чи півонія,- яка б задовольняла вимогам Юкавы. Виходить, щоб отримати ядерні сили, до протону та нейтрону треба додати півонія. "Прекрасно! - Вигукнете ви. - За допомогою цієї теорії ми тепер збудуємо квантову ядродинаміку, і півонії послужать тим цілям, заради яких їх запровадив Юкава; подивимося, чи запрацює ця теорія, і якщо так, то пояснимо все». Марні надії! З'ясувалося, що розрахунки в цій теорії настільки складні, що нікому ще не вдалося їх зробити і витягти з теорії будь-які наслідки, нікому не випала удача порівняти її з експериментом. І тягнеться це вже майже 20 років!

З теорією щось клеїться; ми не знаємо, вірна вона чи ні; втім, ми вже знаємо, що в ній чогось не дістає, що якісь неправильності в ній таяться. Поки ми тупцювали навколо теорії, намагаючись вирахувати слідства, експериментатори за цей час дещо відкрили. Ну, той самий μ-мезон, або мюон. А ми досі не знаємо, на що він годиться. Знову ж таки, в космічних променях знайшли безліч «зайвих» частинок. До сьогодення їх уже понад 30, а зв'язок між ними все ще важко вхопити, і незрозуміло, чого природа від них хоче і хто з них від кого залежить. Перед нами всі ці частки поки що не постають як різні прояви однієї й тієї ж сутності, і той факт, що є купа розрізнених частинок, є лише відображенням наявності безладної інформації без стерпної теорії. Після незаперечних успіхів квантової електродинаміки - якийсь набір відомостей з ядерної фізики, уривки знань, напівдослідних-напівтеоретичних. Задаються, скажімо, характером взаємодії протона з нейтроном і дивляться, що з цього вийде, насправді не розуміючи, звідки ці сили беруться. Понад описане ніяких особливих успіхів не відбулося.


Але хімічних елементівадже теж було безліч, і раптом між ними вдалося побачити зв'язок, виражений періодичною таблицею Менделєєва. Скажімо, калій і натрій – речовини, близькі за хімічними властивостями, – у таблиці потрапили в один стовпець. Так ось, спробували спорудити таблицю типу таблиці Менделєєва і нових частинок. Одна подібна таблиця була запропонована незалежно Гелл-Манном у США та Нішиджимою у Японії. Основа їхньої класифікації - нове число, на кшталт електричного заряду. Воно присвоюється кожній частинці і називається її «дивовиною» S. Число це не змінюється (як і електричний заряд) у реакціях, вироблених ядерними силами.

У табл. 2.2 наведено нові частки. Ми не будемо поки що докладно говорити про них. Але з таблиці, принаймні, видно, як мало ми ще знаємо. Під символом кожної частинки стоїть її маса, виражена в певних одиницях, званих мегаелектронвольт, або Мев (1 Мев-це 1,782 * 10 -27 г). Не входитимемо до історичних причин, які змусили ввести цю одиницю. Частинки помасивніше стоять у таблиці вище. В одній колонці стоять частинки однакового електричного заряду, нейтральні – посередині, позитивні – праворуч, негативні – ліворуч.

Частинки підкреслені суцільною лінією, «резонанси» – штрихами. Деяких частинок у таблиці немає зовсім: немає фотона і гравітону, дуже важливих частинок з нульовими масою і зарядом (вони не потрапляють в баріон-мезон-лептонну схему класифікації), немає і нових резонансів (φ, f, Y* та ін. .). Античастинки мезонів у таблиці наводяться, а для античастинок лептонів і баріонів треба було б скласти нову таблицю, подібну до цієї, але тільки дзеркально відбиту щодо нульової колонки. Хоча всі частинки, крім електрона, нейтрино, фотона, гравітону та протона, нестійкі, продукти їхнього розпаду написані тільки для резонансів. Дивність лептонів теж не написана, тому що це поняття до них не застосовується – вони не взаємодіють сильно з ядрами.

Частинки, що стоять разом із нейтроном та протоном, називають баріонами. Це «лямбда» з масою 1115,4 Мев та три інші-«сигми», звані сигма-мінус, сигма-нуль, сигма-плюс, з майже однаковими масами. Групи часток майже однакової маси (відмінність на 1-2%) називаються мул'типлетами. У всіх частинок у мультиплеті дивина однакова. Перший мультиплет – це пара (дублет) протон – нейтрон, потім йде синглет (одиначка) лямбда, потім – триплет (трійка) сигм, дублет ксі та синглет омега-мінус. Починаючи з 1961 р. почали відкривати нові важкі частки. Але чи частинки вони? Живуть вони так мало (розпадаються, щойно виникнувши), що невідомо, чи назвати їх новими частинками або вважати «резонансною» взаємодією між їхніми продуктами розпаду, скажімо, Λ і π при певній фіксованій енергії.

Для ядерних взаємодій, крім баріонів, потрібні інші частки - мезони. Це, по-перше, три різновиди півонії (плюс, нуль і мінус), що утворюють новий триплет. Знайдені й нові частки - К-мезони (це дублет К+ та К 0 ). У кожної частки буває античастка, якщо тільки частка не виявляється своєю власною античасткою, скажімо π+ і π - - античастинки один одного, a π 0 -сам собі античастка. Античастинки та К- з К + і К 0 з К 0 `. Крім того, після 1961 р. ми почали відкривати нові мезони, або ніби-мезони, що розпадаються майже миттєво. Одна така дивина називається омега, ω, її маса 783, вона перетворюється на три півонії; є й інше утворення, з якого виходить пара півонів.

Подібно до того, як з дуже вдалої таблиці Менделєєва випали деякі рідкісні землі, так само з нашої таблиці випадають деякі частинки. Це ті частки, які з ядрами сильно не взаємодіють, до ядерної взаємодії відношення не мають і між собою теж не взаємодіють (під сильним розуміється потужний тип взаємодії, що дає атомну анергію). Називаються ці частинки лептонів; до них відносяться електрон (дуже легка частка з масою 0,51 Мев) і мюон (з масою в 206 разів більше за масу електрона). Наскільки ми можемо судити з усіх експериментів, електрон та мюон відрізняються лише масою. Всі властивості мюона, всі його взаємодії нічим не відрізняються від властивостей електрона - тільки один важчий за інший. Чому він важчий, яка йому від цього користь, ми не знаємо. Крім них, є ще нейтральний внесок - нейтрино, з масою нуль. Більше того, зараз відомо, що є два сорти нейтрино: одні пов'язані з електронами, інші - з мюонами.

І нарешті, існують ще дві частинки, які теж з ядрами не взаємодіють. Одну ми знаємо вже – це фотон; а якщо поле тяжіння також має квантовомеханічні властивості (хоча поки квантова теорія тяжіння не розроблена), то, можливо, існує і частка гравітон з масою нуль.

Що таке "маса нуль"? Маси, які ми наводили, це маси частинок, що спокою. Якщо у частинки маса нуль, то це означає, що вона не сміє спочивати. Фотон ніколи не стоїть на місці, швидкість його завжди дорівнює 300 000 км/сек. Ми з вами ще розберемося в теорії відносності і спробуємо глибше вникнути у зміст поняття маси.

Отже, ми зустрілися з цілим ладом частинок, які всі разом, мабуть, є дуже основною частиною речовини. На щастя, ці частинки не всі відрізняються за своєю взаємодією одна від одної. Мабуть, є лише чотири типи взаємодій між ними. Перерахуємо їх у порядку спадної сили: ядерні сили, електричні взаємодії, (β-розпадна взаємодія і тяжіння. Фотон взаємодіє з усіма зарядженими частинками з силою, що характеризується деяким постійним числом 1/137. Детальний закон зв'язку відомий - це квантова електродинаміка. Тяжіння взаємодіє з будь-якою енергією, але надзвичайно слабко, куди слабше, ніж електрика, і цей закон відомий, потім йдуть так звані слабкі розпади: β-розпад, через який нейтрон розпадається досить повільно на протон, електрон і нейтрино. лише частково А так звана сильна взаємодія (зв'язок мезону з баріоном) має за цією шкалою силою, що дорівнює одиниці, а закон його зовсім темний, хоч і відомі деякі правила, на кшталт того, що кількість баріонів в жодній реакції не змінюється.

Становище, у якому перебуває сучасна фізика, слід вважати жахливим. Я б підсумував його такими словами: поза ядром ми, мабуть, знаємо все; всередині нього справедлива квантова механіка, порушень її принципів не знайдено.

Сцена, на якій діють усі наші знання, - це релятивістський простір-час; Ймовірно, що з нею пов'язане й тяжіння. Ми не знаємо, як почався Всесвіт, і ми жодного разу не ставили дослідів з метою точної перевірки наших уявлень про простір-час на малих відстанях, ми тільки знаємо, що поза цими відстанями наші погляди безпомилкові. Можна було б ще додати, що правила гри – це принципи квантової механіки; і до нових частинок вони, наскільки нам відомо, придатні не гірше, ніж до старих. Пошуки походження ядерних сил призводять до нових частинок; але всі ці відкриття викликають лише збентеження. Ми не маємо повного розуміння їхніх взаємних відносин, хоча в деяких разючих зв'язках між ними ми вже переконалися. Ми, мабуть, поступово наближаємося до розуміння світу заатомних частинок, але невідомо, наскільки далеко ми пішли цим шляхом.