Головна
Банківська справа  |  БЖД  |  Біографії  |  Біологія  |  Біохімія  |  Ботаніка та с/г  |  Будівництво  |  Військова кафедра  |  Географія  |  Геологія  |  Екологія  |  Економіка  |  Етика  |  Журналістика  |  Історія техніки  |  Історія  |  Комунікації  |  Кулінарія  |  Культурологія  |  Література  |  Маркетинг  |  Математика  |  Медицина  |  Менеджмент  |  Мистецтво  |  Моделювання  |  Музика  |  Наука і техніка  |  Педагогіка  |  Підприємництво  |  Політекономія  |  Промисловість  |  Психологія, педагогіка  |  Психологія  |  Радіоелектроніка  |  Реклама  |  Релігія  |  Різне  |  Сексологія  |  Соціологія  |  Спорт  |  Технологія  |  Транспорт  |  Фізика  |  Філософія  |  Фінанси  |  Фінансові науки  |  Хімія

Елементарні частинки - Фізика

Міністерство Російської Федерації

Саратовський Юридичний інститут

Самарський філія

кафедра ПІ і ПКТРП

Реферат

На тему:" Елементарні частинки"

Виконав: курсант 421 уч.группы

рядової міліції

Сизоненко А.А.

Перевірив: викладач кафедри

Ковалів С.І.

Самара 2002

План

1) Вступ.

2) Короткі історичні відомості.

3) Основні властивості елементарних частинок. Класи взаємодій.

4) Характеристики елементарних частинок.

5) Класифікація елементарних частинок.

а) Унітарна симетрія.

б) Кваркова модель адронів

6) Елементарні частинки і квантова теорія поля.

7) Висновок. Деякі загальні проблеми теорії елементарних частинок.

Вступ.

Е. ч. в точному значенні цього терміну - первинні, далі нерозкладні частинки, з яких, по припущенню, складається вся матерія. У понятті "Е. ч." в сучасній фізиці знаходить вираження ідея про первісні сутності, що визначають всі відомі властивості матеріального світу, ідея, що зародилася на ранніх етапах становлення природознавства і що завжди грала важливу роль в його розвитку.

Понятіє "Э. ч." сформувалося в тісному зв'язку з встановленням дискретного характеру будови речовини на мікроскопічному рівні. Виявлення на рубежі 19-20 вв. найдрібніших носіїв властивостей речовини - молекул і атомів - і встановлення того факту, що молекули побудовані з атомів, уперше дозволило описати всі відомі речовини як комбінації кінцевого, хоч і великого, числа структурних складових - атомів. Виявлення надалі наявності складових складаючих атомів - електронів і ядер, встановлення складної природи ядер, що виявилися побудованими усього з двох типів частинок (протонів і нейтронів), істотно зменшило кількість дискретних елементів, що формують властивості речовини, і дало основу передбачати, що ланцюжок складових частин матерії завершується дискретними бесструктурными освітами - Е. ч. Таке припущення, взагалі говорячи, є екстраполяцією відомих фактів і скільки-небудь суворе обгрунтовано бути не може. Не можна з упевненістю затверджувати, що частинки, елементарні в значенні приведеного визначення, існують. Протони і нейтрони, наприклад, тривалий час Е. ч., що вважалися, як з'ясувалося, мають складну будову. Не виключена можливість того, що послідовність структурних складових матерії принципово нескінченна. Може виявитися також, що твердження "складається з..." на якомусь рівні вивчення матерії виявиться позбавленим змісту. Від даного вище визначення "элементарности" в цьому випадку доведеться відмовитися. Существованіє Э. ч. - це свого роду постулат, і перевірка його справедливості - одна з найважливіших задач фізики.

Термін "Э. ч." часто вживається в сучасній фізиці не в своєму точному значенні, а менш суворо - для найменування великої групи найдрібніших частинок матерії, підлеглих умові, що вони не є атомами або атомними ядрами (виключення складає найпростіше ядро атома водня - протон). Як показали дослідження, ця група частинок надзвичайно обширна. Крім згадуваних протона (р), нейтрона (n) і електрона (е-) до неї відносяться:)(фотон (g), пі-мезони (р), мюон (m), нейтрино трьох типів (електронне ve, мюонне vmи пов'язане з т.)(н.)(важким лептоном vt), т. н. дивні частинки (До-мезони і гіперони), різноманітні резонанси, відкриті в 1974-77 у-частинки, "зачаровані" частинки, ипсилон-частинки (¡) і важкі лептони (t+, t-) - всього більше за 350 частинок, в основному нестабільних.)(Число частинок, що включаються в цю групу, продовжує зростати і, швидше усього, необмежено велике;)(при цьому більшість перерахованих частинок не задовольняє суворому визначенню элементарности, оскільки, по сучасних уявленнях, вони є складовими системами (див. нижче).)(Використання назви "Е. ч.)(" до всіх цих частинок має історичні причини і пов'язане з тим періодом досліджень (початок 30-х рр. 20 в.), коли єдино відомими представниками даної групи були протон, нейтрон, електрон і частинка електромагнітного поля - фотон.)(Ці чотири частинки тоді природно було вважати елементарними, т.)(до.)(вони служили основою для побудови навколишньої нас речовини і взаємодіючого з ним електромагнітного поля, а складна структура протона і нейтрона не була відома.)(

Відкриття нових мікроскопічних частинок матерії поступово зруйнувало цю просту картину.)(Знову виявлені частинки, однак, в багатьох відносинах були близькі до перших чотирьох відомих частинок.)(Об'єднуюча їх властивість полягає в тому, що всі вони є специфічними формами існування матерії, не асоційованої в ядра і атоми (іноді з цієї причини їх називають "субъядерными частинками").)(Поки кількість таких частинок була не дуже велика, зберігалося переконання, що вони грають фундаментальну роль в будові матерії, і їх відносили до категорії Е. ч.)(Наростання числа субъядерных частинок, виявлення у багатьох з них складної будови показало, що вони, як правило, не володіють властивостями элементарности, але традиційна назва "Е. ч.)(" за ними збереглося.)(

В відповідності з чим склався практикою термін "Е. ч.)(" буде вживатися нижче в якості загального назв.)(субъядерных частинок.)(В тих випадках), коли мова буде йти про частинки, що претендують на роль первинних елементів матерії, при необхідності буде використовуватися термін "істинний Е. ч.".

Короткі історичні відомості.

Откритіє Э. ч. з'явилося закономірним результатом загальних успіхів у вивченні будови речовини, досягнутих фізикою в кінці 19 в. Воно було підготовлене всебічними дослідженнями оптичних спектрів атомів, вивченням електричних явищ в рідинах і газах, відкриттям фотоэлектричества, рентгенівських променів, природної радіоактивності, що свідчили про існування складної структури матерії.

Історично першої відкритої Е. ч. був електрон - носій негативного елементарного електричного заряду в атомах. У 1897 Дж. Дж. Томсон встановив, що т. н. катодні промені освічені потоком найдрібніших частинок, які були названі електронами. У 1911 Е. Резерфорд, пропускаючи альфа-частки від природного радіоактивного джерела через тонку фольгу різних речовин, з'ясував, що позитивний заряд в атомах зосереджений в компактних освітах - ядрах, а в 1919 виявив серед частинок, вибитих з атомних ядер, протони - частинки з одиничним позитивним зарядом і масою, в 1840 раз що перевищує масу електрона. Інша частинка, вхідна до складу ядра, - нейтрон - була відкрита в 1932 Дж. Чедвиком при дослідженнях взаємодії а-частинок з бериллием. Нейтрон має масу, близьку до маси протона, але не володіє електричним зарядом. Відкриттям нейтрона завершилося виявлення частинок - структурних елементів атомів і їх ядер.

Висновок про існування частинки електромагнітного поля - фотона - бере свій початок з роботи М. Планка (1900). Передбачивши, що енергія електромагнітного випромінювання абсолютно чорного тіла квантованна, Планк отримав правильну формулу для спектра випромінювання. Розвиваючи ідею Планка, А. Ейнштейн (1905) постулював, що електромагнітне випромінювання (світло) насправді є потоком окремих квантів (фотонів), і на цій основі пояснив закономірності фотоефекту. Прямі експериментальні докази існування фотона були дані Р. Міллікеном (1912- 1915) і А. Комптоном (1922; див. Комптона ефект).

Відкриття нейтрино - частинки, майже не взаємодіючої з речовиною, веде свій початок від теоретичної здогадки В. Паулі (1930), що дозволила за рахунок припущення про народження такої частинки усунути труднощі із законом збереження енергії в процесах бети-розпаду радіоактивних ядер. Експериментально існування нейтрино було підтверджене лише в 1953 (Ф. Райнес і До Коуен, США).

З 30-х і до початку 50-х рр. вивчення Е. ч. було тісно пов'язано з дослідженням космічних променів. У 1932 в складі космічних променів К. Андерсоном був виявлений позитрон (е+) - частинка з масою електрона, але з позитивним електричним зарядом. Позитрон був першою відкритою античастинкою (див. нижче). Існування е+безпосередньо витікало з релятивістської теорії електрона, розвиненої П. Діраком (1928-31) незадовго виявлення позитрона. У 1936 американські фізики К. Андерсон і С. Неддермейер виявили при дослідженні осмических променів мюон (обох знаків електричного заряду) - частинки з масою приблизно в 200 маси електрона, а в іншому дивно близькі по властивостях до е-, е+.

У 1947 також в космічних променях групою С. Пауелла були відкриті р+і р--мезони з масою в 274 електронну масу, що грає важливу роль у взаємодії протонів з нейтронами в ядрах. Існування подібних частинок було передбачене Х. Юкавой в 1935.

Кінець 40-х - початок 50-х рр. ознаменувалися відкриттям великої групи частинок з незвичайними властивостями, "дивних, що отримали назву ". Перші частинки цієї групи До+- і До--мезони, L-, S+-, S--, X--гіперони були відкриті в космічних променях, подальші відкриття дивних частинок були зроблені на прискорювачах - установках, що створюють інтенсивні потоки швидких протонів і електронів. При зіткненні з речовиною прискорені протони і електрони народжують нові Е. ч., які і стають предметом вивчення.

З початку 50-х рр. прискорювачі перетворилися в основний інструмент для дослідження Е. ч. У 70-х рр. енергії частинок, розігнаних на прискорювачах, склали десятки і сотні млрд. електронвольт (Гев). Прагнення до збільшення енергій частинок зумовлене тим, що високі енергії відкривають можливість вивчення будови матерії на тим менших відстанях, ніж вище енергія частинок, що стикаються. Прискорювачі істотно збільшили темп отримання нових даних і в короткий термін розширили і збагатили наше знання властивостей микромира. Застосування прискорювачів для вивчення дивних частинок дозволило більш детально вивчити їх властивості, зокрема особливості їх розпаду, і невдовзі привело до важливого відкриття: з'ясуванню можливості зміни характеристик деяких микропроцессов при операції дзеркального відображення (див. Просторова інверсія) - т. н. порушенню просторів. парність (1956). Введення в лад протонних прискорювачів з енергіями в мільярди эв дозволило відкрити важкі античастинки: антипротон (1955), антинейтрон (1956), антисигма-гіперони (1960). У 1964 був відкритий самий важкий гіперон W-(з масою біля двох маси протона). У 1960-х рр. на прискорювачах було відкрите велике число надто нестійких (в порівнянні з інш. нестабільними Е. ч.) частинок, що отримали назву "резонансів". Маса більшості резонансів перевищує масу протона. Перший з них D1(1232) був відомий з 1953. Виявилося, що резонанси складають основна частина Е. ч.

У 1962 було з'ясовано, що існують два різних нейтрино: електронне і мюонне. У 1964 в розпадах нейтральних До-мезонів. було виявлено незбереження т, н. комбінованої парності (чи введеної Цзун-дао і Ян Чжень-ніном і незалежно Л. Д. Ландау в 1956; див. Комбінована інверсія), що означає необхідність перегляду звичних поглядів на поведінку фізичних процесів при операції відображення часу (див. Теорема СРТ).

У 1974 були виявлені масивні (в 3-4 протонну масу) і в той же час відносно стійкі у-частинки, з часом життя, незвичайно великим для резонансів. Вони виявилися тісно пов'язаними з новим сімейством Е. ч. - "зачарованих", перші представники якого (D0, D+, Lс) були відкриті в 1976. У 1975 були отримані перші відомості про існування важкого аналога електрона і мюон (важкого лептона t). У 1977 були відкриті ¡-частинки з масою порядку десятка протонної маси.

Таким чином, за роки, минулі після відкриття електрона, було виявлене величезне число різноманітних микрочастиц матерії. Мір Э. ч. виявився досить складно влаштованим. Несподіваними в багатьох відносинах виявилися властивості виявлених Е. ч. Для їх опису, крім характеристик, запозичених з класичної фізики, таких, як електричний заряд, маса, момент кількості руху, був потрібен ввести багато нових спеціальних характеристик, зокрема для опису дивних Е. ч. - дивність (К. Нішиджіма, М. Гелл-Ман, 1953), "зачарованих" Е. ч. - "чарівність" (американські фізики Дж. Бьеркен, Ш. Глешоу, 1964); вже назви приведених характеристик відображають незвичність властивостей, що описуються ними Е. ч.

Вивчення внутрішньої будови матерії і властивостей Е. ч. з перших своїх кроків супроводилося радикальним переглядом багатьох понять, що устоялися і уявлень. Закономірності, керуючі поведінкою матерії в малому, виявилися настільки відмінними від закономірностей класичної механіки і електродинаміки, що зажадали для свого опису абсолютно нових теоретичних побудов. Такими новими фундаментальними побудовами в теорії з'явилися приватна (спеціальна) і загальна теорія відносності (А. Ейнштейн, 1905 і 1916; див. Відносність теорія, Тяжіння) і квантова механіка (1924-27; Н. Бор, Л. де Бройль, В. Гейзенберг, Е. Шредінгер, М. Борн). Теорія відносності і квантова механіка знаменували собою справжню революцію в науці про природу і заклали основи для опису явищ микромира. Однак для опису процесів, що відбуваються з Е. ч., квантової механіки виявилося недостатньо. Знадобився наступний крок - квантування класичних полів (т. н. квантування повторне) і розробка квантової теорії поля. Найважливішими етапами на шляху її розвитку були: формулювання квантової електродинаміки (П. Дірак, 1929), квантової теорії b-розпаду (Е. Фермі, 1934), сучасної теорії слабких взаємодій, що поклала початок, квантової мезодинамики (Юкава, 1935). Безпосередньою попередницею останньою була т. н. b-теорія ядерних сил (І. Е. Тамм, Д. Д. Іваненко, 1934; див. Сильні взаємодії). Цей період завершився створенням послідовного обчислювального апарату квантової електродинаміки (С. Томонага, Р. Фейнман, Ю. Швінгер; 1944-49), заснованого на використанні техніки перенормування (див. Квантова теорія поля). Ця техніка була узагальнена згодом застосовно до інших варіантів квантової теорії поля.

Квантова теорія поля продовжує розвиватися і удосконалитися і є основою для опису взаємодій Е. ч. У цієї теорії є ряд істотних успіхів, і все ж вона ще дуже далека від завершеності і не може претендувати на роль всеосяжної теорії Е. ч. Походження багатьох властивостей Е. ч. і природа властивих ним взаємодій в значній мірі залишаються неясними. Можливо, знадобиться ще не одна перебудова всіх уявлень і набагато більш глибоке розуміння взаємозв'язку властивостей микрочастиц і геометричних властивостей простору-часу, перш ніж теорія Е. ч. буде побудована.

Основні властивості елементарних частинок. Класи взаємодій.

Все Э. ч. є об'єктами виключно малої маси і розмірів. У більшості з них маса має порядок величини маси протона, рівну 1,6×10-24г (помітно менше лише маса електрона: 9×10-28г). Певні з досвіду розміри протона, нейтрона, р-мезона по порядку величини рівні 10-13см. Розміри електрона і мюон визначити не вдалося, відомо лише, що вони менше 10-15см. Мікроскопічна маса і розміри Е. ч. лежать в основі квантової специфіки їх поведінки. Характерні довжини хвиль, які потрібно приписати Е. ч. в квантовій теорії (, де - постійна Планка, m - маса частинки, з - швидкість світла) по порядку величин близькі до типових розмірів, на яких здійснюється їх взаємодія (наприклад, для р-мезона 1,4×10-13см). Це і приводить до того, що квантові закономірності є такими, що визначають для Е. ч.

Найбільш важлива квантова властивість всіх Е. ч. - їх здатність народжуватися і знищуватися (випускатися і поглинатися) при взаємодії з інш. частинками. У цьому відношенні вони повністю аналогічні фотонам. Е. ч. - це специфічні кванти матерії, більш точно - кванти відповідних фізичних полів (див. нижче). Всі процеси з Е. ч. протікають через послідовність актів їх поглинання і випущення. Тільки на цій основі можна зрозуміти, наприклад, процес народження р+-мезона при зіткненні двох протонів (р + р об р + n+ р+) або процес анігіляції електрона і позитрона, коли частинок, що замість зникли виникають, наприклад, два g-кванти (е++е-о g + g). Але і процеси пружного розсіяння частинок, наприклад е-+р об е-+ р, також пов'язані з поглинанням початкових частинок і народженням кінцевих частинок. Розпад нестабільних Е. ч. на більш легкі частинки, що супроводиться виділенням енергії, відповідає тій же закономірності і є процесом, в якому продукти розпаду народжуються в момент самого розпаду і до цього моменту не існують. У цьому відношенні розпад Е. ч. подібний розпаду збудженого атома на атом в основному стані і фотон. Прикладами розпадів Е. ч. можуть служити:; р+про m++ vm; До+про р++ p0(знаком "тильда" над символом частинки тут і надалі помічені відповідні античастинки).

Різні процеси з Е. ч. помітно відрізняються по інтенсивності протікання. Відповідно до цього взаємодії Е. ч. можна феноменологічно розділити на декілька класів: сильні, електромагнітні і слабкі взаємодії. Все Э. ч. володіють, крім того, гравітаційною взаємодією.

Сильні взаємодії виділяються як взаємодії, які породжують процеси, що протікають з найбільшою інтенсивністю серед всіх інших процесів. Вони приводять і до самої сильного зв'язку Е. ч. Саме сильні взаємодії зумовлюють зв'язок протонів і нейтронів в ядрах атомів і забезпечують виняткову міцність цих освіт, лежачу в основі стабільності речовини в земних умовах.

Електромагнітні взаємодії характеризуються як взаємодії, в основі яких лежить зв'язок з електромагнітним полем. Процеси, зумовлені ними, менш інтенсивні, ніж процеси сильних взаємодій, а зв'язок, що породжується ними Е. ч. помітно слабіше. Електромагнітні взаємодії, зокрема, відповідальні за зв'язок атомних електронів з ядрами і зв'язок атомів в молекулах.

Слабкі взаємодії, як показує саму назву, викликають дуже повільно протікаючі процеси з Е. ч. Ілюстрацією їх малої інтенсивності може служити той факт, що нейтрино, що володіє тільки слабкими взаємодіями, безперешкодно пронизує, наприклад, товщу Землі і Сонця. Слабкі взаємодії зумовлюють також повільні розпади т. н. квазистабильных Э. ч. Часи життя цих частинок лежать в діапазоні 10-8-10-10сек, тоді як типові часи для сильних взаємодій Е. ч. становлять 10-23-10-24сек.

Гравітаційні взаємодії, добре відомі по своїх макроскопічних виявах, у випадку Е. ч. на характерних відстанях ~10-13см дають надзвичайно малі ефекти через малість маси Е. ч.

Силу різних класів взаємодій можна приблизно охарактеризувати безрозмірними параметрами, пов'язаними з квадратами констант відповідних взаємодій. Для сильних, електромагнітних, слабких і гравітаційних взаємодій протонів при середній енергії процесу ~1 Гев ці параметри співвідносяться як 1:10-2: l0-10:10-38. Необхідність вказівки середньої енергії процесу пов'язана з тим, що для слабких взаємодій безрозмірний параметр залежить від енергії. Крім того, самі інтенсивності різних процесів по-різному залежать від енергії. Це приводить до того, що відносна роль різних взаємодій, взагалі говорячи, міняється із зростанням енергії взаємодіючих частинок, так що розділення взаємодій на класи, засноване на порівнянні інтенсивностей процесів, надійно здійснюється при не дуже високих енергіях. Різні класи взаємодій мають, однак, і іншу специфіку, пов'язану з різними властивостями їх симетрії (див. Симетрія в фізиці), яка сприяє їх розділенню і при більш високих енергіях. Чи Збережеться таке ділення взаємодій на класи в межі самих великих енергій, поки залишається неясним.

У залежності від участі в тих або інакших видах взаємодій все вивчені Е. ч., за винятком фотона, розбиваються на дві основні групи: адрони (від грецького hadros - великий, сильний) і лептони (від грецького leptos - дрібний, тонкий, легкий). Адрони характеризуються передусім тим, що вони володіють сильними взаємодіями, нарівні з електромагнітними і слабими, тоді як лептони беруть участь тільки в електромагнітних і слабких взаємодіях. (Наявність загальних для тієї і іншої групи гравітаційних взаємодій мається на увазі.) Маса адронів по порядку величини близька до маси протона (тр); мінімальну масу серед адронів має р-мезон: тр'м 1/7×тр. Маса лептонів, відомих до 1975-76, були невелики (0,1 mp), однак новітні дані, видимо, вказують на можливість існування важких лептонів з такою ж масою, як у адронів. Першими дослідженими представниками адронів були протон і нейтрон, лептонів - електрон. Фотон, що володіє тільки електромагнітними взаємодіями, не може бути віднесений ні до адронів, ні до лептонів і повинен бути виділений в отд. групу. По уявленнях, що розвиваються в 70-х рр. фотон (частинка з нульовою масою спокою) входить до однієї групи з дуже масивними частинками - т. н. проміжними векторними бозонами, відповідальними за слабкі взаємодії і поки на досвіді що не спостерігалися (див. розділ Елементарні частинки і квантова теорія поля).

Характеристики елементарних частинок.

Каждая Э. ч., поряд зі специфікою властивих їй взаємодій, описується набором дискретних значень певних фізичних величин, або своїми характеристиками. У ряді випадків ці дискретні значення виражаються через ціле або дробові числа і деякий загальний множник - одиницю вимірювання; про ці числа говорять як про квантові числа Е. ч. і задають тільки їх, опускаючи одиниці вимірювання.

Загальними характеристиками всіх Е. ч. є маса (m), час життя (t), спин (J) і електричний заряд (Q). Поки немає достатнього розуміння того, згідно з яким законом розподілена маса Е. ч. і чи існує для них якась одиниця вимірювання.

У залежності від часу життя Е. ч. діляться на стабільні, квазистабильные і нестабільні (резонанси). Стабільними, в межах точності сучасних вимірювань, є електрон (t > 5×1021лет), протон (t > 2×1030лет), фотон і нейтрино. До квазистабильным відносять частинки, що розпадаються за рахунок електромагнітних і слабких взаємодій. Їх часи життя > 10-20сек (для вільного нейтрона навіть ~ 1000 сік). Резонансами називаються Е. ч., що розпадаються за рахунок сильних взаємодій. Їх характерні часи життя 10-23-10-24сек. У деяких випадках розпад важких резонансів (з масою ³ 3 Гев) за рахунок сильних взаємодій виявляється пригніченим і час життя збільшується до значень - ~10-20сек.

Спін Э. ч. є цілим або полуцелым кратним від величини. У цих одиницях спин р- і До-мезонів рівний 0, у протона, нейтрона і електрона J= 1/2, у фотона J = 1. Існують частинки і з більш високим спіном. Величина спина Е. ч. визначає поведінку ансамбля однакових (тотожних) частинок, або їх статистику (В. Паулі, 1940). Частинки полуцелого спина підкоряються Фермі - Дірака статистиці (звідси назва фермионы), яка вимагає антисиметрії хвильової функції системи відносно перестановки пари частинок (або непарного числа пар) і, отже, "забороняє" двом частинкам полуцелого спина знаходитися в однаковому стані (Паулі принцип). Частинки цілого спіна підкоряються Бозе - Ейнштейна статистиці (звідси назва бозони), яка вимагає симетрії хвильової функції відносно перестановок частинок і допускає знаходження будь-якого числа частинок в одному і тому ж стані. Статистичні властивості Е. ч. виявляються істотними в тих випадках, коли при народженні або розпаді утвориться декілька однакових частинок. Статистика Фермі - Дірака грає також виключно важливу роль в структурі ядер і визначає закономірності заповнення електронами атомних оболонок, лежачі в основі періодичної системи елементів Д. І. Менделеєва.

Електричні заряди вивчених Е. ч. є цілими кратними від величини "е 1,6×10-19к, називаються елементарним електричним зарядом. У відомих Е. ч. Q = 0, ±1, ±2.

Крім вказаних величин Е. ч. додатково характеризуються ще рядом квантових чисел, називаються внутрішніми. Лептони несуть специфічний лептонний заряд L двох типів: електронний (Le) і мюонний (Lm); Le= +1 для електрона і електронного нейтрино, Lm= +1 для негативного мюон і мюонного нейтрино. Важкий лептон t; і пов'язане з ним нейтрино, мабуть, є носіями нового типу лептонного заряду Lt.

Для адронів L = 0, і цей ще один вияв їх відмінності від лептонів. У свою чергу, значні частини адронів потрібно приписати особливий баріонний заряд В (¦Е¦ = 1). Адрони з В = +1 утворять підгрупу баріонів (сюди входять протон, нейтрон, гіперони, баріонні резонанси), а адрони з В = 0 - підгрупу мезонів (р- і До-мезони, бозонные резонанси). Назва підгруп адронів відбувається від грецьких слів barýs - важкий і mésos - середній, що на початковому етапі досліджень Е. ч. відображало порівняльні величини маси відомої тоді баріонів і мезонів. Більш пізні дані показали, що маса баріонів і мезонів порівнянна. Для лептонів В = 0. Для фотона В = 0 і L = 0.

Баріони і мезони поділяються на вже згадувані сукупності: звичайних (недивних) частинок (протон, нейтрон, р-мезони), дивних частинок (гіперони, До-мезони) і зачарованих частинок. Цьому розділенню відповідає наявність у адронів особливих квантових чисел: дивацтва S і чарівність (англійське charm) Ch з допустимими значеннями: 151 = 0, 1, 2, 3 і ¦Ch¦ = 0, 1, 2, 3. Для звичайних частинок S = 0 і Ch = 0, для дивних частинок ¦S¦ ¹ 0, Ch = 0, для зачарованих частинок ¦Ch¦ ¹ 0, а ¦S¦ = 0, 1, 2. Замість дивності часто використовується квантове число гіперзаряд Y = S + В, що має, мабуть, більш фундаментальне значення.

Вже перші дослідження із звичайними адронами виявили наявність серед них сімейств частинок, близьких по масі, з дуже схожими властивостями по відношенню до сильних взаємодій, але з різними значеннями електричного заряду. Протон і нейтрон (нуклони) були першим прикладом такого сімейства. Пізніше аналогічні сімейства були виявлені серед дивних і (в 1976) серед зачарованих адронів. Спільність властивостей частинок, вхідних в такі сімейства, є відображенням існування у них однакового значення спеціального квантового числа - ізотопічного спіна I, що приймає, як і звичайний спін, цілі і полуцелые значення. Самі сімейства звичайно називаються ізотопічними мультиплетами. Число частинок в мультиплеті (п)пов'язане з I співвідношенням: n = 2I + 1. Частинки одного ізотопічного мультиплета відрізняються один від одного значенням "проекції" ізотопічного спіна I3, і

Важливою характеристикою адронів є також внутрішня парність Р, пов'язана з операцією просторів, інверсії: Р приймає значення ±1.

Для всіх Е. ч. з ненульовими значеннями хоч би одного із зарядів О, L, В, Y (S) і чарівність Ch існують античастинки з тими ж значеннями маси т, часу життя t, спина J і для адронів ізотопічного спіна 1, але з протилежними знаками всіх зарядів і для баріонів з протилежним знаком внутрішньої парності Р. Частіци, що не мають античастинок, називаються абсолютно (істинно) нейтральними. Абсолютно нейтральні адрони володіють спеціальним квантовим числом - зарядовою парністю (т. е. парністю по відношенню до операції зарядового сполучення) З зі значеннями ±1; прикладами таких частинок можуть служити фотон і p0.

Квантові числа Е. ч. розділяються на точні (т. е. такі, які пов'язані з фізичними величинами, що зберігаються у всіх процесах) і неточні (для яких відповідні фізичні величини в частині процесів не зберігаються). Спин J пов'язаний зі суворим законом збереження моменту кількості руху і тому є точним квантовим числом. Інші точні квантові числа: Q, L, В; за сучасними даними, вони зберігаються при всіх перетвореннях Е. ч. Стабільність протона є безпосереднє вираження збереження В (ні, наприклад, розпаду р об е++ g). Однак більшість квантових чисел адронів неточні. Ізотопічний спін, зберігаючись в сильних взаємодіях, не зберігається в електромагнітних і слабких взаємодіях. Дивність і чарівність зберігаються в сильних і електромагнітних взаємодіях, але не зберігаються в слабких взаємодіях. Слабкі взаємодії змінюють також внутрішню і зарядову парність. З набагато більшою мірою точності зберігається комбінована парність СР, однак і вона порушується в деяких процесах, зумовлених слабкими взаємодіями. Причини, зухвалі незбереження багатьох квантових чисел адронів, неясні і, мабуть, пов'язані як з природою цих квантових чисел, так і з глибинною структурою електромагнітних і слабких взаємодій. Збереження або незбереження тих або інакших квантових чисел - один з істотних виявів відмінностей класів взаємодій Е. ч.

Класифікація елементарних частинок.

Унітарна симетрія. Класифікація лептонів поки не представляє проблем, велике ж число адронів, відомих вже на початку 50-х рр., з'явилося основою для пошуку закономірностей в розподілі маси і квантових чисел баріонів і мезонів, які могли б скласти основу їх класифікації. Виділення ізотопічних мультиплетов адронів було першим кроком на цьому шляху. З математичної точки зору угруповання адронів в ізотопічні мультиплеты відображає наявність у них симетрії, пов'язаній з групою обертання (див. Група), більш формально, з групою SU (2) - групою унітарних перетворень в комплексному двумерном просторі. Передбачається, що ці перетворення діють в деякому специфічному внутрішньому просторі - "ізотопічному просторі", відмінному від звичайного. Існування ізотопічного простору виявляється тільки у властивостях симетрії, що спостерігаються. На математичній мові ізотопічні мультиплеты суть представлення, що неприводяться групи симетрії SU (2).

Концепція симетрії як чинника, що визначає існування різних груп і сімейств Е. ч., в сучасній теорії є домінуючою при класифікації адронів і інших Е. ч. Передбачається, що внутрішні квантові числа Е. ч., що дозволяють виділяти ті або інакші групи частинок, пов'язані зі спеціальними типами симетрій, виникаючими за рахунок свободи перетворень в особливих "внутрішніх" просторах. Звідси і відбувається назва "внутрішні квантові числа".

Уважний розгляд показує, що дивні і звичайні адрони в сукупності утворять більш широкі об'єднання частинок з близькими властивостями, чим ізотопічні мультиплеты. Вони називаються супермультиплетами. Число частинок, вхідних в супермультиплеты, що спостерігаються, дорівнює 8 і 10. З точки зору симетрій виникнення супермультиплетов витлумачується як вияв існування у адронів групи симетрії більш широкої, ніж група SU (2), а саме: SU (3) - групи унітарних перетворень в трьохмірному комплексному просторі (М. Гелл-Ман і незалежно Ю. Неєман, 1961). Відповідна симетрія отримала назв. унітарної симетрії. Група SU (3)має, зокрема, уявлення, що неприводяться з числом компонент 8 і 10, що відповідає супермультиплетам, що спостерігається: октету і декуплету. Прикладами можуть служити наступні групи частинок з однаковими значеннями JP:

Загальними для всіх частинок в супермультиплеті є значення двох величин, які за математичною природою близькі до ізотопічного спіна і тому часто називаються унітарним спіном. Для октета значення пов'язаних з цими величинами квантових чисел рівні (1, 1), для декуплета - (3, 0).

Унітарна симетрія менш точна, ніж ізотопічна симетрія. Відповідно до цього відмінність в масі частинок, вхідній в октеты і декуплеты, досить значно. З цієї ж причини разбиение адронів на супермультиплеты порівняно просто здійснюється для Е. ч. не дуже високої маси. При великій масі, коли є багато різних частинок з близькою масою, це разбиение здійснюється менш надійно. Однак у властивостях Е. ч. є багато різноманітних виявів унітарної симетрії.

Включення в систематику Е. ч. зачарованих адронів дозволяє говорити об сверхсупермультиплетах і про існування ще більш широкої симетрії, пов'язаної з унітарною групою SU (4). Приклади до кінця заповнених сверхсупермультиплетов поки відсутні. SU (4)-симетрія порушена ще сильніше, ніж SU (3)-симетрія, і її вияви виражені слабіше.

Виявлення у адронів властивостей симетрії, пов'язаних з унітарними групами, і закономірностей разбиения на мультиплеты, що відповідають суворо певним представленням вказаних груп, з'явилося основою для висновку про існування у адронів особливих структурних елементів - кварків.

Кваркова модель адронів. Розвиток робіт по класифікації адронів з перших своїх кроків супроводився спробами виділити серед них частинки більш фундаментальні, ніж інші, які могли б стати основою для побудови всіх адронів. Початок цієї лінії дослідження був встановлений Е. Фермі і Ян Чжень-ніном (1949), які передбачили, що такими фундаментальними частинками є нуклон (N) і антинуклон (), а р-мезони є їх пов'язані стану (). При подальшому розвитку цієї ідеї в число фундаментальних частинок були включені також дивні баріони (М. А. Марков, 1955; японський фізик С. Саката, 1956; Л. Б. Окунь, 1957). Моделі, побудовані на цій основі, добре описували мезонні мультиплеты, але не давали правильного опису мультиплетов баріонів. Найважливіший елемент даних моделей - використання для "побудови" адронів невеликого числа фермионов - органічно увійшов в модель, яка найбільш успішно вирішує задачу опису всіх адронів, - кваркову модель (австрійський фізик Г. Цвейг і незалежно М. Гелл-Ман, 1964).

У первинному варіанті в основу моделі було встановлене припущення, що всі відомі адрони побудовані з трьох типів частинок спина1/2, названих р-, n-, l-кварками, не належних до числа адронів, що спостерігалися і що володіють вельми незвичайними властивостями. Назва "кварки" запозичено з романа Дж. Джойса (див. Кварки). Сучасний варіант моделі передбачає існування як мінімум чотирьох типів кварків. Четвертий кварк необхідний для опису зачарованих адронів.

Ідея кварків підказана унітарною симетрією. Математична структура унітарних груп відкриває можливість опису всіх представлень групи SU (n) (і, отже, всіх мультиплетов адронів) на основі самого простого представлення групи, вмісного n компонент. У разі групи SU (3)таких компонент три. Необхідно тільки допустити наявність частинок, пов'язаних з цим найпростішим уявленням. Ці частинки і є кварки. Кварковий склад мезонів і баріонів був виведений з того факту, що супермультиплеты мезонів містять, як правило, 8 частинок, а баріонів - 8 і 10 частинок. Ця закономірність легко відтворюється, якщо передбачити, що мезони складені з кварка q і антикварка - символічно:, а баріони з трьох кварків - символічно: У = (qqq). Внаслідок властивостей групи SU (3) 9 мезонів розбиваються на супермультиплеты з 1 і 8 частинок, а 27 баріонів - на супермультиплеты, вмісні 1, 10 і двічі по 8 частинок, що і пояснює выделенность октетов, що спостерігається і декуплетов.

Додавання до схеми четвертого кварка (і, якщо виявиться необхідним, нових додаткових кварків) здійснюється при збереженні основного припущення кваркової моделі про будову адронів:

У = (qqq).

Всі експериментальні дані добре відповідають приведеному кварковому складу адронів. Є, видимо, лише невеликі відхилення від цієї структури, які не впливають істотним образом на властивості адронів.

Вказана структура адронів і математичні властивості кварків, як об'єктів, пов'язаних з певним (найпростішим) представленням групи SU (4), приводять до слід. квантовим числам кварків (табл. 2). Звертають увагу незвичайні - дробові - значення електричного заряду Q, а також В, S і Y, що не зустрічаються ні у однієї з Е., що спостерігалися ч. З індексом а у кожного типу кварка qi(i = 1, 2, 3, 4) пов'язана особлива характеристика кварків - "колір", якої немає у вивчених адронів. Індекс а приймає значення 1, 2, 3, т, е. кожний тип кварка qiпредставлен трьома різновидами qia(Н. Н. Боголюбов з співробітниками, 1965; американські фізики І. Намбу і М. Хан, 1965; японський фізик І. Міямото, 1965). Квантові числа кожного типу кварка не міняються при зміні "кольору" і тому табл. 2 відноситься до кварків будь-якого "кольору".

Все різноманіття адронів виникає за рахунок різних поєднань р-, п-, g- і з-кварків, створюючих пов'язані стану. Звичайним адронам відповідають пов'язані стану, побудовані тільки з р- і n-кварків [для мезонів з можливою участю комбінацій і ]. Наявність в зв'язаному стані поряд з р- і n-кварками одного g- або з-кварка означає, що відповідний адрон дивний (S = -1) або зачарований (Ch = + 1). До складу баріону може входити два і три g -кварки (відповідно з-кварка), т. е. можливі двічі і тричі дивні (зачаровані) баріони. Допустимі також поєднання різного числа g- і з-кварків (особливо в баріонах), які відповідають "гібридним" формам адронів ("дивно-зачарованим"). Очевидно, що чим більше g- або з-кварків містить адрон, тим він важче. Якщо порівнювати основні (не збуджені) стану адронів, саме така картина і спостерігається (див. табл. 1, а також табл. 3 і 5).

Оскільки спин кварків равен1/2, приведена вище кваркова структура адронів має своїм слідством цілочисельний спін у мезонів і полуцелый - у баріонів, відповідно повному до експерименту. При цьому в станах, що відповідають орбітальному моменту l = 0, зокрема в основних станах, значення спина мезонів повинні дорівнювати 0 або 1 (для антипаралельноїґ¯)(і паралельноїґґорієнтації спінів кварків), а спина баріонів -1/2или3/2(для спінових конфігурацій¯ґґіґґґ). З урахуванням того, що внутрішня парність системи кварк-антикварк негативна, значення JPдля мезонів при l = 0 рівні 0-і 1-, для баріонів -1/2+и3/2+. Саме ці значення JPнаблюдаются у адронів, що мають найменшу масу при заданих значеннях I і Y (див. табл. 1).

Оскільки індекси i, k, l в структурних формулах пробігають значення 1, 2, 3, 4, число мезонів Mikс заданим спіном повинне бути таке, що дорівнює 16. Для баріонів Biklмаксимально можливе число станів при заданому спіні (64) не реалізовується, т. до. внаслідок принципу Паулі при даному повному спіні дозволені тільки такі трехкварковые стану, які володіють цілком певною симетрією відносно перестановок індексів i, k, 1, а саме: повністю симетричні для спина3/2и змішаної симетрії для спина1/2. Ця умова при l = 0 відбирає 20 баріонних станів для спина3/2и 20 - для спина1/2.

Більш докладний розгляд показує, що значення кваркового складу і властивостей симетрії кваркової системи дає можливість визначити всі основні квантові числа адрону (J, Р, В, Q, I, Y, Ch), за винятком маси; визначення маси вимагає знання динаміки взаємодії кварків і маси кварків, яке поки відсутнє.

Правильно передаючи специфіку адронів з найменшою масою і спинами при заданих значеннях Y і Ch, кваркова модель природним образом пояснює також загальне велике число адронів і переважання серед них резонансів. Численність адронів - відображення їх складної будови і можливості існування різних збуджених станів кваркових систем. Не виключено, що число таких збуджених станів необмежено велике. Всі збуджені стану кваркових систем нестійкі відносно швидких переходів за рахунок сильних взаємодій в нижележащие стану. Вони і утворять основну частину резонансів. Невелику частку резонансів складають також кваркові системи з паралельною орієнтацією спінів (за винятком W-).)(Кваркові конфігурації з антипаралельною орієнтацією спінів, що відносяться до осн.)(станам, утворять квазистабильные адрони і стабільний протон.)(

Збудження кваркових систем відбуваються як за рахунок зміни обертального руху кварків (орбітальні збудження), так і за рахунок зміни їх просторів.)(розташування (радіальні збудження).)(В першому випадку зростання маси системи супроводиться зміною сумарного спіна J і парності Р системи, у другому випадку збільшення маси відбувається без зміни JP.)(Наприклад, мезони з JP= 2+бути першим орбітальним збудженням (l = 1) мезонів з JP= 1-. Відповідність 2+мезон і 1-мезонів однакових кваркових структур добре простежується на прикладі багатьох пар частинок:)(

Мезони r' і y' - приклади радіальних збуджень r- і у-мезонів відповідно (див.

Орбітальні і радіальні збудження породжують послідовності резонансів, що відповідають одній і тій же початковій кварковій структурі.)(Відсутність надійних відомостей про взаємодію кварків не дозволяє поки виробляти кількісні розрахунки спектрів збуджень і робити які-небудь висновки про можливе число таких збуджених станів.)(При формулюванні кваркової моделі кварки розглядалися як гіпотетичні структурні елементи, що відкривають можливість дуже зручного опису адронів.)(Надалі були проведені експерименти, які дозволяють говорити про кварки як про реальні матеріальні освіти всередині адронів.)(Першими були експерименти по розсіянню електронів нуклонами на дуже великі кути.)(Ці експерименти (1968), що нагадують класичні досліди Резерфорда по розсіянню а-частинок на атомах, виявили наявність всередині нуклона точкових заряджених освіт.)(Порівняння даних цих експериментів з аналогічними даними по розсіянню нейтрино на нуклонах (1973-75) дозволило зробити висновок про середню величину квадрата електричного заряду цих точкових освіт.)(Результат виявився дивно близьким до величине1/2(2/3e)[2+(1/3e)2].)(Вивчення процесу народження адронів при) анігіляції електрона і позитрона, який приблизно йде через послідовність процесів: об адрони, указало на наявність двох груп адронів, генетично пов'язаних з кожним з кварків, що утворюються, і дозволило визначити спин кварків. Він виявився рівним 1/2. Загальне число народжених в цьому процесі адронів свідчить також про те, що в проміжному стані виникають кварки трьох різновидів, т. е. кварки трехцветны.

Т. о., квантові числа кварків, введені на основі теоретичних міркувань, отримали підтвердження в ряді експериментів. Кварки поступово придбавають статус нових Е. ч. Якщо подальші дослідження підтвердять цей висновок, то кварки є серйозними претендентами на роль істинне Е. ч. для адронної форми матерії. До довжин ~ 10-15см кварки виступають як точкові бесструктурные освіти. Число відомих видів кварків невелико. Надалі воно може, звісно, змінитися: не можна поручитися за те, що при більш високих енергіях не будуть виявлені адрони з новими квантовими числами, зобов'язані своїм існуванням новим типам кварків. Виявлення Y -мезонів підтверджує цю точку зору. Але цілком можливо, що збільшення числа кварків буде невеликим, що загальні принципи накладають обмеження на повне число кварків, хоч ці обмеження поки невідомі. Бесструктурность кварків також, можливо, відображає лише досягнутий рівень дослідження цих матеріальних освіт. Однак ряд специфічних особливостей кварків дає деякі основи передбачати, що кварки є частинками, що замикають ланцюг структурних складових матерії.

Від всіх інших Е. ч. кварки відрізняються тим, що у вільному стані вони поки не спостерігалися, хоч є свідчення їх існування в зв'язаному стані. Однієї з причин неспостереження кварків може бути їх дуже велика маса, що перешкоджає їх народженню при енергіях сучасних прискорювачів. Не виключено, однак, що кварки принципово, внаслідок специфіки їх взаємодії, не можуть знаходитися у вільному стані. Існують доводи теоретичного і експериментального характеру на користь того, що сили, діючі між кварками, не ослабляються з відстанню. Це означає, що для відділення кварків один від одного потрібно нескінченно велика енергія, або, інакше, виникнення кварків у вільному стані неможливе. Неможливість виділити кварки у вільному стані робить їх абсолютно новим типом структурних одиниць речовини. Неясно, наприклад, чи можна ставити питання про складові частини кварків, якщо самі кварки не можна спостерігати у вільному стані. Можливо, що в цих умовах частини кварків фізично взагалі не виявляються і тому кварки виступають як останній рівень дроблення адронної матерії.

Елементарні частинки і квантова теорія поля.

Для опису властивостей і взаємодій Е. ч. в сучасній теорії істотне значення має поняття физ. поля, яке ставиться у відповідність кожній частинці. Поле є специфічна форма матерії; воно описується функцією, що задається у всіх точках (х)простору-часу і що володіє певними трансформаційними властивостями по відношенню до перетворень групи Лоренца (скаляр, спинор, вектор і т. д.) і груп "внутрішніх" симетрій (ізотопічний скаляр, ізотопічного спинор і т. д.). Електромагнітне поле, що володіє властивостями четырехмерного вектора Аm(х) (m = 1, 2, 3, 4), - історично перший приклад фізичного поля. Поля, що зіставляються з Е. ч., мають квантову природу, т. е. їх енергія і імпульс складаються з безлічі отд. порцій - квантів, причому енергія Ekи імпульс pkкванта пов'язані співвідношенням спеціальної теорії відносності: Ek2= pk2c2+ m2c2. Кожний такий квант і є Е. ч. із заданою енергією Ek, імпульсом pkи масою т. Квантами електромагнітного поля є фотони, кванти інших полів відповідають всім іншим відомим Е. ч. Поле, т. о., є фізичне відображення існування нескінченної сукупності частинок - квантів. Спеціальний математичний апарат квантової теорії поля дозволяє описати народження і знищення частинки в кожній точці х.

Трансформаційні властивості поля визначають всі квантові числа Е. ч. Трансформаційні властивості по відношенню до перетворень простору-часу (групі Лоренца) задають спин частинок. Так, скаляру відповідає спин 0, спинору - спин1/2, вектору - спин 1 і т. д. Існування таких квантових чисел, як L, В, 1, Y, Ch і для кварків і глюонів "колір", виходить з трансформаційних властивостей полів по відношенню до перетворень "внутрішніх просторів" ("зарядового простору", "ізотопічного простору", "унітарного простору" і т. д.). Існування "кольору" у кварків, зокрема, зв'язується з особливим "кольоровим" унітарним простором. Введення "внутрішніх просторів" в апараті теорії - поки чисто формальний прийом, який, однак, може служити вказівкою на те, що розмірність фізичного простору-часу, що відбивається у властивостях Е. ч., реально більше чотирьох - розмірності простору-часу, характерної для всіх макроскопічних фізичних процесів. Масса Э. ч. не пов'язана безпосередньо з трансформаційними властивостями полів; це додаткова їх характеристика.

Для опису процесів, що відбуваються з Е. ч., необхідно знати, як різні фізичні поля пов'язані один з одним, т. е. знати динаміку полів. У сучасному апараті квантової теорії поля зведення про динаміку полів укладені в особливій величині, що виражається через поля - лагранжиане (точніше, густина лагранжиана) L. Знаніє L дозволяє в принципі розраховувати імовірності переходів від однієї сукупності частинок до іншої під впливом різних взаємодій. Ці імовірності даються т. н. матрицею розсіяння (В. Гейзенберг, 1943), що виражається через L. Лагранжіан L складається з лагранжиана Lвз, що описує поведінку вільних полів, і лагранжиана взаємодії Lвз, побудованого з полів різних частинок і що відображає можливість їх взаимопревращений. Знання Lвзявляется що визначає для опису процесів з Е. ч.

Вигляд Lвзоднозначно визначається трансформаційними властивостями полів відносної групи Лоренца і вимогою інваріантності відносно цієї групи (релятивістська інваріантність). Протягом тривалого часу не були, однак, відомі критерії для знаходження Lвз(за винятком електромагнітних взаємодій), а відомості про взаємодії Е. ч., отримані з експерименту, в більшості випадків не дозволяли здійснити надійний вибір між різними можливостями. У цих умовах широке поширення отримав феноменологічний підхід до опису взаємодій, заснований або на виборі найпростіших форм Lвз, ведучих до процесів, що спостерігаються, або на прямому вивченні характерних властивостей елементів матриці розсіяння. На цьому шляху був досягнутий значний успіх в описі процесів з Е. ч. для різних виділених областей енергій. Однак багато які параметри теорії запозичалися з експерименту, а сам підхід не міг претендувати на універсальність.

У період 50-70-х рр. був досягнутий значний прогрес в розумінні структури Lвз, який дозволив істотно уточнити його форму для сильних і слабких взаємодій. Вирішальну роль в цьому просуванні зіграло з'ясування тісного зв'язку між властивостями симетрії взаємодій Е. ч. і формою Lвз.

Симетрія взаємодій Е. ч. знаходить своє відображення в існуванні законів збереження певних фізичних величин і, отже, в збереженні пов'язаних з ними квантових чисел Е. ч. (див. Збереження закони). Точна симетрія, що має місце для всіх класів взаємодій, відповідає наявності у Е. ч. точних квантових чисел; наближена симетрія, характерна лише для деяких класів взаємодій (сильних, електромагнітних), приводить до неточних квантових чисел. Відмінність класів взаємодій, що Відмічалася вище відносно збереження квантових чисел Е. ч. відображає відмінності у властивостях їх симетрії.

Відома форма Lвзэл. м.для електромагнітних взаємодій є слідство існування очевидної симетрії лагранжиана L відносно множення комплексних полів j заряджених частинок, вхідних в нього в комбінаціях типу j*j (тут * означає комплексне сполучення), на множник eia, де а - довільне дійсне число. Ця симетрія, з одного боку, породжує закон збереження електричного заряду, з іншого боку, якщо вимагати виконання симетрії при умові, що а довільно залежить від точки х простору-часу, однозначно приводить до лагранжиану взаємодії:

Lвзэл. м.= jmэл. м. (х) Am(х) (1)

де jmэл. м.- четырехмерный електромагнітний струм (див. Електромагнітні взаємодії). Як з'ясувалося, цей результат має загальне значення. У всіх випадках, коли взаємодії виявляють "внутрішню" симетрію, т. е. лагранжиан інваріантний відносно перетворень "внутрішнього простору", а у Е. ч. виникають відповідні квантові числа, потрібно вимагати, щоб інваріантність мала місце при будь-якій залежності параметрів перетворення від точки х (т. н. локальна калибровочная інваріантність; Ян Чжень-нін, американський фізик Р. Міллс, 1954). Фізично ця вимога пов'язана з тим, що взаємодія не може вмить передаватися від точки до точки. Вказана умова задовольняється, коли серед полів, вхідних в лагранжиан, присутні векторні поля (аналоги Am(х)), що змінюються при перетвореннях "внутрішньої" симетрії і взаємодіючі з полями частинок цілком певним чином, а саме:

Lвз= år=1njmr(х) Vmr(х), (2)

де jmr(х) - струми, складені з полів частинок, Vmr(х) - векторні поля, називаються часто калибровочными полями. Т. о., вимога локальності "внутрішньої" симетрії фіксує форму Lвзи виділяє векторні поля як універсальну переносчики взаємодій. Властивості векторних полів і їх число "n" визначаються властивостями групи "внутрішньої" симетрії. Якщо симетрія точна, то маса кванта поля Vmrравна 0. Для наближеної симетрії маса кванта векторного поля відмінна від нуля. Вигляд струму jmrопределяется полями частинок з ненульовими квантовими числами, пов'язаними з групою "внутрішньої" симетрії.

На основі викладених принципів виявилося можливим підійти до питання про взаємодію кварків в нуклоні. Експерименти по розсіянню нейтрино і антинейтрино на нуклоні показали, що імпульс нуклона лише частково (приблизно на 50%) переноситься кварками, а інша його частина переноситься іншим виглядом матерії, яка не взаємодіє з нейтрино. Приблизно ця частина матерії складається з частинок, якими обмінюються кварки і за рахунок яких вони утримуються в нуклоні. Ці частинки отримали назву "глюонів" (від англійського glue - клей). З викладеної вище точки зору на взаємодії ці частинки природно вважати векторними. У сучасній теорії їх існування зв'язується з симетрією, що зумовлює появу "кольору" у кварків. Якщо ця симетрія точна (кольорова SU (3)-симетрія), то глюони - безмассовые частинки і їх число дорівнює восьми (американський фізик І. Намбу, 1966). Взаємодія кварків з глюонами дається Lвзсо структурою (2), де струм jmrсоставлен з полів кварків. Є і основа передбачати, що взаємодія кварків, зумовлена обміном безмассовыми глюонами, приводить до сил між кварками, що не убувають з відстанню, але суворо це не доведене.

Принципово знання взаємодії між кварками могло б з'явитися основою для опису взаємодії всіх адронів між собою, т. е. всіх сильних взаємодій. Цей напрям в фізиці адронів швидко розвивається.

Використання принципу визначальної ролі симетрії (в т. ч. наближеної) в формуванні структури взаємодії дозволило також просунутися в розумінні природи лагранжиана слабких взаємодій. Одночасно був розкритий глибокий внутрішній зв'язок слабких і електромагнітних взаємодій. У вказаному підході наявність пар лептонів з однаковим лептонним зарядом: е-, veи m-, vm, але різною масою і електричними зарядами розцінюється не як випадкове, а як відображаюче існування порушеної симетрії типу изотонической (група SU (2)). Застосування принципу локальності до цієї "внутрішньої" симетрії приводить до характерному лагранжиану (2), в якому одночасно виникають члени, відповідальні за електромагнітна і слаба взаємодії (американський фізик С. Вайнберг, 1967; А. Салам, 1968):

Lвз= jmэл. м.+ Am+ jmсл. з.Wm++ jmсл. з.Wm-+ jmсл. н.Zm0(3)

Тут jmсл. з., jmсл. н.- заряджений і нейтральний струми слабких взаємодій, побудовані з полів лептонів, Wm+, Wm-, Zm0- поля масивних (через нарушенности симетрію) векторних частинок, які в цій схемі є переносчиками слабких взаємодій (т. н. проміжні бозони), Am- поле фотона. Ідея існування зарядженого проміжного бозона була висунена давно (Х. Юкава, 1935). Важливо, однак, що в даній моделі єдиної теорії електрон магнітної і слабої взаємодій заряджений проміжний бозон з'являється на рівній основі з фотоном і нейтральним проміжним бозоном. Процеси слабких взаємодій, зумовлені нейтральними струмами, були виявлені в 1973, що підтверджує правильність щойно викладеного підходу до формулювання динаміки слабких взаємодій. Можливі і інші варіанти написання лагранжиана Lвзслс великим числом нейтральних і заряджених проміжних бозонів; для остаточного вибору лагранжиана експериментальних даних ще недостатньо.

Експериментально проміжні бозони поки не виявлені. З даних маси W±і Z0для моделі, що є Вайнберга - Салама оцінюються приблизно в 60 і 80 Гев.

Електромагнітна і слаба взаємодії кварків можна описати в рамках моделі, аналогічної моделі Вайнберга - Салама. Розгляд на цій основі електромагнітних і слабких взаємодій адронів дає хорошу відповідність даним, що спостерігаються. Загальною проблемою при побудові таких моделей є невідоме поки повне число кварків і лептонів, що не дозволяє визначити тип початкової симетрії і характер її порушення. Тому дуже важливі подальші експериментальні дослідження.

Єдине походження електромагнітних і слабких взаємодій означає, що в теорії зникає як незалежний параметр константа слабких взаємодій. Єдиною константою залишається електричний заряд е. Пригніченість слабих процесів при невеликих енергіях пояснюється великою масою проміжних бозонів. При енергіях в системі центра маси, порівнянних з масою проміжних бозонів, ефекти електромагнітних і слабких взаємодій повинні бути одного порядку. Останні, однак, будуть відрізнятися незбереженням ряду квантових чисел (Р, Y, Ch і т. д.).

Є спроби розглянути на єдиній основі не тільки електромагнітні і слабих, але також і сильні взаємодії. Початковим для таких спроб є припущення про єдину природу всіх видів взаємодій Е. ч. (без гравітаційного). Сильні відмінності, що Спостерігаються між взаємодіями вважаються зумовленими значним порушенням симетрії. Ці спроби ще недостатньо розроблені і стикаються з серйозними труднощами, зокрема в поясненні відмінностей властивостей кварків і лептонів.

Розвиток методу отримання лагранжиана взаємодії, заснованого на використанні властивостей симетрії, з'явився важливим кроком на шляху, ведучому до динамічної теорії Е. ч. Є всі основи думати, що калибровочные теорії поля з'являться істотним складовим елементом подальших теоретичних побудов.

Висновок

Деякі загальні проблеми теорії елементарних частинок. Новітній розвиток фізики Е. ч. явно виділяє з всіх Е. ч. групу частинок, які істотним образом визначають специфіку процесів микромира. Ці частинки - можливі кандидати на роль істинно Е. ч. До їх числа належать: частинки зі спином1/2- лептони і кварки, а також частинки зі спіном 1 - глюони, фотон, масивні проміжні бозони, що здійснюють різні види взаємодій частинок зі спином1/2. У цю групу швидше всього потрібно також включити частинку зі спіном 2 - гравітон; квант гравітаційного поля, зв'язуючий все Е. ч. У цій схемі багато які питання, однак, вимагають подальшого дослідження. Невідомо, яке повне число лептонів, кварків і різних векторних (з J = 1) частинок і чи існують фізичні принципи, що визначають це число. Неясні причини ділення частинок зі спином1/2на 2 різні групи: лептони і кварки. Неясне походження внутрішніх квантових чисел лептонів і кварків (L, В, 1, Y, Ch) і такої характеристики кварків і глюонів, як "колір". З якими мірами свободи пов'язані внутрішні квантові числа? З звичайним четырехмерным простором-часом пов'язані тільки такі характеристики Е. ч., як J і Р. Какой механізм визначає масу істинно Е. ч.? Чим зумовлена наявність у Е. ч. різних класів взаємодій з різними властивостями симетрії? Ці і інші питання має бути вирішити майбутній теорії Е. ч.

Опис взаємодій Е. ч., як відмічалося, пов'язаний з калибровочными теоріями поля. Ці теорії мають розвинений математичний апарат, який дозволяє виробляти розрахунки процесів з Е. ч. (принаймні принципово) на тому ж рівні суворості, як і в квантовій електродинаміці. Але в справжньому своєму вигляді калибровочные теорії поля володіють одним серйозним недоліком, загальним з квантовою електродинамікою, - в них в процесі обчислень з'являються безглузді нескінченно великі вирази. За допомогою спеціального прийому перевизначити величин (маси і заряду), що спостерігаються - перенормування - вдається усунути нескінченність з остаточних результатів обчислень. У найбільш добре вивченій електродинаміці це поки не позначається на згоді прогнозів теорії з експериментом. Однак процедура перенормування- чисто формальний обхід трудності, існуючої в апараті теорії, яка на якомусь рівні точності повинна позначитися на мірі згоди розрахунків з вимірюваннями.

Поява нескінченності в обчисленнях пов'язана з тим, що в лагранжианах взаємодій поля різних частинок віднесені до однієї точки х, т. е. передбачається, що частинки точкові, а четырехмерное простір-час залишається плоским аж до самих малих відстаней. Насправді вказані припущення, мабуть, невірні по декількох причинах: а) істинне Е. ч., найвірогідніше, - матеріальні об'єкти кінцевої протяжності; б) властивості простору-часу в малому (в масштабах, визначуваних т. н. фундаментальною довжиною) швидше усього радикально відмінні від його макроскопічних властивостей; в) на самих малих відстанях (~10-33см) позначається зміна геометричних властивостей простору-часу за рахунок гравітації. Можливо, ці причини тісно пов'язані між собою. Так, саме облік гравітації найбільш природно приводить до розмірів істинно Е. ч. порядку 10-33см, а підмурівок, довжина l0может бути пов'язана з гравітаційної постійної f: " 10-33см. Будь-яка з цих причин повинна привести до модифікації теорії і усунення нескінченності, хоч практичне виконання цієї модифікації може бути вельми складним.

Дуже цікавим представляється облік впливу гравітації на малих відстанях. Гравітаційна взаємодія може не тільки усувати розбіжності в квантовій теорії поля, але і зумовлювати саме існування первообразующих матерії (М. А. Марков, 1966). Якщо густина речовини істинно Е. ч. досить велика, гравітаційне тяжіння може з'явитися тим чинником, який визначає стійке існування цих матеріальних освіт. Розміри таких освіт повинні бути ~10-33см. У більшості експериментів вони будуть поводитися як точкові об'єкти, їх гравітаційна взаємодія буде нікчемна мало і виявиться лише на самих малих відстанях, в області, де істотно змінюється геометрія простору.

Т. о., що намітилася тенденція до одночасного розгляду різних класів взаємодій Е. ч. швидше усього повинна бути логічно завершена включенням в загальну схему гравітаційної взаємодії. Саме на базі одночасного обліку всіх видів взаємодій найбільш ймовірно чекати створення майбутньої теорії Е. ч.

Список літератури, що використовується

1) Марков М.А. Про природу матерії. М., 1976

2) Газиорович С. Фізіка елементарних частинок, пер. з англійського, М. 1969

3) Коккедэ Я., Теорія кварків, пер. з англ., М., 1971

4) І., Іоффе Б. Л., Окунь Л. Б., Нові елементарні частинки, "Успіхи фізичних наук", 1975, т. 117, в. 2, з. 227

5) Боголюбов Н. Н., Ширков Д. В., Введення в теорію квантованих полів, 3 изд., М., 1976;

6) Новини фундаментальної фізики, пер. з англ., М., 1977, з 120-240.


Все про ролики
Школа новачка. Перші кроки на роликах Попередній крок Школи новачка | Наступний крок Школи новачка Щоб розвіяти вашу можливу невпевненість, скажу, що навчитися кататися на роликах можна дуже швидко! Для цього потрібно тільки завантажити на максимум свої ноги в перші два дні тренувань, в результаті

Шкідливі фактори, що впливають на здоров'я людини. Здоровий спосіб життя
Додаток До теми «Наркотики»: Багато наркоманів вводять наркотичні речовини в організм за допомогою шприців (в основному, героїн). Тому часто шприци не відповідають санітарним нор мам (багато наркомани використовують один і той же шприц на всіх, голка може бути кривий, сам шприц - брудним),

Шкода Організму Алкоголем і Табакокуренієм
Введення Важко собі представити ту благотворну зміну, яка сталася б у всьому житті людському, якби люди перестали одурманювати і труїти себе горілкою, вином, тютюном і опіумом Л.Н.Толстой. У деяких людей існує не правильна думка про те, що вживання спиртних напоїв в помірних дозах не тільки

Виховання силових здібностей у становій тязі у юнаків 15-16 років (на прикладі силового триборства)
Міністерство освіти Російської Федерації Брянський державний університет Імені академіка І.Г. Петровського Факультет фізичної культури Кафедра теоретичних основ фізичного виховання Випускна кваліфікаційна робота на тему: "Виховання силових здібностей у становій тязі у юнаків 15-16 років

Волейбол
МПС РФ ЧИПС УрГУПС Реферат по фізкультурі Тема: «Волейбол» Виконав: студент 17-А групи Горьков Е.А. Перевірив: Теслярів В.М. Челябінськ 2001 План: 1. ПРАВИЛА ГРИ 3 2. ВИВЧЕННЯ ТЕХНІКИ ГРИ 3 2.1. Техніка нападу 3 2.1.1. Переміщення. 3 2.1.2. Подачі 4 2.1.3. Передачі. 5 2.1.4. Нападаючі удари

Вплив аеробіки на організм
Санкт-Петербурзький державний Університет РЕФЕРАТ з дисципліни: «Фізична культура» на тему: Вплив регулярних занять аеробікою на розвиток координації. Перевірив: Виконав: студент гр. Кустова О.А. Санкт-Петербург 2003 Зміст: 1. Введение...3 1.1Что таке аэробика...3 1.2Почему потрібно займатися

Вплив аеробіки на організм
Санкт-Петербурзький державний Університет РЕФЕРАТ з дисципліни: «Фізична культура» на тему: Вплив регулярних занять аеробікою на розвиток координації. Перевірив: Виконав: студент гр. Кустова О.А. Санкт-Петербург 2003 Зміст: 1. Введение...3 1.1Что таке аэробика...3 1.2Почему потрібно займатися

© 2014-2022  8ref.com - українські реферати