|
|
Из наиболее изученных в настоящее время мезонов и мезонных резонансов наибольшую группу составляют легкие неароматные частицы, у которых квантовые числа S = C = B = 0. В эту группу входят около 40 частиц. Таблица 3 начинается с пионов ±,0, открытых английским физиком С.Ф. Пауэллом в 1949 году. Заряженные пионы живут около 10-8 с, распадаясь на лептоны по следующим схемам:
и .
Их "родственники" в таблице - резонансы ±,0 имеют в отличие от пионов спин J = 1, они нестабильны и живут всего около 10-23 с. Причина распада ±,0 - сильное взаимодействие.
Причина распада заряженных пионов обусловлена слабым взаимодействием, а именно тем, что составляющие частицу кварки способны испускать и поглощать в результате слабого взаимодействия на короткое время t виртуальные калибровочные бозоны: или , причем в отличие от лептонов осуществляются и переходы кварка одного поколения в кварк другого поколения, например или и т.д., хотя такие переходы существенно более редкие, чем переходы в рамках одного поколения. Вместе с тем при всех подобных превращениях электрический заряд в реакции сохраняется.
Перейдем к рассмотрению тяжелых адронов - барионов. Все они составлены из трех кварков, но таких, у которых имеются все три разновидности цвета, поскольку, так же как и мезоны, все барионы бесцветны. Кварки внутри барионов могут иметь орбитальное движение. В этом случае суммарный спин частицы будет превышать суммарный спин кварков, равный 1/2 или 3/2 (если спины всех трех кварков параллельны друг другу).
Барионом с минимальной массой является протон p (см. табл.). Именно из протонов и нейтронов состоят все атомные ядра химических элементов. Число протонов в ядре определяет его суммарный электрический заряд Z.
В табл. 3 показано кварковое
состояние протона uud и нейтрона udd. Но при спине этой
комбинации кварков J = 3/2 образуются резонансы и соответственно. Все другие
барионы, состоящие из более тяжелых кварков s, b, t, имеют
и существенно большую массу. Среди них особый интерес вызывал W--гиперон,
состоящий из трех странных кварков. Он был открыт сначала на бумаге, то есть
расчетным образом, с использованием идей кваркового строения барионов. Были
предсказаны все основные свойства этой частицы, подтвержденные затем
экспериментами. Многие экспериментально наблюденные факты убедительно говорят
сейчас о существовании кварков. В частности, речь идет и об открытии нового
процесса в реакции соударения электронов и позитронов, приводящей к образованию
кварк-антикварковых струй.
Эксперимент выполнен на коллайдерах в Германии и США. На рисунке показаны стрелками направления пучков e+ и e-, а из точки их столкновения вылет кварка q и антикварка под зенитным углом к направлению полета e+ и e-. Такое рождение пары происходит в реакции
Как мы уже говорили, жгут (струна) силовых линий при достаточно большом растяжении рвется на составляющие. При большой энергии кварка и антикварка, как говорилось ранее, струна рвется во многих местах, в результате чего в обоих направлениях вдоль линии полета кварка q и антикварка образуются два узких пучка вторичных бесцветных частиц, как это показано на рисунке. Такие пучки частиц названы струями. Достаточно часто на опыте наблюдается образование трех, четырех и более струй частиц одновременно.
В настоящее время пока еще мало материала, способствующего усвоению учащимися основных понятий в физике элементарных частиц, поэтому реальный смысл многих из них ускользает от учащихся, что приводит к отсутствию глубоких знаний по предмету. Так довольно трудное понятие свойств элементарных частиц и их строение, оказывается усвоенной ими формально. В данной работе предлагается апробированная методика формирования этих понятий.
Заключение
Физика Элементарных Частиц - или, как ее сейчас чаще называют, Физика Высоких Энергий - одна из областей, составляющих сейчас передний край фундаментальной науки. Исторически Физика Элементарных Частиц образовалась как наука, изучающая и создающая модели вещества на самом глубоком уровне. Однако по мере накопления знаний о структуре материи вопрос "как устроен мир?" сменился вопросом "почему он так устроен?". Такая постановка вопроса - это уже совершенно новый уровень претензии на понимание мира. Возможен ли окончательный и всеохватывающий ответ на этот вопрос? До каких пределов может развиваться наше знание о фундаментальном устройстве мира? Что ждет физику элементарных частиц в будущем?
Двадцатый век стал свидетелем нескольких замечательных моментов синтеза разнородных областей физики. Синтез термодинамики с электродинамикой Максвелла, проведенный М.Планком в 1900 г., положил начало квантовой теории - совершенно новому взгляду на окружающий мир. За ним быстро последовал синтез классической механики и электродинамики (А.Эйнштейн, 1905 г.), приведший к созданию специальной теории относительности. Далее, в 20-х годах из слияния электродинамики с квантовой теорией была создана квантовая электродинамика.
Все это случилось менее чем за 30 лет. Оставшаяся часть 20-го века принадлежала, по существу, эксперименту, который привел к созданию того, что сейчас называется физикой элементарных частиц. В это время было открыто большое количество частиц. Были экспериментально обнаружены сильные и слабые взаимодействия, и лишь позже была понята их роль в микромире. Наконец, к 70-м годам века, картина прояснилась настолько, что стала видна единая природа слабых и электромагнитных взаимодействий. Теория, осуществившая их синтез, - теория электрослабых взаимодействий - явилась фундаментом современной Стандартной Модели Физики Элементарных Частиц. Сильные взаимодействия также поддались описанию с помощью обобщения методов квантовой электродинамики - так родилась квантовая хромодинамика, теория, описывающая "цветовое" взаимодействие кварков и глюонов.
Все эти силы, включая и гравитационные, описываются одним и тем же классом фундаментальных теорий - так называемыми калибровочными теориями. Поведение всех этих сил на малых расстояниях описывается одним и тем же законом: 1/r2. Единственное отличие между разными силами заключается в том, что они "чувствуют" разные характеристики частиц: электрослабые и сильные взаимодействия чувствуют сохраняющиеся "заряды", а гравитационное взаимодействие - также сохраняющуюся энергию. Поэтому в последние годы все усиливается предчувствие, что все четыре взаимодействия имеют единые корни, поэтому в этом направлении возможен новый синтез - Великое Объединение.
Еще один особый вид синтеза, разворачивающийся в настоящее время, - это объединение физики элементарных частиц и космологии. Астрономия и астрофизика 20-го века имеет и свою богатую историю, однако с появлением космологии Большого Взрыва во второй половине века стало ясно, что Физика Элементарных частиц и космология тесно переплетены друг с другом. Их совместное развитие является иллюстрацией того, как тесно связаны физические явления, разворачивающиеся на самых больших расстояниях во Вселенной, с явлениями, происходящими на микроскопически малых расстояниях.
Поэтому, чтобы попытаться увидеть будущее Физики Элементарных частиц, надо понимать, какие достижения можно ожидать во всех трех областях. Можно ли рассчитывать на дальнейший прогресс в физике? Существуют ли его пределы или принципиальные ограничения?
Ключевое слово в Физике Элементарных частиц - это энергия. Типичные экспериментально достижимые энергии сталкивающихся частиц менялись в течение века от нескольких электронвольт (эВ) в первых вакуумных камерах до триллиона эВ (ТэВ) в коллайдере ТэВатрон в лаборатории им. Э.Ферми в Чикаго. Грубо говоря, рост достижимой энергии в 20-м веке был экспоненциальным: энергия удваивалась в среднем каждые 2.5 года.
Сверхвысокие энергии не являются единственным способом узнать новое о природе. Есть особые зоны и при умеренных энергиях, где тщательное и кропотливое изучение тонких эффектов может привести (и приводит!) к открытиям. Такие ускорители называются "фабриками". Они работают на одной энергии и избирательно изучают необычные свойства каких-то конкретных частиц. Так, сейчас имеются "-фабрики", "Z-фабрики" и т.д., работающие на энергиях -мезона, Z-бозона и т.д. соответственно. Идея "фабрик" оказалась очень плодотворной, так что в будущем ожидается создание и других фабрик.
Принципиально иным направлением экспериментальной Физики Элементарных частиц является неускорительная физика. Идея заключается в том, что в природе и так существуют потоки частиц высокой энергии (иногда даже выше, чем энергии, достижимые на ускорителях), поэтому наша задача - это всего лишь научиться их регистрировать. Два основных класса таких частиц - это заряженные космические лучи внесолнечного происхождения и потоки нейтрино, преимущественно солнечные и атмосферные.
Однако неускорительную физику вряд ли ожидает роль лидера экспериментальной Физики Элементарных частиц - слишком уж неэффективно пассивное экспериментальное наблюдение. Поэтому продолжается поиск принципиально новых возможностей для увеличения энергии линейных коллайдеров. Здесь мы встречаемся с новой принципиальной трудностью. Для того, чтобы разогнать частицу до энергий порядка 1000 ТэВ или выше на типичных дистанциях не более 100 км, требуется создать ускоряющий градиент электрического поля порядка 1 Вольт на ангстрем. Но настолько сильные поля уже будут вырывать электроны из атомов и изменять структуру практически любых материалов. Поэтому при первой же попытке разогнать частицы таким сильным полем сам ускоритель начнет разрушаться!
Есть ли какие-нибудь идеи, как обойти эту трудность? Сейчас мы стоим на пороге новой технологии - нанотехнологии. Не исключено, что будущий прогресс нанотехнологии позволит создать микроскопические ускорительные ячейки с нужным градиентом поля. После разгона частицы и разрушения ячейки смогут регенерироваться за достаточно короткое время, чтобы обеспечить приемлемую интенсивность пучка. Однако это мечты далекого будущего - современная технология на такое не способна.
Обратимся теперь к теоретической физике элементарных частиц. Первый вопрос - объяснение недавно обнаруженных масс и смешивания разных нейтрино. Основной вопрос здесь - почему массы нейтрино столь малы? Как оказалось, что в теории, где характерные массы частиц составляют миллионы и миллиарды эВ, появляются частицы в миллионы раз легче? Предложено несколько моделей объясняющих это явление; среди них выделяется наиболее элегантная, опирающаяся на Великое Объединение. Реализуется ли этот вариант в природе или же это всего лишь красивая теоретическая конструкция? Ближайшее будущее покажет.
Другая важная проблема связана с поиском бозона Хиггса. Теория электрослабого взаимодействия, уже неоднократно подтвержденная экспериментом, неизбежно предсказывает его существование. Однако на опыте хиггсовский бозон пока не открыт. В чем тут дело? Может, он слишком тяжел для современных экспериментов? А может ли теория предсказать его массу? Или же бозона Хиггса вообще нет?
Следующая по очереди проблема - это реализуется или нет в природе Суперсимметрия? Если это так, то мы опять станем свидетелем нового синтеза в Физике Элементарных частиц и пересмотра взглядов на то, как устроен мир.
Наконец, еще одна задача - наиболее сложная из перечисленных - это построение квантовой теории гравитации. На основании тех результатов, которые сейчас появляются в этом направлении, можно судить, что решение этой задачи одновременно даст и ответ на многие фундаментальные вопросы о структуре вещества, пространства, времени: почему в природе существует минимальный электрический заряд? Почему фундаментальные постоянные имеют именно такие, а не иные, значения? Почему наше пространство трехмерно? Почему нам дан именно такой набор элементарных частиц? Физика элементарных частиц еще далека от насыщения. Несмотря на некоторое замедление в ее развитии, в ближайшие 10-15 лет вступит в строй новое поколение ускорителей, что гарантирует нам несколько существенных открытий в Физике элементарных частиц. Это неизбежно приведет к принципиально новому и более глубокому пониманию природы.
Список используемой литературы:
1. Л. Б. Окунь. "Физика элементарных частиц" Москва "Наука" главная редакция физико-математической литературы 1988.
2. Г. Челлен. "Физика элементарных частиц" Издательство "Наука" главная редакция физико-математической литературы 1966.
3. Г. А. Лексин "Соросовский образовательный журнал", N 12, 1996.
4. по докладу Дж.Бьёркена на "Международной Конференции по Фундаментальным наукам: Математическая и Теоретическая Физика", Сингапур, 13-17 Марта 2000.
5. Намбу И. "Почему нет свободных кварков" Успехи физических наук 1978.
6. Зельдович Я.Б. "Классификация элементарных частиц и кварки в изложении для пешеходов" Успехи физ. наук. 1965.
7. "Методика преподавания физики в средней школе" под редакцией С.Е. Каменецкого, Л.А. Ивановой Москва "Просвещение" 1987.
8. С.Ф. Шебалин "Нейтроны" под редакцией доктора физико-математических наук профессора П.А. Ямпольского Просвещение 1969.
9. С.Д. Захаров, И.И, Тугов, Б.Е. Явелов "Физка наших дней" Издательство "Знание" Москва 1977.
10. Г. Линднер «Картины современной физики» Москва «Мир» 1977.
11. Г.Я. Мякишев «Элементарные частицы» Москва «Просвещение» 1973.
12. Дж. Орир «Популярная физика» Москва «Мир» 1969.
[1] Нуклон – общее название для протонов и нейтронов.
[2] 1 ферми – единица ядерной физики, равная 10-15м.
[3] Позитрон – антипод электрона, т.е. электрон, имеющий положительный заряд.
[4] 1 Гэв = 109 эв
При использовании материалов активная ссылка на источник обязательна.