Субатомные частицы. Взаимодействия между частицами

Одна из особенностей науки заключается в том, что она стремится объяснить совокупность различных явлений на основе нескольких основополагающих принципов. Поразительный пример тому-атомная гипотеза Дальтона. Дальтон предположил, Что многочисленные разнообразные вещества состоят из некоторого ограниченного набора атомов разных типов. Согласно этой точке зрения, атомы суть фундаментальные строительные блоки материи.

Однако к концу XIX-началу XX века накопилось достаточно фактов, свидетельствовавших о том, что и сами атомы имеют внутреннюю структуру. К 1932 г. было установлено, что атомы состоят из субатомных (элементарных) частиц-протонов и нейтронов,-образующих положительно заряженное ядро, и обращающихся вокруг него отрицательно заряженных электронов.

Существование частицы с массой, равной массе электрона (А), но обладающей положительным зарядом, было предсказано Полем Дираком (род. 1902). Открытие позитрона (Б) подтвердило это предсказание. При столкновении электрон и позитрон аннигилирют, испуская два фотона с энергией, равной сумме энергий покоя частиц (В). Установлено, что существует короткоживущий «атом» - позитроний - связанная система из движущихся относительно друг друга электрона и позитрона.

Взаимодействия между частицами. Чтобы получить законченную картину строения материи, необходимо охарактеризовать не только сами субатомные частицы, но и способ, которым они удерживаются друг возле друга, т. е. их взаимодействие. Установлены четыре типа взаимодействий. Два из них хорошо известны, поскольку они наблюдаются как между макроскопическими объектами, так и на атомном уровне. Гравитационное взаимодействие вызывает притяжение между объектами, его интенсивность пропорциональна их массам. Внутри атома это взаимодействие не играет никакой роли, но для объектов большой массы оно существенно. Электромагнитное взаимодействие имеет место между частицами, обладающими электрическим зарядом. Оно гораздо сильнее гравитационного взаимодействия и обусловливает притяжение между ядрами атомов и окружающими их электронами.

Внутри самого ядра наблюдаются эффекты совершенно иного типа. Несмотря на электромагнитное отталкивание между протонами, нейтроны и протоны в ядре сильно связаны. Это так называемое сильное взаимодействие, которое не зависит от величины электрического заряда и потому действует одинаково и между протонами, и между нейтронами. Оно примерно в 1000 раз сильнее электромагнитного. В то же время сильное взаимодействие резко ослабляется с расстоянием и существенно только на расстояниях, сравнимых с размером ядра, т. е., как правило, меньших IO^-12 см.

Взаимодействие четвертого типа-слабое взаимодействие-в триллион раз слабее электромагнитного. Оно наблюдается в ряде процессов, связанных с превращением частиц, например при ß-распаде, в котором нейтрон превращается в протон, электрон и антинейтрино.

Энрико Ферми (1901-1954) создал теорию бета-распада, в основе которой лежит фундаментальное слабое взаимодействие. Ферми руководил созданием первого в мире ядерного реактора.

Поле сил. Взаимодействия всех четырех типов происходят в свободном пространстве. Предложены различные способы объяснения взаимодействий. В одном из них используют понятие поля сил. Предполагается, что заряженная частица так влияет на окружающее пространство, что любая другая заряженная частица, помещенная в эту область, испытывает действие силы. Говорят, что на частицу в этой области действует электрическое поле. Аналогично масса создает в окружающем ее пространстве гравитационное поле.

В другой модели взаимодействия, основанной на квантовой механике, используется идея обмена виртуальными частицами. Две заряженные частицы взаимодействуют, испуская и поглощая фотоны (частицы света). Гравитационное взаимодействие также объясняют обменом гипотетическими частицами, называемыми гравитонами. В 1935 г. Хидеки Юкава предположил, что сильное взаимодействие, «скрепляющее» ядра, обусловлено обменом некой частицей, значение массы которой лежит в пределах между массами протона и электрона. Сегодня эта частица, названная пи-мезоном или пионом, известна. Другая частица, промежуточный векторный бозон, была предложена для объяснения слабых взаимодействий, но обнаружить ее до сих пор не удалось.

Хидеки Юкава (1907-1981) предсказал существование частицы- переносчика сильного ядерного взаимодействия. Эта частица, названная пи-мезоном, была открыта при изучении фотографий космических лучей.

Классификация частиц. В 1932 г. казалось, что для объяснения внутренней структуры атома достаточно всего лишь трех частиц. С тех пор ситуация значительно усложнилась, поскольку при исследованиях космических лучей и в экспериментах, проведенных на ускорителях, было открыто много других частиц. Установлено, что столкновение частиц высокой энергии приводит к рождению новых частиц. Сейчас известно более 200 субатомных (элементарных) частиц, большинство из которых нестабильно. Они характеризуются определенными массой и зарядом. К числу других характеристик, которые зависят от типов взаимодействия частиц, относится, например, среднее время жизни частицы.

Многочисленные субатомные частицы классифицируют по группам. Частицы, участвующие в сильных взаимодействиях, называются адронами; к ним относятся нуклоны (протоны и нейтроны), гипероны и мезоны. Частицы, не принимающие участия в сильных взаимодействиях, называются лептонами; среди них-электроны и нейтрино.

В ускорителях электрическое поле (А) ускоряет частицы, отклоняя положительно заряженные частицы (красные) в направлении поля, а отрицательно заряженные (голубые)-против поля. Магнитное поле (Б) искривляет траектории частиц разных знаков в противоположных направлениях в плоскости, перпендикулярной полю. В линейном ускорителе (В, Д) переменное электрическое поле меняется синхронно с движением частицы. Частицы, ускоренные в нем (1) до скоростей, близких к скорости света, поступают далее в синхротрон (Г). Здесь магнитное поле (2) заставляет частицы двигаться до окружности в ускоряющем поле (3). Наблюдение ведется через смотровое окно (4).

Одну из основных своих задач физика высоких энергий видит в создании единой теории, которая могла бы объяснить существование и поведение такого множества субатомных частиц. Согласно одной из гипотез, известные ныне субатомные частицы сами состоят из каких-то более элементарных частиц. Так, нуклоны рассматривают как комбинацию трех частиц, называемых кварками. Они имеют электрический заряд, равный (-1/3) или ( + 2/3) заряда электрона.

Другая задача заключается в создании единой теории всех типов взаимодействий. В последние годы здесь были достигнуты определенные успехи-предложена объединенная теория электромагнитного и слабого взаимодействий, однако единой теории, включающей все четыре типа взаимодействия, пока не существует.

Сегодня известно такое множество субатомных частиц, что понятие «элементарные» вряд ли пригодно для них. Однако ученые еще не располагают достаточным количеством данных для создания единой теории. Вероятно, со временем эти отчасти хаотические данные удастся упорядочить и систематизировать, подобно тому как это сделал Нильс Бор при создании теории атома.