1. Классификация элементарных частиц
Мельчайшие из известных сегодня частиц называют элементарными частицами.
Частицы, которые могут взаимодействовать посредством ядерных сил, называют адронами1). Например, адронами являются протоны и нейтроны, из которых состоят ядра атомов.
В 20-м веке учёные открыли множество других адронов, по все они, за исключением протона, нестабильны, то есть распадаются через некоторое (обычно очень краткое) время на другие частицы. Нейтрон может существовать стабильно только будучи в составе атомного ядра: сам по себе он через некоторое время (в среднем примерно через четверть часа) распадается на протон, электрон и нейтральную частицу2) очень высокой проникающей способностью (она может пролететь сквозь земной шар).
Некоторые частицы, не подверженные действию ядерных сил, называют лептонами3). К их числу относится, например, электрон. Сегодня установлено существование шести различных видов лептонов.
Кроме адронов и лептонов существуют также частицы, являющиеся переносчиками различных видов взаимодействий, о которых мы расскажем далее. К числу таких частиц относится, например, фотон — переносчик электромагнитных взаимодействий.
1) В переводе с греческого — большой, сильный.
2) Эта частица называется антинейтрино.
3) В переводе с греческого — лёгкий.
В 20-м веке учёные установили, что адроны состоят из удивительных частиц, названных кварками. Чем же они удивительны?
Во-первых, адроны не удаётся «разбить» на кварки, даже бомбардируя их частицами с очень большой энергией. Это указывает на то, что силы взаимодействия между кварками не убывают с расстоянием, поэтому кварки не существуют в свободном состоянии.
Во-вторых, кварки обладают дробным электрическим зарядом, равным +2е/3 или -е/3. Протон состоит из двух кварков с зарядом +2е/3 и одного с зарядом -е/3, а нейтрон — из одного кварка с зарядом + 2е/3 и двух кварков с зарядом -е/3.
Адроны, состоящие из трёх кварков, называют барионами1), а адроны, состоящие из кварка и антикварка, — мезонами2).
Сегодня установлено существование шести различных видов кварков. Кварки обладают своеобразным зарядом, который назвали цветом, хотя к настоящему цвету отношения он не имеет.
2. Фундаментальные частицы и фундаментальные взаимодействия
Фундаментальные частицы
Сегодня к числу фундаментальных частиц относят лептоны и кварки, а также частицы, являющиеся переносчиками взаимодействий между ними (вы уже знакомы с одной из таких частиц — фотоном).
У многих частиц есть «двойники» — так называемые античастицы. Частица и соответствующая ей античастица имеют в точности равные массы, по отличаются знаками всех зарядов, характеризующих данную частицу. Например, античастицей электрона является позитрон — частица с массой, равной массе электрона, но с положительным зарядом, равным по модулю заряду электрона.
Фундаментальные взаимодействия
Сегодня учёные считают, что существует четыре вида фундаментальных взаимодействий между частицами.
Сильное взаимодействие. По самому его названию можно заключить, что это — самое сильное из известных видов взаимодействий между частицами. Сильное взаимодействие осуществляется посредством обмена частицами, которые назвали глюонами3). Именно сильным взаимодействием обусловлены ядерные силы. По современным представлениям, существует восемь видов глюонов.
1) От греческого «барис» — тяжёлый.
2) От греческого «мезо» — средний.
3) От английского «глу» — клей.
Электромагнитное взаимодействие. С этим взаимодействием вы уже знакомы: оно обусловлено наличием у частиц электрического заряда и осуществляется посредством обмена фотонами. По «силе» электромагнитное взаимодействие значительно уступает сильному, зато оно действует на намного больших расстояниях.
Слабое взаимодействие. Это взаимодействие названо так только потому, что оно слабее, чем сильное и электромагнитное взаимодействия. Однако на самом деле слабое взаимодействие далеко не самое слабое из всех известных физикам видов взаимодействий, потому что гравитационное взаимодействие, с которым вы уже знакомы, во много раз слабее.
В слабых взаимодействиях участвуют адроны и лептоны: например, именно слабым взаимодействием обусловлен упомянутый выше распад свободного нейтрона, вследствие которого нейтрон не может долго существовать в свободном состоянии.
Сегодня установлено, что слабое взаимодействие осуществляется посредством обмена частицами, которые назвали промежуточными векторными бозонами. Такие частицы действительно открыли в конце 20-го века, причём оказалось, что масса каждого из промежуточных векторных бозонов во много раз больше массы протона или нейтрона.
Слабое и электромагнитное взаимодействия рассматривают сегодня как проявления единого электрослабого взаимодействия.
Гравитационное взаимодействие. Гравитационному взаимодействию подвержены все частицы, в том числе и «переносчики» других взаимодействий — например, фотоны: так, установлено, что свет отклоняется в космосе от прямолинейного распространения под действием притяжения звёзд.
Может возникнуть вопрос: почему фотон участвует в гравитационных взаимодействиях, если его масса равна нулю?
Дело в том, что «мерой» гравитационного взаимодействия является не масса, а энергия (согласно созданной А. Эйнштейном общей теории относительности, которая является обобщением специальной теории относительности). А вы уже знаете, что любой фотон обладает энергией.
Гравитационное взаимодействие определяет движение планет, звёзд и галактик, о чём мы расскажем в следующих главах.
Учёные считают, что гравитационное взаимодействие осуществляется посредством частиц, которые ещё не открыты, но уже названы гравитонами.
«Великое объединение». Учёные надеются, что со временем им удастся построить единую теорию, которая объединит все известные сегодня виды взаимодействий. Надежда эта так велика, что название для этой теории физики уже придумали: будущую теорию назвали «великим объединением».
3. Методы регистрации и исследования элементарных частиц
Счётчик Гейгера
Простейшим прибором для регистрации элементарных частиц является счётчик Гейгера.
Внутри прибора — трубка, заполненная инертным газом (обычно аргоном). По оси трубки проходит металлическая нить, играющая роль одного из электродов, а другим электродом является металлический слой, покрывающий трубку изнутри. Между электродами создаётся высокое напряжение.
Когда быстрая заряженная частица пролетает сквозь трубку, она ионизирует молекулы содержащегося в ней газа. Возникающие вследствие ионизации молекул свободные электроны разгоняются электрическим полем в трубке до энергии, достаточной для ионизации других молекул. В результате возникает лавинообразный процесс — проскакивает небольшая искра, приводящая к скачку напряжения. Этот скачок фиксируется специальным устройством.
По частоте, с которой счётчик Гейгера регистрирует попадающие в него быстрые заряженные частицы, определяют уровень радиации. Один из вариантов такого прибора, предназначенный для использования в быту, изображён на рисунке 22.1. Стрелка в верхней части прибора указывает на уровень радиации (зелёная часть шкалы соответствует безопасному для здоровья уровню).
Рис. 22.1
Камера Вильсона
Камера Вильсона — намного более сложный прибор, чем счётчик Гейгера, зато с её помощью можно исследовать траекторию движения быстрой заряженной частицы. Это позволяет определить заряд, массу и скорость частицы, а также среднее время её жизни.
Действие камеры Вильсона основано на том, что быстрая заряженная частица, пролетая сквозь сосуд с перенасыщенным паром жидкости (обычно это вода или спирт), оставляет за собой след в виде образовавшихся мельчайших капель жидкости. Эти капельки появляются вследствие конденсации пара на ионах, возникших при движении быстрой заряженной частицы.
Простейшая камера Вильсона для демонстраций на уроках физики в школе изображена на рисунке 22.2.
След, который заряженная частица оставляет за собой в камере Вильсона, называют треком (в переводе с английского «трек» означает «след»). Если поместить камеру Вильсона в магнитное поле, то на движущиеся внутри неё заряженные частицы будет действовать сила Лоренца, поэтому по радиусу кривизны трека можно определить скорость частицы и отношение заряда частицы к её массе.
Рис. 22.2
Пузырьковая камера
В пузырьковой камере быстрые заряженные частицы движутся в перегретой жидкости — так называют жидкость, которая в специальных условиях может существовать некоторое время при температуре выше своей температуры кипения (обычно используют жидкий водород, пропан или фреон).
Быстрая заряженная частица, пролетая через такую жидкость, оставляет за собой след в виде крошечных пузырьков пара (этим и обусловлено название камеры). Появление этих пузырьков (так же, как и в камере Вильсона) обусловлено ионизацией при пролёте быстрой заряженной частицы.
Преимущество пузырьковой камеры перед камерой Вильсона обусловлено тем, что столкновения быстрых заряженных частиц с молекулами вещества, заполняющего камеру, происходят значительно чаще, так как плотность жидкости намного больше плотности пара. Вследствие этого можно наблюдать значительно больше процессов, сопровождающих пролёт такой частицы: например, её превращения в другие частицы, а также движение образовавшихся частиц.
На рисунке 22.3 приведена фотография пузырьковой камеры, выставленной для обозрения в Европейском Центре ядерных исследований.
На рисунке 22.4 приведён пример треков, наблюдаемых в пузырьковой камере.
Рис. 22.3
Рис. 22.4
Ускорители
Для исследования свойств элементарных частиц и их превращений используют ускорители заряженных частиц. В этих устройствах, размеры которых достигают десятков километров, заряженные частицы разгоняются до скоростей, чрезвычайно близких к скорости света. При столкновении частиц больших энергий рождаются новые частицы: многие из них впервые и были открыты в опытах на ускорителях.
Самые крупные ускорители в России — в городах Серпухов и Дубна.
ЧТО МЫ УЗНАЛИ
Классификация элементарных частиц
Адроны (например, протон и нейтрон) могут взаимодействовать посредством ядерных сил. Состоят из кварков, которые не могут существовать в свободном состоянии.
Лептоны (например, электрон), взаимодействующие посредством слабого и электромагнитного взаимодействий.
Частицы, являющиеся переносчиками взаимодействий (например, фотон — переносчик электромагнитных взаимодействий).
Фундаментальные взаимодействия
Сильное, электромагнитное, слабое, гравитационное
ГЛАВНОЕ В ЭТОЙ ГЛАВЕ
