СОВРЕМЕННЫЕ ПРЕДСТАВЛЕНИЯ О СТРУКТУРНЫХ УРОВНЯХ МИКРОМИРА

Основное содержание главы

Открытие большого числа элементарных частиц стимулировало теоретические и экспериментальные поиски фундаментальных частиц, играющих роль первооснов для остального мира составных микрочастиц. К настоящему времени установлено существование трех поколений фундаментальных частиц (кварков и лептонов), выдвинуты гипотезы многомерных струи для объяснения спектра масс и зарядов фундаментальных частиц.

З.1 Частицы и античастицы микромира

В 1930 г. английский физик Пол Дирак теоретически предсказал существование античастицы электрона, которая имеет такую же массу, что и электрон, но отличается от него знаком (но не абсолютной величиной) электрического заряда. Для нее знак заряда должен был быть противоположным знаку заряда электрона, т. е. положительным.

В этом нашло свое проявление свойство симметрии уравнения Дирака относительно знака электрического заряда частиц. Считают, что это говорит также о наличии свойств симметрии в основных законах природы, в данном случае это пример зарядовой симметрии. Вскоре такая частица была обнаружена экспериментально (А. Андерсон, 1932 г.).

Позднее были открыты античастицы для протона (антипротон), нейтрона (антинейтрон) и нейтрино (антинейтрино). В последних двух случаях заряды частиц и античастиц одинаковы, но по ряду других свойств они все же отличаются друг от друга. При записи обозначений античастиц используют знак частицы-партнера, но с добавлением к нему тильды над символом, например антипротон обозначают символом Р , а для обозначения антинейтрона используют символ П .

Оказалось, что рождение античастицы всегда происходит в паре с соответствующей частицей, так что при этом выполняется закон сохранения общего электрического заряда Вселенной. От появления пары разноименных и одинаковых по абсолютной величине зарядов нейтральность вселенной не нарушается.

Античастицы являются редкими «гостями» среди мира обычных частиц и быстро исчезают в актах аннигиляции. Аннигиляция - это взаимное уничтожение, исчезновение пары «частица - античастица» с образованием кванта электромагнитного излучения с высокой энергией

(гамма-кванта). Символически реакцию аннигиляцию электрона и позитрона (т. е. антиэлектрона) записывают в виде

Рождение двух гамма-квантов обусловлено проявлением закона сохранения импульса в изолированной системе. До начала реакции частицы, сближаясь навстречу друг другу, имеют вполне определенную сумму векторов импульсов. Чтобы не изменить (сохранить) величину этой суммы, импульсы гамма-квантов после возникновения должны быть направлеными в противоположные стороны.

Прежде чем проаннигилировать, позитрон и электрон образуют иногда водородоподобную систему, вполне описываемую теорией Бора. В пей обе частицы вращаются на общей круговой орбите вокруг центра масс. По размерам атом позитрония примерно в два раза больше атома водорода.

Недавно (в 2008 г.) появилось сообщение о наблюдении молекулы позитрония, в которой связаны два атома позитрония. Для обозначения столь экзотических атомов и молекул был предложен символ тайдзы (инь и ян), используемый для обозначения единства противоположных начал в китайском мистицизме и символические обозначения Ps и Ps2 (рис. 30). Кстати сказать, это еще один пример сосуществования научных и мистических образов в современной единой культуре.

Атом и молекула позитрония

Рис. 30. Атом и молекула позитрония

Кроме того, к настоящему времени в лабораториях физиков удалось получить небольшие количества антивещества в виде антиводорода и антигелия. В этих соединения вместо «нормальных» частиц присутствуют их антиподы - антипротоны, антинейтроны, позитроны.

Долгое время полагали, что нейтрино не только не имеет электрического заряда, но не имеет и массы. К настоящему времени экспериментально установлено, что нейтрино имеет массу, отличную от нуля. Более того, открыты три вида нейтрино с различными значениями массы: электронное нейтрино (ve), самое легкое, мюонное нейтрино (vM) и таонное нейтрино (vT), самое тяжелое из трех.

Вместе с электроном (е), мюоном (р) и таоном (т), три нейтрино образуют семейство лептонов (табл. 6).

Таблица 6

Семейство пептонов

е

т

Ve

VM

VT

Основанием для объединения этих частиц в единую группу служит то обстоятельство, что перечисленные частицы могут превращаться друг в друга. Так, например, мюон может превращаться в электрон, антинейтрино и нейтрино по реакции

Кроме того, иногда мюон замещает электрон в атомах. В согласии с теорией Бора, радиус мюонной орбиты оказывается во столько раз меньше электронной, во сколько раз масса мюона больше массы электрона. Парадоксально, но в тяжелых атомах мюонная орбита попадает в

область ядра атома. Спиновое число лептонов равноони участвуют в

так называемых слабых взаимодействиях.

Другую группу элементарных частиц образует семейство мезонов. Она более многочисленная, чем семейство лептонов, и в табл. 7 приведены только некоторые частицы из данной группы.

Таблица 7

Семейство мезонов

+

71

71 °

К

к +

к0

к~

D +

D 0

D "

В0

В~

Все мезоны имеют нулевое значение спина, именно это является одним из оснований для отнесения элементарной частицы данному семейству. Еще более многочисленной является группа барионов - элементарных частиц, спиновое квантовое число для которых является

1 о

кратным величине —. В это семейство входят, в частности, протоны и

нейтроны. Эти две частицы являются составными частями ядер атомов, где они тесно связаны ядерными силами. Ядерныс силы индифферентны (нечувствительны) к электрическому заряду протонов. Поэтому в составе ядер атомов оба типа частиц называют нуклонами, т. е. частицами ядра.

В целом, к началу 70-х годов XX в. при исследовании каскадов реакций рождения микрочастиц, подобных приведенному на рис. 31, было открыто более 350 видов частиц, относившихся по терминологии того времени к классу элементарных частиц. (В эти годы иногда совокупность элементарных частиц сравнивали с коллекцией марок.)

Каскад реакций рождения элементарных частиц при столкновении встречных пучков протонов и антипротонов

Рис. 31. Каскад реакций рождения элементарных частиц при столкновении встречных пучков протонов и антипротонов

К настоящему времени список открытых частиц микромира (вместе с так называемыми резонансными, очень корогкоживущими состояниями) превысил рубеж 500 наименований. С учетом наличия античастиц «общество» элементарных частиц становится еще большим. Оно намного превышает количество химических элементов, сгруппированных в таблицу Д. И. Менделеева.

Невольно возникали сомнения по поводу элементарности столь большого числа частиц. Может быть, большая их часть все-таки имеет внутреннюю структуру?

Традиция поиска первооснов, заложенная еще в античные времена, стимулировала ученых на поиск действительно элементарных, не имеющих в своем составе каких-либо частей, фундаментальных частиц. Поскольку экспериментаторы «сделали свою часть работы», открыв большое число микрочастиц, очередь была за теоретиками.

 
Посмотреть оригинал
< Пред   СОДЕРЖАНИЕ   ОРИГИНАЛ     След >