Элементарная частица под знаком. Существуют ли кварки или из чего состоят элементарные частицы
ЭЛЕМЕНТАРНЫЕ ЧАСТИЦЫ
Введение
Э. ч. в точном значении
этого термина - первичные, неразложимые частицы, из к-рых, по предположению,
состоит вся материя. В понятии "Э. ч." в совр. физике находит выражение
идея о первообразных сущностях, определяющих все наблюдаемые свойства материального
мира, идея, зародившаяся на ранних этапах становления естествознания и всегда
игравшая важную роль в его развитии.
Понятие "Э. ч."
сформировалось в тесной связи с установлением дискретного характера строения
вещества на микроскопич. уровне. Обнаружение на рубеже 19-20 вв. мельчайших
носителей свойств вещества - молекул и атомов - и установление того факта, что
молекулы построены из атомов, впервые позволило описать все наблюдаемые вещества
как комбинации конечного, хотя и большого, числа структурных составляющих -
атомов. Выявление в дальнейшем составных частей атомов - электронов и ядер,
установление сложной природы самих ядер, оказавшихся построенными всего из двух
частиц (нуклонов): протонов и нейтронов, существенно уменьшило кол-во дискретных
элементов, формирующих свойства вещества, и дало основание предполагать, что
цепочка составных частей материи завершается дискретными бесструктурными образованиями
- Э. ч. Выяснившаяся в нач. 20 в. возможность трактовки эл--магн. поля как совокупности
особых частиц - фотонов - дополнительно укрепила убеждённость в правильности
такого подхода.
Тем не менее, сформулированное
предположение, вообще говоря, является экстраполяцией известных фактов и сколько-нибудь
строго обосновано быть не может. Нельзя с уверенностью утверждать, что частицы,
элементарные в смысле приведённого определения, существуют. Не исключено также,
что утверждение "состоит из..." на какой-то ступени изучения материи
окажется лишённым содержания. От данного выше определения "элементарности"
в этом случае придётся отказаться. Существование Э. ч.- это своего рода постулат,
и проверка его справедливости- одна из важнейших задач физики.
Как правило, термин "Э.
ч." употребляется в совр. физике не в своём точном значении, а менее строго
- для наименования большой группы мельчайших наблюдаемых частиц материи, подчинённых
условию, что они не являются атомами или атомными ядрами, т. е. объектами заведомо
составной природы (исключение составляет протон - ядро атома водорода). Как
показали исследования, эта группа частиц необычайно обширна. Помимо протона
(р), нейтрона
(n), электрона
(е) и фотона
(g)
к ней относятся: пи-мезоны
(p), мюоны
(m), тау-лептоны
(т), нейтрино
трёх типов (v
e , v
m ,
v
t), т. н. странные частицы (К-мезоны
и гиперо-ны),
очарованные частицы
и прелестные (красивые) частицы (D- и B-мезоны и соответствующие
барионы
),разнообразные резонансы
,в т. ч. мезоны
со скрытым
очарованием и прелестью (ncu-частщы, ипсилон-частицы
)и, наконец, открытые
в нач. 80-х гг. промежуточные векторные бозоны (W, Z)
- всего более 350
частиц, в осн. нестабильных. Число частиц, включаемых по мере их открытия в
эту группу, постоянно растёт, и можно уверенно утверждать, что оно будет расти
и впредь. Очевидно, что такое огромное
кол-во частиц не может выступать в качестве элементарных слагающих материи,
и действительно, в 70-х гг. было показано, что большая часть перечисленных частиц
(все мезоны и барионы) представляют собой составные системы. Частицы, входящие
в эту последнюю группу, более точно следовало бы называть "субъядерными"
частицами, т. к. они представляют собой специфические формы существования материи,
неагрегированной в ядра. Использование названия "Э. ч." применительно
ко всем упомянутым частицам имеет в осн. истории, причины и связано с периодом
исследований (нач. 30-х гг.), когда единств. известными представителями данной
группы были протон, нейтрон, электрон и частица эл--магн. поля - фотон. Тогда
эти частицы с известным правом могли претендовать на роль Э. ч.
Открытие новых микроскопич.
частиц постепенно разрушило эту простую картину строения материи. Однако вновь
открываемые частицы по своим свойствам были в ряде отношений близки к первым
четырём известным частицам: либо к протону и нейтрону, либо к электрону, либо
к фотону. До тех пор пока кол-во таких частиц было не очень велико, сохранялось
убеждение, что все они играют фундам. роль в строении материи, и их включали
в категорию Э. ч. С нарастанием числа частиц от этого убеждения пришлось отказаться,
но традиц. назв. "Э. ч." за ними сохранялось.
В соответствии со сложившейся
практикой термин "Э. ч." будет употребляться ниже в качестве общего
названия всех мельчайших частиц материи. В тех случаях, когда речь будет идти
о частицах, претендующих на роль первичных элементов материи, при необходимости
будет использоваться термин "истинно элементарные частицы
".
Краткие исторические
сведения
Открытие Э. ч. явилось
закономерным результатом общих успехов в изучении строения вещества, достигнутых
физикой в кон. 19 в. Оно было подготовлено детальными исследованиями спектров
атомов, изучением элек-трич. явлений в жидкостях и газах, открытием фотоэлектричества,
рентг. лучей, естеств. радиоактивности, свидетельствовавших о существовании
сложной структуры материи.
Исторически первой открытой
Э. ч. был электрон - носитель отрицательного элементарного электрич. заряда
в атомах. В 1897 Дж. Дж. Томсон (J. J. Thomson) убедительно показал, что т.
н. катодные лучи представляют собой поток заряж. частиц, к-рые впоследствии
были названы электронами. В 1911 Э. Резерфорд (E. Rutherford), пропуская альфа-частицы
от естеств. радиоакт. источника через тонкие фольги разл. веществ, пришёл
к выводу, что положит. заряд в атомах сосредоточен в компактных образованиях-
ядрах, а в 1919 обнаружил среди частиц, выбитых из атомных ядер, протоны - частицы
с единичным положит. зарядом и массой, в 1840 раз превышающей массу электрона.
Другая частица, входящая в состав ядра,- нейтрон - была открыта в 1932 Дж. Чедвиком
(J. Chadwick) при исследованиях взаимодействия a-частиц с бериллием. Нейтрон
имеет массу, близкую к массе протона, но не обладает электрич. зарядом. Открытием
нейтрона завершилось выявление частиц, являющихся структурными элементами атомов
и их ядер.
Вывод о существовании частицы
эл--магн. поля - фотона-берёт своё начало от работы M. Планка (M. Planck, 1900).
Для получения правильного описания спектра излучения абсолютно чёрного тела
Планк вынужден был допустить, что энергия излучения делится на отд. порции (кванты).
Развивая идею Планка, А. Эйнштейн в 1905 предположил, что эл--магн. излучение
является потоком квантов (фотонов) и на этой основе объяснил закономерности
фотоэффекта. Прямые эксперим. доказательства существования фотона были даны
P. Милликеном (R. Millikan) в 1912-15 при исследовании фотоэффекта и А. Комптоном
(A. Compton) в 1922 при изучении рассеяния g-квантов на электронах (см.
Комптона эффект
).
Идея о существовании нейтрино
- частицы, исключительно слабо взаимодействующей с веществом, принадлежит В.
Паули (W. Pauli, 1930), указавшему, что подобная гипотеза позволяет устранить
трудности с законом сохранения энергии в процессах бета-распада радиоакт. ядер.
Экспериментально существование нейтрино было подтверждено при исследовании процесса
обратного бета-распада
лишь в 1956 [Ф. Райнес (F. Reines) и К. Коуэн
(С. Cowan)].
С 30-х и до нач. 50-х гг.
изучение Э. ч. было тесно связано с исследованием космических лучей
. В
1932 в составе космич. лучей К. Андерсоном (С. Anderson) был обнаружен позитрон
(е +)- частица с массой электрона, но с положит, электрич. зарядом.
Позитрон был первой открытой античастицей
. Существование позитрона непосредственно
вытекает из релятивистской теории электрона, развитой П. Дираком (P. Dirac)
в 1928-31 незадолго до обнаружения позитрона. В 1936 Андерсон и С. Неддер-мейер
(S. Neddermeyer) обнаружили при исследовании космич. лучей мюоны (обоих знаков
электрич. заряда) - частицы с массой примерно в 200 масс электрона, а в остальном
удивительно близкие к нему по свойствам.
В 1947 также в космич.
лучах группой С. Пауэлла (S. Powell) были открыты p +
- и p - -мезоны
с массой в 274 электронные массы, играющие важную роль во взаимодействии протонов
с нейтронами в ядрах. Существование подобных частиц было предположено X. Юкавой
(H. Yukawa) в 1935.
Кон. 40-х-нач. 50-х гг.
ознаменовались открытием большой группы частиц с необычными свойствами, получивших
назв. "странные". Первые частицы этой группы - К + -и
К - -мезоны, L-гипероны - были открыты в космич. лучах, последующие
открытия странных частиц были сделаны на ускорителях заряженных частиц
- установках, создающих интенсивные потоки протонов и электронов высоких энергий.
При столкновении с веществом ускоренные протоны и электроны рождают новые Э.
ч., к-рые затем регистрируются с помощью сложных детекторов.
С нач. 50-х гг. ускорители
превратились в осн. инструмент для исследования Э. ч. В 90-х гг. макс. энергии
частиц, разогнанных на ускорителях, составили сотни млрд. электронвольт (ГэВ),
и процесс наращивания энергий продолжается. Стремление к увеличению энергий
ускоренных частиц обусловлено тем, что на этом пути открываются возможности
изучения строения материи на тем меньших расстояниях, чем выше энергия сталкивающихся
частиц, а также возможностью рождения всё бo-лее тяжёлых частиц. Ускорители
существенно увеличили темп получения новых данных и в короткий срок расширили
и обогатили наше знание свойств микромира.
Ввод в строй протонных
ускорителей с энергиями в миллиарды эВ позволил открыть тяжёлые античастицы:
антипротон
(1955), антинейтрон
(1956), антисигмаги-перон (I960).
В 1964 была открыта самая тяжёлая частица из группы гиперонов - W -
(с массой ок. двух масс протона).
Начиная с 60-х гг. с помощью
ускорителей выявлено большое число крайне неустойчивых (по сравнению с другими
нестабильными Э. ч.) частиц, получивших назв. резо-нансов
. Массы большинства
превышают массу протона. [Первый из них-D (1232), распадающийся
на p-мезон и нуклон,- известен с 1953.] Оказалось, что резо-нансы составляют
осн. часть Э. ч.
В 1974 обнаружены массивные
(3-4 протонные массы) и в то же время относительно устойчивые пси-частицы, со
временем жизни примерно в 10 3 раз большим времени жизни, типичного
для резонансов. Они оказались тесно связанными с новым семейством Э. ч.- очарованных,
первые представители к-рого (D-мезоны, L с
-барионы) открыты
в 1976.
В 1977 обнаружены ещё более
тяжёлые (ок. 10 протонных масс) ипсилон-частицы, так же, как и пси-частицы,
аномально устойчивые для частиц таких больших масс. Они явились провозвестниками
существования ещё одного необычного
семейства прелестных, или красивых, частиц. Его представители - В-мезоны - открыты
в 1981-83, L b
-барионы - в 1992.
В 1962 выяснено, что в
природе существует не один тип нейтрино, а, по крайней мере, два: электронное
v
e и мюонное v
m . 1975 принёс открытие
т-лептона, частицы почти в 2 раза тяжелее протона, но в остальном повторяющей
свойства электрона и мюона. Вскоре стало ясно, что с ним связан ещё один тип
нейтрино v
т.
Наконец, в 1983 в ходе
экспериментов на протон-антипротонном коллайдере (установке для осуществления
встречных столкновений пучков ускоренных частиц) открыты самые тяжёлые из известных
Э. ч.: заряженные промежуточные бозоны W b (m W
80
ГэВ) и нейтральный промежуточный бозон Z
0 (m Z
=
91 ГэВ).
T. о., почти за 100 лет,
прошедшие после открытия электрона, выявлено огромное число разнообразных микрочастиц
материи. Мир Э. ч. оказался достаточно сложно устроенным. Неожиданными во мн.
отношениях оказались свойства обнаруженных Э. ч. Для их описания, помимо характеристик,
заимствованных из классич. физики, таких, как электрич. заряд, масса, момент
количества движения, потребовалось ввести много новых спец. характеристик, в
частности для описания странных, очарованных и прелестных (красивых) Э. ч.-
странность
[К. Нишиджима (К. Nishijima), M. Гелл-Ман (M. Gell-Mann),
1953], очарование
[Дж. Бьёркен (J. Bjorken), Ш. Глэшоу (Sh. Glashow),
1964], красота
. Уже названия приведённых
характеристик отражают необычность описываемых ими свойств Э. ч.
Изучение внутр. строения
материи и свойств Э. ч. с первых своих шагов сопровождалось радикальным пересмотром
многих устоявшихся понятий и представлений. Закономерности, управляющие поведением
материи в малом, оказались настолько отличными от закономерностей классич. механики
и , что потребовали для своего описания совершенно новых теоретич.
построений. Такими новыми теориями явились прежде всего частная (спец.) относительности
теория
(Эйнштейн, 1905) и квантовая механика
(H. Бор, Л. де Бройль,
В. Гейзенберг, Э. Шрёдингер, M. Борн; 1924-27). Теория относительности и квантовая
механика ознаменовали собой подлинную революцию в науке о природе и заложили
основы для описания явлений микромира. Однако для описания процессов, происходящих
с Э. ч., оказалось недостаточно. Понадобился следующий шаг
- квантование классич. полей (т. н. вторичное квантование
)и разработка
квантовой теории поля
. Важнейшими этапами на пути её развития были: формулировка
квантовой электродинамики
(Дирак, 1929), квантовой теории бета-распада
[Э. Ферми (E. Fermi), 1934] - предшественницы совр. феноменологической теории
слабых взаимодействий, квантовой мезодинамики (X. Юкава, 1935). Этот период
завершился созданием последоват. вычислит. аппарата квантовой электродинамики
[С. Томона-га (S. Tomonaga), P. Фейнман (R. Feynman), Ю. Швин-гер (J. Schwinger);
1944-49], основанного на использовании техники перенормировки
.Эта техника
была обобщена в дальнейшем и на др. варианты квантовой теории поля.
Существенный этап последующего
развития квантовой теории поля был связан с разработкой представлений о т. н.
калибровочных полях
или Янга - Миллса полях
(Ч. Янг, P. Миллс,
1954), которые позволили установить взаимосвязь свойств симметрии
взаимодействия
с полей. Квантовая теория калибровочных полей в настоящее время является
основой для описания взаимодействий Э. ч. У этой теории имеется ряд серьёзных
успехов, и всё же она ещё очень далека от завершённости и не может пока претендовать
на роль всеобъемлющей теории Э. ч. Возможно, понадобятся ещё не одна перестройка
всех представлений и гораздо более глубокое понимание взаимосвязи свойств микрочастиц
и свойств пространства-времени, прежде чем такая теория будет построена.
Основные свойства элементарных
частиц. Классы взаимодействий
Все Э. ч--объекты исключительно
малых масс и размеров. У большинства из них массы m имеют порядок величины массы
протона, равной 1,6·10 -24 г (заметно меньше лишь масса электрона:
9·10 -28 г). Определённые из опыта размеры протона, нейтрона, p-
и К-мезонов по порядку величины равны 10 -13 см (см. "Размер"
элементарной частицы)
. У электрона и мюона определить размеры не удалось,
известно лишь, что они меньше 10 -16 см. Микроскопич. массы и размеры
Э. ч. лежат в основе квантовой специфики их поведения. Характерные длины волн,
которые следует приписать Э. ч. в квантовой теории (=/тс-комптоновская
длина волны)
, по порядку величин близки к типичным размерам, на к-рых осуществляется
их взаимодействие (напр., для p-мезона /тс
1,4 · 10 -13 см). Это и приводит к тому, что квантовые закономерности
являются определяющими в поведении Э. ч.
Наиб. важное квантовое
свойство всех Э. ч--их способность рождаться и уничтожаться (испускаться и поглощаться)
при взаимодействии с др. частицами. В этом отношении они полностью аналогичны
фотонам. Э. ч.- это специфич. кванты материи, более точно - кванты соответствующих
полей физических
. Все процессы с Э. ч. протекают через последовательность
актов их поглощения и испускания. Только на этой основе можно понять, напр.,
процесс рождения p + -мезона при столкновении двух протонов (p+pp+
n + p +) или процесс электрона и позитрона, когда
взамен исчезнувших частиц возникают, напр., два g-кванта (е + +е - g+
g). Но и процессы упругого рассеяния частиц, напр. е - +р->
е -
+р, также связаны с поглощением нач. частиц и рождением конечных частиц. Распад
нестабильных Э. ч. на более лёгкие частицы, сопровождаемый выделением энергии,
отвечает той же закономерности и является процессом, в к-ром продукты распада
рождаются в момент самого распада и до этого момента не существуют. В этом отношении
распад Э. ч. подобен распаду возбуждённого атома на осн. состояние и фотон.
Примерами распадов Э. ч. могут служить
(знак "тильда"
над символом частицы здесь и в дальнейшем соответствует античастице).
Разл. процессы с Э. ч.
при относительно небольших энергиях [до 10
ГэВ в системе центра масс (с. ц. м.)] заметно отличаются по интенсивности их
протекания. В соответствии с этим порождающие их взаимодействия Э. ч. можно
феноменологически разделить на неск. классов: сильное взаимодействие, электромагнитное
взаимодействие
и слабое взаимодействие
.Все Э. ч. обладают, кроме
того, гравитационным взаимодействием
.
Сильное взаимодействие
выделяется как взаимодействие, к-рое ответственно за процессы с Э. ч., протекающие
с наибольшей интенсивностью по сравнению с др. процессами. Оно приводит к самой
сильной связи Э. ч. Именно сильное взаимодействие обусловливает связь протонов
и нейтронов в ядрах атомов и обеспечивает исключит. прочность этих образований,
лежащую в основе стабильности вещества в земных условиях.
Эл--магн. взаимодействие
характеризуется как взаимодействие, в основе к-рого лежит связь с эл--магн.
полем. Процессы, обусловленные им, менее интенсивны, чем процессы сильного взаимодействия,
а порождаемая им связь Э. ч. заметно слабее. Эл--магн. взаимодействие, в частности,
ответственно за процессы излучения фотонов, за связь атомных электронов с ядрами
и связь атомов в молекулах.
Слабое взаимодействие,
как показывает само название, слабо влияет на поведение Э. ч. или вызывает очень
медленно протекающие процессы изменения их состояния. Иллюстрацией этого утверждения
может служить, напр., тот факт, что нейтрино, участвующие только в слабом взаимодействии,
беспрепятственно пронизывают, напр., толщу Земли и Солнца. Слабое взаимодействие
ответственно за сравнительно
медленные распады т. н. квазистабильных Э. ч. Как правило, времена жизни этих
частиц лежат в диапазоне 10 -8 -10 -12 с, тогда как типичные
времена переходов для сильного взаимодействия Э. ч. составляют 10 -23
с.
Гравитац. взаимодействия,
хорошо известные по своим макроскопич. проявлениям, в случае Э. ч. в силу чрезвычайной
малости их масс на характерных расстояниях ~10 -13 см дают исключительно
малые эффекты. В дальнейшем (за исключением раздела 7) они обсуждаться не будут.
"Силу" разл.
классов взаимодействий можно приближённо охарактеризовать безразмерными параметрами,
связанными с квадратами соответствующих констант взаимодействий
. Для
сильного, эл--магн., слабого и гравитац. взаимодействий протонов при энергии
процессов ~ 1 ГэВ BC. ц. м. эти параметры соотносятся как 1:10 -2:10 -10:10 -38 .
Необходимость указания ср. энергии процесса связана с тем, что в феноменологич.
теории слабого взаимодействия безразмерный параметр зависит от энергии. Кроме
того, интенсивности разл. процессов очень по-разному зависят от энергии, а феноменологическая
теория слабого взаимодействия при энергиях больших M W
в с.
ц. м. перестаёт быть справедливой. Всё это приводит к тому, что относит. роль
разл. взаимодействий, вообще говоря, меняется с ростом энергии взаимодействующих
частиц и разделение взаимодействий на классы, основанное на сравнении интенсивностей
процессов, надёжно осуществляется при не слишком высоких энергиях.
По совр. представлениям,
при энергиях выше M W
(т. е. 80 ГэВ в с. ц. м.) слабое и эл--магн.
взаимодействия сравниваются по силе и выступают как проявление единого электрослабого
взаимодействия
. Выдвинуто также привлекательное предположение о возможном
выравнивании констант всех трёх видов взаимодействий, включая сильное, при сверхвысоких
энергиях, больших 10 16 ГэВ (модель т. н. Великого объединения)
.
В зависимости от участия
в тех или иных видах взаимодействий все изученные Э. ч., за исключением фотона,
W
- и Z-бозонов, разбиваются на две осн. группы: адроны
и лептоны
. Адроны характеризуются прежде всего тем, что они участвуют в сильном взаимодействии,
наряду с эл--магнитным и слабым, тогда как лептоны участвуют только в эл--магнитном
и слабом взаимодействиях. (Наличие общего для той и другой группы гравитац.
взаимодействия подразумевается.) Массы адронов по порядку величины близки к
массе протона (т
р )
, иногда превышая её в неск.
раз; мин. массу среди адронов имеет p-мезон: т
p 1 /
7 m
p , . Массы лептонов, известных до 1975-76, были невелики (0,1
m
p)- отсюда их название. Однако более поздние данные свидетельствуют
о существовании тяжёлых т-лептонов с массой ок. двух масс протона.
Адроны-самая обширная группа
из известных Э. ч. В неё входят все барионы и мезоны, а также т. н. резонан-сы
(т. е. большая часть упомянутых 350 Э. ч.). Как уже указывалось, эти частицы
имеют сложное строение и на самом деле не могут рассматриваться как элементарные.
Лептоны представлены тремя заряженными (е, m, т) и тремя нейтральными
частицами (v
e , v
m , v
т).
Фотон, W +
и Z 0 -бозоны образуют вместе важную
группу калибровочных бозонов, осуществляющих перенос эл--слабого взаимодействия.
Элементарность частиц из этих двух последних групп пока не подвергается серьёзному
сомнению.
Характеристики элементарных
частиц
Каждая Э. ч., наряду со
спецификой присущих ей взаимодействий, описывается набором дискретных значений
определ. физ. величин или своими характеристиками. В ряде случаев эти дискретные
значения выражаются через целые или дробные числа и нек-рый общий множитель-
единицу измерения; об этих числах говорят как о квантовых числах
Э. ч.
и задают только их, опуская единицы измерения.
Общие характеристики всех
Э. ч--масса (т)
, время жизни (т), спин (J
)и электрич. заряд
(Q)
.
В зависимости от времени
жизни т Э. ч. делятся на стабильные, квазистабильные и нестабильные (резонансы).
Стабильными, в пределах точности совр. измерений, являются электрон (т>2
· 10 22 лет), протон (т>5 · 10 32 лет), фотон и
все типы нейтрино. К квазистабильным относят частицы, распадающиеся за счёт
эл--магн. и слабого взаимодействий. Их времена жизни лежат в интервале от 900
с для свободного нейтрона до 10 -20 с для S 0 -гиперона.
Резо-нансами наз. Э. ч., распадающиеся за счёт сильного взаимодействия. Их характерные
времена жизни 10 -22 -10 -24 с. В табл. 1 они помечены значком
* и вместо т приведена более удобная величина: ширина резонанса Г=/т.
Спин Э. ч. J
является
целым или полуцелым кратным величине.
В этих единицах спин p- и К-мезонов равен 0, у
протона, нейтрона и всех лептонов J=
1/2, у фотона, W b
-и
Z-бозонов J=
1. Существуют частицы и с большим спином. Величина
спина Э. ч. определяет поведение ансамбля одинаковых (тождественных) частиц
или их статистику (Паули, 1940). Частицы полуцелого спина подчиняются Ферми
- Дирака статистике
(отсюда назв. фермионы), к-рая требует антисимметрии
волновой ф-ции системы относительно перестановки пары частиц (или нечётного
числа таких перестановок) и, следовательно, "запрещает" двум частицам
полуцелого спина находиться в одинаковом состоянии (Паули принцип
).Частицы
целого спина подчиняются Базе - Эйнштейна статистике
(отсюда назв. бозоны),
к-рая требует волновой ф-ции относительно перестановок частиц и допускает
нахождение любого числа частиц целого спина в одном и том же состоянии. Статистич.
свойства Э. ч. оказываются существенными в тех случаях, когда при рождении или
распаде образуется неск. одинаковых частиц.
П р и м е ч а н и е.
Знаком * слева помечены частицы
(как
правило, резонансы), для к-рых вместо времени
жизни
т приведена ширина Г=/t.
Истинно нейтраль
ные
частицы помещены посередине между частицами
и
античастицами. Члены одного изотопического мульти
плета
расположены на одной строке (в тех случаях
, когда
известны характеристики каждого члена мульти
плета,-
с небольшим смещением по вертикали). Изме
нение
знака чётности P
у антибарионов не указано, рав
но
как и изменение знаков S, С, b
y всех античастиц. Для лептонов
и промежуточных бозонов внутренняя
чётность
не является точным (сохраняющимся) кванто
вым
числом и потому не обозначена. Цифры в скобках
в
конце приводимых физических величин обозначают
существующую
ошибку в значении этих величин, относящуюся к последним из приведённых цифр
.
Электрич. заряды изученных
Э. ч. (кроме ) являются целыми кратными величине е=
1,6·10 -19
Кл (4,8 · 10 -10 CGS), наз. элементарным электрическим зарядом
. У известных Э. ч. Q =
0, +
1, b2.
Помимо указанных величин,
Э. ч. дополнительно характеризуются ещё рядом квантовых чисел, наз. "внутренними".
Лептоны несут специфич. лептонное число (L
)трёх типов: электронное L e
, равное +1 для е -
и v e
, мюонное L
m , равное +1 для m - и v
m , и L
t ,
равное +1 для т - и v
t .
Для адронов L=
0, и это ещё одно проявление их отличия от лептонов. В свою очередь, значит.
части адронов следует приписать т. н. барионное число В (|B| =
I)
. Адроны с B=+
1
образуют подгруппу барионов (сюда входят протон, нейтрон, гипероны; очарованные
и прелестные бары-оны; барионные резонансы), а адроны с B =
0 - подгруппу
мезонов (p-мезоны, К-мезоны, очарованные и прелестные мезоны, бозонные
резонансы). Назв. подгрупп адронов происходят от греч. слов baruV
- тяжёлый и mEsоV - средний, что на нач. этапе исследований
Э. ч. отражало сравнит. величины масс известных тогда барионов и мезонов. Более
поздние данные показали, что массы барионов и мезонов сопоставимы. Для лептонов
B
=0. Для фотона, W b
- и Z-бозонов B
=
0 и L =
0.
Изученные барионы и мезоны
подразделяются на уже упоминавшиеся совокупности: обычных (нестранных) частиц
(протон, нейтрон, p-мезоны), странных частиц (гипероны,
К-мезоны), очарованных и прелестных частиц. Этому разделению отвечает наличие
у адронов особых квантовых чисел: странности S
, очарования С и прелести
(красоты) b
с допустимыми значениями (по модулю) 0, 1, 2, 3. Для обычных
частиц S
=C=b
=0, для странных частиц S
0,
C = b
= 0, для очарованных частиц С0,
b
= 0, а для прелестных b
O.
Наряду с этими квантовыми числами часто используется также квантовое число гиперзаряд
Y=B+S+C + b
, имеющее, по-видимому, более фундам. значение.
Уже первые исследования
обычных адронов выявили наличие среди них семейств частиц, близких по массе
и с очень сходными свойствами по отношению к сильному взаимодействию, но с разл.
значениями электрич. заряда. Протон и нейтрон (нуклоны) были первым примером
такого семейства. Такие семейства позже были обнаружены среди странных, очарованных
и прелестных адронов. Общность свойств частиц, входящих в такие семейства, является
отражением существования у них одинакового значения квантового числа - изотопического
спина I
, принимающего, как и обычный спин, целые и полуцелые значения. Сами
семейства обычно наз. изотопическими мультиплетами
. Число частиц в мультиплете
n
связано с I
соотношением n
= 2I
+1. Частицы одного
изотопич. мультиплета отличаются друг от друга значением "проекции"
изотопич. спина I
3 , и соответствующие значения Q
даются
выражением
Важная характеристика адронов
- внутренняя чётность P
, связанная с операцией пространств. инверсии:
P
принимает значения +
1.
Для всех Э. ч. с ненулевыми
значениями хотя бы одного из квантовых чисел Q, L, В, S, С, b
существуют
античастицы с теми же значениями массы т
, времени жизни т, спина
J
и для адронов изотопич. спина I
, но с противоположными знаками
указанных квантовых чисел, а для барионов с противоположным знаком внутр. чётности
Р
. Частицы, не имеющие античастиц, наз. истинно нейтральными частицами
. Истинно нейтральные адроны обладают спец. - зарядовой
чётностью
(т. е. чётностью по отношению к операции зарядового сопряжения)
С со значениями +
1; примерами таких частиц могут служить p 0 -
и h-мезоны (С=+1), r 0 - и f-мезоны (С=-1)и др.
Квантовые числа Э. ч. разделяются
на т о ч н ы е (т. е. такие, к-рые связаны с физ. величинами, сохраняющимися
во всех процессах) и н е т о ч н ы е (для к-рых соответствующие физ. величины
в ряде процессов не сохраняются). Спин J
связан со строгим законом сохранения
и потому является точным квантовым чис.чом. Другое
точное квантовое число-электрич. заряд Q
. В пределах точности проведённых
измерений сохраняются также квантовые числа B
и L
, хотя для этого
не существует серьёзных теоретич. предпосылок. Более того, наблюдаемая барионная
асимметрия Вселенной
наиб. естественно может быть истолкована в предположении
нарушения сохранения барионного числа В
(А. Д. Сахаров, 1967). Тем не
менее наблюдаемая стабильность протона есть отражение высокой степени точности
сохранения B
и L
(нет, напр., распада pe
+ + p 0). Не наблюдаются также распады m - e - +g,
т - m -
+g и т. д. Однако большинство квантовых чисел адронов неточные. Изотопич.
спин, сохраняясь в сильном взаимодействии, не сохраняется в эл--магн. и слабом
взаимодействиях. Странность, очарование и прелесть сохраняются в сильном и эл--магн.
взаимодействиях, но не сохраняются в слабом взаимодействии. Слабое взаимодействие
изменяет также внутр. и зарядовую чётности совокупности частиц, участвующих
в процессе. С гораздо большей степенью точности сохраняется комбинированная
чётность CP (СР-чётностъ)
, однако и она нарушается в нек-рых процессах,
обусловленных . Причины, вызывающие несохранение мн. квантовых
чисел адронов, не ясны и, по-видимому, связаны как с природой этих квантовых
чисел, так и с глубинной
структурой эл--слабого взаимодействия.
В табл. 1 приведены наиб.
хорошо изученные Э. ч. из групп лептонов и адронов и их квантовые числа. В спец.
группу выделены калибровочные бозоны. Раздельно даны частицы и античастицы (изменение
P
у антибарионов не указано). Истинно нейтральные частицы помещены в
центре первой колонки. Члены одного изотопич. мультиплета расположены в одной
строке, иногда с небольшим смещением (в тех случаях, когда даются характеристики
каждого члена мультиплета).
Как уже отмечалось, группа
лептонов весьма немногочисленна, а массы частиц в осн. малы. Для масс всех типов
нейтрино существуют довольно жёсткие ограничения сверху, но каковы их истинные
значения, предстоит ещё выяснить.
Осн. часть Э. ч. составляют
адроны. Увеличение числа известных Э. ч. в 60-70-х гг. происходило исключительно
за счёт расширения данной группы. Адроны в своём большинстве представлены резонансами.
Обращает на себя внимание тенденция к росту спина по мере роста массы резонансов;
она хорошо прослеживается на разл. группах мезонов и барионов с заданными I
,
S
и С. Следует также отметить, что странные частицы несколько массивнее
обычных частиц, очарованные частицы массивнее странных, а прелестные частицы
массивнее очарованных.
Классификация элементарных
частиц. Кварковая модель адронов
Если классификация калибровочных
бозонов и лептонов не вызывает особых проблем, то большое число адронов уже
в нач. 50-х гг. явилось основанием для поиска закономерностей в распределении
масс и квантовых чисел барионов и мезонов, к-рые могли бы составить основу их
классификации. Выделение изотопич. мультиплетов адронов было первым шагом на
этом пути. С матем. точки зрения группировка адронов в изотопич. мультиплеты
отражает наличие у сильного взаимодействия симметрии, связанной с вращения
группой
, более формально, с унитарной группой SU
(2) - группой преобразований
в комплексном двумерном пространстве [см. Симметрия SU ( 2
)]
. Предполагается, что эти преобразования действуют в нек-ром специфич. внутр.
пространстве - т. н. изотопич. пространстве, отличном от обычного. Существование
изотопич. пространства проявляется только в наблюдаемых свойствах симметрии.
На матем. языке изотопич. мультиплеты суть неприводимые представления группы
симметрии SU
(2).
Концепция симметрии как
фактора, определяющего существование разл. групп и семейств Э. ч. в совр. теории,
является доминирующей при классификации адронов и других Э. ч. Предполагается,
что внутр. квантовые числа Э. ч., позволяющие объединять те или иные группы
частиц, связаны со спец. типами симметрии, возникающими за счёт свободы преобразований
в особых внутр. пространствах. Отсюда и происходит назв. "внутренние квантовые
числа".
Внимательное рассмотрение
показывает, что странные и обычные адроны в совокупности образуют более широкие
объединения частиц с близкими свойствами, чем изотопич. мультиплеты. Их принято
называть супермульти-плетами
. Число частиц, входящих в наблюдаемые супер-мультиплеты,
равно 8 и 10. С точки зрения симметрии возникновение супермультиплетов истолковывается
как проявление существования у сильного взаимодействия группы симметрии более
широкой, чем группа SU( 2)
, а именно унитарной группы SU
(3)-
группы преобразований в трёхмерном комплексном пространстве [Гелл-Ман, Ю. Нееман
(Y. Neeman), 1961]; см. Симметрия SU(3)
. Соответствующая симметрия получила
назв. унитарной симметрии. Группа SU
(3) имеет, в частности, неприводимые
представления с числом компонент 8 и 10, к-рые можно сопоставить наблюдаемым
супермультиплетам: октету и декуплету. Примерами супермультиплетов могут служить
следующие группы частиц с одинаковыми значениями J P
(т. е.
с одинаковыми парами значений J
и P):
Унитарная симметрия менее
точная, чем изотопич. симметрия. В соответствии с этим различие в массах частиц,
входящих в октеты и декуплеты, довольно значительно. По этой же причине разбиение
адронов на супермульти-плеты сравнительно просто осуществляется для Э. ч. не
очень больших масс. При больших массах, когда имеется много разл. частиц с близкими
массами, это разбиение осуществить сложнее.
Обнаружение среди адронов
выделенных супермульти-плетов фиксированных размерностей, отвечающих опре-дел.
представлениям унитарной группы SU
(3), явилось ключом к важнейшему заключению
о существовании у адронов особых структурных элементов - кварков
.
Гипотеза о том, что наблюдаемые
адроны построены из частиц необычной природы - кварков, несущих спин 1 /
2 , обладающих сильным взаимодействием, но в то же время, не принадлежащих классу
адронов, была выдвинута Дж. Цвейгом (G. Zweig) и независимо Гелл-Маном в 1964
(см. Кварковые модели)
. Идея кварков была подсказана матем. структурой
представлений унитарных групп. Ma-тем. формализм открывает возможность описания
всех представлений группы SU(n
)(и, следовательно, всех связанных с ней
мультиплетов адронов) на основе перемножения самого простого (фундам.) представления
группы, содержащего n
компонент. Необходимо только допустить существование
особых частиц, связанных с этими компонентами, что и было сделано Цвейгом и
Гелл-Маном для частного случая группы SU( 3)
. Эти частицы были
названы кварками.
Конкретный кварковый состав
мезонов и барионов был выведен из того факта, что мезоны, как правило, входят
в супермультиплеты с числом частиц, равным 8, а бари-оны-8 и 10. Эта закономерность
легко воспроизводится, если предположить, что мезоны составлены из кварка и
антикварка, символически: M=(q
)
, а барион-из трёх кварков, символически: B = (qqq)
. B силу свойств
группы SU
(3) 9 мезонов разбиваются на супермультиплеты из 1 и 8 частиц,
а 27 барионов-на супермультиплеты, содержащие 1, 10 и дважды по 8 частиц, что
и объясняет наблюдаемую выделенность октетов и декуплетов.
T. о., выявленное экспериментами
60-х гг. существование супермультиплетов, составленных из обычных и странных
адронов, позволило сделать вывод о том, что все эти адроны построены из 3 кварков,
обычно обозначаемых и, d, s
(табл. 2). Вся совокупность известных к тому
моменту фактов прекрасно согласовывалась с этим предложением.
Табл. 2
.-Характеристики
кварков
* Предварительная экспериментальная
оценка
.
Последующее обнаружение
пси-частиц, а затем ипсилон-частиц, очарованных и прелестных адронов показало,
что для объяснения их свойств трёх кварков недостаточно и необходимо допустить
существование ещё двух типов кварков c
и b
, несущих новые квантовые
числа: очарование и прелесть. Это обстоятельство не поколебало, однако, основные
положения кварковой модели. Был сохранён, в частности, центр. пункт её схемы
строения адронов: M=(q
),
B = (qqq)
. Более того, именно на основе предположения о кварковом строении
пси- и ипсилон-частиц удалось дать физ. толкование их во многом необычным свойствам.
Исторически открытие пси-
и ипсилон-частиц, равно как и новых типов очарованных и прелестных адронов,
явилось важным этапом в утверждении представлений о кварковом строении всех
сильновзаимодействующих частиц. Согласно совр. теоретич. моделям (см. ниже),
следовало ожидать существования ещё одного - шестого t
-кварка, к-рый
и был обнаружен в 1995.
Указанная выше кварковая
структура адронов и матем. свойства кварков как объектов, связанных с фундам.
представлением группы SU(n)
, приводят к следующим квантовым числам кварков
(табл. 2). Обращают на себя внимание необычные (дробные) значения электрич.
заряда Q
, а также В
, не встречающиеся ни у одной из изученных
Э. ч. С индексом a у каждого типа кварка q i
(i
=
1, 2, 3, 4, 5, 6) связана особая характеристика кварков - цвет
,к-рой
нет у наблюдаемых адронов. Индекс a принимает значения 1, 2, 3, т. е.
каждый тип кварка (q i
)представлен тремя разновидностями
q
a i
.
Квантовые числа каждого типа кварка не меняются при изменении цвета, поэтому
табл. 2 относится к кваркам любого цвета. Как было показано позднее, величины
q
a (для каждого i
) при изменении a с точки
зрения их трансформац. свойств следует рассматривать как компоненты фундам.
представления ещё одной группы SU
(3), цветовой, действующей в цветовом
трёхмерном пространстве [см. Цветовая симметрия SU
(3)].
Необходимость введения
цвета вытекает из требования антисимметрии волновой ф-ции системы кварков, образующих
барионы. Кварки, как частицы со спином 1 / 2 , должны
подчиняться статистике Ферми-Дирака. Между тем имеются барионы, составленные
из трёх одинаковых кварков с одинаковой ориентацией спинов: D ++ (), W - (),
к-рые явно симметричны относительно перестановок кварков, если последние не
обладают дополнит. степенью свободы. Такой дополнит. степенью свободы и является
цвет. С учётом цвета требуемая антисимметрия легко восстанавливается. Уточнённые
ф-ли структурного состава мезонов и барионов выглядят при этом следующим образом:
где e abg
- полностью антисимметричный тензор (Леви-Чи-виты символ
)(1/
1/
-нормировочные
множители). Важно отметить, что ни мезоны, ни барионы не несут цветовых индексов
(лишены цвета) и являются, как иногда говорят, "белыми" частицами.
В табл. 2 приведены лишь
"эффективные" массы кварков. Это связано с тем, что кварки в свободном
состоянии, несмотря на многочисленные тщательные их поиски, не наблюдались.
В этом, кстати, проявляется ещё одна особенность кварков как частиц совершенно
новой, необычной природы. Поэтому прямых данных о массах кварков нет. Имеются
лишь косвенные оценки величин масс кварков, к-рые могут быть извлечены из их
разл. динамических проявлений в характеристиках адронов (включая массы последних),
а также в разл. процессах происходящих с ад-ронами (распады и т. п.). Для массы
t
-кварка дана предварительная эксперим. оценка.
Всё многообразие адронов
возникает за счёт разл. сочетаний и-, d-, s-, с
- и b
-кварков,
образующих связанные состояния. Обычным адронам соответствуют связанные состояния,
построенные только из и
- и d
-кварков [для мезонов с возможным
участием комбинаций (s
.),
(с
)
и (b
)].
Наличие в связанном состоянии, наряду с u
- и d
-кварками,
одного s-, с
- или b
-кварка означает, что соответствующий адрон
странный (S
= - 1), очарованный (C= + 1) или прелестный (b
= - 1).
В состав бариона может входить два и три s
-кварка (соответственно с
-
и b
-кварка), т. е. возможны дважды и трижды странные (очарованные, прелестные)
барионы. Допустимы также сочетания разл. числа s
- и с
-, b
-кварков
(особенно в барионах), к-рые соответствуют "гибридным" формам адронов
(странно-очарованным, странно-прелестным). Очевидно, что чем больше s-, с
- или b
-кварков содержит адрон, тем он массивнее. Если сравнивать основные
(не возбуждённые) состояния адронов, именно такая картина и наблюдается (табл.
1).
Поскольку спин кварков
равен 1 /
2 , приведённая выше кварковая структура
адронов имеет своим следствием целочисленный спин у мезонов и полуцелый - у
барионов, в полном соответствии с экспериментом. При этом в состояниях, отвечающих
орбитальному моменту l
=0, в частности в осн. состояниях, значения спина
мезонов должны равняться 0 или 1 (для антипараллельной
и параллельной
ориентации спинов кварков), а спина барионов: 1 /
2
или 3 / 2 (для спиновых конфигураций
и
).
С учётом того, что внутр. чётность системы кварк-антикварк отрицательна, значения
J P
для мезонов при l
= 0 равны 0 - и 1 - ,
для барионов: 1 / 2 +
и 3 / 2 +
. Именно эти значения наблюдаются у адронов, имеющих наименьшую массу при заданных
значениях I
и S
, С, b
.
В качестве иллюстрации
в табл. 3 и 4 приведён квар-ковый состав мезонов с J P
= 0 -
и барионов J P =
1 / 2 +
(всюду
предполагается необходимое суммирование по цветам кварков).
Табл. 3.- Кварковый
состав изученных мезонов
с
J P
=0 - ()
Табл. 4.- Кварковый
состав изученных барионов
с
J P
= 1/2 + ()
П р и м е ч а н и е.
Символ {} означает симметризацию по
переменным
частицам; символ -антисимметризацию
.
T. о., кварковая модель
естеств. образом объясняет происхождение осн. групп адронов и их наблюдаемые
квантовые числа. Более детальное динамическое рассмотрение позволяет также сделать
ряд полезных заключений относительно взаимосвязи масс внутри разл. семейств
адронов.
Правильно передавая специфику
адронов с наименьшими массами и спинами, кварковая модель естеств. образом объясняет
также общее большое число адронов и преобладание среди них резонансов. Многочисленность
адронов есть отражение их сложного строения и возможности существования
разл. возбуждённых состояний кварковых систем. Все возбуждённые состояния кварковых
систем неустойчивы относительно быстрых переходов за счёт сильного взаимодействия
в нижележащие состояния. Они-то и образуют осн. часть резонансов. Небольшую
долю резонансов составляют также кварковые системы с параллельной ориентацией
спинов (за исключением W -). Кварковые конфигурации с антипараллельной
ориентацией спинов, относящиеся к осн. состояниям, образуют квазистабильные
адроны и стабильный протон.
Возбуждения кварковых систем
происходят как за счёт изменения вращат. движения кварков (орбитальные возбуждения),
так и за счёт изменения их пространств. расположения (радиальные возбуждения).
В первом случае рост массы системы сопровождается изменением суммарного спина
J
и чётности P
системы, во втором случае увеличение массы происходит
без изменения J P
.
При формулировке кварковой
модели кварки рассматривались как гипотетич. структурные элементы, открывающие
возможность очень удобного описания адронов. В последующие годы были проведены
эксперименты, к-рые позволяют говорить о кварках как о реальных материальных
образованиях внутри адронов. Первыми были эксперименты по рассеянию электронов
на нуклонах на очень большие углы. Эти эксперименты (1968), напоминающие классич.
опыты Резерфорда по рассеянию a-частиц на атомах, выявили наличие внутри
нуклона точечных заряж. образований (см. Партоны
).Сравнение данных этих
экспериментов с аналогичными данными по рассеянию нейтрино на нуклонах (1973-75)
позволили сделать заключение о ср. величине квадрата электрич. заряда этих точечных
образований. Результат оказался близким к ожидаемым дробным значениям (2 / 3) 2
е
2 и (1 / 3) 2 е
2 . Изучение процесса рождения адронов при аннигиляции электрона и позитрона,
к-рый предположительно идёт через следующие стадии:
указало на наличие двух
групп адронов, т. н. струй (см. Струя адронная
),генетически связанных
с каждым из образующихся кварков, и позволило определить спин кварков. Он оказался
равным 1 / 2 . Общее число рождённых в этом процессе
адронов свидетельствует также о том, что в промежуточном состоянии каждый тип
кварка представлен тремя разновидностями, т. е. кварки трёхцветны.
T. о., квантовые числа
кварков, заданные на основании теоретич. соображений, получили всестороннее
эксперим. подтверждение. Кварки фактически приобрели статус новых Э. ч. и являются
серьёзными претендентами на роль истинно Э. ч. для сильновзаимодействующих форм
материи. Число известных видов кварков невелико. До длин <=10 -16
см кварки выступают как точечные бесструктурные образования. Бесструктурность
кварков, конечно, может отражать лишь достигнутый уровень исследования этих
материальных образований. Однако ряд специфич. особенностей кварков даёт известные
основания предполагать, что кварки являются частицами, замыкающими цепь структурных
составляющих сильновзаимодействующей материи.
От всех других Э. ч. кварки
отличаются тем, что в свободном состоянии они, по-видимому, не существуют, хотя
имеются чёткие свидетельства их существования в связанном состоянии. Эта особенность
кварков, скорее всего, связана со спецификой их взаимодействия, порождаемого
обменом особыми частицами - глюонами
, приводящего к тому, что силы притяжения
между ними не ослабляются с расстоянием. Как следствие, для отделения кварков
друг от друга требуется бесконечная энергия, что, очевидно, невозможно (теория
т. н. конфайнмента или пленения кварков; см. Удержание цвета
).Реально
при попытке отделить кварки друг от друга происходит образование дополнит. адронов
(т.н. адронизация кварков). Невозможность наблюдения кварков в свободном состоянии
делает их совершенно новым типом структурных единиц вещества. Неясно, напр.,
можно ли в этом случае ставить вопрос о
составных частях кварков и не обрывается ли тем самым последовательность структурных
составляющих материи. Всё сказанное подводит к выводу, что кварки, наряду с
лептонами и калибровочными бозонами, также не имеющими наблюдаемых признаков
структуры, образуют группу Э. ч., к-рая имеет наибольшие основания претендовать
на роль истинно Э. ч.
Элементарные частицы
и квантовая теория поля. Стандартная модель взаимодействий
Для описания свойств и
взаимодействий Э. ч. в совр. теории существ. значение имеет понятие физического
поля, к-рое ставится в соответствие каждой частице. Поле есть специфич. форма
распределённой в пространстве материи; оно описывается ф-цией, задаваемой во
всех точках пространства-времени и обладающей определ. трансформац. свойствами
по отношению к преобразованиям Лоренца группы
(скаляр, спинор, вектор
и т. д.) и групп "внутр." симметрии (изотопич. скаляр, изотопич.
спинор и т. д.). Эл--магн. поле, обладающее свойствами четырёхмерного вектора
A
m (x
)(m= 1, 2, 3, 4),- исторически первый пример
физ. поля. Поля, сопоставляемые Э. ч., имеют квантовую природу, т. е. их энергия
и импульс слагаются из множества отд. порций - квантов, причём полная энергия
e k
и импульс p k
кванта связаны соотношением
спец. теории относительности: e 2 k
=р
2 k с
2
+ т
2 с
4 . Каждый такой квант и есть Э.
ч. с массой т
, с заданной энергией e k
и импульсом p k
. Квантами эл--магн. поля являются фотоны, кванты др. полей соответствуют
всем остальным известным Э. ч. Ma-тем. аппарат квантовой теории поля (КТП) позволяет
описать рождение и уничтожение частицы в каждой пространственно-временной точке.
Трансформац. свойства поля
определяют осн. квантовые числа Э. ч. Трансформационные свойства по отношению
к преобразованиям группы Лоренца задают спин частиц: скаляру соответствует спин
J=
0, спинору
- спин J=
1 /
2 ,
вектору - спин J=
1 и т.д. Трансформац. свойства полей по отношению
к преобразованиям "внутр." пространств ("зарядового пространства",
"изотопического пространства", "унитарного пространства",
"цветного пространства") определяют существование таких квантовых
чисел, как L, В, I, S
, С, b
, a для кварков и глюонов также
и цвета. Введение "внутр." пространств в аппарате теории - пока
чисто формальный приём, к-рый, однако, может служить указанием на то, что размерность
физ. пространства-времени, отражающаяся в свойствах Э. ч., реально больше четырёх
- т.е. больше размерности пространства-времени, характерного для всех макроскопич.
физ. процессов.
Масса Э. ч. не связана
непосредственно с трансформац. свойствами полей. Это дополнительная их характеристика,
происхождение к-рой не понято до конца.
Для описания процессов,
происходящих с Э. ч., в КТП используется Лагранжев формализм
.В лагранжиане
, построенном из полей, участвующих во взаимодействии частиц, заключены все
сведения о свойствах частиц и динамике их поведения. Лагранжиан включает в себя
два гл. слагаемых: лагранжиан ,
описывающий поведение свободных полей, и лагранжиан взаимодействия ,
отражающий взаимосвязь разл. полей и возможность превращения Э. ч. Знание точной
формы позволяет
в принципе, используя аппарат матрицы рассеяния
(S
-матрицы), рассчитывать
вероятности переходов от исходной совокупности частиц к заданной конечной совокупности
частиц, происходящих под влиянием существующего между ними взаимодействия. T.
о., установление структуры ,
открывающее возможность количеств. описания процессов с Э. ч., является одной
из центр. задач КТП.
Существ. продвижение в
решении этой задачи было достигнуто в 50-70-х гг. на основе развития идеи о
векторных калибровочных полях, сформулированной в уже упоминавшейся работе Янга
и Миллса. Отталкиваясь от известного положения о том, что всякий наблюдаемый
экспериментально закон сохранения связан с инвариантностью описывающего систему
лагранжиана относительно преобразований
нек-рой группы симметрии (Нётер теорема
),Янг и Миллс потребовали, чтобы
эта инвариантность выполнялась локально, т. е. имела место при произвольной
зависимости преобразований от точки пространства-времени. Оказалось, что выполнение
этого требования, физически связанного с тем, что взаимодействие не может мгновенно
передаваться от точки к точке, возможно только при введении в структуру лагранжиана
спец. калибровочных полей векторной природы, определ. образом трансформирующихся
при преобразованиях группы симметрии. Причём структуры свободного лагранжиана
и
оказались в указанном подходе тесно связанными: знание
в значит. мере предопределяло вид
Последнее обстоятельство
обусловлено тем, что требование локальной калибровочной инвариантности
может
быть выполнено только в том случае, когда во всех производных, действующих на
свободные поля в ,
осуществлена замена 
Здесь g
- константа взаимодействия; V
a m
- калибровочные поля; T
a - генераторы группы симметрии
в матричном представлении, соответствующем свободному полю; r
- размерность
группы.
В силу сказанного в видоизменённом
лагранжиане автоматически возникают члены строго определ. структуры, описывающие
взаимодействие полей, исходно входивших в ,
со вновь введёнными калибровочными полями. При этом калибровочные поля осуществляют
роль переносчиков взаимодействия между исходными полями. Конечно, поскольку
в лагранжиане появились новые калибровочные поля, свободный лагранжиан должен
быть дополнен членом, связанным с ними, и подвергнуться процедуре видоизменений,
описанной выше. При точном соблюдении калибровочной инвариантности калибровочные
поля отвечают бозонам с нулевой массой. При нарушении симметрии масса бозонов
отлична от нуля.
В таком подходе задача
построения лагранжиана, отражающего динамику взаимодействующих полей, по существу
сводится к правильному отбору системы полей, составляющих первоначальный свободный
лагранжиан и фиксации его формы. Последняя, впрочем, при заданных трансформационных
свойствах относительно группы Лоренца однозначно определяется требованием релятивистской
инвариантности и очевидным требованием вхождения только структур, квадратичных
по полям.
T. о., основным для описания
динамики является вопрос о выборе системы первичных полей, образующих ,
т. е. фактически всё тот же центр. вопрос физики Э. ч.: "Какие частицы
(и соответственно поля) следует считать наиболее фундаментальными (элементарными)
при описании наблюдаемых частиц материи?".
Совр. теория, как уже отмечалось,
выделяет в качестве таких частиц бесструктурные частицы со спином 1 / 2:
кварки и лептоны. Такой выбор позволяет, опираясь на принцип локальной калибровочной
инвариантности, построить весьма успешную схему описания сильного и эл--слабого
взаимодействий Э. ч., получившую назв. с т а н д а р т н о й м о д е л и.
Модель исходит прежде всего
из допущения, что для сильного взаимодействия имеет место точная симметрия SU c
(3),
отвечающая преобразованиям в "цветовом" трёхмерном пространстве.
При этом предполагается, что кварки преобразуются по фундам. представлению группы
SU c
(3). Выполнение требования локальной калибровочной инвариантности
для кваркового лагранжиана приводит к появлению в структуре теории восьми безмассовых
калибровочных бозонов, названных глюонами, взаимодействующих с кварками (и между
собой) строго определ. образом (Фритцш, Гёлл-Ман, 1972). Разработанная на этой
основе схема описания сильного взаимодействия получила назв. квантовой хромодинамики
. Правильность её предсказаний подтверждена многочисл. экспериментами, в т.
ч. получены убедительные свидетельства существования глюонов. Имеются также
серьёзные основания полагать, что аппарат
квантовой хромодинамики содержит в себе объяснение явления конфайнмента.
При построении теории эл--слабого
взаимодействия было использовано то обстоятельство, что существование пар лептонов
с одинаковым лептонным числом (L e , L v , L
t),
но с разным электрич. зарядом (е - , v e
; m - ,
v
m ; т - , v
т) можно трактовать как проявление симметрии, связанной с группой т.н.
слабого изоспина SU
сл (2), а сами пары рассматривать как спинорные
(дублетные) представления этой группы. Аналогичная трактовка возможна в отношении
пар кварков, участвующих в слабом взаимодействии. Отметим, что рассмотрение
в рамках этой схемы слабого взаимодействия с участием кварка b
снеобходимостью
ведёт к заключению о существовании у него изотопического партнёра кварка t
, составляющего пару (t, b)
. Выделение слабым взаимодействием определ.
спиральности
(левой) у участвующих в нём фермионов дополнительно можно
рассматривать как проявление существования симметрии U
сл (1),
связанной со слабым гиперзарядом Y
сл. При этом левым и правым
фермионам следует приписывать разные значения гиперзаряда Y
сл,
а правые фермионы нужно рассматривать как изотопические скаляры. В принятом
построении естественно возникает соотношение Q
= I
3 cл
+ 1 / 2 Y
сл, уже встречавшееся нам у адронов.
Т.о., внимательный анализ
эл--слабого взаимодействия лептонов и кварков позволяет выявить у них наличие
симметрии (заметно, впрочем, нарушенной), отвечающей группе SU
сл (2)U
cл (
1)
. Если отвлечься от нарушения этой симметрии и воспользоваться строгим условием
локальной калибровочной инвариантности, то возникнет теория эл--слабого взаимодействия
кварков и лептонов, в к-рой фигурируют четыре безмассовых бозона (два заряженных
и два нейтральных) и две константы взаимодействия, соответствующие группам SU
сл (2)
и U
сл (1). В этой теории члены лагранжиана, отвечающие взаимодействию
с заряж. бозонами, правильно воспроизводят известную структуру заряженных
токов
, но не обеспечивают наблюдаемое в слабых процессах короткодействие,
что и неудивительно, т. к. нулевая масса промежуточных бозонов ведёт к дальнодействию.
Отсюда следует лишь то, что в ре-алистич. теории слабого взаимодействия массы
промежуточных бозонов должны быть конечными. Это находится в соответствии и
с фактом нарушенности симметрии SU
сл (2)U
сл (1).
Однако прямое введение
конечных масс промежуточных бозонов в построенный описанным выше образом лагранжиан
невозможно, т. к. входит в противоречие с требованием локальной калибровочной
инвариантности. Учесть непротиворечивым образом нарушение симметрии и добиться
появления в теории конечных масс промежуточных бозонов удалось с помощью важного
предположения о существовании в природе особых скалярных полей F (Хиггса
полей)
, взаимодействующих с фермионными и калибровочными полями и обладающих
специфическим самовзаимодействием, ведущим к явлению спонтанного нарушения
симметрии
[П. Хиггс (P. Higgs), 1964]. Введение в лагранжиан теории в простейшем
варианте одного дублета (по группе слабого изоспина) полей Хиггса приводит к
тому, что вся система полей переходит к новому, более низкому по энергии вакуумному
состоянию, отвечающему нарушенной симметрии. Если исходно вакуумное среднее
от поля F было равно нулю <Ф> 0 = 0, то в новом состоянии
<Ф> 0 = Ф 0 0.
Нарушение симметрии и появление в теории конечного F 0 приводит
за счёт Хиггса механизма
к неисчезающей массе заряж. промежуточных бозонов
W +
и к возникновению смешивания (линейной комбинации)
двух нейтральных бозонов, фигурирующих в теории. В результате смешивания возникают
безмассовое эл--магн. поле, взаимодействующее с эл--магн. током кварков и лептонов,
и поле массивного нейтрального бозона Z
0 , взаимодействующее
с нейтральным током
строго заданной структуры. Параметр (угол) смешивания
(Вайн-берга угол
)нейтральных бозонов в этой схеме задаётся отношением
констант взаимодействия групп U
сл (l) и SU
сл (2):
tgq W =g"/g
. Этот же параметр определяет связь
масс m W
и m Z (m Z = m W /
cosq W
)и связь электрич. заряда е с
константой группы слабого изоспина g:
e
= g
sinq W
. Обнаружение в 1973 при изучении рассеяния
нейтрино нейтральных слабых токов, предсказанных описанной выше схемой, и последовавшее
затем в 1983 открытие W
-и Z-бозонов с массами соответственно 80 ГэВ и
91 ГэВ блестяще подтвердили всю концепцию единого описания эл--магн. и слабого
взаимодействий. Эксперим. определение значения sin 2 q W
=
0,23 показало, что константа g
и электрич. заряд е
близки
по величине. Стало понятно, что "слабость" слабого взаимодействия
при энергиях, заметно меньших m W
и m Z
, в
осн. обусловлена большой величиной массы промежуточных бозонов. Действительно,
константа феноменологической четырёхфермионной теории слабого взаимодействия
Ферми G F
в изложенной схеме равна G F =g
2 /8m
2 W
.
Это означает, что эфф. константа слабого взаимодействия при энергии в с. ц.
м. ~т р
равна G F m p
2
10 -5 ,
а её квадрат близок к 10 -10 , т.е. к значению, приводившемуся выше.
При энергиях же в с.ц.м., больших или порядка m W
, единственным
параметром, характеризующим слабое взаимодействие, становится величина g
2 /
4p
или е
2 /
4p, т.е. слабое и эл--магн. взаимодействия
становятся сравнимыми по интенсивности и должны рассматриваться совместно.
Построение единого описания
эл--магн. и слабого взаимодействий является важным достижением теории калибровочных
полей, сравнимым по значимости с разработкой Максвеллом в кон. 19 в. единой
теории эл--магн. явлений. Количеств. предсказания теории эл--слабого взаимодействия
во всех проведённых измерениях оправдывались с точностью 1%.
Важным физ. следствием указанного построения является заключение о существовании
в природе частицы нового типа - нейтрального Хиггса бозона
. На нач. 90-х
гг. такая частица обнаружена не была. Проведённые поиски показали, что её масса
превышает 60 ГэВ. Теория не даёт, однако, точного предсказания для величины
массы бозона Хиггса. Можно лишь утверждать, что значение его массы не превышает
1 ТэВ. Оценочные значения массы этой частицы лежат в диапазоне 300-400 ГэВ.
Итак, "стандартная
модель" отбирает в качестве фун-дам. частиц три пары кварков (и, d
)(с
, s) (t, b
)и три пары лептонов (v e ,e -
)(v
m ,m -) (v
t ,
т -), обычно группируемых в соответствии с величиной их масс
в семейства (или поколения) следующим образом:
и постулирует, что их взаимодействия
удовлетворяют симметрии SU
сл (3)SU
сл (2)U
сл (l).
Как следствие, получается теория, в к-рой переносчиками взаимодействия являются
калибровочные бозоны: глюоны, фотон, W b
и Z. И хотя
"стандартная модель" весьма успешно справляется с описанием всех
известных фактов, относящихся к Э.ч., всё же, скорее всего, она является промежуточным
этапом в построении более совершенной и всеобъемлющей теории Э.ч. В структуре
"стандартной модели" ещё достаточно много произвольных, эмпирически
определяемых параметров (значений масс кварков и лептонов, значений констант
взаимодействия, углов смешивания и т. п.). Число поколений фермионов в модели
также не определено. Пока эксперимент уверенно утверждает лишь то, что число
поколений не превышает трёх, если в природе не существует тяжёлых нейтрино с
массами в неск. десятков ГэВ.
С точки зрения свойств
симметрии взаимодействий более естественно было бы ожидать, что во всеобъемлющей
теории Э.ч. вместо прямого произведения групп симметрии будет фигурировать одна
группа симметрии G
с одной отвечающей ей константой взаимодействия. Группы
симметрии "стандартной
модели" в этом случае можно было бы трактовать как продукты редукции большой
группы при нарушении связанной с ней симметрии. На этом пути, в принципе, могла
бы возникнуть возможность Великого объединения взаимодействий. Формальной основой
такого объединения может служить свойство изменения с энергией эфф. констант
взаимодействия калибровочных полей g i
2 /4p
= a i
(i
=1, 2, 3), возникающее при учёте высших
порядков теории (т. н. бегущие константы). При этом константа a 1
связана с группой U(I);
a 2 - с группой SU( 2);
a 3 -с
группой SU( 3)
. Упомянутые очень медленные (логарифмические) изменения
описываются выражением
связывающим значения эфф.
констант a i (M
)и a i
(m) при двух различающихся
значениях энергии: M
и m (M >
m). Характер этих изменений
разный для разл. групп симметрии (и, следовательно, разл. взаимодействий) и
даётся коэффициентами b i
, вбирающими в себя информацию как
о структуре групп симметрии, так и об участвующих во взаимодействии частицах.
Поскольку b
1 , b
2 и b
3
различны, допустима возможность того, что, несмотря на заметные расхождения
величин a i
-1 (m) при исследованных энергиях
m, при очень больших энергиях M
все три значения a i
-1 (M
)совпадут, т. е. будет реализовано Великое объединение взаимодействий. Тщательный
анализ, однако, показал, что в рамках стандартной модели, используя известные
значения a i
-1 (m), получить совпадение
всех трёх значений a i
-1 (М
)при каком-то
большом M
невозможно, т.е. вариант теории с Великим объединением в этой
модели не реализуем. В то же время было выяснено, что в схемах, отличных от
стандартной модели, с изменённым составом осн. (фундам.) полей или частиц, Великое
объединение может иметь место. Изменения в составе осн. частиц ведут к изменениям
в значениях коэффициентов "b i
" и тем самым обеспечивают
возможность совпадения a i
(M
) при больших M
.
Руководящей идеей при выборе
изменённого состава осн. частиц теории явилась идея возможного существования
в мире Э. ч. суперсимметрии
, к-рая устанавливает определ. взаимосвязи
между частицами целого и полуцелого спина, фигурирующими в теории. Для соблюдения
требований суперсимметрии, напр. в случае стандартной модели, каждой частице
должна быть поставлена в соответствие частица со спином, смещённым на 1 / 2 -
Причём в случае точной суперсимметрии все эти частицы должны иметь одинаковые
массы. Так, кваркам и лептонам спина 1 / 2 должны быть поставлены
в соответствие их суперсимметричные партнёры (суперпартнёры) со спином нуль,
всем калибровочным бозонам со спином 1 -их суперпартнёры со спином 1 / 2 ,
а бозону Хиггса спина нуль - суперпартнёр со спином 1 / 2 .
Поскольку в исследованной области энергии суперпартнёры кварков, лептонов и
калибровочных бозонов заведомо не наблюдаются, суперсимметрия, если она существует,
должна быть заметно нарушенной, а массы суперпартнёров должны иметь значения,
значительно превышающие значения масс известных фермионов и бозонов.
Последовательное выражение
требования суперсимметрии находят в минимальной суперсимметричной модели (MCCM),
в к-рой в дополнение к уже перечисленным изменениям в составе частиц стандартной
модели число бозонов Хиггса увеличивается до пяти (из них два являются заряженными
и три - нейтральными частицами). Соответственно в модели возникают пять суперпартнёров
бозонов Хиггса со спином 1 / 2 - MCCM - простейшее обобщение
стандартной модели на случай суперсимметрии. Значение M
, при к-ром происходит
совпадение a i
(M
)(Великое объединение), в MCCM примерно
равно 10 16 ГэВ.
С гипотезой о существовании
суперсимметрии связана одна из перспективных возможностей развития теории калибровочных
полей, разрешающая к тому же ряд её внутр. проблем, связанных с устойчивостью
фигурирующих в ней параметров. Суперсимметрия, как было отмечено,
позволяет сохранить в теории Э. ч. привлекательную возможность Великого объединения
взаимодействий. Решающим подтверждением факта существования суперсимметрии явилось
бы обнаружение суперпартнёров известных частиц. По оценкам, их массы лежат в
диапазоне от сотен ГэВ до 1 ТэВ. Частицы таких масс будут доступны для изучения
на протонных коллайдерах следующего поколения.
Проверка гипотезы о существовании
суперсимметрии и поиски суперсимметричных частиц, безусловно, одна из важнейших
задач физики Э. ч., к-рой в ближайшем будущем, несомненно, будет уделяться первоочередное
внимание.
Некоторые общие проблемы
теории элементарных частиц
Новейшее развитие физики
частиц явно выделило из всех микросоставляющих материи группу частиц, играющих
особую роль и имеющих наибольшие основания (на нач. 90-х гг.) именоваться истинно
Э. ч. К ней относятся фундам. фермионы спина 1 /
2 -
лептоны и кварки, составляющие три поколения, и калибровочные бозоны спина
1 (глюоны, фотоны и промежуточные бозоны), являющиеся переносчиками сильного
и эл--слабого взаимодействий. К этой группе, скорее всего, следует присоединить
частицу со спином 2, гравитон
,как переносчика гравитац. взаимодействия,
связывающего все частицы. Особую группу составляют частицы спина 0, бозоны Хиггса,
пока, впрочем, не обнаруженные.
Многие вопросы тем не менее
остаются без ответа. Так, остаётся неясным, существует ли физ. критерий, фиксирующий
число поколений элементарных фермионов. Не понятно, насколько принципиальным
является отличие в свойствах кварков и лептонов, связанное с присутствием у
первых цвета, или это отличие специфично только для изученной области энергии.
К этому вопросу примыкает вопрос о физ. природе Великого объединения, поскольку
в его формализме кварки и лептоны рассматриваются как объекты с близкими свойствами.
Важно понять, не указывает
ли существование различных "внутр." квантовых чисел кварков и лептонов
(В, L, I, S, С, b
и т. д.) на более сложную геометрию микромира, отвечающую
большему числу измерений, чем привычная нам четырёхмерная геометрия макроскопич.
пространства-времени. С этим вопросом тесно связан вопрос о том, какова макс.
группа симметрии G
, к-рой удовлетворяют взаимодействия Э. ч. и в к-рую
вложены группы симметрии, проявляющие себя в изученной области энергий. Ответ
на этот вопрос помог бы определить предельное число переносчиков взаимодействия
Э. ч. и выяснить их свойства. Не исключено, что макс. группа G
фактически
отражает свойства симметрии нек-pогo многомерного пространства. Этот круг идей
нашёл известное отражение в теории суперструн
, к-рые являются аналогами
обычных струн в пространствах с числом измерений, большим четырёх (обычно в
пространстве 10 измерений). Теория суперструн трактует Э. ч. как проявления
специфических возбуждений суперструн, отвечающие разл. спинам. Считается, что
лишние (сверх четырёх) измерения не обнаруживают себя в наблюдениях в силу т.
н. компактификации, т. е. образования замкнутых подпространств с характерными
размерами ~10 -33 см. Внеш. проявлением существования этих подпространств
являются наблюдаемые "внутр." квантовые числа Э. ч. Каких-либо данных,
подтверждающих правильность подхода к трактовке свойств Э. ч., связанного с
представлением о суперструнах, пока не существует.
Как видно из сказанного,
в идеале завершённая теория Э. ч. должна не только правильно описывать взаимодействия
заданной совокупности частиц, отобранных в качестве фундаментальных, но и содержать
в себе объяснение того, какими факторами определяется число этих частиц, их
квантовые числа, константы взаимодействия, значения их масс и т. п. Должны быть
также поняты причины выделен-ности наиб. широкой группы симметрии G
и
одновременно природа
механизмов, обусловливающих нарушение симметрии по мере перехода к более низким
энергиям. В этом плане первостепенное значение имеет прояснение роли бозонов
Хиггса в физике Э.ч. Модели, к-рые предлагает совр. теория Э. ч., ещё далеки
от удовлетворения всем перечисленным критериям.
Описание взаимодействий
Э.ч., как уже отмечалось, связано с калибровочными теориями поля. Эти теории
имеют развитый матем. аппарат, к-рый позволяет производить расчёты процессов
с Э.ч. на том уровне строгости, что и в квантовой электродинамике. Однако в
аппарате калибровочных теорий поля, в его совр. формулировке, присутствует один
существ. изъян, общий с квантовой электродинамикой,- в процессе вычислений в
нём появляются бессмысленные бесконечно большие выражения. С помощью спец. приёма
переопределения наблюдаемых величин (масс и констант взаимодействия) - перенормировки
- удаётся устранить бесконечности из окончат. результатов вычислений. Однако
процедура перенормировки - чисто формальный обход трудности, существующей в
аппарате теории, к-рая на каком-то уровне точности может сказаться на степени
согласия предсказаний теории с измерениями.
Появление бесконечностей
в вычислениях связано с тем, что в лагранжианах взаимодействий поля разных частиц
отнесены к одной точке x
, т. е. предполагается, что частицы точечные,
а четырёхмерное пространство-время остаётся плоским вплоть до самых малых расстояний.
В действительности указанные предположения, по-видимому, неверны по неск. причинам:
а) истинно Э. ч., как носителям
конечной массы, естественней всего приписать, хоть и очень малые, но конечные
размеры, если мы хотим избежать бесконечной плотности материи;
б) свойства пространства-времени
на малых расстояниях, скорее всего, радикально отличны от его макроскопич. свойств
(начиная с нек-рого характерного расстояния, к-рое обычно наз. фундаментальной
длиной);
в) на самых малых расстояниях
(~ 10 -33 см) сказывается изменение геом. свойств пространства-времени
за счёт влияния квантовых гравитац. эффектов (флуктуации метрики; см. Квантовая
теория гравитации)
.
Возможно, эти причины тесно
связаны между собой. Так, именно учёт гравитац. эффектов наиб. естественно приводит
к размерам истинно Э.ч. порядка 10 -33 см, а фундам. длина может фактически
совпадать с т. н. планковской длиной l
Пл = 10 -33
см, где x
-гравитац. постоянная (M.
Марков, 1966). Любая из этих причин должна привести к модификации теории и устранению
бесконечностей, хотя практическое выполнение этой модификации может оказаться
очень сложным.
Одна из интересных возможностей
последовательного учёта эффектов гравитации связана с распространением идей
суперсимметрии на гравитац. взаимодействие (теория супергравитации
, в
особенности расширенной супергравитации). Совместный учёт гравитац. и других
видов взаимодействий приводит к заметному сокращению числа расходящихся выражений
в теории, но ведёт ли супергравитация к полной ликвидации расходимостей в расчётах,
строго не доказано.
T. о., логическим завершением
идей Великого объединения, скорее всего, станет включение в общую схему рассмотрения
взаимодействий Э. ч. также и гравитац. взаимодействия, учёт к-рого может оказаться
принципиальным на самых малых расстояниях. Именно на базе одновременного учёта
всех видов взаимодействий наиб. вероятно ожидать создания будущей теории Э.
ч.
Лит.:
Элементарные
частицы и компенсирующие поля. Сб. ст., пер. с англ., M., 1964; Коккедэ Я.,
Теория кварков, пер. с англ., M.. 1971; Марков M. А., О природе материи, M.,
1976; Глэ-шоу Ш., Кварки с цветом и ароматом, пер. с англ.. "УФН",
1976, т. 119, в. 4, с. 715; Бернстейн Дж., Спонтанное нарушение симметрии, калибровочные
теории, механизм Хиггса и т.п., в кн.: Квантовая теория калибровочных полей.
Сб. ст., пер. с англ., M., 1977 (Новости фундаментальной физики, в. 8); Боголюбов
H. H., Ширков Д. В., Квантовые поля, 2 изд., M., 1993; Окунь Л. Б., Лептоны
и кварки, 2 изд., M., 1990.
– материальные объекты, которые нельзя разделить на составные части.
В соответствии с этим определением к элементарным частицам не могут быть
отнесены молекулы, атомы и атомные ядра, которые поддаются делению на составные
части – атом делится на ядро и орбитальные электроны, ядро – на нуклоны.
В то же время нуклоны, состоящие из более мелких и фундаментальных частиц
– кварков, нельзя разделить на эти кварки. Поэтому нуклоны относят к элементарным
частицам. Учитывая то обстоятельство, что нуклон и другие адроны имеют сложную
внутреннюю структуру, состоящую из более фундаментальных частиц – кварков,
более целесообразно адроны называть не элементарными частицами, а просто
частицами.
Частицы имеют размеры меньшие, чем атомные ядра. Размеры ядер
10 -13 − 10 -12 см. Наиболее “крупные” частицы (к ним
относятся и нуклоны) состоят из кварков (двух или трёх) и называются адронами.
Их размеры ≈ 10 -13 см. Существуют также бесструктурные (на современном
уровне знаний) точечноподобные (< 10 -17 см) частицы, которые
называют фундаментальными. Это кварки, лептоны, фотон и некоторые другие.
Всего известно несколько сот частиц. Это в подавляющем большинстве адроны.
Таблица 1
|
Фундаментальные фермионы |
|||||||
|---|---|---|---|---|---|---|---|
|
Взаимодействия |
Поколения | Заряд
Q/e |
|||||
| лептоны | ν е | ν μ | ν τ | ||||
| e | μ | τ | |||||
| кварки | c | t | +2/3 | ||||
| s | b | -1/3 | |||||
Фундаментальными частицами являются 6 кварков и 6 лептонов (табл. 1), имеющих спин 1/2 (это фундаментальные фермионы) и несколько частиц со спином 1 (глюон, фотон, бозоны W ± и Z), а также гравитон (спин 2), называемые фундаментальными бозонами (табл. 2). Фундаментальные фермионы делятся на три группы (поколения), в каждой из которых 2 кварка и 2 лептона. Из частиц первого поколения (кварки u, d, электрон е −) состоит вся наблюдаемая материя: из кварков u и d состоят нуклоны, из нуклонов состоят ядра. Ядра с электронами на орбитах образуют атомы и т.д.
Таблица 2
| Фундаментальные взаимодействия | ||||
|---|---|---|---|---|
| Взаимодействие | Квант поля | Радиус, см | Константа
взаимодействия (порядок величины) |
Пример проявления |
| сильное | глюон | 10 -13 | 1 | ядро, адроны |
| электромагнитное | γ-квант | 10 -2 | атом | |
| слабое | W ± , Z | 10 -16 | 10 -6 | γ-распад |
| гравитационное | гравитон | ∞ | 10 -38 | сила тяжести |
Роль фундаментальных бозонов в том, что они реализуют
взаимодействие между частицами, являясь “переносчиками” взаимодействий.
В процессе различных взаимодействий частицы обмениваются фундаментальными
бозонами. Частицы участвуют в четырёх фундаментальных взаимодействиях –
сильном (1), электромагнитном (10 -2), слабом (10 -6)
и гравитационном (10 -38). В скобках указаны цифры, характеризующие
относительную силу каждого взаимодействия в области энергий меньше 1 ГэВ.
Кварки (и адроны) участвуют во всех взаимодействиях. Лептоны не участвуют
в сильном взаимодействии. Переносчиком сильного взаимодействия является
глюон (8 типов), электромагнитного – фотон, слабого – бозоны W ±
и Z, гравитационного – гравитон.
Подавляющее число частиц в свободном состоянии нестабильно, т.е.
распадается. Характерные времена жизни частиц 10 -24 –10 -6
сек. Время жизни свободного нейтрона около 900 сек. Электрон, фотон, электронное
нейтрино и возможно протон (и их античастицы) – стабильны.
Основой теоретического описания частиц является квантовая теория
поля. Для описания электромагнитных взаимодействий используется квантовая
электродинамика (КЭД), слабое и электромагнитное взаимодействие совместно
описываются объединённой теорией – электрослабой моделью (ЭСМ), сильное
взаимодействие – квантовой хромодинамикой (КХД). КХД и ЭСМ, совместно описывающие
сильное, электромагнитное и слабое взаимодействия кварков и лептонов, образуют
теоретическую схему, называемую Стандартной Моделью.
Для того чтобы объяснить свойства и поведение элементарных частиц, их приходится наделять, кроме массы, электрического заряда и типа, рядом дополнительных, характерных для них величин (квантовых чисел), о которых мы поговорим ниже.
Элементарные частицы обычно подразделяются на четыре класса . Помимо этих классов, предполагается существование ещё одного класса частиц – гравитонов (квантов гравитационного поля). Экспериментально эти частицы ещё не обнаружены.
Дадим краткую характеристику четырем классам элементарных частиц.
К одному из них относится только одна частица – фотон .
Фотоны (кванты электромагнитного поля) участвуют в электромагнитных взаимодействиях, но не обладают сильным и слабым взаимодействием.
Второй класс образуют лептоны , третий – адроны и, наконец, четвертый – калибровочные бозоны (табл. 2)
Таблица 2
| Элементарные частицы |
|||
| Лептоны |
Калибровочные бозоны |
Адроны |
|
|
|
|||
| n , p , гипероны Барионные резонансы |
Мезонные резонансы |
||
Лептоны (греч. «лептос » – лёгкий) - частицы , участвующие в электромагнитных и слабых взаимодействиях . К ним относятся частицы, не обладающие сильным взаимодействием: электроны (), мюоны (), таоны (), а также электронные нейтрино (), мюонные нейтрино () и тау-нейтрино (). Все лептоны имеют спины, равные 1/2 , и следовательно являются фермионами . Все лептоны обладают слабым взаимодействием. Те из них, которые имеют электрический заряд (т.е. мюоны и электроны), обладают также и электромагнитным взаимодействием. Нейтрино участвуют только в слабых взаимодействиях.
Адроны (греч. «адрос » – крупный, массивный) - частицы , участвующие в сильных , электромагнитных и слабых взаимодействиях. Сегодня известно свыше сотни адронов и их подразделяют на барионы и мезоны .
Барионы - адроны , состоящие из трёх кварков (qqq ) и имеющие барионное число B = 1.
Класс барионов объединяет в себе нуклоны (p , n ) и нестабильные частицы с массой большей массы нуклонов, получившие название гиперонов (). Все гипероны обладают сильным взаимодействием, и следовательно активно взаимодействуют с атомными ядрами. Спин всех барионов равен 1/2 , так что барионы являются фермионами . За исключением протона, все барионы нестабильны. При распаде бариона, наряду с другими частицами, обязательно образуется барион. Эта закономерность является одним из проявлений закона сохранения барионного заряда .
Мезоны - адроны , состоящие из кварка и антикварка () и имеющие барионное число B = 0.
Мезоны – сильно взаимодействующие нестабильные частицы, не несущие так называемого барионного заряда. К их числу принадлежат -мезоны или пионы (), K-мезоны, или каоны (
), и -мезоны. Массы и мезонов одинакова и равна 273,1 , 264,1 время жизни, соответственно, и с. Масса К-мезонов составляет 970 . Время жизни К-мезонов имеет величину порядка с. Масса эта-мезонов 1074 , время жизни порядка с. В отличие от лептонов, мезоны обладают не только слабым (и если они заряжены, электромагнитным), но также и сильным взаимодействием, проявляющимся при взаимодействии их между собой, а также при взаимодействии между мезонами и барионами. Спин всех мезонов равен нулю, так что они являются бозонами
.
Калибровочные бозоны - частицы , осуществляющие взаимодействие между фундаментальными фермионами (кварками и лептонами). Это частицы W + , W – , Z 0 и восемь типов глюонов g. Сюда же можно отнести и фотон γ.
Свойства элементарных частиц
Каждая частица описывается набором физических величин – квантовых чисел, определяющих её свойства. Наиболее часто употребляемые характеристики частиц следующие.
Масса частицы , m . Массы частиц меняются в широких пределах от 0 (фотон) до 90 ГэВ (Z -бозон). Z -бозон - наиболее тяжелая из известных частиц. Однако могут существовать и более тяжелые частицы. Массы адронов зависят от типов входящих в их состав кварков, а также от их спиновых состояний.
Время жизни , τ. В зависимости от времени жизни частицы делятся на стабильные частицы , имеющие относительно большое время жизни, и нестабильные .
К стабильным частицам относят частицы, распадающиеся по слабому или электромагнитному взаимодействию. Деление частиц на стабильные и нестабильные условно. Поэтому к стабильным частицам принадлежат такие частицы, как электрон, протон, для которых в настоящее время распады не обнаружены, так и π 0 -мезон, имеющий время жизни τ = 0.8×10 - 16 с.
К нестабильным частицам относят частицы, распадающиеся в результате сильного взаимодействия. Их обычно называют резонансами . Характерное время жизни резонансов - 10 - 23 -10 - 24 с.
Спин J . Величина спина измеряется в единицах ħ и может принимать 0, полуцелые и целые значения. Например, спин π-, К-мезонов равен 0. Спин электрона, мюона равен 1/2. Спин фотона равен 1. Существуют частицы и с большим значением спина. Частицы с полуцелым спином подчиняются статистике Ферми-Дирака, с целым спином - Бозе–Эйнштейна.
Электрический заряд q . Электрический заряд является целой кратной величиной от е = 1,6×10 - 19 Кл, называемой элементарным электрическим зарядом. Частицы могут иметь заряды 0, ±1, ±2.
Внутренняя четность Р . Квантовое число Р характеризует свойство симметрии волновой функции относительно пространственных отражений. Квантовое число Р имеет значение +1, -1.
Наряду с общими для всех частиц характеристиками, используют также квантовые числа, которые приписывают только отдельным группам частиц.
Квантовые числа : барионное число В , странность s , очарование (charm ) с , красота (bottomness или beauty ) b , верхний (topness ) t , изотопический спин I приписывают только сильновзаимодействующим частицам - адронам .
Лептонные числа
L e
, L
μ , L
τ . Лептонные числа приписывают частицам, образующим группу лептонов. Лептоны e
, μ и τ участвуют только в электромагнитных и слабых взаимодействиях. Лептоны ν e
, n μ и n τ участвуют только в слабых взаимодействиях. Лептонные числа имеют значения L e
, L
μ , L
τ = 0, +1, -1. Например, e - , электронное нейтрино n e
имеют L e
= +l; , имеют L e
= - l. Все адроны имеют 
.
Барионное число В . Барионное число имеет значение В = 0, +1, -1. Барионы, например, n , р , Λ, Σ, нуклонные резонансы имеют барионное число В = +1. Мезоны, мезонные резонансы имеют В = 0, антибарионы имеют В = -1.
Странность s . Квантовое число s может принимать значения -3, -2, -1, 0, +1, +2, +3 и определяется кварковым составом адронов. Например, гипероны Λ, Σ имеют s = -l; K + - , K – - мезоны имеют s = + l.
Charm с . Квантовое число с с = 0, +1 и -1. Например, барион Λ + имеет с = +1.
Bottomness b . Квантовое число b может принимать значения -3, -2, -1, 0, +1, +2, +3. В настоящее время обнаружены частицы, имеющие b = 0, +1, -1. Например, В + -мезон имеет b = +1.
Topness t . Квантовое число t может принимать значения -3, -2, -1, 0, +1, +2, +3. В настоящее время обнаружено всего одно состояние с t = +1.
Изоспин I . Сильновзаимодействующие частицы можно разбить на группы частиц, обладающих схожими свойствами (одинаковое значение спина, чётности, барионного числа, странности и др. квантовых чисел, сохраняющихся в сильных взаимодействиях) - изотопические мультиплеты . Величина изоспина I определяет число частиц, входящих в один изотопический мультиплет, n и р составляет изотопический дуплет I = 1/2; Σ + , Σ - , Σ 0 , входят в состав изотопического триплета I = 1, Λ - изотопический синглет I = 0, число частиц, входящих в один изотопический мультиплет , 2I + 1.
G - четность - это квантовое число, соответствующее симметрии относительно одновременной операции зарядового сопряжения с и изменения знака третьего компонента I изоспина. G- четность сохраняется только в сильных взаимодействиях.
Существование элементарных частиц ученые обнаружили при исследовании ядерных процессов, поэтому вплоть до середины XX века физика элементарных частиц была разделом ядерной физики. В настоящее время эти разделы физики являются близкими, но самостоятельными, объединенными общностью многих рассматриваемых проблем и применяемыми методами исследования. Главная задача физики элементарных частиц - это исследование природы, свойств и взаимных превращений элементарных частиц.
Представление о том, что мир состоит из фундаментальных частиц , имеет долгую историю. Впервые мысль о существовании мельчайших невидимых частиц, из которых состоят все окружающие предметы, была высказана за 400 лет до нашей эры греческим философом Демокритом. Он назвал эти частицы атомами, т. е. неделимыми частицами. Наука начала использовать представление об атомах только в начале XIX века, когда на этой основе удалось объяснить целый ряд химических явлений. В 30-е годы XIX века в теории электролиза, развитой М. Фарадеем, появилось понятие иона и было выполнено измерение элементарного заряда. Конец XIX века ознаменовался открытием явления радиоактивности (А. Беккерель,1896), а также открытиями электронов (Дж. Томсон 1876) и α-частиц (Э. Резерфорд, 1899). В 1905 году в физике возникло представление о квантах электромагнитного поля - фотонах (А. Эйнштейн).
В 1911 году было открыто атомное ядро (Э. Резерфорд) и окончательно было доказано, что атомы имеют сложное строение. В 1919 году Резерфорд в продуктах расщепления ядер атомов ряда элементов обнаружил протоны. В 1932 году Дж. Чедвик открыл нейтрон. Стало ясно, что ядра атомов, как и сами атомы, имеют сложное строение. Возникла протон-нейтронная теория строения ядер (Д.Д Иваненко и В.Гейзенберг). В том же 1932 году в космических лучах был открыт позитрон (К. Андерсон). Позитрон - положительно заряженная частица, имеющая ту же массу и тот же (по модулю) заряд, что и электрон. Существование позитрона было предсказано П. Дираком в 1928 году. В эти годы были обнаружены и исследованы взаимные превращения протонов и нейтронов и стало ясно, что эти частицы также не являются неизменными элементарными «кирпичиками» природы. В 1937 году в космических лучах были обнаружены частицы с массой в 207 электронных масс, названные мюонами (μ-мезонами ). Затем в 1947-1950 годах были открыты пионы (т. е. π-мезоны ), которые, по современным представлениям, осуществляют взаимодействие между нуклонами в ядре. В последующие годы число вновь открываемых частиц стало быстро расти. Этому способствовали исследования космических лучей, развитие ускорительной техники и изучение ядерных реакций.
В настоящее время известно около 400 субъядерных частиц, которые принято называть элементарными. Подавляющее большинство этих частиц являются нестабильными . Исключение составляют лишь фотон, электрон, протон и нейтрино. Все остальные частицы через определенные промежутки времени испытывают самопроизвольные превращения в другие частицы. Нестабильные элементарные частицы сильно отличаются друг от друга по временам жизни. Наиболее долгоживущей частицей является нейтрон. Время жизни нейтрона порядка 15 мин. Другие частицы «живут» гораздо меньшее время. Например, среднее время жизни μ-мезона равно 2,2·10 -6 с, нейтрального π-мезона - 0,87·10 -16 с. Многие массивные частицы - гипероны - имеют среднее время жизни порядка 10 -10 с.
Существует несколько десятков частиц со временем жизни, превосходящим 10 -17 с. По масштабам микромира это значительное время. Такие частицы называют относительно стабильными . Большинство короткоживущих элементарных частиц имеют времена жизни порядка 10 -22 -10 -23 с.
Способность к взаимным превращениям - это наиболее важное свойство всех элементарных частиц. Они способны рождаться и уничтожаться (испускаться и поглощаться). Это относится также и к стабильным частицам с той только разницей, что превращения стабильных частиц происходят не самопроизвольно, а при взаимодействии с другими частицами. Примером может служить аннигиляция (т. е. исчезновение ) электрона и позитрона, сопровождающаяся рождением фотонов большой энергии. Может протекать и обратный процесс - рождение электронно-позитронной пары, например, при столкновении фотона достаточно большой энергии с ядром. Такой опасный двойник, каким для электрона является позитрон, есть и у протона. Он называется антипротоном . Электрический заряд антипротона отрицателен. В настоящее время античастицы найдены у всех частиц. Античастицы противопоставляются частицам потому, что при встрече любой частицы со своей античастицей происходит их аннигиляция, т. е. обе частицы исчезают, превращаясь в кванты излучения или другие частицы.
Античастица обнаружена даже у нейтрона. Нейтрон и антинейтрон отличаются только знаками магнитного момента и так называемого барионного заряда. Возможно существование атомов антивещества , ядра которых состоят из антинуклонов, а оболочка - из позитронов. При аннигиляции антивещества с веществом энергия покоя превращается в энергию квантов излучения. Это огромная энергия, значительно превосходящая ту, которая выделяется при ядерных и термоядерных реакциях.
В многообразии элементарных частиц, известных к настоящему времени, обнаруживается более или менее стройная система классификации. В табл. 6.9.1 представлены некоторые сведенья о свойствах элементарных частиц со временем жизни более 10 -20 с. Из многих свойств, характеризующих элементарную частицу, в таблице указаны только масса частицы (в электронных массах), электрический заряд (в единицах элементарного заряда) и момент импульса (так называемый спин ) в единицах постоянной Планка h = h / 2π. В таблице указано также среднее время жизни частицы.
|
Группа
Название частицы Символ Масса (в электронных массах) Электрический заряд Спин Время жизни (с) Частица Античастица Фотоны Фотон Стабилен Лептоны Нейтрино электронное ν e 1 / 2 Стабильно Нейтрино мюонное ν μ 1 / 2 Стабильно Электрон 1 / 2 Стабилен Мю-мезон μ - μ + 206,8 1 / 2 2,2 10 -6 Адроны Мезоны Пи-мезоны π 0 264,1 0,87 10 -16 π + π - 273,1 1 -1 2,6 10 -8 К-мезоны 966,4 1 -1 1,24 10 -8 K 0 974,1 ≈ 10 -10 -10 -8 Эта-нуль-мезон η 0 1074 ≈ 10 -18 Барионы Протон 1836,1 1 -1 1 / 2 Стабилен Нейтрон 1838,6 1 / 2 Лямбда-гиперон Λ 0 2183,1 1 / 2 2,63 10 -10 Сигма-гипероны Σ + 2327,6 1 -1 1 / 2 0,8 10 -10 Σ 0 2333,6 1 / 2 7,4 10 -20 Σ - 2343,1 1 / 2 1,48 10 -10 Кси-гипероны Ξ 0 2572,8 1 / 2 2,9 10 -10 Ξ - 2585,6 1 / 2 1,64 10 -10 Омега-минус-гиперон Ω - 3273 1 / 2 0,82 10 -11
|
|
Таблица 6.9.1 |
Элементарные частицы объединяются в три группы: фотоны , лептоны и адроны .
К группе фотонов относится единственная частица - фотон, которая является носителем электромагнитного взаимодействия.
Следующая группа состоит из легких частиц - лептонов . В эту группу входят два сорта нейтрино (электронное и мюонное), электрон и μ-мезон. К лептонам относятся еще ряд частиц, не указанных в таблице. Все лептоны имеют спин 1/2 .
Третью большую группу составляют тяжелые частицы, называемые адронами . Эта группа делится на две части. Более легкие частицы составляют подгруппу мезонов . Наиболее легкие из них - положительно и отрицательно заряженные, а также нейтральные π-мезоны с массами порядка 250 электронных масс (табл. 6.9.1). Пионы являются квантами ядерного поля, подобно тому, как фотоны являются квантами электромагнитного поля. В эту подгруппу входят также четыре K-мезона и один η 0 -мезон. Все мезоны имеют спин, равный нулю.
Вторая подгруппа - барионы - включает более тяжелые частицы. Она является наиболее обширной. Самыми легкими из барионов являются нуклоны - протоны и нейтроны. За ними следуют так называемые гипероны. Замыкает таблицу омега-минус-гиперон, открытый в 1964 г. Это тяжелая частица с массой в 3273 электронных масс. Все барионы имеют спин 1/2 .
Обилие открытых и вновь открываемых адронов навела ученых на мысль, что все они построены из каких-то других более фундаментальных частиц. В 1964 г. американским физиком М. Гелл-Манном была выдвинута гипотеза, подтвержденная последующими исследованиями, что все тяжелые частицы - адроны - построены из более фундаментальных частиц, названных кварками . На основе кварковой гипотезы не только была понята структура уже известных адронов, но и предсказано существование новых. Теория Гелл-Мана предполагала существование трех кварков и трех антикварков, соединяющихся между собой в различных комбинациях. Так, каждый барион состоит из трех кварков, антибарион - из трех антикварков. Мезоны состоят из пар кварк-антикварк.
С принятием гипотезы кварков удалось создать стройную систему элементарных частиц. Однако предсказанные свойства этих гипотетических частиц оказались довольно неожиданными. Электрический заряд кварков должен выражаться дробными числами, равными 2/3 и 1/3 элементарного заряда.
Многочисленные поиски кварков в свободном состоянии, производившиеся на ускорителях высоких энергий и в космических лучах, оказались безуспешными. Ученые считают, что одной из причин ненаблюдаемости свободных кварков являются, возможно, их очень большие массы. Это препятствует рождению кварков при тех энергиях, которые достигаются на современных ускорителях. Тем не менее, большинство специалистов сейчас уверены в том, что кварки существуют внутри тяжелых частиц - адронов.
Фундаментальные взаимодействия . Процессы, в которых участвуют различные элементарные частицы, сильно различаются по энергиям и характерным временам их протекания. Согласно современным представлениям, в природе осуществляется четыре вида взаимодействий, которые не могут быть сведены к другим, более простым видам: сильное , электромагнитное , слабое и гравитационное . Эти виды взаимодействий называют фундаментальными .
Сильное (или ядерное ) взаимодействие - наиболее интенсивное. Оно обуславливает исключительно прочную связь между протонами и нейтронами в ядрах атомов. В сильном взаимодействии могут принимать участие только тяжелые частицы - адроны (мезоны и барионы). Сильное взаимодействие проявляется на расстояниях порядка 10 -15 м и менее. Поэтому его называют короткодействующим.
Электромагнитное взаимодействие. В нем могут принимать участие любые электрически заряженные частицы, а так же фотоны - кванты электромагнитного поля. Электромагнитное взаимодействие ответственно, в частности, за существование атомов и молекул. Оно определяет многие свойства веществ в твердом, жидком и газообразном состояниях. Кулоновское отталкивание протонов приводит к неустойчивости ядер с большими массовыми числами. Электромагнитное взаимодействие обуславливает процессы поглощения и излучения фотонов атомами и молекулами вещества и многие другие процессы физики микро- и макромира.
Слабое взаимодействие - определяет ход наиболее медленных процессов, протекающих в микромире. В нем могут принимать участие любые элементарные частицы, кроме фотонов. Слабое взаимодействие ответственно за протекание процессов с участием нейтрино или антинейтрино, например, β-распад нейтрона
а также безнейтринные процессы распада частиц с большим временем жизни (τ ≥ 10 -10 с).
Гравитационное взаимодействие присуще всем без исключения частицам, однако из-за малости масс элементарных частиц силы гравитационного взаимодействия между ними пренебрежимо малы и в процессах микромира их роль несущественна. Гравитационные силы играют решающую роль при взаимодействии космических объектов (звезд, планет и т. п.) с их огромными массами.
В 30-е годы XX века возникла гипотеза о том, что в мире элементарных частиц взаимодействия осуществляются посредством обмена квантами какого-либо поля. Эта гипотеза первоначально была выдвинута нашими соотечественниками И.Е. Таммом и Д.Д Иваненко. Они предположили, что фундаментальные взаимодействия возникают в результате обмена частицами, подобно тому, как ковалентная химическая связь атомов возникает при обмене валентными электронами, которые объединяются на незаполненных электронных оболочках.
Взаимодействие, осуществляемое путем обмена частицами, получило в физике название обменного взаимодействия . Так, например, электромагнитное взаимодействие между заряженными частицами, возникает вследствие обмена фотонами - квантами электромагнитного поля.
Теория обменного взаимодействия получила признание после того, как в 1935 г. японский физик Х. Юкава теоретически показал, что сильное взаимодействие между нуклонами в ядрах атомов может быть объяснено, если предположить, что нуклоны обмениваются гипотетическими частицами, получившими название мезонов. Юкава вычислил массу этих частиц, которая оказалась приблизительно равной 300 электронным массам. Частицы с такой массой были впоследствии действительно обнаружены. Эти частицы получили название π-мезонов (пионов). В настоящее время известны три вида пионов: π + , π - и π 0 (см. табл. 6.9.1).
В 1957 году было теоретически предсказано существование тяжелых частиц, так называемых в екторных бозонов W + , W - и Z 0 , обуславливающих обменный механизм слабого взаимодействия. Эти частицы были обнаружены в 1983 году в экспериментах на ускорителе на встречных пучках протонов и антипротонов с высокой энергией. Открытие векторных бозонов явилось очень важным достижением физики элементарных частиц. Это открытие ознаменовало успех теории, объединившей электромагнитное и слабое взаимодействия в единое так называемое электрослабое взаимодействие . Эта новая теория рассматривает электромагнитное поле и поле слабого взаимодействия как разные компоненты одного поля, в котором наряду с квантом участвуют векторные бозоны.
После этого открытия в современной физике значительно возросла уверенность в том, что все виды взаимодействий тесно связаны между собой и, по существу, являются различными проявлениями некоторого единого поля. Однако объединение всех взаимодействий остается пока лишь привлекательной научной гипотезой (Единой Теорией поля).
Физики-теоретики прилагают значительные усилия, чтобы рассмотреть на единой основе не только электромагнитное и слабое, но и сильное взаимодействие. Эта теория получила название Великого объединения . Ученые предполагают, что и у гравитационного взаимодействия должен быть свой переносчик - гипотетическая частица, названная гравитоном . Однако эта частица до сих пор не обнаружена.
В настоящее время считается доказанным, что единое поле, объединяющее все виды взаимодействия, может существовать только при чрезвычайно больших энергиях частиц, недостижимых на современных ускорителях. Такими большими энергиями частицы могли обладать только на самых ранних этапах существования Вселенной, которая возникла в результате так называемого Большого взрыва (Big Bang). Космология - наука об эволюции Вселенной - предполагает, что Большой взрыв произошел около 13,7 миллиардов лет тому назад. В стандартной модели эволюции Вселенной предполагается, что в первый период после взрыва температура могла достигать 10 32 К, а энергия частиц E = kT достигать значений 10 19 ГэВ. В этот период материя существовала в форме кварков и нейтрино, при этом все виды взаимодействий были объединены в единое силовое поле. Постепенно по мере расширения Вселенной энергия частиц уменьшалась, и из единого поля взаимодействий сначала выделилось гравитационное взаимодействие (при энергиях частиц ≤ 10 19 ГэВ), а затем сильное взаимодействие отделилось от электрослабого (при энергиях порядка 10 14 ГэВ). При энергиях порядка 10 3 ГэВ все четыре вида фундаментальных взаимодействий оказались разделенными. Одновременно с этими процессами шло формирование более сложных форм материи - нуклонов, легких ядер, ионов, атомов и т. д. Космология в своей модели пытается проследить эволюцию Вселенной на разных этапах ее развития от Большого взрыва до наших дней, опираясь на законы физики элементарных частиц, а также ядерной и атомной физики.