Astronet > Fundamental'nye chasticy

po tekstam po klyuchevym slovam v glossarii po saitam perevod po katalogu

Fundamental'nye chasticy

S. A. Slavatinskii (Moskovskii fiziko-tehnicheskii institut, Dolgoprudnyi Moskovskoi obl.)
Opublikovano v Sorosovskom obrazovatel'nom zhurnale, N 2, 2001 g. Soderzhanie

Eshe sravnitel'no nedavno elementarnymi schitalis' neskol'ko sot chastic i antichastic. Detal'noe izuchenie ih svoistv i vzaimodeistvii s drugimi chasticami i razvitie teorii pokazali, chto bol'shinstvo iz nih na samom dele ne elementarny, tak kak sami sostoyat iz prosteishih ili, kak seichas govoryat, fundamental'nyh chastic. Fundamental'nye chasticy sami uzhe ni iz chego ne sostoyat. Mnogochislennye eksperimenty pokazali, chto vse fundamental'nye chasticy vedut sebya kak bezrazmernye tochechnye ob'ekty, ne imeyushie vnutrennei struktury, po krainei mere do naimen'shih, izuchennyh seichas rasstoyanii $\sim {10}^{-16}$ sm.

Sredi beschislennyh i raznoobraznyh processov vzaimodeistviya mezhdu chasticami imeyutsya chetyre osnovnyh ili fundamental'nyh vzaimodeistviya: sil'noe (yadernoe), elektromagnitnoe, slaboe i gravitacionnoe. V mire chastic gravitacionnoe vzaimodeistvie ochen' slaboe, ego rol' eshe neyasna, i o nem dal'she my govorit' ne budem.

V prirode sushestvuyut dve gruppy chastic: adrony, kotorye uchastvuyut vo vseh fundamental'nyh vzaimodeistviyah, i leptony, ne uchastvuyushie tol'ko v sil'nom vzaimodeistvii.

Soglasno sovremennym predstavleniyam, vzaimodeistviya mezhdu chasticami osushestvlyayutsya posredstvom ispuskaniya i posleduyushego poglosheniya kvantov sootvetstvuyushego polya (sil'nogo, slabogo, elektromagnitnogo), okruzhayushego chasticu. Takimi kvantami yavlyayutsya kalibrovochnye bozony, takzhe yavlyayushiesya fundamental'nymi chasticami. U bozonov sobstvennyi moment kolichestva dvizheniya, nazyvaemyi spinom, raven celochislennomu znacheniyu postoyannoi Planka hš= 1,05*10^-27 erg*s. Kvantami polya i sootvetstvenno perenoschikami sil'nogo vzaimodeistviya yavlyayutsya glyuony, oboznachaemye simvolom g (dzhi), kvantami elektromagnitnogo polya yavlyayutsya horosho izvestnye nam kvanty sveta - fotony, oboznachaemye $\gamma$ (gamma), a kvantami slabogo polya i sootvetstvenno perenoschikami slabyh vzaimodeistvii yavlyayutsya ${W}^{\pm}$ (dubl' ve)- i Z⁰ (zet nul')-bozony.

V otlichie ot bozonov vse ostal'nye fundamental'nye chasticy yavlyayutsya fermionami, to est' chasticami, imeyushimi poluceloe znachenie spina, ravnoe h /2.

V tabl. 1 privedeny simvoly fundamental'nyh fermionov - leptonov i kvarkov.

Kazhdoi chastice, privedennoi v tabl. 1, sootvetstvuet antichastica, otlichayushayasya ot chasticy lish' znakami elektricheskogo zaryada i drugih kvantovyh chisel (sm. tabl. 2) i napravleniem spina otnositel'no napravleniya impul'sa chasticy. Antichasticy my budem oboznachat' temi zhe simvolami, kak i chasticy, no s volnistoi chertoi nad simvolom.

Chasticy v tabl. 1 oboznacheny grecheskimi i latinskimi bukvami, a imenno: bukvoi $\nu$ (nyu) - tri razlichnyh neitrino, bukvami e - elektron, $\mu$ (myu) - myuon, $\tau$ š(tau) - taon, bukvami u, c, t, d, s, b oboznacheny kvarki; ih naimenovaniya i harakteristiki privedeny v tabl. 2.

Chasticy v tabl. 1 sgruppirovany v tri pokoleniya I, II i III v sootvetstvii so strukturoi sovremennoi teorii [Okun' L.B., 1988.]. Nasha Vselennaya postroena iz chastic pervogo pokoleniya - leptonov i kvarkov i kalibrovochnyh bozonov, no, kak pokazyvaet sovremennaya nauka o razvitii Vselennoi, na nachal'noi stadii ee razvitiya vazhnuyu rol' igrali chasticy vseh treh pokolenii.

Tablica 1

Leptony			Kvarki
I	II	III	I	II	III
$\nu_{e}$	$\nu_{\mu}$	$\nu_{\tau}$	u	c	t
e	$\mu$	$\tau$	d	s	b

Leptony

Snachala rassmotrim bolee podrobno svoistva leptonov. V verhnei stroke tabl. 1 soderzhatsya tri raznyh neitrino: elektronnoe $\nu_{e}$ , myuonnoe $\nu_{\mu}$ i tau-neitrino $\nu_{\tau}$ . Ih massa do sih por tochno ne izmerena, no opredelen ee verhnii predel, naprimer dlya $\nu_{e}$ ravnyi 10^-5 ot velichiny massy elektrona (to est' $\leq {10}^{-32}$ g).

Pri vzglyade na tabl. 1 nevol'no voznikaet vopros o tom, zachem prirode potrebovalos' sozdanie treh raznyh neitrino. Otveta na etot vopros poka net, ibo ne sozdana takaya vseob'emlyushaya teoriya fundamental'nyh chastic, kotoraya by ukazala na neobhodimost' i dostatochnost' vseh takih chastic i opisala by ih osnovnye svoistva. Vozmozhno, eta problema budet reshena v XXI veke (ili pozzhe?).

Nizhnyaya stroka tabl. 1 nachinaetsya s naibolee izuchennoi nami chasticy - elektrona. Elektron byl otkryt eshe v konce proshlogo veka angliiskim fizikom Dzh. Tomsonom. Rol' elektronov v nashem mire ogromna. Oni yavlyayutsya temi otricatel'no zaryazhennymi chasticami, kotorye vmeste s atomnymi yadrami obrazuyut vse atomy izvestnyh nam elementov Periodicheskoi tablicy Mendeleeva. V kazhdom atome chislo elektronov v tochnosti ravno chislu protonov v atomnom yadre, chto i delaet atom elektricheski neitral'nym.

Elektron stabilen, glavnoi vozmozhnost'yu unichtozheniya elektrona yavlyaetsya ego gibel' pri soudarenii s antichasticei - pozitronom e⁺. Etot process poluchil nazvanie annigilyacii:

${e}^{-} + {e}^{+} \rightarrow \gamma + \gamma$ .

(1)

V rezul'tate annigilyacii obrazuyutsya dva gamma-kvanta (tak nazyvayut fotony vysokoi energii), unosyashie i energii pokoya e⁺ i e^-, i ih kineticheskie energii. Pri vysokoi energii e⁺ i e^- obrazuyutsya adrony i kvarkovye pary (sm., naprimer, (5) i ris. 4).

Reakciya (1) naglyadno illyustriruet spravedlivost' znamenitoi formuly A. Einshteina ob ekvivalentnosti massy i energii: E = mc².

Deistvitel'no, pri annigilyacii ostanovivshegosya v veshestve pozitrona i pokoyashegosya elektrona vsya massa ih pokoya (ravnaya 1,22 MeV) perehodit v energiyu $\gamma$ -kvantov, kotorye ne imeyut massy pokoya.

Vo vtorom pokolenii nizhnei stroki tabl. 1 raspolozhen myuon - chastica, yavlyayushayasya po vsem svoim svoistvam analogom elektrona, no s anomal'no bol'shoi massoi. Massa myuona v 207 raz bol'she massy elektrona. V otlichie ot elektrona myuon nestabilen. Vremya ego zhizni t = 2,2*10^-6 s. Myuon preimushestvenno raspadaetsya na elektron i dva neitrino po sheme

$\mu^{-} \rightarrow {e}^(-) + \tilde{{\nu}_{e} + {\nu}_{\mu}}$ .

(2)

Eshe bolee tyazhelym analogom elektrona yavlyaetsya $\tau$ -lepton (taon). Ego massa bolee chem v 3 tys. raz prevoshodit massu elektrona ( ${m}_{tau} = 1777$ MeV/s²), to est' taon tyazhelee protona i neitrona. Vremya ego zhizni ravno 2,9*10^-13 s, a iz bolee chem sta raznyh shem (kanalov) ego raspada vozmozhny sleduyushie:

${\tau}^{-}\begin{array}{cc}\nearrow & {e}^{-} + \tilde{{\nu}_{e}} + {\nu}_{\tau} \\ \searrow & {\mu}^{-} + \tilde{{\nu}_{\mu}} + {\nu}_{\tau} \end{array}$ .

(3)

Govorya o leptonah, interesno sravnit' slabye i elektromagnitnye sily na nekotorom opredelennom rasstoyanii, naprimer R = 10^-13 sm. Na takom rasstoyanii elektromagnitnye sily bol'she slabyh sil pochti v 10 mlrd raz. No eto vovse ne znachit, chto rol' slabyh sil v prirode mala. Otnyud' net.

Imenno slabye sily otvetstvenny za mnozhestvo vzaimnyh prevrashenii razlichnyh chastic v drugie chasticy, kak, naprimer, v reakciyah (2), (3), i takie vzaimoprevrasheniya yavlyayutsya odnoi iz harakterneishih chert fiziki chastic. V otlichie ot reakcii (2), (3) v reakcii (1) deistvuyut elektromagnitnye sily.

Govorya o leptonah, neobhodimo dobavit', chto sovremennaya teoriya opisyvaet elektromagnitnye i slabye vzaimodeistviya s pomosh'yu edinoi elektroslaboi teorii. Ona razrabotana S. Vainbergom, A. Salamom i Sh. Gleshou v 1967 godu [Kobzarev I.Yu., 1980].

Nazad | Vpered

Publikacii s klyuchevymi slovami: elementarnye chasticy - kvarki - fizika vysokih energii Publikacii so slovami: elementarnye chasticy - kvarki - fizika vysokih energii
Sm. takzhe: Bozon Higgsa: ob'yasnenie v komikse Svyaz' kvarkov s kosmosom: dvenadcat' nauchnyh voprosov dlya novogo veka Publichnaya lekciya laureata Nobelevskoi premii: Rozhdenie tvorcheskih idei Evolyuciya vselennoi Leptony Elementarnye chasticy Ee zvali Iks Vse publikacii na tu zhe temu >>

Mnenie chitatelya [1]

Versiya dlya pechati

Astrometriya - Astronomicheskie instrumenty - Astronomicheskoe obrazovanie - Astrofizika - Istoriya astronomii - Kosmonavtika, issledovanie kosmosa - Lyubitel'skaya astronomiya - Planety i Solnechnaya sistema - Solnce

Fundamental'nye chasticy

Vvedenie

Leptony