Astronet > Otkrytie samoi tyazheloi elementarnoi chasticy

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

Otkrytie samoi tyazheloi elementarnoi chasticy

B.A.Arbuzov (Moskovskii gosudarstvennyi universitet im. M.V. Lomonosova)
Opublikovano v Sorosovskom obrazovatel'nom zhurnale, N 9, 1996 g. Soderzhanie

Elementarnye chasticy

Kak izvestno, okruzhayushee nas veshestvo i my sami postroeny iz atomov, sostoyashih iz elektronov i yader, a poslednie, v svoyu ochered', sostoyat iz protonov i neitronov. Protony i neitrony prinadlezhat k klassu uchastvuyushih v sil'nom vzaimodeistvii chastic, nazyvaemyh adronami. Ne uchastvuyushii v sil'nom vzaimodeistvii elektron vhodit v gruppu leptonov. Kak i yadra atomov, adrony, v svoyu ochered', yavlyayutsya sostavnymi chasticami. Ih sostavlyayushie poluchili nazvanie "kvarki"; oni obladayut svoeobraznymi svoistvami. Samoe neobychnoe svoistvo sostoit v tom, chto kvarki sushestvuyut tol'ko vnutri adronov i ne nablyudayutsya kak izolirovannye ob'ekty. V sostave protona i neitrona prisutstvuyut dva sorta kvarkov: u i d; u-kvark imeet elektricheskii zaryad 2/3 e i d-kvark sootvetstvenno -1/3 e, gde e - elementarnyi zaryad, naprimer zaryad protona. Neitron n sostoit iz treh kvarkov (u, d, d), a proton p takzhe iz treh kvarkov, no v drugoi kombinacii (sm. ris. 1). Drugie adrony takzhe sostoyat iz kvarkov, naprimer, otricatel'no zaryazhennyi $\pi$ -mezon - $d\bar u$ , gde cherta nad simvolom oznachaet antikvark, imeyushii protivopolozhnye svoemu kvarku zaryady, naprimer, elektricheskii zaryad antikvarka $\bar u$ est' - 2/3 e. Kvarki sil'no vzaimodeistvuyut mezhdu soboi, eto vzaimodeistvie i uderzhivaet ih vnutri sootvetstvuyushei chasticy. Priroda etogo vzaimodeistviya byla vyyasnena bolee 20 let tomu nazad. Prichinoi sil'nogo vzaimodeistviya yavlyaetsya to, chto krome elektricheskogo zaryada kvarki imeyut eshe i novyi, kraine svoeobraznyi zaryad, poluchivshii nazvanie cvetnogo, kotoryi privodit k poyavleniyu sil, svyazyvayushih kvarki v adrony. Leptony, v chastnosti elektron i ego antichastica - pozitron, takim zaryadom ne obladayut (oni neitral'ny ili, kak govoryat, bescvetny) i poetomu sil'no ne vzaimodeistvuyut. V adrone, naprimer v protone ili neitrone, cvetnye zaryady sostavlyayushih ih kvarkov skompensirovany i nablyudaemye chasticy takzhe yavlyayutsya bescvetnymi. V bescvetnosti vseh nablyudaemyh chastic i sostoit porazitel'noe svoistvo sil'nyh vzaimodeistvii cvetnyh kvarkov.

Ris. 1. Kvarkovyi sostav protona (a) i neitrona (b). Temnyi kruzhok sootvetstvuet kvarku u, svetlyi kruzhok - kvarku d.

My znaem, chto atomy obychno elektricheski neitral'ny, no, naprimer, v sil'no nagretom gaze proishodit ionizaciya, to est' odin ili neskol'ko elektronov otryvayutsya ot atoma i veshestvo (plazma) teper' sostoit iz zaryazhennyh chastic (ionov i elektronov). Okazyvaetsya, chto analogichnyi process dlya kvarkovyh atomov - adronov - nevozmozhen. V adrone, naprimer v protone, cvetnye zaryady treh kvarkov skompensirovany. Iz etogo sleduet, chto tri kvarka dolzhny obyazatel'no imet' razlichnye zaryady, to est' sushestvuyut tri raznyh zaryada, tri razlichnyh cveta. Okazyvaetsya, chto bol'shego raznoobraziya i ne nuzhno. Takim obrazom, imeetsya tri sorta (cveta) kazhdogo kvarka u i kazhdogo kvarka d. Numeruya ih indeksom i = 1, 2, 3, poluchaem tochnoe opisanie kompensacii cveta: v protone dolzhny byt' kvarki vseh treh cvetov p = u₁u₂d₃ + ..., gde mnogotochie oboznachaet razlichnye perestanovki kvarkov. Dalee, tochno tak zhe, kak s elektricheskim zaryadom svyazano znakomoe nam elektromagnitnoe pole, s etimi cvetnymi zaryadami svyazano pole, poluchivshee nazvanie glyuonnogo. Eto glyuonnoe pole svyazyvaet kvarki vnutri adronov i voobshe osushestvlyaet vzaimodeistvie mezhdu nimi. Svoistvo bescvetnosti nablyudaemyh chastic i, naoborot, nenablyudaemosti cvetnyh chastic, naprimer samih kvarkov, ob'yasnyaetsya tem, chto esli cvetnoi zaryad okazyvaetsya neskompensirovannym, glyuonnoe pole stanovitsya nastol'ko sil'nym, chto obyazatel'no naidet gde-to nedostayushuyu dlya kompensacii chasticu, prityanet ee i vernet sistemu v bescvetnoe adronnoe sostoyanie. Takim obrazom, razdelenie adrona na ego cvetnye sostavlyayushie proizoiti ne mozhet. Net analoga ionizacii atoma. Eto obshee svoistvo sil'nogo vzaimodeistviya poluchilo mnogochislennye eksperimental'nye podtverzhdeniya. Odnako mir elementarnyh chastic ne ischerpyvaetsya elektronom, pozitronom, cvetnymi u- i d-kvarkami i ih antikvarkami, a takzhe elektromagnitnymi i glyuonnymi polyami i kvantami. Sushestvuet bol'shoe kolichestvo drugih chastic, kotorye trebuyut dlya svoego opisaniya rasshireniya chisla elementarnyh sostavlyayushih - kvarkov i leptonov. O leptonah. Leptony, okazyvaetsya, ob'edinyayutsya v pary. Zaryazhennomu elektronu sootvetstvuet neitral'naya chastica neitrino elektronnoe $\nu_e$ , a pozitronu - antineitrino elektronnoe $\bar{\nu}_e$ . Takih par k nastoyashemu vremeni otkryto tri: v dopolnenie k elektronnoi eshe myuon $\mu$ (kotoryi tyazhelee elektrona v 207 raz) so svoim neitrino $\nu_\mu$ i tau-lepton $\tau$ (v 3478 raz tyazhelee elektrona) i ego neitrino $\nu_\tau$ . Kvarki tozhe gruppiruyutsya v pary. S odnoi paroi my uzhe znakomy: u (zaryad 2/3 e) i d (zaryad -1/3 e). Sleduyushaya para kvarkov: c (2/3 e) i s (-1/3 e). Nakonec, sushestvuet tyazhelyi kvark b (-1/3 e), vozmozhnyi partner kotorogo s zaryadom 2/3 e byl predskazan i nazvan t-kvarkom. Pochemu on byl predskazan? Sovsem na poverhnosti lezhit proyavlyayushayasya simmetriya mezhdu leptonami i kvarkami: tri pary leptonov - tri pary kvarkov:

$\begin{array} {cc} \left( \begin{array} {c} \nu_e \\ e \end{array} \right) & \left( \begin{array} {c} u \\ d \end{array} \right) \\ \\ \left( \begin{array} {c} \nu_\mu \\ \mu \end{array} \right) & \left( \begin{array} {c} c \\ s \end{array} \right) \\ \\ \left( \begin{array} {c} \nu_\tau \\ \tau \end{array} \right) & \left( \begin{array} {c} t \\ b \end{array} \right) \end{array}$

(1)

Eto na poverhnosti, no pod etoi, kazalos' by, poverhnostnoi simmetriei lezhat glubokie osnovaniya. Okazyvaetsya, chto esli kazhdoi pare leptonov net sootvetstvuyushei pary cvetnyh kvarkov imenno s takim raspredeleniem zaryadov, kak my priveli vyshe, to teoriya, opisyvayushaya vzaimodeistviya kvarkov i leptonov, tak nazyvaemye elektroslabye, stanovitsya protivorechivoi. Takim obrazom, sushestvovanie t-kvarka neobhodimo s obshei teoreticheskoi tochki zreniya. No kak ego iskat', kakova ego vozmozhnaya massa? Eto fakticheski analog voprosa, kuda napravit' teleskop, chtoby uvidet' Neptun. Vopros trebuet bolee tshatel'nogo rassmotreniya. Chtoby pereiti k etomu, nado poyasnit', chto zhe takoe elektroslaboe vzaimodeistvie i kak ono ustroeno.

Nazad | Vpered

Publikacii s klyuchevymi slovami: elementarnye chasticy - kvarki - t-kvark Publikacii so slovami: elementarnye chasticy - kvarki - t-kvark
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 >>

Obsudit' etu publikaciyu

Versiya dlya pechati

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