Astronet > Elementarnye chasticy

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

Na saite

Astrometriya

Astronomicheskie instrumenty

Astronomicheskoe obrazovanie

Astrofizika

Istoriya astronomii

Kosmonavtika, issledovanie kosmosa

Lyubitel'skaya astronomiya

Planety i Solnechnaya sistema

Solnce

Elementarnye chasticy

1. Vvedenie
2. Klassifikaciya elementarnyh chastic
3. Kvarkovaya model' stroeniya adronov
4. Elementarnye chasticy i kosmologiya

1. Vvedenie

Po pervonachal'nomu smyslu ponyatie "elementarnyi" oznachaet prosteishii, ne imeyushii vnutr. struktury, nedelimyi. Po mere uglubleniya nashih znanii o prirode materii mnogie ob'ekty mikromira, ranee schitavshiesya elementarnymi, poteryali pravo tak nazyvat'sya.

Izvestnym primerom takogo roda yavl. atom (po-grecheski "nedelimyi"). Atomy, otvechayushie opredelennym him. elementam, kak izvestno, sostoyat iz elektronov i atomnyh chder. Fizich. issledovaniya pokazali, chto yadra tozhe sostavnye chasticy, oni postroeny iz protonov i neitronov. Sledovatel'no, ni yadra, ni tem bolee atomy ne yavl. E.ch. Elektrony, a takzhe protony i neitrony naz. E.ch., hotya protony i neitrony, kak ustanovleno, sostoyat iz kvarkov. Na sovremennom urovne znanii u elektronov i dr. leptonov (sm. nizhe), a takzhe u kvarkov vnutr. struktura ne obnaruzhena, hotya i sushestvuyut teoretich. modeli, soglasno k-rym i leptony, i kvarki postroeny iz bolee fundamental'nyh kirpichikov mirozdaniya - preonov (etot termin, vprochem, poka ne yavlyaetsya obsheprinyatym).

Istoricheski pervymi eksperimental'no obnaruzhennymi E.ch. byli elektron, proton, a zatem neitron. Kazalos', chto sovokupnosti etih chastic i kvanta el.-magn. polya fotona dostatochno dlya postroeniya izvestnyh form veshestva (atomov i molekul). Veshestvo pri takom podhode stroilos' iz protonov, neitronov i elektronov, a el.-magn. pole (fotony) osushestvlyalo vzaimodeistvie mezhdu nimi. Odnako vskore vyyasnilos', chto mir ustroen znachitel'no slozhnee. Bylo ustanovleno, chto dlya kazhdoi chasticy imeetsya svoya antichastica, otlichiyushayasya ot nee lish' znakom zaryadov (sm. nizhe); dlya chastic s nulevymi znacheniyami vseh zaryadov antichastica sovpadaet s chasticei (primer - foton). Dalee, s razvitiem eksperimental'noi yadernoi fiziki, k perechislennym vyshe chetyrem (ili s uchetom antichastic - semi) chasticam pribavilos' eshe svyshe 300 chastic. Mozhno schitat' ustanovlennym, chto bol'shinstvo etih chastic postroeno iz kvarkov, chislo k-ryh ravno 6 (ili 12 s uchetom antikvarkov).

Eshe odnim vazhneishim dostizheniem fiziki mikromira stalo otkrytie, chto E.ch. prisushe ne tol'ko el.-magn. vzaimodeistvie. S izucheniem stroeniya atomnyh yader vyyasnilos', chto sily, uderzhivayushie protony i neitrony v yadre, ne yavlyayutsya elektromagnitnymi.

Harakternoe dlya nuklonov (protonov i neitronov v yadre) vzaimodeistvie poluchilo nazvanie sil'nogo. Ono okazalos' korotkodeistvuyushim - na rasstoyaniyah r, prevyshayushih 10^-13 sm, sil'noe vzaimodeistvie prenebrezhimo malo. Odnako pri r < 10^-13 sm ego velichina sushestvenno (v 10-100 raz) prevoshodit elektromagnitnoe, chto otrazheno v ego nazvanii (sm. Yadernye sily). Otkrytie nestabil'nosti neitrona i nek-ryh atomnyh yader ukazalo na sushestvovanie eshe odnogo tipa vzaimodeistviya, nazvannogo slabym. Tremya perechislennymi vyshe tipami vzaimodeistvii, a takzhe gravitacionnym vzaimodeistviem (sm. Tyagotenie) ischerpyvayutsya izvestnye tipy fundamental'nyh fiz. vzaimodeistvii. Sushestvuet tochka zreniya, chto vse 4 (ili hotya by 3) tipa vzaimodeistvii predstavlyayut soboi yavleniya odnoi prirody i dolzhny opisyvat'sya edinym obrazom.

Edinaya teoriya slabyh i el.-magn. vzaimodeistvii uzhe postroena i podtverzhdena opytom; imeyutsya teoreticheskie modeli, edinoobrazno opisyvayushie vse tipy vzaimodeistvii (sm. Velikogo ob'edineniya modeli).

2. Klassifikaciya elementarnyh chastic

Tabl. 1. Elementarnye chasticy (Q - Elektrich. zaryad, L - Leptonnyi zaryad, B - Barionnyi zaryad, S - Strannost', C - Ocharovanie).

Tip chasticy Simvol Massa m, MeV Spin,
v ed. $\hbar$ Vremya
zhizni, s Q L B S C

Leptony e^- 0,511 1/2 $>6\cdot 10^{29}$ -1 1 0 0 0

$\nu_e$ $\le 3\cdot 10^{-5\;2)}$ stabil'no³⁾ 0

$\mu^-$ 105 $2,2\cdot 10^{-6}$ -1

$\nu_\mu$ <0,52²⁾ stabil'no³⁾ 0

$\tau^-$ 1784 $\approx 5\cdot 10^{-13}$ -1

$\nu_\tau$ <150²⁾ stabil'no³⁾ 0

Mezony-
perenoschiki
vzaimodeistviya $\gamma$ 0 1 stabilen 0 0 0 0 0

W $^\pm$ $\approx 8,3\cdot 10^4$ $\approx 3\cdot 10^{-25\; 4)}$ $\pm 1$

Z⁰ $\approx 9,3\cdot 10^4$ $\approx 3\cdot 10^{-25\; 4)}$ 0

glyuon⁵⁾ 0⁶⁾ stabilen⁶⁾ 0

Mezony
(adrony) $\pi^0$ 135 0 $0,8\cdot 10^{-16}$ 0 0 0 0 0

$\pi^+$ 140 $2,6\cdot 10^{-8\; 7)}$ +1 0 0

K⁰ 498 0 +1 0

K⁺ 494 $1,2\cdot 10^{-8}$ +1 +1 0

D⁰ 1864 $\approx 5\cdot 10^{-13}$ 0 0 +1

D⁺ 1869 ~ 10^-12 +1 0 +1

F⁺ 2020 $\approx 2\cdot 10^{-13}$ +1 -1 +1

Bariony⁸⁾ (adrony) p 938,3 1/2 >10³⁸ +1 0 1 0 0

n 939,6 $\approx$ 900 0 0 0

$\Lambda$ 1115 $2,6\cdot 10^{-10}$ 0 -1 0

$\Sigma^+$ 1189 $0,8\cdot 10^{-10}$ +1 -1 0

$\Sigma^0$ 1192 $6\cdot 10^{-20}$ 0 -1 0

$\Sigma^-$ 1197 $1,5\cdot 10^{-10}$ -1 -1 0

$\Xi^0$ 1315 $2,9\cdot 10^{-10}$ 0 -2 0

$\Xi^-$ 1321 $1,6\cdot 10^{-10}$ -1 -2 0

$\Omega^-$ 1672 $0,8\cdot 10^{-10}$ -1 -3 0

$\Lambda^+_c$ 2280 ~ 10^-13 +1 0 1

Primechaniya k tabl.:
¹⁾ Krome chastic, privedennyh v tablice, imeetsya bol'shoe chislo korotkozhivushih chastic, t.n. rezonansov, obladayushih vremenem zhizni ~ 10^-20-10^-24 s. Dlya privedennyh chastic v tablice chastic ne ukazany ih antichasticy, imeyushie te zhe znacheniya massy, vremeni zhizni, no protivopolozhnye znaki kvantovyh chisel Q, L, B, S, C.
²⁾ Polagayut, chto $m_\nu=0$ , hotya spec. osnovanii dlya etogo net; vozmozhno, $m_\nu\ne 0$ .
³⁾ Esli $m_\nu\ne 0$ , to estestvenno ozhidat', chto neitrino nestabil'ny, hotya ih vremya zhizni mozhet byt' ochen' veliko.
⁴⁾ Privedena teoretich. ocenka.
⁵⁾ Glyuon kak svobodnaya chastica ne sushestvuet.
⁶⁾ Teoretich. ocenka.
⁷⁾ K⁰- i $\tilde{K}^0$ -mezony ne obladayut opredelennym vremenem zhizni.
⁸⁾ Dolzhny sushestvovat' bariony s bol'shimi znacheniyami C (do 3), a takzhe s nenulevymi znacheniyami C i S odnovremenno; obnaruzhen mezon ( $m\approx 5$ GeV), u k-rogo ne ravno nulyu kvantovoe chislo ("krasota"), pripisyvaemoe b-kvarku.

V zavisimosti ot haraktera vzaimodeistviya E.ch. podrazdelyayutsya na nesk. bol'shih grupp (tabl. 1). E.ch., k-rym prisushe sil'noe vzaimodeistvie, naz. adronami. K adronam otnosyatsya protony, neitrony i bolee tyazhelye chasticy giperony (vse oni ob'edineny obshim nazvaniem bariony), a takzhe bol'shoe semestvo mezonov. Chasticy, ne uchastvuyushie v sil'nom vzaimodeistvii, naz. leptonami. Syuda otnosyatsya pomimo elektrona dva drugih zaryazhennyh leptona: myuon i tau-lepton ("tyazhelyi lepton"), k-rye sootvetstvenno v 210 i 3600 raz massivnei elektrona. Kazhdomu zaryazhennomu leptonu otvechaet neitral'naya chastica - neitrino (elektronnoe, myuonnoe ili tau). Massa neitrino ravna nulyu ili ves'ma mala. Izvestno 6 (s antichasticami 12) tipov leptonov. Nietral'nye leptony uchastvuyut tol'ko v slabom vzaimodeistvii; zarezhennye - s slabom i elektromagnitnom. U neitral'nyh leptonov, vprochem, mogut byt' ochen' malye magn. momenty. Adrony uchastvuyut v sil'nom, slabom i el.-magn. vzaimodeistviyah. I, razumeetsya, vse chasticy vzaimodeistvuyut gravitacionno. Krome perechislennyh, imeyutsya chasticy - perenoschiki vzaimodeistvii: foton (perenoschik el.-magn. vzaimodeistviya), W $^\pm$ - i Z⁰-bozony (perenoschiki slabogo vzaimodeistviya). Schitaetsya, chto sushestvuet perenoschik gravitac. vzaimodeistviya - graviton.

E.ch. harakterizuyutsya svoei massoi, elektricheskim zaryadom, sobstvennym momentom kolichestva dvizheniya - spinom.

Massy legchaishih chastic (takih, kak fotony) ravny nulyu, a massy naibolee tyazhelyh iz izvestnyh chastic v 100 raz prevyshayut massu protona. Elektrich. zaryad E.ch. predstavlyaet soboi celoe kratnoe zaryada elektrona. Srin chastic byvaet ltbo celym (0, 1, 2, ...) - v etom sluchae oni nazyvayutsya bozonami, libo polucelym (1/2, 3/2, ...) - v etom sluchae ih nazyvayut fermionami.

Leptonam pripisyvayut t.n. leptonnyi zaryad L, prinimaemyi ravnym +1 dlya chastic $e^-, \mu^-, \tau^-, \nu_e, \nu_\mu, \nu_\tau$ i -1 dlya ih antichastic. Vvedenie etogo zaryada obosnovano tem, chto vo vseh processah, proishodyashih v zamknutoi sisteme, polnoe chislo leptonov minut chislo antileptonov sohranyaetsya. Krome togo, kazhdaya para leptonov $(e^-,\nu_e), (\mu^-,\nu_mu), (\tau^-,\nu_\tau)$ obladaet svoim special'nym lnptonnym zaryadom, sootvetstvenno $L_e, L_\mu, L_\tau$ . Vvedenie etih zaryadov otrazhaet to obstoyatel'stvo, chto, napr., elektronnoe neitrino, naletaya na neitron, mozhet rodit' elektron, no ne myuon ili $\tau$ -lepton. Znacheniya $L_e, L_\mu, L_\tau$ ravny +1 dlya ukazannyh par leptonov i -1 dlya ih antichastic. Seichas, odnako, shiroko obsuzhdaetsya vozmozhnost' togo, chto svobodnoe neitrino so vremenem mozhet izmenyat' svoi leptonnyi zaryad, prevrashayas' v neitrino drugogo tipa (neitrinnye oscillyacii). V rezul'tate na raznyh rasstoyaniyah ot mesta svoego rozhdeniya neitrino sposobno rozhdat' zaryazhennye leptony razlichnogo tipa.

Barionam, podobno leptonam, pripisyvaetsya svoi sohranyayushiisya barionnyi zaryad B. Priroda sohraneniya leptonnogo i barionnogo zaryadov do konca ne yasna. Bolee togo, modeli velikogo ob'edineniya predskazyvayut, chto eto sohranenie yavl. lish' priblizhennym, hotya obnaruzhenie vozmozhnogo narusheniya sohraneniya nahoditsya, po-vidimomu, na grani ili za predelami sovr. eksperimental'nyh vozmozhnostei. Vse izvestnye leptony i bariony yavl. fermionami. Mezony ne imeyut ni barionnogo, ni leptonnogo zaryada i yavl. bozonami. Krome togo, adronampripisyvayut specificheskie kvantovye chisla (zaryady), nazyvaemye strannost'yu (S), ocharovaniem (C) i t.p., k-rye, v otlichie ot B i L, ne sohranyayutsya v slabyh vzaimodeistviyah, sohranyayas' v sil'nyh i elektromagnitnyh. V silu etogo legchaishie chasticy s $S\ne 0$ (ili $C\ne 0$ ), yavlyayas' nestabil'nymi, imeyut dovol'no bol'shoe vremya zhizni v masshtabah mira E.ch. (sm. tabl. 1), t.k. k ih raspadu mozhet privesti tol'ko slaboe vzaimodeistvie.

3. Kvarkovaya model' stroeniya adronov

Vse adrony, soglasno sovr. predstavleniyam, postroeny iz bolee fundamental'nyh chastic - kvarkov (q). Kak i leptony, kvarki yavl. fermionami, ih spin raven 1/2, elektrich. zaryad +2/3 i -1/3 (v ed. zaryada elektrona), zaryad antikvarkov -2/3 i +1/3, u vseh kvarkov barionnyi zaryad B=1/3, leptonnyi zaryad L=0. Analogichno leptonu kvarki takzhe gruppiruyutsya v pary. Prichem, po-vidimomu, imeet mesto kvark-leptonnaya simmetriya: kazhdoi pare leptonov otvechaet para kvarkov (sm. tabl. 2). Pare (e, $\nu_e$ ) otvechayut kvarki, oboznachaemye (u,d). Eto samye legkie kvarki, ih massa sostavlyaet 5-10 MeV, ih strannost', ocharovanie i dr. podobnye kvantovye chisla ravny nulyu. Iz treh takih kvarkov mozhno postroit' nuklony, t.e. proton i neitron: p=(uud), n=(udd). Dr. vozmozhnye troiki etih kvarkov takzhe realizuyutsya v prirode, obrazuya bolee tyazhelye chasticy, napr. chasticu so spinom 3/2 i massoi 1240 MeV. Iz pary kvark-antikvark stroyatsya mezony, v chastnosti legchaishii iz izvestnyh mezonov $\pi$ -mezon: $\pi^+=(u\tilde{d}$ ), $\pi^-=(\tilde{u}d$ ) i $\pi^0$ , predstavlyayushie soboi smes' $u\tilde{u}$ i $d\tilde{d}$ .

Chetverka chastic (u,d, $\nu_e$ ,e) obrazuyut t.n. pervoe kvark-leptonnoe pokolenie. Izvestno eshe dva pokoleniya (c,s, $\nu_\mu, \mu$ ) i (t,b, $\nu_\tau, \tau$ ) (sm. tabl. 2), sozherzhashie bolee massivnye chasticy.

Tabl. 2. Kvarki i leptony.

I pokolenie II pokolenie III pokolenie

Oboznacheniya u d $\nu_e$ e c s $\nu_\mu$ $\mu$ t b $\nu_\tau$ $\tau$

Elekticheskii zaryad v ed. zaryada elektrona +2/3 -1/3 0 -1 +2/3 -1/3 0 -1 +2/3 -1/3 0 -1

Massa, MeV $\approx 4$ $\approx 7$ $\le 3\cdot 10^{-5}$ 0,5 1200 150 <0,5 105 $\approx 4\cdot 10^4$ $\approx 5\cdot 10^3$ <150 1784

Po-vidimomu, dannye kosmologii govoriyat ob otsutstvii posleduyushih kvark-leptonnyh pokolenii (sm. nizhe). S dr. storony, treh pokolenii chastic okazyvaetsya dostatochno dlya teoretich. ob'yasneniya razlichiya sv-v chastic i antichastic. Kazhdyi iz tyazhelyh kvarkov (c,s i t,b) obladaet sootvetstvenno svoim kvazisohranyayushimsya kvantovym chislom C, S ili T, B. Poskol'ku S naz. strannost'yu, i s-kvark naz. strannym; C naz. ocharovaniem, B - krasotoi, dlya T termin poka ne istanovilsya. Chasticy, v sostav k-ryh vhodit s-kvark, naz. strannymi. Zamenyaya teoreticheski odin, dva ili tri kvarka v nuklone, mono ob'yasnit' sushestvovanie vseh otkrytyh strannyh barionov - giperonov (sm. tabl. 1). Analogichno pri zamene u- ili d-kvarka v $\pi$ -mezone na s-kvark modno poluchit' obnaruzhennyi v prirode strannyi K-mezony. Tochno takzhe nablyudaemye ocharovannye chasticy (s $C\ne 0$ ) imeyut v svoem sostave s-kvark i t.d. V principe vozmozhny svyazannye sostoyaniya vseh shesti tipov kvarkov mezhdu soboi, no na opyte poka nablyudaetsya lish' chast' iz nih. Odnako vse otkrytye adrony mozhno opisat' kak svyazannye sostoyaniya etih shesti kvarkov.

Kazhdyi kvark imeet kvantovoe chislo, nazyvaemoe cvetom. Cvet yavl. analogom elektrich. zaryada, hotya i bolee slozhnym. Nalichie cveta ob'yasnyaet sil'noe vzaimodeistvie kvarkov, otsutstvuyushee u ne imeyushih cveta leptonov.

Analogichno tomu, kak elektricheskie zaryady vzaimodeistvuyut posredstvom fotonov, tak vzaimodeistvie cvetovyh zaryadov osushestvlyayut perenoschiki sil'nogo vzaimodeistviya - glyuony. Odnako v otlichie ot edinstvennogo fotona, imeetsya vosem' razlichnyh tipov glyuonov. Dr. sushestvennoe otlichie sostoit v tom, chto foton ne imeet elektrich. zaryada i poetomu sam s soboi ne vzaimodeistvuet, a glyuony, obladaya cvetovym zaryadom, vzaimodeistvuyut drug s drugom. Po-vidimomu, v etom lezhit prichina principial'no novogo yavleniya, nazyvaemogo konfainmentom ili nevyletaniem kvarkov. Delo v tom, chto, nesmotrya na dostatochno bol'shie energii chastic, uskorennyh v sovr. uskoritelyah, kvarki nablyudat' v svobodnom sostoyanii ne udaetsya. Oni, po-vidimomu, sushestvuyut v prirode tol'ko v vide par kvark-antikvark ( $q\tilde{q}$ ), troek (qqq) ili bolee slozhnyh obrazovanii, no obyazatel'no takih, chtoby elektrich. zaryad etih ob'ektov okazyvalsya celochislennym. Vse podobnye ob'ekty obladayut nulevym cvetovym zaryadom. Esli govorit' ochen' uproshenno, to yavlenie konfainmenta sostoyait v sleduyushem. Pri popytke poluchit' kvark v svobodnom sostoyanii (t.e. "vytashit'" ego iz adrona na dostatochno bol'shoe rasstoyanie, soobshiv emu vysokuyu energiyu) napryazhennost' polya neskompensirovannogo cvetovogo zaryada kvarka okazyvaetsya stol' sil'noi, chto za schet soobshennoi energii iz vakuuma rozhdaetsya para $q \tilde{q}$ i antikvark $\tilde{q}$ dvizhetsya vmeste s kvarkom, k-ryi pytayutsya otorvat'. V rezul'tate vyletaet ne kvark, a sostavnaya chastica, ne imeyushaya cveta. Po etoi zhe prichine glyuony takzhe ne udaetsya nablyudat' v svobodnom sostoyanii. Yavlenie konfainmenta obuslovlivaet malyi radius deistviya sil'nogo vzaimodeistviya.

Oblast' fiziki elementarnyh chastic, izuchayushaya vzaimodeistvie kvarkov i glyuonov, nosit nazvanie kvantovoi hromodinamiki. Kvantovaya hromodinamika yavl. teoriei sil'nogo vzaimodeistviya E.ch.

T.o., na sovr. urovne ponimaniya elementarnosti fundamental'nymi sostavlyayushimi materii yavl. 6 leptonov (s antichasticami 12), 6h3=18 kvarkov (s antichasticami 36), a takzhe perenoschiki vzaimodeistviya: sil'nogo - 8 glyuonov, elektromagnitnogo - foton, slabogo - W $^\pm$ - i Z⁰-bozony. Leptony i kvarki imeyut spin 1/2, a perenoschiki vzaimodeistviya - spin, ravnyi 1, ih nazyvayut vektornymi bozonami. Sushestvovanie vseh perechislennyh chastic podtverzhdaetsya eksperimentom. Pomimo etogo teoriya trebuet sushestvovaniya postoyannogo vo vsem prostranstve skalyarnogo polya, s k-rym razlichnye leptony i kvarki vzaimodeistvuyut po-raznomu, chto opredelyaet razlichie ih mass. Kvanty skalyarnogo polya predstavlyayut soboi novye, predskazyvaemye teoriei E.ch. snulevym spinom. Ih nazyvayut higgsovskimi bozonami (po imeni angl. fizika P. Higgsa, 1964 g., predlozhivshego ih sushestvovanie). Chislo higgsovskih bozonov mozhet dostigat' nesk. desyatkov. Vzaimodeistvie W $^\pm$ - i Z⁰-bozonov so skalyarnym polem obuslovlivaet znachit. massu etih chastic i malyi radius slabogo vzaimodeistviya. Higgsovskie bozony poka e obnaruzheny na opyte. Bolee togo, ryad fizikov schitaet ih sushestvovanie neobyazatel'nym, odnako polnocennoi teoreticheskoi shemy bez higgsovskih bozonov poka ne naideno.

Modeli velikogo ob'edineniya trebuyut vvedeniya dopolnitel'nyh vektornyh chastic - perenoschikov vzaimodeistviya adronov s leptonami. V prosteishem variante takih chastic dolzhno byt' 12 s massoi m ~ 10¹⁴-10¹⁵ GeV. Poluchit' i izuchit' eksperimental'no takie chasticy poka nevozmozhno, t.k. massa nahoditsya daleko za predelami energii, dostizhimyh na uskoritelyah kak sushestvuyushih konstrukcii, tak i voobshe myslimyh. Pri vzaimodeistviyah s etimi vektornymi bozonami ne sohranyaetsya ni barionnyi, ni leptonnyi zaryad. Snova chislo chastic na novom urovne elementarnosti priblizhaetsya ili dazhe prevoshodit sotnyu. Vprochem, bol'shoe kolichestvo novyh chastic trebuetsya lish' teoriei, no ne opytom, i, vozmozhno, inye, poka neizvestnye teoretich. shemy pozvolyat oboitis' bez osobogo mnozhestva uzhe izvestnyh chastic.

Rost kolichestva fundamental'nyh E.ch. zastavil teoretikov iskat' modeli, v k-ryh vse semeistva kvarkov i leptonov, a takzhe chasticy - perenoschiki vzaimodeistviya i higgsovskie bozony rassmatrivalis' by kak sostavnye iz kakih-to bolee fundamental'nyh ob'ektov; odno iz nazvanii, predlagaemyh dlya poslednih, - preony.

Osn. trudnost', stoyashaya pered teoriei preonov, sostoyait v tom, chto massa ob'ektov m, sostavlennyh iz preonov, dolzhna byt' mala po sravneniyu s obratnym razmerom etih ob'ektov r^-1. V dr. storony, soglasno kvantovoi mehanike, voobshe govorya, dolzhno vypolnyatsya uslovie $(mc/h)r \approx 1$ . Udovletvoritel'nogo resheniya etoi problemy poka net. V to zhe vremya, sovershenno neobyazatel'no struktura materii dolzhna napominat' igrushku "matreshku", nel'zya isklyuchit', chto leptony i kvarki est' i navsegda ostanutsya poslednim etapom v droblenii veshestva. Reshayushee slovo zdes' dolzhno prinadlezhat' eksperimentu. K sozhaleniyu, eksperimenty na sushestvuyushih uskoritelyah ne mogut dat' otveta na postanovlennye voprosy.

4. Elementarnye chasticy i kosmologiya

S 70-h godov 20 v. na styke kosmologii i fiziki elementarnyh chastic stalo burno razvivat'sya nauchnoe napravlenie, imeyushee cel'yu poluchit' na osnove astronomich. dannyh vazhnuyu informaciyu o fundamental'nyh chasticah mikromira. Takaya vozmozhnost' obuslovlena sushestvovaniem teorii, rassmatrivayushei evolyuciyu Vselennoi kak evolyuciyu material'nogo mira, nahodivshegosya na rannei stadii razvitiya v sostoyanii ochenb goryachei plotnoi plazmy (sm. Model' goryachei Vselennoi).

V pervichnoi plazme nahodilis' vse E.ch., rozhdenie k-ryh moglo proishodit' pri dannoi temp-re plazmy. S rasshireniem Vselennoi temp-ra T plazmy padala, naibolee massivnye chasticy perestavali rozhdat'sya, a ih annigilyaciya privodila k tomu, chto chislo massivnyh stabil'nyh E.ch. i antichastic v elemente t.n. soputstvuyushego ob'ema (t.e. rasshiryayushegosya v tempe rasshireniya Vselennoi) ubyvalo proporcional'no exp(mc²kT). Esli by takoi zakon umen'sheniya koncentracii E.ch. prodolzhalsya do nastoyashego vremeni (do $T \approx 3$ K), to prakticheski nikakih sledov E.ch., rozhdennyh na rannih stadiyah evolyucii vselennoi, seichas ne ostalos' by. Odnako kogda koncentraciya takih chastic stanovitsya dostatochno maloi, ih vzaimnaya annigilyaciya prekrashaetsya i v dal'neishem koncentraciya E.ch. padaet tol'ko za schet rasshireniya Metagalaktiki (t.e. ostaetsya postoyannoi v soputstvuyushem ob'eme). Eto yavlenie naz. zakalkoi (inogda zamorazhivaniem) koncentracii. Dlya slabovzaimodeistvuyushih chastic ih teperyashnyaya koncentraciya dolzhna byt' poryadka sovr. koncentracii reliktovyh fotonov $N_\gamma \approx 500 \mbox{sm}^{-3}$ . Imenno takaya situaciya imeet mesto dlya neitrino. Raschet pokazyvaet, chto kolichestvo reliktovyh neitrino dolzhno byt' ves'ma veliko: $n_\nu=n_{\tilde{\nu}}\approx 75 \mbox{sm}^{-3}$ (dlya kazhdogo tipa neitrino). Poslednee obstoyatel'stvo pozvolyaet poluchit' ochen' sil'noe ogranichenie na massu neitrino: $\sum\limits_{j} m_{\nu j} < 35$ eV. Esli by massa vseh tipov neitrino prevoshodila ukazannyi predel, to neitrino okazyvali by sushestvennoe vliyanie na temp rasshireniya Vselennoi i ee vozrast, vychislyaemyi po sovr. znacheniyu postoyannoi Habbla i plotnosti massy reliktovyh neitrino, okazalsya by men'she, chem dayut astrofizich. ocenki i metody kosmohronologii yadernoi. Dokazatel'stvo togo, chto ogranichenie snizu na vozrast Vselennoi privodit k ogranicheniyu sverhu na massy neitrino, bylo dano S.S. Gershteinom i Ya.B. Zel'dovichem (1966 g.) i iniciirovalo primenenie kosmologich. metodov k fizike E.ch.

Dannye kosmologii pozvolyayut zaklyuchit' takzhe, chto kolichestvo razlichnyh neitrino $k_\nu$ ne mozhet byt' proizvol'no veliko (V.F. Shvarcman, 1969 g.). Obilie legkih elementov (takih, kak ⁴He i deiterii) vo Vselennoi takovo, chto $k_\nu \ne 3$ , t.e. vse neitrino uzhe otkryty. Pravda, ryad fizikov, ne doveryaya nadezhnosti sushestvuyushih dannyh priderzhivayutsya inoi ocenki: $k_\nu < 6$ . Vozmozhno, skoro kolichestvo tipov neitrino stanet izvestno tochno, t.k. otkrytyi v 1983 g. Z⁰-bozon slabyh vzaimodeistvii dolzhen, soglasno teoretich. predskazaniyam, raspadat'sya na vse tipy neitrino i poetomu izmerenie ego polnoi veroyatnosti raspada pozvolit opredelit' $k_\nu$ . Poyasnim, kak po obiliyu ⁴He i ²H mozhno opredelit' $k_\nu$ . Obrazovalis' eti elementy na ochen' rannei stadii razvitiya Vselennoi, kogda temp-ra pervichnoi plazmy sostavlyala 1 MeV-100 keV (v energetich. edinicah ili 10¹⁰-10⁹ K. Pri takoi temp-re plazma soderzhala primerno v ravnom kolichestve fotony, vse tipy neitrino, elektron-pozitronnye pary i nebol'shoe kolichestvo nuklonov (~ 10^-10 ot kolichestva legkih chastic). Otnositel'noe soderzhanie neitronov i protonov vnachale opredelyaetsya termodinamicheskim ravnovesiem i sostavlyaet $N_n/N_p \sim \exp(-\Delta mc^2/kT)$ , gde $\Delta mc^2$ =1,3 MeV - raznost' mass neitrona i protona. Perehody n $\rightleftharpoons$ p proishodyat za schet processov, obuslovlennyh slabym vzaimodeistviem, napr., n+ $\nu_e$ p+e^-. Po mere rashireniya Vselennoi koncentracii chastic padayut i skorost' reakcii n $\rightleftharpoons$ p-perehodov stanovitsya men'she skorosti rasshireniya, proishodit zakalka otnosheniya koncentracii n i p, t.e. velichina Nⁿ/N^p stanovitsya postoyannoi, esli prenebrech' medlennym raspadom enitronov. Eta velichina opredelyaet otnositel'noe soderzhanie (obilie) ⁴He, t.k. za schet vodorodnoi cepochki yadernyh reakcii prakticheski vse neitrony svyazyvayutsya v yadra ⁴He. Ochevidno, chto chem vyshe temp rasshireniya i ohlazhdeniya, temvyshe temp-ra zakalki i sootvetstvenno vyshe otnoshenie Nⁿ/N^p. Mozhno pokazat', chto chem bol'she chislo razlichnyh tipov chastic v pervichnoi plazme, tem vyshe temp rasshireniya pri dannoi temp-re, poetomu dobavlenie novyh tipov neitrino v pervichnuyu plazmu vlechet za soboi uvelichenie temp-ry zakalki i sootvetstvenno uvelichenie koncentracii pervichnogo ⁴He. Sovr. dannye ukazyvayut, chto dolya ⁴He (po masse) v veshestve Metagalaktiki sostavlyaet 22-25%, chto nahoditsya v horoshem soglasii s teoriei pri $k_\nu$ =3. Esli by chislo tipov neitrino sostavlyalo 10-20, kolichestvo ⁴He dostiglo by 40-50%, chto sovershenno ne sootvetstvuet dannym nablyudenii. Raschet, odnako, soderzhit nek-ruyu neopredelennost', svyazannuyu s tem, chto otnositel'naya koncentraciya nuklonov $f=(N_n+N_p)/N_{\gamma}$ izvestna s plohoi tochnost'yu. Po dannym o kolichestve ²H vo Vselennoi mozhno poluchit' takoe ogranichenie na velichinu f, pri k-rom isklyuchaetsya $k_\nu$ >3. K sozhaleni, sootnoshenie mezhdu sovremennym kolichestvom deiteriya i pervichnym opredeleno dovol'no ploho i eto ostavlyaet nek-ruyu lazeiku dlya uvelicheniya chisla $k_\nu$ .

Kosmologiya pozvolyaet takzhe delat' vyvody o chasticah i processah, k-rye nahodyatsya daleko za energetich. predelami, dostupnymi sovr. i budushim uskoritelyam. Yarkim primerom yavl. ocenka koncentracii magnitnchh monopolei - chastic, imeyushih elementarnyi magn. zaryad. Sushestvovanie etih chastic predskazyvaetsya modelyami velikogo ob'edineniya. Ih massa dolzhna byt' ~ 10¹⁶ GeV, tak chto ni seichas, ni v obozrimom budushem net nikakoi nadezhdy poluchit' eti chasticy v laboratorii, podobno tomu, kak poluchayut, napr., antiprotony, W $^\pm$ - i Z⁰-bozony.

Edinstvennaya vozmozhnost' obnaruzhit' eti chasticy sostoit v poiskah ih sredi reliktovyh chastic. Teoretich. ozhidaniya dlya koncentracii reliktovyh monopolei, poluchennye v ramkah prosteishei modeli, protivorechat sushestvuyushim dannym nablyudenii. Eto protivorechie posluzhilo odnoi iz predposylok dlya sozdaniya formulirovki modeli inflyacionnoi modeli Vselennoi.

Vzaimosvyaz' fiziki E.ch. i kosmologii osobenno ukrepilas' v poslednee vremya. Seichas ni odna teoretich. model' vzaimodeistvii E.ch. ne mozhet byt' priznannoi, esli ona ne soglasuetsya s dannymi kosmologii. S dr. storony, metody fiziki E.ch. pozvolili reshit' ryad izvestnyh kosmologicheskih problem, takih, kak problemy barionnoi asimmetrii Vselennoi, odnorodnosti i izotropii, gorizonta Vselennoi, blizosti plotnosti veshestva k kritich. znacheniyu.

Lit.:
Okun' L.B., Leptony i kvarki, M., 1981; Dolgov A.D., Zel'dovich Ya.B., Kosmologiya i elementarnye chasticy, UFN, 1980, t. 130, v. 4, s. 559-614.

(A.D. Dolgov)

A. D. Dolgov, "Fizika Kosmosa", 1986
Glossarii Astronet.ru

A | B | V | G | D | Z | I | K | L | M | N | O | P | R | S | T | U | F | H | C | Ch | Sh | E | Ya

Publikacii s klyuchevymi slovami: elementarnye chasticy Publikacii so slovami: elementarnye chasticy
Sm. takzhe: Bozon Higgsa: ob'yasnenie v komikse Evolyuciya vselennoi Leptony Ee zvali Iks Pentakvark, opyat' pentakvark? Proton i antiproton: pohozhie ili odinakovye? Devid N. Shrem 1945-1997 Vse publikacii na tu zhe temu >>

Obsudit' etu publikaciyu

Versiya dlya pechati