Элементарные частицы

Таблица 25.1

Группа	Ядра	Заряд ядер	Ср. атомная масса, А нуклонов	Интенсивность I,	Число ядер на 10000 протонов
В космических лучах	В среднем во Вселенной
p a L M H VH SH E	H He Li, Be, B C – F Ne – K Ca – Zn Ga… е- и е+	3 - 5 6 - 9 10 -19 20 -30 > 30	1/1836	6,7 2,0 0,5 ~ 0,0001	0,001	0,0001 0,06 0,00007

р - группа. Содержит ядра водорода – протоны , дейтроны , тритоны .

a - группа. Содержит ядра гелия .

L – группа (от англ. light - легкий). Содержит легкие ядра лития, бериллия и бора.

М – группа (mesolight – средне легкий). Содержит ядра от углерода С до фтора F.

Н – группа (heavy – тяжелый). Содержит тяжелые ядра от неона Ne до калия К.

VH – группа (very heavy – очень тяжелый). Содержит ядра от кальция Са (Z = 20) до цинка Zn (Z = 30).

SH – группа (superheavy – сверхтяжелый). Содержит ядра, начиная с галлия Ga (Z ³ 31).

Е - группа. Содержит электроны е^– и позитроны е⁺.

В отличие от содержания элементов в среднем во Вселенной (правый крайний столбец) в ПКЛ наблюдается повышенное содержание средних и тяжелых ядер: группы средних ядер L – в 150 000 раз, группы Н – 2,5 раза, группы VH – в 60 раз, группы SH – в 14 раз.

Особенно выделяется содержание ядер в группе L. Можно предположить, что ядра группы L возникают в ПКЛ как результат столкновения ядер с Z ³ 6 с частицами межзвездного газа, состоящего в основном из водорода и гелия. В результате реакции фрагментации тяжелые ядра дробятся и получаются ядра группы L. Если принять эту гипотезу, то можно оценить средний путь, проходимый космической частицей от места ее рождения до Земли.

в. Средний пробег частиц в ПКЛ. Пусть космический газ из ядер водорода равномерно заполняет космическое пространство. Из источника, генерирующего тяжелые частицы, масса которых больше массы ядер группы L, вдоль оси ОХ распространяется параллельный пучок частиц. При столкновении тяжелых частиц с ядрами водорода образуются легкие ядра группы L, движущиеся в том же направлении (рис.167).

В результате дробления тяжелых частиц интенсивность I_Т пучка тяжелых частиц должна убывать с расстоянием по закону Бугера, , (25.2)

где - начальная интенсивность пучка тяжелых частиц, N – концентрация ядер водорода в космическом газе,s - эффективное сечение ядерной реакции фрагментации с образованием ядер группы L.

Пусть в каждом столкновении при исчезновении тяжелой частицы появляется только одна легкая частица группы L. Интенсивность потока частиц L будет нарастать с расстоянием по закону (25.3)

Отношение интенсивности легких и тяжелых частиц в ПКЛ должно увеличиваться с расстоянием. (25.4)

Обозначив отношение I_ЛçI_Т = n, получаем: х = ln(n + 1)çsN. (25.5)

Из таблицы 25.1 следует, что отношение n = I_ЛçI_Т = 15ç(52+15+4) » 1ç5 = 0,2.

Из астрофизических оценок концентрация пылинок – ядер водорода в космосе примерно равна 1 частице в 1 см³, так что n = 10⁶ м^–3. Эффективное сечение реакций фрагментации, наблюдавшихся в земных условиях, позволяет принять значения s = 10^—30 м². Отсюда х = ln(1,2)ç10^–30.10⁶ = 2^.10²³ м.

Космические расстояния в астрофизике выражаются обычно в парсеках. По определению, один парсек – это расстояние, с которого диаметр земной орбиты (150 млн.км) виден под углом 1 секунда. Парсек – это очень большое расстояние, 1 пс = 3^.10¹⁶ м. Выраженный в парсеках, пробег частиц ПКЛ до Земли составляет х = 7000 кпс.

Астрофизическими исследованиями установлено, что наша галактика имеет форму двояковыпуклой линзы диаметром 25 кпс и толщиной до 2 кпс, окруженной космическим газовым Гало в форме шара (рис.168). Сравнение полученного в оценках значения х с размером Галактики показывает, что х = 7000 кпс во много раз больше не только диаметра Галактики (25 кпс), но и диаметра Гало (30 кпс). Отсюда следует, что ПКЛ рождаются за пределами нашей Галактики.

По-видимому, такой вывод не верен. Во-первых, предполагалось, что в каждой реакции фрагментации рождается лишь одна частица группы L. На самом деле рождаться их может больше. Поэтому нарастание потока частиц группы L может происходить быстрее и на меньшем расстоянии х. Во-вторых, предполагалось, что во всех столкновениях направление движения частиц не меняется. Но это не так. Характер движения частиц ПКЛ больше приближается к движению броуновских частиц. Их траектория есть ломаная линия. Поэтому частицы ПКЛ могут проходить гораздо большие пути внутри Галактики по сравнению с ее размерами.

Более строгие оценки приводят к выводу, что внутри Галактики рождается не менее 90 % частиц ПКЛ (галактические лучи). И лишь около 10 % частиц ПКЛ приходит из-за пределов Галактики (метагалактические лучи). Из-за диффузного характера движения космических частиц стирается информация о положении источников заряженных частиц. Поэтому космическое излучение за исключением квантов ЭМ-поля изотропно.

г. Механизм ускорения частиц ПКЛ. Наиболее вероятна гипотеза Ферми. Он предположил, что при взрывах сверхновых звезд образуются протяженные намагниченные облака плазмы, разбегающиеся от эпицентра взрыва с громадными скоростями. Заряженные частицы при встречных столкновениях с такими облаками отражаются от них. В соответствии с законом сохранения импульса, абсолютная радиальная составляющая скорости частицы увеличивается при этом на удвоенную скорость движения облака,

v_2R = – v_1R + 2v₀ (рис.169). Если частица догоняет облако, то ее скорость уменьшается. Но такими частицами могут быть лишь те, что родились внутри звезды. А для тех частиц, что находятся снаружи звезды, реализуются встречные движения. Поэтому кинетическая энергия космических частиц со временем растет.

3. Происхождение ПКЛ. Можно выделить 4 основных источника ПКЛ: новые звезды, сверхновые, пульсары, квазары.

а. Новые звезды (НЗ) – это тесные двойные звездные системы с суммарной массой 1-5 масс Солнца, вращающиеся около общего центра масс (рис.170). До вспышки они имеют визуальную звездную величину 4-5 единиц.

Во время вспышки в течение 1-100 земных суток их светимость увеличивается в 100-1000 000 раз. После чего в течение нескольких лет ослабевает до первоначальной величины. За время вспышки НЗ излучает около 10³⁸ Дж энергии. Через несколько лет после вспышки на месте НЗ обнаруживается сферическая газовая оболочка с радиальной скоростью расширения » 1000 км/с. Масса оболочки около 0,01 массы Солнца, ее кинетическая энергия около 10³⁹ Дж.

Причина вспышки НЗ в том, что в двойной системе происходит аккреция – перетекание вещества с холодного красного карлика на горячий белый карлик. В результате в горячей звезде нарушается равновесие между гравитационными силами, с одной стороны, и силами оптического и газокинетического давления, с другой. Это приводит к взрыву горячей звезды.

Вспышки НЗ - частое явление. В год в нашей Галактике вспыхивает 100-200 НЗ. Они не носят катастрофического характера и повторяются у некоторых звезд через месяцы и годы. Некоторая доля частиц ПКЛ может происходить из оболочек НЗ.

б. Сверхновые звезды (СНЗ). Так называются звезды, светимость которых во время вспышки становится соизмеримой со светимостью галактики, к которой она принадлежит. Так, СНЗ 1885 г. в туманности Андромеды имела светимость всей галактики. Количество энергии, излучаемой во время вспышки СНЗ, порядка 10⁴⁴ Дж. Оно в миллион раз больше энергии вспышки НЗ. В нашей Галактике одна СНЗ вспыхивает в среднем раз за 300 лет. Последнюю СНЗ наблюдал Кеплер в 1604 г. (СНЗ Кеплера).

Максимальная светимость СНЗ 1-3 недели. Сбрасываемая звездой оболочка имеет массу до 10 масс Солнца и скорость до 20 000 км/с. Из этих оболочек также берут свое начало многие частицы ПКЛ. После взрыва СНЗ на их месте обнаруживаются туманности и пульсары. На сегодня найдено около 90 остатков СНЗ. Можно предположить, что в основе механизма образования СНЗ лежит закономерность: чем больше масса атомных ядер, тем при более высокой температуре идет реакция их термоядерного синтеза.

При возникновении протозвезды из газопылевой туманности все пространство туманности заполнено водородом. Из-за гравитационного сжатия облака температура постепенно повышается. При достижении температуры Т₁ » 10⁷ К начинается вялотекущая реакция синтеза протонов в дейтроны. Запускается протон-протонный цикл (см. формулы22.6-22.9).

Протозвезда разогревается до свечения и превращается в звезду. Гравитационные силы уравновешиваются силами светового газокинетического давления. Сжатие приостанавливается. На период горения водорода устанавливается относительное равновесие.

После того, как основная масса водорода превратится в гелий, звезда начинает остывать, световое давление быстро уменьшается. Реакция синтеза гелия не запускается, поскольку температура Т₁ не достаточна для синтеза ядер гелия. В процессе гравитационного сжатия звезды ее температура постепенно растет. Силы гравитации увеличиваются прямо пропорционально 1çr² , поэтому при достижении температуры Т₁ равновесие не наступает, поскольку температуре Т₁ соответствует в этом случае уже меньший объем звезды. Сжатие и рост температуры продолжаются, и при некоторой температуре Т₂ » 10⁸ К запускается реакция синтеза ядер гелия: и далее: (25.6)

(25.7)

После выгорания гелия образуется плотное ядро звезды, содержащие ядра углерода С-12, кислорода О-16, неона Nе-20, магния Мg-24. Далее ход эволюции звезды может протекать подобным же образом. При некоторой температуре Т₃ > Т₂ возбуждается реакция синтеза ядер углерода-магния. Этот цикл должен завершится образованием ядер кремния Si-26 и фосфора Р-31.

И, наконец, при температуре Т₄ > Т₃ может возбудиться последний этап экзотермической реакции синтеза ядер кремния и фосфора, который должен завершится образованием ядер

Это идеализированная схема. На самом деле эти процессы могут перекрываться. В центре звезды могут идти реакции синтеза более тяжелых ядер при более высокой температуре, а на периферии - реакции синтеза менее тяжелых ядер при меньших температурах. И в большинстве случаев эволюция звезды проходит спокойно. Но иногда возникает такое сочетание массы, состава, размеров и других параметров звезды, что равновесие нарушается. Под действием гравитации вещество звезды стремительно падает к центру, возникает коллапс звезды. Высокие плотность, температура и давление в ядре звезды могут привести в некоторых случаях к быстрому выделению огромных энергий. Например, в результате такой реакции: МэВ. (25.8)

Звезда взрывается, рождая сверхновую. Если учесть энергию взрыва СНЗ Е = 10⁴⁴ Дж и частоту их повторений, то получается, что для поддержания средней плотности энергии ПКЛ достаточно 1 % взрыва СНЗ.

в. Пульсары (пульсирующие источники радиоизлучения) – это небольшие, до 20 км в диаметре нейтронные звезды, возникшие в результате быстрого гравитационного сжатия остатков сверхновых звезд. Плотность нейтронных звезд достигает 10¹² кг/м³ , что близко к плотности вещества атомных ядер.

В результате сжатия остатков звезды индукция магнитного поля на поверхности достигает огромных величин порядка 10⁹ Тл. Для сравнения: максимальная индукция магнитного поля, полученная в физическом эксперименте (в импульсных соленоидах) не превышает 10² Тл. Из-за малых размеров скорость вращения нейтронных звезд может достигать 1000 Гц. Такая быстро вращающаяся магнитная звезда индуцирует вокруг себя вихревое электрическое поле (рис.171). Это поле ускоряет частицы окружающей пульсар плазмы до высоких энергий. Ядра укоряются до 10²⁰ эВ, электроны – до 10¹² эВ. Уйдя от пульсара, эти быстрые частицы пополняют состав ПКЛ.

Влетающие из космоса в магнитное поле пульсара заряженные частицы закручиваются вокруг силовых линий, испуская синхротронное излучение в радиодиапазоне. Особенно сильно это излучение в направлении магнитных полюсов. Поскольку ось вращения пульсара не совпадает с магнитной осью, то пучок радиоизлучения описывает конус. Если в стенке этого конуса оказывается Земля, то на ней периодически регистрируется сигнал в то момент, когда полярный пучок радиоизлучения пересекает Землю.

Из-за потери энергии период пульсаров увеличивается. Поэтому чем моложе пульсар, тем выше частота его вращения. В настоящее время известно несколько сот пульсаров, их периоды от 0,033 с до 4,8 с.

г. Квазары (сокращенно от англ. quasi-stellar radio source) – квазизвезды, подобные звездам. Они похожи на звезды по оптическому виду и схожи с туманностями по характеру спектров. В спектрах квазаров наблюдается огромное красное смещение, в 2-6 раз превышающее наибольшее из известных в Галактике. В видимом диапазоне, например, наблюдается головная УФ-линия серии Лаймана (l = 121,6 нм в системе отсчета излучающего газа).

Определив по формуле доплеровского смещения частоты (Оптика, ф.28.10) где b = vçс, радиальную скорость v квазара относительно Земли, и воспользовавшись эмпирическим законом Хаббла v = Н×r, где Н = 1,3×10^–18 с^–1 – постоянная Хаббла, можно вычислить расстояние до квазара r. Расстояния до квазара оказались гигантскими. Их порядок r » 10¹⁰ пс. Это в миллион раз больше размеров нашей Галактики.

Блеск квазаров меняется с периодом Т около 1 часа. Так как поперечник квазара не може превышать сТ, где с – скорость света в вакууме, то получается, что размер квазаров невелик, не более диаметра орбиты Урана (4×10¹² м). С учетом большой удаленности квазаров выходит, что они должны излучать гигантскую мощность порядка 10⁴⁵ Вт, сравнимую с Галактиками, в относительно малом объеме пространства.

Такие сверхмощные объекты должны выбрасывать в космос потоки частиц высокой энергии. Энергетический механизм квазаров неясен. При столь огромном расходе энергии активная стадия квазаров должна ограничиваться 10 000 лет. К настоящему времени среди оптических объектов около 200 считаются квазарами.

4. Солнечные космические лучи. Солнце – ближайшая к Земле звезда. Эта звезда находится в стационарном состоянии и поэтому не является сколько-нибудь заметным источником ПКЛ в масштабах Галактики. Но поскольку Земля находится очень близко к Солнцу, она оказывается в зоне досягаемости истекающей из Солнца плазмы – солнечного ветра. Состоит солнечный ветер из протонов и электронов. Он зарождается в восходящих газодинамических потоках – факелах в слое фотосферы и развивается в хромосфере.

Энергия частиц солнечного ветра по сравнению с галактическими лучами очень мала: у электронов Е » 10⁴ эВ, у протонов не более 10¹¹ эВ. Во время активизации взрывных процессов на поверхности Солнца (период солнечной активности) концентрация частиц в солнечном ветре на земной орбите в сотни раз превышает концентрацию частиц в галактических лучах. Поэтому влияние солнечного ветра на земные процессы в период солнечной активности существенно заметнее по сравнению с галактическими лучами. В это время нарушается радиосвязь, возникают геомагнитные бури и полярные сияния. Но в среднем вклад солнечных космических лучей на Землю невелик. Он составляет по интенсивности1-3 %.

5. Вторичные космические лучи – это поток частиц, рождающихся при взаимодействии ПКЛ с веществом земной атмосферы.

Часто прохождение частицы в веществе характеризуют средним пробегом ее l до взаимодействия с ядром среды. Нередко средний пробег выражают массой вещества в столбе площадью 1 см² и высотой l. Так, вся толщина земной атмосферы составляет 1000 г/см². У протонов пробег l соответствует 70-80 г/см², у a-частиц – 25 г/см², у более тяжелых ядер эта величина еще меньше. Вероятность достижения протоном земной поверхности находится из закона Бугера. IçI₀ = exp(–xçl) = exp(–1000/70) » 10^–7. Из 10 млн. первичных протонов до Земли дойдет лишь один. У a-частиц и ядер это число еще меньше.

Во вторичных космических лучах выделяют 3 компоненты: ядерно-активную (адронную), жесткую (мюонную) и мягкую (электронно-фотонную).

а. Ядерно-активная компонента содержит протоны и нейтроны, возникающие при взаимодействии протонов и других частиц ПКЛ высокой энергии Е₀ > 1 ГэВ с ядрами атомов земной атмосферы, в основном, азота N и кислорода О. При ударе частицы о ядро примерно половина ее энергии тратиться на выбивание из ядра нескольких нуклонов с энергиями Е » 0,2 ГэВ, на возбуждение конечного ядра и на множественное рождение релятивиских частиц. В основном – это пионы p⁺, p⁰, p ^–. Их число в расчете на первичный протон с энергией Е₀ = 100 ГэВ может доходить до 10 (рис.172).

Возбужденное ядро, распадаясь, испускает еще несколько нуклонов или a-частиц. Рождающиеся нуклоны и первичная частица, взаимодействуя с ядрами атмосферы, приводят к развитию ядерного каскада. Появляющиеся в каждом акте столкновения протоны и другие малоэнергичные зараженные частицы в результате ионизационных потерь быстро замедляются и поглощаются. Нейтроны же участвуют в дальнейшем размножении ядерно-активных частиц вплоть до самых низких энергий.

б. Жесткая (мюонная) компонента рождается в ядерном каскаде из заряженных пионов с энергией Е £ 100 ГэВ, распадающихся по схеме: (25.8)

где m ^± - заряженные мюоны. Их масса покоя 207m_e, а среднее время жизни в собственной системе отсчета t₀ = 2×10^–6 с; - мюонное нейтрино (антинейтрино).

Мюоны, в свою очередь, распадаются по схеме: (25.9)

Так как скорости мюонов близки к скорости света, то в соответствии с теорией относительности среднее время их жизни в системе отсчета, связанной с Землей, оказывается достаточно большим. В результате мюоны успевают пройти всю атмосферу и даже около 20 м грунта. Это обусловлено еще и тем, что мюоны и тем более нейтрино слабо взаимодействуют с веществом. Потому-то поток мюонов и нейтрино и называют жесткой или проникающей компонентой вторичных космических лучей.

в. Мягкая (электронно-фотонная) компонета. Ее основной источник – нейтральные пионы p⁰, образующиеся в ядерном столкновении. По сравнению с заряженными пионами p⁺ и p ^–, время жизни которых 2^.10^–6 с, нейтральные пионы распадаются быстрее, их среднее время жизни t = 1,8×10^–16 с. От места своего рождения p ⁰-пион успевает уйти на ничтожное расстояние х » сt = 3×10⁸×1,8×10^–16 = 5×10^–8 м и распадается на два g -кванта высокой энергии: Эти энергичные g -кванты в поле ядер распадаются на электрон-позитронные пары,

Каждый из образующихся электронов обладает большой скоростью и при столкновении с ядрами испускает тормозные g-кванты, И так далее. Возникает лавинообразный процесс.

Нарастание числа электронов, позитронов и g -квантов будет происходить до тех пор, пока энергия частиц не уменьшиться до величины 72 МэВ. После этого преобладающие потери энергии приходятся на ионизацию атомов у частиц и на комптоновское рассеяние у g -квантов. Рост числа частиц в ливне прекращается, а его отдельные частицы поглощаются. Максимальное развитие мягкой компоненты происходит на высоте около 15 км.

При очень больших энергиях первичных частиц Е₀ ³ 10⁵ ГэВ электронно-фотонные каскадные лавины в земной атмосфере приобретают специфические черты широких атмосферных ливней. Развитие такого ливня начинается на высоте 20-25 км. Общее число частиц может достигать 10⁸-10⁹. Так как одна частица в ливне приходится примерно на энергию 1 ГэВ, то из числа частиц в ливне можно оценить энергию первичной частицы.

Существование таких каскадных ливней открыл в 1938 г. француз Пьер Оже. Поэтому их называют часто ливнями Оже.

1. Элементарные частицы– это микрообъекты, размеры которых не превышают размеров атомных ядер. К элементарным частицам относятся протоны, нейтроны, электроны, мезоны, нейтрино, фотоны и др.

Выражение элементарные частицы не следует понимать как бесструктурные частицы, не способные к превращениям. Содержание любого научного термина по мере развития науки постепенно уходит от его этимологии. Так, атом оставался в представлениях людей неделимым вплоть до возникновения в начале XIX в. химической атомистики. В современном научном знании атом – это сложная динамическая система, способная к многообразным перестройкам. Так и элементарные частицы по мере открытия их новых свойств обнаруживают всё более сложную их структуру.

Наиболее важным свойством элементарных частиц является их способность рождаться и взаимопревращаться друг в друга при столкновениях. Для протекания таких процессов необходимо, чтобы сталкивающиеся частицы обладали большой энергией. Поэтому физику элементарных частиц называют также физикой высоких энергий.

По времени жизни все элементарные частицы делятся на три группы: стабильные, нестабильные и резонансы.

Стабильные частицы существуют в свободном состоянии неограниченно долго. Таких частиц всего 11: протон p, электрон e^–, электронное нейтрино ν_e, мюонное нейтрино ν_μ, таонное нейтрино ν_τ , их античастицы p, e⁺, ν_e, ν_μ, ν_τ и плюс фотон g. Опытные факты спонтанного распада этих частиц пока неизвестны.

Нестабильные частицы имеют среднее время жизни τ, которое очень велико по сравнению с характерным временем ядерного пролёта 10^–23 с (времени прохождения светом поперечника ядер). Например, у нейтрона τ » 16 мин, у мюона τ » 10^–6 с, у заряженного пиона τ » 10^–8 с, у гиперонов и каонов τ » 10^–10 с.

Резонансы имеют времена жизни, соизмеримые с пролётным временем 10^--23 с. Регистрируются они по резонансам на кривых зависимости сечений реакции от энергии. Многие резонансы толкуются как возбуждённые состояния нуклонов и других частиц.

2. Фундаментальные взаимодействия.Всё многообразие взаимодействий, наблюдающихся между элементарными частицами и в природе в целом, сводится к 4 основным типам: сильному, электромагнитному, слабому и гравитационному. Сильное взаимодействие удерживает нуклоны в атомных ядрах и присуще адронам (протонам, нейтронам, мезонам, гиперонам и др.). К электромагнитному сводятся взаимодействия, проявляющиеся на макроуровне – упругие, вязкие, молекулярные, химические и др. Слабые взаимодействия вызывают β -распад ядер и наряду с электромагнитными силами управляют поведением лептонов – элементарных частиц с полуцелым спином, не участвующих в сильных взаимодействиях. Гравитационное взаимодействие присуще всем материальным объектам.

Сравнивают фундаментальные взаимодействия между собой по их интенсивности. Однозначного определения этого понятия и метода сравнения интенсивностей нет. Поэтому используются сравнения по совокупности явлений.

Например, отношение силы гравитационного притяжения между двумя протонами к силе кулоновского отталкивания составляет . Это число и берётся в качестве меры отношения гравитационного и электромагнитного взаимодействий.

Соотношение между сильным и электромагнитным взаимодействиями, определяемое по сечениям и энергиям ядерных реакций, оценивается как 10⁴ : 1. Подобным же образом сравниваются интенсивности сильного и слабого взаимодействий.

Наряду с интенсивностью в качестве меры сравнения взаимодействий используют также время и расстояние взаимодействия. Обычно для сравнения времён берут скорости процессов при кинетических энергиях сталкивающихся частиц Е = 1 ГэВ. При таких энергиях процессы, вызываемые сильными взаимодействиями, совершаются за время ядерного пролёта 10^–23 с, процессы, вызываемые электромагнитными взаимодействиями, - за время порядка 10^–19 с, слабыми – за время порядка 10^–9 с, гравитационными – 10⁺¹⁶ с.

В качестве расстояний для сравнения взаимодействий берут обычно длину свободного пробега частицы в веществе. Сильно взаимодействующие частицы с Е = 1 ГэВзадерживаются слоем тяжёлого металла толщиной до 1 м. Тогда как нейтрино, способное участвовать только в слабом взаимодействии, при энергии в 100 раз меньше (Е = 10 МэВ) может задержаться слоем 10⁹ км!

В таблице 26.1 сравниваются интенсивности, характерные времена и радиусы действия всех 4-х типов взаимодействий. Интенсивность сильного взаимодействия принята за единицу.

Таблица 26.1
Тип взаимодействия	Интенсив- ность	Характерное время, с	Радиус действия, м
Сильное		10–23	r ≤ 10–15
Электромагнитное	10–4	10–19	10–14 ≤ r
Слабое	10–24	10–9	r ≤ 10–13
Гравитационное	10–40	10+16	r < ∞

а. Сильное взаимодействие не только самое интенсивное, но и самое короткодействующее в природе. На расстояниях, превышающих 10^–15 м, его роль становится ничтожной. Обеспечивая стабильность ядер, это взаимодействие не влияет практически на атомные явления. Сильное взаимодействие не универсально. Оно присуще не всем частицам, а только адронам – нуклонам, мезонам, гиперонам и др. Существуют частицы – фотоны, электроны, мюоны, нейтрино, не подверженные сильному взаимодействию и не рождающиеся за его счёт при столкновениях.

б. Электромагнитное взаимодействие по интенсивности на 4 порядка уступает сильному. Главной областью его проявления являются расстояния, начиная от поперечника ядра 10^–15 м и вплоть примерно до 1 м. Сюда входят структура атомов, молекул, кристаллов, химические реакции, деформации, трение, свет, радиоволны и многие другие физические явления, доступные восприятию человека.

Наиболее сильно электромагнитное взаимодействие у электрически заряженных частиц. У нейтральных частиц с ненулевым спином оно проявляется слабее и лишь благодаря тому, что такие частицы имеют магнитный момент порядка М = eħç2m. Ещё слабее электромагнитное взаимодействие проявляется у нейтральных пионов π ⁰ и у нейтрино.

Исключительно важным свойством ЭМ-взаимодействия является наличие как отталкивания между одноимённо заряженными, так и притяжения между разноимённо заряженными частицами. Благодаря этому ЭМ-взаимодействие между атомами и любыми другими объектами с нулевым суммарным зарядом имеет относительно короткий радиус действия, хотя кулоновские силы между заряженными частицами являются дальнодействующими.

в. Слабое взаимодействиеничтожно мало по сравнению с сильным и электромагнитным. Но с уменьшением расстояний оно стремительно нарастает. Если допустить, что динамика нарастания сохраняется достаточно глубоко, то при расстояниях порядка 10^–20 м слабое взаимодействие сравняется с сильным. Но экспериментальному исследованию такие расстояния пока недоступны.

Слабое взаимодействие обуславливает некоторые процессы взаимопревращений частиц. Например, частица сигма – плюс – гиперон только под влиянием слабого взаимодействия распадается на протон и нейтральный пион, Σ⁺ ® p + π ⁰. Благодаря слабому взаимодействию идёт β – распад. Такие частицы как гипероны, каоны, мюоны при отсутствии слабого взаимодействия были бы стабильными.

г. Гравитационное взаимодействие самое слабое. Но оно характерно дальнодействием, абсолютной универсальностью (гравитируют все тела) и одинаковым знаком между любой парой частиц. Последнее свойство приводит к тому, что гравитационные силы всегда растут с увеличением массы тел. Поэтому гравитация, несмотря на её ничтожную относительную интенсивность, во взаимодействиях космических тел – планет, звёзд, галактик – приобретает решающую роль.

В мире элементарных частиц роль гравитации ничтожна. Поэтому в физике атома, ядра и элементарных частиц гравитационное взаимодействие не принимается во внимание.

3. Характеристики элементарных частиц. До начала 50-х годов ХХ в., пока количество открытых частиц было относительно невелико, для описания частиц использовались общефизические величины – масса m, кинетическая энергия Е, импульс p и одно квантовое число – спин s, позволявший судить о величине механического и магнитного моментов частицы. Для нестабильных частиц добавлялось сюда ещё среднее время жизни τ.

Но постепенно в закономерностях рождений и распада определённых частиц удавалось выделить некоторые признаки, специфические для этих частиц. Для обозначения этих свойств пришлось вводить новые квантовые числа. Некоторые из них были названы зарядами.

Например, выяснилось, что при распаде тяжёлых частиц, например, нейтрона, никогда не бывает так, чтобы образовались одни лёгкие, например, электроны e^–, e⁺ и нейтрино. И наоборот, при столкновении электронов и позитронов нельзя получить нейтрон, хотя законы сохранения энергии и импульса выполняются. Для отражения этой закономерности было введено квантовое число барионный заряд В. Стали полагать, что у таких тяжёлых частиц – барионов В = 1, у их античастиц В = –1. У лёгких частиц В = 0. В результате открытая закономерность приняла форму закона сохранения барионного заряда.

Аналогично для лёгких частиц эмпирически были введены квантовые числа – лептонные заряды L – признаки запретности некоторых превращений. Условились считать, что лептонные заряды L_e = +1 для электронов e^– и электронных нейтрино ν_e, L_μ = + 1 для отрицательных мюонов μ^– и мюонных нейтрино ν_μ, L_τ = +1 для отрицательных таоновτ ^– и таонных нейтрино ν_τ. Для соответствующих античастиц L = –1. Как и барионный, лептонные заряды сохраняются во всех взаимодействиях.

При открытии гиперонов, рождающихся в сильных взаимодействиях, оказалось, что их время жизни не равно времени пролёта 10^–23 с, что характерно для сильно взаимодействующих частиц, а в 10¹³ раз больше. Это представлялось неожиданным и странным и могло быть объяснено лишь тем, что частицы, родившиеся в сильных взаимодействиях, распадаются в слабых взаимодействиях. Для отражения такого свойства частиц ввели квантовое число странность S. У странных частиц S = + 1, у их античастиц S = – 1, у других частиц S = 0.

Электрический заряд Q микрочастиц выражается через его отношение к положительному элементарному заряду e⁺. Поэтому электрический заряд Q частиц также целочисленное квантовое число. У протона Q = +1, у электрона Q = –1, у нейтрона, нейтрино и других нейтральных частиц Q = 0.

Кроме названных параметров элементарные частицы имеют и другие характеристики, которые здесь не рассматриваются.

4. Законы сохранения в физике элементарных частиц можно разделить на три группы: всеобщие законы сохранения, точные законы сохранения зарядов и приближённые законы сохранения.

а. Всеобщие законы сохранения выполняются точно независимо от масштаба явлений – в микро-, макро- и мегамире. Эти законы вытекают из геометрии пространства – времени. Однородность времени приводит к закону сохранения энергии, однородность пространства – к закону сохранения импульса, изотропность пространства – к закону сохранения момента импульса, равноправие ИСО – к закону сохранения центра инерции. Кроме этих 4-х законов сюда входят ещё два, связанные с симметрией пространства – времени относительно зеркальных отражений координатных осей. Из зеркальной симметрии координатных осей следует, что право-левые симметрии пространства тождественны (закон сохранения чётности). Закон, связанный с зеркальной симметрией времени, говорит о тождественности явлений в микромире относительно изменения знака времени.

б. Точные законы сохранения зарядов. Любой физической системе приписывается целочисленный заряд каждого сорта. Каждый заряд аддитивен и сохраняется. Таких зарядов 5: электрический Q, барионный B, три лептонных – электронный L_e, мюонный L_μ и таонный L_τ. Все заряды целочисленны и могут иметь как положительные, так и отрицательные значения и нуль.

Электрический заряд имеет двойное значение. Он представляет собой не только квантовое число, но и является источником силового поля. Барионный и лептонные заряды не являются источниками силового поля. Для сложной системы полный заряд любого сорта равен сумме соответствующих зарядов входящих в систему элементарных частиц.

в. Приближённые законы сохранения выполняются лишь в некоторых видах фундаментальных взаимодействий. Они относятся к таким характеристикам, как странность S и др.

Все перечисленные законы сохранения сведены в таблицу 26.2.

Таблица 26.2
№	Сохраняющаяся величина	Обозначение	Физическое происхождение	В каких взаимо-действиях
1. 2. 3. 4. 5. 6.	ТОЧНЫЕ ВСЕОБЩИЕ ЗАКОНЫ Энергия Импульс Момент импульса Центр инерции Чётность Временное отражение	E р М X Р Т	Однородность времени Однородность пространства Изотропность пространства Равноправие ИСО Право-левая симметрия пр-ва Симметрия времени	Во всех Во всех Во всех   ? ?
7. 8. 9.	ТОЧНЫЕ ЗАКОНЫ СОХРАНЕНИЯ ЗАРЯДОВ Электрический Барионный Лептонный электронный Лептонный мюонный Лептонный таонный	Q B Le Lμ Lτ	Неизвестно –״– –״– –״– –״–	Во всех –״– –״– –״– –״–
	ПРИБЛИЖЁННЫЕ ЗАКОНЫ СОХРАНЕНИЯ Странность	S	Неизвестно	В ЭМ и сильных

5. Частицы и античастицы имеют одинаковую массу, но все заряды у них противоположны. Выбор из пары частицы и античастицы произволен. Например, в паре электрон + позитрон договорились считать электрон e^– частицей, а позитрон e⁺ - античастицей. Заряды электрона Q = –1, B = 0, L_e = +1, L_μ = 0, L_τ = 0. Заряды позитрона Q = +1, B = 0, L_e = –1, L_μ = 0, L_τ = 0.

Все заряды системы частица + античастица равны нулю. Такие системы, у которых все заряды равны нулю, называются истинно нейтральными. Есть истинно нейтральные и частицы. Их две: γ - квант (фотон) и η – мезон. Частицы и античастицы здесь тождественны.

6. Классификация элементарных частицне завершена до сих пор. В основу одной из классификаций в настоящее время положены среднее время жизни τ,масса m, спин s, пять видов зарядов, странность S и другие параметры частиц. Все частицы делятся на 4 класса.

1-й класс образует одна частица – фотон. У фотона равны нулю масса покоя и все заряды. Фотон не подвержен сильным взаимодействиям. Его спин равен 1, то есть по статистике он бозон.

2-й класс образуют лептоны. Это лёгкие частицы с нулевым барионным зарядом. У каждой частицы – лептона один из лептонных зарядов не равен нулю. Лептоны не подвержены сильным взаимодействиям. Спин всех лептонов ½, то есть по статистике они фермионы.

3-й класс образуют мезоны. Это частицы с нулевыми барионным и лептонными зарядами, участвующие в сильных взаимодействиях. Все мезоны имеют целый спин, то есть по статистике они бозоны.

4-й класс составляют барионы. Это тяжёлые частицы с отличным от нуля барионным зарядом B ≠ 0 и с нулевыми лептонными, L_e, L_μ, L_τ = 0. Они имеют полуцелый спин (фермионы) и участвуют в сильных взаимодействиях. По способности частиц 3-го и 4-го классов участвовать в сильных взаимодействиях их называют ещё адронами.

В таблице 26. 3 приведены хорошо известные частицы – не резонансы с их основными характеристиками. Приведены частицы и античастицы. Истинно нейтральные частицы, не имеющие античастиц, помещены посредине столбца. Названия приведены только для частиц. Соответствующая античастица получается просто прибавлением к названию частицы приставки «анти». Например, протон – антипротон, нейтрон – антинейтрон.

Антиэлектрон e⁺ имеет исторически сложившееся название позитрон. По отношению к заряженным пионам и каонам термин «античастица» практически не применяется. Они отличаются лишь электрическим зарядом. Поэтому просто говорят о положительных или отрицательных пионах и каонах.

Верхний знак заряда относится к частице, нижний к античастице. Например, для пары электрон – позитрон L _e = ± 1. Это значит, что у электрона L_e = + 1, а у позитрона L_e = –1.

В таблице приняты обозначения: Q – электрический заряд, B – барионный заряд, L_e, L_μ, L_τ – соответственно, электронный, мюонный, таонный лептонные заряды, S – странность, s – спин, τ – среднее время жизни.

Масса покоя m указана в мегаэлектронвольтах. Из релятивистского уравнения mc² = eU следует m = eUçc². Энергии частицы 1 МэВ соответствует масса m = eUçc² = 1,6 ×10 ^–19 ×10⁶ç9·10¹⁶ = 17,7×10^–31 кг. Это около двух электронных масс. Разделив на массу электрона m_e = 9, 11×10^–31 кг, получаем m = 1,94 m_e.

Масса электрона, выраженная через энергию, составляет m _e = 0,511 МэВ.

7. Кварковая модель адронов.Адронами называются элементарные частицы, участвующие в сильных взаимодействиях. Это мезоны и барионы. В 1964 г. американцы Мюррей Гелл-Ман и Джордж Цвейг выдвинули гипотезу, что структура и свойства адронов могут быть поняты глубже, если предположить, что адроны состоят из более фундаментальных частиц, названных Гелл-Маном кварками. Кварковая гипотеза оказалась очень плодотворной и является сейчас общепринятой.

Число предполагаемых кварков постоянно увеличивается. К настоящему времени наиболее хорошо изучены 5 разновидностей (ароматов) кварков: кварк u с массой m_u = 5 МэВ, кварк d с массой m_d = 7 МэВ, кварк s с m_s = 150 МэВ, кварк c с m_c = 1300 МэВ и кварк b с m_b = 5000 МэВ. У каждого кварка имеется свой антикварк.

Все перечисленные кварки имеют одинаковый спин ½ и одинаковый барионный заряд B = ⅓. Кварки u, c имеют дробный положительный заряд Q = + ⅔, кварки d, s, b имеют дробный отрицательный заряд Q = – ⅓. Кварк s является носителем странности, кварк c – носителем очарования, кварк b – красоты (таблица 26.4).

Таблица 26.3
Название	Обозначение	m, МэВ	Заряды	Странность S	Спин s	τ, с
Частицы	Анти-частицы	Q	B	L e	L μ	L τ
Фотоны	γ									∞
Лептоны Электрон Электронное нейтрино Мюон Мюонное нейтрино Таон Таонное нейтрино	e– ν e μ– ν μ τ– ν τ	e+ ν e μ+ ν μ τ+ ν τ	0,511	0 0 0		±1 ±1	±1 ±1	±1 ±1		½ ½½½½ ½	∞ ∞ 2,2×10–6 ∞ 4,6×10–13 ∞
Мезоны Заряженный пион Нейтральный пион Заряженный каон Нейтральный каон Эта – мезон	π+	π–		±1 ±1					±1 ±1		2,6×10–8 0,8×10–16 1,2×10–8 0,9×10–10 2,4×10–19
π0
K+ K0	K– K̃0
η
Барионы Протон Нейтрон   Лямбда – гиперон Сигма-плюс-гиперон Сигма-нуль-гиперон Сигма-минус-гиперон   Кси-нуль-гиперон Кси-минус-гиперон Омега-минус-гиперон	p n   Λ0 Σ+ Σ0 Σ– Ξ0 Ξ– Ω–	p n   Λ̃0 Σ̃+ Σ̃0 Σ̃–   Ξ̃0 Ξ̃– Ω̃–	938,2 939,6	±1   ±1   –1	±1 ±1   ±1 ±1 ±1 ±1   ±1 ±1 ±1					½½   ½ ½ ½ ½   ½ ½ 3 ⁄2	∞ 0,9×10–3   2,5×10–10 0,8×10–10 <10–14 1,5×10–10 3×10–10 1,7×10–10 1,3×10–10

 

 

Таблица 26.4
Обозначение	m, МэВ	Q	B	S	s	Участие во взаи- модействии
Кварк	Антикварк
u d c s b	ũ d̃ c̃ s̃ b̃		+⅔ -⅓ +⅔ -⅓ -⅓	⅓ ⅓ ⅓ ⅓ ⅓	-1 +1	½ ½ ½ ½ ½	– – Во всех –״– –״–

 

Каждый адрон может быть представлен как комбинация нескольких кварков. Квантовые числа Q, B, S адронов получаются как сумма соответствующих чисел составляющих адрон кварков. Если в адрон входят два одинаковых кварка, то их спины противоположны.

Барионы имеют полуцелый спин, поэтому могут состоять из нечётного числа кварков. Например, протон состоит из трёх кварков, p → uud. Электрический заряд протона Q = + ⅔+ +⅔ - ⅓ = 1, барионный заряд протона B = ⅓ + ⅓ + ⅓ = 1, странность S = 0, спин s = ½ - ½ + +½ = ½.

Нейтрон состоит также из трёх кварков, n → udd. Q = ⅔ - ⅓ - ⅓ = 0, B = ⅓ + ⅓ + ⅓ = 1, S = 0, s = ½ - ½ + ½ = ½. Комбинацией из трёх кварков удаётся представить следующие барионы: Λ⁰(uds), Σ⁺(uus), Σ⁰(uds), Σ^–(dds), Ξ⁰(uss), Ξ^–(dss), Ω^–(sss). В последнем случае спины всех кварков направлены в одну сторону. Поэтому Ω^– - гиперон имеет спин ³∕_2.

Античастицы барионов образуются из соответствующих антикварков.

Мезоны состоят из двух любых кварка и антикварка. Например, положительный пион π⁺ (ud̃). Его заряд Q = + ⅔ - (-⅓) = 1, B = ⅓ - ⅓ = 0, S = 0, спин ½ - ½ = 0. Другие мезоны: π^–(du), π⁰(uu), (dd̃), K⁺(us), K⁰(ds), K^–(su), η(uu) или (dd̃) или (ss).

Кварковая модель предполагает, что внутри адронов кварки существуют, а опыт показывает, что вылететь из адронов они не могут. По крайней мере, при тех энергиях, которые достижимы на современных ускорителях. Велика вероятность, что кварки вообще не могут существовать в свободном состоянии.

Современная физика высоких энергий полагает, что взаимодействие между кварками осуществляется посредством особых частиц – глюонов. Масса покоя глюонов равна нулю, спин равен единице. Допускается существование около десятка разных видов глюонов.