Элементарные частицы

Лекция № 10

Два подхода к структуре элементарных частиц

 

Элементарными называются такие частицы, которые на современном уровне развития физики нельзя считать соединением других, более «простых» частиц. Элементарная частица при взаимодействии с другими частицами ведет себя как единое целое.

Вопрос о структуре элементарных частиц рассматривается двояким образом. В некоторых случаях элементарные частицы представляются бесструктурными материальными точками, обладающими электрическим зарядом и массой. Такое представление находится в согласии с теорией относительности.

В других случаях элементарная частица представляется протяженной, т.е. имеющей конечные размеры. Такая частица не должна деформироваться, т.к. деформация связана с возможными независимыми движениями отдельных частей единого целого. Это значит, что внешнее воздействие на протяженную элементарную частицу должно мгновенно передаваться от одних ее частей к другим. Это противоречит основному принципу теории относительности об отсутствии в природе скоростей передачи взаимодействий бо¢льших скорости света в вакууме.

Таким образом, с точки зрения теории относительности элементарная частица должна быть точечной. Вместе с тем, рассматривать элементарные частицы бесструктурными допустимо лишь в области таких энергий, при которых их структура не влияет на результаты взаимодействия между ними. Соответствующая такому рассмотрению область энергий элементарных частиц лежит ниже 2m₀c², где m₀ - масса покоя частицы.

 

Космические лучи

Из космического пространства на Землю непрерывно падает поток атомных ядер высокой энергии, а также частиц, созданных этими ядрами в атмосфере Земли. Все эти частицы получили название космических лучей.

Космические лучи претерпевают неупругие столкновения с ядрами атомов в верхних слоях атмосферы, образуя в ней вторичное излучение, в котором встречаются все известные в настоящее время элементарные частицы.

Интенсивность космических лучей определяется плотностью потока частиц, т.е. числом частиц, проходящих в 1 сек. Через единицу площади поверхности. Измерения интенсивности космических лучей на различных высотах показали, что на границе атмосферы она составляет примерно 1 частицу/(см² сек.), на уровне моря она равна ~2*10^-2 частиц/(см² сек.).

Космические лучи отклоняются магнитным полем Земли и поэтому их интенсивность зависит от широты места на Земле. Наибольшее отклоняющее действие магнитное поле Земли производит в экваториальной области. Здесь наибольшее число частиц испытывает сильное отклонение и не проходит в нижние слои атмосферы. Это явление называется широтным эффектом.

На высотах ниже 20 км космические лучи практически полностью носят вторичный характер. В составе вторичных космических лучей имеются две компоненты: одна из них сильно поглощается свинцом и, поэтому была названа мягкой; другая же проникает через большие толщи свинца и поэтому называется жесткой.

В жесткую компоненту входят более тяжелые быстрые заряженные частицы, теряющие энергию в основном лишь на ионизацию атомов, встречающихся на их пути. В составе мягкой компоненты находятся легкие заряженные частицы – электроны, позитроны, фотоны.

Во время полета искусственных спутников Земли и космических ракет вблизи Земли были открыты радиационные пояса, которые представляют собой две, окружающие Землю, зоны с резко повышенной интенсивностью ионизирующего излучения. Образование этих поясов связано с захватом и удержанием заряженных частиц магнитным полем Земли. В плоскости экватора внутренний пояс радиации простирается от 600 до 6000 км, а внешний – от 20000 до 60000 км. Такие радиационные пояса должны быть характерны для всех небесных тел, обладающих магнитным полем. Данные о зонах повышенной космической радиации имеют существенное значение для полетов человека в космос.

Взаимодействие космических лучей с веществом долгое время являлось единственным методом изучения элементарных частиц. Лишь после создания современных ускорителей стало возможным изучать в лабораториях природу, взаимные превращения и структуру элементарных частиц.

Типы взаимодействий между элементарными частицами

В настоящее время известны четыре вида взаимодействий между элементарными частицами: сильное, электромагнитное, слабое и гравитационное.