Фундаментальные взаимодействия и взаимопревращения частиц

1. Всего в настоящее время известно свыше 350 элементарных частиц. Все частицы способны взаимодействовать друг с другом. В настоящее время различают четыре типа фундаментальных взаимодействий: сильное, электромагнитное, слабое и гравитационное.

Сильное взаимодействие свойственное тяжелым частицам, начинающимся с пиона. Наиболее известное его проявление – ядерные силы, обеспечивающие существование атомных ядер.

В электромагнитном взаимодействии непосредственно участвуют только электрически заряженные частицы и фотоны. Наиболее известное его проявление – кулоновские силы, обусловливающие существование атомов. Именно электромагнитное взаимодействие ответственно за подавляющее большинство макроскопических свойств вещества. Оно же вызывает аннигиляцию электрон-позитронной пары и многие другие микроскопические процессы.

Слабое взаимодействие характерно для всех частиц, кроме фотона. Наиболее известное его проявление – бета-распад нейтрона и целого ряда ядер.

Гравитационное взаимодействие присуще всем телам Вселенной, проявляясь в виде сил всемирного тяготения. Эти силы обеспечивают существование звезд, существование планетных систем и т.п. Гравитационное взаимодействие является предельно слабым и, по-видимому, не играет никакой роли в мире элементарных частиц при обычных энергиях.

2. Каждый реальный процесс, вызванный тем или иным фундаментальным взаимодействием, можно разбить на отдельные элементарные акты, которые определяют механизм этого взаимодействия. Кроме того, всякое фундаментальное взаимодействие характеризуется относительной интенсивностью и радиусом действия.

Интенсивность взаимодействий сравнивается с интенсивностью электромагнитного взаимодействия, которая характеризуется безразмерным параметром . Он включает элементарный заряд е и фундаментальные постоянные и численно равен примерно 1/137. Из таблицы 1 видно, что сильное взаимодействие действительно является «сильным», а слабое – «слабым», откуда и соответствующие названия. Гравитационное взаимодействие обладает предельно малой интенсивностью; в окружающем нас мире оно играет важную роль лишь благодаря тому, что массы астрономических тел колоссальны.

Таблица 1

Электромагнитные и гравитационные силы относятся к силам далекого действия, так как с ростом расстояния они убывают медленно – всего лишь по степенному закону 1/r². Поэтому их радиус формально и считается бесконечно большим. Сильное взаимодействие проявляется лишь на малых расстояниях порядка 10^-15 м; слабое взаимодействие является еще более короткодействующим.

3. Основной экспериментальный и теоретический метод исследования в современной физике элементарных частиц (и в ядерной физике) – метод рассеяния. В опытах по рассеянию сначала приготавливают два пучка частиц, вместо одного из которых часто используются неподвижная мишень. В последнее время широко используются встречные пучки – протон-протонные, электрон-электронные и электрон-позитронные. В некоторой пространственной области пучки пересекаются, и частицы из разных пучков вступают во взаимодействие. В результате они рассеиваются: изменяется состояние их движения и (или) рождаются новые частицы. Затем регистрируются все рассеянные частицы и измеряются их характеристики. По полученным экспериментальным данным судят о характере взаимодействия между частицами и об их внутренней структуре.

4. Взаимодействия между частицами обусловливают необозримое количество самых разнообразных процессов и взаимопревращений. Они делятся на три большие группы: упругое рассеяние, неупругие процессы и распады.

При упругом рассеянии частицы не претерпевают превращений, а просто изменяют состояние движения. Примером может служить рассеяние a-частиц атомными ядрами в опытах Резерфорда. С середины 50-х гг. проводятся эксперименты по изучению упругого рассеяния быстрых электронов (с энергиями до 22000 МэВ) на нуклонах – протонах и нейтронах. Они позволили установить, что нуклоны имеют размеры R =0,8×10^-15 м, и выявили внутреннюю структуру этих частиц. Так, плотность электрического заряда имеет максимум в центре протона и спадает к его периферии по экспоненциальному закону.

В неупругих процессах (реакциях) происходит столкновение двух частиц, сопровождающееся превращением их в частицы другого сорта. Соответствующий пример дает аннигиляция электрон-позитронной пары в два фотона. Изучение неупругого рассеяния быстрых электронов на нуклонах, начатое в конце 60-х гг., позволило установить, что протон и нейтрон состоят из огромного количества точечных объектов – партонов (от английского part – «часть»).

Частицы, рождающиеся в процессах рассеяния, за редкими исключениями являются нестабильными и претерпевают распады. Они живут после рождения очень малые промежутки времени, превращаясь затем в другие частицы. Самая устойчивая из нестабильных частиц – нейтрон, обладающий средним временем жизни t =898±16 с.

5. Взаимопревращаемость элементарных частиц – одно из наиболее фундаментальных их свойств. При этом образующиеся частицы не входят в состав исходных частиц, а рождаются непосредственно в процессах их соударений или распадов. Для пояснения заметим, что фотон также не входит в состав атома, а рождается непосредственно в процессе перехода электрона с одного энергетического уровня на другой.

6. Именно в процессах взаимопревращений и открывают ранее неизвестные частицы. Для этого сталкивают друг с другом известные частицы с как можно большими энергиями, а затем исследуют продукты соответствующей реакции и те фрагменты, на которые распались образовавшиеся частицы. В качестве примеров приведем две реакции, в которых были открыты странные частицы:

p^- + р ® К⁺ + å^-,

р + р ® К⁺ + L⁰ + р.

7. Необходимыми элементами всякой экспериментальной установки, на которой изучается рассеяние, являются источники частиц, формирующие их пучки, и детекторы, с помощью которых регистрируются рассеянные частицы и измеряются их характеристики. От хороших источников требуется, чтобы они формировали достаточно интенсивные пучки исследуемых частиц с достаточно высокими энергиями. Повышать интенсивность нужно для того, чтобы увеличить число интересующих нас событий и облегчить, тем самым, их регистрацию. Высокие энергии необходимы по двум причинам. Во-первых, чем выше энергия сталкивающихся частиц, тем больше массы и общее количество новых частиц, которые они могут породить.

8. Перечень принципиально различных источников частиц краток: радиоактивные препараты, космическое излучение, ядерные реакторы, ускорители. Исторически первыми источниками частиц были естественные радиоактивные препараты. Энергии соответствующих частиц по современным масштабам малы, и в настоящее время радиоактивные источники применяются только для исследования и в прикладных целях.

До начала 50-х г. основным источником частиц с высокими энергиями служило космическое изучение. Первичное космическое излучение представляет собой стабильные ядра (в основном протоны), обладающие высокими энергиями и заполняющие космическое пространство. На поверхность Земли падает вторичное космическое излучение, возникающее в результате превращений первичных космических частиц, которые они претерпевают в атмосфере. Средняя энергия космических частиц равна примерно 10¹⁰ эВ. Зарегистрировано несколько космических частиц с энергиями около 10²⁰ эВ. При попадании космического протона в верхние слои атмосферы иногда порождается в общей сложности до миллиарда различного рода частиц, образующих космический ливень. Достоинство космического излучения как источника частиц – чрезвычайная широта энергетического диапазона; существенные недостатки – неконтролируемость опытов, редкость событий со сверхвысокими энергиями, огромные экспериментальные трудности (прецизионную аппаратуру приходится поднимать на большую высоту).

Ядерные реакторы – мощнейшие источники нейтронов и электронных антинейтрино (впервые антинейтрино было зарегистрировано именно в реакторных пучках). Кроме того, в реакторах получаются искусственные радиоактивные препараты, также служащие источниками частиц.

Ускорители - основные источники частиц, применяемые в настоящее время. Они формируют интенсивные пучки заряженных частиц (электронов, протонов и тяжелых ионов) с высокими энергиями. Максимальная энергия электронов, достигнутая в лаборатории, составляет 35 ГэВ, максимальная энергия протонов – 1000 ГэВ. При взаимодействии первичного пучка от ускорителя с мишенью получаются вторичные, третичные и т.д. пучки, содержащие элементарные частицы и атомные ядра, не существующие в природе.

С точки зрения генерации новых частиц особенно эффективны ускорители со встречными пучками, в которых сталкиваются частицы с нулевым суммарным импульсом. Благодаря этому вся их кинетическая энергия может быть преобразована в энергию покоя рождающихся частиц, суммарный импульс которых также равен нулю. Встречные электронные пучки впервые были реализованы в СССР в 1967 г. В крупнейшей современной установке сталкиваются электроны и позитроны с энергией 32 ГэВ. Для получения равнозначного эффекта на обычном ускорителе (с неподвижной мишенью) нужно было бы разогнать электроны до энергии 4×10⁶ ГэВ. На проектируемой в СССР установке ВЛЭПП предполагается довести энергию электронов и позитронов до 300 ГэВ, что эквивалентно обычному ускорителю с энергией электронов 4×10⁹ ГэВ. Это уже совсем близко к максимальной энергии частиц космического излучения.

Понятия о классификации элементарных частиц

1. Классификация элементарных частиц проводится по нескольким признакам, разбивающим их на группы объектов различной природы. В ее основе лежит отношение частиц к разным типам фундаментальных взаимодействий.

2. В особый класс выделяются фотоны – кванты электромагнитного поля. Сюда же можно отнести гипотетические гравитоны – кванты гравитационного поля. Фотоны и гравитоны играют еще одну чрезвычайно важную роль, являясь переносчиками электромагнитного и гравитационного взаимодействий соответственно. В этот класс мы включили также промежуточные бозоны – переносчики слабого взаимодействия.

3. Следующий класс составляют лептоны – частицы, не участвующие в сильном взаимодействии и имеющие спин (1/2) . В этот класс входят три семейства – электронное, мюонное и таонное. Каждое семейство содержит одну заряженную частицу е ^-, m^-, t^- и соответствующее ей нейтрино v_e, v_m, v_t.

4. Наиболее многочислен класс адронов – частиц, которые могут участвовать и реально участвуют в сильном взаимодействии. Адроны подразделяются на «стабильные» частицы со средними временами жизни t>>10^-23 с и на резонансы, времена жизни которых совпадают по порядку величины с характерным временем сильного взаимодействия: t~10^-23 с. Резонансы распадаются за счет сильного взаимодействия, «стабильные» частицы – за счет электромагнитного и слабого взаимодействий.

Андроны с целыми спинами называются мезонами, с полуцелыми спинами – барионами. Каждая их этих групп содержит «обычные», странные, очарованные и т.п. частицы. Кроме того, они разбиваются на небольшие семейства, члены которых близки по массе, но различаются значениями электромагнитного заряда.

Частицы из одного и того же семейства идентичны по отношению к сильному взаимодействию. Примером может служить семейство нуклона, состоящее их двух частиц – протона р и нейтрона n, которые различаются по массе на 0,1 %. Ядерные силы обладают свойством зарядовой независимости – они одинаковые в системах протон – протон, нейтрон - нейтрон и протон – нейтрон.

5. Каждой частице отвечает своя античастица, иногда совпадающая с ней.

6. Описанная систематика частиц отражена в таблице. В ней представлены только стабильные частицы. Античастицы не указаны (исключение составляет пара (p⁺ p^-)) – их массы, времена жизни и спины такие же, как у частиц, а заряды имеют противоположные знаки. Нейтральные каоны участвуют в слабом взаимодействии в двух разновидностях – в виде короткоживущего каона К⁰_S и долгоживущего каона К⁰_L, средние времена жизни которых приведены в таблице.

В этот класс включены промежуточные бозоны – переносчики слабого взаимодействия. Первое сообщение об открытии появилось в ноябре 1982 г.

Таблица 2

Группы частиц	Частицы	Спин,	Масса, МэВ	Среднее время жизни, с
Переносчики взаимодействий	Фотон	g
Гравитон	G
Промежуточ-ные бозоны	W± Z0		»80000 »90000	»10-25
Лептоны	Электронный дублет	e- ne	1/2 1/2	0,511 <46 эВ	¥ ¥
Мюонный дублет	m- nm	1/2 1/2	105,66 <0,25	2,2×10-6 ¥
Таонный дублет	t- nt	1/2 1/2	<70	3×10-13 ?
Андроны	Мезоны	«Обычные»	Пионы	p± p0		139,57 134,96	2,6×10-8 0,8×10-16
Эта-мезон	h0		548,8	0,7×10-18
Странные	Каоны	K+ K0		493,67 497,7	1,24×10-8 K0S: 0,89×10-10 K0L: 5,18×10-8
Очарован-ные	D-мезоны	D+ D0			9×10-13 4×10-13
F-мезон	F+			2×10-13
Барионы	«Обычные»	Нуклоны	r n	1/2 1/2	938,28 939,57	>6,5×1032 лет 898±16
Странные	Лямбда-гиперон	L0	1/2	1115,6	2,63×10-10
Сигма-гипероны	å+ å0 å`	1/2 1/2 1/2	1189,4 1192,5 1197,3	0,80×10-10 5×10-20 1,48×10-10
Кси-гипероны	X0 X`	1/2 1/2	1321,3	2,9×10-10 1,64×10-10
Омега-гиперон	W`	3/2	1672,5	0,8×10-10
Очарован-ные	Лямбда-цегиперон	L+c	1/2		2×10-13