Logo

Элементарные частицы

Приветствуем вас, мно­го­у­ва­жа­е­мые обитатели макромира! Сегодня нам предстоит окунуться в основу основ бытия – теорию строения и вза­и­мо­дейст­вия элементарных частиц. Начнём рассказ с истории ста­нов­ле­ния квантовой механики, затем опишем элементарные частицы Стандартной модели, заглянем за её пределы и на этом ус­по­ко­им­ся. Не всё сразу! Се­год­няш­няя статья является вводной большого цикла публикаций на тему физики элементарных частиц, по­э­то­му пос­та­ра­ем­ся подробно и мак­си­маль­но популярно осветить основные понятия, не углуб­ля­ясь в математику и теоретические дебри переднего края науки. А удос­то­ве­рить­ся в адек­ват­нос­ти пред­став­лен­ной информации можно, пе­ре­про­ве­рив ссыл­ки на научные исследования и литературу в источниках.

ФИЗИКА ЭЛЕМЕНТАРНЫХ ЧАСТИЦ

Элементарные частицы – это неделимые частицы [1]. И именно по этому принципу протоны входят в состав элементарных частиц [2], хотя они и не однородны, а состоят из трёх кварков [3]. Собст­вен­но, как и весь класс адронов, от­ли­ча­ю­щих­ся ком­по­зит­нос­тью и участием в сильном взаимо­дейст­вии [4]. Ввёл термин адроны Лев Бо­ри­со­вич Окунь в 1962 году. Кстати говоря, он написал несколько со­вер­шен­но за­ме­ча­тель­ных учебников по физике элементарных частиц. И именно с них стоит начать своё оз­на­ком­ле­ние с этой глубокой и пот­ря­са­ю­щей наукой. В первую очередь стоит про­чи­тать «Физика элементарных частиц» 1988 года, а затем «Лептоны и кварки» 1990 года. А чтобы материал лучше «лёг» пред­ва­ри­тель­но стоит прочесть книгу Вла­ди­ми­ра Пет­ро­ви­ча Милантьева «История воз­ник­но­ве­ния квантовой механики и раз­ви­тие пред­с­тав­ле­ний об атоме» 2009 года.

Поиск элементарных частиц, то есть мельчайших и неделимых частиц бытия, из которых состоит вся материя, начался очень давно. За­ни­ма­лись этим ещё эллины. У них, конечно, не было коллайдеров и потому не было воз­мож­нос­ти проверить свои умо­зак­лю­че­ния, но всё же их из­мыш­ле­ния на эту тему не были чистой фантазией. Таким образом, отец атома Демокрит не просто придумал идею неделимой частицы, а дал ей точное оп­ре­де­ле­ние и ха­рак­те­рис­ти­ку, основанную на стройной ло­ги­чес­кой ар­гу­мен­та­ции [5], [6]. Правда, идеи атомистической школы долго оставались без должного внимания, поскольку Аристотель был при­вер­жен­цем теории «первичной материи», в которой нет ни атомов, ни пустоты и которая способна принимать любую форму [7].

История открытия элементарных частиц

Атом с греческого переводится, как неделимый. Идея его поисков и зак­лю­ча­лась в том, чтобы най­ти фундаментальную частицу, из которой состоит вся материя. Об этом писал Рене Декарт и Роберт Бойль, разделял идею атома и Исаак Ньютон, но по-нас­то­я­ще­му научную концепцию атома смог предложить только Джон Дальтон в начале XIX века [8]. Он изучал химические элементы, на основе чего смог составить первую таблицу атомных весов и элементов, став «отцом химической атомной теории». И, собственно, атом по Дальтону и является дискретным, неделимым и неразрушимым основанием химических элементов [9]. Поэтому он его так и назвал! А мы про­дол­жа­ем называть атом атомом уже просто по привычке.

АТОМ

Настоящую же первую элементарную частицу открыли в 1897 году. На­зы­ва­ет­ся она электроном, а её открытие при­над­ле­жит Иоганну Эмилю Вихерту и Джозефу Джону Томсону [10], [11]. И в это же время на­чи­на­ет­ся серьёзное изучение строения атомов. А первый добился серьёзного успеха на этом поприще Жан Батист Перрен [12]. Он пред­ло­жил «планетарную модель» атома. Перрен утверждал, что внутри атома существует по­ло­жи­тель­но заряженное ядро (звезда), вокруг которого летают от­ри­ца­тель­но заряженные электроны (планеты). Развитие эти идеи получили в работах Резерфорда [13][15] и Нила Бора [16]. Собственно, Эрнест Резерфорд в 1914 и нашёл «звезду» атома водорода – протон [17], [18].

СТАНДАРТНАЯ МОДЕЛЬ

Но не стоит думать, что эта «планетарная модель», как и само су­щест­во­ва­ние атомов, были од­ноз­нач­но приняты научным со­об­щест­вом XIX и даже начала XX века! На самом деле, когда Макс Планк нашёл своего «таинст­вен­но­го посла из реаль­но­го мира» [19], ко­то­ро­го мы теперь называем постоянной Планка – ​\( ℏ= 1,055\times10^{-27} \)​ эрг·c [20], споры о су­щест­во­ва­нии атомов про­дол­жа­лись. И, тем не менее, 14 декабря 1900 года Макс Планк читает доклад «К теории закона рас­пре­де­ле­ния энергии в нормальном спектре», в котором вводит квант действия (), и, собственно, этот день является днём рождения квантовой физики [21]. Бла­го­да­ря которой мы можем не только познать суть бытия, но и лечить он­ко­ло­ги­чес­кие за­бо­ле­ва­ния [22], и строить лазерные ус­та­нов­ки [23] для звёздных войн.

Физика элементарных частиц

Вообще, Макс Планк занимался «ультра­фио­ле­то­вой ка­тас­тро­фой», пытаясь привести уравнение Вина в общий вид. Удалось этого добиться бла­го­да­ря кванту действия (), физический смысл которого зак­лю­чал­ся в том, что энергия пе­ре­но­сит­ся квантами [24]. А развил эту идею немецкий учёный, которым был Альберт Эйнштейн. В 1905 году Эйнштейн опубликовал работу, в которой показал, что свет так же пе­ре­но­сит­ся частицами, названными впос­лед­ст­вии фотонами [25]. Правда, сам Планк был крайне не согласен с идеями Эйнштейна и настаивал на спра­вед­ли­вос­ти законов электро­маг­не­тиз­ма Макс­вел­ла для микромира, пытаясь таким образом примирить клас­си­чес­кую и квантовую физику [19], [26].

ПРИМИРЕНИЕ

Идеи Эйнштейна вообще сначала находили мало поддержки среди сов­ре­мен­ни­ков. В 1921 году ему вручили Но­бе­лев­с­кую премию за теорию фо­то­эф­фек­та и «другие заслуги в Тео­ре­ти­чес­кой Физике» [27]. Но ни за Теорию От­но­си­тель­нос­ти, ни за фотоны Но­бе­лев­с­кой премии Эйнштейн не получил. И, вообще, этими идеями все были очень не довольны. Эйнштейн был за­ме­ча­тель­ным учёным, занимался хорошими клас­си­чес­ки­ми гипотезами, а тут вдруг у него стали по­яв­лять­ся какие-то идеи. Очень не хорошо! Но зато благодаря этому был раз­ра­бо­тан математический аппарат, поз­во­лив­ший определить рас­пре­де­ле­ние тож­дест­вен­ных частиц с нулевым или це­ло­чис­лен­ным спином. Для фотонов ма­те­ма­ти­чес­кий аппарат разработал Шатьен­дра­нат Бозе, а обобщил его Эйнштейн, поэтому он и получил наз­ва­ние статистика Бозе–Эйнштейна [28].

Открытие новых элементарных частиц

В 1928 году Поль Адриен Морис Дирак открывает ре­ля­ти­вист­с­кое уравнение электрона, рас­кры­ва­ю­щее природу спина и ес­тест­вен­ным образом вводящее понятие о позитроне [29]. Таким образом, позитрон является первой открытой античастицей. И, вообще, если можно так выразиться, начало XX века является эпохой теории физики элементарных частиц. В это время Луи де Бройль открывает волновую природу частиц [30], [31]. Эрвин Шрёдингер развивает эти идеи [32] и выводит принцип влияния наб­лю­да­те­ля на ход квантового экс­пе­ри­мен­та [33], [34]. Вернер Гейзенберг выводит принцип не­оп­ре­де­лён­нос­ти, суть которого зак­лю­ча­ет­ся в том, что задать импульс и определить координату частицы од­нов­ре­мен­но не­воз­мож­но [35]. Можно либо задать импульс, либо оп­ре­де­лить координату. И то и другое вместе сделать нельзя!

КОТ ШРЕДИНГЕРА

Макс Борн в 1954 году получает Нобелевскую премию за ста­тис­ти­чес­кую ин­тер­пре­та­цию волновой функции [36]. Она решала проблему нахождения мес­то­по­ло­же­ния электрона. Суть проблемы в том, что электрон движется не с заданной скоростью по заданной орбите, а, условно, случайным образом меняет своё мес­то­по­ло­же­ние [37]. Именно поэтому рас­счи­тать его мес­то­по­ло­же­ние клас­си­чес­ким способом и невозможно. А Макс Борн раз­ра­бо­тал ма­те­ма­ти­чес­кий аппарат для решения этой проблемы. В общем, первая половина XX века стала эпохой развития ма­те­ма­ти­чес­ких методов изучения физики элементарных частиц. Хотя и не правильно было бы думать, что ма­те­ма­ти­чес­кие выводы ос­та­ва­лись чистой абс­трак­цией. Они под­тверж­да­лись экс­пе­ри­мен­таль­но!

КОЛЛАЙДЕР

Экспериментальный прорыв в физике элементарных частиц, пожалуй, приходится на 1932 год. Именно в 1932 году Карл Андер­сон в камере Виль­со­на за­пе­чат­лел позитрон Дирака [38], а Джеймс Чедвик экс­пе­ри­мен­таль­но под­твер­ж­да­ет су­щест­во­ва­ние нейтронов [39], за что уже в 1935 году получает Но­бе­лев­с­кую премию [40].Но настоящая череда просто пот­ря­са­ю­щих событий на­чи­на­ет­ся в 1955 году! От­кры­ва­ют антипротоны, странные частицы, мюоны, лямбда частицы и многое другое [41]. В 1956 – ней­три­но и слабое вза­и­мо­дейст­вие [42]. И так про­ис­хо­дят открытия за от­кры­ти­я­ми, за­вер­ша­ю­щи­е­ся в 2012 го­ду ре­гис­тра­цией бозона Хиггса [43].

Почему так важен бозон Хиггса?

Физика элементарных частиц естественным образом пе­ре­рос­ла в теорию квантового поля [44], [45], пос­коль­ку частицы, соб­ст­вен­но, и яв­ля­ют­ся ко­леб­лю­щи­ми­ся «ку­соч­ка­ми» полей [46]. Когда поле не ко­леб­лет­ся, то его энергия равна нулю. Такое сос­то­я­ние на­зы­ва­ет­ся вакуумом [47]. Но вакуум не является пустотой [48], в нём пос­то­ян­но бурлят виртуальные частицы [49]. Их вир­ту­аль­ность зак­лю­ча­ет­ся в том, что у них нет массы, а при­об­ре­та­ют они её в ре­зуль­та­те вза­и­мо­дейст­вия с полем бозона Хиггса [50]. Про­ис­хо­дит это благодаря тому, что вакуум поля бозона Хиггса не нулевой [51][54]. Вот почему так важно было найти бозон Хиггса! Без него в рамках Стандартной модели не­воз­мож­но су­щест­во­ва­ние нашего мира, а Стандартная модель яв­ля­ет­ся лучшей опи­са­тель­ной моделью элементарных частиц.

Стандартная модель элементарных частиц

Стандартная модель – это опи­са­тель­ная теория элементарных частиц [55]. Она, не побоюсь этого слова, полностью опи­сы­ва­ет физику элементарных частиц, объясняя их вза­и­мо­дейст­вие и фор­ми­ро­ва­ние всего сущего. Но она оставляет много вопросов! В частности, не понятно про­ис­хож­де­ние тёмной материи [55], хотя люди и пытаются вписать её в Стандартную модель [56], но даже если им удастся это сделать, потребность в Новой физике всё равно останется. А всё потому, что Стандартная модель является опи­са­тель­ной теорией, не от­ве­ча­ю­щей на вопросы типа «по­че­му так про­ис­хо­дит» [55]. Она просто позволяет за­ре­гис­три­ро­вать и описать наб­лю­да­е­мые факты. Не то, чтобы этого было мало, но хочется понять не только то, как устроен наш мир, но и почему он устроен именно так, а не иначе.

ЭЛЕМЕНТАРНЫЕ ЧАСТИЦЫ

Именно поэтому учёные ищут Новую физику, или, как её ещё на­зы­ва­ют, физику за пределами Стандартной модели, ко­то­рая и сможет ответить на вопросы типа «почему так» [57]. Почему масса электрона именно ​\( 9,109\times10^{-31} \)кг, а не ​\( 9,5\times10^{-31} \)кг? Ко­неч­но, всегда можно сказать, что наш мир такой, какой есть, просто потому, что если бы он был другим, то за­да­вать­ся этим вопросом было некому. Но хочется понять, ка­кие фун­да­мен­таль­ные при­чи­ны обус­лав­ли­ва­ют константы и со­от­вет­с­т­ву­ю­щую эволюцию Все­лен­ной. Хотя и не ис­клю­че­но, что най­ден­ные константы и есть пер­во­при­чи­на, но их слишком много и так уж устроен че­ло­ве­чес­кий мозг, что нам всегда хочется узнать по­доп­лё­ку.

Элементарные частицы

Вот мы, наконец-то, и по­доб­ра­лись к самим элементарным частицам! Элементарные частицы делятся на: кварки, лептоны и бозоны [46]. Кварки и лептоны являются веществом, а бозоны пе­ре­нос­чи­ком вза­и­мо­дейст­вия. К кваркам относятся: d-кварк, s-кварк, b-кварк, u-кварк, c-кварк и t-кварк [46]. Из кварков со­би­ра­ют­ся адроны [58]. Они делятся на барионы и мезоны [59]. Мезоны состоят из кварка и антикварка, а барионы из трёх кварков разных «цветов». Их до­воль­но много, но важно знать, что к барионам относятся нуклоны, то есть частицы, сос­тав­ля­ю­щие атомное ядро – протоны и нейтроны [60]. Состоят они, со­от­вет­с­т­вен­но, из трёх кварков [3], но если поп­ро­бо­вать один из кварков вырвать, то в момент разрыва об­ра­зу­ет­ся антикварк, и вы получите мезон [2]. На­зы­ва­ет­ся этот эф­фект кон­файн­мен­том [61].

КОНФАЙНМЕНТ

К лептонам относятся: электрон, мюон, тау-лептон, электронное нейтрино, мюонное нейтрино и тау-нейтрино [46]. Следует так же заметить, что у кварков и лептонов есть античастицы. Для электрона – это позитрон, для b-кварка – анти-b-кварк и т.д. К бозонам относятся: фотон, бозон Хиггса, глюон, W, W+ и Z [46]. Лептоны и кварки ес­тес­т­вен­ным образом ук­ла­ды­ва­ют­ся в три поколения [55]. Самые лёгкие и стабильные образуют первое поколение, а самые тяжёлые и нестабильные (быстро исчезают) – третье. U-кварк и d-кварк/электрон и электронное нейтрино – образуют первое поколение. C-кварк и s-кварк/мюон и мюонное нейтрино – второе поколение. B-кварк и t-кварк/тау-лептон и тау-нейтрино – образуют третье поколение.

ПОКОЛЕНИЯ ЭЛЕМЕНТАРНЫХ ЧАСТИЦ

Свойственны элементарным частицам 4 типа вза­и­мо­дейст­вия: гра­ви­та­ци­он­ное, элек­тро­маг­нит­ное, сла­бое и сильное [55]. Хотя стоит заметить, что гравитон так и не был найден. И, если верна сов­ре­мен­ная теория элементарных частиц, никогда не будет найден в условиях Земли. Гра­ви­та­ци­он­ное вза­и­мо­дейст­вие на квантовом уровне очень слабое и поэтому для его ре­гис­тра­ции нужно очень много энергии [62]. К со­жа­ле­нию, с «тонкими энергиями» физики об­ра­щать­ся не умеют, поэтому остаётся только просить помощи у астрологов. В гра­ви­та­ци­он­ном вза­имо­дей­ст­вии участ­ву­ют все элементарные частицы, пред­по­ло­жи­тель­но, посредством гравитона [63].

ФУНДАМЕНТАЛЬНЫЕ ЧАСТИЦЫ

В сильном взаимодействии участвуют только адроны пос­редст­вом глюона. Лептоны в сильном не участвуют. В элек­тро­маг­нит­ном и слабом вза­и­мо­дейст­вии могут участ­во­вать все частицы, вза­и­мо­дейст­вуя с нейт­раль­ны­ми частицами пос­редст­вом квантовых эффектов. Бозоном электро­маг­нит­но­го вза­и­мо­дейст­вия являются фотоны, а бозонами слабого вза­и­мо­дейст­вия являются W, W+ и Z бозоны [55]. Что касается «цветов», «ароматов», спинов и прочего, то эти свойст­ва элементарных частиц при­об­ре­та­ют смысл только в ма­те­ма­ти­чес­кой ин­тер­пре­та­ции, которой в этой статье мы обещали не касаться. Поэтому об этих свойст­вах мы по­го­во­рим от­дель­но и под­роб­но, но не в этот раз!

Проверь себя – ответь на вопросы по статье

P.S. Бла­го­да­рим за вни­ма­ние! На­де­ем­ся, что ста­тья бы­ла ин­те­рес­на и поз­на­ва­тель­на. Ес­ли у вас ос­та­лись ка­кие-ли­бо воп­ро­сы, есть за­ме­ча­ния или вы хо­ти­те выс­ка­зать сло­ва бла­го­дар­нос­ти, то для все­го это­го мож­но вос­поль­зо­вать­ся фор­мой ком­мен­та­ри­ев ни­же. Оце­ни­вай­те ста­тью, де­ли­тесь ею с друзь­я­ми в со­ци­аль­ных се­тях, до­бав­ляй­те сайт в из­бран­ное и бо­ри­тесь с мра­ко­бе­си­ем во всех его про­яв­ле­ни­ях, аминь!

Источники

[1] link.springer.com/chapter/10.1007%2F978-3-642-61742-3_69

[2] redjournal.org/article/S0360-3016(13)02736-3/fulltext

[3] sciencedirect.com/science/article/pii/S0370269315008667

[4] researchgate.net/publication/237431630_Light-Front_Methods_and_Non-Perturbative_QCD

[5] ncbi.nlm.nih.gov/pmc/articles/PMC5750616/

[6] plato.stanford.edu/entries/democritus/

[7] plato.stanford.edu/entries/atomism-ancient/

[8] ncbi.nlm.nih.gov/pmc/articles/PMC1050513/

[9] В. П. Милантьев «История возникновения квантовой механики и развитие представлений об атоме»/ В. П. Милантьев – Москва: Книжный дом «ЛИБРОКОМ», 2009. – стр.20

[10] iopscience.iop.org/article/10.1088/0031-9120/32/4/015/meta

[11] iopscience.iop.org/article/10.1088/0143-0807/18/3/002

[12] nobelprize.org/nobel_prizes/physics/laureates/1926/perrin-lecture.html

[13] ncbi.nlm.nih.gov/pmc/articles/PMC4989051/

[14] ncbi.nlm.nih.gov/pmc/articles/PMC3430284/

[15] sciencedirect.com/science/article/pii/S1876050308700458

[16] sciencedirect.com/science/article/pii/1355219895000186

[17] researchgate.net/publication/243491963_Proton_or_prouton_Rutherford_and_the_depths_of_the_atom

[18] researchgate.net/figure/Top-Rutherfords-scattering-experiment-with-a-particles-scattering-on-a-gold-foil_fig1_45868627

[19] В. П. Милантьев «История возникновения квантовой механики и развитие представлений об атоме»/ В. П. Милантьев – Москва: Книжный дом «ЛИБРОКОМ», 2009. – стр.77

[20] ncbi.nlm.nih.gov/pmc/articles/PMC5454345/

[21] arxiv.org/abs/physics/0402064

[22] ncbi.nlm.nih.gov/pmc/articles/PMC3711102/

[23] sciencedirect.com/science/article/pii/S0262407909609994

[24] В. П. Милантьев «История возникновения квантовой механики и развитие представлений об атоме»/ В. П. Милантьев – Москва: Книжный дом «ЛИБРОКОМ», 2009. – стр.76

[25] sciencedirect.com/science/article/pii/S1631070517301032

[26] В. П. Милантьев «История возникновения квантовой механики и развитие представлений об атоме»/ В. П. Милантьев – Москва: Книжный дом «ЛИБРОКОМ», 2009. – стр.81

[27] nobelprize.org/nobel_prizes/physics/laureates/1921/index.html

[28] sciencedirect.com/science/article/pii/S0370269317310134

[29] sciencedirect.com/science/article/pii/S2468080X17300183

[30] sciencedirect.com/science/article/pii/S1631070517300774

[31] sciencedirect.com/science/article/pii/S2211379717316674

[32] nature.com/news/2011/050411/full/news.2011.210.html

[33] sciencedirect.com/science/article/pii/S1355219816300673

[34] sciencedirect.com/science/article/pii/S037026931630020X

[35] sciencedirect.com/science/article/pii/S0019995859900828

[36] nobelprize.org/nobel_prizes/physics/laureates/1954/

[37] sciencedirect.com/science/article/pii/S221137971400045X

[38] aps.org/publications/apsnews/200408/history.cfm

[39] sciencedirect.com/science/article/pii/S1875389213000151

[40] nobelprize.org/nobel_prizes/physics/laureates/1935/index.html

[41] nature.com/articles/nature14861

[42] sciencedirect.com/science/article/pii/S1631070517300993

[43] sciencedirect.com/science/article/pii/S0370269317309255

[44] physics.aps.org/articles/v5/83

[45] arxiv.org/abs/0704.2232

[46] europepmc.org/articles/pmc3912322

[47] arxiv.org/abs/hep-ph/9901280

[48] phys.org/news/2007-05-vacuum-higgs-field-dark.html

[49] sciencedirect.com/science/article/pii/S1877705815036334

[50] sciencedirect.com/science/article/pii/S0370269312008581

[51] sciencedirect.com/science/article/pii/S0550321314002739

[52] sciencedirect.com/science/article/pii/S0370269316307699

[53] sciencedirect.com/science/article/pii/S0550321314001345

[54] sciencedirect.com/science/article/pii/S0370269316301940

[55] home.cern/about/physics/standard-model

[56] journals.aps.org/prl/abstract/10.1103/PhysRevLett.120.121301

[57] sciencedirect.com/science/article/pii/S0370269318300157

[58] sciencedirect.com/science/article/pii/S0370269308010125

[59] sciencedirect.com/science/article/pii/S0370269308000750

[60] sciencedirect.com/science/article/pii/S0375947413000778

[61] sciencedirect.com/science/article/pii/0370157381900260

[62] sciencedirect.com/science/article/pii/S0370269317303076

[63] sciencedirect.com/science/article/pii/S0370269317308468

[свернуть]
1 Звезда2 Звезды3 Звезды4 Звезды5 Звезд
Загрузка...

avatar
  Подпишись!  
Уведомлять
Вставить формулу как
Блок
Строка
Дополнительные настройки
Цвет формулы
Цвет текста
#333333
Используйте LaTeX для набора формулы
Предпросмотр
\({}\)
Формула не набрана
Вставить