Элементарные частицы. О фундаментальных взаимодействиях
В многообразии элементарных частиц, известных к настоящему времени, обнаруживается более или менее стройная система классификации (рис. 2).
Так, элементарные частицы, различающиеся по своим свойствам и характеру взаимодействия, принято делить на две большие группы:
фермионы - частицы с полуцелым спином (карки, электрон, протон, нейтрон, нейтрино);
и бозоны - частицы с целым спином (фотон, глюон, мезоны) (рис. 1).
Фермионы составляют вещество, бозоны переносят взаимодействие.
Между частицами существует четыре типа взаимодействия, каждое из которых переносится своим типом бозонов.
Фотон, или квант света переносит электромагнитное взаимодействие.
Глюоны осуществляют перенос сильных ядерных взаимодействий, связывающих кварки.
Векторные бозоны переносят слабые взаимодействия, ответственные за некоторые распады частиц.
Рисунок – 1 Элементарные частицы
По видам взаимодействий элементарные частицы делятся на:
Составные частицы: адроны - частицы, участвующие во всех видах фундаментальных взаимодействий. Общее число около четырехсот. Они состоят из кварков и подразделяются, в свою очередь, на: мезоны – являются частицами с целочисленным спином (нулевым). Такие частицы называют бозонами; барионы – адроны с полуцелым спином (фермионы) и массами не меньше массы протона. За исключением протона все нестабильны.
Фундаментальные частицы - бесструктурная элементарная частица, которую до настоящего времени не удалось описать как составную. В настоящее время термин применяется преимущественно для лептонов и кварков (по 6 частиц каждого рода, вместе с античастицами, составляют набор из 24 фундаментальных частиц) в совокупности с калибровочными бозонами (частицами-переносчиками фундаментальных взаимодействий): лептоны - фермионы, которые имеют вид точечных частиц (т. е. не состоящих ни из чего) вплоть до масштабов порядка 10 −18 м. Не участвуют в сильных взаимодействиях. Участие в электромагнитных взаимодействиях экспериментально наблюдалось только для заряженных лептонов (электроны, мюоны, тау-лептоны) и не наблюдалось для нейтрино. Известны 6 типов лептонов. кварки - дробнозаряженные частицы, входящие в состав адронов. В свободном состоянии не наблюдались (для объяснения отсутствия таких наблюдений предложен механизм конфайнмента).
Обилие открытых и вновь открываемых адронов навела ученых на мысль, что все они построены из каких-то других более фундаментальных частиц. В 1964 г. американским физиком М. Гелл-Маном была выдвинута гипотеза, подтвержденная последующими исследованиями, что все тяжелые фундаментальные частицы – адроны – построены из более фундаментальных частиц, названных кварками. На основе кварковой гипотезы не только была понята структура уже известных адронов, но и предсказано существование новых.
Теория Гелл-Мана предполагала существование трех кварков и трех антикварков, соединяющихся между собой в различных комбинациях. Так, каждый барион состоит из трех кварков. Антибарион строится из трех антикварков. Мезоны состоят из пар кварк–антикварк.
Как и лептоны, кварки делятся на 6 типов и считаются бесструктурными, однако, в отличие от лептонов, участвуют в сильном взаимодействии.
калибровочные бозоны - частицы, посредством обмена которыми осуществляются взаимодействия:
фотон - частица, переносящая электромагнитное взаимодействие. Не обладают массой, тем не менее могут переносить энергию и импульс;
восемь глюонов - частиц, переносящих сильное взаимодействие;
три промежуточных векторных бозона W + , W − и Z 0 , переносящие слабое взаимодействие;
гравитон - гипотетическая частица, переносящая гравитационное взаимодействие. Существование гравитонов, хотя пока не доказано экспериментально в связи со слабостью гравитационного взаимодействия, считается вполне вероятным; однако гравитон не входит в Стандартную модель элементарных частиц.
Адроны и лептоны образуют вещество. Калибровочные бозоны - это кванты разных видов излучения. Кроме того, в Стандартной модели с необходимостью присутствует хиггсовский бозон, который, впрочем, пока ещё не обнаружен экспериментально.
Как видим дать определение элементарной частицы и их свойствам, не так просто. Понятие элементарных частиц основывается на факте дискретного строения вещества. Ряд элементарных частиц имеет сложную внутреннюю структуру, однако разделить их на части невозможно.
В обычном употреблении физики называют элементарными такие частицы, которые не являются атомами и атомными ядрами, за исключением протона и нейтрона.
Другие элементарные частицы на данный момент считаются бесструктурными и рассматриваются как первичные – фундаментальные частицы, под которыми понимаются микрочастицы, внутреннюю структуру которой нельзя представить в виде объединения других свободной частиц.
Рисунок 2 – Классификация элементарных частиц
Итак, микромир – это мир предельно малых, непосредственно не наблюдаемых микрообъектов, пространственная разномерность которых исчисляется от 10~ 8 до 10~ 16 см, а время жизни – от бесконечности до 10~ 24 секунд.
Объектами микромира являются фундаментальные и элементарные частицы, ядра, атомы и молекулы.
Элементарные частицы - это частицы, входящие в состав прежде «неделимого» атома, к ним относят также и те частицы, которые получают при помощи мощных ускорителей частиц.
Есть элементарные частицы, которые возникают при прохождении через атмосферу космических лучей, они существуют миллионные доли секунды, затем распадаются, превращаются в другие элементарные частицы или испускают энергию в форме излучения.
Оказалось, таким образом, что дать определение элементарной частицы не так просто. В обычном употреблении физики называют элементарными такие частицы, которые не являются атомами и атомными ядрами, за исключением протона и нейтрона.
После установления сложной структуры многих элементарных частиц потребовалось ввести новое понятие - фундаментальные частицы, под которыми понимаются микрочастицы, внутреннюю структуру которой нельзя представить в виде объединения других свободной частиц.
Фермионы составляют вещество, бозоны переносят взаимодействие. Кварки входят в состав адронов.
Пептоны могут иметь электрический заряд, могут быть нейтральными.
Заряженные лептоны могут, как и электроны (относящиеся к их числу) вращаться вокруг ядер, образуя атомы. Лептоны, не имеющие заряда могут проходить беспрепятственно через вещество (хоть через всю Землю) не взаимодействуя с ним.
У каждой частицы есть античастица, отличающаяся только зарядом.
Для описания явлений микромира обычно привлекают квантовую механику, законы которой составляют фундамент изучения строения вещества. Они позволили выяснить строение атомов, установить природу химической связи, объяснить периодическую систему элементов, понять строение атомных ядер, изучать свойства элементарных частиц.
Таким образом, много необычного и неожиданного несет для познания физического мира эта область – Микромир.
Составные частицы:
1.1 адроны -- частицы, участвующие во всех видах фундаментальных взаимодействий. Они состоят из кварков и подразделяются, в свою очередь, на:
1.1.1 мезоны (адроны с целым спином, т. е. бозоны);
1.1.2 барионы (адроны с полуцелым спином, т. е. фермионы). К ним, в частности, относятся частицы, составляющие ядро атома, -- протон и нейтрон.
Фундаментальные (бесструктурные) частицы:
2.1 лептоны -- фермионы, которые имеют вид точечных частиц (т. е. не состоящих ни из чего) вплоть до масштабов порядка 10?18 м. Не участвуют в сильных взаимодействиях. Участие в электромагнитных взаимодействиях экспериментально наблюдалось только для заряженных лептонов (электроны, мюоны, тау-лептоны) и не наблюдалось для нейтрино. Известны 6 типов лептонов.
2.2 кварки -- дробнозаряженные частицы, входящие в состав адронов. В свободном состоянии не наблюдались (для объяснения отсутствия таких наблюдений предложен механизм конфайнмента). Как и лептоны, делятся на 6 типов и являются бесструктурными, однако, в отличие от лептонов, участвуют в сильном взаимодействии.
2.3 калибровочные бозоны -- частицы, посредством обмена которыми осуществляются взаимодействия:
2.3.1 фотон -- частица, переносящая электромагнитное взаимодействие;
2.3.2 восемь глюонов -- частиц, переносящих сильное взаимодействие;
2.3.3 три промежуточных векторных бозона W+, W? и Z0, переносящие слабое взаимодействие;
2.3.4 гравитон -- гипотетическая частица, переносящая гравитационное взаимодействие. Существование гравитонов, хотя пока не доказано экспериментально в связи со слабостью гравитационного взаимодействия, считается вполне вероятным; однако гравитон не входит в Стандартную модель.
Адроны и лептоны образуют вещество. Калибровочные бозоны -- это кванты разных видов излучения.
Кроме того, в Стандартной Модели с необходимостью присутствует хиггсовский бозон, который, впрочем, пока ещё не обнаружен экспериментально.
Первоначально термин «элементарная частица» подразумевал нечто абсолютно элементарное, первокирпичик материи. Однако, когда в 1950-х и 1960-х годах были открыты сотни адронов с похожими свойствами, стало ясно, что по крайней мере адроны обладают внутренними степенями свободы, т. е. не являются в строгом смысле слова элементарными. Это подозрение в дальнейшем подтвердилось, когда выяснилось, что адроны состоят из кварков.
Таким образом, мы продвинулись ещё немного вглубь строения вещества: самыми элементарными, точечными частями вещества сейчас считаются лептоны и кварки. Для них (вместе с калибровочными бозонами) и применяется термин «фундаментальные частицы».
Между частицами существуют четыре типа взаимодействий, каждое из которых переносится своим типом бозонов: фотон, квант света -- электромагнитные взаимодействия, гравитон -- силы тяготения, действующие между любыми телами, имеющими массу. Восемь глюонов переносят сильные ядерные взаимодействия, связывающие кварки. Промежуточные векторные бозоны переносят слабые взаимодействия, ответственные за некоторые распады частиц. Считается, что к этим четырем взаимодействиям сводятся все силы в природе. Одним из самых ярких достижений нашего века стало доказательство того, что при очень высоких температурах (или энергиях) все четыре взаимодействия сливаются в одно.
При энергии 100 ГэВ (10 9 эВ) объединяются электромагнитное и слабое взаимодействия. Такая энергия соответствует температуре Вселенной через 10 -10 с после Большого Взрыва, и в 4 триллиона раз выше комнатной. Это открытие позволило предположить, что при энергии порядка 10 15 ГэВ можно достичь объединения с ними сильных взаимодействий, как это утверждается в Теориях Великого Объединения (ТВО), а при энергии 10 19 ГэВ к взаимодействиям ТВО присоединится и гравитационное взаимодействие, «образуя» ТВС (Теорию Всего Сущего).
Ускорителей, на которых можно получить такие энергии и проверить эти теории, пока нет и не предвидится, поэтому обращаются к Вселенной, чтобы найти в ней возможные ограничения для огромного числа элементарных частиц. В последние тридцать лет между физикой элементарных частиц и космологией существует тесная связь. Совокупность астрофизических данных можно рассматривать как «экспериментальный материал», накопленный в результате работы Вселенной -- гигантского ускорителя частиц. Мы можем иметь дело только с косвенными следствиями происходивших и происходящих процессов, с усредненным по всей Вселенной результатом их влияния на эволюцию материи.
Среди лептонов наиболее известен электрон, вероятно, он не состоит из других частиц, т. е. элементарен. Другой лептон -- нейтрино. Это самый распространенный лептон во Вселенной и в то же время самый неуловимый. Нейтрино не участвует ни в сильном, ни в электромагнитном взаимодействиях. После предсказания нейтрино было обнаружено только через 30 лет на ускорителях. Нейтрино бывает трех видов -- электронное, мюонное и тау-нейтрино. Мюон -- тоже широко распространенный в природе лептон. Он был обнаружен в космических лучах в 1936 г.; это нестабильная частица, а в остальном он похож на электрон. За две миллионные доли секунды он распадается на электрон и два нейтрино. Фоновое космическое излучение в большей части состоит из мюонов. В конце 70-х гг. был обнаружен третий заряженный лептон (кроме электрона и мюона) -- тау-лептон. Он ведет себя очень похоже на своих собратьев, но тяжелее электрона в 3500 раз. У каждого лептона есть и античастица, т.е. всего их 12.
Адронов существует очень много, их сотни. Поэтому часто их считают не элементарными частицами, а составленными из других. Они бывают электрически заряженными и нейтральными. Все адроны участвуют в сильном, слабом и гравитационном взаимодействиях. Среди них самые известные -- протон и нейтрон. Остальные живут очень мало, распадаясь за 10 -6 с за счет слабого взаимодействия или за 10 -23 с -- за счет сильного. Адроны рассортировали по массе, заряду и спину. В этом помогла гипотеза кварков, или частиц, составляющих адроны.
Кварки могут соединяться для этого тройками, составляя барионы, либо парами: кварк--антикварк, составляя мезоны (промежуточные частицы). Кварки имеют заряд 1/3 или 2/3 заряда электрона. Тогда в комбинации они дадут 0 или 1. Все кварки имеют спин, равный 1/2, т.е. они относятся к фермионам. Считают, что они сцепляются сильным взаимодействием, но участвуют и в слабом. Особенности сильного взаимодействия характеризуют типами («ароматами») -- «верхний», «нижний», «странный». Но слабое взаимодействие может поменять «аромат» кварка. Например, при распаде нейтрона один из «нижних» кварков становится «верхним», а избыток заряда уносит рождающийся электрон. Так что сильное взаимодействие не может менять «аромат», а без изменения «аромата» кварка невозможен распад адрона.
Новый адрон, названный-частицей, был обнаружен на ускорителях (1974). Поэтому в соответствии с теорией кварков ввели еще одну характеристику, четвертый «аромат», так появился «очарованный» кварк.
Так что ш-частица -- это предположительно мезон, состоящий из с-кварка и с-антикварка. Сейчас обнаружено уже много «очарованных» частиц, и все они тяжелые. А в 1977 г. появился -мезон, и вся история повторилась, пятый аромат получил название «прелестный». Так развивается ныне атомистика. Сейчас считают, что существуют 12 кварков -- фундаментальных частиц и столько же античастиц.
Шесть частиц -- это кварки с экзотическими именами «верхний», «нижний», «очарованный», «странный», «истинный», «прелестный». Они являются порождением теории, стремящейся к упорядоченности и красоте, и открыты все, за исключением «истинного». Остальные шесть -- лептоны: электрон, мюон, -частица и соответствующие им нейтрино (электронное, мюонное, нейтрино).
Эти 12 частиц, или две по шесть, группируют в три поколения, каждое из которых состоит из четырех членов.
В первом поколении -- «верхний» и «нижний» кварки, электрон и электронное нейтрино, во втором -- «очарованный» и «странный» кварки, мюон и мюонное нейтрино, в третьем -- «истинный» и «прелестный» кварки и-частица со своим нейтрино. Все обычное вещество состоит из частиц первого поколения. Протон, например, состоит из двух «верхних» кварков и одного «нижнего», нейтрон -- из двух «нижних» и одного «верхнего». Каждый атом состоит из тяжелого ядра (сильно связанных протонов и нейтронов), окруженного электронным облаком.
Кроме данной классификации можно выделять истинно элементарные частицы и условно истинно микрочастицы. Карпенков С.Х. Основные концепции естествознания. М., 2007. С.89.
Истинно элементарные частицы.
На сегодняшний день с теоретической точки зрения известны следующие истинно элементарные (на данном этапе развития науки считающиеся неразложимыми) частицы: кварки и лептоны (эти разновидности относятся к частицам вещества), кванты полей (фотоны, векторные бозоны, глюоны), а также частицы Хиггса.
В соответствий с четырьмя видами фундаментальных взаимодействий различают соответственно четыре вида элементарных частиц: адроны, участвующие во всех взаимодействиях, лептоны, не участвующие. Только в сильном (а нейтрино и в электромагнитном), фотон, участвующий только в электромагнитном взаимодействии, и гипотетический гравитон - переносчик гравитационного взаимодействия.
music : Tacere - A Voice In The Dark (Radio Edit)
Это своеобразная месть за кучу совершенно чуждых мне постов о футболе во френдленте:)
Парадоксально, но некоторые мои френды не в курсе, что такое LHC, бозон Хиггса с придыханием и Стандартная Модель. Постараюсь это вкратце изложить в меру своих более чем скромных познаний.
Фундаментальные взаимодействия
Общеизвестно, что вся материя состоит из элементарных частиц. Эти частицы взаимодействуют друг с другом посредством 4 фундаментальных взаимодействий, имеющих различную природу и силу.
Наиболее очевидным из фундаментальных взаимодействием, и наиболее слабым из них, является гравитационное взаимодействие , поэтому его наиболее сложно исследовать экспериментально. Менее очевидным, но тоже широко распространенным и привычным является электромагнитное взаимодействие . Как и гравитационное, оно ослабевает пропорционально r −2 , но имеет относительную силу в 10 36 раз больше. Причиной того, что оно не является абсолютно доминирующим, является тот факт, что практически вся материя Вселенной является электронейтральной. Оба этих взаимодействия действуют на бесконечно больших расстояниях, хотя, возможно, исчезающе слабо.
Но помимо этих, существуют еще два фундаментальных взаимодействия, играющих важную роль в микромире, названных без особых изысков слабое и сильное . Слабое взаимодействие играет важную роль в радиоактивном бета-распаде ядер, в частности, именно благодаря ему распадается свободный нейтрон (период полураспада 10 минут 14 секунд, не путать со временем жизни), и является единственным несимметричным взаимодействием (только с его помощью можно объяснить инопланетянам, где право, а где лево:)). Сильное взаимодействие (в частности) удерживает нуклоны (протоны и нейтроны) в ядре вместе.
В настоящее время принято описывать фундаментальные взаимодействия с помощью специальных частиц, их переносящих - калибровочных бозонов .
На красивую картинку по теме можно посмотреть .
Элементарные частицы
После открытия Томсоном в 1897 году первой элементарной частицы - электрона (корпускулярная теория света существовала и раньше, но настоящую популярность приобрела уже после работ Эйнштейна по фотоэффекту) было открыто более 400 элементарных частиц. В периодической системе для около 120 различных элементов с их изобилием химических свойств существует общая основа: их электронное строение, являющееся функцией от количества протонов и нейтронов. При этом предпосылками к изучению электронного строения атомов стала классификация элементов. К счастью, в физике элементарных частиц тоже возможна такая классификация.
В настоящее время существует две основных классификации элементарных частиц: по спину и по структуре.
Спин это некоторое свойство частиц, проявляющееся во взаимодействии с магнитным полем (на нем основан, в частности, ядерный магнитный резонанс (ЯМР), один из наиболее совершенных методов анализа, как в химии, так и в медицине). Частицы с полуцелым спином (например, электрон, нуклоны и нейтрино) имеют другую статистику поведения (т.н. статистику Ферми-Дирака), чем частицы с целым (например, фотон) (статистика Бозе-Эйнштейна), поэтому они назваются соответственно фермионами и бозонами . Иногда добавляются прилагательные: скалярный, векторный, тензорный бозон или спинорный, спин-векторный фермион. Это просто обозначения величины спина (0, 1, 2 и 1/2, 3/2 соответственно).
По структуре частицы можно разделить на составные (адроны) и бесструктурные.
Адроны состоят из кварков . Сейчас общепринятой является точка зрения, что адроны нельзя разделить на кварки никаким образом (это явление получило название конфайнмент ), потому что сила взаимодействия между ними с ростом расстояния возрастает (впрочем, строго это еще не доказано: предлагает за доказательство миллион долларов - задача решения уравнений Янга-Миллса). Однако их существование несомненно: в частности при бомбардировке адронов высокоэнергетичными электронами характеристики рассеяния указывают на то, что внутри адрона существует несколько так называемых партонов , рассеяние на которых происходит особенно сильно. Если же приложить еще больше энергии, связь между кварками может «порваться», но избыток энергии приведет к образованию новых кварков с обеих сторон разрыва - произойдет т.н. рождение адронных струй . Теория, в которой предполагается существование всего 6 видов кварков (d, u, s, c, b, t и их антикварки), объяснила существование всех известных на сегодня адронов, которых в изобилии наоткрывали в 50-60-х годах бодрые экспериментаторы.
Большинство адронов состоит из 2 (мезоны ) или 3 (барионы ) кварков: «цвет» адрона должен быть «бесцветным», что хорошо описывается только в этих случаях. Теоретически предсказана возможность существования, не подтвержденная пока экспериментом, пентакварков , состоящих из 5 кварков, и тетракварков (из 4).
Сами же кварки относятся к бесструктурным частицам (хотя делаются безуспешные попытки построения теорий, где бы они состояли из чего-нибудь, что можно будет назвать «преон » или «айкон »). Другие бесструктурные частицы классифицируются по их спину: калибровочные бозоны и лептоны , являющиеся фермионами.
Материя состоит из адронов и лептонов, излучение из калибровочных бозонов.
Любопытно заметить, что существует несколько теорий струн, которые наравне с брадионами (частицами, движущимися медленнее скорости света) и люксонами (движущиеся с ней: фотон, глюоны и гипотетический гравитон) вводят тахионы , которые движутся быстрее скорости света и имеют мнимую массу.
Суперсимметрия
«Фермионы и бозоны» - подумали некоторые физики - «целых два типа! 2 - это же дофига!» И придумали суперсимметрию
. Согласно ей, на самом деле все бозоны и фермионы это одни и те же частицы, и они могут превращаться друг в друга (на практике это обозначает возможность превращения материи в излучение и наоборот; тут стоит заметить, что аннигиляция это самый мощный возможный источник энергии в нашей Вселенной, не то, что какая-нибудь нефть).
В теории суперсимметрии возникает острая необходимость обнаружить частицы-суперпартнеры . Но вот беда: при обычных (небольших) энергиях происходит нарушение суперсимметрии, а именно не существуют пар бозон-фермион, которые бы отличались только спином, но имели бы равные массы и заряды. «Не беда» - подумали эти физики - «значит просто суперпартнеры очень тяжелые». Следует заметить, что в рамках теории суперсимметрии возможно простое объяснение существования темной материи , как частиц нейтралино , поэтому поиск суперпартнеров весьма интересен.
Одним из наиболее вероятных кандидатов на обнаружение является суперпартнер t-кварка: ввиду большой массы последнего, его суперпартнер может оказаться наоборот легким, и доступным для наблюдения на LHC.
Объединение взаимодействий
Несмотря на все различия частиц и их взаимодействий, в них можно обнаружить достаточно много общего: общеизвестным примером является объединение электричества и магнетизма в электромагнетизм Максвеллом в 1864 году. Идея описывать различные взаимодействия общим уравнением стала особенно популярной после создания Эйнштейном в 1916 году Общей теории относительности
, описавшей гравитацию. Единая теория поля
, которая позволила бы описать в рамках единого подхода все элементарные частицы и их взаимодействия, объяснила бы все существующие во Вселенной физические явления - такая гипотетическая теория получила полушутливое название «Теория всего
». Задачи перед ней ставятся нешуточные: мало того, что она должна объяснять и предсказывать все существующие элементарные частицы и их взаимодействия, ей еще следует объяснять их массы и время жизни.
Однако шаги по ее построению долгое время были безуспешными: в частности, Эйнштейн работал над созданием такой теории до самой смерти. Легенды гласят, что Эйнштейну удалось это сделать, и для экспериментальной проверки его теоретических выводов американское правительство в 1943 году организовало секретный Филадельфийский эксперимент , в ходе которого якобы произошла телепортация на несколько сотен километров эсминца «Элдридж». Якобы затем Эйнштейн уничтожил все свои изыскания в этой области, поскольку они могли быть использованы в исключительно разрушительном вооружении. Правильные ребята относятся к этой легенде с легким скепсисом: большинство экспериментов, сделавших возможным создание Стандартной модели, объединяющей только 3 из 4 фундаментальных взаимодействий, было произведено уже после смерти Эйнштейна.
Сдвиг в области построения Единой теории поля наметился только после открытия слабого и сильного взаимодействий. Первым шагом стала теория электрослабого взаимодействия , построенная Саламом, Глэшоу и Вайнбергом в 1967 году на основе квантовой электродинамики (за нее они получили Нобелевскую премию в 1979 году, т.е. почти сразу). Затем в 1973 году была построена теория, описывающая сильное взаимодействие - квантовая хромодинамика . На основе этих двух теорий и была создана Стандартная модель , все предсказания которой подтвердились, кроме до сих пор не обнаруженного бозона Хиггса .
Сильное взаимодействие и квантовая хромодинамика
Способность кварка участвовать в сильном взаимодействии называется его цветом
. Всего существует 3 кварковых цвета, названных красным, зеленым и синим. Квантом поля в квантовой хромодинамике является глюон
, частица, похожая на фотон, так же не имеющая заряда, массы и античастицы, так же, как и остальные калибровочные бозоны, имеющая единичный спин. Однако сильное взаимодействие существенно сложнее электромагнитного: глюон сам является носителем цвета и поэтому может испытывать сильные взаимодействия с другими глюонами. Кроме того, так как глюон несет цвет, существует не один, а целых 8 типов глюонов. Глюоны, как и кварки, наблюдались как партоны при рассеянии электронов на нуклонах.
Стандартная модель
Стандартная модель не выводит все свойства материи из пальца. Ей для этого нужно 19 параметров, 17 из которых уже измерены экспериментально: массы 3 видов лептонов и 6 кварков; 4 параметра, относящиеся к матрице Кабиббо-Кобаяши-Маскавы
, описывающей вероятности слабых распадов, изменяющих «аромат» кварков; 3 константы, связанные с силами фундаментальных взаимодействий; еще один параметр сильного взаимодействия; и, наконец, два параметра, пока не определенные экспериментально, связанные с взаимодействием бозона Хиггса с веществом, и бозонов Хиггса друг с другом.
Стандартная модель это одна из наиболее четких и точных теорий в физике: все ее предсказания, кроме, пока что, бозона Хиггса, были подтверждены экспериментом, иногда с потрясающей точностью. Одним из наиболее громких успехов Стандартной модели явилось предсказание массы калибровочных бозонов W и Z, отвечающих за слабое взаимодействие.
Конечно, Стандартная модель не может претендовать на звание Единой теории поля, поскольку она не включает в себя теорию гравитации (и перспективы ее интеграции выглядят весьма туманно), не в состоянии объяснить существование трех поколений частиц, между которыми они отличаются только массой:
| Первое поколение | Второе поколение | Третье поколение | |
| Лептон (заряд −1) | Электрон 5.11x10 −4 ГэВ | Мюон 0.106 ГэВ | Тау-частица 1.777 ГэВ |
| Нейтрино (заряд 0) | Электронное нейтрино (0-0.13)x10 −9 ГэВ | Мюонное нейтрино (0.009-0.13)x10 −9 ГэВ | Тау-нейтрино (0.04-0.14)x10 −9 ГэВ |
| Кварк d-типа (заряд −1/3) | d-кварк 0.005 ГэВ | s-кварк 0.1 ГэВ | b-кварк 4.2 ГэВ |
| Кварк u-типа (заряд 2/3) | u-кварк 0.002 ГэВ | c-кварк 1.3 ГэВ | t-кварк 173 ГэВ |
Предполагается, что возможно существование очень тяжелых частиц 4-го поколения, но экспериментально они еще не обнаружены.
В рамках Стандартной модели оказалось на удивление удобно описывать фундаментальные взаимодействия в терминах теории групп :
- для описания электромагнитного взаимодействия используется группа U(1) (это просто группа по умножению комплексных чисел, равных по модулю 1);
- для описания слабого группа SU(2) (мультипликативная группа специальных унитарных матриц 2x2, т.е. унитарных матриц с определителем 1: количество генераторов такой группы равно 3 (они называются матрицами Паули ), поэтому и переносчиков слабого взаимодействия тоже 3);
- для описания сильного группа SU(3) (аналогично SU(2), только 3x3: 8 генераторов (называются матрицами Гелл-Мана ) и, следовательно, 8 глюонов).
Что такое бозон Хиггса?
В рамках Стандартной модели возникает необходимость в бозоне Хиггса. Эта частица с нулевым спином отвечает за массу элементарных частиц, но настолько неуловима, что нет даже уверенности, что такая частица всего одна. Именно для ее обнаружения (или необнаружения) и был построен Большой Адронный Коллайдер LHC
.
Бозон Хиггса наделяет частицы массами так, что переносчик электромагнитного взаимодействия фотон остается безмассовым и может перемещаться на какие угодно расстояния, в то время как слабое взаимодействие передается при помощи массивных частиц, что ограничивает радиус этого взаимодействия субъядерными масштабами. Таким образом, при помощи этой частицы реализуется нарушение электрослабой симметрии, делающее электромагнитное и слабое взаимодействие настолько непохожими друг на друга.
Каноничная картинка (масштаб не соблюден, глубина примерно 100 метров, а длина туннеля 26.7 км):
Коллайдер это ускоритель (в случае LHC - кольцевой), в котором сталкиваются два пучка элементарных частиц. LHC строится с 2001 года в туннеле на границе Франции и Швейцарии, где раньше располагался электронно-позитронный коллайдер LEP. На LHC установлены 4 крупных детектора:
О том, насколько много данных будет выдавать коллайдер, свидетельствует тот факт, что, несмотря на аппаратно реализованную трехуровневую фильтрацию «неинтересных» событий, LHC будет генерировать в среднем 500 мегабайт данных в секунду.
Красивые картинки коллайдера: раз , два , три , четыре ; с большим количеством красивых картинок.
LHC будет работать до 2020-х годов, собирая экспериментальный материал. Но есть надежда, что первые значимые результаты появятся уже к концу следующего года. Без всякого сомнения, технический и научный опыт, который был получен при его создании и будет получен при его использовании, сыграет огромную роль в прогнозируемом создании к середине 21-го века Очень Большого Адронного Коллайдера (The Very Large Hadron Collider (VLHC)).
Предположительно на LHC могут быть обнаружены магнитные монополи . Это общее название для гипотетических частиц, обладающих ненулевым магнитным зарядом. Еще Дирак предсказал потенциальную возможность их существования.
Сравнительная таблица энергий
Чтобы оценить масштабы энергий и возможные открытия, стоит взглянуть на таблицу, где перечислены массы некоторых элементарных частиц, некоторые характерные энергии и энергии коллайдеров (в основном привожу суммарные энергии сталкивающихся пучков: нужно отметить, что для наблюдения частицы с массой E, как правило, следует использовать суммарную энергию пучков 2E).
В качестве единицы энергии в атомной и квантовой физике повсеместно используется электронвольт (эВ) вместо джоуля. 1 эВ ~ 1.6021765x10 −19 Дж. Массы частиц также измеряются в эВ, используя уравнение Эйнштейна E = mc 2 .
| Энергия | |
| 511 КэВ | электрон |
| 1.9 МэВ | u-кварк |
| 4.4 МэВ | d-кварк |
| 87 МэВ | s-кварк |
| 106 МэВ | мюон |
| 938.3 МэВ | протон |
| 939.6 МэВ | нейтрон |
| 1.32 ГэВ | c-кварк |
| 1.78 ГэВ | тау-частица |
| 4.24 ГэВ | b-кварк |
| 6 ГэВ | крупнейший российский коллайдер |
| 45 ГэВ | LEP, 1989 |
| 80.4 ГэВ | W-бозон |
| 91.2 ГэВ | Z-бозон |
| ~100 ГэВ | электрослабое объединение |
| 100-1000 ГэВ | частицы-суперпартнеры (?) |
| 117-251 ГэВ | бозон Хиггса (?), наиболее вероятный интервал |
| 172.7 ГэВ | t-кварк |
| 189 ГэВ | LEP, 1998 |
| ~200 ГэВ | LEP, 1999 |
| 209 ГэВ | LEP, 2000, перед выключением |
| 250-650 ГэВ | бозон Хиггса (?), «тяжелый вариант» |
| 650-1000 ГэВ | бозон Хиггса (?), «очень тяжелый вариант» |
| 900 ГэВ | LHC, Comission Run, лето 2008 |
| 980 ГэВ | Tevatron , пиковая мощность |
| 7 ТэВ | LHC, конец 2008 |
| 14 ТэВ | LHC, проектная энергия |
| ~1000 ТэВ | Высокоэнергетичные космические лучи |
| 6.24x10 9 ГэВ | 1 джоуль |
| 6x10 10 ГэВ | предел Грайзена-Зацепина-Кузьмина , теоретический предел энергии для космических лучей |
| ~10 14 -10 16 ГэВ | «Великое объединение» электрослабого и сильного взаимодействия (?) |
| ~10 19 ГэВ | Планковская энергия, предполагаемое объединение всех взаимодействий (?) |
| 3x10 29 ГэВ | Годовая выработка электроэнергии на Земле |
Риски, связанные с запуском/незапуском LHC
Основные опасения, связанные с запуском LHC, делятся на две части:
1. Образование стабильной микроскопической черной дыры
, которая поглотит Землю (красивая картинка черной дыры)
Некоторые теории предсказывают возможность образования при экспериментах на LHC микроскопических черных дыр. Черная дыра это объект со сверхсильной гравитацией, не отпускающей даже свет. Но не все так фатально, поскольку существует такое явление, как излучение Хокинга
. Излучение Хокинга это следствие того, что гравитация черной дыры ведет к образованию не только виртуальных, но и реальных пар частица-античастица, часть из которых может оказаться выше горизонта событий. Такая частица покидает черную дыру и уносит с собой часть ее энергии и массы. Очевидно, что для микроскопических черных дыр вероятность такого события гораздо выше, а поэтому, считают специалисты CERN, даже если черные дыры будут образовываться, они будут тут же испаряться. Но не исключено и образование микроскопических черных дыр, которые будут достаточно стабильны и не испарятся посредством излучения Хокинга. В таком случае вся Земля будет поглощена за несколько лет:)
2. Образование странной материи
Возможно образование «страпелек»
(strangelet) - гипотетического состояния вещества, состоящего из примерно равного количества d-, u- и s-кварков. При взаимодействии такого вещества с обычным должна происходить цепная реакция с выделением энергии и превращением всего вещества в «странную материю». Выживание человека после такого события маловероятно:)
В случае осуществления этих сценариев (предел мечтаний Бендера Родригеса) уместно будет называть LHC последним (last) адронным коллайдером.
В связи с подобными опасениями были сформированы несколько исследовательских групп, которые пытались оценить вероятность печального исхода. Основным доводом сторонников безопасности коллайдера является «LHC не будет делать ничего такого, чего бы не делала природа миллионы раз до этого». Это подразумевает, что на Землю периодически обрушиваются частицы космических лучей значительно более высоких энергий, чем будут доступны на LHC. Но противники указывают на то, что даже если при таких столкновениях и образовывались микроскопические черные дыры, то они улетали сквозь Землю со скоростью лишь немногим ниже скорости света, чего, конечно, нельзя сказать о замкнутом магнитном поле коллайдера, который такую черную дыру, скорее всего, просто не выпустит.
Официальная оценка вероятности таких событий, произведенная специалистами CERN, составляет 1/50000000 (1 к 50 млн.). Однако, учитывая потенциальное количество жертв (6.7 миллиардов), матожидание составляет около 130 человек, что, конечно, достаточно много.
А вот известный специалист по квантовым вычислениям Скотт Ааронсон вообще считает , что LHC нужно запустить как можно скорее, потому что мы не можем исключать возможность того, что в следующем году прилетят инопланетяне, и, увидев, что мы до сих пор не открыли бозон Хиггса, посчитают нас полными дикарями и поработят нас:)
Оценка числа внеземных цивилизаций согласно катастрофическому сценарию исследования бозона Хиггса
В настоящее время наблюдается необычно большая вспышка остроумия, связанная с этим событием. Впрочем, преобладает черный юмор, к примеру, о том, что любая развитая цивилизация превращается в черную дыру в попытках исследовать бозон Хиггса. Попробую и я:)
Эта точка зрения тем более интересна, что мы не наблюдаем сигналы от внеземных цивилизаций, особенно от расположенных в центре нашей Галактики. Тут стоит заметить, что звезды центра Галактики сформировались существенно раньше Солнечной системы, а, следовательно, цивилизации там должны быть гораздо старше и развитее нашей. Зато мы наблюдаем в центре Галактики колоссальную черную дыру Стрелец-А* массой 3.7 миллионов солнечных.
Постулируем, что любая цивилизация развивается до открытия радио, а через порядка 100 лет открывает бозона Хиггса, что влечет образование коллапсара и гибель цивилизации, а так же то, что черная дыра в центре Галактики образовалась как раз из таких развитых цивилизаций.
Учитывая, что всего в нашей Галактике содержится порядка 200 миллиардов звезд и из них около 90% в центре, можно сделать предположение о том, что вероятность зарождения цивилизации в звездной системе порядка 1 к 50000. Сделаем правдоподобное предположение, что в настоящее время разумная жизнь существует в узком пояске Галактики шириной около 500 парсек (порядка плюс-минус 100 миллионов лет жизни планетной системы), высотой 300 парсек (толщина Галактики в нашей местности), и радиусом 8.5 килопарсек.
Исходя из оценки вероятности пригодности звездной системы для развития разумной жизни (см. выше, 2x10 −5), вероятности того, что цивилизация находится прямо сейчас на уровне радио (10 −6) и плотности звезд в этом поясе (примерно 0.1 пк −3) получим, что прямо сейчас в нашей Галактике находится примерно 20 тысяч звездных систем, в которых есть жизнь, и почти наверняка нет ни одной системы, готовой к контакту с нами. Увы, согласно этим расчетам, мы в Галактике одиноки. И некому нас предостеречь:)
Используя этот метод, можно получить в формуле Дрейка произведение пяти средних членов (по оценке, примерно 2x10 −5 , у Дрейка 10 −4) и L ~ 100 лет (у Дрейка гораздо оптимистичнее, 10000 лет). Довольно хорошее... и довольно пугающее совпадение. Не опровергает оценку и шкала Кардашева : в ядре Галактики вполне уже могла зародиться цивилизация типа III, но следов ее присутствия или деятельности мы не наблюдаем.
Итак, зачем нужен LHC?
- Поиск бозона Хиггса, отвечающего за массу частиц, последнего экспериментального подтверждения Стандартной модели;
- Поиск частиц вне Стандартной модели: пентакварков и тетракварков, 4-го поколения частиц, магнитных монополей;
- Поиск частиц, предсказанных теорией Лиси
- Поиск суперсимметрии, частиц-суперпартнеров, особенно суперпартнера t-кварка;
- Исследование квантовой гравитации;
- Исследование микроскопических черных дыр и излучения Хокинга;
- Убить всех людей (гипотеза).
- Преобразование материи в энергию (аннигиляция), фотонные двигатели, межзвездные путешествия
- Управление гравитацией, в частности антигравитация
- Возможные исследования в области М-теории, например, параллельные миры
Будущее покажет.
Аддон №1: Если вас заинтересовала эта тема, рекомендую ознакомиться с замечательной статьей Игоря Иванова в «Вокруг света».
ъединение взаимодействий
Одной из важных особенностей физики элементарных частиц на
начальном этапе было различие между различными типами взаимодействий. Оказалось,
что существует всего четыре типа фундаментальных взаимодействий: сильное,
электромагнитное, слабое и гравитационное.
Электромагнитное взаимодействие и сильное взаимодействие
можно описать с помощью обмена квантами соответствующих полей − фотонами (γ-квантами)
и глюонами. Фотоны и глюоны являются калибровочными бозонами электромагнитного и
сильного полей.
Гипотеза о том, что слабое взаимодействие также обусловлено
обменом некоторой заряженной частицей было выдвинута Юкавой еще в тридцатых
годах. Завершение эта идея получила в рамках единой теории, связывающей
электромагнитные и слабые взаимодействия, развитой в работах С. Вайнберга, А. Салама и Ш. Глэшоу .
В этой теории, которая носит название "стандартная модель",
предсказывается существование тяжелых заряженных бозонов W +
и W − и нейтрального бозона Z 0
со спином 1, обмен которыми и обуславливает слабое взаимодействие. В теории
возникает также безмассовое векторное поле, отождествляемое с электромагнитным
полем.
В стандартной модели считается, что частицы приобретают массу
в результате механизма Хиггса .
Поле Хиггса заполняет все пространство, и все частицы приобретают массу при
взаимодействии с ним. Квантами поля Хиггса является бозон Хиггса. Считается, что
хиггсовский бозон имеет нулевой спин. Масса его по экспериментальным оценкам
должна быть больше 5 ГэВ.
В этой модели распад нейтрона
n → p + e − + e
 Рис. 17 Диаграмма распада d-кварка |
на кварковом уровне выглядит как бы проходящим в два этапа (рис.17). На первом этапе происходит превращение d-кварка в u-кварк и W − -бозон
на втором W − -бозон распадается, превращаясь в электрон и антинейтрино
W − → e − + e .
По аналогии с сильным взаимодействием члены одного семейства, порождаемые W − или W + -бозоном объединяются в слабые левоспиральные изоспиновые дублеты
со слабым изоспином T = 1/2, которым приписываются значения T 3 = +1/2
( e ,u)
и T 3 = -1/2 (e,d). У антифермионов проекции слабого изоспина имеют
противоположные знаки.
Слабые взаимодействия с изменением заряда (заряженные токи) описываются
состояниями 
и 
.
Они происходят с испусканием или поглощением W -
или W + -бозонов. Слабые процессы с участием Z 0 -бозона
были названы процессами с нейтральными слабыми токами.
Таким образом в модели Вайнберга - Салама W − ,
W + , Z 0 -бозоны и γ-квант являются квантами
единого электрослабого поля. Стандартная модель, объединяющая электромагнитное и
слабое взаимодействия, предсказывает связь между константами электромагнитного и
слабого взаимодействий и соотношение между массами заряженных и нейтральных
бозонов:
, ,
где θ W − угол Вайнберга. Извлеченная из экспериментов величина sin 2 θ W
= 0.23.
Обнаружение в 1973 г. слабых нейтральных токов явилось ярким
подтверждением правильности стандартной модели, в которой были предсказаны
значения масс промежуточных бозонов −
m(Z 0) = ~90 ГэВ; m(W ±) = ~80 ГэВ
Единственный практически реальный способ получения частиц
такой массы состоял в том, чтобы сталкивать протонные и антипротонные пучки.
Эксперимент был выполнен в 1983 году на pp-коллайдере ЦЕРН
p + → W ± + X,
p + → Z 0 + X,
где X - все другие частицы, образующиеся в результате столкновения протона и антипротона. Бозоны идентифицировались по распадам
W +(-) e +(-) + e ( e),
Наблюдаемые в результате реакции заряженные лептоны с большими значениями
поперечных импульсов служили доказательством образования бозонов. Полученные
экспериментально значения масс бозонов (m эксп (W ±) = (81 ± 2) ГэВ,
m эксп (Z 0) = (93 ± 2) ГэВ) находились в очень хорошем
согласии со стандартной теорией. Между открытием нейтральных токов и наблюдением
векторных бозонов прошло 10 лет.
В стандартной модели лептоны и кварки группируются в
левоспиральные дублеты - поколения.
| 1 поколение | 2 поколение | 3 поколение |
Заряженные токи в лептонных процессах получаются при движении по столбцам. Константы этих слабых процессов одинаковы или пока не различимы. Заряженные токи в процессах с кварками возможны не только при движении по столбцам, но и между поколениями, т.е. слабое взаимодействие смешивает кварки. Но слабые константы кварковых процессов
d → u + W − и s → u + W −
отличаются друг от друга и от констант лептонных процессов. Казалось, что универсальность слабого взаимодействия нарушается. Однако оказалось, что эти константы можно связать между собой. Это уже в 1963 году было сделано Н. Кабиббо , который для связи констант β-распада и распада странных частиц ввел параметр − угол Кабиббо (рис.18). Универсальность слабого взаимодействия была сохранена. Но открытие нейтральных слабых токов поставило новую проблему − теория Кабиббо в этом случае предсказывает наличие нейтральных токов с изменением странности, что резко противоречит эксперименту. Для выхода из этого затруднения Глэшоу , Илиопулос и Майани ввели 4-ый кварк с тем же зарядом, что и u-кварк.Для четырехкварковой схемы столбцы для кварков записываются следующим образом (Когда Кабибо предложил свою параметризацию кварковой модели еще не было.)
|
|
.При этом предсказывается, что основными каналами распада очарованных кварков являются каналы c → seν e и c → sμν μ , вероятность этих распадов пропорциональна cos 2 θ c , и подавлены каналы c → deν e и c → dμν μ , вероятность которых пропорциональна sin 2 θ c . В 1973 году М. Кобаяши и Т. Маскава обобщили подход Кабиббо на шестикварковую схему. Это минимальная по числу кварков модель, в которой, наряду с тремя углами смешивания θ 12 , θ 23 , θ 13 можно ввести фазу δ 13 , описывающую нарушение СР-инвариантности. Смешивание трех поколений кварков описывается матрицей Кабиббо-Кобаяши- Маскавы
где c ij = cosθ ij , s ij = sinθ ij элементы матрицы - комбинации синусов и косинусов углов поворота.
Например, первый элемент это − произведение cosθ 12 ×cosθ 13 .
Современные оценки углов:
θ 12 = ~13 0 , θ 23 = ~2 0 , θ 13
= ~0.1 0 . Так как cosθ 13
отличается от единицы только в шестом знаке после запятой, результаты,
полученные в четырехкварковой схеме, сохраняются.
Для определенных таким образом d", s", b"-кварков константа
слабого взаимодействия имеет одинаковое значение для лептонных и кварковых
семейств.
Смешивание поколений кварков стимулировало интерес к проблеме
осцилляций и смешивания нейтрино. Существует ли смешивание поколений лептонов?
До сих пор говорилось об объединении электромагнитных и
слабых взаимодействий. Начав с четырех взаимодействий и создав теорию
электрослабых взаимодействий, физики свели их число к трем. Нельзя ли сделать
следующий шаг, объединив электрослабое взаимодействие с сильным? Сильное
взаимодействие проявляется между кварками, а слабое между лептонами и кварками.
В результате слабых взаимодействий один тип кварков может превращаться в другой
d → u + e − + e .
Слабые взаимодействия приводят к распаду μи τ-лептонов. Так мюон распадается, превращаясь в электрон и нейтрино и антинейтрино
μ − → ν μ + e − + e .
Модели, в которых рассматривается объединение электрослабого и сильного взаимодействий, называются Великим объединением. В основе Великого объединения лежит гипотеза, что сильное и электрослабое взаимодействия являются низкоэнергетичными компонентами одного и того же калибровочного взаимодействия, описываемого единой константой. Наблюдаемые на опыте константы взаимодействий сильно различаются при энергии ~ 1 ГэВ и зависят от расстояния. Предполагается, что на расстоянии ~ 10 -28 см константы становятся одинаковыми. Согласно простейшей модели Великого объединения, сильное и электрослабое взаимодействия объединяются при энергии ~10 15 ГэВ. В лабораторных условиях вряд ли достижимы такие энергии. Однако есть явление, которое следует из такой объединенной теории. В этой модели протон должен быть нестабильной частицей, правда, с большим временем жизни. Если сильное и электрослабое взаимодействия являются разными проявлениями более общего взаимодействия, то кварки и лептоны должны быть компонентами одного и того же мультиплета. Следовательно, возможны процессы, в которых кварки могут превращаться в лептоны. Это значит, что протон, состоящий из кварков, не может быть абсолютно стабильным, а может распадаться, превращаясь в более легкие частицы. Например, возможны распады
p → π 0
+ e + ,
p → π + +.
По оценкам в рамках единой теории сильных и электрослабых
взаимодействий время жизни протона ~10 32 лет. В настоящее время
ведутся интенсивные эксперименты по поиску нестабильности протона.
Еще одним кандидатом на единую теорию являются
суперсимметричные теории. В этих теориях фермионы имеют суперпартнеров, которые
должны быть бозонами, а бозоны - суперпартнеров, которые должны быть фермионами.
В суперсимметричных теориях постулируется существование операторов , которые переводят бозоны |b> в фермионы
|f>
Сопряженные операторы превращают фермионы в бозоны. Оператор
оставляет неизменными все квантовые числа частицы, за исключением спина. На
поиск суперсимметричных партнеров направлен целый ряд экспериментов на
действующих и строящихся коллайдерах.
Переносчиком гравитационного взаимодействия в квантовой
теории гравитации считается гравитон - безмассовая частица со спином 2.
Гравитационное взаимодействие универсально. В нем участвуют все частицы.