Классификация элементарных частиц, кварки и лептоны, фундаментальные взаимодействия, античастицы
От атома к элементарным частицам
На протяжении всего курса физики представления о строении вещества последовательно углублялись: молекулы состоят из атомов, атомы — из ядра и электронов, ядро — из протонов и нейтронов. Возникает естественный вопрос: являются ли протон, нейтрон и электрон предельными, далее неделимыми «кирпичиками» материи, или же они, в свою очередь, обладают внутренней структурой? Исследования, проведённые во второй половине XX века на мощных ускорителях элементарных частиц, дали интересный и неоднозначный ответ: электрон, по всем современным экспериментальным данным, действительно является истинно элементарной (бесструктурной) частицей, тогда как протон и нейтрон обладают внутренней структурой и состоят из ещё более фундаментальных частиц — кварков.
Открытие античастиц
Важным этапом в развитии физики элементарных частиц стало теоретическое предсказание и последующее экспериментальное открытие античастиц. В 1928 году английский физик Поль Дирак, разрабатывая релятивистское квантовое уравнение для электрона, теоретически предсказал существование частицы с массой, равной массе электрона, но с противоположным электрическим зарядом — позитрона. Позитрон был экспериментально обнаружен американским физиком Карлом Андерсоном в 1932 году при исследовании космических лучей. Впоследствии было установлено, что практически каждая элементарная частица имеет свою античастицу — частицу с той же массой, но с противоположными значениями некоторых других характеристик (в первую очередь электрического заряда).
При встрече частицы и соответствующей ей античастицы происходит их взаимное уничтожение — аннигиляция, — при котором обе частицы полностью превращаются в электромагнитное излучение (фотоны) или в другие частицы, а суммарная энергия покоя частицы и античастицы (согласно E=mc²) переходит в энергию образовавшегося излучения. Возможен и обратный процесс — рождение пары частица-античастица из достаточно энергичного фотона (например, при взаимодействии γ-кванта с веществом).
Пример 1: энергия аннигиляции
Условие. Найдите суммарную энергию двух фотонов, образующихся при аннигиляции электрона и позитрона (масса покоя электрона m_e≈9,1·10⁻³¹ кг).
Решение. Суммарная энергия покоя электрона и позитрона переходит в энергию фотонов:
Каждый из двух образующихся фотонов уносит примерно половину этой энергии — около 0,511 МэВ (это значение — энергия покоя электрона — часто используется в ядерной медицине, в частности в позитронно-эмиссионной томографии, ПЭТ).
Четыре фундаментальных взаимодействия
Все многообразие сил, действующих между элементарными частицами (а значит, и между составленными из них более крупными объектами), современная физика сводит к четырём фундаментальным взаимодействиям: гравитационному (самому слабому, но дальнодействующему и всегда притягивающему, определяющему движение планет, звёзд и галактик); электромагнитному (действующему между заряженными частицами, ответственному за структуру атомов, молекул, за свет и большинство явлений повседневной жизни); сильному (короткодействующему, но самому мощному, удерживающему кварки внутри протонов и нейтронов, а сами нуклоны — внутри атомного ядра, проявляясь на ядерном уровне как ядерные силы, рассмотренные в статье о строении ядра); слабому (короткодействующему, ответственному, в частности, за β-распад ядер, рассмотренный в статье о радиоактивности).
Классификация элементарных частиц: кварки и лептоны
Согласно современной Стандартной модели элементарных частиц, все частицы материи (в отличие от частиц-переносчиков взаимодействий) делятся на две большие группы: кварки и лептоны. Известно шесть типов (называемых «ароматами») кварков и шесть типов лептонов, объединяемых в три «поколения» по возрастанию массы. Кварки участвуют в сильном взаимодействии и в свободном состоянии не наблюдаются — они всегда связаны попарно или тройками в составные частицы, называемые адронами (протон и нейтрон — наиболее известные примеры адронов, каждый состоит из трёх кварков). Лептоны (к которым относится электрон и его более тяжёлые «родственники», а также нейтрино) в сильном взаимодействии не участвуют и могут существовать в свободном состоянии.
| Частица | Тип | Основная роль |
|---|---|---|
Электрон (e⁻) | лептон | оболочка атома, электрический ток |
Электронное нейтрино (ν_e) | лептон | образуется при β-распаде |
u-кварк, d-кварк | кварки | составляют протон (uud) и нейтрон (udd) |
Протон (p) | адрон (барион, из 3 кварков) | ядро атома водорода, часть любого ядра |
Нейтрон (n) | адрон (барион, из 3 кварков) | часть атомного ядра |
Фотон (γ) | переносчик взаимодействия | переносит электромагнитное взаимодействие |
Частицы-переносчики взаимодействий
Помимо частиц материи (кварков и лептонов), Стандартная модель включает особый класс частиц — переносчиков (квантов) взаимодействий: обмен этими частицами между частицами материи и обеспечивает соответствующее взаимодействие между ними. Электромагнитное взаимодействие переносится уже знакомым нам фотоном (рассмотренным в статье о квантовых свойствах света); сильное взаимодействие переносится глюонами (удерживающими кварки внутри адронов); слабое взаимодействие переносится тяжёлыми W- и Z-бозонами; для гравитационного взаимодействия теоретически предполагается существование переносчика — гравитона, однако экспериментально он пока не обнаружен.
Ускорители элементарных частиц
Изучение свойств элементарных частиц и проверка предсказаний теоретических моделей требуют разгона частиц до чрезвычайно высоких энергий с помощью специальных установок — ускорителей элементарных частиц (линейных или кольцевых, использующих сильные электрические и магнитные поля). Крупнейший на сегодняшний день ускоритель — Большой адронный коллайдер (БАК) в Европейском центре ядерных исследований (ЦЕРН), позволивший в 2012 году экспериментально обнаружить последнюю недостающую частицу Стандартной модели — бозон Хиггса, ответственный (согласно теории) за наличие массы у большинства элементарных частиц.
Значение физики элементарных частиц
Физика элементарных частиц (физика высоких энергий) остаётся одной из наиболее активно развивающихся областей современной науки, тесно связанной с космологией и изучением ранней Вселенной (условия высоких энергий, исследуемые на ускорителях, были характерны для первых мгновений после Большого взрыва). Несмотря на впечатляющие успехи Стандартной модели, ряд фундаментальных вопросов остаётся открытым: природа тёмной материи и тёмной энергии, объединение гравитации с остальными тремя взаимодействиями в единую теорию, причины наблюдаемого преобладания вещества над антивеществом во Вселенной — эти вопросы составляют передний край физических исследований XXI века.
Типичные ошибки
Частая ошибка — считать протон и нейтрон истинно элементарными частицами наравне с электроном; в действительности протон и нейтрон — составные частицы (адроны), состоящие из кварков, тогда как электрон, по современным данным, бесструктурен. Другая ошибка — путать частицы материи (кварки, лептоны) и частицы-переносчики взаимодействий (фотон, глюоны, W- и Z-бозоны) — это принципиально разные по своей роли классы частиц Стандартной модели.
Краткий словарь терминов
Античастица — частица с той же массой, что и данная, но с противоположным зарядом и рядом других характеристик.
Аннигиляция — взаимное уничтожение частицы и античастицы с превращением их энергии покоя в излучение.
Кварки — фундаментальные частицы, из которых состоят адроны (в том числе протон и нейтрон).
Стандартная модель — современная теория, описывающая известные элементарные частицы и их взаимодействия.
Заключение
Физика элементарных частиц, венчающая изучение строения материи от молекул и атомов до кварков и лептонов, объединяет представления квантовой физики и теории относительности, изученные в этом цикле, в единую современную картину мироздания, описываемую четырьмя фундаментальными взаимодействиями и Стандартной моделью частиц. Этой статьёй завершается цикл статей по физике для 11 класса, охвативший электромагнитные колебания и волны, оптику, элементы теории относительности, квантовую и ядерную физику — от классических законов электромагнетизма до самых передовых представлений современной физики о строении материи.
