Світ елементарних частинок у поняттях симетрії

 

 

 

Фізика елементарних частинок - це передусім фізика високих енергій. Джерелом таких енергій є космос (космічні промені) і гігантські прискорювачі елементарних частинок (із середини п'ятидесятих років XX ст.). Саме в області елементарних частинок основні питання теорії ще не розв'язані, тоді як в інших відділах фізики вони з'ясовані і розвиток іде, переважно, в ширину.

Елементарні - це ті частинки, які на сучасному рівні фізичних знань не можна вважати поєднанням інших, більш простих частинок. Вони найпростіші ''атоми" світобудови, хоча це твердження не слід розуміти надміру буквально. Так, протон (р) і нейтрон (п) мають складну внутрішню структуру, хоч їх вважають за елементарні. Це тому, що елементарні частинки допоки існують (не розпалися), то лишаються незмінними, зберігають свою ідентичність. При взаємодії з іншими частинками чи полями вони поводяться як єдине ціле. В теорії відносності їх розглядають як безструктурні матеріальні точки, наділені масою. Те загальне, що їх зближує, полягає в тому, що всі вони є специфічними формами матерії. Далі упевнимося, що кожна елементарна частинка несе в собі певні риси іншої частинки. Існування однієї частинки так чи інакше пов'язане з наявністю іншої. Тому термін "елементарна" знову ж таки не відбиває суті явища, скоріше стосується обсягу наших знань про частинки й навколишній світ у цілому.

Навіть зараз ми переконливо не скажемо, які частинки являються справді елементарними в первісному розумінні цього слова. На сьогодні до справді елементарних відносять такі частинки і їх античастинки: і) лептони –електрон  ( е-) , мюон ( μ) ,  таон ( τ)  і  відповідні   їм   нейтрино  ( νe, νμ, ντ) ; 2) кварки; 3) фотони ( γ-кванти) і проміжні векторні бозони ( W±, Zо). Існують, правда, припущення про те, що кварки й лептони самі складаються з ще фундаментальніших (гіпотетичних) частинок – „преонів". Це стосується і W± - і Zо -бозонів, у яких допускають існування дискретних (перервних) збуджених станів (за аналогією з атомом). Ці гіпотези випливають із симетрії між кварками й лептонами в електромагнітних взаємодіях, що спостерігаються на дослідах, а також із ідей Великого об'єднання сил.

Теоретичні передумови пошуку елементарних частинок базуються на використанні  міркувань  симетрії ( теорії  груп) та на  законах  збереження.

До 1932 року, коли Д.Іваненко й В.Гейзенберг запропонували нуклонну модель атомного ядра (із протонів і нейтронів - нуклонів), були відомі тільки чотири частинки: електрон, протон, нейтрон й фотон. Вони визначають структуру й властивості атома, а також усі явища, пов'язані з атомом. У 1932 році К. Андерсон у камері Вільсона, вміщеній у магнітне поле, сфотографував електронно-позитронні пари. Необхідність існування в природі античастинок (наприклад, позитрона е+) вивів із своїх рівнянь П. Дірак у 1930 році. Ці рівняння гармонійно поєднують у собі квантову механіку й теорію відносності. Позитрон, як частинка, має всі властивості електрона (масу me, специфічний момент імпульсу J - спін тощо), за винятком знака заряду, який додатний. Виявилась також можливість перетворення γ - кванта в пару електрон-позитрон у полі ядра і, навпаки, перетворення (анігіляція) пари електрон-позитрон у два або три γ -кванти.

Другою частинкою, існування якої було передбачено теоретично, є нейтрино (Паулі, 1933). Ця частинка виникає під час розпадів нейтронів β -радіоактивних ядер і нейтронів, що перебувають у вільному стані. Процес розпаду характеризується реакцією

n → р + е- + ,(IV.1)

де   (рисочка зверху - тильда) - антинейтрино (спін протилежний ν). Спін нейтрино як і в електрона дорівнює 1/2 (в одиницях ħ – стала Планка). Внаслідок малого ефективного перерізу (ймовірності) захоплення нуклонами нейтрино вдалося виявити лише у 1956 році в ядерному реакторі, який є потужним джерелом їхнього випромінювання.

У дещо зміненому виді рівняння Дірака можна застосувати не тільки до електронів і позитронів, але й до інших частинок зі спіном, що дорівнює  1/2.

Отож, для кожної такої частинки (наприклад, протона або нейтрона) повинна існувати в природі античастинка. В  1955 році у м. Берклі (США) фізики дійсно спостерігали утворення пари   -р на бетатроні. В антипротона   заряд від'ємний <і магнітний момент від'ємний. У 1956 році були експериментально відкриті антинейтрони, які утворювалися перезарядженням антипротонів, тобто внаслідок процесу

  + р → + n

Антинейтрон   відрізняється від нейтрона знаком власного магнітного моменту й здатністю анігілювати при зустрічі з нуклоном.

Проводячи аналогію з електромагнітними взаємодіями, які переносяться фотонами, японський фізик Юкава (1934) передбачив існування квантів ядерного поля - мезонів, якими здійснюється взаємодія між нуклонами. Щоб вона мала радіус дії, порівняний з радіусом ядра ( =10-15-10-14м), а час взаємодії,  або  ядерний  час (час,  за який  світло  проходить діаметр ядра в 10-15м) був  , Юкава увів поняття квантів мезонного поля, c які мають відмінну від нуля масу спокою. Вона дорівнює приблизно 200 mе. Щоб таке мезонне поле (як і поле фотонів) могло одноосібно переносити взаємодію між частинками ядра, припустили, що спін цих мезонів щлочисленний (ħ) (j =1).

Спочатку (1937), вслід за передбаченням Юкави, К.Андерсон відкрив частинки (додатні і від'ємні), маса яких приблизно відповідала масі