Світ елементарних частинок у поняттях симетрії

Як приклади розпаду внаслідок слабкої взаємодії в кварковій моделі розглянемо розпад вільного нейтрона (п → р + е- + ) і зіткнення нейтрино з нейтроном (νе+п→р +е-). При розпаді нейтрона один з двох його d-кварків виділяє W-мезон і перетворюється на u-кварк. У підсумку утворюється протон, у склад якого входять два u-кварки й один d-кварк. Тоді W--мезон розпадається на електрон і антинейтрино, тобто  d → и + е- +  . Зіткнення нейтрино з нейтроном зводиться до зіткнення з d-кварком, у наслідок чого d-кварк перетворюється на  u-кварк і при цьому народжується електрон, тобто νе + d → и + е-.

У розглянутих взаємодіях (можливі й інші варіанти слабких процесів) d -кварк представляє нейтрон, а u-кварк -  протон. Тож у слабких взаємодіях здійснюється певний зв'язок між кварками і лептонами. Ці два типи частинок можна розглядати як справжні елементарні. Цим самим зникають протиріччя між невеликим числом лептонів і великою кількістю адронів. Якщо число лептонів порівнювати не з числом адронів, а кварків, то стає очевидною симетрія між лептонами і  кварками.  Число типів лептонів (е-, νе, µ-, νµ) точно співпадає з числом типів кварків (u, d, s, с).

Проте кількість лептонів (кварків) у цій схемі виявилася неспроможною пояснити незбереження комбінованої парності у розпадах нейтральних каонів. Потрібно було принаймні шість лептонів і стільки ж кварків. Згадувалось, у 1977 році був відкритий п’ятий лептон – т.зв. таон масою 3500me і виявлений надважкий Y-мезон з масою 20000 те. З'ясувалося, що нова частинка Y-мезон має властивості, які не вкладаються в схему чотирьохкваркової моделі, тому довелося вводити п'ятий кварк b, який був названий красивим (електричний заряд - 1/3, ма¬са ~10000me).  Мезон Y є одним із збуджених станів зв'язаної системи   b  зі спіном 1. Різниця між числами b-кварків і їх антикварків   називається красою. Краса зберігається при сильних і електромагнітних взаємодіях і може порушуватися при слабких взаємодіях.

Усі ці квантові числа для адронів надають можливість записати загальнішу формулу  порівняно з (IV.12) для заряду частинки.

У випадку нуклона, зокрема, S = С = b = 0, В = +1, для протона Т3 =+1/2, для нейтрона Т3 =-1/2.

Невдовзі почалися пошуки шостого кварка, якого вже наперед назвали t-кварком (істинний кварк, маса ~ 22000 МеВ). У 1984 році в Фермі лабораторії на прискорювачах із зустрічними пучками з’явилися попередні повідомлення про спостереження кількох випадків народження і розпаду t-кварка. Зараз лептони і кварки - справжні елементарні частинки, тобто такі, що не мають внутрішньої структури. Правда, відповідно до деяких сучасних теоретичних побудов, існують преони -  гіпотетичні частинки, з яких нібито складаються лептони і кварки. Можливо, навіть усі векторні бозони: W±, Z°, глюони, фототони та знову ж таки гіпотетичні хіггсові бозони. Ця гіпотеза ще не має експериментального підтвердження.

Тож на сьогодні відкрито шість лептонів (e- , µ-, τ-, νe, νµ, ντ) і шість кварків (u, d, s, с, b, t), не рахуючи стільки само відповідних їм античастинок. Цим завершена кварк-лептонна симетрія: в природі існує шість лептонів, а всі сильновзаємодіючі частинки побудовані з шести кварків. Значення основних фізичних характеристик кварків навадені в табл. ІІ.

Майбутнє засвідчить, чи кварк-лептонна симетрія остаточна. У спеціалістів вона викликає неприхований оптимізм. На її основі побудовано єдину теорію електромагнітних і слабких взаємодій - електрослабку взаємодію: на відстанях від силового центра, менших за радіус дії слабких сил (10-18м), різниця між електромагнітними і слабкими взаємодіями зникає. На більших відстанях, проте, різниця між ними зберігається. Вайнберг і Салам узагальнили принцип калібрувальної інваріантності таким чином, що фотон і проміжні векторні бозони (W± і Z0) виявилися членами одного  того самого сімейства частинок-переносників електромагнітних і слабких взаємодій. При цьому рівняння руху, що описують поведінку взаємодіючих частинок, задовольняють деякому новому принципу симетрії.

Опрацьовується також нова теоретична модель – "Велике об'єднання" і його симетрія, яка прагне поєднати електромагнітні, слабкі і сильні взаємодії. При цьому всі ці три взаємодії описуватимуться єдиним зарядом g. Те, що електромагнітні, слабкі і сильні взаємодії здійснюються з допомогою частинок з цілим спіном ħ, вказує на три риси єдності всіх цих взаємодій і вселяє надію в можливість у недалекому майбутньому побудови цілісної теорії раніше розрізнених частин.

В останній час робляться спроби об'єднати всі частинки фундаментальної взаємодії, включаючи гравітацію - супероб'єднання (суперсиметрія). Цим буде завершено пошук спектра елементарних частинок, з'ясовано природу електричного заряду та інших світових констант взаємодії, розкрито глибокий зв'язок між фізикою елементарних частинок і космологією. Відтак слід чекати відкриття нових елементарних частинок, нових видів сил, нових фундаментальних принципів, зокрема досі прихованих типів симетрії.

 

 

до розділу IV

1.Пояснити залежність інтенсивності I космічного проміння від відстані h  до поверхні Землі (рис.1). Чому спостерігається різка зміна I з наближення по поверхні Землі?

2.У космічних променях біля поверхні Землі число піонів у кілька разів менше, ніж число мюонів. Поясніть