Материал: Єдині теорії взаємодій

Закони збереження у фізиці частинок мають дуже важливе значення, оскільки сучасна теорія високих енергій не має фундаментальних рівнянь руху, аналогічних до рівнянь Ньютона у класичній механіці і Максвелла у класичній електродинаміці. У той же час вивчення різних симетрій, законів збереження і їх наслідків дозволяє систематизувати одержані експериментальні дані. Новітні фізичні теорії, які претендують на статус найбільш загальних, неодмінно повинні пояснити природу фізичних величин, що зберігається, та виявити їх походження.

Таблиця 2

Закони збереження у фізиці суб’ядерних частинок

3. Основи кваліфікації суб’ядерних частинок

Сукупність експериментальних даних, отриманих у результаті величезної дослідницької роботи по вивченню ядерних реакцій і взаємодій частинок високих енергій, дозволила первісно згрупувати відомі в даний час елементарні частинки у відповідні групи(класи) без врахування фундаментальних взаємодій між частинками і їхньою внутрішньою структурою(табл.3). Частинки розміщені у табл.3 у порядку зростання їх мас, за виключенням -лептона. Таблиця включає 39 частинок, а всіх, як відомо, біля 400.

Суб’ядерні частинки класифікують за різними параметрами. Найзагальніша основа класифікації частинок - значення їх власного моменту імпульсу - спіну (J).

Поведінка частинок істотно залежить від того, яке число, ціле (0, 1, 2,…) або напівціле (1/2, 3/2, 5/2), характеризує спін. Частинки з напівцілим спіном називаються ферміонами, з цілим - бозонами. В рамках квантової механіки відмінність у поведінці ферміонів і бозонів проявляється в типі симетрії хвильової функції, що описують ці частинки.

Таблиця 3

Первісна класифікація елементарних частинок

Згідно з сучасною точкою зору будь-яка взаємодія елементарних частинок здійснюється іншими частинками - квантами відповідної взаємодії. Такими переносниками взаємодії завжди є бозони (їх називають калібрувальними), в той час як сама матерія побудована з ферміонів.

Переносником електромагнітної взаємодії є фотон, гравітаційної - гравітон, слабкої - бозони. Квантами сильної взаємодії з сучасної точки зору є глюони (від англійського ‘‘глює’’- клей). Існує вісім різних типів глюонів.

Ще однією основою класифікації елементарних частинок є їх взаємодія. Всі елементарні частинки схильні до слабкої взаємодії. Частинки, які, крім того, беруть участі у сильній взаємодії, називаються адронами (грецьке ‘‘хадрос’’ означає великий, масивний). Встановлено, що всі адрони мають внутрішню структуру і складаються з більш фундаментальних частинок - кварків. Існує шість типів кварків. Адрони з нульовою дивністю (S=0) називають звичайними, з 0 - дивними, з ненульовою чарівністю (C- зачарованими.

Адрони - ферміони одержали загальну назву - баріонів, адрони-бозони називають мезонами. Найбільш відомими з баріонів є нуклони (протон і нейрон), з мезонів - -мезони (піони) і К-мезони (каони). До баріонів, крім нуклонів, відносять групу частинок, яка одержала назву гіперонів. Гіперони є дивними частинками, оскільки їх дивність не дорівнює нулю.

Ферміони, що не беруть участь у сильній взаємодії, називаються лептонами. Лептони отримали свою назву від грецького слова “лептос”, яке означає “легкий, дрібний”, які мають електричний заряд (електрони і мюони), беруть участь також в електромагнітній взаємодії. Типовими лептонами є електрони і нейтрино. Лептони і кварки вважають точковими безструктурними частинками, їх називають фундаментальними ферміонами.

На рисунку 1 наведена класифікація фундаментальних ферміонів (Стандартну модель). Стандартна модель - це теоретична конструкція у фізиці елементарних частинок, яка описує електромагнітну, слабку й сильну взаємодії всіх елементарних частинок. Ця модель не враховує тільки гравітаційної.

Стандартна модель складається з таких положень:

.   Уся речовина складається з 24 фундаментальних частинок - ферміонів: 6 лептонів (електрон, мюон, тау-лептон, електронне нейтрино, мюонне нейтрино і тау-нейтрино), 6 кварків (u, d, s, c, b, t) і 12 відповідних античастинок.

Із кварків складаються адрони (мезони й баріони). Спочатку було висунуто гіпотезу про існування трьох кварків: u (від англ. up - угору), d (від англ. down - вниз) і s (від англ. strauge - дивний). Згодом були передбачені, а потім відкриті більш важкі кварки: c (від англ. charm - зачарування), b (від англ. bottom - нижній), t (від англ. top - верхній). Оскільки кварки t і b подібні за своїми назвами до кварків u і d, то науковці також називають їх істинними і чарівними. У природі відсутні вільні кварки. Дослідники здійснили численні спроби знайти в природі хоча б один вільний кварк або звільнити кварк з надр елементарних частинок під час їхньої взаємодії. Але всі спроби закінчилися невдало.

Кварки беруть участь у сильних, слабких та електромагнітних взаємодіях, заряджені лептони (електрон, мюон, тау-лептон) - у слабких та електромагнітних, нейтрино - тільки в слабких.

.   Взаємодія між кварками й лептонами здійснюється за допомогою фундаментальних бозонів - ‘‘переносників’’ взаємодій: для сильної взаємодії - 8 глюонів, для слабкої взаємодії - 3 важкі калібрувальні бозони, для електромагнітної взаємодії - фотон.

В основу поділу елементарних частинок на фундаментальні ферміони й фундаментальні бозони покладено спін частинок: для ферміонів спін кратний 1/2, для бозонів - кратний h.

Таким чином, зараз відомі всі частинки, які формують атоми, молекули й матерію, що нас оточує, а також вивчені сили, які приводять усе це в рух. ‘‘Стандартна модель’’ на сьогодні найбільш повно з усіх фізичних теорій описує будову Всесвіту.

Рисунок 1. Стандартна модель частинок

Але в цій моделі існує прогалина: у ній не пояснюється, яким чином частинка набуває масу. 1964 р. група науковців, до складу якої входив і Пітер Хіггс, запропонували пояснення цього процесу, яке дістало назву “механізм Хіггса”.

Науковці припустили, що після Великого вибуху виникло нове поле (поле Хіггса), яке швидко поширювалося на весь Всесвіт і стало причиною наступного набуття більшістю частинок маси спокою. Згідно зі Стандартною моделлю саме хіггсівське поле безпосередньо впливає на рух частинок у космологічному просторі, злегка гальмуючи їх і роблячи інертнішими, тобто надаючи їм масу, яка є тим більшою, чим сильніше елементарна частинка взаємодіє з частинкою-переносником. Таким переносником є бозон Хіггса.

Бозон Хіггса - теоретично передбачена елементарна частинка, квант поля Хіггса, скалярна частинка, яка має нульовий спін у рамках Стандартної моделі відповідає за масу елементарних частинок. Ця частинка одержана на Великому адронному колайдері у 2012 році.

На рисунку 2 показано Стандартну модель до якої входить і бозон Хіггса.

Рисунок 2. Стандартна модель до якої входить бозон Хіггса

Бозон Хіггса потрібен науковцям для того, щоб пояснити, що таке маса. Якби в частинок не було маси, то не було б ані зір, ані галактик і навіть атомів. Усі елементарні частинки рухалися б зі швидкістю світла й були б нездатні сформувати речовину у Всесвіті. Відкриття бозона Хіггса може дати науковцям уявлення про, те як народжувався Всесвіт, тому цю частинку часто називають також “частинкою Бога”.

4. Кварковий рівень матерії

4.1 Кваркова модель суб’ядерних частинок

Ідея кварків виникла у результаті спроби здійснити класифікацію великої кількості частинок, що беруть участь у сильній взаємодії. Гелл-Ман і Цвейг припустили, що всі адрони складаються із більш простих частинок - кварків, що мають дробовий заряд 1/3е, 2/3е.

Експериментальні пошуки дробового заряду у природі до цього часу виявилися безуспішними, хоча точність вимірювань була доведена до винятково високих значень. Це приводить до висновку, що існування дробового електричного заряду можливо за умови, якщо його частинки-носії утворюють зв’язані об’єднання, в яких сумарний електричний заряд дорівнює 0 або 1. Тобто кварки завжди знаходяться у зв’язаному стані.

Клас кварків містить шість частинок і стільки ж античастинок. Фізики назвали кожний тип кварків ароматом. Цей термін, що асоціюється з нюхом, насправді позначає квантове число, яке приписують частинкам даного типу. Аромати позначаються першими буквами англійських слів, прийнятих як їх назви: up(верхній), down(нижній), straunge (дивний), charm (шармований або чарівний), beaut, bottom(красивий,нижній), top, truth(істинний). Інші квантові числа наведені в таблиці 4.

Складені з кварків адрони поділяються на три групи. Перша - баріони -утворюється комбінація трьох кварків, ця група містить протон і нейтрон - фундаментальну основу атомних ядер. Другу групу утворюють частинки, що одержують шляхом поєднання кварка і антикварка. Вони називаються мезонами. Ще одна група містить частинки, що утворені поєднанням трьох антикварків. До цієї групи потрапляють антипротон і антинейрон, які складають основу антиречовини.

Таблиця 4

Фізичні властивості кварків