Микромир – мир элементарных частиц

С точки зрения Стандартной модели фундаментальными частицами вещества являются лептоны (электрон, мюон, τ -лептон), кварки (их шесть: u, d, s, c, b, t) и кванты – переносчики взаимодействий: γ -квант (электромагнитное), W- иZ-бозоны (слабое), глюон (сильное), гравитон (гравитационное).

Кварки вначале рассматривались как чисто математические структурные элементы. Эксперименты выявили наличие внутри нуклона точечных заряженных образований, которые отождествили с кварками.

Кварки участвуют во всех известных взаимодействиях - гравитационных, слабых, электромагнитных и сильных. Неизвестно, из чего состоят сами кварки; возможно, они элементарны. Их собственный размер, во всяком случае, меньше 10-16 см.

В свободном состоянии кварки до сих не наблюдались, и есть теоретические соображения, которые указывают на невозможность таких состояний для кварков.

Протон. Стабильная частица, ядро атома изотопа водорода - протия. Вместе с нейтронами протоны образуют атомные ядра всех элементов, причем число протонов в ядре определяет атомный номер элемента. Протон имеет положительный электрический заряд в точности равный абсолютной величине заряда электрона. Масса протон в 1836 раз больше массы электрона. С современной точки зрения протон не является истинно элементарной частицей: он состоит из трех кварков. Размеры протона около 10-13 см. Протон напоминает облако с размытой границей, состоящее из рождающихся и аннигилирующих виртуальных частиц. В случае распада протона образуются нейтрон, позитрон и электронное нейтрино (b+-распад: p ® n + e+ + ne). Время жизни протона около 1032 лет, что во много раз больше возраста Вселенной (около 1, 5∙ 1010 лет). Поэтому протон практически стабилен, что сделало возможным образование химических элементов и в конечном итоге появление разумной жизни. Протон может захватить электрон: p + e- → n + ν e. При попытке столкнуть протоны в ускорителях рождается масса, возникает немного более массивный нейтрон и мезон: p + p → p + n + π + (1836 + 1836 → 1836 + 1838 + 273, 2).

Нейтрон. Вместе с протонами нейтроны входят в состав атомных ядер. Электрический заряд равен нулю. Состоит из трех кварков. Устойчив лишь в составе стабильных атомных ядер. Свободный нейтрон - нестабильная частица, распадающаяся на протон, электрон и электронное антинейтрино (b--распад: n ® p + e- + `ne). Время жизни нейтрона около 15 мин. Они возникают в природе или получаются в лаборатории в результате ядерных реакций. Масса нейтрона 1840. Свободные нейтроны способны активно взаимодействовать с атомными ядрами, вызывая ядерные реакции.

Электрон - отрицательно заряженная элементарная частица, носитель наименьшей известной сейчас массы, и наименьшего электрического заряда в природе.

Электрон стабилен, время его жизни не менее 1022 лет. Электроны участвуют в электромагнитных, слабых и гравитационных взаимодействиях.

Нейтрино - электрически нейтральная частица. Вероятно, существует не более 6 типов нейтрино. Масса покоя нейтрино считали равной нулю, как у фотона. Но в отличие от фотона для этого нет серьезных оснований. Японские и американские физики определили массу покоя электронного нейтрино в пределах 11-13, 4 эВ/с 2.

Нейтрино столь же распространенная частица, как и фотон. Нейтрино образуется в слабых распадах атомных ядер и элементарных частиц. Мощные потоки нейтрино испускаются звездами в результате происходящих в их недрах термоядерных реакций. Предполагается, что нейтрино в изобилии рождаются при гравитационном коллапсе звезд. Наконец, все пространство заполнено нейтринным газом, оставшимся от ранних этапов развития Вселенной.

Фотон - квант электромагнитного поля, элементарная частица с нулевой массой покоя. Масса покоя, равная нулю, означает, что фотон невозможно ни остановить, ни замедлить. Независимо от своей энергии он обречен двигаться с фундаментальной скоростью c.

Фотон - наиболее распространенная из всех элементарных частиц. Он встречается и в потоках видимого света, и в рентгеновском излучении, и в виде радиоволн, и в лазерных импульсах.

Диапазоны электромагнитного излучения

В 1964 г. американские радиоастрономы А.Пензиас и Р.Вильсон обнаружили, что мировое пространство заполнено миллиметровыми радиоволнами, которые можно рассматривать как холодный фотонный газ при температуре 2, 7 K. По современным представлениям, это излучение (его называют реликтовым) возникло на ранних стадиях развития Вселенной. Средняя плотность реликтовых фотонов составляет около 500 в 1 см3. Интересно, что плотность протонов во Вселенной в среднем не более одного на 1 м3. Таким образом, во Вселенной фотоны встречаются в миллиард раз чаще, чем протоны.

Античастицы. К настоящему времени экспериментально обнаружены античастицы почти всех элементарных частиц. Лишь у фотона не обнаружена его античастица. Частица и соответствующая античастица имеют одинаковые времена жизни, одинаковые массы, их электрические заряды равны, но противоположны по знаку. Самым характерным свойством пары частица-античастица является способность самоуничтожаться при встрече с превращением в частицы другого рода. Например, при столкновении электрона и его античастицы позитрона они исчезают, превратившись в пару гамма-квантов излучения.

Античастицы могут собираться в антивещество. Так в Серпухове на ускорителе получен антигелий-3, у которого ядро состоит из двух антипротонов и одного антинейтрона и окружено оболочкой из пары позитронов.

Частицы и соответствующие им античастицы одинаково взаимодействуют с полем тяготения; это указывает на отсутствие “антигравитации”.

Несмотря на микроскопическую симметрию между частицами и античастицами, во Вселенной до сих пор не обнаружены области со сколько-нибудь заметным содержанием антивещества. Свидетельством присутствия антивещества во Вселенной было бы мощное аннигиляционное излучение, приходящее из областей соприкосновения вещества с антивеществом. Ведь аннигиляция только 1 г вещества и антивещества приводит к выделению 1014 Дж энергии, что эквивалентно взрыву средней атомной бомбы в 10 килотонн.

Вселенная в основном состоит из обычного вещества. Но так было не всегда. На ранней стадии развития Вселенной при очень больших температурах количество частиц и античастиц совпадало: на большое количество антипротонов (примерно на каждые несколько миллиардов) приходилось столько же протонов и еще один “лишний” протон. В дальнейшем при остывании Вселенной все частицы и античастицы проаннигилировали, породив в конечном итоге фотоны, а из ничтожного избытка частиц возникло все, что нас теперь окружает.

Идея о возникновении во Вселенной асимметрии между частицами и античастицами впервые была высказана академиком А.Д.Сахаровым.

Ядра. Атомные ядра представляют собой связанные системы протонов и нейтронов (нуклонов). Плотность массы ядер 1017 кг/м3. Массы ядер всегда несколько меньше суммы масс свободных нуклонов, составляющих ядро. Это релятивистский эффект, определяющий энергию связи ядра.

Физический вакуум как реальность.

Физика микромира описывается квантовой механикой и теорией относительности, и эти две теории не допускают существования пустоты. Если откачивать воздух из замкнутого сосуда, то в принципе можно удалить все вещество, но при этом все-таки не получится классической пустоты.

Что же останется в “пустом” сосуде? В вакууме имеются квантовые флуктуации полей и виртуально рождаются частицы.

Вакуум - это состояние поля с наименьшей энергией при отсутствии вещества. Но отсутствие вещества еще не означает отсутствия частиц.

Если приложить достаточно энергии, из вакуума можно рождать частицы. Дело в том, что энергия может переходить в поле, а поле - в частицы.

Ну, а если не прикладывать энергии и рассматривать свойства чистого вакуума? Казалось бы, эти свойства никак не связаны со свойствами частиц, рождающихся из вакуума в присутствии источников энергии. Так было бы в классической механике, но в квантовой механике это не так. Известное соотношение неопределенностей приводит к тому, что на короткое время любая система может перейти в состояние, отличающееся на Δ E по энергии.

Такие переходы называются виртуальными. Так как, по теории относительности энергия может переходить в массу, то виртуальные переходы соответствуют рождению частиц на короткое время. Например, для протона это время равно около 10-24 с.

В атомной физике эффекты, вызываемые виртуальными частицами, довольно незначительны. Однако чем более мелкие частицы рассматриваются, тем большую роль играет окружающий их вакуум со своими виртуальными частицами. Например, в ядерном веществе протоны имеют меньшую массу, чем в вакууме, где к этой массе добавляется масса “налипших” виртуальных пи-мезонов.

На уровне кварков свойства вакуума уже играют решающую роль. Невозможность существования свободных кварков, по всей вероятности, связана именно с колоссальными изменениями, которые одиночный кварк вызывает в вакууме.

На сверхмалых расстояниях свойства вакуума еще более загадочны. Неожиданно возникает связь квантовых эффектов с гравитационными. Сверхтяжелые виртуальные частицы создают вокруг себя заметное гравитационное поле, которое начинает искажать геометрию пространства. Но пока еще невозможно представить себе какие бы то ни было эксперименты при очень больших энергиях и в столь малых масштабах пространства.