Моделирование в физике элементарных частиц

обусловлены обменом частицами одного сорта – фотонами, а слабые

взаимодействия – обменом тремя сортами промежуточных бозонов: W+, W-, и Z0.

В отличие от фотонов, глюоны взаимодействуют друг с другом. Глюоны, как и

кварки, в свободном состоянии не существуют.

Сильные взаимодействия адронов должно сводиться к первичным межкварковым

взаимодействиям. Взаимодействие бесцветных адронов – не более чем слабый

остаток от основного взаимодействия цветных кварков. Точно так же, как

межмолекулярные силы между нейтральными молекулами – только слабый след

электромагнитных сил, которые притягивают электроны к ядру, большие силы,

действующие между адронами, - лишь слабый след сил, действующих внутри

отдельного адрона.

Для согласования кварковой модели адронов с принципом Паули был предложен

новый, усложненный вариант модели. Эта модель была предложена в 1965г Н. Н.

Боголюбовым, Б. В. Струминским, А. Н. Тавхелидзе в СССР и независимо Й.

Намбу, М. И. Ханом в США. В ней каждый из кварков может появляться в трех

различных состояниях, идентичных по всем свойствам, кроме нового особого

свойства, названного «цветом» (например, кварки могут быть красными, синими

или зелеными). Цвет не имеет прямого отношения к тому, что принято называть

цветом в повседневной жизни. Кварки никак нельзя мыслить в виде окрашенных

шариков.

Определенный тип кварков (u, d или s) часто именуют «ароматом». Кварки, как

говорят, различают по цвету и аромату. Согласно этой терминологии каждый

аромат кварка может проявляться в трех различных цветовых состояниях,

характеризуемых одинаковыми массами, электрическими зарядами и всеми

другими свойствами. Антикварки имеют цвета, дополнительные другим к цветам

кварков: сине-зеленый, пурпурный и желтый. Число различных кварков, включая

антикварки, равно: 6Х2Х3=36.

На первый взгляд может показаться, что утроение числа кварков должно

привести к значительному увеличению числа адронов, составленных из кварков.

Однако в действительности это не так. Чтобы результаты новой кварковой

модели согласовались с действительностью, вводится принцип «бесцветности».

Согласно этому принципу все адроны должны быть бесцветными или белыми. Это

означает, что каждый барион должен состоять из трех кварков различных

цветов. Так как кваркам приписывают основные цвета спектра, то каждая

комбинация может быть названа белой, поскольку при смешении основных цветов

получается белый цвет. При таком построении барионов принцип Паули

выполняется автоматически.

Мезоны также бесцветны: каждый из них состоит из кварка и антикварка, цвета

которых дополнительны. Причем цвет и антицвет кварков любого аромата

непрерывно меняются. Аналогично цвета кварков в барионах не фиксированы и

претерпевают непрерывные изменения. Гипотеза бесцветности однозначно

приводит к определенным правилам конструирования барионов и мезонов из

кварков и автоматически исключает комбинации из двух или четырех кварков.

Их них нельзя составить белые адроны.

Правила компонации адронов после введения постулата бесцветности остаются

теми же, что и раньше, но получают некоторое обоснование. Правда, сам

постулат убедительного теоретического обоснования пока не имеет. Косвенное

же экспериментальное подтверждение гипотезы цветных кварков удается

получить. При аннигиляции электронно-позитронных пар высокой энергии в

одних случаях появляются адроны, а в других пары (-, (+- мюонов. Отношение

числа случаев рождения адронов к числу случаев рождения мюонов зависит,

согласно теории, от числа различных кварков. Гипотеза цветных кварков

приводит к неплохому согласию с экспериментом, в то время как

первоначальная кварковая модель дает заведомо неверные результаты.

Адроны наряду с сильными взаимодействиями участвуют также в слабых. С точки

зрения кварковой модели адронов это означает, что в слабом взаимодействии

участвуют кварки. Обмен глюонами, ответсвенный за сильные взаимодействия,

меняет только цвет кварков, оставляя все его остальные свойства

неизменными. При слабом взаимодействии кварки обмениваются промежуточными

бозонами W+, W-, и Z0. Этот обмен приводит к изменению аромата кварков, то

есть почти всех его свойств.

Распад нейтрона за счет взаимодействия в кварковой модели выглядит так.

Один из двух d-кварков нейтрона испускает W—мезон и превращается в u-кварк.

В результате образуется протон, состоящий из одного d-кварка и двух u-

кварков. W—мезон распадается на лептоны: электрон и антинейтрино. Таким

образом, слабые взаимодействия осуществляют определенную связь между

кварками и лептонами – частицами, которые в первую очередь можно считать

истинно элементарными.

3.2 Кварковая модель адронов

Кварковую модель адронов начнем описывать с рисунка силовых линий,

исходящих из источника - кварка с цветным зарядом и заканчивающихся на

антикварке (рис. 10 б). Для сравнения на рис. 10, а мы показываем, что в

случае электромагнитного взаимодействия силовые линии расходятся от их

источника - электрического заряда веером, ибо виртуальные фотоны,

испущенные одновременно источником, не взаимодействуют друг с другом. В

результате получаем закон Кулона.

В отличие от этой картины глюоны сами обладают цветными зарядами и сильно

взаимодействуют друг с другом. В результате вместо веера из силовых линий

мы имеем жгут, показанный на рис. 10 б. Жгут протянут между кварком и

антикварком, но самое удивительное то, что сами глюоны, имея цветные

заряды, становятся источниками новых глюонов, число которых нарастает по

мере их удаления от кварка. Такая картина взаимодействия соответствует

зависимости потенциальной энергии взаимодействия между кварками от

расстояния между ними, показанной на рис. 11. А именно: до расстояния R >

10-13 см зависимость U(R) имеет воронкообразный характер, причем сила

цветного заряда в этой области расстояний относительно невелика, так что

кварки при R > 10-15 cм в первом приближении можно рассматривать как

свободные, невзаимодействующие частицы. Это явление имеет специальное

название асимптотической свободы кварков при малых R. Однако при R больше

некоторого критического [pic]cм величина потенциальной энергии

взаимодействия U(R) становится прямо пропорциональной величине R. Отсюда

прямо следует, что сила F = -dU/dR = const, то есть не зависит от

расстояния. Никакие другие взаимодействия, которые физики ранее изучили, не

обладали столь необычным свойством.

Расчеты показывают, что силы, действующие между кварком и антикварком,

действительно, начиная с [pic]см, перестают зависеть от расстояния,

оставаясь на уровне огромной величины, близкой 20 т. На расстоянии

R ~ 10-14 м цветные силы более чем в 100 тыс. раз больше электромагнитных.

Если сравнить цветную силу с ядерными силами между протоном и нейтроном

внутри атомного ядра, то оказывается, что цветная сила в тысячи раз больше.

Таким образом, перед физиками открылась новая грандиозная картина цветных

сил в природе, на много порядков превышающих ныне известные ядерные силы. К

сожалению, такие силы нельзя заставить работать как источник энергии.

Естественно, встает и другой вопрос: до каких расстояний R между кварками

потенциальная энергия линейно растет с ростом R? Ответ простой: при больших

расстояниях жгут силовых линий рвется, так как энергетически более выгодно

образовать разрыв с рождением кварк-антикварковой пары частиц. Это

происходит, когда потенциальная энергия в месте разрыва больше массы покоя

кварка и антикварка. Процесс разрыва жгута силовых линий глюонного поля

показан на рис. 10 в.

Такая качественная модель о рождении кварка-антикварка позволяют понять,

почему одиночные кварки вообще не наблюдаются и не могут наблюдаться в

природе. Кварки навечно заключены внутри адронов. При высоких энергиях

жгуту может быть выгоднее разорваться сразу во многих местах, образовав

множество [pic]-пар. Таким путем мы подошли к проблеме множественного

рождения кварк-антикварковых пар и образованию жестких кварковых струй.

Чрезвычайно важно, что оба партнера пары имеют при этом одинаковый цветной

заряд и такой же антизаряд, так что их пара независимо от ароматов кварков

не имеет цвета.

Все кварки и антикварки имеют спин, равный 1/2h. Поэтому суммарный спин

сочетания кварка с антикварком равен либо 0, когда спины антипараллельны,

либо 1, когда спины параллельны друг другу. Но спин частицы может быть и

больше 1, если сами кварки вращаются по каким-либо орбитам внутри частицы.

В табл. приведены некоторые парные и более сложные комбинации кварков с

указанием, каким известным ранее адронам данное сочетание кварков

соответствует.

|Кварки |Мезоны | |Кварки |Барионы |

| |J=0 |J=1 | | |J=1/2 |J=3/2 |

| |частицы |резонансы | | |Частицы |резонансы |

|[pic] |[pic] |[pic] | |uuu | |[pic] |

| |(пион+) |(ро+) | | | |(дельта++)|

|[pic] |[pic] |[pic] | |uud |P |[pic] |

| |(пион-) |(ро-) | | |(протон) |(дельта+) |

|[pic] |[pic] |[pic] | |udd |N |\Delta^0 |

| |(пион0) |(ро0) | | |(нейтрон) |(дельта0) |

|[pic] |[pic] |[pic] | |ddd | |[pic] |

| |(эта) |(омега) | | | |(дельта-) |

|[pic] |[pic] |[pic] | |uus |[pic] |[pic] |

| |(каон0) |(каон0*) | | |(сигма+) |(сигма+*) |

|[pic] |[pic] |[pic] | |uds |[pic] |[pic] |

| |(каон+) |(каон+*) | | |(лямбда0) |(сигма0*) |

|[pic] |[pic] |[pic] | |dds |[pic] |[pic] |

| |(каон-) |(каон-*) | | |(сигма-) |(сигма-*) |

|[pic] |[pic] |[pic] | |uss |[pic] |[pic] |

| |(дэ+) |(дэ+*) | | |(кси0) |(кси0*) |

|[pic] |[pic] |[pic] | |dss |[pic] |[pic] |

| |(де-эс+) |(дэ-эс+*) | | |(кси-) |(кси-*) |

|[pic] |Чармоний |[pic] | |sss |[pic] | |

| | |(джей-пси) | | |(омега-) | |

|[pic] |Боттоний |Ипсилон | |udc |[pic] | |

| | | | | |(лямбда-цэ+)| |

|[pic] |[pic] |[pic] | |uuc |[pic] | |

| |(дэ0) |(дэ0*) | | |(сигма-цэ++)| |

|[pic] |[pic] |[pic] | |udb |[pic] | |

| |(бэ-) |(бэ*) | | |(лямбда-бэ) | |

Из наиболее изученных в настоящее время мезонов и мезонных резонансов

наибольшую группу составляют легкие неароматные частицы, у которых

квантовые числа S = C = B = 0. В эту группу входят около 40 частиц. Таблица

3 начинается с пионов [pic]±,0, открытых английским физиком С.Ф. Пауэллом в

1949 году. Заряженные пионы живут около 10-8 с, распадаясь на лептоны по

следующим схемам:

[pic]и [pic].

Их "родственники" в таблице - резонансы [pic]±,0 имеют в отличие от пионов

спин J = 1, они нестабильны и живут всего около 10-23 с. Причина распада

[pic]±,0 - сильное взаимодействие.

Причина распада заряженных пионов обусловлена слабым взаимодействием, а

именно тем, что составляющие частицу кварки способны испускать и поглощать

в результате слабого взаимодействия на короткое время t виртуальные

калибровочные бозоны: [pic]или [pic], причем в отличие от лептонов

осуществляются и переходы кварка одного поколения в кварк другого

поколения, например [pic]или [pic]и т.д., хотя такие переходы существенно

более редкие, чем переходы в рамках одного поколения. Вместе с тем при всех

подобных превращениях электрический заряд в реакции сохраняется.

Перейдем к рассмотрению тяжелых адронов - барионов. Все они составлены из

трех кварков, но таких, у которых имеются все три разновидности цвета,

поскольку, так же как и мезоны, все барионы бесцветны. Кварки внутри

барионов могут иметь орбитальное движение. В этом случае суммарный спин

частицы будет превышать суммарный спин кварков, равный 1/2 или 3/2 (если

спины всех трех кварков параллельны друг другу).

Барионом с минимальной массой является протон p (см. табл.). Именно из

протонов и нейтронов состоят все атомные ядра химических элементов. Число

протонов в ядре определяет его суммарный электрический заряд Z.

В табл. 3 показано кварковое состояние протона uud и нейтрона udd. Но при

спине этой комбинации кварков J = 3/2 образуются резонансы [pic]и

[pic]соответственно. Все другие барионы, состоящие из более тяжелых кварков

s, b, t, имеют и существенно большую массу. Среди них особый интерес

вызывал W--гиперон, состоящий из трех странных кварков. Он был открыт

сначала на бумаге, то есть расчетным образом, с использованием идей

кваркового строения барионов. Были предсказаны все основные свойства этой

частицы, подтвержденные затем экспериментами. Многие экспериментально

наблюденные факты убедительно говорят сейчас о существовании кварков. В

частности, речь идет и об открытии нового процесса в реакции соударения

электронов и позитронов, приводящей к образованию кварк-антикварковых

струй.

Эксперимент выполнен на коллайдерах в Германии и США. На рисунке показаны

стрелками направления пучков e+ и e-, а из точки их столкновения вылет

кварка q и антикварка [pic]под зенитным углом [pic]к направлению полета e+

и e-. Такое рождение [pic]пары происходит в реакции

[pic]

Как мы уже говорили, жгут (струна) силовых линий при достаточно большом

растяжении рвется на составляющие. При большой энергии кварка и антикварка,

как говорилось ранее, струна рвется во многих местах, в результате чего в

обоих направлениях вдоль линии полета кварка q и антикварка образуются два

узких пучка вторичных бесцветных частиц, как это показано на рисунке. Такие

пучки частиц названы струями. Достаточно часто на опыте наблюдается

образование трех, четырех и более струй частиц одновременно.

4. Практическая часть

В настоящее время пока еще мало материала, способствующего усвоению

учащимися основных понятий в физике элементарных частиц, поэтому реальный

смысл многих из них ускользает от учащихся, что приводит к отсутствию

глубоких знаний по предмету. Так довольно трудное понятие свойств

элементарных частиц и их строение, оказывается усвоенной ими формально. В

данной работе предлагается апробированная методика формирования этих

понятий.

Заключение

Физика Элементарных Частиц - или, как ее сейчас чаще называют, Физика

Высоких Энергий - одна из областей, составляющих сейчас передний край

фундаментальной науки. Исторически Физика Элементарных Частиц образовалась

как наука, изучающая и создающая модели вещества на самом глубоком уровне.

Однако по мере накопления знаний о структуре материи вопрос "как устроен

мир?" сменился вопросом "почему он так устроен?". Такая постановка вопроса

- это уже совершенно новый уровень претензии на понимание мира. Возможен ли

окончательный и всеохватывающий ответ на этот вопрос? До каких пределов

может развиваться наше знание о фундаментальном устройстве мира? Что ждет

физику элементарных частиц в будущем?

Двадцатый век стал свидетелем нескольких замечательных моментов синтеза

разнородных областей физики. Синтез термодинамики с электродинамикой

Максвелла, проведенный М.Планком в 1900 г., положил начало квантовой теории

- совершенно новому взгляду на окружающий мир. За ним быстро последовал

синтез классической механики и электродинамики (А.Эйнштейн, 1905 г.),

приведший к созданию специальной теории относительности. Далее, в 20-х

годах из слияния электродинамики с квантовой теорией была создана квантовая

электродинамика.

Все это случилось менее чем за 30 лет. Оставшаяся часть 20-го века

принадлежала, по существу, эксперименту, который привел к созданию того,

что сейчас называется физикой элементарных частиц. В это время было открыто

большое количество частиц. Были экспериментально обнаружены сильные и

слабые взаимодействия, и лишь позже была понята их роль в микромире.

Наконец, к 70-м годам века, картина прояснилась настолько, что стала видна

единая природа слабых и электромагнитных взаимодействий. Теория,

осуществившая их синтез, - теория электрослабых взаимодействий - явилась

фундаментом современной Стандартной Модели Физики Элементарных Частиц.

Сильные взаимодействия также поддались описанию с помощью обобщения методов

квантовой электродинамики - так родилась квантовая хромодинамика, теория,

описывающая "цветовое" взаимодействие кварков и глюонов.

Все эти силы, включая и гравитационные, описываются одним и тем же классом

фундаментальных теорий - так называемыми калибровочными теориями. Поведение

всех этих сил на малых расстояниях описывается одним и тем же законом:

1/r2. Единственное отличие между разными силами заключается в том, что они

"чувствуют" разные характеристики частиц: электрослабые и сильные

взаимодействия чувствуют сохраняющиеся "заряды", а гравитационное

взаимодействие - также сохраняющуюся энергию. Поэтому в последние годы все

усиливается предчувствие, что все четыре взаимодействия имеют единые корни,

поэтому в этом направлении возможен новый синтез - Великое Объединение.

Еще один особый вид синтеза, разворачивающийся в настоящее время, - это

объединение физики элементарных частиц и космологии. Астрономия и

астрофизика 20-го века имеет и свою богатую историю, однако с появлением

космологии Большого Взрыва во второй половине века стало ясно, что Физика

Элементарных частиц и космология тесно переплетены друг с другом. Их

совместное развитие является иллюстрацией того, как тесно связаны

физические явления, разворачивающиеся на самых больших расстояниях во

Вселенной, с явлениями, происходящими на микроскопически малых расстояниях.

Поэтому, чтобы попытаться увидеть будущее Физики Элементарных частиц, надо

понимать, какие достижения можно ожидать во всех трех областях. Можно ли

рассчитывать на дальнейший прогресс в физике? Существуют ли его пределы или

принципиальные ограничения?

Ключевое слово в Физике Элементарных частиц - это энергия. Типичные

экспериментально достижимые энергии сталкивающихся частиц менялись в

течение века от нескольких электронвольт (эВ) в первых вакуумных камерах до

триллиона эВ (ТэВ) в коллайдере ТэВатрон в лаборатории им. Э.Ферми в

Чикаго. Грубо говоря, рост достижимой энергии в 20-м веке был

экспоненциальным: энергия удваивалась в среднем каждые 2.5 года.

Сверхвысокие энергии не являются единственным способом узнать новое о

природе. Есть особые зоны и при умеренных энергиях, где тщательное и

кропотливое изучение тонких эффектов может привести (и приводит!) к

открытиям. Такие ускорители называются "фабриками". Они работают на одной

энергии и избирательно изучают необычные свойства каких-то конкретных

частиц. Так, сейчас имеются "[pic]-фабрики", "Z-фабрики" и т.д., работающие

на энергиях [pic]-мезона, Z-бозона и т.д. соответственно. Идея "фабрик"

оказалась очень плодотворной, так что в будущем ожидается создание и других

фабрик.

Принципиально иным направлением экспериментальной Физики Элементарных

частиц является неускорительная физика. Идея заключается в том, что в

природе и так существуют потоки частиц высокой энергии (иногда даже выше,

чем энергии, достижимые на ускорителях), поэтому наша задача - это всего

лишь научиться их регистрировать. Два основных класса таких частиц - это

заряженные космические лучи внесолнечного происхождения и потоки нейтрино,

преимущественно солнечные и атмосферные.

Однако неускорительную физику вряд ли ожидает роль лидера экспериментальной

Физики Элементарных частиц - слишком уж неэффективно пассивное

экспериментальное наблюдение. Поэтому продолжается поиск принципиально

новых возможностей для увеличения энергии линейных коллайдеров. Здесь мы

встречаемся с новой принципиальной трудностью. Для того, чтобы разогнать

частицу до энергий порядка 1000 ТэВ или выше на типичных дистанциях не

более 100 км, требуется создать ускоряющий градиент электрического поля

порядка 1 Вольт на ангстрем. Но настолько сильные поля уже будут вырывать

электроны из атомов и изменять структуру практически любых материалов.

Поэтому при первой же попытке разогнать частицы таким сильным полем сам

ускоритель начнет разрушаться!

Есть ли какие-нибудь идеи, как обойти эту трудность? Сейчас мы стоим на

пороге новой технологии - нанотехнологии. Не исключено, что будущий

прогресс нанотехнологии позволит создать микроскопические ускорительные

ячейки с нужным градиентом поля. После разгона частицы и разрушения ячейки

смогут регенерироваться за достаточно короткое время, чтобы обеспечить

приемлемую интенсивность пучка. Однако это мечты далекого будущего -

современная технология на такое не способна.

Обратимся теперь к теоретической физике элементарных частиц. Первый вопрос

- объяснение недавно обнаруженных масс и смешивания разных нейтрино.

Основной вопрос здесь - почему массы нейтрино столь малы? Как оказалось,

что в теории, где характерные массы частиц составляют миллионы и миллиарды

эВ, появляются частицы в миллионы раз легче? Предложено несколько моделей

объясняющих это явление; среди них выделяется наиболее элегантная,

опирающаяся на Великое Объединение. Реализуется ли этот вариант в природе

или же это всего лишь красивая теоретическая конструкция? Ближайшее будущее

покажет.

Другая важная проблема связана с поиском бозона Хиггса. Теория

электрослабого взаимодействия, уже неоднократно подтвержденная

экспериментом, неизбежно предсказывает его существование. Однако на опыте

хиггсовский бозон пока не открыт. В чем тут дело? Может, он слишком тяжел

для современных экспериментов? А может ли теория предсказать его массу? Или

же бозона Хиггса вообще нет?

Следующая по очереди проблема - это реализуется или нет в природе

Суперсимметрия? Если это так, то мы опять станем свидетелем нового синтеза

в Физике Элементарных частиц и пересмотра взглядов на то, как устроен мир.

Наконец, еще одна задача - наиболее сложная из перечисленных - это

построение квантовой теории гравитации. На основании тех результатов,

которые сейчас появляются в этом направлении, можно судить, что решение

этой задачи одновременно даст и ответ на многие фундаментальные вопросы о

структуре вещества, пространства, времени: почему в природе существует

минимальный электрический заряд? Почему фундаментальные постоянные имеют

именно такие, а не иные, значения? Почему наше пространство трехмерно?

Почему нам дан именно такой набор элементарных частиц? Физика элементарных

частиц еще далека от насыщения. Несмотря на некоторое замедление в ее

развитии, в ближайшие 10-15 лет вступит в строй новое поколение

ускорителей, что гарантирует нам несколько существенных открытий в Физике

элементарных частиц. Это неизбежно приведет к принципиально новому и более

глубокому пониманию природы.

Список используемой литературы:

1. Л. Б. Окунь. "Физика элементарных частиц" Москва "Наука" главная

редакция физико-математической литературы 1988.

2. Г. Челлен. "Физика элементарных частиц" Издательство "Наука" главная

редакция физико-математической литературы 1966.

3. Г. А. Лексин "Соросовский образовательный журнал", N 12, 1996.

4. по докладу Дж.Бьёркена на "Международной Конференции по Фундаментальным

наукам: Математическая и Теоретическая Физика", Сингапур, 13-17 Марта 2000.

5. Намбу И. "Почему нет свободных кварков" Успехи физических наук 1978.

6. Зельдович Я.Б. "Классификация элементарных частиц и кварки в изложении

для пешеходов" Успехи физ. наук. 1965.

7. "Методика преподавания физики в средней школе" под редакцией С.Е.

Каменецкого, Л.А. Ивановой Москва "Просвещение" 1987.

8. С.Ф. Шебалин "Нейтроны" под редакцией доктора физико-математических наук

профессора П.А. Ямпольского Просвещение 1969.

9. С.Д. Захаров, И.И, Тугов, Б.Е. Явелов "Физка наших дней" Издательство

"Знание" Москва 1977.

10. Г. Линднер «Картины современной физики» Москва «Мир» 1977.

11. Г.Я. Мякишев «Элементарные частицы» Москва «Просвещение» 1973.

12. Дж. Орир «Популярная физика» Москва «Мир» 1969.

-----------------------

[1] Нуклон – общее название для протонов и нейтронов.

[2] 1 ферми – единица ядерной физики, равная 10-15м.

[3] Позитрон – антипод электрона, т.е. электрон, имеющий положительный

заряд.

[4] 1 Гэв = 109 эв

-----------------------

p+

1023Ne

1) 1124*Na

n

1123Ne

3) 1124*Na

?

920F

2) 1124*Na

2n

1122Na

4) 1124*Na

Рис 9

[pic]

Рис 4

Страницы: 1, 2, 3, 4, 5