Взаимопревращаемость элементарных частиц. Законы сохранения и симметрия в мире элементарных частиц. Виртуальные частицы. Кварки и глюоны. На пути к Великому Объединению

Важнейшим свойством элементарных частиц является их взаимопревращаемость. Даже стабильные частицы не испытывают превращений лишь в свободном, то есть изолированном от других частиц состоянии. При взаимодействии же с другими частицами все частицы, в том числе и стабильные, могут испытывать превращения, в результате которых вместо исходных возникают новые частицы. Для превращений квазистабильных и нестабильных частиц взаимодействие с другими частицами необязательно, они и так самопроизвольно распадаются, порождая новые частицы.

Таким образом, превращения элементарных частиц происходят либо при так называемых неупругих процессах (реакциях) взаимодействия частиц A и B:

, (11.1)

либо при распадах нестабильных частиц:

, (11.2)

Кроме того, возможно упругое рассеяние

,

при котором частицы не испытывают превращений, а лишь изменяют состояние своего движения.

Примерами неупругих процессов являются аннигиляция (взаимное уничтожение) пары электрон-позитрон с рождением двух фотонов:

(11.3)

и рождение электрон-позитронной пары при соударении достаточно энергичного фотона (его энергия должна превышать удвоенную энергию покоя электрона: ) с заряженной частицей X (как правило – с атомным ядром):

. (11.4)

Неупругими являются также процесс возникновения протон-антипротонной пары при столкновении двух протонов с большой кинетической энергией:

. (11.5)

и процесс рождения антинейтрона в реакции «перезарядки»:

. (11.6)

При соударениях известных частиц с большими энергиями было открыто большинство ранее неизвестных частиц. До начала 50-х годов основным источником частиц с высокими энергиями служило космическое излучение, а в настоящее время такими источниками служат ускорители заряженных частиц, в том числе - со встречными пучками.

Так, вначале в космических лучах, а затем - с помощью ускорителей наблюдались реакции возникновения странных частиц, например

, (11.7)

. (11.8)

Примерами распадов, протекающих по схеме (11.2), являются распады не стабильных частиц, приведенных в таблице 11.2, с образованием продуктов, указанных в последнем столбце этой таблицы.

Важнейшим принципом, позволяющим анализировать результаты экспериментов и планировать новые опыты, является необходимость соблюдения при взаимопревращениях элементарных частиц ряда законов сохранения. Кроме известных из классической физики законов сохранения энергии, импульса, момента импульса и электрического заряда, безусловно выполняющихся во всех явлениях микромира, при взаимодействиях элементарных частиц соблюдается еще целый ряд специфических законов сохранения, не имеющих аналогов в макромире. Так, во всех опытах при взаимопревращениях, обусловленных взаимодействиями любого типа, выполняются законы сохранения барионного и лептонного зарядов.

Запишем, например, уравнение реакции распада нейтрона (см. таблицу 11.2), подписав под условным обозначением каждой частицы значения ее лептонного, барионного, а также электрического зарядов:

0 0 1 -1

1 1 0 0

0 1 -1 0.

Видно, что сумма значений зарядов L, B, q продуктов реакции (p, ) равна значениям этих зарядов исходной частицы (n).

Некоторые законы сохранения выполняются при одних взаимодействиях и нарушаются при других. Так реакции (11.7) и (11.8) протекают очень быстро в результате сильного взаимодействия, и при этом выполняется закон сохранения странности:

0 0 1 -1

0 0 1 -1 0

Распад же образующихся при этом странных частиц протекает сравнительно медленно, так как обусловлен слабым взаимодействием, и при этом странность не сохраняется. Действительно, в таблице 11.2 приведены различные варианты распада странных частиц , но во всех случаях все образующиеся частицы имеют странность S=0. Таким образом, закон сохранения странности выполняется при сильном взаимодействии (а также электромагнитном), но нарушается при слабом взаимодействии.

В физике элементарных частиц известен ряд таких нестрогих законов сохранения.

Как было показано в главе 6, механические законы сохранения связаны с симметрией физического пространства-времени. Идея о связи законов сохранения и симметрии оказалась очень плодотворной для физики элементарных частиц и для выяснения природы фундаментальных взаимодействий.

Однако, законы сохранения электрического, лептонного и барионного зарядов, странности и ряда других величин связаны не с очевидными и наглядными симметрийными свойствами пространства-времени, а с симметричностью волновых функций, описывающих микрочастицы, относительно определенных математических преобразований.

Примером связи физических свойств микрочастиц с симметрийными свойствами их волновых функций является связь спина частиц с симметричностью волновой функции относительно перестановки частиц. Эта связь обусловлена также квантовомеханическим принципом тождественности (неразличимости) частиц одинакового типа.

Для понимания этого принципа рассмотрим вначале столкновение двух классических (не обладающих волновыми свойствами) частиц, первая из которых движется слева, вторая - справа (рисунок 11.1). Пусть после соударения одна из частиц отлетает вверх, другая - вниз. В классической механике можно различить частицы и после удара, для чего, проследив их траектории при ударе, установить, какая из них пошла вверх, какая - вниз, то есть какой из вариантов, показанных на рисунок 11.1, реализуется при данном взаимодействии. Для микрочастиц, обладающих волновыми свойствами, понятие траектории теряет смысл, область взаимодействия частиц оказывается «размытой» и в принципе невозможно установить, какая из частиц после соударения пошла вверх, какая - вниз. Следовательно, однотипные частицы становятся полностью неразличимыми - тождественными.

Рисунок 11.1 - Соударение двух частиц: а) и б) - два варианта соударения классических частиц, в) - соударение квантовых частиц.

Принцип тождественности одинаковых частиц на языке волновых функций можно сформулировать так. Для системы из двух одинаковых частиц вероятность обнаружения какой-либо из них в некоторой области пространства описывается квадратом модуля волновой функции , где 1 и 2 обозначают совокупность координат и спинов первой и второй частицы. Тождественность частиц означает, что их перестановка не изменяет эту вероятность:

.

Следовательно, либо , либо . В первом случае, когда перестановка частиц не изменяет волновой функции, она называется симметричной, во втором случае - антисимметричной.

Было доказано, что частицы с антисимметричной волновой функцией обладают полуцелым спином и являются фермионами, частицы с симметричной относительно перестановки волновой функцией имеют целочисленный спин и являются бозонами.

Примером симметрии, выполняющейся не при любом взаимодействии, является симметрия относительно зарядового сопряжения, то есть замены всех частиц, участвующих в каком-либо взаимодействии, на их античастицы. Опыт показал, что операция зарядового сопряжения не изменяет закономерностей процессов, обусловленных сильным и электромагнитным взаимодействиями. Это означает, что любому реальному процессу, обусловленному этими взаимодействиями, соответствует столь же реальный идентичный процесс, отличающийся лишь заменой всех частиц на античастицы и наоборот. При слабом же взаимодействии симметрия относительно зарядового сопряжения нарушается и замена частиц, участвующих в какой-либо реакции, на античастицы изменяет параметры реакции.

Рассмотрим, например, вызванные слабым взаимодействием реакции распада мюона и его античастицы :

,

.

Продукты распада в этих двух реакциях зарядово сопряжены, но ввиду того, что реакции обусловлены слабым взаимодействием, их геометрические свойства оказываются различными - они отличаются направлениями разлета частиц.

Остановимся на рассмотрении механизма фундаментальных взаимодействий. По всей видимости, этот механизм аналогичен для всех четырех фундаментальных взаимодействий, то есть все они имеют обменный характер. В качестве элементарных актов каждого взаимодействия выступают процессы испускания и поглощения данной частицей A некоторой частицы X, как раз и определяющей тип данного взаимодействия. Сама частица A может остаться неизменной, а может и превратиться в другую частицу B:

. (11.9)

Расположенная поблизости частица C также способна поглощать и испускать частицу X:

. (11.10)

Если A испустит X, а C поглотит X или наоборот, то промежуточная частица X, сыграв роль как бы «катализатора», исчезнет, а между A, B и C, D возникнет взаимодействие, которое приведет к превращению

. (11.11)

При и имеет место упругое рассеяние. Описанное взаимодействие и называется обменным; частицы A, B, C, D называются участниками взаимодействия, частица X - его переносчиком.

Однако, казалось бы, указанный механизм взаимодействия противоречит закону сохранения энергии, что особенно очевидно для процесса , где исходная частица неподвижна и имеет минимальную энергию, равную энергии покоя . За счет какого источника энергии возникает частица X, также обладающая некоторой энергией?

Объяснение состоит в том, что в микромире действуют законы квантовой механики, гораздо менее наглядные, чем законы классической физики. В частности, имеет место соотношение неопределенностей для энергии и времени (9.6):

, (11.12)

из которого следует, что для процессов длительностью не более , полная энергия системы не имеет строго определенного значения, а определена лишь с точностью . То есть для нестационарных состояний длительностью соотношение неопределенностей (11.12) как бы допускает нарушение закона сохранения энергии на величину

. (11.13)

В случае обменного взаимодействия частица X испускается частицей A и быстро поглощается частицей C. На время существования частицы X энергия системы увеличивается, как минимум, на величину ее энергии покоя , но это возможно, если время существования частицы X не превышает , определяемого из (11.12):

. (11.14)

Радиус взаимодействия R есть максимальное расстояние, на которое частица X может отойти от A за время , то есть , где c - скорость света. Учитывая (11.14), получаем, что

. (11.15)

Из (11.15) можно сделать следующие выводы. Во-первых, зная радиус некоторого взаимодействия, можно оценить массу его переносчиков. Так, Юкава, зная радиус ядерного взаимодействия R~(1÷2)·10^-15 м, оценил массу его переносчиков m=(200÷300)· , что совпало с массой обнаруженных впоследствии -мезонов и послужило подтверждением изложенной теории. Во-вторых, из (11.15) следует, что радиус взаимодействий, осуществляемых безмассовыми переносчиками (с массой покоя =0), стремится к бесконечности.

Это предсказание теории вполне оправдано для электромагнитного взаимодействия, у которого , а переносчиком является фотон с нулевой массой покоя. Кроме того, это предсказание позволяет предположить, что и гипотетический переносчик гравитационного взаимодействия - гравитон - также не имеет массы покоя.

Отметим, что переносчик X взаимодействия не может реально наблюдаться и быть зарегистрированным в процессе обмена между частицами A и C; он «обречен» возникнуть и быть поглощенным. Такие короткоживущие частицы, во время существования которых как бы нарушается определяемая законами сохранения связь энергии, массы и импульса системы, называются виртуальными частицами, а состояние системы, в котором имеются виртуальные частицы, - виртуальным состоянием. Применительно к виртуальным частицам сам термин «существование» имеет отличную от обыденной трактовку. С одной стороны, виртуальные частицы, несомненно, реальны, их наличие проявляется в возникновении вызванного ими взаимодействия, с другой стороны, каким-то образом зарегистрировать факт их существования невозможно.

Уже указывалось, что к 60-ым годам количество известных частиц составило несколько сотен, особенно многочисленной оказалась группа адронов. Возникло естественное сомнение в том, что все они являются истинно элементарными, то есть простейшими неразложимыми «кирпичиками» материи. Ряд экспериментов также указывал на наличие внутренней структуры адронов. Были предприняты многочисленные попытки классифицировать адроны и выявить минимальный набор истинно элементарных, фундаментальных частиц.

Вообще стремление к уменьшению числа базовых элементов, из которых состоят сложные структуры, а также к установлению минимального набора параметров и базовых законов, позволяющих описывать исследуемые объекты, характерно для многих наук, в том числе - и для физики. Эта тенденция к минимизации базового набора элементов, понятий, параметров и законов есть проявление принципа редукционизма (от лат. reductio - отодвигание назад, возвращение к прежнему состоянию). В широком плане редукционизм есть методологический принцип, согласно которому высшие формы движения материи могут быть полностью объяснены на основе закономерностей, свойственных низшим формам. Например, биологические явления - с помощью законов физики и химии, социальные - с помощью законов биологии.

Сведение сложного к простому отражает поиск наиболее общих, основных законов мироустройства, оно связано с представлением о материальном единстве мира. Однако абсолютизация принципа редукционизма неприемлема.

В решении проблемы фундаментальных частиц в настоящее время важнейшую роль играет кварковая модель строения адронов. Гипотеза о существовании кварков была выдвинута в 1964 г. М. Гелл-Манном и Г. Цвейгом (амер.). В ее первоначальном варианте предполагалось, что все адроны состоят из кварков трех типов («ароматов»): u, d, s (от англ. up, down, strange - верхний, нижний, странный) и их античастиц. Все кварки имеют спин J=1/2 и барионный заряд B=+1/3 (для антикварка, естественно, B= - 1/3). Неожиданным оказалось то, что электрический заряд кварков должен быть меньше казавшегося неделимым элементарного заряда и составляет 2/3 или 1/3 элементарного заряда (характеристики кварков приведены в таблице 11.3).

Барионы представляют собой комбинацию трех кварков, мезоны - кварка и антикварка. Присутствие в составе частицы странного s-кварка сообщает частице «странность». Затем с учетом новых экспериментальных фактов кварковая модель была расширена путем включения в нее c-кварка и b-кварка, сообщающих содержащим их частицам свойства «очарования» и «красоты». В настоящее время предполагается существование шестого – «истинного» t-кварка, однако частицы, содержащие этот кварк и обладающие свойством «истинности», пока не обнаружены.

Таблица 11.3 - Кварки и их характеристики

Название	Символ
Верхний (up) Нижний (down) «Очарованный» (charm) «Странный» (strange) «Истинный» (true) «Красивый» (beauty)	u d c s t b	+2/3 -1/3 +2/3 -1/3 2/3 -1/3		-1

В соответствии с этой моделью кварковый состав ряда адронов таков (в круглых скобках указана взаимная ориентация спинов кварков):

Сравнивая данные таблиц 11.2 и 11.3, нетрудно убедиться, что указанные наборы кварков обеспечивают должные значения всех параметров, характеризующих частицы. Обращают на себя внимание омега-минус-гиперон и ряд других барионов, содержащих по три идентичных кварка, что, казалось бы, запрещено принципом Паули, поскольку кварки являются фермионами.

Чтобы снять это противоречие Н.Н. Боголюбов (сов.), Й. Намбу (яп.), М. Хан (амер.) в 1965 г. предположили, что каждый тип («аромат») кварка может существовать в трех разновидностях, отличающихся новым квантовым числом, названным «цветом» кварка. Значения цвета обозначили R (red -красный), G (green - зеленый), B (blue - голубой), имея в виду, что в состав барионов входят кварки трех разных цветов, дающих в сочетании нейтральный белый цвет. Таким образом, состав гиперона таков: , входящие в него кварки отличаются «цветом» и принцип Паули соблюдается. Антикваркам приписали «антицвета» , которые можно рассматривать как дополнительные к основным цветам и дающие в сочетании с ними опять же белый цвет. Получается, что все адроны бесцветны, то есть «цвет» есть свойство, присущее лишь кваркам и необнаружимое у составленных из них частиц.

Многочисленные попытки обнаружить кварки в свободном состоянии были безуспешны. Объяснение этому, по-видимому, заключается в том, что сила притяжения кварков не уменьшается с расстоянием, как в случае любого другого взаимодействия, а, напротив, увеличивается. Поэтому для разделения адрона на отдельные кварки потребовалась бы бесконечно большая энергия, что невозможно в действительности.

В заключение остановимся на вопросе о создании единой теории всех взаимодействий, которая отражала бы предполагаемое единство их природы. Прецедент подобного объединения различных взаимодействий хорошо известен из истории физики. Долгое время электрическое и магнитное взаимодействия рассматривались как независимые, пока ряд экспериментов не обнаружил их взаимосвязь. Это позволило Дж. Максвеллу ввести понятие электромагнитного поля как единого посредника этих взаимодействий и создать теорию электромагнетизма, описывающую единую природу электрических и магнитных явлений. Сейчас известны факты, указывающие на возможность единства уже неоднократно упомянутых четырех фундаментальных физических взаимодействий. Один из таких фактов - сближение интенсивностей различных взаимодействий частиц при увеличении их кинетических энергий и уменьшении расстояния между ними.

Прогресс в выявлении единой природы различных взаимодействий связан с разработкой квантовой теории поля, в соответствии с которой частицы - переносчики взаимодействий являются квантами полей, соответствующих каждому из взаимодействий. Наиболее полно разработана и находится в отличном соответствии с экспериментом уже упомянутая квантовая электродинамика - теория, рассматривающая электромагнитное взаимодействие как обмен фотонами - квантами электромагнитного поля.

Сейчас практически завершена теория, по которой электромагнитное и слабое взаимодействия являются различными проявлениями единого взаимодействия, названного электрослабым. Стандартную теорию электрослабого взаимодействия (Нобелевская премия 1979 г.) создали в 60-70-х годах С. Вайнберг, Ш. Глэдшоу (амер.), А. Салам (пакист.). В основе этой теории лежит представление об особом физическом поле, ответственном как за слабое, так и за электромагнитное взаимодействие, переносчиками которых являются кванты этого поля - хорошо известный фотон и предсказанные данной теорией так называемые промежуточные векторные бозоны . Из формулы (11.15) следует, что ввиду чрезвычайной малости радиуса слабого взаимодействия (~10^-18 м) массы промежуточных векторных бозонов должны быть весьма большими. Блестящим успехом данной теории и физики в целом явилось экспериментальное открытие в 1983 г. промежуточных векторных бозонов. В согласии с предсказаниями теории их массы оказались большими: у бозонов около 81000 МэВ, у - около 93000 МэВ, а время жизни - очень маленьким (~10^-25 с).

В рамках кварковой модели адронов развивается новая теория - квантовая хромодинамика, в соответствии с которой «цвет» кварков играет для сильного взаимодействия ту же роль, что электрический заряд - для электромагнитного, а переносчиками сильного взаимодействия являются кванты соответствующего поля - восемь электронейтральных и безмассовых частиц, названных глюонами (от англ. glue - клей). Сложность квантовой хромодинамики обусловлена тем, что, в отличие от электронейтральных фотонов, глюоны сами несут «цвет» и поэтому вступают в сильное взаимодействие друг с другом. Из этой теории становится понятным, что лептоны не участвуют в сильном взаимодействии, поскольку не имеют «цвета». Сильное же взаимодействие «белых» адронов объясняется их кварковой структурой, то есть наличием у них «скрытых цветов».

Взаимодействие глюонов друг с другом объясняет, по-видимому, и невозможность выделения свободных кварков и то, что радиус сильного взаимодействия мал, несмотря на отсутствие массы покоя у его переносчиков.

Итак, на данный момент минимальный набор истинно элементарных (фундаментальных) частиц включает в себя кварки шести «ароматов» и трех «цветов», шесть лептонов, которым приписываются те же шесть «ароматов», что и кваркам, и их античастицы. Кроме того, к фундаментальным частицам относятся переносчики взаимодействий, то есть кванты соответствующих полей: фотон, восемь глюонов, промежуточные векторные бозоны и гипотетический гравитон.

Сейчас интенсивно разрабатываются различные варианты теории так называемого Великого объединения (Grand Unification), которая рассматривает электромагнитное, сильное и слабое взаимодействия как разные проявления единого взаимодействия. Фотоны, глюоны, промежуточные векторные бозоны по этой теории являются лишь разновидностями квантов единого поля. Перечисленные три взаимодействия объединяются в одно при гигантских энергиях взаимодействующих частиц: от 10⁹÷10¹¹ МэВ до 10¹⁷÷10¹⁹ МэВ по разным вариантам теории.

При еще больших энергиях частиц порядка 10²² МэВ ~ 10⁹ Дж или их сближении на так называемое планковское расстояние 10^-35 м соизмеримой становится и интенсивность гравитации. При этих условиях все четыре фундаментальные взаимодействия объединяются в единое физическое взаимодействие. Теория такого объединения, называемая теорией супергравитации, начинает разрабатываться в настоящее время.

Условия, при которых Великое объединение и даже супергравитация могли бы реализоваться, должны были иметь место вскоре после Большого взрыва на стадии очень ранней Вселенной, когда основную часть материи составляли частицы с колоссальными энергиями, совершенно недоступными современной науке. Итак, мы видим, что, как отмечалось в главе 4, проблемы, возникающие при изучении микромира (физика элементарных частиц) и мегамира (космология, космогония), во многом взаимосвязаны.

Современные исследования по физике элементарных частиц, единой теории взаимодействий, астрономии, космологии и космогонии дополняют друг друга, помогая созданию единой физической картины мира, охватывающей великое многообразие различных явлений на разных уровнях организации материи.