Элементарные частицы

Конспект лекции

Аннотация: знакомство с историей открытия, свойствами элементарных частиц. Традиционное изложение темы.

Содержание

 

100 лет назад были известны 3 элементарные частицы, сейчас (2020 год) более 350.

Термин "элементарные" первоначально предполагал, что эти частицы - кирпичики материи, которые не имеют внутренней структуры. На данный момент считаются бесструктурными только некоторые частицы (электрон, нейтрино, кварки и т. д.). Рассмотрим все по порядку.

Первое поколение элементарных частиц (электрон, протон, нейтрон, нейтрино, фотон)

Электрон

У.Крукс в своих опытах по пропусканию электрического тока через разреженные газы исследовал свойства излучения, испускаемого с катода. Это излучение

Крукс полагал, что это заряженные частицы газа.

В 1897 году английский физик Дж. Дж. Томсон, проведя опыты по действию на это излучение электрического и магнитного полей, определил скорость частиц, составляющих излучение. Оказалось, что она гораздо меньше скорости света и, следовательно, излучение не могло быть электромагнитной волной (была и такая точка зрения). Измерив массу частиц, ученый пришел к выводу, что лучи состоят из очень легких, отрицательно заряженных частиц. Он назвал эти частицы "корпускулами", позднее прижилось название "электрон".

В 1906г. Дж. Томсону присуждена Нобелевская премия:

1906

SIR JOSEPH JOHN THOMSON in recognition of the great merits of his theoretical and experimental investigations on the conduction of electricity by gases.

(за заслуги в его теоретических и экспериментальных исследованиях электропроводности газов)

Можно считать днем рождения электрона 30 апреля 1897 года — дату доклада Томсоном полученных им результатов на заседании Лондонского королевского общества.

Масса электрона me = 9.1·10-31 кг, заряд e = 1.6·10-19 Кл, спиновое квантовое число s = 1/2, магнитный момент μe = 1.00116 μБ, где μБ - магнетон Бора, четность положительная.

Протон

Э.Резерфорд проводил опыты с источником α-частиц, помещенном в камеру, которая могла наполняться разными газами. В стенке камеры напротив источника сделано отверстие, закрытое фольгой. Толщина фольги превышала пробег α-частиц. Экран из сернистого цинка устанавливался вне камеры для наблюдения сцинтилляций, вызываемых частицами, покидающими камеру. Это, например, "быстрые атомы, образующиеся при прохождении α-частиц через водород". Э.Резерфорд выяснил, что при заполнении камеры азотом появлялись частицы с аномально большим пробегом. Из результатов опытов стало ясно, что частицы, вызывающие сцинтилляции, возникают в объеме газа. Вывод Э.Резерфорда: "На основе полученных результатов трудно удержаться от заключения, что длиннопробежные атомы, возникающие при столкновениях α-частиц с азотом, это не атомы азота, а, по-видимому, атомы водорода или атомы с массой 2. Если это действительно так, то мы должны сделать вывод, что атом азота распадается под действием громадных сил, развивающихся при близком столкновении с быстрой α-частицей, и что освобождающийся атом водорода образует составную часть атома азота". В таких осторожных выражениях Э.Резерфорд в 1919 году сообщил об открытии частицы, названной им протоном.

Первая ядерная реакция превращения азота в кислород, выполненная Резерфордом на данной установке выглядит так

первая ядерная реакция.

Масса протона mp = 1.673·10-27 кг, заряд qp = 1.6·10-19 Кл, спиновое квантовое число s = 1/2, магнитный момент μp = 2.7928 μБ, четность положительная.

Фотон

Фотон – элементарная частица, лишенная массы покоя и электрического заряда, но обладающая энергией и импульсом. Это квант электромагнитного поля, которое осуществляет взаимодействие между заряженными частицами. Фотону как квантовой частице свойственен корпускулярно-волновой дуализм, он проявляет одновременно свойства частицы и волны. Появился в теории М.Планка (1900 г.), объясняющей спектр абсолютно черного тела, утвердился в работах А.Эйнштейна по фотоэффекту (1905 г.). Эйнштейн показал, исходя из справедливости закона излучения абсолютно чёрного тела, что квант энергии должен также обладать импульсом. Импульс фотона был обнаружен экспериментально Артуром Комптоном (эффект Комптона).

Масса фотона mγ = 0, заряд e = 0, спиновое квантовое число s = 1, магнитный момент μe = 1.00116 μБ, где μБ - магнетон Бора, четность положительная.

Нейтрон

В 1930 г. Боте и Беккер обнаружили, что при облучении бериллия и лития α-частицами они испускают излучение, очень слабо поглощаемое свинцом. Слабое поглощение внушило предположение, что это γ-излучение. Далее Ирен и Фредерик Жолио-Кюри было обнаружили, что это излучение выбивает из парафина протоны с энергией 4.3 МэВ. Их следы наблюдали в камере Вильсона. Предположили, что протоны выбиваются γ-квантами за счет эффекта, аналогичного комптон-эффекту. Расчеты показали, что такой процесс не согласуется с законом сохранения энергии.

Открытие нейтрона (27 февраля 1932) принадлежит физику Джеймсу Чадвику, который объяснил результаты опытов В. Боте и Г. Беккера. Он провёл серию экспериментов, в которых он показал, что гамма-лучевая гипотеза несостоятельна. Чадвик предположил, что это излучение состоит из незаряженных частиц с массой, близкой к массе протона, и провёл измерения, подтвердивших эту гипотезу. Эти незаряженные частицы были названы нейтронами. Интересно, что ранее Чадвик безуспешно пытался обнаружить нейтроны при электрических разрядах в водороде.

Ядерная реакция, в которой происходило образование нейтрона, выглядит так

ядерная реакция открытия нейтрона.

Открытие нейтрона отмечено присуждением в 1935 году Джеймсу Чадвику Нобелевской премии:

1935

SIR JAMES CHADWICK for the discovery of the neutron.

Масса нейтрона mn = 1.6749·10-27 кг, заряд qn = 0, спиновое квантовое число s = 1/2, магнитный момент μp = -1.913 μБ, четность положительная.

Нейтрино

Гипотеза о существовании нейтрино была выдвинута швейцарским физиком В.Паули в 1930 для объяснения свойств β-распада ядер. Сложности были в кажущемся несоблюдении закона сохранения энергии. Паули писал "Я допускаю, что мой прием может на первый взгляд показаться довольно невероятным, потому, что, если бы нейтрино существовало, то оно давно было бы открыто. Тем не менее, кто не рискует, тот не выигрывает. Поэтому мы должны обсуждать любой путь к спасению."

Возможность экспериментально обнаружения нейтрино (точнее антинейтрино, у которого импульс и спин направлены в одну сторону) появилась только после открытия деления ядер и развития реакторостроения. Атомный реактор является мощным источником нейтронов, которые распадаются с испусканием антинейтрино по схеме

распад нейтрона
 Схема распада   Рис.1 Схема опыта по обнаружению нейтрино  

В 1956 г. Ф.Райнесу и К.Коэну (США) удалось в результате сложного эксперимента доказать существование антинейтрино. Как предсказывал В. Паули, нейтрино имеет очень маленькое сечение взаимодействия с веществом σ ~ 10-47 м2. Свидетельством существования антинейтрино явилось наблюдение реакции

реакция с нейтрино

В больших баках (2) (объем ~ 1400 л) находился жидкий сцинтиллятор, (3) - это водяные мишени ( ~ 200 л). Баки просматривались фотоумножителями (4). Позитроны быстро замедлялись и аннигилировали с электронами e+ + e- -> γ + γ. Два кванта, разлетающиеся в противоположные стороны, регистрируются сцинтилляционными детекторами, включенными в схему совпадений (первый импульс на рис.1). Нейтроны замедляются (~10 мкс), захватываются ядрами кадмия. Последние, переходя в основное состояние, излучают γ-кванты. Их регистрация дает второй импульс (рис.1).

Все эти сложности нужны, чтобы выделить очень редкие полезные события на громадном фоне сигналов, не связанных с регистрацией антинейтрино. Итак, событие состоялось, если одновременно два детектора регистрировали импульсы от γ-квантов с энергией 0.511 МэВ, а затем через 10 мкс фиксировалось γ-излучение возбужденного ядра кадмия. После примерно 1400 часов работы скорость счета антинейтрино составила (2.88±0.22) импульса в час.

Важность экспериментального подтверждения существования нейтрино подчеркнута присуждением в 1995 году Ф. Райнесу Нобелевской премии (К.Коэн не дожил до этого времени):

1995

FREDERICK REINES for the detection of the neutrino

(за обнаружение нейтрино)

Масса нейтрино mν ~ 0 (если не 0, то обязательно много меньшей массы электрона), заряд qν = 0, спиновое квантовое число s = 1/2, магнитный момент μν = < 10-10μБ.

Возник вопрос: нейтрино и антинейтрино - это разные частицы? Если это одна и та же частица, должны идти обе реакции

превращение нейтрона

Для проверки первой источником антинейтрино мог служить атомный реактор. Так как в природе нет нейтронных мишеней, эксперимент можно было поставить только на нейтронах, входящих в состав атомного ядра. В 1946 г. Б. Понтекорво предложил использовать для этой цели реакцию:

превращение нейтрона

Один из нейтронов, входящих в состав ядра 37Cl, превращается в протон, что приводит к образованию радиоактивного изотопа 37Ar с периодом полураспада 35.04 суток. Такой эксперимент был поставлен в 1956 году P. Дейвисом в Брукхейвене (США). В качестве мишени использовалось около 4000 литров раствора четыреххлористого углерода. Каждый сеанс облучения продолжался 2 месяца. Аргон не был обнаружен! Вывод - нейтрино, образующиеся в результате β+- и β--распадов разные частицы – они являются частицей и античастицей.

 

Второе поколение элементарных частиц (мюон, π-мезон, странные частицы)

Мюон

Год открытия - 1937. Искали носителя ядерного взаимодействия, анализируя состав космических лучей. К.Андерсон обнаружил частицы, которые при прохождении в магнитном поле отклонялись в меньшей степени, чем электроны, но сильнее, чем протоны. Было сделано предположение, что их электрический заряд был равен заряду электрона, и для объяснения различия в отклонении было необходимо, чтобы эти частицы имели промежуточную массу (лежащую где-то между массой электрона и массой протона). Однако было выяснено, что мюон не вступает в сильные взаимодействия, и некоторое время (до открытия π-мезона) это поведение мюона оставалось загадкой. Масса мюона mμ ~ 270me, аналог электрона по всем свойствам, кроме массы. Мюон - частица нестабильная, время жизни 2.2·10-6 сек.

распад мюона

Отрицательно заряженный и положительно заряженный мюоны являются частицей и античастицей.

Пион (π-мезон)

Поиски частиц, ответственных за ядерное взаимодействие продолжались. Больших ускорителей для рождения частиц в то время не было, единственный источник - космические лучи. И в 1947 году в ядерных фотоэмульсиях, облученных космическими лучами на большой высоте над поверхностью Земли, найдены треки частиц, свидетельствующие о распаде новой частицы - пиона

распад пиона

В 1950 году С. Ф. Пауэллу присвоена Нобелевская премия за разработку метода фотоядерных эмульсий и открытие π-мезонов в космических лучах

1950

CECIL FRANK POWELL for his development of the photographic method of studying nuclear processes and his discoveries regarding mesons made with this method

В лабораторных условиях заряженные пионы были впервые получены через год на ускорителе в Беркли (США).

Пионы - группа из трёх нестабильных элементарных частиц — двух заряженных (π+ и π-) и одной нейтральной (π0). Заряженные распадаются на мюон такого же заряда и мюонное нейтрино или антинейтрино, а нейтральный за счёт электромагнитного взаимодействия на два γ-кванта.

распад нейтрального пиона

Массы заряженных пионов равны mπ = 264·me, а масса нейтрального чуть больше 273·me. Время жизни заряженных ~10-6 с, а нейтрального ~10-16 с. Пионы участвуют во всех известных типах взаимодействий элементарных частиц: сильном, электромагнитном, слабом и гравитационном. Действующие между нуклонами (протонами и нейтронами) в ядре силы обусловлены обменом пионами.

После открытия пионов и схемы их распада возник вопрос - электронное нейтрино νe и мюонное νμ это одна и та же частица или они разные? В опытах Л. Ледермана и др. в 1962 году было показано, что мюонное нейтрино отличается от электронного. Было показано, что во взаимодействиях нейтрино, образующихся при распаде пионов, с ядрами мишени рождаются мюоны:

взаимодействие нейтрино

и не происходит генерации электронов.

Странные частицы

В течение 10 лет после открытия пиона в результате изучения космических лучей и экспериментов на ускорителях таблица частиц начала быстро пополняться новыми частицами. Новые частицы обладали двумя особенностями - они рождались парами и имели большое время жизни (~10-10 с, а не характерное для ядерных взаимодействий 10-22 - 10-23 с). Например, при столкновении двух протонов наблюдалась реакция

рождение странных

в которой рождались две странные частицы Λ-частица и K+-мезон, которые затем распадались

распад странных

Для того чтобы объяснить такое поведение странных частиц М. Гелл-Манн и К. Нишиджима высказали предположение, что странные частицы являются носителем еще одного нового свойства, которое было названо странностью. Странность сохраняется в сильных и электромагнитных взаимодействиях, но не сохраняется в слабых взаимодействиях. Эта закономерность позволила сразу объяснить и парное рождение странных частиц в реакции сильного взаимодействия (см. выше реакция p + p) и большое время жизни частицы при распаде, происходящем за счет слабого взаимодействия.

Среди вновь открытых странных частиц оказались частицы, имеющие массу покоя больше массы покоя нуклона. Эти частицы были названы гиперонами. К ним относятся Λ, Σ0, Σ+, Σ-, Ξ0, Ξ-, Ω-.

Классификация элементарных частиц

Время шло, количество открытых частиц быстро росло. Встал вопрос об их классификации.

Во-первых, все частицы делятся на бозоны, у которых спин целый, и фермионы с полуцелым спином. Бозоны не ограничены принципом исключения Паули. Распределение энергии этих частиц можно описать, используя статистику Бозе-Эйнштейна. Важно что нет ограничений на количество бозонов, которые занимают одно и то же квантовое состояние. Волновая функция, которая описывает набор бозонов, должна быть симметричной относительно обмена одинаковыми частицами. В отличие от бозонов, два фермиона не могут одновременно занимать одно и то же квантовое состояние. Кроме того, волновая функция, описывающая совокупность фермионов, должна быть антисимметричной по отношению к обмену одинаковыми частицами.

Далее делим по типу взаимодействия:

 

В таблицу помещены только относительно долгоживущие частицы. Сотни короткоживущих, так называемых резонансов, в таблицу не попали. Последние распадаются в основном в результате сильного взаимодействия за время 10-22 - 10-24 с.

Таблица свойств элементарных частиц (с сайта physics.ru)

Группа Название частицы Символ Масса (в электронных массах) Электрический заряд Спин Время жизни (с)
Частица Античастица
Фотоны Фотон γ 0 0 1 Стабилен
Лептоны Нейтрино электронное νe 0 0 1 / 2 Стабильно
Нейтрино мюонное νμ 0 0 1 / 2 Стабильно
Электрон e e+ 1 –1      1 1 / 2 Стабилен
Мюон μ μ+ 206,8 –1      1 1 / 2 2,2·10–6
Адроны Мезоны Пи-мезоны π0 264,1 0 0 0,87·10–16
π+ π 273,1 1      –1 0 2,6·10–8
К-мезоны K + K 966,4 1      –1 0 1,24·10–8
K 0 974,1 0 0 ≈ 10–10–10–8
Эта-нуль-мезон η0 1074 0 0 ≈ 10–18
Барионы Протон p 1836,1 1      –1 1 / 2 Стабилен
Нейтрон n 1838,6 0 1 / 2 898
Лямбда-гиперон Λ0 2183,1 0 1 / 2 2,63·10–10
Сигма-гипероны Σ + 2327,6 1      –1 1 / 2 0,8?10–10
Σ 0 2333,6 0 1 / 2 7,4·10–20
Σ 2343,1 –1      1 1 / 2 1,48·10–10
Кси-гипероны Ξ 0 2572,8 0 1 / 2 2,9·10–10
Ξ 2585,6 –1      1 1 / 2 1,64·10–10
Омега-минус-гиперон Ω 3273 –1      1 1 / 2 0,82·10–11

 

Отдельную группу в таблице составляет ФОТОН - квант электромагнитного взаимодействия. В квантовой теории любое взаимодействие описывается в терминах обмена специфическими квантами (бозонами), соответствующими данному типу взаимодействия. Для сильного взаимодействия между кварками это ГЛЮОН, для слабого - это три частицы W+, W- и Z0 - бозоны. Последние были впервые обнаружены в 1983 г. на коллайдере (ЦЕРН) коллективом под руководством Карла Руббиа.

В 1984 году К.Руббиа и С.Мииру присвоена Нобелевская премия за вклад в проект, приведший к открытию квантов слабого взаимодействия.

1984

CARLO RUBBIA and SIMON van der MEER for their decisive contributions to the large project, which led to the discovery of the field particles W and Z, communicators of weak interaction.

Этому предшествовала гипотеза С. Вайнберга, А. Салама, Ш. Глэшоу (Нобелевские лауреаты, 1979 г.) о том, что электромагнитные и слабые взаимодействия могут быть объединены в единую электрослабую теорию.

И наконец, гравитационные взаимодействия переносятся ГРАВИТОНОМ – частицей с нулевой массой и спином, равным 2.

Современная теория строения и взаимодействий элементарных частиц называется СТАНДАРТНОЙ МОДЕЛЬЮ. Она базируется на квантовой электродинамике (описывает процессы, происходящие под действием электромагнитных сил), квантовой хромодинамике (описывающей процессы сильных взаимодействий) и теоретических и экспериментальных результатах исследований свойств частиц.
Фермионы (s = 1/2) Бозоны (s = 1)

кварки

u c t γ (фотон)
d s b g (глюон)

лептоны

νe νμ ντ Z0
e- μ- τ- W±

 

Подсчитаем: 6 кварков трех цветов с антикварками - это 36 плюс 12 лептонов и антилептонов, всего 48. Учтем бозоны - переносчики взаимодействий: 8 глюонов с разным сочетанием цветов плюс 4 получается 12. Всего 60! Не слишком и много для всей известной вселенной.

К этим частицам надо еще добавить новую скалярную частицу - бозон Хиггса.

На семинаре в ЦЕРНе в 2012 году было осторожно сказано: открыта новая частица и ее свойства согласуются с предсказанными свойствами бозона Хиггса. Бозон Хиггса — тяжелая частица. Его масса — 125 ГэВ/c2 (у протона, например, чуть меньше 1 ГэВ/c2). Спин равен нулю. Бозон Хиггса распадается в среднем за 10-22 с. Детектируется он по продуктам распада. На Большом Адронном Коллайдере наблюдали распад бозона Хиггса на два γ-кванта, набрав достаточную статистику (а это весьма редкое событие), нашли массу этой частицы. Результат на графике

 бозон Хиггса

Наблюдали и распад на четыре лептона. Бозон Хиггса может помочь объяснить, каким образом фундаментальные частицы приобретают массу.

В 2013 году Р. Хиггсу и Ф. Энглеру присвоена Нобелевская премия за открытие, приведшее к пониманию происхождения появления масс у субатомных частиц.

2013

PETER HIGGS for the theoretical discovery of a mechanism that contributes to our understanding of the origin of mass of subatomic particles, and which recently was confirmed through the discovery of the predicted fundamental particle, by the ATLAS and CMS experiments at CERN's Large Hadron Collider.

Обратите вниманиие на количество Нобелевских премий за открытия в физике элементарных частиц. Это говорит о значении этой области знания для человечества.

В заключение послушать и посмотреть (примерно 15 минут):


Контрольные вопросы



Если возникли какие-либо вопросы, напишите мне.