ФИЗИКА

9.1. Элементарные частицы

Дать строгое определение понятия элементарной частицы оказывается затруднительным. В качестве первого приближения можно понимать под элементарными частицами такие микрочастицы, внутреннюю структуру которых на современном уровне развития физики нельзя представить как объединение других частиц.

До конца XIX века на роль элементарных частиц претендовали атомы («атом» в переводе с греческого означает «неделимый»). Однако в начале ХХ века было показано, что атом состоит из электронов и ядра, которое в свою очередь состоит из протонов и нейтронов. Добавление к этим частицам фотонов и нейтрино позволило в начале 30-х годов ХХ века на основе законов квантовой механики объяснить природу химических элементов, их соединений, испускаемых ими излучений, а также процессы радиоактивного распада.

Казалось, что названные пять элементарных частиц являются, в конечном счёте, основными кирпичами мироздания.

Но эта кажущаяся простота вскоре исчезла. Не прошло и года после открытия нейтрона, как был открыт позитрон. В 1936 году среди продуктов взаимодействия космических лучей с веществом был обнаружен μ-мезон. В 1947 году был открыт π-мезон, а когда были построены ускорители, позволяющие получать частицы всё больших энергий, удалось открыть множество новых («субъядерных», т.е. не входящих в ядра и атомы) частиц. Их число в настоящее время приближается к 400-ам и, скорее всего, неограниченно велико.

И всё это множество частиц принято называть «элементарными частицами». Такой термин не означает, что эти частицы являются кирпичиками мироздания в том смысле, что все они образуют атомы: с этой задачей вполне удовлетворительно справляются протоны, нейтроны и электроны. Однако, эти частицы возникают в результате основных взаимодействий частиц обычного вещества, и многие из них прямым или косвенным образом участвуют в основных взаимодействиях в обычном веществе. Существование этих частиц скоротечно, ни одна из них (кроме позитрона) не живёт дольше нескольких микросекунд, а многие частицы распадаются примерно через 10-23 с после своего образования. Конечные продукты распадов этих частиц – обычные составные части вещества, т.е. протоны, электроны, фотоны, а также нейтрино. В настоящее время частицы, претендующие на роль первичных элементов материи, принято называть истинно элементарными.

По современным представлениям таких частиц 48: 36 кварков и 12 лептонов.

Существуют ли ещё более глубокие уровни строения материи в настоящее время неизвестно, хотя такие возможности обсуждаются и даже строятся конкретные модели (субкварки, преоны, ришоны и др.). Этот важнейший вопрос может быть решён только экспериментально. Из соотношения неопределённостей Δr ⋅ Δp ~ ħ следует, что для выявления деталей структуры с размером порядка Δr нужны зондирующие частицы с импульсами р, не меньшими . Таким образом, для изучения очень мелких деталей нужны частицы с очень большими энергиями. Максимальные значения энергии, достигнутые в ускорительных лабораториях сейчас, составляют ~ 103 ГэВ (1 ГэВ = 109 эВ), чему отвечают минимальные расстояния r ~ 10-19 м. На этих расстояниях выше указанные истинно элементарные частицы ещё не выявляют внутренней структуры. Но конструируются ускорители, которые позволят проникнуть вглубь материи на ещё меньшие расстояния. С их помощью надеются выяснить, в частности, столь ли уж фундаментальны на самом деле кварки и лептоны.

к к к