Фундаментальная частица. Простым языком об элементарных частицах, коллайдере и частице Бога Фундаментальные частицы кратко

Единицы измерения физических величин при описании явлений, происходящих в микромире, подразделяются на основные и производные, которые определяются через математическую запись законов физики.
В связи с тем, что все физические явления происходят в пространстве и времени, за основные единицы принимают в первую очередь единицы длины и времени, к ним присоединяется единица массы. Основные единицы: длины l , времени t, массы m − получают определенную размерность. Размерности производных единиц определяются формулами, выражающими определенные физические законы.
Размеры основных физических единиц подбирают так, чтобы на практике было удобно ими пользоваться.
В системе СИ приняты следующие размерности: длины [l ] = м (метр), времени [t] = с (секунда), массы [т] = кг (килограмм).
В системе СГС для основных единиц приняты следующие размерности: длины [/] = см (сантиметр), времени [t] = с (секунда) и массы [т] = г (грамм). Для описания явлений, происходящих в микромире, можно использовать обе системы единиц СИ и СГС.
Оценим порядки величин длины, времени и массы в явлениях микромира.
Кроме общепринятых международных систем единиц СИ и СГС используются также "естественные системы единиц", опирающиеся на универсальные физические константы. Эти системы единиц особенно уместны и используются в различных физических теориях. В естественной системе единиц за основные единицы приняты фундаментальные постоянные: скорость света в вакууме − с, постоянная Планка − ћ, гравитационная постоянная G N , постоянная Больцмана − k: число Авогадро − N A , и др. В естественной системе единиц Планка принято с = ћ = G N = k = 1. Этой системой единиц пользуются в космологии для описания процессов, в которых одновременно существенны квантовые и гравитационные эффекты (теории Черных дыр, теории ранней Вселенной).
В естественной системе единиц решена проблема естественной единицы длины. Таковой можно считать комптоновскую длину волны λ 0 , которая определяется массой частицы М: λ 0 = ћ/Мс.
Длина характеризует размер объекта. Так, для электрона классический радиус r 0 = e 2 /m e c 2 = 2.81794·10 -13 см (е, m е − заряд и масса электрона). Классический радиус электрона имеет смысл радиуса заряженного шара с зарядом е (распределение сферически симметрично), при котором энергия электростатического поля шара ε = γе 2 /r 0 равна энергии покоя электрона m e c 2 (используется при рассмотрении томпсоновского рассеяния света).
Используется также радиус боровской орбиты. Он определяется как расстояние от ядра, на котором с наибольшей вероятностью можно обнаружить электрон в невозбужденном атоме водорода
a 0 = ћ 2 /m e e 2 (в СГС-системе) и a 0 = (α/4π)R = 0.529·10 -10 м (в СИ-системе), α = 1/137.
Размер нуклона r ≈ 10 -13 см (1 фемтометр). Характерные размеры атомных систем − 10 -8 , ядерных систем − 10 -12 ÷ 10 -13 см.
Время изменяется в широком интервале и определяется как отношение расстояния R к скорости объекта v. Для микрообъектов τ яд = R/v = 5·10 -12 см/10 9 см/с ~ 5·10 -22 с;
τ элем ч = 10 -13 см/3·10 10 см/с = 3·10 -24 с.
Массы объектов изменяются от 0 до М. Так, масса электрона m е ≈ 10 -27 г, масса протона
m р ≈ 10 -24 г (СГС-система). Одна атомная единица массы, использующаяся в атомной и ядерной физике, 1 а.е.м. = М(С)/12 в единицах массы атома углерода.
К фундаментальным характеристикам микрообъектов следует отнести электрический заряд, а также характеристики, необходимые для идентификации элементарной частицы.
Электрический заряд частиц Q измеряется обычно в единицах заряда электрона. Заряд электрона е = 1.6·10 -19 кулон. Для частиц в свободном состоянии Q/e = ±1, 0, а для кварков, входящих в состав адронов, Q/e = ±2/3 и ±1/3.
В ядрах заряд определяется количеством протонов Z, содержащихся в ядре. Заряд протона по абсолютной величине равен заряду электрона.
Для идентификации элементарной частицы необходимо знать:
I − изотопический спин;
J − собственный момент количества движения − спин;
Р − пространственную четность;
С − зарядовую четность;
G − G-четность.
Эти сведения записываются в виде формулы I G (J PC).
Спин − одна из важнейших характеристик частицы, для измерения которой используется фундаментальная константа Планка h или ћ = h/2π = 1.0544·10 -27 [эрг-с]. Бозоны имеют целый спин в единицах ћ: (0,1, 2,...)ћ, фермионы − полуцелый (1/2, 3/2,.. .)ћ. В классе суперсимметричных частиц значения спинов фермионов и бозонов меняются местами.

Рис. 4 иллюстрирует физический смысл спина J по аналогии с классическим представлением о моменте количества движения частицы с массой m = 1 г, движущейся со скоростью v = 1 см/с по окружности с радиусом r = 1 см. В классической физике момент количества движения J = mvr = L (L − орбитальный момент). В квантовой механике J = = 10 27 ћ = 1 эрг·с для тех же параметров движущегося по окружности объекта, где ћ = 1.05·10 -27 эрг·с.
Проекция спина элементарной частицы на направление ее импульса называется спиральностью. Спиральность безмассовой частицы с произвольным спином принимает только два значения: по или против направления импульса частицы. Для фотона возможные значения спиральности равны ±1, для безмассового нейтрино спиральность равна ±1/2.
Спиновый момент количества движения атомного ядра определяется как векторная сумма спинов элементарных частиц, образующих квантовую систему, и орбитальных моментов этих частиц, обусловленных их движением внутри системы. Орбитальный момент ||, и спиновый момент || приобретают дискретное значение. Орбитальный момент || = ћ[l (l +1)] 1/2 , где l − орбитальное квантовое число (может принимать значения 0, 1,2,...), собственный момент количества движения || = ћ 1/2 где s − спиновое квантовое число (может принимать нулевые, целые или полуцелые значенияJ, полный момент количества движения равен сумме + = .
К производным единицам следует отнести: энергию частицы, быстроту, заменяющую скорость для релятивистских частиц, магнитный момент и др.
Энергия покоящейся частицы: Е = mc 2 ; движущейся частицы: Е = m 2 c 4 + p 2 c 2 .
Для нерелятивистских частиц: Е = mс 2 + р 2 /2m; для релятивистских частиц, с массой m = 0: Е = ср.
Единицы измерения энергии − эВ, кэВ, МэВ, ГэВ, ТэВ, ... 1 ГэВ = 10 9 эВ, 1 ТэВ = 10 12 эВ,
1 эВ = 1.6·10 -12 эрг.
Скорость частицы β = v/c, где с = 3·10 10 см/с − скорость света. Скорость частицы определяет такую важнейшую характеристику как Лоренц-фактор частицы γ = 1/(1-β 2) 1/2 = E/mc 2 . Всегда γ > 1- Для нерелятивистских частиц 1 < γ < 2, а для релятивистских частиц γ > 2.
В физике высоких энергий скорость частицы β близка к 1 и для релятивистских частиц ее трудно определить. Поэтому вместо скорости используется быстрота y, которая связана со скоростью соотношением у = (1/2)ln[(1+β)/(1-β)] = (1/2)ln[(E+p)/(E-p)]. Быстрота изменяется от 0 до ∞.

Функциональная связь между скоростью частицы и быстротой показана на рис. 5. Для релятивистских частиц при β → 1, Е → р, тогда вместо быстроты можно использовать псевдобыстроту η, которая определяется углом вылета частицы θ, η = (1/2)ln tan(θ/2). В отличие от скорости быстрота − аддитивная величина, т.е. у 2 = y 0 + y 1 для любой системы отсчета и для любых релятивистских и нерелятивистских частиц.
Магнитный момент μ = Iπr 2 /c, где ток I = ev/2πr, возникает из-за вращения электрического заряда. Таким образом, любая заряженная частица имеет магнитный момент. При рассмотрении магнитного момента электрона используется магнетон Бора
μ B = eћ/2m e c = 0.5788·10 -14 МэВ/Гс, магнитный момент электрона = g·μ B ·. Коэффициент g называется гиромагнитным отношением. Для электрона g = /μ B · = 2, т.к. J = ћ/2, = μ B при условии, что электрон − точечная бесструктурная частица. Гиромагнитное отношение g содержит информацию о структуре частицы. Величина (g − 2) измеряется в экспериментах, направленных на изучение структуры частиц, отличных от лептонов. Для лептонов эта величина свидетельствует о роли более высоких электромагнитных поправок (см. далее п. 7.1).
В ядерной физике используется ядерный магнетон μ я = eћ/2m p c, где m p − масса протона.

2.1.1. Система Хэвисайда и ее связь с системой СГС

В системе Хэвисайда скорость света с и постоянная Планка ћ полагаются равными единице, т.е. с = ћ = 1. Основными единицами измерения являются энергетические единицы − МэВ или МэВ -1 , в то время как в системе СГС основные единицы измерения − [г, см, с]. Тогда, воспользовавшись соотношениями: Е = mc 2 = m = МэВ, l = ћ/mc = МэВ -1 , t = ћ/mc 2 = МэВ -1 , получим связь между системой Хэвисайда и системой СГС в виде:
  • m(г) = m(МэВ)·2·10 -27 ,
  • l (см) = l (МэВ -1)·2·10 -11 ,
  • t (с) = t (МэВ -1)·б.б·10 -22 .

Система Хэвисайда применяется в физике высоких энергий для описания явлений, происходящих в микромире, и основана на использовании естественных констант с и ћ, которые являются определяющими в релятивистской и квантовой механике.
Числовые значения соответствующих величин в системе СГС для электрона и протона приводятся в табл. 3 и могут быть использованы для перехода из одной системы в другую.

Таблица 3. Числовые значения величин в системе СГС для электрона и протона

2.1.2. Планковские (естественные) единицы

При рассмотрении гравитационных эффектов для измерения энергии, массы, длины и времени вводится планковская шкала. Если гравитационная энергия объекта равна его полной энергии, т.е.

то
длина = 1.6·10 -33 см,
масса = 2.2 ·10 -5 г = 1.2·10 19 ГэВ,
время = 5.4·10 -44 с,
где = 6.67·10 -8 см 2 ·г -1 ·с -2 .

Гравитационные эффекты существенны, когда гравитационная энергия объекта сравнима с его полной энергией.

2.2. Классификация элементарных частиц

Понятие "элементарная частица" сформировалось с установлением дискретного характера строения вещества на микроскопическом уровне.

Атомы → ядра → нуклоны → партоны (кварки и глюоны)

В современной физике термин "элементарные частицы" употребляется для наименования большой группы мельчайших наблюдаемых частиц материи. Эта группа частиц весьма обширна: протоны р, нейтроны n, π- и K-мезоны, гипероны, очарованные частицы (J/ψ...) и множество резонансов (всего
~ 350 частиц). Эти частицы получили название "адроны".
Выяснилось, что эти частицы не элементарны, а представляют собой составные системы, конституентами которых являются истинно элементарные или, как их стали называть, "фундаментальные " частицы − партоны , открытые при изучении структуры протона. Изучение свойств партонов позволило отождествить их с кварками и глюонами , введенными в рассмотрение Гелл-Манном и Цвейгом при классификации наблюдаемых элементарных частиц. Кварки оказались фермионами со спином J = 1/2. Им были приписаны дробные электрические заряды и барионное число В = 1/3 поскольку барион, у которого В = 1, состоит из трех кварков. Кроме того, для объяснения свойств некоторых барионов возникла необходимость введения нового квантового числа − цвета. Каждый кварк имеет три цветовых состояния, обозначаемые индексами 1, 2, 3 или словами красный (R), зеленый (G) и синий (В). Цвет никак не проявляет себя у наблюдаемых адронов и работает только внутри них.
К настоящему времени открыто 6 ароматов (типов) кварков.
В табл. 4 приведены свойства кварков для одного цветового состояния.

Таблица 4. Свойства кварков

Аромат Масса, МэВ/с 2 I I 3 Q q /e s с b t
u up 330; (5) 1/2 1/2 2/3 0 0 0 0
d down 340; (7) 1/2 -1/2 -1/3 0 0 0 0
s strange 450; (150) 0 0 -1/3 -1 0 0 0
с charm 1500 0 0 2/3 0 1 0 0
b beauty 5000 0 0 -1/3 0 0 -1 0
t truth 174000 0 0 2/3 0 0 0 1

Для каждого аромата кварка указаны его масса (приводятся массы конституентных кварков и в скобках массы токовых кварков), изотопический спин I и 3-я проекция изотопического спина I 3 , заряд кварка Q q /e и квантовые числа s, с, b, t. Наряду с этими квантовыми числами часто используется квантовое число гиперзаряд Y = В + s + с + b+ t. Существует связь между проекцией изотопического спина I 3 , электрического заряда Q и гиперзаряда Y: Q = I 3 + (1/2)Y.
Поскольку каждый кварк имеет 3 цвета, в рассмотрении должны участвовать 18 кварков. Кварки не имеют структуры.
Вместе с тем, среди элементарных частиц оказался целый класс частиц, получивших название "лептоны ". Они также являются фундаментальными частицами, т.е. не имеют структуры. Их шесть: три заряженных е, μ, τ и три нейтральных ν e , ν μ , ν τ . Лептоны участвуют только в электромагнитных и слабых взаимодействиях. Лептоны и кварки с полуцелым спином J = (n+1/2)ћ, n = 0, 1,... . относятся к фундаментальным фермионам. Наблюдается удивительная симметрия между лептонами и кварками: шесть лептонов и шесть кварков.
В табл. 5 приведены свойства фундаментальных фермионов: электрический заряд Q i в единицах заряда электрона и масса частиц m. Лептоны и кварки объединяются в три поколения (I, II и III). Для каждого поколения сумма электрических зарядов ∑Q i = 0 с учетом 3 цветовых зарядов у каждого кварка. Каждому фермиону сответствует антифермион.
Кроме характеристик частиц, указанных в таблице, важную роль для лептонов играют лептонные числа: электронное L e , равное +1 для е - и ν e , мюонное L μ , равное +1 для μ - и ν μ и таонное L τ , равное +1 для τ - и ν τ , которые соответствуют ароматам лептонов, участвующих в конкретных реакциях, и являются сохраняющимися величинами. Для лептонов барионное число В = 0.

Таблица 5. Свойства фундаментальных фермионов

Окружающее нас вещество состоит из фермионов первого поколения ненулевой массы. Влияние частиц второго и третьего поколений проявилось в ранней Вселенной. Среди фундаментальных частиц особую роль играют фундаментальные калибровочные бозоны, имеющие целочисленное внутреннее квантовое число спин J = nћ, n = 0, 1, .... Калибровочные бозоны ответственны за четыре типа фундаментальных взаимодействий: сильное (глюон g), электромагнитное (фотон γ), слабое (бозоны W ± , Z 0), гравитационное (гравитон G). Они также являются бесструктурными, фундаментальными частицами.
В табл. 6 приведены свойства фундаментальных бозонов, являющихся полевыми квантами в калибровочных теориях.

Таблица 6. Свойства фундаментальных бозонов

Название Заряд Масса Спин Взаимодействия
Гравитон, G 0 0 2 Гравитационное
Фотон, γ 0 < 3·10 -27 эВ 1 Электромагнитное
Заряженные векторные бозоны, W ± ±1 80.419 ГэВ/с 2 1 Слабое
Нейтральный векторный бозон, Z 0 0 91.188 ГэВ/с 2 1 Слабое
Глюоны, g 1 , ... , g 8 0 0 0 Сильное
Хиггсы, Н 0 , H ± 0 > 100 ГэВ/с 2 0

Помимо свойств открытых калибровочных бозонов γ, W ± , Z 0 , g 1 ,... , g 8 в таблице показаны свойства неоткрытых пока бозонов: гравитона G и Хиггс-бозонов Н 0 , H ± .
Рассмотрим теперь наиболее многочисленную группу элементарных сильновзаимодействующих частиц − адронов, для объяснения структуры которых было введено представление о кварках.
Адроны подразделяются на мезоны и барионы. Мезоны построены из кварка и антикварка (q). Барионы состоят из трех кварков (q 1 q 2 q 3).
В табл. 7 приводится перечень свойств основных адронов. (Подробные таблицы см. The European Physical Journal C, Rev. of Particle Phys., v.15, №1 - 4, 2000.)

Таблица 7. Свойства адронов

Название Масса, МэВ/с 2 Время жизни, с Моды распада Кварковый состав
Пион π ±
1 - (0 -+) π 0 		139.567 134.965

2.6·10 -8
0.83·10 -16

 π ± → μ ± + ν
π 0 → γ + γ 		(u), (d)
(u − d)/√2
η-мезон η 0
0 + (0 -+) 		548.8 Г=1.18±0.11 кэВ η 0 → γ + γ; 3π 0
→π + + π -0 + π -- 		с 1 (u + d) + c 2 (s)
(u), (s)
(d)
(d)
D ±
D 0 		1869.3
1864.5 		10.69·10 -13
4.28·10 -13

D ± → е ± + X
D 0 → е + + X -

 (c), (d)
(c)
F ± = 1969.3 4.36·10 -13 → ρ 0 + π ± (c, s)
B ±
В 0 		5277.6 5279.4 13.1·10 -13
13.1·10 -13 		B ± → + π ±
В 0 →+ π -0 + 		(u), (b)
(d), (b)
б Протон р
Нейтрон n 		938.3
939.5 		> 10 33 лет
898 ±16
n → р + е - + 		uud
udd
Λ 2.63·10 -10 Λ→p + π - uds
Σ +
Σ 0
Σ - 		1189.4
1192
1197 		0.8·10 -10
5.8·10 -20
1.48·10 -10 		Σ + →p + π 0
Σ 0 → Λ+ γ
Σ - →n + π - 		uus
uds
dds
Ξ 0
Ξ - 		1314.9
1321 		2.9·10 -10
1.64·10 -10 		Ξ 0 → Λ+ π 0
Ξ - → Λ + π - 		uss
dss
Ω - 1672 0.8·10 -10 Ω - → Λ+ K - sss
Σ с
Σ с →+ π
→Ξ - π + π +
→l - l
ucs
usc
dsc
udb

Кварковая структура адронов позволяет выделить в этой многочисленной группе частиц нестранные адроны, которые состоят из нестранных кварков (и, d), странные адроны, в состав которых входит странный кварк s, чармированные адроны, содержащие с-кварк, прелестные адроны (боттом-адроны) с b-кварком.
В таблице представлены свойства только незначительной части адронов: мезонов и барионов. Показаны их масса, время жизни, основные моды распада и кварковый состав. Для мезонов барионное число В = О и лептонное число L = 0. Для барионов барионное число В = 1, лептон-ное число L = 0. Мезоны относятся к бозонам (целый спин), барионы − к фермионам (спин полуцелый).
Дальнейшее рассмотрение свойств адронов позволяет объединить их в изотопические мультиплеты, состоящие из частиц с одинаковыми квантовыми числами (барионным числом, спином, внутренней четностью, странностью) и близкими по значению массами, но с различными электрическими зарядами. Каждый изотопический мультиплет характеризуется изотопическим спином I, который определяет полное число частиц, входящих в мультиплет, равное 2I + 1. Изоспин может принимать значения 0, 1/2, 1, 3/2, 2, . .., т.е. возможно существование изотопических синглетов, дублетов, триплетов, квартетов и т.д. Так, протон и нейтрон составляют изотопический дублет, π + -, π - -, π 0 -мезоны рассматриваются как изотопический триплет.
Более сложными объектами в микромире являются атомные ядра. Атомное ядро состоит из Z протонов и N нейтронов. Сумма Z + N = А − число нуклонов в данном изотопе. Часто в таблицах приводится усредненная по всем изотопам величина, тогда она становится дробной. Известны ядра, для которых указанные величины находятся в пределах: 1 < А < 289, 1 < Z < 116.
Перечисленные выше частицы рассматриваются в рамках Стандартной Модели. Предполагается, что за пределами Стандартной Модели может существовать еще одна группа фундаментальных частиц − суперсимметричные частицы (SUSY). Они должны обеспечить симметрию между фермионами и бозонами. В табл. 8 приводятся предполагаемые свойства этой симметрии.

2.3. Полевой подход к проблеме взаимодействий

2.3.1 Свойства фундаментальных взаимодействий

Огромное многообразие физических явлений, происходящих при столкновениях элементарных частиц, определяется всего лишь четырьмя типами взаимодействий: электромагнитным, слабым, сильным и гравитационным. В квантовой теории взаимодействие описывается в терминах обмена специфическими квантами (бозонами), ассоциированными с данным типом взаимодействия.
Для наглядного представления взаимодействия частиц американский физик Р. Фейнман предложил использовать диаграммы, которые получили его имя. Диаграммы Фейнмана описывают любой процесс взаимодействия при столкновении двух частиц. Каждая частица, участвующая в процессе, на диаграмме Фейнмана изображается линией. Свободный левый или правый конец линии обозначает нахождение частицы в начальном или конечном состоянии соответственно. Внутренние линии на диаграммах (т.е. линии, не имеющие свободных концов) соответствуют так называемым виртуальным частицам. Это частицы, рождающиеся и поглощающиеся в процессе взаимодействия. Их нельзя зарегистрировать, в отличие от реальных частиц. Взаимодействие частиц на диаграмме изображается узлами (или вершинами). Тип взаимодействия характеризуется константой связи α которая может быть записана в виде: α = g 2 /ћc, где g − заряд источника взаимодействия, а является основной количественнои характеристикой силы, действующей между частицами. В электромагнитном взаимодействии α е = e 2 /ћc = 1/137.


Рис.6. Диаграмма Фейнмана.

Процесс a + b →с + d в виде диаграммы Фейнмана (рис. 6) выглядит следующим образом: R − виртуальная частица, которой обмениваются частицы а и b при взаимодействии, определяемом константой взаимодействия α = g 2 /ћc, характеризующей силу взаимодействия на расстоянии, равном радиусу взаимодействия.
Виртуальная частица может иметь массу М х и при обмене этой частицей происходит передача 4-импульса t = −q 2 = Q 2 .
В табл. 9 представлены характеристики разных типов взаимодействий.

Электромагнитные взаимодействия . Наиболее полно и последовательно изучены электромагнитные взаимодействия, которым подвержены все заряженные частицы и фотоны. Переносчиком взаимодействия является фотон. Для электромагнитных сил константа взаимодействия численно равна постоянной тонкой структуры α е = e 2 /ћc = 1/137.
Примерами простейших электромагнитных процессов являются фотоэффект, комптон-эффект, образование электрон-позитронных пар, а для заряженных частиц − ионизационное рассеяние и тормозное излучение. Теория этих взаимодействий − квантовая электродинамика − является наиболее точной физической теорией.

Слабые взаимодействия. Впервые слабые взаимодействия наблюдались при β-распаде атомных ядер. И, как оказалось, эти распады связаны с превращениями протона в нейтрон в ядре и обратно:
р → n + е + + ν e , n → р + е - + e . Возможны и обратные реакции: захват электрона е - + р → n + ν e или антинейтрино e + р → е + + n. Слабое взаимодействие было описано Энрико Ферми в 1934 г. в терминах четырехфермионного контактного взаимодействия, определяемого константой Ферми
G F = 1.4·10 -49 эрг·см 3 .
При очень высоких энергиях вместо фермиевского контактного взаимодействия слабое взаимодействие описывается как обменное, при котором осуществляется обмен квантом, наделенным слабым зарядом g w (по аналогии с электрическим зарядом) и действующим между фермионами. Такие кванты были впервые обнаружены в 1983 г. на SppS-коллайдере (ЦЕРН) коллективом под руководством Карла Руббиа. Это заряженные бозоны − W ± и нейтральный бозон − Z 0 , их массы соответственно равны: m W± = 80 ГэВ/с 2 и m Z = 90 ГэВ/с 2 . Константа взаимодействия α W в этом случае выражается через константу Ферми:

Таблица 9. Основные типы взаимодействий и их характеристики

Представленные на рис.1 фундаментальные фермионы , обладающие спином ½, представляют собой «первокирпичики» вещества. Они представлены лептонами (электронами e , нейтрино и др.) – частицами не участвующими в сильных ядерных взаимодействиях, и кварками , которые участвуют в сильных взаимодействиях. Из кварков состоят ядерные частицы – адроны (протоны, нейтроны и мезоны). Каждая из этих частиц имеет свою античастицу, которая должна быть помещена в ту же клетку. Обозначение античастицы отличается знаком «тильда» (~).

Из шести разновидностей кварков или шести ароматов электрическим зарядом 2/3 (в единицах элементарного заряда e ) обладают верхний (u ), очарованный (c ) и истинный (t ) кварки, а зарядом –1/3 – нижний (d ), странный (s ) и красивый (b ) кварки. Антикварки с теми же ароматами будут обладать электрическими зарядами –2/3 и 1/3, соответственно.

Фундаментальные частицы
Фундаментальные фермионы (полуцелый спин) Фундаментальные бозоны (целый спин)
Лептоны Кварки
n e n m n t u c t 2/3 Сильное Эл.-магнитное Слабое Гравитационное
e m t –1 d s b –1/3 8 g J = 1 m = 0 g J = 1 m = 0 W ± ,Z 0 J = 1 m @100 G J = 2 m = 0
I II III I II III
Электрослабое взаимодействие
Великое объединение
Суперобъединение

В квантовой хромодинамике (теории сильного взаимодействия), кваркам и антикваркам приписываются заряды сильного взаимодействия трех типов: красный R (антикрасный ); зеленый G (антизеленый ); синий B (антисиний ). Цветовое (сильное) взаимодействие связывает кварки в адронах. Последние делятся на барионы , состоящие из трех кварков, и мезоны , состоящие из двух кварков. Например, протоны и нейтроны, относящиеся к барионам, имеют следующий кварковый состав:

p = (uud ) и , n = (ddu ) и .

Для примера приведем состав триплета пи-мезонов:

, ,

Легко видеть из этих формул, что заряд протона равен +1, а у антипротона он равен –1. Нейтрон и антинейтрон имеют нулевой заряд. Спины кварков в этих частицах складываются так, что суммарные их спины равны ½. Возможны и такие комбинации из этих же кварков, у которых суммарные спины равны 3/2. Такие элементарные частицы (D ++ , D + , D 0 , D –) обнаружены и относятся к резонансам, т.е. короткоживущим адронам.

Известный процесс радиоактивного b-распада, который представлен схемой

n ® p + e + ,

с точки зрения теории кварков выглядит как

(udd ) ® (uud ) + e + или d ® u + e + .

Несмотря на многократные попытки обнаружить в опытах свободные кварки не удалось. Это говорит о том, что кварки, по всей видимости, проявляются только в составе более сложных частиц (пленение кварков ). Полного объяснения этого явления на сегодняшний день не дано.

Из рис.1 видно, что между лептонами и кварками существует симметрия, называемая кварк-лептонной симметрией. Частицы верхней строчки имеют заряд на единицу больше чем частицы нижней строчки. Частицы первого столбца относятся к первому поколению, второго – ко второму поколению, а третьего столбца – к третьему поколению. Собственно кварки c , b и t были предсказаны на основе этой симметрии. Окружающая нас материя состоит из частиц первого поколения. Какова роль частиц второго и третьего поколений? Окончательного ответа на этот вопрос пока нет.

лептоны - не участвуют в сильном взаимодействии.

электрон . позитрон. мюон.

нейтрино - легкая нейтральная частица, участвующая только в слабом и гравитационном

взаимодействии.

нейтринный (# поток).

переносчики взаимодействий:

фотон - квант света, переносчик электромагнитного взаимодействия.

глюон - переносчик сильного взаимодействия.

промежуточные векторные бозоны - переносчики слабого взаимодействия;

частицы с целым спином.

"фундаментальная частица" в книгах

Глава 1 Частица океана

Из книги Кровь: река жизни [От древних легенд до научных открытий] автора Азимов Айзек

Глава 1 Частица океана Любое одноклеточное существо, живущее в море, настолько крошечное, что его можно разглядеть только под микроскопом, имеет запас крови, в миллиарды раз превосходящий человеческий.Поначалу это может показаться невозможным, но, когда вы поймете, что

ЧАСТИЦА «-СЯ» ПОБЕЖДАЕТ

Из книги Как говорить правильно: Заметки о культуре русской речи автора Головин Борис Николаевич

Фундаментальная асимметрия

Из книги Антихрупкость [Как извлечь выгоду из хаоса] автора Талеб Нассим Николас

Фундаментальная асимметрия Выразим асимметрию Сенеки в четком правиле.Я уже использовал концепцию большей потери при неблагоприятном исходе. Если от перемены обстоятельств вы больше теряете, чем обретаете, вы имеете дело с асимметрией, и это скверная асимметрия.

Что такое частица?

Из книги Гиперпространство автора Каку Мичио

Что такое частица? Суть теории струн в том, что она может объяснить природу и материи, и пространства-времени, т. е. природу и «дерева», и «мрамора». Теория струн дает ответы на ряд головоломных вопросов о частицах: например, почему в природе их так много. Чем глубже мы

Бозе-частица

Из книги Большая Советская Энциклопедия (БО) автора БСЭ

Ферми-частица

Из книги Большая Советская Энциклопедия (ФЕ) автора БСЭ

Фундаментальная астрометрия

БСЭ

Фундаментальная длина

Из книги Большая Советская Энциклопедия (ФУ) автора БСЭ

8.5. КАК РАБОТАЕТ ЧАСТИЦА «НЕ»

автора Самсонова Елена

8.5. КАК РАБОТАЕТ ЧАСТИЦА «НЕ» Уважаемый коллега! Если у вас есть ребенок, то вы можете вспомнить, как вы кричали ему, когда он был еще маленьким: «Не беги!», «Не упади!» или «Не испачкайся!» И сразу после вашего крика ребенок начинал бежать еще быстрее, падал или пачкался. Вы

8.6. КАК РАБОТАЕТ ЧАСТИЦА «НО»

Из книги Танец продавца, или Нестандартный учебник по системным продажам автора Самсонова Елена

8.6. КАК РАБОТАЕТ ЧАСТИЦА «НО» Знаете ли вы, что частица «но» полностью «зачеркивает» то, что вы сказали перед ее употреблением?– Вы очень симпатичный человек, но…– Вы правы, но…– То, что вы говорите, интересно, но…Когда вы разговариваете с клиентом или покупателем,

Третья частица

Из книги Атомный проект. История сверхоружия автора Первушин Антон Иванович

Третья частица Как мы видели, период с 1895 по 1919 год был густо насыщен важными открытиями в области ядерной физики. Но после 1919 года развитие этой науки, казалось, приостановилось. И это неслучайно.Вспомним, что для исследования атома физики использовали явление

Фундаментальная стратегия

Из книги Истоки нейро-лингвистического программирования автора Гриндер Джон

Фундаментальная стратегия Фрэнк и я поразмышляли над тем, как справляться с подобными моментами. Мы выработали особую стратегию. Мы решили придерживаться курса минимизации таких отдельных искажений, призвав на помощь большое количество людей, которые физически

Фундаментальная подлость

Из книги Глобальный человейник автора Зиновьев Александр Александрович

Фундаментальная подлость Судьба поступила со мной так, что я невольно прикоснулся к самым фундаментальным явлениям нашего общественного строя и смог посмотреть на них без всяких скрывающих их покровов и иллюзий. Как мне казалось тогда, я увидел, в чем заключалась самая

3. Фундаментальная напряженность

Из книги Единство и многообразие в Новом Завете Исследование природы первоначального христианства автора Данн Джеймс Д.

3. Фундаментальная напряженность В самой сущности христианства заложено то, что оно происходит от иудаизма I в. Иисус был евреем. Самые первые христиане были сплошь евреями. Христианство началось изнутри иудаизма, из мессианской секты в рамках иудаизма. Оно воспринимало

ФУНДАМЕНТАЛЬНАЯ ИСТИНА

Из книги Движимые вечностью автора Бивер Джон

ФУНДАМЕНТАЛЬНАЯ ИСТИНА В нашей притче Джалин является прообразом Иисуса Христа, а царь Отец? это Всемогущий Бог Отец. Дагон представляет!собой дьявола; жизнь в Энделе? это человеческая жизнь на земле; Аффабель представляет небесный город Бога. Отверженная земля Лон?

О ПОНИМАНИИ ДВИЖЕНИЯ МАТЕРИИ, СПОСОБНОСТИ ЕЕ К САМОРАЗВИТИЮ, А ТАКЖЕ СВЯЗИ И ВЗАИМОДЕЙСТВИИ МАТЕРИАЛЬНЫХ ОБЪЕКТОВ В СОВРЕМЕННОМ ЕСТЕСТВОЗНАНИИ

Цюпка В. П.

Федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего профессионального образования «Белгородский государственный национальный исследовательский университет» (НИУ «БелГУ»)

1. Движение материи

«Неотъемлемое свойство материи – движение» 1 , являющееся формой существования материи и проявляющееся в каких-либо ее изменениях. Из несотворимости и неуничтожимости материи и ее атрибутов, в т. ч. движения, следует, что и движение материи существует вечно и бесконечно многообразно по форме своих проявлений.

Существование любого материального объекта проявляется в его движении, т. е. в каком-либо происходящем с ним изменении. В ходе изменения всегда изменяются какие-то свойства материального объекта. Т. к. совокупность всех свойств материального объекта, характеризующая его определенность, индивидуальность, особенность в какой-то конкретный момент времени, соответствует его состоянию, получается, что движение материального объекта сопровождается сменой его состояний. Изменение свойств может зайти так далеко, что один материальный объект может стать другим материальным объектом. «Но никогда материальный объект не может превратиться в свойство» (например, массу, энергию), а «свойство – в материальный объект» 2 , потому что изменяющейся субстанцией может быть только лишь движущаяся материя. В естествознании движение материи называют еще явлением природы (природным явлением).

Известно, что «без движения нет материи» 3 как и без материи не может быть никакого движения.

Движение материи можно выразить количественно. Универсальной количественной мерой движения материи, как и любого материального объекта, является энергия, выражающая собственную активность материи и любого материального объекта. Отсюда энергия – это одно из свойств движущейся материи, и энергия не может быть вне материи, отдельно от нее. Энергия находится в эквивалентной зависимости с массой. Следовательно, масса может характеризовать не только количество вещества, но и степень его активности. Из того, что движение материи существует вечно и бесконечно многообразно по форме своих проявлений, неумолимо следует, что и энергия, характеризующая движение материи количественно, также существует вечно (несотворима и неуничтожима) и бесконечно многообразна по форме своих проявлений. «Таким образом, энергия никогда не исчезает и не появляется вновь, она лишь превращается из одного вида в другой» 1 в соответствии с изменением видов движения.

Наблюдаются различные виды (формы) движения материи. Их можно классифицировать с учетом изменений свойств материальных объектов и особенностей их воздействий друг на друга.

Движение физического вакуума (свободных фундаментальных полей в обычном состоянии) сводится к тому, что он все время незначительно отклоняется в разные стороны от своего равновесия, как бы «дрожит». В результате таких спонтанных низкоэнергетических возбуждений (отклонений, возмущений, флуктуаций) и формируются виртуальные частицы, которые тут же растворяются в физическом вакууме. Это низшее (основное) энергетическое состояние движущегося физического вакуума, его энергия близка к нулю. Но физический вакуум может на какое-то время в каком-то месте перейти в возбужденное состояние, характеризующееся неким избытком энергии. При таких значительных, высокоэнергетических возбуждениях (отклонениях, возмущениях, флуктуациях) физического вакуума виртуальные частицы могут завершить свое появление и тогда из физического вакуума вырываются реальные фундаментальные частицы разных типов, причем, как правило, парами (имеющие электрический заряд в виде частицы и античастицы с электрическими зарядами противоположных знаков, например, в виде электрон-позитронной пары).

Одиночными квантовыми возбуждениями различных свободных фундаментальных полей являются фундаментальные частицы.

Фермионные (спинорные) фундаментальные поля могут породить 24 фермиона (6 кварков и 6 антикварков, а также 6 лептонов и 6 антилептонов), разделяющиеся на три поколения (семейства). В первом поколении верхний и нижний кварки (и антикварки), а также лептоны электрон и электронное нейтрино (и позитрон с электронным антинейтрино), образующие обычное вещество (и редко обнаруживаемое антивещество). Во втором поколении имеющие бóльшую массу (бóльший гравитационный заряд) очарованный и странный кварки (и антикварки), а также лептоны мюон и мюонное нейтрино (и антимюон с мюонным антинейтрино). В третьем поколении истинный и прелестный кварки (и антикварки), а также лептоны таон и таонное нейтрино (и антитаон с таонным антинейтрино). Фермионы второго и третьего поколений не участвуют в образовании обычного вещества, отличаются нестабильностью и распадаются с образованием фермионов первого поколения.

Бозонные (калибровочные) фундаментальные поля могут породить 18 типов бозонов: гравитационное поле – гравитоны, электромагнитное поле – фотоны, поле слабого взаимодействия – 3 типа «вионов» 1 , глюонное поле – 8 типов глюонов, поле Хиггса – 5 типов бозонов Хиггса.

Физический вакуум в достаточно высокоэнергетическом (возбужденном) состоянии способен породить множество фундаментальных частиц, обладающих значительной энергией, в виде минивселенной.

Для вещества микромира движение сводится:

    к распространению, столкновению и превращению друг в друга элементарных частиц;

    образованию из протонов и нейтронов атомных ядер, их перемещению, столкновению и изменению;

    образованию из атомных ядер и электронов атомов, их перемещению, столкновению и изменению, в т. ч. с перескакиванием электронов с одной атомной орбитали на другую и отрывом их от атомов, присоединением лишних электронов;

    образованию из атомов молекул, их перемещению, столкновению и изменению, в т. ч. с присоединением новых атомов, высвобождением атомов, замещением одних атомов на другие, изменением порядка расположения атомов относительно друг друга в молекуле.

Для вещества макромира и мегамира движение сводится к перемещению, столкновению, деформации, разрушению, объединению разнообразных тел, а также к самым различным их изменениям.

Если движение материального объекта (квантованного поля или вещественного объекта) сопровождается изменением только лишь его физических свойств, например, частоты или длины волны для квантованного поля, мгновенной скорости, температуры, электрического заряда для вещественного объекта, тогда такое движение относят к физической форме. Если движение вещественного объекта сопровождается изменением его химических свойств, например, растворимости, горючести, кислотности, тогда такое движение относят к химической форме. Если движение касается изменения объектов мегамира (космических объектов), тогда такое движение относят к астрономической форме. Если движение касается изменения объектов глубинных земных оболочек (земных недр), тогда такое движение относят к геологической форме. Если движение касается изменения объектов географической оболочки, объединяющей все поверхностные земные оболочки, тогда такое движение относят к географической форме. Движение живых тел и их систем в виде их всевозможных жизненных проявлений относят к биологической форме. Движение материальных объектов, сопровождаемое изменением социально значимых свойств с обязательным участием человека, например, добыча железной руды и производство чугуна и стали, выращивание сахарной свеклы и производство сахара, относят к социально обусловленной форме движения.

Движение любого материального объекта далеко не всегда может быть отнесено к какой-то одной форме. Оно сложное, многообразное. Даже физическое движение, присущее материальным объектам от квантованного поля до тел, может включать в себя несколько форм. Например, упругое столкновение (соударение) двух твердых тел в виде бильярдных шаров включает в себя и изменение положения шаров с течением времени относительно друг друга и стола, и вращение шаров, и трение шаров о поверхность стола и воздух, и движение частиц каждого шара, и практически обратимое изменение формы шаров при упругом соударении, и обмен кинетической энергией с частичным превращением ее во внутреннюю энергию шаров при упругом соударении, и перенос теплоты между шарами, воздухом и поверхностью стола, и возможный радиоактивный распад ядер содержащихся в шарах нестабильных изотопов, и проникновение нейтрино космических лучей сквозь шары, и др. С развитием материи и возникновением химических, астрономических, геологических, географических, биологических и социально обусловленных материальных объектов формы движения усложняются, становятся все более многообразными. Так, в химическом движении можно увидеть и физические формы движения и качественно новые, не сводимые к физическим, химические формы. В движении астрономических, геологических, географических, биологических и социально обусловленных объектов можно увидеть и физические, и химические формы движения, а также качественно новые, не сводимые к физическим и химическим, соответственно астрономические, геологические, географические, биологические или социально обусловленные формы движения. При этом низшие формы движения материи не различаются у материальных объектов разной степени сложности. Например, физическое движение элементарных частиц, атомных ядер и атомов не отличается у астрономических, геологических, географических, биологических или социально обусловленных материальных объектов.

В изучении сложных форм движения следует избегать двух крайностей. Во-первых, нельзя сводить изучение сложной формы движения к простым формам движения, нельзя сложную форму движения выводить из простых. Например, биологическое движение нельзя выводить только лишь из физических и химических форм движения, игнорируя при этом сами биологические формы движения. А во-вторых, нельзя ограничиваться изучением только сложных форм движения, игнорируя простые. Например, изучение биологического движения хорошо дополняет изучение проявляющихся при этом физической и химической форм движения.

2. Способность материи к саморазвитию

Как известно, саморазвитие материи, а материя способна к саморазвитию, характеризуется самопроизвольным, направленным и необратимым поэтапным усложнением форм движущейся материи.

Самопроизвольность саморазвития материи означает, что процесс поэтапного усложнения форм движущейся материи происходит сам собой, естественным образом, без участия каких-то неестественных или сверхъестественных сил, Творца, в силу внутренних, естественных причин.

Направленность саморазвития материи означает своеобразную канализованность процесса поэтапного усложнения форм движущейся материи от одной ее формы, существовавшей раньше, к другой форме, появившейся позже: для какой-либо новой формы движущейся материи можно найти предшествующую форму движущейся материи, которая дала ей начало, и наоборот, для какой-либо предшествующей формы движущейся материи можно найти новую форму движущейся материи, которая из нее возникла. При этом всегда предшествующая форма движущейся материи существовала раньше возникшей из нее новой формы движущейся материи, предшествующая форма всегда древнее возникшей из нее новой формы. Благодаря канализованности саморазвития движущейся материи возникают своеобразные ряды поэтапного усложнения ее форм, показывающие в каком направлении, а также через какие промежуточные (переходные) формы шло историческое развитие той или иной формы движущейся материи.

Необратимость саморазвития материи означает, что процесс поэтапного усложнения форм движущейся материи не может пойти в обратном направлении, вспять: новая форма движущейся материи не может породить предшествовавшую ей форму движущейся материи, из которой она возникла, но она может стать предшествующей формой для новых форм. И если вдруг какая-либо новая форма движущейся материи окажется очень похожа на одну из предшествовавших ей форм, то это не будет означать, что движущаяся материя стала саморазвиваться в обратном направлении: предшествующая форма движущейся материи появилась гораздо раньше, а новая форма движущейся материи, даже и очень похожая на нее, появилась гораздо позже и является хотя и похожей, но принципиально другой формой движущейся материи.

3. Связь и взаимодействие материальных объектов

Неотъемлемые свойства материи – связь и взаимодействие, являющиеся причиной ее движения. Т. к. связь и взаимодействие являются причиной движения материи, поэтому связь и взаимодействие, как и движение, универсальны, т. е. присущи всем материальным объектам вне зависимости от их природы, происхождения и сложности. Все явления в материальном мире детерминированы (в смысле обусловлены) естественными материальными связями и взаимодействиями, а также объективными законами природы, отражающими закономерности связи и взаимодействия. «В этом смысле в мире нет ничего сверхъестественного и абсолютно противостоящего материи.» 1 Взаимодействие, как и движение, является формой бытия (существования) материи.

Существование всех материальных объектов проявляется во взаимодействии. Для всякого материального «объекта существовать – значит как-то проявлять себя по отношению к другим материальным объектам, взаимодействуя с ними, находясь в объективных связях и отношениях с ними. Если гипотетический материальный «объект, который никак не проявлял бы себя по отношению к каким-то другим материальным объектам, никак не был бы с ними связан, не взаимодействовал бы с ними, то он и «не существовал бы для этих других материальных объектов. «Но и наше предположение о нем также не могло бы ни на чем основываться, так как из-за отсутствия взаимодействия мы имели бы о нем нулевую информацию.» 2

Взаимодействие представляет собой процесс взаимного воздействия одних материальных объектов на другие с обменом энергией. Взаимодействие вещественных объектов может быть непосредственным, например, в виде столкновения (соударения) двух твердых тел. А может происходить на расстоянии. В этом случае взаимодействие вещественных объектов обеспечивают связанные с ними бозонные (калибровочные) фундаментальные поля. Изменение одного вещественного объекта вызывает возбуждение (отклонение, возмущение, флуктуацию) связанного с ним соответствующего бозонного (калибровочного) фундаментального поля, и это возбуждение распространяется в виде волны с конечной скоростью, не превышающей скорости распространения света в вакууме (без малого 300 тыс. км/с). Взаимодействие вещественных объектов на расстоянии согласно квантово-полевому механизму передачи взаимодействия носит обменный характер, т. к. переносят взаимодействие частицы-переносчики в виде квантов соответствующего бозонного (калибровочного) фундаментального поля. Разные бозоны как частицы-переносчики взаимодействия являются возбуждениями (отклонениями, возмущениями, флуктуациями) соответствующих бозонных (калибровочных) фундаментальных полей: во время испускания и поглощения вещественным объектом они являются реальными, а во время распространения – виртуальными.

Получается, что в любом случае взаимодействие материальных объектов даже на расстоянии является близкодействием, т. к. осуществляется без каких-то разрывов, пустот.

Взаимодействие частицы с античастицей вещества сопровождается их аннигиляцией, т. е. превращением их в соответствующее фермионное (спинорное) фундаментальное поле. При этом их масса (гравитационная энергия) превращается в энергию соответствующего фермионного (спинорного) фундаментального поля.

Виртуальные частицы возбуждающегося (отклоняющегося, возмущающего, «дрожащего») физического вакуума могут взаимодействовать с реальными частицами, как бы обволакивая, сопровождая их в виде так называемой квантовой пены. Например, в результате взаимодействия электронов атома с виртуальными частицами физического вакуума происходит некоторый сдвиг их энергетических уровней в атомах, а сами электроны при этом совершают колебательные движения с малой амплитудой.

Выделяют четыре вида фундаментальных взаимодействий: гравитационное, электромагнитное, слабое и сильное.

«Гравитационное взаимодействие проявляется во взаимном притяжении... материальных объектов, имеющих массу» 1 покоя, т. е. вещественных объектов, на каких угодно больших расстояниях. Предполагается, что возбужденный физический вакуум, порождающий множество фундаментальных частиц, способен к проявлению гравитационного отталкивания. Гравитационное взаимодействие переносится гравитонами гравитационного поля. Гравитационное поле связывает тела и частицы, обладающие массой покоя. Для распространения гравитационного поля в виде гравитационных волн (виртуальных гравитонов) не требуется среда. Гравитационное взаимодействие самое слабое по своей силе, поэтому оно несущественно в микромире из-за незначительности масс частиц, в макромире его проявление заметно и оно вызывает, например, падение тел на Землю, а в мегамире ему принадлежит ведущая роль из-за огромнейших масс тел мегамира и оно обеспечивает, например, вращение Луны и искусственных спутников вокруг Земли; образование и движение планет, планетоидов, комет и других тел в Солнечной системе и ее целостность; образование и движение звезд в галактиках – гигантских звездных системах, включающих до сотен миллиардов звезд, связанных взаимным тяготением и общим происхождением, а также их целостность; целостность скоплений галактик – систем относительно близко расположенных галактик, связанных силами гравитации; целостность Метагалактики – системы всех известных скоплений галактик, связанных силами гравитации, как изученной части Вселенной, целостность всей Вселенной. Гравитационное взаимодействие обусловливает концентрацию рассеянного во Вселенной вещества и включение его в новые циклы развития.

«Электромагнитное взаимодействие обусловлено электрическими зарядами и передается» 1 фотонами электромагнитного поля на какие угодно большие расстояния. Электромагнитное поле связывает тела и частицы, имеющие электрические заряды. Причем неподвижные электрические заряды связывает только электрическая составляющая электромагнитного поля в виде электрического поля, а подвижные электрические заряды связывает и электрическая, и магнитная составляющие электромагнитного поля. Для распространения электромагнитного поля в виде электромагнитных волн не требуется дополнительная среда, т. к. «изменяющееся магнитное поле порождает переменное электрическое поле, которое, в свою очередь, является источником переменного магнитного поля» 2 . «Электромагнитное взаимодействие может проявляться и как притяжение (между разноименными зарядами), и как отталкивание (между» 3 одноименными зарядами). Электромагнитное взаимодействие намного сильнее гравитационного. Оно проявляется как в микромире, так и в макромире и мегамире, но ведущая роль ему принадлежит в макромире. Электромагнитное взаимодействие обеспечивает взаимодействие электронов с ядрами. Межатомное и межмолекулярное взаимодействие электромагнитное, благодаря ему, например, существуют молекулы и осуществляется химическая форма движения материи, существуют тела и определяются их агрегатные состояния, упругость, трение, поверхностное натяжение жидкости, функционирует зрение. Таким образом, электромагнитное взаимодействие обеспечивает стабильность атомов, молекул и макроскопических тел.

В слабом взаимодействии участвуют элементарные частицы, имеющие массу покоя, его переносят «вионы» 4 калибровочных полей. Поля слабого взаимодействия связывают различные элементарные частицы, обладающие массой покоя. Слабое взаимодействие намного слабее электромагнитного, но сильнее гравитационного. Из-за своего короткодействия оно проявляется только в микромире, обусловливая, например, большинство самораспадов элементарных частиц (например, свободный нейтрон самораспадается с участием отрицательно заряженного калибровочного бозона на протон, электрон и электронное антинейтрино, иногда при этом образуется еще фотон), взаимодействие нейтрино с остальным веществом.

Сильное взаимодействие проявляется во взаимном притяжении адронов, к которым относят кварковые структуры, например, двухкварковые мезоны и трехкварковые нуклоны. Оно передается глюонами глюонных полей. Глюонные поля связывают адроны. Это самое сильное взаимодействие, но из-за своего короткодействия проявляется только лишь в микромире, обеспечивая, например, связь кварков в нуклонах, связь нуклонов в атомных ядрах, обеспечивая их стабильность. Сильное взаимодействие в 1000 раз сильнее электромагнитного и не дает разлететься одноименно заряженным протонам, объединенным в ядре. Термоядерные реакции, в которых несколько ядер соединяются в одно, также возможны благодаря сильному взаимодействию. Естественными термоядерными реакторами являются звезды, создающие все химические элементы тяжелее водорода. Тяжелые многонуклонные ядра становятся неустойчивыми и делятся, т. к. их размеры уже превышают расстояние, на котором проявляется сильное взаимодействие.

«В результате экспериментальных исследований взаимодействий элементарных частиц … было обнаружено, что при больших энергиях столкновения протонов – около 100 ГэВ – … слабое и электромагнитное взаимодействия не различаются – их можно рассматривать как единое электрослабое взаимодействие.» 1 Предполагается, что «при энергии 10 15 ГэВ к ним присоединяется сильное взаимодействие, а при» 2 еще «больших энергиях взаимодействия частиц (до 10 19 ГэВ) или при чрезвычайно высокой температуре материи все четыре фундаментальных взаимодействия характеризуются одинаковой силой, т. е. представляют собой одно взаимодействие» 3 в виде «суперсилы». Возможно, такие высокоэнергетические условия были в начале развития Вселенной, появившейся из физического вакуума. В процессе дальнейшего расширения Вселенной, сопровождавшегося быстрым охлаждением образовавшегося вещества, целостное взаимодействие разделилось сначала на электрослабое, гравитационное и сильное, а затем электрослабое взаимодействие разделилось на электромагнитное и слабое, т. е. на четыре принципиально отличающихся друг от друга взаимодействия.

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ:

Карпенков, С. Х. Основные концепции естествознания [Текст] : учеб. пособие для вузов / С. Х. Карпенков. – 2-е изд., перераб. и доп. – М. : Академический Проект, 2002. – 368 с.

Концепции современного естествознания [Текст] : учеб. для вузов / Под ред. В. Н. Лавриненко, В. П. Ратникова. – 3-е изд., перераб. и доп. – М. : ЮНИТИ-ДАНА, 2005. – 317 с.

Философские проблемы естествознания [Текст] : учеб. пособие для аспирантов и студентов филос. и естеств. фак. ун-тов / Под ред. С. Т. Мелюхина. – М. : Высшая школа, 1985. – 400 с.

Цюпка, В. П. Естественнонаучная картина мира: концепции современного естествознания [Текст] : учеб. пособие / В. П. Цюпка. – Белгород: ИПК НИУ «БелГУ», 2012. – 144 с.

Цюпка, В. П. Концепции современной физики, составляющие современную физическую картину мира [Электронный ресурс] // Научный электронный архив Российской Академии Естествознания: заоч. электрон. науч. конф. «Концепции современного естествознания или естественнонаучная картина мира» URL: http://сайт/article/6315 (размещено: 31.10.2011)

Яндекс. Словари. [Электронный ресурс] URL: http://slovari.yandex.ru/

1Карпенков С. Х. Основные концепции естествознания. М. Академический Проект. 2002. С. 60.

2Философские проблемы естествознания. М. Высшая школа. 1985. С. 181.

3Карпенков С. Х. Основные концепции естествознания... С. 60.

1Карпенков С. Х. Основные концепции естествознания... С. 79.

1Карпенков С. Х.

1Философские проблемы естествознания... С. 178.

2Там же. С. 191.

1Карпенков С. Х. Основные концепции естествознания... С. 67.

1Карпенков С. Х. Основные концепции естествознания... С. 68.

3Философские проблемы естествознания... С. 195.

4Карпенков С. Х. Основные концепции естествознания... С. 69.

1Карпенков С. Х. Основные концепции естествознания... С. 70.

2Концепции современного естествознания. М. ЮНИТИ-ДАНА. 2005. С. 119.

3Карпенков С. Х. Основные концепции естествознания... С. 71.

Цюпка В.П. О ПОНИМАНИИ ДВИЖЕНИЯ МАТЕРИИ, СПОСОБНОСТИ ЕЕ К САМОРАЗВИТИЮ, А ТАКЖЕ СВЯЗИ И ВЗАИМОДЕЙСТВИЯ МАТЕРИАЛЬНЫХ ОБЪЕКТОВ В СОВРЕМЕННОМ ЕСТЕСТВОЗНАНИИ // Научный электронный архив.
URL: (дата обращения: 17.03.2020).

Еще сравнительно недавно элементарными считались несколько сот частиц и античастиц. Детальное изучение их свойств и взаимодействий с другими частицами и развитие теории показали, что большинство из них на самом деле не элементарны, так как сами состоят из простейших или, как сейчас говорят, фундаментальных частиц. Фундаментальные частицы сами уже ни из чего не состоят. Многочисленные эксперименты показали, что все фундаментальные частицы ведут себя как безразмерные точечные объекты, не имеющие внутренней структуры, по крайней мере до наименьших, изученных сейчас расстояний ~10 -16 см .

Среди бесчисленных и разнообразных процессов взаимодействия между частицами имеются четыре основных или фундаментальных взаимодействия: сильное (ядерное), электромагнитное , слабое и гравитационное . В мире частиц гравитационное взаимодействие очень слабое, его роль еще неясна, и о нем дальше мы говорить не будем.

В природе существуют две группы частиц: адроны , которые участвуют во всех фундаментальных взаимодействиях, и лептоны , не участвующие только в сильном взаимодействии.

Согласно современным представлениям, взаимодействия между частицами осуществляются посредством испускания и последующего поглощения квантов соответствующего поля (сильного, слабого, электромагнитного), окружающего частицу. Такими квантами являются калибровочные бозоны , также являющиеся фундаментальными частицами. У бозонов собственный момент количества движения , называемый спином, равен целочисленному значению постоянной Планка . Квантами поля и соответственно переносчиками сильного взаимодействия являются глюоны , обозначаемые символом g (джи), квантами электромагнитного поля являются хорошо известные нам кванты света - фотоны, обозначаемые (гамма), а квантами слабого поля и соответственно переносчиками слабых взаимодействий являются W ± (дубль ве)- и Z 0 (зет нуль)-бозоны.

В отличие от бозонов все остальные фундаментальные частицы являются фермионами, то есть частицами, имеющими полуцелое значение спина, равное h /2.

В табл. 1 приведены символы фундаментальных фермионов - лептонов и кварков.

Каждой частице, приведенной в табл. 1, соответствует античастица, отличающаяся от частицы лишь знаками электрического заряда и других квантовых чисел (см. табл. 2) и направлением спина относительно направления импульса частицы. Античастицы мы будем обозначать теми же символами, как и частицы, но с волнистой чертой над символом.

Частицы в табл. 1 обозначены греческими и латинскими буквами, а именно: буквой (ню) - три различных нейтрино, буквами е - электрон, (мю) - мюон, (тау) - таон, буквами u, c, t, d, s, b обозначены кварки ; их наименования и характеристики приведены в табл. 2.

Частицы в табл. 1 сгруппированы в три поколения I, II и III в соответствии со структурой современной теории . Наша Вселенная построена из частиц первого поколения - лептонов и кварков и калибровочных бозонов, но, как показывает современная наука о развитии Вселенной, на начальной стадии ее развития важную роль играли частицы всех трех поколений.

Лептоны Кварки
I II III

e

I II III
u
d 		c
s 		t
b

Лептоны

Сначала рассмотрим более подробно свойства лептонов. В верхней строке табл. 1 содержатся три разных нейтрино: электронное , мюонное и тау-нейтрино . Их масса до сих пор точно не измерена, но определен ее верхний предел, например для ne равный 10 -5 от величины массы электрона (то есть г).

При взгляде на табл. 1 невольно возникает вопрос о том, зачем природе потребовалось создание трех разных нейтрино. Ответа на этот вопрос пока нет, ибо не создана такая всеобъемлющая теория фундаментальных частиц, которая бы указала на необходимость и достаточность всех таких частиц и описала бы их основные свойства. Возможно, эта проблема будет решена в XXI веке (или позже).

Нижняя строка табл. 1 начинается с наиболее изученной нами частицы - электрона. Электрон был открыт еще в конце прошлого века английским физиком Дж. Томсоном . Роль электронов в нашем мире огромна. Они являются теми отрицательно заряженными частицами, которые вместе с атомными ядрами образуют все атомы известных нам элементов Периодической таблицы Менделеева . В каждом атоме число электронов в точности равно числу протонов в атомном ядре, что и делает атом электрически нейтральным.

Электрон стабилен, главной возможностью уничтожения электрона является его гибель при соударении с античастицей - позитроном e + . Этот процесс получил название аннигиляции :

.

В результате аннигиляции образуются два гамма-кванта (так называют фотоны высокой энергии), уносящие и энергии покоя e + и e - , и их кинетические энергии. При высокой энергии e + и e - образуются адроны и кварковые пары (см., например, (5) и рис. 4).

Реакция (1) наглядно иллюстрирует справедливость знаменитой формулы А. Эйнштейна об эквивалентности массы и энергии: E = mc 2 .

Действительно, при аннигиляции остановившегося в веществе позитрона и покоящегося электрона вся масса их покоя (равная 1,22 МэВ ) переходит в энергию -квантов, которые не имеют массы покоя.

Во втором поколении нижней строки табл. 1 расположен мюон - частица, являющаяся по всем своим свойствам аналогом электрона, но с аномально большой массой. Масса мюона в 207 раз больше массы электрона. В отличие от электрона мюон нестабилен. Время его жизни t = 2,2 · 10 -6 с. Мюон преимущественно распадается на электрон и два нейтрино по схеме

Еще более тяжелым аналогом электрона является . Его масса более чем в 3 тыс. раз превосходит массу электрона ( МэВ/с 2), то есть таон тяжелее протона и нейтрона. Время его жизни равно 2,9 · 10 -13 с, а из более чем ста разных схем (каналов) его распада возможны следующие.