Реферат: Элементарные частицы

Министерство Российской Федерации

Саратовский Юридический институт

Самарский филиал

кафедра ПИ и ПКТРП

Реферат

На тему:”Элементарныечастицы”

Выполнил: курсант 421 уч.группы

рядовоймилиции

Сизоненко А.А.

Проверил: преподаватель кафедры

КузнецовС.И.

Самара 2002

План

1) Введение.

2) Краткиеисторические сведения.

3) Основныесвойства элементарных частиц. Классы взаимодействий.

4) Характеристикиэлементарных частиц.

5) Классификацияэлементарных частиц.

а) Унитарная симметрия.

б) Кварковая модель адронов

6) Элементарныечастицы и квантовая теория поля.

7) Заключение.Некоторые общие проблемы теории элементарных частиц.

Введение.

Э. ч. в точном значении этого термина — первичные, далеенеразложимые частицы, из которых, по предположению, состоит вся материя. Впонятии «Э. ч.» в современной физике находит выражение идея опервообразных сущностях, определяющих все известные свойства материальногомира, идея, зародившаяся на ранних этапах становления естествознания и всегдаигравшая важную роль в его развитии.

Понятие «Э. ч.» сформировалось в тесной связи сустановлением дискретного характера строения вещества на микроскопическомуровне. Обнаружение на рубеже 19-20 вв. мельчайших носителей свойств вещества — молекул и атомов — и установление того факта, что молекулы построены из атомов,впервые позволило описать все известные вещества как комбинации конечного, хотяи большого, числа структурных составляющих — атомов. Выявление в дальнейшемналичия составных слагающих атомов — электронов и ядер, установление сложнойприроды ядер, оказавшихся построенными всего из двух типов частиц (протонов и нейтронов),существенно уменьшило количество дискретных элементов, формирующих свойствавещества, и дало основание предполагать, что цепочка составных частей материизавершается дискретными бесструктурными образованиями — Э. ч. Такоепредположение, вообще говоря, является экстраполяцией известных фактов исколько-нибудь строго обосновано быть не может. Нельзя с уверенностьюутверждать, что частицы, элементарные в смысле приведённого определения,существуют. Протоны и нейтроны, например, длительное время считавшиеся Э. ч.,как выяснилось, имеют сложное строение. Не исключена возможность того, чтопоследовательность структурных составляющих материи принципиально бесконечна.Может оказаться также, что утверждение «состоит из...» на какой-тоступени изучения материи окажется лишённым содержания. От данного вышеопределения «элементарности» в этом случае придется отказаться.Существование Э. ч. — это своего рода постулат, и проверка его справедливости — одна из важнейших задач физики.

Термин «Э. ч.» часто употребляется в современнойфизике не в своём точном значении, а менее строго — для наименования большойгруппы мельчайших частиц материи, подчинённых условию, что они не являютсяатомами или атомными ядрами (исключение составляет простейшее ядро атомаводорода — протон). Как показали исследования, эта группа частиц необычайнообширна. Помимо упоминавшихся протона (р), нейтрона (n) и электрона (e-)к ней относятся: фотон (g), пи-мезоны (p), мюоны (m), нейтрино трёх типов(электронное ve, мюонное vm и связанное ст. н. тяжёлым лептоном vt), т. н. странные частицы (К-мезоныи гипероны), разнообразные резонансы, открытые в 1974-77 y-частицы,«очарованные» частицы, ипсилон-частицы (¡) и тяжёлые лептоны (t+,t-) — всего более 350 частиц, в основном нестабильных. Число частиц,включаемых в эту группу, продолжает расти и, скорее всего, неограниченновелико; при этом большинство перечисленных частиц не удовлетворяет строгомуопределению элементарности, поскольку, по современным представлениям, ониявляются составными системами (см. ниже). Использование названия «Э. ч.»ко всем этим частицам имеет исторические причины и связано с тем периодомисследований (начало 30-х гг. 20 в.), когда единственно известнымипредставителями данной группы были протон, нейтрон, электрон и частицаэлектромагнитного поля — фотон. Эти четыре частицы тогда естественно былосчитать элементарными, т. к. они служили основой для построения окружающего насвещества и взаимодействующего с ним электромагнитного поля, а сложная структурапротона и нейтрона не была известна.

Открытие новых микроскопических частиц материи постепенноразрушило эту простую картину. Вновь обнаруженные частицы, однако, во многихотношениях были близки к первым четырём известным частицам. Объединяющее ихсвойство заключается в том, что все они являются специфическими формамисуществования материи, не ассоциированной в ядра и атомы (иногда по этойпричине их называют «субъядерными частицами»). Пока количество такихчастиц было не очень велико, сохранялось убеждение, что они играютфундаментальную роль в строении материи, и их относили к категории Э. ч.Нарастание числа субъядерных частиц, выявление у многих из них сложногостроения показало, что они, как правило, не обладают свойствами элементарности,но традиционное название «Э. ч.» за ними сохранилось.

В соответствии со сложившейся практикой термин «Э.ч.» будет употребляться ниже в качестве общего назв. субъядерных частиц. Втех случаях, когда речь будет идти о частицах, претендующих на роль первичныхэлементов материи, при необходимости будет использоваться термин «истинноЭ. ч.».

Краткие историческиесведения.

Открытие Э. ч. явилось закономерным результатом общих успехов визучении строения вещества, достигнутых физикой в конце 19 в. Оно былоподготовлено всесторонними исследованиями оптических спектров атомов, изучениемэлектрических явлений в жидкостях и газах, открытием фотоэлектричества,рентгеновских лучей, естественной радиоактивности, свидетельствовавших осуществовании сложной структуры материи.

Исторически первой открытой Э. ч. был электрон — носительотрицательного элементарного электрического заряда в атомах. В 1897 Дж. Дж. Томсонустановил, что т. н. катодные лучи образованы потоком мельчайших частиц,которые были названы электронами. В 1911 Э. Резерфорд, пропуская альфа-частицыот естественного радиоактивного источника через тонкие фольги различныхвеществ, выяснил, что положительный заряд в атомах сосредоточен в компактныхобразованиях — ядрах, а в 1919 обнаружил среди частиц, выбитых из атомных ядер,протоны — частицы с единичным положительным зарядом и массой, в 1840 разпревышающей массу электрона. Другая частица, входящая в состав ядра, — нейтрон- была открыта в 1932 Дж. Чедвиком при исследованиях взаимодействия a-частиц сбериллием. Нейтрон имеет массу, близкую к массе протона, но не обладаетэлектрическим зарядом. Открытием нейтрона завершилось выявление частиц — структурных элементов атомов и их ядер.

Вывод о существовании частицы электромагнитного поля — фотона — берёт своё начало с работы М. Планка (1900). Предположив, что энергияэлектромагнитного излучения абсолютно чёрного тела квантованна, Планк получилправильную формулу для спектра излучения. Развивая идею Планка, А. Эйнштейн(1905) постулировал, что электромагнитное излучение (свет) в действительностиявляется потоком отдельных квантов (фотонов), и на этой основе объяснилзакономерности фотоэффекта. Прямые экспериментальные доказательствасуществования фотона были даны Р. Милликеном (1912- 1915) и А. Комптоном (1922;см. Комптона эффект).

Открытие нейтрино — частицы, почти не взаимодействующей свеществом, ведёт своё начало от теоретической догадки В. Паули (1930),позволившей за счёт предположения о рождении такой частицы устранить трудностис законом сохранения энергии в процессах бета-распада радиоактивных ядер.Экспериментально существование нейтрино было подтверждено лишь в 1953 (Ф.Райнес и К Коуэн, США).

С 30-х и до начала 50-х гг. изучение Э. ч. было тесно связано сисследованием космических лучей. В 1932 в составе космических лучей К. Андерсономбыл обнаружен позитрон (е+) — частица с массой электрона, но сположительным электрическим зарядом. Позитрон был первой открытой античастицей(см. ниже). Существование е+ непосредственно вытекало изрелятивистской теории электрона, развитой П. Дираком (1928-31) незадолго до обнаруженияпозитрона. В 1936 американские физики К. Андерсон и С. Неддермейер обнаружилипри исследовании осмических лучей мюоны (обоих знаков электрического заряда) — частицы с массой примерно в 200 масс электрона, а в остальном удивительноблизкие по свойствам к е-, е+.

В 1947 также в космических лучах группой С. Пауэлла былиоткрыты p+ и p--мезоны с массой в 274 электронные массы,играющие важную роль во взаимодействии протонов с нейтронами в ядрах.Существование подобных частиц было предположено Х. Юкавой в 1935.

Конец 40-х — начало 50-х гг. ознаменовались открытием большойгруппы частиц с необычными свойствами, получивших название«странных». Первые частицы этой группы К+ — и К--мезоны,L-, S+ -, S — -, X — -гипероны были открыты вкосмических лучах, последующие открытия странных частиц были сделаны наускорителях — установках, создающих интенсивные потоки быстрых протонов иэлектронов. При столкновении с веществом ускоренные протоны и электроны рождаютновые Э. ч., которые и становятся предметом изучения.

С начала 50-х гг. ускорители превратились в основной инструментдля исследования Э. ч. В 70-х гг. энергии частиц, разогнанных на ускорителях,составили десятки и сотни млрд. электронвольт (Гэв). Стремление кувеличению энергий частиц обусловлено тем, что высокие энергии открываютвозможность изучения строения материи на тем меньших расстояниях, чем вышеэнергия сталкивающихся частиц. Ускорители существенно увеличили темп полученияновых данных и в короткий срок расширили и обогатили наше знание свойствмикромира. Применение ускорителей для изучения странных частиц позволило болеедетально изучить их свойства, в частности особенности их распада, и вскорепривело к важному открытию: выяснению возможности изменения характеристикнекоторых микропроцессов при операции зеркального отражения (см. Пространственнаяинверсия)- т. н. нарушению пространств. чётности (1956). Ввод в стройпротонных ускорителей с энергиями в миллиарды эв позволил открытьтяжёлые античастицы: антипротон (1955), антинейтрон (1956), антисигма-гипероны(1960). В 1964 был открыт самый тяжёлый гиперон W- (с массой околодвух масс протона). В 1960-х гг. на ускорителях было открыто большое числокрайне неустойчивых (по сравнению с др. нестабильными Э. ч.) частиц, получившихназвание «резонансов». Массы большинства резонансов превышают массупротона. Первый из них D1 (1232) был известен с 1953. Оказалось, чторезонансы составляют основная часть Э. ч.

В 1962 было выяснено, что существуют два разных нейтрино:электронное и мюонное. В 1964 в распадах нейтральных К-мезонов. было обнаруженонесохранение т, н. комбинированной чётности (введённой Ли Цзун-дао и ЯнЧжэнь-нином и независимо Л. Д. Ландау в 1956; см. Комбинированная инверсия),означающее необходимость пересмотра привычных взглядов на поведение физическихпроцессов при операции отражения времени (см. Теорема СРТ).

В 1974 были обнаружены массивные (в 3-4 протонные массы) и в тоже время относительно устойчивые y-частицы, с временем жизни, необычно большимдля резонансов. Они оказались тесно связанными с новым семейством Э. ч. — «очарованных», первые представители которого (D0, D+,Lс) были открыты в 1976. В 1975 были получены первые сведения осуществовании тяжёлого аналога электрона и мюона (тяжёлого лептона t). В 1977были открыты ¡-частицы с массой порядка десятка протонных масс.

Таким образом, за годы, прошедшие после открытия электрона,было выявлено огромное число разнообразных микрочастиц материи. Мир Э. ч.оказался достаточно сложно устроенным. Неожиданными во многих отношенияхоказались свойства обнаруженных Э. ч. Для их описания, помимо характеристик,заимствованных из классической физики, таких, как электрический заряд, масса,момент количества движения, потребовалось ввести много новых специальныххарактеристик, в частности для описания странных Э. ч. — странность (К. Нишиджима,М. Гелл-Ман, 1953), «очарованных» Э. ч. — «очарование» (американские физики Дж. Бьёркен, Ш. Глэшоу, 1964); уженазвания приведённых характеристик отражают необычность описываемых ими свойствЭ. ч.

Изучение внутреннего строения материи и свойств Э. ч. с первыхсвоих шагов сопровождалось радикальным пересмотром многих устоявшихся понятий ипредставлений. Закономерности, управляющие поведением материи в малом,оказались настолько отличными от закономерностей классической механики иэлектродинамики, что потребовали для своего описания совершенно новыхтеоретических построений. Такими новыми фундаментальными построениями в теорииявились частная (специальная) и общая теория относительности (А. Эйнштейн, 1905и 1916; см. Относительности теория, Тяготение) и квантовая механика (1924-27;Н. Бор, Л. де Бройль, В. Гейзенберг, Э. Шрёдингер, М. Борн). Теорияотносительности и квантовая механика знаменовали собой подлинную революцию внауке о природе и заложили основы для описания явлений микромира. Однако дляописания процессов, происходящих с Э. ч., квантовой механики оказалосьнедостаточно. Понадобился следующий шаг — квантование классических полей (т. н.квантование вторичное) и разработка квантовой теории поля. Важнейшими этапамина пути её развития были: формулировка квантовой электродинамики (П. Дирак,1929), квантовой теории b-распада (Э. Ферми, 1934), положившей началосовременной теории слабых взаимодействий, квантовой мезодинамики (Юкава, 1935).Непосредственной предшественницей последней была т. н. b-теория ядерных сил (И.Е. Тамм, Д. Д. Иваненко, 1934; см. Сильные взаимодействия). Этот периодзавершился созданием последовательного вычислительного аппарата квантовойэлектродинамики (С. Томонага, Р. Фейнман, Ю. Швингер; 1944-49), основанного наиспользовании техники перенормировки (см. Квантовая теория поля). Эта техникабыла обобщена впоследствии применительно к другим вариантам квантовой теорииполя.

Квантовая теория поля продолжает развиваться исовершенствоваться и является основой для описания взаимодействий Э. ч. У этойтеории имеется ряд существенных успехов, и всё же она ещё очень далека отзавершённости и не может претендовать на роль всеобъемлющей теории Э. ч.Происхождение многих свойств Э. ч. и природа присущих им взаимодействий взначительной мере остаются неясными. Возможно, понадобится ещё не однаперестройка всех представлений и гораздо более глубокое понимание взаимосвязисвойств микрочастиц и геометрических свойств пространства-времени, прежде чемтеория Э. ч. будет построена.

Основные свойстваэлементарных частиц. Классы взаимодействий.

Все Э. ч. являются объектами исключительно малых масс иразмеров. У большинства из них массы имеют порядок величины массы протона,равной 1,6×10-24 г (заметно меньше лишь масса электрона:9×10-28 г). Определённые из опыта размеры протона, нейтрона,p-мезона по порядку величины равны 10-13 см. Размеры электрона имюона определить не удалось, известно лишь, что они меньше 10-15 см.Микроскопические массы и размеры Э. ч. лежат в основе квантовой специфики ихповедения. Характерные длины волн, которые следует приписать Э. ч. в квантовойтеории (<sub/>, где — постоянная Планка, m — масса частицы, с — скоростьсвета) по порядку величин близки к типичным размерам, на которых осуществляетсяих взаимодействие (например, для p-мезона 1,4×10-13 см). Это иприводит к тому, что квантовые закономерности являются определяющими для Э. ч.

Наиболее важное квантовое свойство всех Э. ч. — ихспособность рождаться и уничтожаться (испускаться и поглощаться) привзаимодействии с др. частицами. В этом отношении они полностью аналогичныфотонам. Э. ч. — это специфические кванты материи, более точно — квантысоответствующих физических полей (см. ниже). Все процессы с Э. ч. протекаютчерез последовательность актов их поглощения и испускания. Только на этойоснове можно понять, например, процесс рождения p+-мезона пристолкновении двух протонов (р + р ® р + n+ p+) или процессаннигиляции электрона и позитрона, когда взамен исчезнувших частиц возникают,например, два g-кванта (е+ +е- ® g + g). Но и процессыупругого рассеяния частиц, например е- +p ® е- + р, такжесвязаны с поглощением начальных частиц и рождением конечных частиц. Распаднестабильных Э. ч. на более лёгкие частицы, сопровождаемый выделением энергии,отвечает той же закономерности и является процессом, в котором продукты распадарождаются в момент самого распада и до этого момента не существуют. В этомотношении распад Э. ч. подобен распаду возбуждённого атома на атом в основномсостоянии и фотон. Примерами распадов Э. ч. могут служить:; p+ ® m++ vm; К+ ® p+ + p0(знаком«тильда» над символом частицы здесь и в дальнейшем помеченысоответствующие античастицы).

Различные процессы с Э. ч. заметно отличаются поинтенсивности протекания. В соответствии с этим взаимодействия Э. ч. можнофеноменологически разделить на несколько классов: сильные, электромагнитные ислабые взаимодействия. Все Э. ч. обладают, кроме того, гравитационнымвзаимодействием.

Сильные взаимодействия выделяются как взаимодействия,которые порождают процессы, протекающие с наибольшей интенсивностью среди всехостальных процессов. Они приводят и к самой сильной связи Э. ч. Именно сильныевзаимодействия обусловливают связь протонов и нейтронов в ядрах атомов иобеспечивают исключительную прочность этих образований, лежащую в основестабильности вещества в земных условиях.

Электромагнитные взаимодействия характеризуются каквзаимодействия, в основе которых лежит связь с электромагнитным полем. Процессы,обусловленные ими, менее интенсивны, чем процессы сильных взаимодействий, апорождаемая ими связь Э. ч. заметно слабее. Электромагнитные взаимодействия, вчастности, ответственны за связь атомных электронов с ядрами и связь атомов вмолекулах.

Слабые взаимодействия, как показывает само название,вызывают очень медленно протекающие процессы с Э. ч. Иллюстрацией их малойинтенсивности может служить тот факт, что нейтрино, обладающие только слабымивзаимодействиями, беспрепятственно пронизывают, например, толщу Земли и Солнца.Слабые взаимодействия обусловливают также медленные распады т. н.квазистабильных Э. ч. Времена жизни этих частиц лежат в диапазоне 10-8-10-10сек, тогда как типичные времена для сильных взаимодействий Э. ч. составляют 10-23-10-24сек.

Гравитационные взаимодействия, хорошо известные по своиммакроскопическим проявлениям, в случае Э. ч. на характерных расстояниях ~10-13см дают чрезвычайно малые эффекты из-за малости масс Э. ч.

Силу различных классов взаимодействий можно приближённо охарактеризоватьбезразмерными параметрами, связанными с квадратами констант соответствующихвзаимодействий. Для сильных, электромагнитных, слабых и гравитационныхвзаимодействий протонов при средней энергии процесса ~1 Гэв эти параметрысоотносятся как 1:10-2: l0-10:10-38.Необходимость указания средней энергии процесса связана с тем, что для слабыхвзаимодействий безразмерный параметр зависит от энергии. Кроме того, самиинтенсивности различных процессов по-разному зависят от энергии. Это приводит ктому, что относительная роль различных взаимодействий, вообще говоря, меняетсяс ростом энергии взаимодействующих частиц, так что разделение взаимодействий наклассы, основанное на сравнении интенсивностей процессов, надёжноосуществляется при не слишком высоких энергиях. Разные классы взаимодействийимеют, однако, и другую специфику, связанную с различными свойствами ихсимметрии (см. Симметрия в физике), которая способствует их разделению и приболее высоких энергиях. Сохранится ли такое деление взаимодействий на классы впределе самых больших энергий, пока остаётся неясным.

В зависимости от участия в тех или иных видах взаимодействийвсе изученные Э. ч., за исключением фотона, разбиваются на две основные группы:адроны (от греческого hadros — большой, сильный) и лептоны (от греческогоleptos — мелкий, тонкий, лёгкий). Адроны характеризуются прежде всего тем, чтоони обладают сильными взаимодействиями, наряду с электромагнитными и слабыми,тогда как лептоны участвуют только в электромагнитных и слабых взаимодействиях.(Наличие общих для той и другой группы гравитационных взаимодействийподразумевается.) Массы адронов по порядку величины близки к массе протона (тр);минимальную массу среди адронов имеет p-мезон: тp«м 1/7×тр.Массы лептонов, известных до 1975-76, были невелики ( 0,1 mp),однако новейшие данные, видимо, указывают на возможность существования тяжёлыхлептонов с такими же массами, как у адронов. Первыми исследованнымипредставителями адронов были протон и нейтрон, лептонов — электрон. Фотон,обладающий только электромагнитными взаимодействиями, не может быть отнесён ник адронам, ни к лептонам и должен быть выделен в отд. группу. По развиваемым в70-х гг. представлениям фотон (частица с нулевой массой покоя) входит в однугруппу с очень массивными частицами — т. н. промежуточными векторными бозонами,ответственными за слабые взаимодействия и пока на опыте не наблюдавшимися (см.раздел Элементарные частицы и квантовая теория поля).

Характеристикиэлементарных частиц.

Каждая Э. ч., наряду со спецификой присущих ейвзаимодействий, описывается набором дискретных значений определённых физическихвеличин, или своими характеристиками. В ряде случаев эти дискретные значениявыражаются через целые или дробные числа и некоторый общий множитель — единицуизмерения; об этих числах говорят как о квантовых числах Э. ч. и задают толькоих, опуская единицы измерения.

Общими характеристиками всех Э. ч. являются масса (m), времяжизни (t), спин (J) и электрический заряд (Q). Пока нет достаточного пониманиятого, по какому закону распределены массы Э. ч. и существует ли для нихкакая-то единица измерения.

В зависимости от времени жизни Э. ч. делятся на стабильные,квазистабильные и нестабильные (резонансы). Стабильными, в пределах точностисовременных измерений, являются электрон (t > 5×1021 лет),протон (t > 2×1030 лет), фотон и нейтрино. Кквазистабильным относят частицы, распадающиеся за счёт электромагнитных ислабых взаимодействий. Их времена жизни > 10-20 сек (длясвободного нейтрона даже ~ 1000 сек). Резонансами называются Э. ч.,распадающиеся за счёт сильных взаимодействий. Их характерные времена жизни 10-23-10-24сек. В некоторых случаях распад тяжёлых резонансов (с массой ³ 3 Гэв) засчёт сильных взаимодействий оказывается подавленным и время жизни увеличиваетсядо значений — ~10-20 сек.

Спин Э. ч. является целым или полуцелым кратным от величины.В этих единицах спин p- и К-мезонов равен 0, у протона, нейтрона и электрона J=1/2, у фотона J = 1. Существуют частицы и с более высоким спином. Величинаспина Э. ч. определяет поведение ансамбля одинаковых (тождественных) частиц,или их статистику (В. Паули, 1940). Частицы полуцелого спина подчиняются Ферми- Дирака статистике (отсюда название фермионы), которая требует антисимметрии волновойфункции системы относительно перестановки пары частиц (или нечётного числа пар)и, следовательно, „запрещает“ двум частицам полуцелого спинанаходиться в одинаковом состоянии (Паули принцип). Частицы целого спина подчиняютсяБозе — Эйнштейна статистике (отсюда название бозоны), которая требует симметрииволновой функции относительно перестановок частиц и допускает нахождение любогочисла частиц в одном и том же состоянии. Статистические свойства Э. ч.оказываются существенными в тех случаях, когда при рождении или распадеобразуется несколько одинаковых частиц. Статистика Ферми — Дирака играет такжеисключительно важную роль в структуре ядер и определяет закономерностизаполнения электронами атомных оболочек, лежащие в основе периодической системыэлементов Д. И. Менделеева.

Электрические заряды изученных Э. ч. являются целымикратными от величины е „1,6×10-19 к, называютсяэлементарным электрическим зарядом. У известных Э. ч. Q = 0, ±1, ±2.

Помимо указанных величин Э. ч. дополнительно характеризуютсяещё рядом квантовых чисел, называются внутренними. Лептоны несут специфический лептонныйзаряд L двух типов: электронный (Le) и мюонный (Lm); Le= +1 для электрона и электронного нейтрино, Lm= +1 дляотрицательного мюона и мюонного нейтрино. Тяжёлый лептон t; и связанное с нимнейтрино, по-видимому, являются носителями нового типа лептонного заряда Lt.

Для адронов L = 0, и это ещё одно проявление их отличия отлептонов. В свою очередь, значительные части адронов следует приписать особый барионныйзаряд В (|Е| = 1). Адроны с В = +1 образуют подгруппу барионов (сюда входятпротон, нейтрон, гипероны, барионные резонансы), а адроны с В = 0 — подгруппумезонов (p- и К-мезоны, бозонные резонансы). Название подгрупп адроновпроисходит от греческих слов barýs — тяжёлый и mésos — средний,что на начальном этапе исследований Э. ч. отражало сравнительные величины массизвестных тогда барионов и мезонов. Более поздние данные показали, что массыбарионов и мезонов сопоставимы. Для лептонов В = 0. Для фотона В = 0 и L = 0.

Барионы и мезоны подразделяются на уже упоминавшиесясовокупности: обычных (нестранных) частиц (протон, нейтрон, p-мезоны), странныхчастиц (гипероны, К-мезоны) и очарованных частиц. Этому разделению отвечаетналичие у адронов особых квантовых чисел: странности S и очарования (английскоеcharm) Ch с допустимыми значениями: 151 = 0, 1, 2, 3 и |Ch| = 0, 1, 2, 3. Дляобычных частиц S = 0 и Ch = 0, для странных частиц |S| ¹ 0, Ch = 0, дляочарованных частиц |Ch| ¹ 0, а |S| = 0, 1, 2. Вместо странности частоиспользуется квантовое число гиперзаряд Y = S + В, имеющее, по-видимому, болеефундаментальное значение.

Уже первыеисследования с обычными адронами выявили наличие среди них семейств частиц,близких по массе, с очень сходными свойствами по отношению к сильнымвзаимодействиям, но с различными значениями электрического заряда. Протон инейтрон (нуклоны) были первым примером такого семейства. Позднее аналогичныесемейства были обнаружены среди странных и (в 1976) среди очарованных адронов.Общность свойств частиц, входящих в такие семейства, является отражениемсуществования у них одинакового значения специального квантового числа — изотопическогоспина I, принимающего, как и обычный спин, целые и полуцелые значения. Самисемейства обычно называются изотопическими мультиплетами. Число частиц вмультиплете (п)связано с I соотношением: n = 2I + 1. Частицы одногоизотопического мультиплета отличаются друг от друга значением“проекции» изотопического спина I3, и

Важной характеристикой адронов является также внутренняячётность Р, связанная с операцией пространств, инверсии: Р принимает значения±1.

Для всех Э. ч. с ненулевыми значениями хотя бы одного иззарядов О, L, В, Y (S) и очарования Ch существуют античастицы с теми жезначениями массы т, времени жизни t, спина J и для адронов изотопического спина1, но с противоположными знаками всех зарядов и для барионов с противоположнымзнаком внутренней чётности Р. Частицы, не имеющие античастиц, называютсяабсолютно (истинно) нейтральными. Абсолютно нейтральные адроны обладаютспециальным квантовым числом — зарядовой чётностью (т. е. чётностью поотношению к операции зарядового сопряжения) С со значениями ±1; примерами такихчастиц могут служить фотон и p0.

Квантовые числа Э. ч. разделяются на точные (т. е. такие,которые связаны с физическими величинами, сохраняющимися во всех процессах) инеточные (для которых соответствующие физические величины в части процессов несохраняются). Спин J связан со строгим законом сохранения момента количествадвижения и потому является точным квантовым числом. Другие точные квантовыечисла: Q, L, В; по современным данным, они сохраняются при всех превращениях Э.ч. Стабильность протона есть непосредственное выражение сохранения В (нет,например, распада р ® е+ + g). Однако большинство квантовых чиселадронов неточные. Изотопический спин, сохраняясь в сильных взаимодействиях, несохраняется в электромагнитных и слабых взаимодействиях. Странность иочарование сохраняются в сильных и электромагнитных взаимодействиях, но несохраняются в слабых взаимодействиях. Слабые взаимодействия изменяют такжевнутреннюю и зарядовую чётности. С гораздо большей степенью точностисохраняется комбинированная чётность СР, однако и она нарушается в некоторыхпроцессах, обусловленных слабыми взаимодействиями. Причины, вызывающиенесохранение многих квантовых чисел адронов, неясны и, по-видимому, связаны какс природой этих квантовых чисел, так и с глубинной структурой электромагнитныхи слабых взаимодействий. Сохранение или несохранение тех или иных квантовыхчисел — одно из существенных проявлений различий классов взаимодействий Э. ч.

Классификацияэлементарных частиц.

Унитарная симметрия. Классификация лептонов пока непредставляет проблем, большое же число адронов, известных уже в начале 50-хгг., явилось основанием для поиска закономерностей в распределении масс иквантовых чисел барионов и мезонов, которые могли бы составить основу ихклассификации. Выделение изотопических мультиплетов адронов было первым шагомна этом пути. С математической точки зрения группировка адронов в изотопическиемультиплеты отражает наличие у них симметрии, связанной с группой вращения (см.Группа), более формально, с группой SU (2) — группой унитарныхпреобразований в комплексном двумерном пространстве. Предполагается, что этипреобразования действуют в некотором специфическом внутреннем пространстве — «изотопическом пространстве», отличном от обычного. Существованиеизотопического пространства проявляется только в наблюдаемых свойствахсимметрии. На математическом языке изотопические мультиплеты суть неприводимыепредставления группы симметрии SU (2).

Концепция симметрии как фактора, определяющего существованиеразличных групп и семейств Э. ч., в современной теории является доминирующейпри классификации адронов и других Э. ч. Предполагается, что внутренниеквантовые числа Э. ч., позволяющие выделять те или иные группы частиц, связанысо специальными типами симметрий, возникающими за счёт свободы преобразований вособых «внутренних» пространствах. Отсюда и происходит название«внутренние квантовые числа».

Внимательное рассмотрение показывает, что странные и обычныеадроны в совокупности образуют более широкие объединения частиц с близкими свойствами,чем изотопические мультиплеты. Они называются супермультиплетами. Число частиц,входящих в наблюдаемые супермультиплеты, равно 8 и 10. С точки зрения симметрийвозникновение супермультиплетов истолковывается как проявление существования уадронов группы симметрии более широкой, чем группа SU (2), а именно: SU(3) — группы унитарных преобразований в трёхмерном комплексном пространстве(М. Гелл-Ман и независимо Ю. Нееман, 1961). Соответствующая симметрия получиланазв. унитарной симметрии. Группа SU (3)имеет, в частности, неприводимыепредставления с числом компонент 8 и 10, отвечающие наблюдаемымсупермультиплетам: октету и декуплету. Примерами могут служить следующие группычастиц с одинаковыми значениями J P:

Общими для всех частиц в супермультиплете являются значениядвух величин, которые по математической природе близки к изотопическому спину ипоэтому часто называются унитарным спином. Для октета значения связанных сэтими величинами квантовых чисел равны (1, 1), для декуплета — (3, 0).

Унитарная симметрия менее точная, чем изотопическая симметрия.В соответствии с этим различие в массах частиц, входящих в октеты и декуплеты,довольно значительно. По этой же причине разбиение адронов на супермультиплетысравнительно просто осуществляется для Э. ч. не очень высоких масс. При большихмассах, когда имеется много различных частиц с близкими массами, это разбиениеосуществляется менее надёжно. Однако в свойствах Э. ч. имеется многоразнообразных проявлений унитарной симметрии.

Включение в систематику Э. ч. очарованных адронов позволяетговорить о сверхсупермультиплетах и о существовании ещё более широкойсимметрии, связанной с унитарной группой SU (4). Примеры до концазаполненных сверхсупермультиплетов пока отсутствуют. SU (4)-симметриянарушена ещё сильнее, чем SU (3)-симметрия, и её проявления выраженыслабее.

Обнаружение у адронов свойств симметрии, связанных с унитарнымигруппами, и закономерностей разбиения на мультиплеты, отвечающих строгоопределённым представлениям указанных групп, явилось основой для вывода осуществовании у адронов особых структурных элементов — кварков.

Кварковая модель адронов. Развитие работ поклассификации адронов с первых своих шагов сопровождалось попытками выделитьсреди них частицы более фундаментальные, чем остальные, которые могли бы статьосновой для построения всех адронов. Начало этой линии исследования былоположено Э. Ферми и Ян Чжэнь-нином (1949), которые предположили, что такимифундаментальными частицами являются нуклон (N) и антинуклон (<sub/>), ap-мезоны есть их связанные состояния (<sub/>). При дальнейшем развитииэтой идеи в число фундаментальных частиц были включены также странные барионы(М. А. Марков, 1955; японский физик С. Саката, 1956; Л. Б. Окунь, 1957).Модели, построенные на этой основе, хорошо описывали мезонные мультиплеты, ноне давали правильного описания мультиплетов барионов. Важнейший элемент данныхмоделей — использование для «построения» адронов небольшого числафермионов — органически вошёл в модель, которая наиболее успешно решает задачуописания всех адронов, — кварковую модель (австрийский физик Г. Цвейг инезависимо М. Гелл-Ман, 1964).

В первоначальном варианте в основу модели было положенопредположение, что все известные адроны построены из трёх типов частиц спина 1/2,названных р-, n-, l-кварками, не принадлежащих к числу наблюдавшихсяадронов и обладающих весьма необычными свойствами. Название «кварки»заимствовано из романа Дж. Джойса (см. Кварки). Современный вариантмодели предполагает существование как минимум четырёх типов кварков. Четвёртыйкварк необходим для описания очарованных адронов.

Идея кварков подсказана унитарной симметрией. Математическаяструктура унитарных групп открывает возможность описания всех представленийгруппы SU (n) (и, следовательно, всех мультиплетов адронов) наоснове самого простого представления группы, содержащего n компонент. Вслучае группы SU (3)таких компонент три. Необходимо только допуститьналичие частиц, связанных с этим простейшим представлением. Эти частицы и естькварки. Кварковый состав мезонов и барионов был выведен из того факта, чтосупермультиплеты мезонов содержат, как правило, 8 частиц, а барионов — 8 и 10частиц. Эта закономерность легко воспроизводится, если предположить, что мезонысоставлены из кварка q и антикварка — символически:, а барионы из трёхкварков — символически: В = (qqq). В силу свойств группы SU (3)9 мезонов разбиваются на супермультиплеты из 1 и 8 частиц, а 27 барионов — насупермультиплеты, содержащие 1, 10 и дважды по 8 частиц, что и объясняетнаблюдаемую выделенность октетов и декуплетов.

Добавление к схеме четвёртого кварка (и, если окажетсянеобходимым, новых дополнительных кварков) осуществляется при сохраненииосновного предположения кварковой модели о строении адронов:

В = (qqq).

Все экспериментальные данные хорошо соответствуют приведённомукварковому составу адронов. Имеются, видимо, лишь небольшие отклонения от этойструктуры, которые не влияют существенным образом на свойства адронов.

Указанная структура адронов и математические свойства кварков,как объектов, связанных с определённым (простейшим) представлением группы SU(4), приводят к след. квантовым числам кварков (табл. 2). Обращают вниманиенеобычные — дробные — значения электрического заряда Q, а также В, Sи Y, не встречающиеся ни у одной из наблюдавшихся Э. ч. С индексом a укаждого типа кварка qi(i = 1, 2, 3, 4) связана особаяхарактеристика кварков — «цвет», которой нет у изученных адронов.Индекс a принимает значения 1, 2, 3, т, е. каждый тип кварка qi представлентремя разновидностями qia (Н. Н. Боголюбов ссотрудниками, 1965; американские физики И. Намбу и М. Хан, 1965; японский физикИ. Миямото, 1965). Квантовые числа каждого типа кварка не меняются приизменении «цвета» и поэтому табл. 2 относится к кваркам любого«цвета».

Всё многообразие адронов возникает за счёт различных сочетаний р-,п-, g- и с-кварков, образующих связанные состояния. Обычнымадронам соответствуют связанные состояния, построенные только из р- и n-кварков[для мезонов с возможным участием комбинаций и ]. Наличие в связанном состояниинаряду с р — и n-кварками одного g- или с-кварка означает,что соответствующий адрон странный (S = -1) или очарованный (Ch = +1). В состав бариона может входить два и три g -кварка (соответственно с-кварка),т. е. возможны дважды и трижды странные (очарованные) барионы. Допустимы такжесочетания различного числа g- и с-кварков (особенно в барионах), которыесоответствуют «гибридным» формам адронов(«странно-очарованным»). Очевидно, что чем больше g- или с-кварковсодержит адрон, тем он тяжелее. Если сравнивать основные (не возбуждённые)состояния адронов, именно такая картина и наблюдается (см. табл. 1, а такжетабл. 3 и 5).

Поскольку спин кварков равен 1/2,приведённая выше кварковая структура адронов имеет своим следствиемцелочисленный спин у мезонов и полуцелый — у барионов, в полном соответствии сэкспериментом. При этом в состояниях, отвечающих орбитальному моменту l= 0, в частности в основных состояниях, значения спина мезонов должны равняться0 или 1 (для антипараллельной ґ¯ и параллельной ґґориентации спинов кварков), а спина барионов — 1/2 или 3/2(для спиновых конфигураций ¯ґґ и ґґґ). С учётомтого, что внутренняя чётность системы кварк-антикварк отрицательна, значения JPдля мезонов при l = 0 равны 0- и 1-, для барионов- 1/2+ и 3/2+.Именно эти значения JPнаблюдаются у адронов, имеющихнаименьшую массу при заданных значениях I и Y (см. табл. 1).

Поскольку индексы i, k, l в структурных формулахпробегают значения 1, 2, 3, 4, число мезонов Mik с заданнымспином должно быть равно 16. Для барионов Bikl максимальновозможное число состояний при заданном спине (64) не реализуется, т. к. в силупринципа Паули при данном полном спине разрешены только такие трёхкварковыесостояния, которые обладают вполне определённой симметрией относительноперестановок индексов i, k, 1, а именно: полностью симметричные дляспина 3/2 и смешанной симметрии для спина 1/2.Это условие при l = 0 отбирает 20 барионных состояний для спина 3/2и 20 — для спина 1/2.

Более подробное рассмотрение показывает, что значениекваркового состава и свойств симметрии кварковой системы даёт возможностьопределить все основные квантовые числа адрона (J, Р, В, Q, I, Y, Ch),за исключением массы; определение массы требует знания динамики взаимодействиякварков и массы кварков, которое пока отсутствует.

Правильно передавая специфику адронов с наименьшими массами испинами при заданных значениях Y и Ch, кварковая модельестественным образом объясняет также общее большое число адронов и преобладаниесреди них резонансов. Многочисленность адронов — отражение их сложного строенияи возможности существования различных возбуждённых состояний кварковых систем.Не исключено, что число таких возбуждённых состояний неограниченно велико. Всевозбуждённые состояния кварковых систем неустойчивы относительно быстрыхпереходов за счёт сильных взаимодействий в нижележащие состояния. Они иобразуют основную часть резонансов. Небольшую долю резонансов составляют такжекварковые системы с параллельной ориентацией спинов (за исключением W-).Кварковые конфигурации с антипараллельной ориентацией спинов, относящиеся косн. состояниям, образуют квазистабильные адроны и стабильный протон.

Возбуждения кварковых систем происходят как за счёт изменениявращательного движения кварков (орбитальные возбуждения), так и за счётизменения их пространств. расположения (радиальные возбуждения). В первомслучае рост массы системы сопровождается изменением суммарного спина J ичётности Р системы, во втором случае увеличение массы происходит безизменения JP. Например, мезоны с JP = 2+являются первым орбитальным возбуждением (l = 1) мезонов с JP= 1-. Соответствие 2+ мезонов и 1-мезоноводинаковых кварковых структур хорошо прослеживается на примере многих парчастиц:

Мезоны r' и y' — примеры радиальных возбуждений r- и y-мезоновсоответственно (см.

Орбитальные и радиальные возбуждения порождаютпоследовательности резонансов, отвечающие одной и той же исходной кварковой структуре.Отсутствие надёжных сведений о взаимодействии кварков не позволяет покапроизводить количественные расчеты спектров возбуждений и делать какие-либозаключения о возможном числе таких возбуждённых состояний.При формулировкекварковой модели кварки рассматривались как гипотетические структурныеэлементы, открывающие возможность очень удобного описания адронов. В дальнейшембыли проведены эксперименты, которые позволяют говорить о кварках как ореальных материальных образованиях внутри адронов. Первыми были эксперименты порассеянию электронов нуклонами на очень большие углы. Эти эксперименты (1968),напоминающие классические опыты Резерфорда по рассеянию a-частиц на атомах,выявили наличие внутри нуклона точечных заряженных образований. Сравнение данныхэтих экспериментов с аналогичными данными по рассеянию нейтрино на нуклонах(1973-75) позволило сделать заключение о средней величине квадратаэлектрического заряда этих точечных образований. Результат оказался удивительноблизким к величине 1/2[(2/3 e)2+(1/3e)2].Изучение процесса рождения адронов при аннигиляции электрона и позитрона,который предположительно идёт через последовательность процессов: ® адроны,указало на наличие двух групп адронов, генетически связанных с каждым изобразующихся кварков, и позволило определить спин кварков. Он оказался равным1/2. Общее число рожденных в этом процессе адронов свидетельствует также о том,что в промежуточном состоянии возникают кварки трёх разновидностей, т. е.кварки трёхцветны.

Т. о., квантовые числа кварков, введённые на основаниитеоретических соображений, получили подтверждение в ряде экспериментов. Кваркипостепенно приобретают статус новых Э. ч. Если дальнейшие исследованияподтвердят это заключение, то кварки являются серьёзными претендентами на рольистинно Э. ч. для адронной формы материи. До длин ~ 10-15смкварки выступают как точечные бесструктурные образования. Число известных видовкварков невелико. В дальнейшем оно может, конечно, измениться: нельзяпоручиться за то, что при более высоких энергиях не будут обнаружены адроны сновыми квантовыми числами, обязанные своим существованием новым типам кварков.Обнаружение Y -мезонов подтверждает эту точку зрения. Но вполневозможно, что увеличение числа кварков будет небольшим, что общие принципынакладывают ограничения на полное число кварков, хотя эти ограничения поканеизвестны. Бесструктурность кварков также, возможно, отражает лишь достигнутыйуровень исследования этих материальных образований. Однако ряд специфическихособенностей кварков даёт некоторые основания предполагать, что кварки являютсячастицами, замыкающими цепь структурных составляющих материи.

От всех других Э. ч. кварки отличаются тем, что в свободномсостоянии они пока не наблюдались, хотя имеются свидетельства их существованияв связанном состоянии. Одной из причин ненаблюдения кварков может быть их оченьбольшая масса, что препятствует их рождению при энергиях современныхускорителей. Не исключено, однако, что кварки принципиально, в силу спецификиих взаимодействия, не могут находиться в свободном состоянии. Существуют доводытеоретического и экспериментального характера в пользу того, что силы,действующие между кварками, не ослабляются с расстоянием. Это означает, что дляотделения кварков друг от друга требуется бесконечно большая энергия, или,иначе, возникновение кварков в свободном состоянии невозможно. Невозможностьвыделить кварки в свободном состоянии делает их совершенно новым типомструктурных единиц вещества. Неясно, например, можно ли ставить вопрос осоставных частях кварков, если сами кварки нельзя наблюдать в свободномсостоянии. Возможно, что в этих условиях части кварков физически вообще непроявляются и поэтому кварки выступают как последняя ступень дробления адроннойматерии.

Элементарные частицыи квантовая теория поля.

Для описания свойств и взаимодействий Э. ч. в современнойтеории существенное значение имеет понятие физ. поля, которое ставится всоответствие каждой частице. Поле есть специфическая форма материи; оноописывается функцией, задаваемой во всех точках (х)пространства-времении обладающей определёнными трансформационными свойствами по отношению кпреобразованиям группы Лоренца (скаляр, спинор, вектор и т. д.) и групп«внутренних» симметрий (изотопический скаляр, изотопический спинор ит. д.). Электромагнитное поле, обладающее свойствами четырёхмерного вектора Аm(х)(m = 1, 2, 3, 4), — исторически первый пример физического поля. Поля,сопоставляемые с Э. ч., имеют квантовую природу, т. е. их энергия и импульсслагаются из множества отд. порций — квантов, причём энергия Ek иимпульс pk кванта связаны соотношением специальной теорииотносительности: Ek2 = pk2c2+ m2c2. Каждый такой квант и есть Э. ч. с заданнойэнергией Ek, импульсом pk и массой т. Квантамиэлектромагнитного поля являются фотоны, кванты других полей соответствуют всемостальным известным Э. ч. Поле, т. о., есть физическое отражение существованиябесконечной совокупности частиц — квантов. Специальный математический аппаратквантовой теории поля позволяет описать рождение и уничтожение частицы в каждойточке х.

Трансформационные свойства поля определяют все квантовыечисла Э. ч. Трансформационные свойства по отношению к преобразованиямпространства-времени (группе Лоренца) задают спин частиц. Так, скалярусоответствует спин 0, спинору — спин 1/2, вектору — спин1 и т. д. Существование таких квантовых чисел, как L, В, 1, Y, Ch и для кваркови глюонов «цвет», следует из трансформационных свойств полей поотношению к преобразованиям «внутренних пространств»(«зарядового пространства», «изотопического пространства»,«унитарного пространства» и т. д.). Существование «цвета» укварков, в частности, связывается с особым «цветным» унитарнымпространством. Введение «внутренних пространств» в аппарате теории — пока чисто формальный приём, который, однако, может служить указанием на то,что размерность физического пространства-времени, отражающаяся в свойствах Э.ч., реально больше четырёх — размерности пространства-времени, характерной длявсех макроскопических физических процессов. Масса Э. ч. не связананепосредственно с трансформационными свойствами полей; это дополнительная иххарактеристика.

Для описания процессов, происходящих с Э. ч., необходимознать, как различные физические поля связаны друг с другом, т. е. знатьдинамику полей. В современном аппарате квантовой теории поля сведения о динамикеполей заключены в особой величине, выражающейся через поля — лагранжиане(точнее, плотности лагранжиана) L. Знание L позволяет в принципе рассчитыватьвероятности переходов от одной совокупности частиц к другой под влияниемразличных взаимодействий. Эти вероятности даются т. н. матрицей рассеяния (В.Гейзенберг, 1943), выражающейся через L. Лагранжиан L состоит из лагранжиана Lвз,описывающего поведение свободных полей, и лагранжиана взаимодействия Lвз,построенного из полей разных частиц и отражающего возможность ихвзаимопревращений. Знание Lвз является определяющим для описанияпроцессов с Э. ч.

Вид Lвз однозначно определяетсятрансформационными свойствами полей относительной группы Лоренца и требованиеминвариантности относительно этой группы (релятивистская инвариантность). Втечение длительного времени не были, однако, известны критерии для нахождения Lвз(за исключением электромагнитных взаимодействий), а сведения о взаимодействияхЭ. ч., полученные из эксперимента, в большинстве случаев не позволялиосуществить надёжный выбор между различными возможностями. В этих условияхширокое распространение получил феноменологический подход к описаниювзаимодействий, основанный либо на выборе простейших форм Lвз,ведущих к наблюдаемым процессам, либо на прямом изучении характерных свойствэлементов матрицы рассеяния. На этом пути был достигнут значительный успех вописании процессов с Э. ч. для различных выделенных областей энергий. Однакомногие параметры теории заимствовались из эксперимента, а сам подход не могпретендовать на универсальность.

В период 50-70-х гг. был достигнут значительный прогресс впонимании структуры Lвз, который позволил существенно уточнить егоформу для сильных и слабых взаимодействий. Решающую роль в этом продвижениисыграло выяснение тесной связи между свойствами симметрии взаимодействий Э. ч.и формой Lвз.

Симметрия взаимодействий Э. ч. находит своё отражение всуществовании законов сохранения определённых физических величин и,следовательно, в сохранении связанных с ними квантовых чисел Э. ч. (см. Сохранениязаконы). Точная симметрия, имеющая место для всех классов взаимодействий,отвечает наличию у Э. ч. точных квантовых чисел; приближённая симметрия,характерная лишь для некоторых классов взаимодействий (сильных,электромагнитных), приводит к неточным квантовым числам. Отмечавшееся вышеразличие классов взаимодействий в отношении сохранения квантовых чисел Э. ч.отражает различия в свойствах их симметрии.

Известная форма Lвзэл. м. дляэлектромагнитных взаимодействий есть следствие существования очевиднойсимметрии лагранжиана L относительно умножения комплексных полей j заряженныхчастиц, входящих в него в комбинациях типа j*j (здесь * означает комплексноесопряжение), на множитель eia, где a — произвольное действительноечисло. Эта симметрия, с одной стороны, порождает закон сохраненияэлектрического заряда, с другой стороны, если требовать выполнения симметриипри условии, что a произвольно зависит от точки х пространства-времени,однозначно приводит к лагранжиану взаимодействия:

Lвзэл.м. = jmэл. м. (x) Am (x) (1)

где jmэл. м. — четырёхмерныйэлектромагнитный ток (см. Электромагнитные взаимодействия). Как выяснилось,этот результат имеет общее значение. Во всех случаях, когда взаимодействияпроявляют «внутреннюю» симметрию, т. е. лагранжиан инвариантенотносительно преобразований «внутреннего пространства», а у Э. ч.возникают соответствующие квантовые числа, следует требовать, чтобыинвариантность имела место при любой зависимости параметров преобразования отточки х (т. н. локальная калибровочная инвариантность; Ян Чжэнь-нин,американский физик Р. Миллс, 1954). Физически это требование связано с тем, чтовзаимодействие не может мгновенно передаваться от точки к точке. Указанноеусловие удовлетворяется, когда среди полей, входящих в лагранжиан, присутствуютвекторные поля (аналоги Am (x)), изменяющиеся при преобразованиях«внутренней» симметрии и взаимодействующие с полями частиц вполнеопределённым образом, а именно:

Lвз =år=1n jmr (x) Vmr(x), (2)

где jmr (x) — токи, составленные изполей частиц, Vmr (x) — векторные поля, называются частокалибровочными полями. Т. о., требование локальности «внутренней»симметрии фиксирует форму Lвз и выделяет векторные поля какуниверсальные переносчики взаимодействий. Свойства векторных полей и их число«n» определяются свойствами группы «внутренней» симметрии.Если симметрия точная, то масса кванта поля Vmr равна 0.Для приближенной симметрии масса кванта векторного поля отлична от нуля. Видтока jmr определяется полями частиц с ненулевымиквантовыми числами, связанными с группой «внутренней» симметрии.

На основании изложенных принципов оказалось возможнымподойти к вопросу о взаимодействии кварков в нуклоне. Эксперименты по рассеяниюнейтрино и антинейтрино на нуклоне показали, что импульс нуклона лишь частично(примерно на 50%) переносится кварками, а остальная его часть переносится другимвидом материи, которая не взаимодействует с нейтрино. Предположительно этачасть материи состоит из частиц, которыми обмениваются кварки и за счёт которыхони удерживаются в нуклоне. Эти частицы получили название «глюонов»(от английского glue — клей). С изложенной выше точки зрения на взаимодействияэти частицы естественно считать векторными. В современной теории ихсуществование связывается с симметрией, обусловливающей появление«цвета» у кварков. Если эта симметрия точная (цветная SU (3)-симметрия),то глюоны — безмассовые частицы и их число равно восьми (американский физик И.Намбу, 1966). Взаимодействие кварков с глюонами даётся Lвз соструктурой (2), где ток jmr составлен из полей кварков.Имеется и основание предполагать, что взаимодействие кварков, обусловленноеобменом безмассовыми глюонами, приводит к силам между кварками, не убывающим срасстоянием, но строго это не доказано.

Принципиально знание взаимодействия между кварками могло быявиться основой для описания взаимодействия всех адронов между собой, т. е.всех сильных взаимодействий. Это направление в физике адронов быстроразвивается.

Использование принципа определяющей роли симметрии (в т. ч.приближённой) в формировании структуры взаимодействия позволило такжепродвинуться в понимании природы лагранжиана слабых взаимодействий.Одновременно была вскрыта глубокая внутренняя связь слабых и электромагнитныхвзаимодействий. В указанном подходе наличие пар лептонов с одинаковым лептоннымзарядом: е-, ve и m-, vm, норазличными массами и электрическими зарядами расценивается не как случайное, акак отражающее существование нарушенной симметрии типа изотонической (группа SU(2)). Применение принципа локальности к этой «внутренней» симметрииприводит к характерному лагранжиану (2), в котором одновременно возникаютчлены, ответственные за электромагнитное и слабое взаимодействия (американскийфизик С. Вайнберг, 1967; А. Салам, 1968):

Lвз = jmэл.м. + Am + jmсл. з. Wm++ jmсл. з. Wm- + jmсл.н. Zm0(3)

Здесь jmсл. з., jmсл.н. — заряженный и нейтральный токи слабых взаимодействий, построенные изполей лептонов, Wm+, Wm-, Zm0 — поля массивных (из-за нарушенности симметрии) векторных частиц, которые вэтой схеме являются переносчиками слабых взаимодействий (т. н. промежуточныебозоны), Am — поле фотона. Идея существования заряженногопромежуточного бозона была выдвинута давно (Х. Юкава, 1935). Важно, однако, чтов данной модели единой теории электрон магнитного и слабого взаимодействийзаряженный промежуточный бозон появляется на равной основе с фотоном инейтральным промежуточным бозоном. Процессы слабых взаимодействий,обусловленные нейтральными токами, были обнаружены в 1973, что подтверждаетправильность только что изложенного подхода к формулировке динамики слабыхвзаимодействий. Возможны и другие варианты написания лагранжиана Lвзсл<sub/>с большим числом нейтральных и заряженных промежуточных бозонов; дляокончательного выбора лагранжиана экспериментальных данных ещё недостаточно.

Экспериментально промежуточные бозоны пока не обнаружены. Изимеющихся данных массы W± и Z0для модели Вайнберга — Салама оцениваются примерно в 60 и 80 Гэв.

Электромагнитное и слабое взаимодействия кварков можноописать в рамках модели, аналогичной модели Вайнберга — Салама. Рассмотрение наэтой основе электромагнитных и слабых взаимодействий адронов даёт хорошеесоответствие наблюдаемым данным. Общей проблемой при построении таких моделейявляется неизвестное пока полное число кварков и лептонов, что не позволяетопределить тип исходной симметрии и характер её нарушения. Поэтому очень важныдальнейшие экспериментальные исследования.

Единое происхождение электромагнитных и слабыхвзаимодействий означает, что в теории исчезает как независимый параметрконстанта слабых взаимодействий. Единственной константой остаётся электрическийзаряд е. Подавленность слабых процессов при небольших энергиях объясняетсябольшой массой промежуточных бозонов. При энергиях в системе центра масс,сравнимых с массами промежуточных бозонов, эффекты электромагнитных и слабыхвзаимодействий должны быть одного порядка. Последние, однако, будут отличатьсянесохранением ряда квантовых чисел (P, Y, Ch и т. д.).

Имеются попытки рассмотреть на единой основе не толькоэлектромагнитные и слабые, но также и сильные взаимодействия. Исходным длятаких попыток является предположение об единой природе всех видоввзаимодействий Э. ч. (без гравитационного). Наблюдаемые сильные различия междувзаимодействиями считаются обусловленными значительным нарушением симметрии.Эти попытки ещё недостаточно разработаны и сталкиваются с серьёзнымитрудностями, в частности в объяснении различий свойств кварков и лептонов.

Развитие метода получения лагранжиана взаимодействия,основанного на использовании свойств симметрии, явилось важным шагом на пути,ведущем к динамической теории Э. ч. Есть все основания думать, чтокалибровочные теории поля явятся существенным составным элементом дальнейшихтеоретических построений.

Заключение

Некоторые общие проблемы теории элементарных частиц.Новейшее развитие физики Э. ч. явно выделяет из всех Э. ч. группу частиц,которые существенным образом определяют специфику процессов микромира. Этичастицы — возможные кандидаты на роль истинно Э. ч. К их числу принадлежат:частицы со спином 1/2 — лептоны и кварки, а также частицысо спином 1 — глюоны, фотон, массивные промежуточные бозоны, осуществляющиеразные виды взаимодействий частиц со спином 1/2. В этугруппу скорее всего следует также включить частицу со спином 2 — гравитон;квант гравитационного поля, связывающий все Э. ч. В этой схеме многие вопросы,однако, требуют дальнейшего исследования. Неизвестно, каково полное числолептонов, кварков и различных векторных (с J = 1) частиц и существуют лифизические принципы, определяющие это число. Неясны причины деления частиц соспином 1/2 на 2 различные группы: лептоны и кварки.Неясно происхождение внутренних квантовых чисел лептонов и кварков (L, В, 1, Y,Ch) и такой характеристики кварков и глюонов, как «цвет». С какимистепенями свободы связаны внутренние квантовые числа? С обычным четырёхмернымпространством-временем связаны только такие характеристики Э. ч., как J и Р.Какой механизм определяет массы истинно Э. ч.? Чем обусловлено наличие у Э. ч.различных классов взаимодействий с различными свойствами симметрии? Эти идругие вопросы предстоит решить будущей теории Э. ч.

Описание взаимодействий Э. ч., как отмечалось, связано скалибровочными теориями поля. Эти теории имеют развитый математический аппарат,который позволяет производить расчёты процессов с Э. ч. (по крайней мерепринципиально) на том же уровне строгости, как и в квантовой электродинамике.Но в настоящем своём виде калибровочные теории поля обладают одним серьёзнымнедостатком, общим с квантовой электродинамикой, — в них в процессе вычисленийпоявляются бессмысленные бесконечно большие выражения. С помощью специальногоприёма переопределения наблюдаемых величин (массы и заряда) — перенормировки — удаётся устранить бесконечности из окончательных результатов вычислений. Внаиболее хорошо изученной электродинамике это пока не сказывается на согласиипредсказаний теории с экспериментом. Однако процедура перенормировки- чистоформальный обход трудности, существующей в аппарате теории, которая на каком-тоуровне точности должна сказаться на степени согласия расчётов с измерениями.

Появление бесконечностей в вычислениях связано с тем, что влагранжианах взаимодействий поля разных частиц отнесены к одной точке х, т. е.предполагается, что частицы точечные, а четырёхмерное пространство-времяостаётся плоским вплоть до самых малых расстояний. В действительности указанныепредположения, по-видимому, неверны по нескольким причинам: а) истинно Э. ч.,вероятнее всего, — материальные объекты конечной протяжённости; б) свойствапространства-времени в малом (в масштабах, определяемых т. н. фундаментальнойдлиной) скорее всего радикально отличны от его макроскопических свойств; в) насамых малых расстояниях (~10-33 см) сказывается изменениегеометрических свойств пространства-времени за счёт гравитации. Возможно, этипричины тесно связаны между собой. Так, именно учёт гравитации наиболееестественно приводит к размерам истинно Э. ч. порядка 10-33 см, афундамент, длина l0может быть связана с гравитационной постояннойf: " 10-33 см. Любая из этих причин должна привести кмодификации теории и устранению бесконечностей, хотя практическое выполнениеэтой модификации может быть весьма сложным.

Очень интересным представляется учёт влияния гравитации намалых расстояниях. Гравитационное взаимодействие может не только устранятьрасходимости в квантовой теории поля, но и обусловливать само существованиепервообразующих материи (М. А. Марков, 1966). Если плотность вещества истинноЭ. ч. достаточно велика, гравитационное притяжение может явиться тем фактором,который определяет устойчивое существование этих материальных образований.Размеры таких образований должны быть ~10-33 см. В большинствеэкспериментов они будут вести себя как точечные объекты, их гравитационноевзаимодействие будет ничтожно мало и проявится лишь на самых малых расстояниях,в области, где существенно изменяется геометрия пространства.

Т. о., наметившаяся тенденция к одновременному рассмотрениюразличных классов взаимодействий Э. ч. скорее всего должна быть логическизавершена включением в общую схему гравитационного взаимодействия. Именно набазе одновременного учёта всех видов взаимодействий наиболее вероятно ожидатьсоздания будущей теории Э. ч.