Элементарные частицы. Ускорители элементарных частиц
«если верно, что все на свете состоит
из элементарных частиц, то, следовательно,
всё на свете состоит из света».
1. История открытия элементарных частиц
Этап 1. От электрона до позитрона: 1897 - 1932 гг.
Этап 2. От позитрона до кварков: 1932 - 1964 гг.
Этап 3. От гипотезы о кварках (1964 г.) до наши дней.
Этап 1.
До самого конца девятнадцатого века считалось, что атом – это неделимая частица. Только в 1897 году Джозефом Томсоном был открыт электрон, причем стало ясно, что электрон – это часть атома.
В 1919 году Эрнест Резерфорд открыл протон, а в 1932 году, Джеймс Чедвик открыл нейтрон. Была предложена протонно-нейтронная модель атомного ядра.
Вопрос: Какие частицы входят в состав атома и коротко охарактеризуем их?
Ответ: Электрон - отрицательно заряженная частица, заряд электрона равен -1,602· 10-19 Кл; масса - 9,109·10-31 кг.
Протон - положительно заряженная частица, заряд протона 1,602 ·10-19 Кл; масса протона 1, 6726· 10-27 кг.
Нейтрон - частица, не имеющая заряда; масса нейтрона равна 1,001 массы протона.
Вопрос: Кем и в какие годы были открыты электрон, протон и нейтрон?
Ответ: Электрон. В 1898 г. Дж. Томсон доказал реальность существования электронов. В 1909 г. Р. Милликен впервые измерил заряд электрона.
Протон. В 1919 г. Э. Резерфорд при бомбардировке азота α- частицами обнаружил частицу, заряд которой равен заряду электрона, а масса в 1836 раз больше массы электрона. Назвали частицу протон.
Нейтрон. Резерфорд так же высказал предположение о существовании частицы, не имеющей заряда, масса которой равна массе протона.
В 1932 г. Д. Чэдвик открыл частицу, о которой предполагал Резерфорд, и назвал её нейтроном.
Этап 2.
В 30-е годы были обнаружены и исследованы взаимные превращения протонов и нейтронов, и стало ясно, что эти частицы также не являются неизменными элементарными "кирпичиками" природы. После этого, возникли теории, объясняющие строение атомного ядра. Исходя из этих теорий, ученые пришли к выводу, что в состав ядер должны входить частицы, осуществляющие обменное взаимодействие между элементарными частицами. Такие частицы назвали пи-мезонами (они были предсказаны Хидэки Юкавой в 1935 году, но открыты только к концу сороковых годов).
В настоящее время известно около 400 субъядерных частиц.
Позитрон - (античастица электрона) положительно заряженная частица, имеющая ту же массу и тот же (по модулю) заряд, что и электрон. О существование позитрона было предсказано П. Дираком в 1928 году, а открыл его в 1932 г. в космических лучах К. Андерсон.
В 1937 году в космических лучах были обнаружены частицы с массой в 207 электронных масс, названные мюонами ( µ-мезонами). Среднее время жизни µ -мезона равно 2,2 · 10-6 с.
Затем в 1947-1950 годах были открыты пионы (т. е. π -мезоны). Среднее время жизни нейтрального π -мезона - 0,87·10-16 с.
Этап 3.
Элементарные частицы объединяются в три группы: фотоны, лептоны и адроны
2. Свойства элементарных частиц
В настоящее время известно около 400 субъядерных частиц (частицы из которых состоят атомы, которые принято называть элементарными). Подавляющее большинство этих частиц являются нестабильными, (элементарные частицы превращаются друг в друга).
Исключение составляют лишь фотон, электрон, протон и нейтрино.
Фотон, электрон, протон и нейтрино являются стабильными частицами (частицы, которые могут существовать в свободном состоянии неограниченное время), но каждая из них при взаимодействии с другими частицами может превращаться в другие частицы.
Все остальные частицы через определенные промежутки времени испытывают самопроизвольные превращения в другие частицы и это главный факт их существования.
Вопрос: Я упомянула об ещё одной частице - нейтрино. Каковы основные характеристики этой частицы? Кем и когда она была открыта?
Ответ: Нейтрино - частица, лишенная электрического заряда и масса покоя его равна 0. О существовании этой частицы предсказал в 1931 г. В. Паули, а в 1955г., частица была экспериментально зарегистрирована. Проявляется в результате распада нейтрона:
Способность к взаимным превращениям - это наиболее важное свойство всех элементарных частиц.
Выводы:
1) Способность к взаимным превращениям - это наиболее важное свойство всех элементарных частиц.
Элементарные частицы могут превращаться друг в друга, подобно тому, как превращаются друг в друга ядра атомов.
Превращение элементарных частиц происходит при столкновении частиц высоких энергий. При этом рождаются совершенно иные частицы, которые нельзя называть составными частями элементарных частиц. Выясняется, что эти превращения взаимны, и происходят между всеми элементарными частицами. Единственное, что остается неизменным – это суммарная энергия до и после превращения (то есть, выполняется закон сохранения энергии).
2) Элементарные частицы способны рождаться и уничтожаться (испускаться и поглощаться). Это относится также и к стабильным частицам с той только разницей, что превращения стабильных частиц происходят не самопроизвольно, а при взаимодействии с другими частицами.
Примером может служить аннигиляция (т. е. исчезновение) электрона и позитрона, сопровождающаяся рождением фотонов большой энергии.
3) Элементарные частицы имеют сложную структуру, они не являются неизменными.
Это доказывается простым фактом: ни одна из частиц не бессмертна. Продолжительность существования большинства элементарных частиц измеряется в мкс.
Нестабильные элементарные частицы сильно отличаются друг от друга по временам жизни.
Наиболее долгоживущей частицей является нейтрон. Время жизни нейтрона порядка 15 мин.
Другие частицы "живут" гораздо меньшее время.
Существует несколько десятков частиц со временем жизни, превосходящим 10-17с. По масштабам микромира это значительное время. Такие частицы называют относительно стабильными.
Большинство короткоживущих элементарных частиц имеют времена жизни порядка 10-22-10-23с.
Теоретически, если бы каждая из таких частиц, как фотон, электрон, протон и нейтрино была бы единственная во всем мире, они смогли бы существовать не ограниченно долго. Но тут выяснилось следующее: у каждой частицы должна быть античастица.
4) У каждой частицы должна быть античастица. Частицы могут рождаться только парами: частица и античастица. При встрече частицы и античастицы, они уничтожаются, превращаясь в фотоны.
Впервые наличие у частицы античастицы было предсказано Дираком еще в начале тридцатых годов двадцатого века. Сначала Дирак говорил только о позитроне (то есть, частице, противоположной электрону), но потом распространил свою гипотезу на все элементарные частицы.
3. Классификация элементарных частиц
В настоящее время насчитывается порядка четырёхсот элементарных частиц.
Изначально, элементарные частицы попытались классифицировать следующим образом.
Их разбили на три группы: фотоны, лептоны и адроны.
1) Известно, что группа фотонов состоит из 1 частицы – фотона.
2) Лептонами назвали частицы, имеющую массу, близкую к массе электрона (не более, чем в 200 раз превосходящую массу электрона). К группе лептонов относятся электроны, мюоны, тау-мезоны, и три, соответствующие им нейтрино: электронное, мюонное и тау-лептонное. В эту же группу входят античастицы выше упомянутых частиц. Это самый распространенный вид частиц: их насчитывается более четырехсот, а в группу лептонов входит только 12, плюс фотон. Остальные частицы – это адроны.
3) Адроны: к этой группе относятся мезоны и барионы. Адроны делятся на мезоны и барионы, в соответствии со вторым квантовым числом (которое называется барионным зарядом). Например, к барионам относятся протон и нейтрон. Первое квантовое число – это лептонный заряд.
4) Кварки
Время жизни некоторых элементарных частиц составляет порядка 10–20 – 10–22 с.
Поэтому, в 1964 году Марри Гелл Манн и Джордж Цвейг независимо друг от друга выдвинули гипотезу о существовании более фундаментальных частиц – кварков.
Согласно этой гипотезе, из кварков построены все адроны.
На данный момент известно всего 6 кварков и, соответственно, 6 антикварков.
Кварки обозначаются буквой q с нижним индексом от 1 до 6 (номер кварка) и с верхним индексом a (который обозначает цвет кварка).
Каждый кварк может обладать одним из трех основных цветов: зеленым, синим или красным.
5) Глюоны
Глюоны – частицы поля, отвечающие за сильное взаимодействие. Их, на сегодняшний день насчитывается 8.
Выводы:
1) Существует четыре вида фундаментальных типов взаимодействий – электромагнитное, сильное, слабое и гравитационное.
Согласно теории близкодействия, у каждого взаимодействия существуют частицы-переносчики.
У электромагнитного взаимодействия – это фотоны,
у сильного взаимодействия – это глюоны,
у слабого взаимодействия – это бозоны,
у гравитационного взаимодействия – это гипотетические частицы – гравитоны.
2) Количество элементарных частиц: это фотоны, лептоны, кварки и глюоны.
Лептонов насчитывается 12,
кварков – 36 (с учетом цвета),
глюонов – 8.
Получается 57 элементарных частиц – и это только то, что открыто на сегодняшний день.
Пока что нет известных частиц, являющихся более фундаментальными, чем лептоны и кварки, поэтому лептоны и кварки принято считать истинно элементарными частицами. Но количество этих частиц снова наталкивает на мысль о том, что, возможно, и эти частицы – не самые простые, и они тоже имеют сложную структуру. Альберт Эйнштейн как-то раз сказал, что если теория развивается в сторону усложнения, громоздкости, то стоит проверить, а верна ли эта теория? Основная задача современной физики элементарных частиц – это понять, действительно ли кварки и лептоны являются элементарными и существуют ли вообще какие-то неизменные частицы? Возможно, ими как раз окажутся гравитоны.
4. Развитие физики элементарных частиц для человечества
Что же сулит человечеству развитие физики элементарных частиц?
Рассмотрим столкновение пары электрон-позитрон. Каждая из этих частиц обладает электрическим зарядом и массой покоя. При столкновении этих частиц происходит аннигиляция (то есть исчезновение одних частиц и появление других).
При аннигиляции электрона и позитрона образуются два фотона, которые не имеют ни заряда, ни массы покоя (поскольку фотоны попросту не могут существовать в состоянии покоя). Это говорит о том, что с помощью аннигиляции можно получать энергию в чистом виде.
Не так давно были открыты антипротон и антинейтрон. Возник вопрос: а что если построить атом, ядро которого будет состоять из антинуклонов, а оболочка – из позитронов?
Такие атомы смогут образовать антивещество. В 1969 году в СССР были получены ядра антигелия, хотя антивещество получить так и не удалось.
В 1995 году в ЦЕРНе удалось синтезировать атом антиводорода, а в последние годы удалось даже получить антиводород в достаточных количествах, чтобы начать изучать его свойства.
Из-за явления аннигиляции, антивещество является совершенным источником энергии. Например, расчеты говорят о том, что при аннигиляции одного килограмма вещества и одного килограмма антивещества выделится количество энергии, сравнимое с энергией ядерного взрыва. Поэтому, если человечеству удастся найти способ получения и удержания антивещества – это будет огромным прорывом в энергетике, подобным прорыву в начале двадцатого века – развитию ядерной энергетики.
Как известно, в наблюдаемой людьми части Вселенной практически нет антивещества. По современным представлениям, фундаментальные взаимодействия в веществе и антивеществе совершенно одинаковы, поэтому, столь сильная асимметрия вещества и антивещества во Вселенной – это одна из самых больших нерешенных задач в физике.
Есть два предположения о том, почему в наблюдаемой части Вселенной нет антивещества.
Первое предположение состоит в том, что такая асимметрия возникла при большом взрыве.
Второе предположение, пожалуй, более логично: возможно во Вселенной существуют другие области, которые, наоборот, заполнены антивеществом, просто эти области находятся за гранью наблюдаемой людьми части Вселенной.
Основные этапы развития физики элементарных частиц:
– Первый этап называется «от электрона до позитрона», то есть с момента осознания сложного строения атома до открытия античастиц.
– Второй этап называется «от позитрона до кварков», то есть до прихода осознания того, что и те частицы, которые сегодня называются элементарными, тоже имеют сложную структуру.
– Третий этап: от гипотезы о кварках до наших дней.
– Сегодня считается, что лептоны и кварки – это истинно элементарные частицы.
– Аннигиляция возникает при столкновении пар частица-античастица: и частица и античастица превращаются в фотоны очень высоких энергий.
5. Ускорители элементарных частиц
В последующие годы число вновь открываемых частиц стало быстро расти. Этому способствовали исследования космических лучей, развитие ускорительной техники и изучение ядерных реакций.
Современные ускорители необходимы для осуществления процесса рождения новых частиц и изучения свойств элементарных частиц. Исходные частицы разгоняются в ускорителе до высоких энергий "на встречных курсах" и в определенном месте сталкиваются друг с другом. Если энергия частиц велика, то в процессе столкновения рождается множество новых частиц, обычно нестабильных. Эти частицы, разлетаясь из точки столкновения, распадаются на более устойчивые частицы, которые и регистрируются детекторами. Для каждого такого акта столкновения (физики говорят: для каждого события) - а они регистрируются тысячами в секунду! -экспериментаторы в результате определяют кинематические переменные: значения импульсов и энергий "пойманных" частиц, а также их траектории (см. рис. в учебнике). Набрав много событий одного типа и изучив распределения этих кинематических величин, физики восстанавливают то, как протекало взаимодействие и к какому типу частиц можно отнести полученные частицы.
Контрольные вопросы:
1. Назовите основные взаимодействия, которые существую в природе
2. Чем отличаются частица и античастица? Что у них общего?
3. Какие частицы участвую в гравитационном, электромагнитном, сильном и слабом взаимодействиях?
4. В чем различие трех этапов развития физики элементарных частиц
5. Электрон самая легкая из заряженных частиц. Какой из известных вам законов сохранения запрещает превращение электрона в фотоны и нейтрино
6. Перечислите все стабильные элементарные частицы
7. Что такое кварк?
Упражнения
1. Одно из свойств элементарных частиц – способность………
А. превращаться друг в друга Б. самопроизвольно видоизменятся
2.Частицы, которые могут существовать в свободном состоянии неограниченное время, называются….. А. нестабильными Б. стабильными.
3. Какая частица является стабильной? А. протон Б. мезон
4. Частица, являющаяся долгожителем. А. нейтрино Б. нейтрон
5.Нейтрино получается в результате распада….. А. электрона Б. нейтрона
6. Что является главным фактором существования элементарных частиц?
А. взаимное их проникновение Б. взаимное их превращение.
7. Какая из элементарных частиц не выделена в свободную частицу . А. пион Б. кварки
8. Сколько живет нейтрон вне атома ядра? А. 12 мин Б. 15 мин
9. Какая из частиц не является стабильной. А. фотон Б. лептон
10. Существуют ли в природе неизменные частицы? А. да Б. нет