Новые элементарные частицы

В последние десятилетия термин «элементарная частица» обычно используется применительно к неделимым фрагментам атома. До работы Дирака считалось, что существуют только три элементарные частицы-электрон, протон и нейтрон. Вскоре после того, как Дирак предсказал существование античастиц, другие физики выдвинули предположение о существовании новых элементарных частиц. Наиболее известен из них Хидэки Юкава, который в 1935 г. предположил существование мезона. Эта элементарная частица необходима для удержания вместе протонов и нейтронов в атомном ядре. В 1938 г. он предсказал также существование так называемых «промежуточных векторных бозонов». С этих пор было предсказано несколько сотен элементарных частиц. Некоторые из них были обнаружены при бомбардировке вещества частицами, обладающими огромными скоростями. Для этой цели используются ускорители частиц с высокой энергией.

Античастицы обладают такой же массой, как и соответствующие обычные частицы (если у них есть масса), но электрическим зарядом противоположного знака. Например, позитрон является античастицей по отношению к электрону. Он имеет положительный заряд. Антипротон имеет отрицательный электрический заряд.

В настоящее время истинно фундаментальными, или элементарными, частицами считаются кварки и лептоны. Кварки* были предсказаны Мюреем Гелл-Маном и независимо Джорджем Цвейгом в 1964 г. В настоящее время предполагается существование по меньшей мере 18 типов кварков. Они включают 6-кварк и 6-антикварк, «очарованный» кварк и кварк, обладающий «ароматом» (особым квантовым числом), который называется «красотой». «Красивый» ароматный мезон состоит из двух кварков, один из которых обладает свойством «красоты». Некоторые кварки обладают «явной красотой», а другие-«скрытой красотой»! «Ароматы» кварков определяют их квантовые свойства (см. следующий раздел). Фундаментальными частицами кроме кварков считаются еще шесть лептонов и десяток других частиц, которые являются переносчиками различных взаимодействий. Лептоны относятся к тому же классу неделимых частиц, к которому принадлежит электрон. До последнего времени не существовало прямых экспериментальных доказательств существования фундаментальности таких частиц, как кварки и лептоны. Их существование было предсказано на основании гипотетических моделей атома, предложенных физиками-теоретиками.

Считается, что протон состоит из набора трех кварков, а нейтрон-из другого набора трех кварков. Эти кварки удерживаются вместе сильным взаимодействием, которое носит название «цветового взаимодействия» (хотя такая характеристика не имеет ничего общего с обычным понятием о цвете). «Цветовое взаимодействие» обусловлено глюонами. Различные типы глюонов имеют различные «цвета». Когда кварки связываются друг с другом, образуя протон либо нейтрон, между кварками происходит обмен глюонами. Теория «цветового взаимодействия» называется квантовой хромодинамикой (КХД). Квантовая хромодинамика во многих отношениях сопоставима с фундаментальной теорией электромагнитных взаимодействий, начало которой положили работы Дирака в конце 20-х годов XX в. и которая развивалась последующие 20 лет. В этой теории силы взаимодействия между двумя электрически заряженными частицами объясняются обменом фотонами. Она называется квантовой электродинамикой (КЭД).

Однако обнаружение так называемых W- и Z-частиц женевскими учеными в 1983 г. поставило под сомнение обе теории**. На рис. 1.5 в схематическом виде изображено современное состояние знаний, касающихся строения атома.

Изучение элементарных частиц до последнего времени почти полностью было областью интересов физиков-теоретиков и специалистов в области высоких энергий. Однако в последние годы химики стали изучать эффекты, к которым приводит бомбардировка молекул мюонами и другими элементарными частицами. И все же большинство современных химиков по-прежнему твердо полагаются только на три фундаментальные частицы-электрон, протон и нейтрон, которые позволяют им объяснять природу химических реакций и свойств химических систем.

Слово «кварк обязано своим происхождением рассказу Джеймса Джойса «Поминки Финнегана», где посетитель кабачка произносит фразу: «Три кварка для мистера Марка!», подразумевая под «тремя кварками» три капли.

 

Рис. 1.5. Общие сведения о современном состоянии знаний, касающихся строения атома, силовых полей и элементарных частиц вещества, а-строение атома; б-четыре типа сил взаимодействий; в-частицы и переносчики взаимодействий.

 

Оглавление: