Фізика елементарних частинок

Загальні відомості про елементарні частинки

В сучасній науці нема більш заплутаної теми аніж та, яка стосується елементарних частинок. Достатньо сказати, що за сучасною класифікацією розрізняють понад 350 елементарних частинок. І це не враховуючи декількох десятків тих субелементарних частинок, з яких, як стверджують деякі вчені, складаються самі елементарні частинки. Що ж, давайте гранично стисло та в гранично загальних рисах, поговоримо про те, що прийнято називати елементарними частинками.

Пояснюючи загальний устрій звичних для нас речовинних об’єктів, можна сказати наступне. Речовини складаються з молекул. Молекули складаються з атомів, атоми складаються з атомних ядер та електронів, а атомні ядра складаються з протонів та нейтронів. А от протони, нейтрони та електрони – з чого складаються вони? Наскільки нам відомо, ці частинки є елементарними, тобто такими які не складаються з певних більш простих, самостійно існуючих частинок.

Втім, деякі факти переконливо вказують на те, що протони і нейтрони, мають певну внутрішню структуру, яка є результатом тих процесів що постійно відбуваються в цих частинках. Описуючи ці процеси вчені говорять, що протони і нейтрони складаються з певних субелементарних частинок, які прийнято називати кварками. Однак питання про те, чим є кварки – обособлено існуючими, самостійними частинками, чи способом описання тих подій які відбуваються в світі елементарних частинок, залишається відкритим. 

Та як би там не було, а фактом залишається те, що сучасна наука налічує понад 350 тих структур, які прийнято називати елементарними частинками. При цьому виникає питання: якщо відомий нам світ складається з протонів, нейтронів і електронів, які за допомогою фотонів, гравітонів, нейтріно та трьох різновидностей мезонів, об’єднуються в атомні ядра, атоми, молекули, тіла, космічні об’єкти та Всесвіт загалом, то звідки береться таке величезне різноманіття відомих елементарних частинок? 

Намагаючись розібратись в цьому надскладному питанні, відразу ж зауважимо, що переважна більшість тих елементарних частинок які можна зустріти в наукових каталогах, є тими структурами на які за певних умов перетворюються відомі нам протони, нейтрони, електрони та фотони. Тому не намагайтеся відшукати ту речовину яка б складалася з сігма, лямбда чи омега гіперонів, К+, К–, К01, К02 каонів чи W i Z– бозонів. Бо єдиним місцем на Землі де на певні миттєвості можуть з’являтися всі ці гіперони, каони та бозони, є прискорювачі елементарних частинок. Тобто ті надпотужні прилади, в яких звичні для нас елементарні частинки розганяються до таких енергій при яких вони переходять до якісно нових квантових станів, характеризуючи які і говорять про всі ці гіперони, каони та бозони. 

Ясно, що будь який класифікаційний поділ наявного різноманіття елементарних частинок, має спиратись на певну систему кількісних характеристик цих частинок. До числа ж основних характеристик будь якої елементарної частинки відносяться: її маса спокою (m0), електричний заряд (q), спін (s) та середня тривалість життя (τ). Зазвичай, масу спокою елементарної частинки виражають не в кілограмах, а в атомних одиницях маси (а.о.м.), в одиницях маси спокою електрона (me), або в одиницях енергії (МеВ). Наприклад, маса спокою протона:  mp = 1,00727а.о.м = 1836me = 938МеВ. Якщо ж елементарна частинка рухається, то її реальна маса збільшується. Збільшується на величину тієї додаткової маси яка у відповідності з рівнянням Ейнштейна Е=mc2 є еквівалентною енергії руху частинки Е=mv2/2. 

За величиною маси спокою, елементарні частинки поділяються на: 

1)  легкі частинки, або лептони (m0 < 250me); 

2)  проміжні частинки, або мезони (250me < m0 < 1000me); 

3)  важкі частинки, або баріони (m0  > 1000me). 

При цьому, проміжні та важкі частинки (мезони та баріони) утворюють більш загальну групу, яку прийняти називати адронами. 

Елементарні частинки можуть бути як електрично зарядженими так і електронейтральними. При цьому, якщо елементарна частинка заряджена, то величина її заряду завжди елементарна (неподільна) і чисельно рівна  е=1,6·10^-19Кл. Знак же цього заряду може бути як додатнім (позитивним) так і від’ємним (негативним). 

Елементарні частинки мають певний спін (власний момент інерції), одиницею вимірювання якого є стала Планка, а точніше ћ = h/2π = 1,055·10-34 Дж·с При цьому, кількість цих одиниць є строго визначеною і може дорівнювати  0; 1/2; 1; 3/2; 2. Частинки з цілим спіном (0; 1; 2) називають бозонами. До їх числа відносяться фотони, гравітони та всі частинки середніх мас (мезони). Частинки з напівцілим спіном (1/2; 3/2) називаються ферміонами. До них належать всі легкі частинки (лептони) та всі важкі частинки (баріони). 

Важливою характеристикою будь якої елементарної частинки є її середня тривалість життя (τ). Прийнято вважати що протони, електрони, нейтрино, фотони та гравітони є частинками стабільними тобто такими, тривалість життя яких безкінечно велика (τ=∞). Нейтрони, вважаються частинками умовно стабільними: будучи складовою частиною атомного ядра, вони є стабільними, а у вільному стані – не стабільними (τ=1010с=16,8хв). Решта ж елементарних частинок є надзвичайно не стабільними. Тривалість їх життя становить від декількох мікросекунд (2·10^-6с) до 10^-24с. Гранично не стабільні частинки (? = 10^-22 – 10^-24с) прийнято називати резонансами. 

Потрібно зауважити, що реальна тривалість життя елементарної частинки і та величина яку прийнято називати її середньою тривалістю життя (τ), це абсолютно різні тривалості. Скажімо, коли ми стверджуємо що середня тривалість життя фотона є безкінечно великою, то це зовсім не означає що світлові фотони живуть безкінечно довго. Адже пролітаючи через оптично позору речовину, фотон мільйони разів за секунду помирає (поглинається) і стільки ж разів – народжується (випромінюється). По суті, середня тривалість життя елементарної частинки (τ) є не мірою її реальної тривалості життя, а мірою її стабільності. 

Елементарні частинки характеризуються не лише масою спокою, електричним зарядом, спіном та середньою тривалістю життя, а й іншими величинами, зокрема баріонним зарядом, лептонним зарядом, ізотонічним спіном, дивністю, парністю, тощо. Однак, в межах програми загально освітньої школи, визначати ці величини нема ані сенсу, ані потреби. 

Різноманіття натепер відомих елементарних частинок можна розділити на чотири групи: 

1). Ті стабільні та умовно стабільні елементарні частинки з яких фактично складаються звичні для нас речовинні об’єкти: атомні ядра, атоми, молекули, макротіла. Цими частинками є протони (р), нейтрони (n) та електрони (е). 

2).  Ті зазвичай стабільні елементарні частинки які забезпечують різні види взаємодій частинок першої групи та цілісність тих об’єктів які вони утворюють. До числа цих частинок відносяться: фотони (γ) – забезпечують електромагнітні взаємодії; гравітони (g) – забезпечують гравітаційні взаємодії; π-мезони (π) – забезпечують міжнуклонні взаємодії; нейтрино (ν) – приймають участь в слабких та гравітаційних взаємодіях. Що правда, останнє твердження є досить умовним. Адже слабкими взаємодіями називають ті процеси що відбуваються всередині елементарних частинок. А ці процеси якщо і можна представити у вигляді певних взаємодій між окремими частинками, то лише гіпотетично та гранично умовно. 

3).  Ті гранично не стабільні елементарні частинки, які за певних умов виникають як з вище названих частинок так і одна з одної. Різноманіття подібних частинок вимірюється сотнями найменувань. Зазвичай, ці не стабільні частинки отримують за допомогою надпотужних прискорювачів елементарних частинок. В прискорювачах, стабільні частинки (головним чином протони, електрони та їх античастинки), розганяються до надвисоких швидкостей та зіштовхують одну з одною. В процесі цього зіткнення енергія взаємодіючих частинок трансформуються в такі енергетичні згустки які можна назвати тією чи іншою новою елементарною частинкою. Ледь з’явившись, ці не стабільні частинки практично миттєво розпадаються і у підсумку знову перетворюються на стабільні або умовно стабільні частинки. 

Ми не будемо заглиблюватись в деталі того, як та чому виникають ці не стабільні частинки, які їх властивості та назви. Ми просто зауважимо, що за певних умов, ті енергетичні згустки матерії, які називаються протонами, нейтронами, електронами, фотонами, тощо, у повній відповідності з фундаментальними законами Природи, перетворюються на такі енергетичні згустки які можна назвати каонами, мюонами, гіперонами та багатьма сотнями інших слів. 

Зауважимо також, що наявне різноманіття не стабільних, взаємно перетворюваних елементарних частинок, по суті є ще одним проявом квантових властивостей мікросвіту. Адже фактично мова йде про те, що одна і та ж елементарна частинка при переході на більш високий енергетичний рівень, набуває таких якісно нових властивостей, сукупність яких дозволяє говорити про появу нової елементарної частинки. 

4).  Ті елементарні частинки, які прийнято називати античастинками. Античастинки надзвичайно схожі на відповідні частинки і фактично є їх дзеркальними відображеннями. Частинка та античастинка мають однакові маси, однакові спіни, однакові середні тривалості життя. Однак їх електричні заряди (а для незаряджених частинок – баріонні заряди або лептонні заряди) є взаємно протилежними. 

Історія античастинок починається з 1928 року. В цьому році англійський фізик Поль Дірак (1902-1984) на основі аналізу законів квантової механіки, дійшов висновку, що в Природі має існувати частинка надзвичайно схожа на електрон, але позитивно заряджена. Цю частинку назвали позитроном (позначається е+). Дане теоретичне передбачення було експериментально підтверджене в 1932 році американським фізиком Карлом Андерсеном (1905-1991). Позитрони та електрони мають однакові маси (me+=me–=0,511МеВ), однакові спіни (se+=se–=1/2), однакові тривалості життя (τe+=τe–=∞), однакові але протилежні за знаком електричні заряди  (qe+=+1,6·10^-19Кл; qe–=-1,6·10^-19Кл). 

Не зважаючи не те, що позитрон є частинкою стабільною, в природних умовах Землі та всього Всесвіту, він не може існувати достатньо довго. Скажімо, в умовах земної атмосфери, тривалість життя позитрона не перевищує 10^-6с. Це пояснюється тим, що позитрон (е+) неминуче зустрічається з електроном (е–). А результатом такої зустрічі є анігіляція частинок, тобто такий квантовий процес, при якому частинка та античастинка перетворюються на квант відповідного поля (в нашому випадку, на два фотони):  е+ + е– →2γ. 

Процес анігіляції може слугувати класичним прикладом того, як зникають та народжуються елементарні частинки. Адже в цьому процесі, дві частинки, кожна з яких має певну масу спокою, певний спін та певний електричний заряд – зникають, а натомість – з’являються дві нові, абсолютно на них не схожі частинки, які не мають маси спокою, мають інший спін та нульовий електричний заряд. І тим не менше, жодних протиріч в такому перетворені нема. Адже в процесі анігіляції, з двох частинок, маса кожної з яких 0,511МеВ, утворюється два фотона енергія кожного з яких 0,511МеВ. Утворюються у повній відповідності з законом збереження енергії, імпульсу, заряду, спіну, тощо. 

Потрібно зауважити, що зустріч позитрона з електроном далеко не завжди закінчується їх анігіляцією. Фактично вони анігілюють лише в тих випадках, коли їх відносні кінетичні енергії не надто великі. Якщо ж електрон та позитрон, рухаючись назустріч один одному мають достатньо великі енергії, то при їх зіткненні, можуть народжуватись найрізноманітніші частинки, в тому числі і такі, маси спокою яких в сотні разів більші за масу спокою електрона. Власне одним з найефективніших способів створення нових елементарних частинок є спосіб лобового зіткнення електронів та позитронів. 

Електрони та позитрони можуть не лише перетворюватись на фотони, а й навпаки – виникати з них. Зазвичай, народження пари електрон-позитрон відбувається при взаємодії над енергійного фотона (фотона, енергія якого більша за 2mе=1,022 МеВ) з масивною зарядженою частинкою, наприклад з атомним ядром: γ + Я → Я + е+ + е– . 

Все вище сказане про взаємодії електронів та позитронів, стосується й інших частинок та античастинок: протон – антипротон; нейтрон – антинейтрон; нейтрино – антинейтрино і т.д. 

Частинка та античастинка можуть бути абсолютно однаковими не лише за масою, спіном та тривалістю життя, а й за електричним зарядом. Це трапляється в тому випадку коли мова йде про електронейтральні частинки, наприклад нейтрони, нейтрино, тощо. В подібних випадках, частинка та античастинка відрізняються іншими параметрами, зокрема: бозонним зарядом; лептонним зарядом; дивністю. Втім, існує невелика група частинок які називаються істинно нейтральними. Їх частинки та античастинки є абсолютно однаковими (у всякому разі однаковими за тим загально прийнятим набором параметрів, які описують властивості елементарних частинок. Прикладом істинно нейтральної частинки є фотон. 

В принципі, згідно з відомими законами Природи, з елементарних античастинок можна створити антиатоми, антимолекули, антиречовину, антиматерію і загалом – антивсесвіт. Однак, сталося так, що наш Всесвіт створений не з антиречовини, а з речовини. І нема жодних вагомих підстав стверджувати, що в певних місцях нашого Всесвіту є суттєві запаси антиречовини. 

Факт існування великої кількості елементарних частинок (понад 350) наводить на думку: а чи не складаються ці частинки з більш простих, субелементарних частинок? Реалізацією цієї ідеї, стала наукова теорія, яку прийнято називати квантовою хромодинамікою. Згідно з цією теорією, всі адрони, тобто всі важкі та проміжні елементарні частинки, складаються з певного набору субелементарних частинок, які називаються кварками. Кварк –  безструктурна елементарна частинка, яка входить до складу адронів, заряд якої кратний е/3 і яка не існує у вільному стані. На сьогоднішній день теорія говорить про 6 різновидностей кварків та відповідно 6 різновидностей антикварків.

Кваркова хромодинаміка достатньо повно пояснює відомі властивості адронів. Однак, беззаперечних доказів того, що кварки можуть існувати як певні самостійні частинки, на сьогоднішній день нема. Більше того, сама теорія стверджує, що у вільному стані, тобто в стані обособлених самостійних елементарних частинок, кварки існувати не можуть. По суті це означає, що у сучасної науки нема розуміння того, чи є кварки тими обособлено існуючими, самостійними частинками з яких дійсно складаються всі інші частинки. Чи це просто констатація факту того, що в “тілі” відповідної елементарної частинки відбуваються певні процеси, результатом яких є певна структурованість цієї частинки.

Існує думка і про те, що кварки, це лише вдало підібрані математичні величини, які дозволяють кількісно пояснити загальні властивості відомих елементарних частинок. Та як би там не було, а фактом залишається те, що переконливих доказів того, що саме кварки є тими субелементарними самостійно існуючими частинками, з яких складаються всі інші елементарні частинки, на сьогоднішній день нема.

Узагальнюючи вище сказане, можна дати наступне визначення. Елементарна частинка – це такий мікрооб’єкт, який представляє собою певний неподільний згусток мас-енергії, що має певні корпускулярно-хвильові властивості, характеризується певним набором фізичних величин і за певних умов може перетворюватись в інші елементарні частинки та навпаки – виникати з них.

Словник фізичних термінів

Елементарна частинка – це такий мікрооб’єкт, який представляє собою певний неподільний згусток мас-енергії, що має певні корпускулярно-хвильові властивості, характеризується певним набором фізичних величин і за певних умов може перетворюватись в інші елементарні частинки та навпаки – виникати з них.

Анігіляція – це такий квантовий процес, при якому елементарна частинка та її античастинка перетворюються на кванти відповідного поля. По суті, в процесі анігіляції та прихована енергія яку називають масою спокою частинки, трансформується в ту явну енергію, яку називають енергією руху (чистою енергією, кінетичною енергією).