Фундаментальные взаимодействия. Законы сохранения и симметрия

Существует 4 вида фундаментальных взаимодействий (табл.26.1). Они характеризуются:

1. константой взаимодействия К (определяет вероятность процессов, обусловленных данным взаимодействием);

2.   радиусом действия r (для электромагнитного и гравитационного сила взаимодействия F — у, и радиус действия г ^да);

r ²

3. временем жизни т частиц, распадающихся в результате взаимодействия.

Все фундаментальные взаимодействия носят обменный характер. Элементарный акт взаимодействия - испускание и поглощение взаимодействующими частицами другой частицы-переносчика взаимодействия.

Таблица 26.1. Фундаментальные взаимодействия

Взаимо­действие	К	г, м	т, с	Переносчик	Законы сохранения
Сильное S	1	10^-15	10^-23	Глюон g	Выполняются все законы сохранения
Электро­магнитное E	10^-2	да	10^-20	Фотон Y	Не сохраняется изотопический спин T
Слабое W	10^-10	10^-18	10^-13	Бозоны W+, W^-, Z^0	Не сохраняется изоспин T, странность S, чётность
Гравита­ционное G	10^-38	да	?	Гравитон G	?

 

При любых взаимодействиях сохраняются:

1) энергия E;

2) импульс p;

3) момент импульса L

4) заряд q.

Не замечено нарушения законов сохранения:

1) барионного заряда B,

2) лептонного заряда L,

3) очарования С,

4) красоты b.

Любые законы сохранения вытекают из существования каких-либо элементов симметрии. Так, закон сохранения энергии E связан с однородностью времени; закон сохранения импульса p - с однородностью пространства; закон сохранения момента импульса L - с изотропностью пространства. Из принципа неразличимости тождественных частиц вытекает существование фермионов и бозонов. Из инвариантности относительно зеркального отражения (замена правого на левое) - сохранение чётности. Однако чётность не сохраняется при слабом взаимодействии. Существует закон инвариантности при замене частиц на античастицы (зарядовое сопряжение); - он также нарушается при слабом взаимодействии. Но если одновременно заменить:

- правое на левое,

- частицы на античастицы,

- обратить время: заменить t на (- t),

то все процессы будут протекать одинаково (СРТ-симметрия).

Нарушение симметрии имеет место и в живой природе: молекулы 19-ти из 20-ти аминокислот, из которых состоят белки, могут существовать в двух зеркально-симметричных модификациях, но в состав живых организмов входят только «левые» аминокислоты. Если даже искусственно синтезировать белки из
«правых» аминокислот, они не будут усваиваться организмом - «правые» аминокислоты не вступают в биохимические реакции.

Классификация элементарных частиц. Лептоны. Адроны

Лептоны - частицы с полуцелым спином, не участвующие в сильном взаимодействии. Участвуют в слабом, электромагнитном (если обладают электрическим зарядом) и в гравитационном.

Лептонный заряд лептонов L=+1 (для частиц) или L =(-1) (для античастиц); барионный заряд B 0; изоспин T не приписывается.

Класс лептонов состоит из 6 частиц (12 с античастицами): электрон e^-, мюон ц, таон т и соответствующие нейтрино; v_e, v _g, v _T (табл.26.2).

Адроны - частицы, участвующие в сильном взаимодействии (и в других тоже). Класс адронов большой. В него входят мезоны и барионы. Мезоны состоят из двух кварков или антикварков (см. табл.26.2), имеют спин, равный нулю. Барионный и лептонный заряды также равны нулю. Пример мезона - пион п⁰, п^-, п⁺. Барионы имеют полуцелый спин; состоят из трёх кварков (или антикварков), барионный заряд равен В=+1 (у частиц) или В=(-1) (у античастиц). Барионы, в свою очередь, делятся на нуклоны и гипероны (сверхтяжёлые частицы). Пример гиперона: О^- - омега-минус-гиперон. Он состоит из трёх кварков s (табл.26.2) с одинаковыми проекциями спинов, поэтому спин О гиперона равен s = 2,

странность S=(-3), электрический заряд д =±1. Изоспин T=0. Масса m~3000 m_e.

Адроны

Мезоны Состоят из 2-х кварков

s=0 L =0 B =0

Барионы

Состоят из 3-х кварков s - полуцелый

L =0 B =±1

Гипероны

Q^-

Нуклоны p протон p антипротон

n нейтрон

n антинейтрон

Кварки

Класс лептонов состоит из шести частиц (12 вместе с античастицами). Класс адронов - большой (несколько сотен частиц). Многие частицы превращаются друг в друга. В 1964 г. Гелл-Манн и Цвейг предположили, что адроны состоят из ещё более фундаментальных частиц - кварков. Для построения всех открытых в настоящее время адронов потребовалось 6 кварков (12 вместе с антикварками). Получилась симметрия: 12 кварков и 12 лептонов (вместе с античастицами).

Примеры:

Протон состоит из двух кварков и и одного d: p = (uud);

нейтрон n = (udd);

омега-минус-гиперон Q = (sss);

пионы n⁰ = (uu, dd); n± = (ud, du).

Таблица 26.2. Кварки и лептоны

Поколения		1	2	3	Заряд q (в единицах элементарного q/e)
Кварки	Верхние	u (up)	c (charmed)	t (true)	+2/3
	Нижние	d (down)	s (strange)	b (beauty)	-1/3
Лептоны	нейтральные	Электронное нейтрино V e	Мюонное нейтрино ^V P	Таонное нейтрино V t	0
	заряженные	электрон — e-	мюон p	таон T	-1

 

Любой кварк или антикварк может находиться в одном из трёх состояний (соответствующее квантовое число назвали цветом ): R (красный), G (жёлтый), B (синий). Соответствующие антикварки имеют дополнительные цвета R, G, B (зелёный, фиолетовый, оранжевый).

Мезоны построены из 2-х кварков или антикварков с дополнительными цветами, например, R и R, или G и G. В результате получается белый (нейтральный) цвет. Барионы построены из 3-х кварков или антикварков, имеющих цвета R, G и B или R, G, B, тогда суммарный цвет - тоже белый. Вообще, могут существовать только «белые» частицы. В свободном виде кварки существовать не могут. По теории асимптотической свободы, внутри частицы кварки свободны, но с увеличением расстояния до кварка силы растут бесконечно. Кварки удерживаются внутри частицы: ещё одно название теории - теория конфайнмента (пленения).

Ядерное взаимодействие нуклонов в ядре - лишь след, проявление сильного взаимодействия между кварками, которое осуществляется посредством обмена особыми частицами - глюонами (от англ. glue - клей). Глюоны склеивают кварки воедино. Подобно фотонам, глюоны не имеют массы и электрического заряда.

На основании гипотезы о кварках предсказали, а затем открыли существование новых частиц. Подтверждение гипотезы о кварках получили и в

протонах есть три рассеивающих центра с зарядами

опытах по рассеянию быстрых электронов на протонах: в опытах получили, что в

5)

X ³ 2

На ускорителе в Чикаго получены, но пока не подтверждены, опыты, на

основе которых высказано предположение, что кварк имеет внутреннюю скоростью света. Это и проявляется как масса. Бозон Хиггса - квант этого поля (все поля квантуются). Спин бозона Хиггса равен нулю:

Ферчччны   Есэот-ы Кварки и WpXML’fl С С-4*00- ванный t ИСТИННЫЙ   У tjxno.H ЧИНИ ьеДйимкЭ- Д0ЙС1ВНЯ   d ни.жниг и ст ранний и лралест-   Z и™   Пвпточь- ve ЭЛВ^трда. «йи МЮСЧНОВ iiQ^rrwnig к тау- нийпринд   W W fioltui     е V Г T4V   «Зии

структуру. Итак, сейчас считается, что существуют следующие «кирпичики», из чего всё состоит (рис.26.10): - кварки (6 без античастиц); - лептоны (тоже 6); - переносчики взаимодействий: векторные бозоны W±, Z^0, фотон у, глюон g, гравитон G (пока не открыт). Совсем     недавно     получено подтверждение     экспериментального обнаружения бозона Хиггса H - частицы, ответственной за появление массы частиц. Масса у частиц появляется при взаимодействии с полем Хиггса: поле их замедляет, и они не могут двигаться со

s(H)=0.

Бозон Хиггса был единственным неоткрытым элементом Стандартной модели (современной теории элементарных частиц). Тем не менее многие (хотя и не все) теоретики считают, что необходим выход за рамки Стандартной модели: у ней есть свои трудности. Какой могла бы быть «новая физика»? - это вопрос открытый. Нужны новые эксперименты.

Иерархия форм материи

Кварки способны только к двойным и тройным объединениям; в результате получаются адроны.

Протоны и нейтроны состоят из трёх кварков.

Протоны, нейтроны и электроны образуют атомы, способные к объединению и образованию новых структур - молекул.

Атомы и молекулы образуют макроскопические тела, свойства которых не сводятся к свойствам атомов.

Следующая, высшая форма материи - живые организмы - имеют совершенно новые качества; им свойственны:

о избирательный обмен веществ, о саморегуляция, о эволюция, о размножение.