История открытия элементарных частиц

Рефераты по естествознанию » История открытия элементарных частиц Скачать

Введение

1. Открытие элементарных частиц

2. Теории элементарных частиц

2.1. Квантовая электродинамика (КЭД)

2.2. Теория кварков

2.3. Теория электрослабого взаимодействия

2.4. Квантовая хромодинамика

Заключение

Литература

Введение.

В середине и второй половине ХХ века в тех разделах физики которые заняты изучением фундаментальной структуры материи были получены поистине удивительные результаты. Прежде всего это проявилось в открытии целого множества новых субатомных частиц. Их обычно называют элементарными частицами но далеко не все из них действительно элементарны. Многие из них в свою очередь состоят из еще более элементарных частичек.

Мир субатомных частиц поистине многообразен. К ним относятся протоны и нейтроны составляющие атомные ядра а также обращающиеся вокруг ядер электроны. Но есть и такие частицы которые в окружающем нас веществе практически не встречаются. Время их жизни чрезвычайно мало оно составляет мельчайшие доли секунды. По истечении этого чрезвычайно короткого времени они распадаются на обычные частицы. Таких нестабильных короткоживущих частиц поразительно много: их известно уже несколько сотен.

В 60-70-е годы физики были совершенно сбиты с толку многочисленностью разнообразием и необычностью вновь открытых субатомных частиц. Казалось им не будет конца. Совершенно непонятно для чего столько частиц. Являются ли эти элементарные частицы хаотическими и случайными осколками материи? Или возможно они таят в себе ключ к познанию структуры Вселенной? Развитие физики в последующие десятилетия показало что в существовании такой структуры нет никаких сомнений. В конце ХХ в. физика начинает понимать каково значение каждой из элементарных частиц.

Миру субатомных частиц присущ глубокий и рациональный порядок. В основе этого порядка - фундаментальные физические взаимодействия.

1. Открытие элементарных частиц.

Открытие элементарных часиц явилось закономерным результатом общих успехов в изучении строения вещества достигнутых физикой в конце 19 в. Оно было подготовлено всесторонними исследованиями оптических спектров атомов изучением электрических явлений в жидкостях и газах открытием фотоэлектричества рентгеновских лучей естественной радиоактивности свидетельствовавших о существовании сложной структуры материи.

Исторически первой открытой элементарной частицей был электрон — носитель отрицательного элементарного электрического заряда в атомах. В 1897 Дж. Дж. Томсон установил что т. н. катодные лучи образованы потоком мельчайших частиц которые были названы электронами. В 1911 Э. Резерфорд пропуская альфа-частицы от естественного радиоактивного источника через тонкие фольги различных веществ выяснил что положительный заряд в атомах сосредоточен в компактных образованиях — ядрах а в 1919 обнаружил среди частиц выбитых из атомных ядер протоны — частицы с единичным положительным зарядом и массой в 1840 раз превышающей массу электрона. Другая частица входящая в состав ядра — нейтрон — была открыта в 1932 Дж. Чедвиком при исследованиях взаимодействия a-частиц с бериллием. Нейтрон имеет массу близкую к массе протона но не обладает электрическим 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 энергия электромагнитного излучения абсолютно чёрного тела квантованна Планк получил правильную формулу для спектра излучения. Развивая идею Планка А. Эйнштейн (1905) постулировал что электромагнитное излучение (свет) в действительности является потоком отдельных квантов (фотонов) и на этой основе объяснил закономерности фотоэффекта. Прямые экспериментальные доказательства существования фотона были даны Р. Милликеном (1912— 1915) и А. Комптоном (1922).

Открытие нейтрино — частицы почти не взаимодействующей с веществом ведёт своё начало от теоретической догадки В. Паули (1930) позволившей за счёт предположения о рождении такой частицы устранить трудности с 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 элементарных частиц было тесно связано с исследованием космических лучей. В 1932 в составе космических лучей К. Андерсоном был обнаружен позитрон (е+) — частица с массой электрона но с положительным электрическим зарядом. Позитрон был первой открытой античастицей. Существование е+ непосредственно вытекало из релятивистской теории электрона развитой П. Дираком (1928—31) незадолго до обнаружения позитрона. В 1936 американские физики К. Андерсон и С. Неддермейер обнаружили при исследовании осмических лучей мюоны (обоих знаков электрического заряда) — частицы с массой примерно в 200 масс электрона а в остальном удивительно близкие по свойствам к е- е+.

В 1947 также в космических лучах группой С. Пауэлла были открыты 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 большой группы частиц с необычными свойствами получивших название “странных”. Первые частицы этой группы К+- и К--мезоны L- S+ - S- - X- -гипероны были открыты в космических лучах последующие открытия странных частиц были сделаны на ускорителях — установках создающих интенсивные потоки быстрых протонов и электронов. При столкновении с веществом ускоренные протоны и электроны рождают новые элементарные частицы которые и становятся предметом изучения.

С начала 50-х гг. ускорители превратились в основной инструмент для исследования элементарных частиц. В 70-х гг. энергии частиц разогнанных на ускорителях составили десятки и сотни млрд. электронвольт (Гэв). Стремление к увеличению энергий частиц обусловлено тем что высокие энергии открывают возможность изучения строения материи на тем меньших расстояниях чем выше энергия сталкивающихся частиц. Ускорители существенно увеличили темп получения новых данных и в короткий срок расширили и обогатили наше знание свойств микромира. Применение ускорителей для изучения странных частиц позволило более детально изучить их свойства в частности особенности их распада и вскоре привело к важному открытию: выяснению возможности изменения характеристик некоторых микропроцессов при операции зеркального отражения — т. н. нарушению пространств чётности (1956). Ввод в строй протонных ускорителей с энергиями в миллиарды электронвольт позволил открыть тяжёлые античастицы: антипротон (1955) антинейтрон (1956) антисигма-гипероны (1960). В 1964 был открыт самый тяжёлый гиперон W- (с массой около двух масс протона). В 1960-х гг. на ускорителях было открыто большое число крайне неустойчивых (по сравнению с др. нестабильными элементарными частицами) частиц получивших название “резонансов”. Массы большинства резонансов превышают массу протона. Первый из них D1 (1232) был известен с 1953. Оказалось что резонансы составляют основная часть элементарных частиц.

В 1962 было выяснено что существуют два разных нейтрино: электронное и мюонное. В 1964 в распадах нейтральных К-мезонов было обнаружено несохранение т. н. комбинированной чётности (введённой Ли Цзун-дао и Ян Чжэнь-нином и независимо Л. Д. Ландау в 1956) означающее необходимость пересмотра привычных взглядов на поведение физических процессов при операции отражения времени.

В 1974 были обнаружены массивные (в 3—4 протонные массы) и в то же время относительно устойчивые y-частицы с временем жизни необычно большим для резонансов. Они оказались тесно связанными с новым семейством элементарных частиц — “очарованных” первые представители которого (D0 D+ Lс) были открыты в 1976. В 1975 были получены первые сведения о существовании тяжёлого аналога электрона и мюона (тяжёлого лептона t). В 1977 были открыты Ў-частицы с массой порядка десятка протонных масс.

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

Изучение внутреннего строения материи и свойств элементарных частиц с первых своих шагов сопровождалось радикальным пересмотром многих устоявшихся понятий и представлений. Закономерности управляющие поведением материи в малом оказались настолько отличными от закономерностей классической механики и электродинамики что потребовали для своего описания совершенно новых теоретических построений.

2. Теории элементарных частиц

2.1. Квантовая электродинамика (КЭД)

Квантовая механика позволяет описывать движение элементарных частиц но не их порождение или уничтожение т. е. применяется лишь для описания систем с неизменным числом частиц. Обобщением квантовой механики является квантовая теория поля - это квантовая теория систем с бесконечным числом степеней свободы (физических полей). Потребность в такой теории порождается квантово-волновым дуализмом существованием волновых свойств у всех частиц. В квантовой теории поля взаимодействие представляют как результат обмена квантами поля.

В середине ХХ в. была создана теория электромагнитного взаимодействия - квантовая электродинамика КЭД - это продуманная до мельчайших деталей и оснащенная совершенным математическим аппаратом теория взаимодействия фотонов и электронов. В основе КЭД - описание электромагнитного взаимодействия с использованием понятия виртуальных фотонов - его переносчиков. Эта теория удовлетворяет основным принципам как квантовой теории так и теории относительности.

В центре теории анализ актов испускания или поглощения одного фотона одной заряженной частицей а также аннигиляции электронно-позитронной пары в фотон или порождение фотонами такой пары.

Если в классическом описании электроны представляются в виде твердого точечного шарика то в КЭД окружающее электрона электромагнитное поле рассматривается как облако виртуальных фотонов которое неотступно следует за электроном окружая его квантами энергии. После того как электрон испускает фотон тот порождает (виртуальную) электрон-позитронную пору которая может аннигилировать с образованием нового фотона. Последний может поглотиться исходным фотоном но может породить новую пару и т.д. Таким образом электрон покрывается облаком виртуальных фотонов электронов и позитронов находящихся в состоянии динамического равновесия. Фотоны возникают и исчезают очень быстро а электроны движутся в пространстве не по вполне определенным траекториям. Еще можно тем или иным способом определить начальную и конечную точки пути - до и после рассеяния но сам путь в промежутке между началом и концом движения остается неопределенным.

Описание взаимодействия с помощью частицы-переносчика привело к расширению понятия фотона. Вводятся понятия реального (кванта видимого нами света) и виртуального (скоротечного призрачного) фотона который "видят" только заряженные частицы претерпевающие рассеяние.

Чтобы проверить согласуется ли теория с реальностью физики сосредоточили внимание на двух эффектах представлявших особый интерес. Первый касался энергетических уровней атома водорода - простейшего атома. Согласно КЭД уровни должны быть слегка смещены относительно положения которое они занимали бы в отсутствие виртуальных фотонов. Вторая решающая проверка КЭД касалась чрезвычайно малой поправки к собственному магнитному моменту электрона. Теоретические и экспериментальные результаты проверки КЭД совпадают с высочайшей точностью - более девяти знаков после запятой. Столь поразительное соответствие дает право считать КЭД наиболее совершенной из существующих естественно-научных теорий.

После подобного триумфа КЭД была принята как модель для квантового описания трех других фундаментальных взаимодействий. Разумеется полям связанным с другими взаимодействиями должны соответствовать иные частицы-переносчики.

2.2. Теория кварков

 

Теория кварков - это теория строения адронов. Основная идея этой теории очень проста. Все адроны построены из более мелких частиц называемых кварками. Значит кварки - это более элементарные частицы чем адроны. Кварки несут дробный электрический заряд: они обладают зарядом величина которого составляет либо -1 / 3 или +2 / 3 фундаментальной единицы - заряда электрона. Комбинация из двух и трех кварков может иметь суммарный заряд равный нулю или единице. Все кварки имеют спин Ѕ поэтому они относятся к фермионам. Основоположники теории кварков Гелл-Манн и Цвейг чтобы учесть все известные в 60-е гг. адроны ввели три сорта (аромата) кварков: u (от up- верхний) d (от down- нижний) и s (от strange - странный).

Кварки могут соединяться друг с другом одним из двух возможных способов: либо тройками либо парами кварк - антикварк. Из трех кварков состоят сравнительно тяжелые частицы - барионы что означает "тяжелые частицы". Наиболее известны из барионов нейтрон и протон. Более легкие пары кварк - антикварк образуют частицы получившие название мезоны - "промежуточные частицы". Например протон состоит из двух u- и одного d-кварков (uud) а нейтрон - из двух d-кварков и одного u-кварка (udd).Чтобы это "трио" кварков не распадалось необходима удерживающая их сила некий "клей".

Оказалось что результирующее взаимодействие между нейтронами и протонами в ядре представляет собой просто остаточный эффект более мощного взаимодействия между самими кварками. Это объяснило почему сильное взаимодействие кажется столь сложным. Когда протон "прилипает" к нейтрону или другому протону во взаимодействии участвуют шесть кварков каждый из которых взаимодействует со всеми остальными. Значительная часть сил тратится на прочное склеивание трио кварков а небольшая - на скрепление двух трио кварков друг с другом. (Но выяснилось что кварки участвуют и в слабом взаимодействии. Слабое взаимодействие может изменять аромат кварка. Именно так происходит распад нейтрона. Один из d-кварков в нейтроне превращается в u-кварк а избыток заряда уносит рождающийся одновременно электрон. Аналогичным образом изменяя аромат слабое взаимодействие приводит к распаду и других адронов.)

То обстоятельство что из различных комбинаций трех основных частиц можно получить все известные адроны стало триумфом теории кварков. Но в 70-е гг. были открыты новые адроны (пси-частицы ипсилон-мезон и др.). Этим был нанесен удар первому варианту теории кварков поскольку в ней уже не было места ни для одной новой частицы. Все возможные комбинации из кварков и их антикварков были уже исчерпаны.

Проблему удалось решить за счет введения трех новых ароматов. Они получили название - charm (очарование) или с; b -кварк (от bottom - дно а чаще beauty - красота или прелесть); впоследствии был введен еще один аромат - t ( от top - верхний).

Кварки скрепляются между собой сильным взаимодействием. Переносчики сильного взаимодействия - глюоны (цветовые заряды). Область физики элементарных частиц изучающая взаимодействие кварков и глюонов носит название квантовой хромодинамики . Как квантовая электродинамика - теория электромагнитного взаимодействия так квантовая хромодинамика - теория сильного взаимодействия.

Хотя и существует некоторая неудовлетворенность кварковой схемой большинство физиков считает кварки подлинно элементарными частицами - точечными неделимыми и не обладающими внутренней структурой. В этом отношении они напоминают лептоны и уже давно предполагается что между этими двумя различными но сходными по своей структуре семействами должна существовать глубокая взаимосвязь.

Таким образом наиболее вероятное число истинно элементарных частиц (не считая переносчиков фундаментальных взаимодействий) на конец ХХ века равно 48. Из них: лептонов (6х2) = 12 плюс кварков (6х3)х2 =36.

2.3. Теория электрослабого взаимодействия

 

В 70-е ХХ века в естествознании произошло выдающееся событие: два взаимодействия из четырех физики объединили в одно. Картина фундаментальных оснований природы несколько упростилась. Электромагнитное и слабое взаимодействия казалось бы весьма разные по своей природе в действительности оказались двумя разновидностями единого т.н. электрослабого взаимодействия. Теория электрослабого взаимодействия решающим образом повлияла на дальнейшее развитие физики элементарных частиц в конце ХХ в.

Главная идея в построении этой теории состояла в описании слабого взаимодействия на языке концепции калибровочного поля в соответствии с которой ключом к пониманию природы взаимодействий служит симметрия. Одна из фундаментальных идей в физике второй половины ХХ в. - это убеждение что все взаимодействия существуют лишь для того чтобы поддерживать в природе некий набор абстрактных симметрий. Какое отношение имеет симметрия к фундаментальным взаимодействиям? На первый взгляд само предположение о существовании подобной связи кажется парадоксальным и непонятным.

Прежде всего о том что понимается под симметрией. Принято считать что предмет обладает симметрией если предмет остается неизменным в результате проведения той или иной операции по его преобразованию. Так сфера симметрична потому что выглядит одинаково при повороте на любой угол относительно ее центра. Законы электричества симметричны относительно замены положительных зарядов отрицательными и наоборот. Таким образом под симметрией мы понимаем инвариантность относительно некой операции.

Существуют разные типы симметрий: геометрические зеркальные негеометрические. Среди негеометрических есть так называемые калибровочные симметрии. Калибровочные симметрии носят абстрактный характер и непосредственно не фиксируются. Они связаны с изменением отсчета уровня масштаба или значения некоторой физической величины.

Страницы: 1 2