Элементарные частицы

Естественно начать рассмотрение структуры материи с самых «мелких» структурных единиц, существование которых в настоя­щее время установлено. Такие частицы получили название эле­ментарных, как более неделимых (их структура не обнару­живается), и как фундаментальных, из которых состоит материя.

Классификация элементарных частиц. Частицы, участвующие в сильном взаимодействии, составляют семейство адронов. Это барионы (протон р , нейтрон n ), гипероны (λ, Σ и др.), мезоны (π-; k -), а также большая группа так называемых резонансных частиц (резонансов). Барионы обладают полуцельми спинами, мезоны - целыми. Барионы отличаются от мезонов так называемым барионным зарядом, в связи с чем превращения барионов в мезоны запрещены законом сохранения барионного заряда. Это важное свойство, которое обеспечивает стабильность ядер и, следовательно, всего окружающего мира. Действительно, если бы являющиеся барионами нуклоны (протон и нейтрон) могли превращаться в мезоны, то атомные ядра в итоге распались бы. Адроны не являются истинно элементарными частицами, т. е. имеют внутреннюю структуру. Этим объясняется в частности нестабильность большинства из адронов.

На сегодня можно считать доказанным существование истин­но фундаментальных бесструктурных частиц, образующих адроны. Эти частицы называются кварками (Гелл-Манн. Цвейг, 1963). Они пока экспериментально не обнаружены, предположительно потоки, что не существуют по отдельности, т. е. в свободном состоянии. Известно, что заряд кварков кратен 1/3е , а спин равен 1/2. Предполагается существование шести типов кварков, различающихся по характеристике, называемой «ароматом» (верхний, нижний, очарованный, странный, истинный, прелест­ный); каждый кварк характеризуется еще и определенным кван­товым числом - «цветом» (красный, зеленый, голубой). Все барионы состоят из трех кварков (протон, например из двух верхних с зарядами +2/Зе и одного нижнего с зарядом - 1/Зе ). По «цвету» тройка кварков «подбирается» так, чтобы протон был «белым». Мезоны состоят из кварка и антикварка.

Все остальные частицы (кроме фотона), не участвующие в сильных взаимодействиях, названы лептонами. Семейство лептонов представлено шестью бесструктурными («точечными») части­цами: электрон е , мюон μ, тау-лептон (таон) τ и соответствующие этим частицам нейтрино (v e , v μ , v τ).

Согласно принципу кварк-лептон ной симметрии каждому лептону соответствует определенный кварк (табл. 5.2).

Таблица 5.2.

Таким образом, кварки и лептоны на сегодняшний день на­ряду с частицами-переносчиками взаимодействий считаются ис­тинно элементарными (фундаментальными) частицами. Из лептонов и кварков первого поколения вместе с фотонами построена современная Вселенная. Полагают, что частицы второго и треть­его поколений играли важную роль в ранней Вселенной, в пер­вые мгновения Большого Взрыва, при этом различия между кварками и лептонами не существовало.

Основные характеристики элементарных частиц . Одной из важ­нейших характеристик элементарных частиц является стабиль­ность, т. е. способность определенное время (время жизни) находиться в свободном состоянии. Среди экспериментально об­наруженных частиц лишь немногие стабильны. Неограниченно долго в свободном состоянии могут существовать протон, электрон, фотон и, как считается, нейтрино всех типов. Все другие частицы, стремясь перейти в состояние с минимальной энергией, более или менее быстро распадаются, достигая конечного устойчивого состояния. Самое короткое время жизни (~10 -23 с) у резонансных частиц. Нейтрон в свободном состоянии существует ~10 3 с. В семействе лептонов мюон «живет» ~10-6 с, таон ~10 -12 с.

Предполагается, что в Природе короткоживущие элементар­ные частицы играют определяющую роль в экстремальных условиях, например, подобных начальным стадиям образования Вселенной.

Массы покоя стабильных элементарных частиц имеют следующие значения: протона m p ≈ 1,67 · 10 -27 кг, электрона m е ≈ 0,91 · 10 -30 кг. У фотона и всех типов нейтрино масса покоя равна нулю.

Как правило, массы элементарных частиц выражаются в энер­гетических единицах - электрон-вольтах. Тогда m р ≈938,3×10 6 эВ =938,3 МэВ, m е ≈ 0,51 МэВ.

Элементарные частицы обладают электрическим зарядом +е или -е или являются электрически нейтральными.

Заряд электрона е равен - 1,6 · 10 -19 Кл.

Одна из важнейших характеристик элементарных частиц - спин. Значение спина определяет вид волновой функции (симмет­ричная или антисимметричная) и вид статистики (т.е. закона, которым описывается поведение коллектива микрочастиц). Час­тицы с нулевым или целочисленным спином (фотоны, π-мезоны и др.) подчиняются статистике Бозе-Эйнштейна и называются бозонами. Частицы с полуцелым спином (электроны, протоны, нейтроны) подчиняются статистике Ферми-Дирака и называются фермионами. Фундаментальными фермионами являются лептоны к кварки. Фермионы подчиняются принципу Паули, согласно ко­торому в любой системе одинаковых фермионов любые два из них не могут одновременно находиться в одном и том же состоя­нии. Применительно к распределению электронов в атоме прин­цип Паули утверждает; что в одном и том же атоме не может быть более одного электрона с одинаковым набором четырех квантовых чисел n, l, m и σ .

Принцип Паули основан на неразличимости одинаковых кван­товых частиц. При перестановке двух фермионов волновая функ­ция должна изменить свой знак. Однако, если состояния двух фермионов (т. е. их наборы квантовых чисел) одинаковы, то ψ-функция не должна менять знака. Это противоречие формаль­но устраняется только при ψ=0, что означает невозможность (нулевую вероятность) нахождения частицы в таком состоянии.

Античастицы. Для каждой известной элементарной частицы существует так называемая античастица. Массы, времена жизни и спин частицы и античастицы одинаковы. Остальные характерис­тики, например, электрический заряд, магнитный момент - рав­ны по модулю, но противоположны по знаку. Такими парами являются, например, протон р и антипротон , электрон - и антиэлектрон е + (т.е. позитрон е +). Некоторые частицы, напри­мер, фотон, тождественны своим античастицам.

Античастицы рождаются в ядерных реакциях при достаточно больших энергиях, но в веществе время жизни их мало. При встрече частицы и античастицы происходит аннигиляция. Масса и кинетическая энергия пары «частицы-античастицы» превраща­ются в энергию фотонов или других частиц. Например, при аннигиляции электрона и позитрона выделяется два фотона:

е - + е + → 2γ.

В свою очередь, фотоны могут превращаться в электронно- позитронные пары. В подобных реакциях ярко проявляется отсутствие четкой грани между полем и веществом, характерной для классической картины мира.

Атомные ядра

Следующим в рассматриваемой иерархии объектов Природы является атомное ядро. Ядро представляет собой связанную сис­тему из адронов двух типов - протонов и нейтронов, которые объединяют в этом случае общим наименованием «нуклоны». Протон есть ядро простейшего атома - атома водорода. Он имеет положительный заряд, численно равный заряду электрона. Нейтрон электрически нейтрален. Масса нейтрона m n =1,6750·10 -27 кг. Число протонов -в ядре атома называется атомным номером (Z ), а общее число нуклонов - массовым числом (А ). Заряд ядра положителен и равен Z · е . Большинство атомных ядер представлены группами изотопов. Заряд Z в каждой группе изотопов постоянен, а количество нейтронов различно. Различают стабильные, долгоживущие и радиоактивные изотопы. Причины радиоактивной нестабильности связаны с недостатком или избытком нейтронов внутри ядра.

Размер ядра условно характеризуется радиусом R ядра. Радиус возрастает с увеличением числа нуклонов в соответствии с фор­мулой , где R 0 = (1,3 …, 1,7) · 10 -15 м. Плотность «упаковки» нуклонов в ядре очень велика и составляет ~10 44 нуклонов/м 3 или 10 17 кг/м 3 .

Как уже отмечалось, стабильность ядра объясняется наличием сильного взаимодействия или ядерных сил притяжения сил притяжения. Энергия, которая необходима для удержания нуклонов в ядре, в соответст­вии с законом сохранения энергии определяется работой, кото­рую нужно совершить для расщепления ядра на составляющие нуклоны. Эта энергия называется энергией связи ядра. Энергия связь проявляется как уменьшение массы ядра при его образова­нии по сравнению с суммарной массой составляющих ядро нук­лонов:

Величина Δm носит название дефекта массы. Энергия связи определяется как

Обычно ядро характеризуют удельной энергией связи, т. е. энергией, приходящейся на один нуклон. На рис. 5.3 приведена зависимость удельной энергии связи от массового числа А , характеризующая прочность связей нуклонов в ядрах различных хими­ческих элементов. Как следует из графика, наиболее прочными являются связи ядер элементов с массовыми числами (28 ... 138). По мере увеличения А энергия связи убывает. Понижение проч­ности ядер объясняется тем, что в легких ядрах связи нуклонов не насыщены, а в тяжелых ядрах начинает сказываться кулоновское отталкивание протонов друг от друга.

Из рис. 5.3 также видно, что процессы образования более ста­бильных ядер (т. е. характеризующихся большими значениями ΔЕ СВ сопровождаются выделением энергии. Таким образом, реак­ция слияния легких ядер с образованием более тяжелых (стрелка 1 на. рис. 5.3) и реакции деления тяжелых ядер (стрелка 2 на рис. 5.3) перспективны с точки зрения энергетики.

Подробно этот вопрос обсужден во второй части курса.

Ядерные реакции. Радиоактивность . Ядерными реакциями называются процессы, в результате которых из ядер одних элемен­тов получаются ядра других элементов. Эти процессы могут происходить как в результате внешних воздействий (например, «столкновения ядра с другими частицами), так и самопроизвольно, спонтанно (радиоактивный расти).

Ядерные реакции записываются подобно химическим. Напри­мер, в результате реакции деления ядра урана при столкновении с нейтроном образуются ядра цезия и рубидия и два нейтрона:

Облучение ядра нейтронами наиболее часто используется для осуществления ядерных реакций. Дело в том, что электрически нейтральный нейтрон не испытывает кулоновского отталкивания протонов ядра и легко в него проникает. Под действием высоко­энергетического (>100 МэВ) нейтронного облучения делятся все ядра.

Выделяющиеся в реакциях распада нейтроны могут вызвать деление других ядер, благодаря чему возникает цепная реакция - лавинообразный процесс, например, взрыв атомной бомбы. Часть нейтронов можно удалить из делящегося вещества, тогда реак­цией деления можно управлять. Поглощение нейтронов в графи­товых стержнях используется в атомных реакторах.

Самопроизвольный распад ядер с испусканием различных час­тиц называется радиоактивностью. В любом радиоактивном рас­паде масса исходного ядра превышает единицу масс продуктов распила, т.е. выделяется энергия. Естественная радиоактивность была открыта А. Бсккерелем (1896 г.), а искусственная - суп­ругами Жолио-Кюри (1936 г.). Основными типами радиоактив­ности является альфа-, бета- и гамма-распады.

Альфа-распад заключается в самопроизвольном испускании ядром ci-частицы (т. е. ядра гелия ). Альфа-распад наблюда­ется только у тяжелых ядер с Z ≥ 82.

При бета-распаде ядро испускает электрон и электронное антинейтрино (или позитрон и электронное нейтрино):

Бета-распад обусловлен превращением нуклонов, вызываемых слабым взаимодействием, например в первой из записанных реакции происходит превращение нейтрона по схеме

Гамма-распад состоит в испускании ядром фотонов с высокой энергией (γ-квантов). Ядро, являясь квантовой системой, может находиться в состояниях с различной энергией. При переходах из возбужденных энергетических состояний в основные, невозбужденные, ядра испускают γ-кванты. При этом ни массовое число Л, ни атомный номер ядра Z не изменяются.

ЭЛЕМЕНТАРНЫЕ ЧАСТИЦЫ - первичные, далее неразложимые частицы, из которых, как полагают, состоит вся материя. В современной физике термин «элементарные частицы» обычно употребляется для обозначения большой группы мельчайших частиц материи, не являющихся атомами (см. Атом) или атомными ядрами (см. Ядро атомное); исключение составляет ядро атома водорода - протон.

К 80-м годам 20 века науке было известно более 500 элементарных частиц, большинство которых является нестабильными. К элементарным частицам относятся протон (p), нейтрон (n), электрон (e), фотон (γ), пи-мезоны (π), мюоны (μ), тяжелые лептоны (τ + , τ -), нейтрино трех типов - электронные (V e), мюонные (V μ) и связанные с так называемым тяжелым дептоном (V τ), а также «странные» частицы (К-мезоны и гипероны), разнообразные резонансы, мезоны со скрытым очарованием, «очарованные» частицы, ипсилон-частицы (Υ), «красивые» частицы, промежуточные векторные бозоны и др. Появился самостоятельный раздел физики - физика элементарных частиц.

История физики элементарных частиц началась с 1897 года, когда Томсоном (J. J. Thomson) был открыт электрон (см. Электронное излучение); в 1911 году Милликен (R. Millikan) измерил величину его электрического заряда. Понятие «фотон» - квант света - было введено Планком (М. Planck) в 1900 году. Прямые экспериментальные доказательства существования фотона были получены Милликеном (1912-1915) и Комптоном (A. Н. Compton, 1922). В процессе изучения атомного ядра Э. Резерфорд открыл протон (см. Протонное излучение), а в 1932 году Чедвик (J. Chadwick) - нейтрон (см. Нейтронное излучение). В 1953 году было экспериментально доказано существование нейтрино, которое Паули (W. Pauli) предсказал еще в 1930 году.

Элементарные частицы делят на три группы. Первая представлена единственной элементарной частицей - фотоном, γ-квантом, или квантом электромагнитного излучения. Вторая группа - это лептоны (греческий leptos мелкий, легкий), участвующие, кроме электромагнитных, еще и в слабых взаимодействиях. Известно 6 лептонов: электрон и электронное нейтрино, мюон и мюонное нейтрино, тяжелый τ-лептон и соответствующий нейтрино. Третью - основную группу элементарных частиц составляют адроны (греческий hadros большой, сильный), которые участвуют во всех видах взаимодействий, в том числе и в сильных взаимодействиях (см. ниже). К адронам относятся частицы двух типов: барионы (греч. barys тяжелый) - часстицы с полуцелым спином и массой не меньше массы протона, и мезоны (греческий mesos средний) - частицы с нулевым или целым спином (см. Электронный парамагнитный резонанс). К барионам принадлежат протон и нейтрон, гипероны, часть резонансов и «очарованных» частиц и некоторые другие элементарные частицы. Единственным стабильным барионом является протон, остальные барионы нестабильны (нейтрон в свободном состоянии - нестабильная частица, однако в связанном состоянии внутри стабильных атомных ядер он стабилен. Мезоны получили свое название потому, что массы первых открытых мезонов - пи-мезона и К-мезона - имели значения, промежуточные между массами протона и электрона. Позже были открыты мезоны, масса которых превышает массу протона. Адроны характеризуются также странностью (S) - нулевым, положительным или отрицательным квантовым числом. Адроны с нулевой странностью называют обычными, а с S ≠ 0 - странными. В 1964 г. Цвейг (G. Zweig) и Гелл-Манн (М. Gell-Mann) независимо друг от друга высказали предположение о кварковой структуре адронов. Результаты ряда экспериментов свидетельствуют о том, что кварки являются реальными материальными образованиями внутри адронов. Кварки обладают рядом необычных свойств, например дробным электрическим зарядом и др. В свободном состоянии кварков не наблюдали. Полагают, что все адроны образуются за счет различных сочетаний кварков.

Вначале элементарные частицы исследовали при изучении радиоактивного распада (см. Радиоактивность) и космического излучения (см.). Однако начиная с 50-х годов 20 века исследования элементарных частиц производят на ускорителях заряженных частиц (см.), в которых ускоренные частицы бомбардируют мишень или сталкиваются с частицами, летящими навстречу. При этом частицы взаимодействуют между собой, в результате чего происходит их взаимопревращение. Именно таким образом было открыто большинство элементарных частиц.

Каждая элементарная частица наряду со спецификой присущих ей взаимодействий описывается набором дискретных значений определенных физических величин, выражаемых целыми или дробными числами (квантовыми числами). Общими характеристиками всех элементарных частиц являются масса (m), время жизни (т), спин (J) - собственный момент количества движения элементарных частиц, имеющий квантовую природу и не связанный с перемещением частицы как целого, электрический заряд (Ω) и магнитный момент (μ). Электрические заряды изученных элементарных частиц по абсолютной величине являются целыми кратными числами от заряда электрона (е≈1,6*10 -10 к). У известных элементарных частиц электрические заряды равны 0, ±1 и ±2.

Все элементарные частицы имеют соответствующие античастицы, масса и спин которых равны массе и спину частицы, а электрический заряд, магнитный момент и другие характеристики равны по абсолютной величине и противоположны по знаку. Например, античастицей электрона является позитрон - электрон с положительным электрическим зарядом. Элементарная частица, тождественная своей античастице, называется истинно нейтральной, например нейтрон и антинейтрон, нейтрино и антинейтрино и т. д. При взаимодействии античастиц друг с другом происходит их аннигиляция (см.).

При попадании элементарной частицы в материальную среду они взаимодействуют с ней. Различают сильное, электромагнитное, слабое и гравитационное взаимодействия. Сильное взаимодействие (сильнее электромагнитного) возникает между элементарными частицами, находящимися на расстоянии менее 10 -15 м (1 ферми). При расстояниях более 1,5 ферми сила взаимодействия между частицами близка к нулю. Именно сильные взаимодействия между элементарными частицами обеспечивают исключительную прочность атомных ядер, лежащую в основе стабильности вещества в земных условиях. Характерной особенностью сильного взаимодействия является его независимость от электрического заряда. К сильному взаимодействию способны адроны. Сильные взаимодействия обусловливают распад короткоживущих частиц (время жизни порядка 10 -23 - 10 -24 сек.), которые называют резонансами.

Электромагнитному взаимодействию подвержены все заряженные элементарные частицы, фотоны и нейтральные частицы, обладающие магнитным моментом (например, нейтроны). В основе электромагнитных взаимодействий лежит связь с электромагнитным полем. Силы электромагнитного взаимодействия примерно в 100 раз слабее сил сильного взаимодействия. Основная сфера действия электромагнитного взаимодействия - атомы и молекулы (см. Молекула). Такое взаимодействие определяет структуру твердых тел, характер хим. процессов. Оно не ограничивается расстоянием между элементарными частицами, поэтому размер атома примерно в 10 4 раз больше размера атомного ядра.

Слабые взаимодействия лежат в основе чрезвычайно медленно протекающих процессов с участием элементарных частиц. Например, нейтрино, обладающие слабым взаимодействием, могут беспрепятственно пронизывать толщу Земли и Солнца. Слабые взаимодействия обусловливают также медленные распады так называемых квазистабильных элементарных частиц, время жизни которых находится в пределах 10 8 - 10 -10 сек. Элементарные частицы, рожденные при сильном взаимодействии (за время 10 -23 -10 -24 сек.), но распадающиеся медленно (10 -10 сек.), называют странными.

Гравитационные взаимодействия между элементарными частицами дают чрезвычайно малые эффекты из-за ничтожности масс частиц. Этот вид взаимодействия хорошо изучен на макрообъектах, имеющих большую массу.

Многообразие элементарных частиц с разными физическими характеристиками объясняет трудность их систематизации. Из всех элементарных частиц только фотоны, электроны, нейтрино, протоны и их античастицы фактически являются стабильными, так как обладают большим временем жизни. Эти частицы представляют собой конечные продукты самопроизвольного превращения других элементарных частиц. Рождение элементарных частиц может происходить в результате первых трех типов взаимодействий. Для сильно взаимодействующих частиц источником рождения являются реакции сильного взаимодействия. Лептоны, что наиболее вероятно, возникают при распадах других элементарных частиц либо рождаются парами (частица + античастица) под воздействием фотонов.

Потоки элементарных частиц формируют ионизирующие излучения (см.), вызывающие ионизацию нейтральных молекул среды. Биологический эффект элементарных частиц связывают с образованием в облученных тканях и жидкостях организма веществ с высокой химической активностью. К таким веществам относятся свободные радикалы (см. Радикалы свободные), перекиси (см.) и другие. Элементарные частицы могут оказывать и прямое действие на био-молекулы и надмолекулярные структуры, вызывать разрыв внутримолекулярных связей, деполимеризацию высокомолекулярных соединений и т. п. Определенное значение в характере действия элементарных частиц на организм могут иметь процессы миграции энергии и образования метастабильных соединений, возникающих в результате длительного сохранения состояния возбуждения в некоторых макромолекулярных субстратах. В клетках подавляется или извращается активность ферментных систем, изменяется структура клеточных мембран и поверхностных клеточных рецепторов, что приводит к повышению проницаемости мембран и изменению диффузионных процессов, сопровождающихся явлениями денатурации белков, дегидратации тканей, нарушением внутренней среды клетки. Поражаемость клеток в значительной степени зависит от интенсивности их митотического деления (см. Митоз) и обмена веществ: с повышением этой интенсивности радиопоражаемость тканей увеличивается (см. Радиочувствительность). На этом свойстве потоков элементарные частицы - ионизирующего облучения - основано их применение для лучевой терапии (см.), особенно при лечении злокачественных новообразований. Проникающая способность заряженных элементарных частиц в большой степени зависит от линейной передачи энергии (см.), то есть от средней энергии, поглощаемой средой в месте прохождения заряженной частицы, отнесенной к единице ее пути.

Повреждающее действие потока элементарных частиц особенно сказывается на стволовых клетках кроветворной ткани, эпителии яичек, тонкой кишки, кожи (см. Лучевая болезнь, Лучевые повреждения). В первую очередь поражаются системы, находящиеся во время облучения в состоянии активного органогенеза и дифференцировки (см. Критический орган).

Биологическое и терапевтическое действие элементарных частиц зависит от их вида и дозы излучения (см. Дозы ионизирующих излучений). Так, например, при воздействии рентгеновского излучения (см. Рентгенотерапия), гамма-излучения (см. Гамма-терапия) и протонного излучения (см. Протонная терапия) на все тело человека в дозе около 100 рад наблюдается временное изменение кроветворения; внешнее воздействие нейтронного излучения (см. Нейтронное излучение) ведет к образованию в организме различных радиоактивных веществ, например радионуклидов натрия, фосфора и др. При попадании в организм радионуклидов, являющихся источниками бета-частиц (электронов или позитронов) или гамма-квантов, происходит так называемое внутреннее облучение организма (см. Инкорпорирование радиоактивных веществ). Особенно опасны в этом отношении быстро резорбирующиеся радионуклиды с равномерным распределением в организме, напр. тритий (3H) и полоний-210.

Радионуклиды, являющиеся источниками элементарных частиц и участвующие в обмене веществ, используют в радиоизотопной диагностике (см.).

Библиогр.: Ахиезер А. И. и Рекало М. П. Биография элементарных частиц, Киев, 1983, библиогр.; Боголюбов Н. Н. и Широков Д. В. Квантовые поля, М., 1980; Борн М. Атомная физика, пер. с англ., М., 1965; Джонс X. Физика радиологии, пер. с англ.. М., 1965; Кронгауз А. Н., Ляпидевский В. К. и Фролова А. В. Физические основы клинической дозиметрии, М., 1969; Лучевая терапия с помощью излучений высокой энергии, под ред. И. Беккера и Г. Шуберта, пер. с нем., М., 1964; Тюбиана М. и др. Физические основы лучевой терапии и радиобиологии, пер. с франц., М., 1969; Шпольский Э. В. Атомная физика, т. 1, М., 1984; Янг Ч. Элементарные частицы, пер. с англ.. М., 1963.

Р. В. Ставнцкий.

ЭЛЕМЕНТАРНЫЕ ЧАСТИЦЫ , в узком смысле - частицы, к-рые нельзя считать Состоящими из других частиц. В совр. физике термин "элементарные частицы" используют в более широком смысле: так наз. мельчайшие частицы материи, подчиненные условию, что они не являются и (исключение составляет ); иногда по этой причине элементарные частицы называют субъядерными частицами. Большая часть таких частиц (а их известно более 350) являются составными системами.
Э лементарные частицы участвуют в электромагнитном, слабом, сильном и гравитационном взаимодействиях. Из-за малых масс элементарных частиц их гравитационное взаимод. обычно не учитывается. Все элементарные частицы разделяют на три осн. группы. Первую составляют т. наз. бозоны- переносчики электрослабого взаимодействия. Сюда относится фотон, или квант электромагнитного излучения. Масса покоя фотона равна нулю, поэтому скорость распространения электромагнитных волн в (в т. ч. световых волн) представляет собой предельную скорость распространения физ. воздействия и является одной из фундам. физ. постоянных; принято, что с = (299792458 1,2) м/с.
Вторая группа элементарных частиц - лептоны, участвующие в электромагнитных и слабых взаимодействиях. Известно 6 лептонов: , электронное , мюонное , тяжелый-лептон и соответствующее . (символ е) считается материальным наименьшей массы в природе m с, равной 9,1 x 10 -28 г (в энергетич. единицах 0,511 МэВ) и наименьшего отрицат. электрич. заряда е = 1,6 x 10 -19 Кл. (символ) - частицы с массой ок. 207 масс (105,7 МэВ) и электрич. зарядом, равным заряду ; тяжелый-лептон имеет массу ок. 1,8 ГэВ. Соответствующие этим частицам три типа - электронное (символ v c), мюонное (символ) и-нейтрино (символ) - легкие (возможно, безмассовые) электрически нейтральные частицы.
Все лептоны имеют ( - ), т. е. по статистич. св-вам являются фермионами (см. ).
Каждому из лептонов соответствует , имеющая те же значения массы, и др. характеристик, но отличающаяся знаком электрич. заряда. Существуют (символ е +) - по отношению к , положительно заряженный (символ) и три типа антинейтрино (символ), к-рым приписывают противоположный знак особого квантового числа, наз. лептонным зарядом (см. ниже).
Третья группа элементарных частиц,- адроны, они участвуют в сильном, слабом и электромагнитном взаимодействиях. Адроны представляют собой "тяжелые" частицы с массой, значительно превышающей массу . Это наиб. многочисленная группа элементарных частиц. Адроны делятся на барионы - частицы со мезоны - частицы с целочисленным (О или 1); а также т. наз. резонансы - короткоживущие адронов. К барионам относят (символ р) - ядро с массой, в ~ 1836 раз превышающей m с и равной 1,672648 x 10 -24 г (938,3 МэВ), и положит. электрич. зарядом, равным заряду , а также (символ n) - электрически нейтральная частица, масса к-рой немного превышает массу . Из и построены все , именно сильное взаимод. обусловливает связь этих частиц между собой. В сильном взаимодействии и имеют одинаковые св-ва и рассматриваются как два одной частицы - нуклона с изотопич. (см. ниже). Барионы включают и гипероны - элементарные частицы с массой больше нуклонной:-гиперон имеет массу 1116 МэВ,-гиперон- 1190 МэВ,-гиперон -1320 МэВ,-гиперон- 1670 МэВ. Мезоны имеют массы, промежуточные между массами и (-мезон, K-мезон). Существуют мезоны нейтральные и заряженные (с положит. и отрицат. элементарным электрич. зарядом). Все мезоны по своим сгатистич. св-вам относятся к бозонам.

Основные свойства элементарных частиц. Каждая элементарная частица описывается набором дискретных значений физ. величин (квантовых чисел). Общие характеристики всех элементарных частиц - масса, время жизни, электрич. заряд.
В зависимости от времени жизни элементарные частицы делятся на стабильные, квазистабильные и нестабильные (резонансы). Стабильными (в пределах точности совр. измерений) являются: (время жизни более 5 -10 21 лет), (более 10 31 лет), фотон и . К квазистабильным относятся частицы, распадающиеся вследствие электромагнитного и слабого взаимод., их времена жизни более 10 -20 с. Резонансы распадаются за счет сильного взаимод., их характерные времена жизни 10 -22 -10 -24 с.
Внутренними характеристиками (квантовыми числами) элементарных частиц являются лептонный (символ L) и барионный (символ В)заряды; эти числа считаются строго сохраняющимися величинами для всех типов фундам. взаимод. Для лептонных и их L имеют противоположные знаки; для барионов В = 1, для соответствующих В = -1.
Для адронов характерно наличие особых квантовых чисел: "странности", "очарования", "красоты". Обычные (нестранные) адроны - ,-мезоны. Внутри разных групп адронов имеются семейства частиц, близких по массе и со сходными св-вами по отношению к сильному взаимод., но с разл. значениями электрич. заряда; простейший пример -протон и . Общее квантовое число для таких элементарных частиц - т. наз. изотопич. , принимающий, как и обычный , целые и полуцелые значения. К особым характеристикам адронов относится и внутренняя четность, принимающая значения1.
Важное св-во элементарных частиц - их способность к взаимопревращениям в результате электромагнитных или др. взаимодействий. Один из видов взаимопревращений - т. наз. рождение , или образование одновременно частицы и (в общем случае - образование элементарных частиц с противоположными лептонными или барионными зарядами). Возможны процессы рождения электрон-позитронных е - е + , мюонных новых тяжелых частиц при столкновениях лептонов, образование из кварков cc- и bb-состояний (см. ниже). Другой вид взаимопревращений элементарных частиц - аннигиляция при столкновениях частиц с образованием конечного числа фотонов (квантов). Обычно образуются 2 фотона при нулевом суммарном сталкивающихся частиц и 3 фотона - при суммарном , равном 1 (проявление закона сохранения зарядовой четности).
При определенных условиях, в частности при невысокой скорости сталкивающихся частиц, возможно образование связанной системы - е - е + и Эти нестабильные системы, часто наз. , их время жизни в в-ве в большой степени зависит от св-в в-ва, что позволяет использовать для изучения структуры конденсир. в-ва и кинетики быстрых хим. р-ций (см. , ).

Кварковая модель адронов. Детальное рассмотрение квантовых чисел адронов с целью их позволило сделать вывод о том, что странные адроны и обычные адроны в совокупности образуют объединения частиц с близкими св-вами, названные унитарными мультиплетами. Числа входящих в них частиц равны 8 (октет) и 10 (декуплет). Частицы, входящие в состав унитарного мультиплета, имеют одинаковые и внутр. четность, но различаются значениями электрич. заряда (частицы изотопич. мультиплета) и странности. С унитарными группами связаны св-ва , их обнаружение явилось основой для вывода о существовании особых структурных единиц, из к-рых построены адроны,-кварков. Считают, что адроны представляют собой комбинации 3 фундам. частиц со 1 / 2: и-кварков, d-кварков и s-кварков. Так, мезоны составлены из кварка и антикварка, барионы - из 3 кварков.
Допущение, что адроны составлены из 3 кварков, было сделано в 1964 (Дж. Цвейг и независимо от него М. Гелл-Ман). В дальнейшем в модель строения адронов (в частности, для того чтобы не возникало противоречия с ) были включены еще 2 кварка - "очарованный" (с) и "красивый" (b), а также введены особые характеристики кварков - "аромат" и "цвет". Кварки, выступающие как составные части адронов, в свободном состоянии не наблюдались. Все многообразие адронов обусловлено разл. сочетаниями и-, d-, s-, с- и b-кварков, образующих связные состояния. Обычным адронам ( ,-мезонам) соответствуют связные состояния, построенные из и- и d-кварков. Наличие в адроне наряду с и- и d-кварками одного s-, с- или b-кварка означает, что соответствующий адрон - "странный", "очарованный" или "красивый".
Кварковая модель строения адронов подтвердилась в результате экспериментов, проведенных в кон. 60-х - нач.
70-х гг. 20 в. Кварки фактически стали рассматриваться как новые элементарные частицы- истинно элементарные частицы для адронной формы материи. Ненаблюдаемость свободных кварков, по-видимому, носит принципиальный характер и дает предполагать, что они являются теми элементарными частицами, к-рые замыкают цепь структурных составляющих в-ва. Существуют теоретич. и эксперим. доводы в пользу того, что силы, действующие между кварками, не ослабевают с расстоянием, т. е. для отделения кварков друг от друга требуется бесконечно большая энергия или, иначе говоря, возникновение кварков в свободном состоянии невозможно. Это делает их совершенно новым типом структурных единиц в-ва. Возможно, что кварки выступают как последняя ступень материи.

Краткие исторические сведения. Первой открытой элементарной частицей был - отрицат. электрич. заряда в обоих знаков электрич. заряда (К. Андерсон и С. Неддермейер, 1936), и К-мезоны (группа С. Пауэлла, 1947; существование подобных частиц было предположено X. Юкавой в 1935). В кон. 40-х - нач. 50-х гг. были обнаружены "странные" частицы. Первые частицы этой группы - К + - и К - -мезоны, Л-гипероны - были зафиксированы также в космич. лучах.
С нач. 50-х гг. ускорители превратились в осн. инструмент исследования элементарных частиц. Были открыты антипротон (1955), антинейтрон (1956), анти--гиперон (1960), а в 1964 - самый тяжелый W -гиперон. В 1960-х гг. на ускорителях обнаружили большое число крайне неустойчивых резонансов. В 1962 выяснилось, что существуют два разных : электронное и мюонное. В 1974 обнаружены массивные (в 3-4 протонные массы) и в то же время относительно устойчивые (по сравнению с обычными резонансами) частицы, к-рые оказались тесно связанными с новым семейством элементарных частиц - "очарованных", их первые представители открыты в 1976. В 1975 обнаружен тяжелый аналог и --лептон, в 1977 - частицы с массой порядка десяти протонных масс, в 1981 - "красивые" частицы. В 1983 открыты самые тяжелые из известных элементарных частиц - бозоны (масса80 ГэВ) и Z° (91 ГэВ).
Т. обр., за годы, прошедшие после открытия , выявлено огромное число разнообразных микрочастиц. Мир элементарных частиц оказался сложно устроенным, а их св-ва во многих отношениях неожиданными.

Лит.: Коккедэ Я., Теория кварков, [пер. с англ.], М., 1971; Марков М. А., О природе материи, М., 1976; Окунь Л.Б., Лептоны и кварки, 2 изд., М., 1990.

1 История

С открытием элементарных частиц физика задалась вопросом об их количестве и строении. Пока элементарных частиц было открыто порядка 10 - каждая элементарная частица считалась истинно элементарной, и делались попытки объяснить строение элементарных частиц исходя из электромагнитного поля. Но построить сходу полевую теорию элементарных частиц не получилось.

Параллельно в физике велись работы по созданию квантовой теории поля , которые выдвинулись на передний план. В основе квантовой теории лежит утверждение, что взаимодействия носят дискретный характер и передаются с помощью переносчиков - квантов. Но реально в природе были обнаружены только фотон и другие элементарные частицы. Поэтому в качестве не существующих в природе переносчиков взаимодействий элементарных частиц были выбраны сами элементарные частицы, которым приписывалась возможность временного существования и в виртуальном состоянии в нарушение закона сохранения энергии. Началась эра манипуляций над законами природы.

Предложенная в 1964 году модель кварков (впоследствии Стандартная модель элементарных частиц) утверждала, что элементарные частицы (участвующие в гипотетическом сильном взаимодействии) имеют сложную структуру и состоят из гипотетических кварков. В качестве математического обоснования гипотезы кварков была разработана унитарная симметрия. Но вымышленные кварки не были обнаружены (в природе нет дробного электрического заряда, равного по величине заряду гипотетических кварков), ни при каких энергиях и тогда Стандартной модели пришлось выдумать механизм препятствующий появлению кварков в свободном виде. Для этого гипотетические глюоны (гипотетические переносчики гипотетического сильного взаимодействия гипотетических кварков, также не найденные в природе - поскольку для них не оказалось места в спектре элементарных частиц) были наделены уникальными свойствами (конфайнмент) - способностью создавать себе подобных при движении (такой способностью не обладает ни одна элементарная частица). Понятно, что закон сохранения энергии - фундаментальный закон природы опять был проигнорирован.

Несмотря на кажущийся успех Стандартной модели элементарных частиц, работы над полевой теорией элементарных частиц не прекращались. Прогресс в данном направлении наметился в середине 70-х годов прошлого века, когда была сделана попытка объединить классику с не противоречащей ей частью квантовой механики (пришлось пожертвовать виртуальными частицами, нарушающими закон сохранения энергии). Так в результате ввода квантовых чисел удалось получить правильный спектр основных состояний элементарных частиц (включающий фотон, лептоны без тау-лептона, мезоны, барионы, векторные мезоны). Стало ясно, что данное направление является перспективным. Дальнейшая работа, подкрепленная развитием вычислительной техники и появлением компьютеров позволяющих рассчитывать взаимодействия магнитных полей привела к значительному продвижению полевой теории элементарных частиц.

Полевая теория элементарных частиц, действуя в рамках НАУКИ, опирается на проверенный ФИЗИКОЙ фундамент:

• Классическую электродинамику,
• Квантовую механику (без виртуальных частиц),
• Законы сохранения - фундаментальные законы физики.

В этом принципиальное отличие научного подхода, использованного полевой теорией элементарных частиц - подлинная теория должна строго действовать в рамках законов природы: в этом и заключается НАУКА. Пришлось отбросить, по причине недоказанности, некоторые квантовые числа, постулированные Квантовой теорией и Стандартной моделью и связанные с ними якобы законы сохранения, бездоказательно приписанные их сторонниками к числу законов физики.

Теперь полевая теория элементарных частиц описывает весь спектр элементарных частиц, в котором естественно не нашлось места для сказочных: кварков, глюонов, гравитонов, гравитино, нейтралино, партонов, преонов, ... . Кроме того полевая теория объяснила откуда берется электрический заряд элементарных частиц и почему он квантуется, магнитные поля элементарных частиц и чем на самом деле являются ядерные силы . Но самое главное - это то, что все законы природы "снова" действуют, в том числе и такой нелюбимый квантовой теорией фундаментальный закон природы - закон сохранения энергии.

Подведем итог сказанному :
1. Квантовая теория вместе со Стандартной моделью утверждает, что каждая элементарная частица, участвующая в гипотетическом сильном взаимодействии (называемая ими адроном), состоит из кварков - но кварки (равно как и глюоны) не были обнаружены на ускорителях и вообще в природе ни при каких энергиях, а обмен виртуальными частицами противоречит законам природы.

2. Полевая теория утверждает, что элементарные частицы (с квантовым числом L>0, существование которого у элементарных частиц установлено полевой теорией) состоят из вращающегося поляризованного переменного электромагнитного поля с постоянной составляющей. Такие элементарные частицы должны обладать:

• постоянным электрическим полем,
• постоянным магнитным полем,
• волновым переменным электромагнитным полем.

Наличие данных полей у элементарных частиц с ненулевой величиной массы покоя, а также гравитационного поля (создаваемого электромагнитными полями элементарных частиц), физика подтвердила экспериментально для ряда элементарных частиц.

С электромагнитными полями как постоянными, так и переменными мы сталкиваемся на каждом шагу. Число элементарных частиц бесконечно и каждая элементарная частица (с квантовым числом L>0) имеет бесконечное число возбужденных состояний . Благодаря наличию переменного электромагнитного поля элементарные частицы обладают волновыми свойствами. Таким видится микромир полевой теорией элементарных частиц.

Элементарная частица с квантовым числом L>0 в полевой теории

Строение протона в полевой теории (поперечное сечение) (E-постоянное электрическое поле,H-постоянное магнитное поле, желтым цветом отмечено переменное электромагнитное поле).

Как мы видим, полевая теория охватывает все элементарные частицы и объясняет их строение исходя из реально существующих в природе полей.

2 Классификация элементарных частиц

2.1 Классификация элементарных частиц в квантовой теории

С точки зрения квантовой теории все элементарные частицы делятся на два класса:

• фермионы - элементарные частицы с полуцелым спином;
• бозоны - элементарные частицы с целым спином.

Квантовая теория вводит следующие (с ее точки зрения существующие) фундаментальные взаимодействия:

При этом, кроме сильного взаимодействия и слабого взаимодействия, квантовая теория вводит особое электромагнитное взаимодействие, вместо действительно существующих в природе электромагнитных взаимодействий (отбросив взаимодействия магнитных полей элементарных частиц, которые не вписывались в квантовую теорию).

По видам введенных фундаментальных взаимодействий квантовая теория разделяет элементарные частицы на следующие группы:

• адроны - элементарные частицы, участвующие во всех видах фундаментальных взаимодействий (постулированных квантовой теорией), как реально существующих в природе, так и вымышленных;
• лептоны - фермионы, участвующие в электромагнитном и гипотетическом слабом взаимодействии (квантовой теории);
• калибровочные бозоны - фотон, промежуточные векторные бозоны и предполагаемые переносчики взаимодействий (в рамках предположений квантовой теории).

Здесь указаны предполагаемые квантовой теорией и Стандартной моделью, но не найденные в природе: кварки, глюоны, гравитон, бозон Хиггса (под видом якобы найденного бозона Хиггса нам подсовывают вновь открытую элементарную частицу: векторный мезон), но не указаны мезоны и барионы, поскольку квантовая теория не считает данные элементарные частицы истинно элементарными. Кроме того часть векторных мезонов квантовая теория отнесла к элементарным частицам поскольку она считает, что они являются переносчиками слабого взаимодействия (постулированного квантовой теорией) - это W- и Z-бозоны. Остальные векторные мезоны квантовая теория не считает элементарными частицами.

2.2 Классификация элементарных частиц в полевой теории элементарных частиц

С точки зрения полевой теории элементарных частиц все элементарные частицы делятся на группы по квантовому числу L лежащему в основе спина, а спектр элементарных частиц определяется одновременно Квантовой механикой и Классической электродинамикой. Из бесконечного набора возможных значений спина выделяется только нуль (L=1) поскольку в этой группе мезонов невозможно отличить нейтральную частицу от соответствующей античастицы.

Все элементарные частицы можно разбить на следующие основные группы:

• фотон
• лептоны
• мезоны
• барионы
• векторные мезоны

При этом число барионов и векторных мезонов в основном состоянии в природе бесконечно. Данная классификация разбивает элементарные частицы по квантовому числу L.

Фрагмент спектра основных состояний элементарных частиц

Элементарные частицы: фрагмент спектра основных состояний и возбужденных состояний (по полевой теории)

Гипотетических Слабых взаимодействий в природе нет, а степень участия элементарных частиц в ядерных силах определяется квантовым числом L (см. строение элементарных частиц) и энергией сосредоточенной в постоянном магнитном поле. С ростом квантового числа L растет процент энергии сосредоточенной в постоянном магнитном поле элементарных частиц, а также величина массы покоя - следовательно, растет и степень участия частицы в "сильных" взаимодействиях (а если правильно: в ядерных силах). Так что из четырех (предполагаемых квантовой теорией) типов фундаментальных взаимодействий в природе реально существует только два - электромагнитные и гравитационные , как и соответствующие им поля.

При этом электромагнитные взаимодействия отличаются от электромагнитного взаимодействия, учитываемого квантовой теорией, поскольку электромагнитные взаимодействия учитывают взаимодействия не только электрических но и магнитных полей.

3 Систематизация элементарных частиц

Имеется только одна систематизация элементарных частиц и их возбужденных состояний вытекающая из полевой теории элементарных частиц.

4 Масса у элементарных частиц

В соответствии с классической электродинамикой и формулой Эйнштейна, а также полевой теорией элементарных частиц, масса покоя элементарной частицы определяется как эквивалент энергии ее электромагнитных полей:

где определенный интеграл берется по всему собственному электромагнитному полю элементарной частицы, E - напряженность электрического поля, H - напряженность магнитного поля. Здесь учитываются все компоненты собственного электромагнитного поля: постоянное электрическое поле, постоянное магнитное поле, переменное электромагнитное поле. Это согласуется с реально существующими в природе фундаментальными взаимодействиями. Никакой сказочный бозон Хиггса массу покоя элементарных частиц и их гравитационное поле - не создает и создавать не может, поскольку, согласно теории гравитации элементарных частиц, гравитационные поля элементарных частиц и инерционная масса элементарных частиц создаются их электромагнитными полями .

Поместив элементарную частицу во внешнее электрическое или магнитное поле (например, протон или нейтрон в атомное ядро), мы изменим величину энергии электромагнитных полей элементарной частицы, а следовательно, и величину ее массы, в результате чего изменится ее среднее время жизни. Таким образом: масса покоя элементарной частицы, ее среднее время жизни (в том числе и каналы распада) зависят от электромагнитных полей, в которых частица находится , а не только от величины ее скорости движения (как следует из СТО).

5 Радиус элементарной частицы (определяемый полевой теорией элементарных частиц)

Полевая теория элементарных частиц вводит определение полевого радиуса элементарной частицы (r 0~), как среднего расстояния от центра элементарной частицы (с квантовым числом L>0), на котором вращается переменное электромагнитное поле:

где:
L - главное квантовое число элементарной частицы;
ħ - постоянная Планка;
m 0~ - масса, заключенная в переменном электромагнитном поле элементарной частицы;
c - скорость света.

Строение протона в полевой теории (поперечное сечение) (E-постоянное электрическое поле,H-постоянное магнитное поле, желтым цветом отмечено переменное электромагнитное поле).


Строение электрона в полевой теории (поперечное сечение)


Строение нейтрона в полевой теории (поперечное сечение)
Как видно из представленных рисунков, электрические поля элементарных частиц - дипольные .

На картинках электрон выглядит меньше протона, а в действительности полевой радиус электрона в 600 раз больше протонного (и нейтронного), следовательно упасть на атомное ядро электрон никак не может - линейные размеры электрона превышают линейные размеры любого атомного ядра (даже самого тяжелого). Электрон не присутствует внутри нейтрона, а создается электромагнитным полем в процессе распада нейтрона, естественно вместе с электронным антинейтрино, обладающим еще большими (чем электрон) размерами.

В m 0~ сосредоточена только часть величины массы покоя элементарной частицы:

M 0 - масса покоя элементарной частицы.
m 0= - масса, заключенная в постоянном электрическом и постоянном магнитном поле элементарной частицы.

Радиус области пространства, занимаемого элементарной частицей, определяется как:

К величине r 0~ добавился еще радиус кольцевой области, занимаемой переменным электромагнитным полем элементарной частицы. Необходимо помнить, что часть величины массы покоя, сосредоточенной в постоянных (электрическом и магнитном) полях элементарной частицы находится за пределами данной области, в соответствии с законами электродинамики.

6 Возбужденные состояния элементарных частиц

Согласно полевой теории элементарных частиц, элементарные частицы с квантовым числом L>0 могут находиться и в возбужденном состоянии, отличающемся от основного наличием дополнительного вращательного момента (V) . Физика уже экспериментально открыла множество таких состояний у элементарных частиц. Примеры приведены на рисунках:

подгруппа мюона

подгруппа пи-мезона

подгруппа протона

7 Элементарная частица и теория гравитации элементарных частиц

Появившаяся в 2015 году теория гравитации элементарных частиц установила наличие в природе электромагнитной формы гравитации. При этом необходимо четко понимать: в природе существует не гравитационное поле вещества, а гравитационные поля элементарных частиц, из которых состоит вещество. Это суперпозиция векторных полей, и они складываются по правилам сложения векторов.

Поскольку гравитационные поля вещества создаются электромагнитными полями элементарных частиц, из которых это вещество состоит, то возник вопрос и о природе инерционных свойств вещества.

В уравнении 137 теории гравитации элементарных частиц было установлено, что кинетическая энергия электромагнитного поля элементарной частицы равна кинетической энергии ее инертной массы.

Отсюда следует: электрическая и магнитная составляющая электромагнитного поля элементарной частицы и создают инерционные свойства полевой материи, из которой состоит вещество Вселенной .

Тем самым теорией гравитации элементарных частиц было доказано, что гравитационные поля вещества и инерционные свойства вещества создаются электромагнитными полями элементарных частиц, из которых это вещество состоит. - ФИЗИКОЙ 21 века была опровергнута математическая СКАЗКА о "бозоне Хиггса".

Элементарные частицы, из которых состоит вещество Вселенной - являются формой электромагнитной полевой материи и этой форме материи не требуется никакой сказочный "бозон Хиггса" вместе со своими сказочными взаимодействиями, выдуманными Стандартной моделью и квантовой теорией. Конечно, можно выдумать новую форму материи, но это будет новая математическая СКАЗКА.

8 Немного о Стандартной модели элементарных частиц

В 1964 году Гелл-манн и Цвейг независимо предложили гипотезу существования кварков, из которых, по их мнению, состоят адроны. Удалось правильно описать спектр известных тогда элементарных частиц, но придуманные кварки пришлось наделить дробным электрическим зарядом, не существующим в природе. Лептоны в эту Кварковую модель, которая впоследствии переросла в Стандартную модель элементарных частиц, вообще НЕ вписались - поэтому были признаны истинно элементарными частицами, наравне с придуманными кварками. Чтобы объяснить связь кварков в адронах (барионах, мезонах), было предположено существование в природе сильного взаимодействия и его переносчиков - глюонов. Глюоны, как и положено в Квантовой теории, наделили единичным спином, тождественности частицы и античастицы и нулевой величиной массы покоя, как у фотона. В действительности, в природе существует не сильное взаимодействие гипотетических кварков, а ядерные силы нуклонов - и это РАЗНЫЕ понятия.

Прошло 50 лет. Вымышленные кварки так и не были найдены в природе и нам сочинили новую математическую сказочку под названием "Конфайнмент". Мыслящий человек с легкостью увидит в ней откровенное издевательство над фундаментальным законом природы - законом сохранения энергии. Но это сделает мыслящий человек, а сказочники получили устроившее их оправдание, почему в природе нет кварков в свободном виде.

Введенные глюоны также НЕ были найдены в природе. Дело в том, что единичным спином могут обладать в природе только векторные мезоны (и еще одно из возбужденных состояний мезонов), но у каждого векторного мезона имеется античастица. - Поэтому векторные мезоны на кандидаты в «глюоны» никак не подходят, и им не припишешь роль переносчиков вымышленного сильного взаимодействия. Остается девятка первых возбужденный состояний мезонов, но 2 из них противоречат самой Стандартной модели элементарных частиц и их существование в природе Стандартная модель не признает, а остальные неплохо изучены физикой, и выдать их за сказочные глюоны не получится. Есть еще последний вариант: выдать за глюон связанное состояние из пары лептонов (мюонов или тау-лептонов) - но и это при распаде можно вычислить.

Так что, глюонов в природе также нет, как нет в природе кварков и вымышленного сильного взаимодействия. Вы считаете, что сторонники Стандартной модели элементарных частиц этого не понимают - еще как понимают, вот только тошно признать ошибочность того, чем занимался десятилетиями. А потому мы видим все новые математические псевдонаучные сказки, одна из которых: "теория струн".

9 Элементарная частица и "теория струн"

В начале 1970-х годов в квантовой теории появилось новое направление: "теория струн", изучающее динамику взаимодействия не точечных частиц, а одномерных протяжённых объектов (квантовых струн). Была сделана попытка объединить идеи квантовой механики и теории относительности на основе главенства квантовой теории. Ожидалось, что на её основе, будет построена теория квантовой гравитации.

Несколько цитат из Википедии: Теория струн основана на гипотезе о том, что все элементарные частицы и их фундаментальные взаимодействия возникают в результате колебаний и взаимодействий ультрамикроскопических квантовых струн на масштабах порядка планковской длины 10 -35 м. Данный подход, с одной стороны, позволяет избежать таких трудностей квантовой теории поля, как перенормировка, а с другой стороны, приводит к более глубокому взгляду на структуру материи и пространства-времени.

Несмотря на математическую строгость и целостность теории, пока не найдены варианты экспериментального подтверждения теории струн. Возникшая для описания адронной физики, но не вполне подошедшая для этого, теория оказалась в своего рода экспериментальном вакууме описания всех взаимодействий.

Одна из основных проблем при попытке описать процедуру редукции струнных теорий из размерности 26 или 10 в низкоэнергетическую физику размерности 4 заключается в большом количестве вариантов компактификаций дополнительных измерений на многообразия Калаби - Яу и на орбифолды, которые, вероятно, являются частными предельными случаями пространств Калаби - Яу. Большое число возможных решений с конца 1970-х и начала 1980-х годов создало проблему, известную под названием "проблема ландшафта", в связи с чем, некоторые учёные сомневаются, заслуживает ли теория струн статуса научной .

А теперь уточнения:

• Электромагнитные поля элементарных частиц не возникают в результате колебаний ультрамикроскопических квантовых струн, а их взаимодействия не являются продуктом взаимодействия этих струн.
• Основная трудность квантовой "теории" заключается в отсутствии в природе переносчиков, выдуманных ей взаимодействий, и игнорировании виртуальными частицами фундаментального закона природы - закона сохранения энергии. Что касается перенормировки, то одна ее необходимость указывает на ошибочность такой "теории". Взяли и переписали результат действия законов природы - и это выдается за науку.
• Адронной физики в природе нет, поскольку в природе нет адронов. В природе НЕТ кварков с глюонами, а есть просто элементарные частицы, и фундаментальных взаимодействий всего два.
• Пространство с размерностью 26 или 10 - а почему не 25 или 11. Манипулируя размерностью пространства, можно построить сколько угодно "теорий", но СКАЗОЧНЫХ. А введение в струнных теориях многомерных объектов - это уж точно из мира математических СКАЗОК.
• К теориям относительности у физики тоже есть вопросы: специальная теория относительности (СТО) внутри элементарных частиц не работает, а гравитационное поле для общей теории относительности (ОТО) ничто не создает, кроме сказочных "черных дыр", "создаваемых" этим же самым полем и тем самым противоречащих принципу причинности. - Элементарные частицы создают суперпозицию векторных гравитационных полей, а не некоторое абстрактное математическое гравитационное поле для ОТО.
• Ну а квантовую "теорию гравитации" уже строить не нужно - разработана НАУЧНАЯ ТЕОРИЯ ГРАВИТАЦИИ ЭЛЕМЕНТАРНЫХ ЧАСТИЦ, из которых состоит вещество Вселенной. Да и гравитонов в природе НЕТ.
• Предсказываемые струнными "теориями" тахионы - частицы, движущиеся со скоростью, превышающей скорость света в вакууме, и противоречащие принципу причинности, существуют лишь в таких "теориях" да и в воображении их авторов и сторонников.
• Предсказанная струнными "теориями" многомерность Вселенной противоречит экспериментальным данным. Физика установила наличие трех пространственных измерений, а Альберт Эйнштейн к ним в специальной теории относительности (работающей не везде) добавил четвертое мнимое измерение - время. Все прочие измерения Вселенной есть продукт воображения некоторых "теоретиков", ставящих свои желания выше законов природы.

Сторонники теории струн, сравнивая ее со Стандартной моделью элементарных частиц и агитируя за теорию струн, заявляют, что у Стандартной модели есть 19 свободных параметров, для подгонки под экспериментальные данные, а у теории струн их нет.

Они кое-что упускают. Когда Стандартная модель элементарных частиц еще называлась кварковой моделью, ей хватало всего 3-х кварков. Но по мере развития, Стандартной модели потребовалось увеличить число кварков до 6-ти (нижний, верхний, странный, очарованный, прелестный, истинный), а каждый гипотетический кварк еще и наделить тремя цветами (r, g, b) – получаем 6×3=18 гипотетических частиц. К ним еще понадобилось добавить 8 глюонов. – Модель разрослась для подгонки под новые экспериментальные данные. Но введения цветов у сказочных кварков оказалось мало и некоторые уже заговорили о сложном строении кварков. Другие сторонники Стандартной модели заявляют, что кварки являются формой полевой материи.

Аналогичная судьба ждет и "теорию" струн. Сначала ее сторонники рассказывают математические сказки, выдавая их за высшее достижение науки, а большинство человечества тупо этому верит. Новую математическую квантовую сказку, выдавая ее за последнее слово физики, уже преподают студентам, наивно считающим, что они получают «подлинные знания». За новую сказку станут получать «научные» звания и Нобелевские премии по «физике», как это было уже с математической сказкой о «Бозоне Хиггса». Новая квантовая сказка будет развиваться, разрастаться, и потребуются параметры для подгонки под новые экспериментальные данные. А когда эта математическая сказка также зайдет в ТУПИК и ОБАНКРОТИТСЯ – сочинят новую сказочку. А всего-то произошла подмена старой обанкротившейся квантовой математической сказки, которая уже не может управлять умами людей, на новую аналогичную сказку. – Одну ХИМЕРУ подменили на другую ХИМЕРУ. Человечество получило такую «науку», какой оно достойно. Вот только ФИЗИКЕ это литературное творчество БЕЗ НАДОБНОСТИ .

Каждый школьник, изучавший геометрию и механику, знает, что число измерений пространства равно трем. К ним Эйнштейн, в качестве четвертого мнимого измерения в рамках действия специальной теории относительности, добавил время. Иных измерений у окружающего нас пространства НЕТ. Что касается пространства общей теории относительности, то оно существует только в виртуальном мире этой теории, как и виртуальное пространство специальной теории относительности, может использоваться там, где эта теория РАБОТАЕТ.

Взрослые дяди с "научными" степенями обнаруживают у пространства в 3-9 раз больше измерений, чем есть в действительности, наверно прочно забыв то, чему их учили в школе. Получается, что для природы у пространства есть одна размерность, а для сторонников теории струн – другая, значительно большая. Они что боги, что могут себе создавать собственное пространство под свои "теоретические" построения. Ну а если они НЕ боги, то тогда просто СКАЗОЧНИКИ от науки, спасающие от неизбежного банкротства Квантовую псевдо-теорию. Желание всеми силами удержаться в «науке» понятно, но может, будет честнее и разумнее, распрощаться с этим сборником математических СКАЗОК, и отправить его в архив истории развития физики, как прошлое ЗАБЛУЖДЕНИЕ, а самим сесть за парту вместе со студентами и переучиться Новой ФИЗИКЕ, что очень противно. Помните сказку о голом короле и чем она закончилась для короля - Вам современная действительность ничего не напоминает?

Подведем итог: за умными словами и сверхсложной математикой "теории струн" скрывается псевдонаучная математическая СКАЗКА, построенная на фальшивом фундаменте .

10 Элементарная частица - разное

Сторонники квантовой теории уверены, что в экспериментах по рассеянию наблюдаются следы кварков в протоне. - Но это одно из возможных объяснений.

Возьмем число гипотетических кварков в адроне и разделим его на два - получится главное квантовое число (L ) элементарных частиц в полевой теории. И это не просто совпадение. Дело в следующем: поскольку внутри элементарных частиц вращается переменное электромагнитное поле - в них будут стоячие волны (это описано в волновых теориях). А в стоячих волнах имеются участки с максимальной интенсивностью (пучности), но также имеются точки, в которых интенсивность всегда равна нулю (узлы). Если рассматривать стоячую волну с точки зрения плотности массы, то ее математически можно условно разбить на несколько равных частей (равно числу пучностей) - и это оказывается равным числу гипотетических кварков в адронах.

Отсюда следует еще одно объяснение экспериментов: В экспериментах по рассеянию наблюдаются стоячие волны переменного электромагнитного поля внутри элементарных частиц . Этим и объясняется невозможность их разбиения на отдельные участки - электромагнитное поле непрерывно и не рассыпается на осколки, а преобразуется по законам природы.

11 Новая физика: Элементарная частица - итог

Я не стал рассматривать все теории и теоретические построения, касающиеся элементарных частиц. Остались нерассмотренными:

• некоторые научные теории (Волновая теория строения элементарных частиц), которые лучше посмотреть на сайтах авторов,
• теоретические построения не соответствующие природе квантовой теории (теории суперструн, М-теория и др.) заведшие физику в квантовый ТУПИК своими математическими СКАЗКАМИ,
• псевдонаучные муляжи, имитирующие науку (такие, как Теория бесконечной вложенности материи), за абстрактными идеями, умными словами и часто сложной математикой скрывающие убогую физику.

"Научная" плодовитость некоторых авторов математических сказок и муляжей очень высока, а тратить время на разбор их литературного творчества, выдаваемого за научное - БЕССМЫСЛЕННО. И вообще, публикация в издании, зарабатывающем на науке, не является доказательством, что перед нами НАУЧНЫЙ ТРУД . Публикуют те, у кого есть на это деньги - капитализм в действии.

У полевой теории элементарных частиц нет принципиальных расхождений с волновыми теориями элементарных частиц, поскольку ее можно рассматривать как дальнейшее развитие волнового направления в физике. Если бы в свое время у волнового направления хватило сил противостоять установлению монополии на истину со стороны квантовой теории и Стандартной модели элементарных частиц - сейчас в учебниках физики было бы написано совсем другое .

В 20 веке возлагались большие надежды на "квантовую теорию" и "Стандартную модель элементарных частиц", последняя объявлялась чуть ли не высшим достижением науки, что наконец открыли все, находящиеся в стандартной модели элементарные частицы. Но как оказалось, природа устроена иначе, чем утверждали эти сборники математических сказок. Кварки и глюоны так и не были найдены ни в природе, ни на ускорителях, ни при какой энергии - а без этих кирпичиков из фундамента стандартная модель элементарных частиц всего лишь СКАЗКА . Также в природе не были найдены переносчики взаимодействий, постулированных квантовой теорией, да и число фундаментальных взаимодействий оказалось значительно меньшим - похоронив квантовую "теорию". Ну а сказочка о виртуальных частицах , выдуманная, чтобы заполнить отсутствие в природе сказочных переносчиков сказочных взаимодействий квантовой "теории", теперь тоже рухнула. Закон сохранения энергии, такой нелюбимый квантовой "теорией" и ее "Стандартной" моделью элементарных частиц, действовал в природе до появления этих сборников математических сказок, и продолжает действовать после их неизбежной кончины.

Грянул 21 век и физика изменилась. Теперь Полевая теория элементарных частиц описывает микромир исходя из реально существующих в природе полей, оставаясь в рамках, действующих в природе законов - как и должно быть в науке . Она стала одним из крупнейших открытий Новой физики 21 века и крупнейшим открытием теоретической физики начала 21 века, явилась успешным завершением части работ над созданием Теории поля, длившихся более 100 лет, приведших к построению Научной картины Микромира. Как оказалось, Микромир - это мир дипольных электромагнитных полей, о существовании которых физика 20 века и не подозревала . К этому добавилась теория гравитации элементарных частиц, установившая электромагнитную природу гравитации и похоронившая кучку математических сказок 20 века ("теорий" гравитации, "супер-гравитации", сказку о "бозоне Хиггса"), в том числе и сказку о "Черных дырах". Исследования в области электронных нейтрино нашли:

• основной природный источник энергии землетрясений, вулканической деятельности, тектонической деятельности, геотермальной деятельности, теплового потока, исходящего из недр Земли,
• природные источники так называемого "реликтового излучения",
• еще один природный механизм красного смещения,
• похоронили математическую сказку о "Большом взрыве".

Нас ждет еще много захватывающего и интересного, но не ищите этого в мировой Википедии.

Владимир Горунович

Отчетливого определения понятия «элементарная частица» не существует; обычно указывается только некоторый набор значений физических величин, характеризующих эти частицы, и их некоторые весьма важные отличительные свойства. Элементарные частицы имеют:

1) электрический заряд

2) собственный момент импульса или спин

3) магнитный момент

4) собственную массу - «массу покоя»

В дальнейшем могут обнаружиться другие величины, характеризующие частицы, поэтому этот список основных свойств элементарных частиц не следует полагать законченным.

Однако не все элементарные частицы (список их приводится ниже) обладают полным комплектом указанных выше свойств, Некоторые из них имеют только электрический заряд и массу, но не имеют спина (заряженные пионы и каоны); другие частицы имеют массу, спин и магнитный момент, но не имеют электрического заряда (нейтрон, лямбда-гиперон); третьи - имеют только массу (нейтральные пионы и каоны) или только спин (фотоны, нейтрино). Обязательным для элементарных частиц является наличие хотя бы одного из перечисленных выше свойств. Заметим, что важнейшие частицы вещества - прогоны и электроны - характеризуются полным комплектом этих свойств. Необходимо подчеркнуть: электрический заряд и спин являются фундаментальными свойствами частиц вещества, т. е. их численные значения сохраняются постоянными во всех условиях.

ЧАСТИЦЫ И АНТИЧАСТИЦЫ

У каждой элементарной частицы имеется ее противоположность - «античастица». Масса, спин и магнитный момент частицы и античастицы одинаковы, но если частица имеет электрический заряд, то ее античастица имеет заряд противоположного знака. У протона, позитрона и антинейтрона магнитные моменты и спины имеют одинаковые, а у электрона, нейтрона и антипротона - протироположные ориентации.

Взаимодействие частицы со своей античастицей существенно отличается от взаимодействия с другими частицами. Это отличие выражается в том, что частица и ее античастица способны к аннигиляции, т. е. к процессу, в результате которого они исчезают, а вместо них появляются другие частицы. Так, например, в результате аннигиляции электрона и позитрона появляются фотоны, протона и антипротона-пионы и т. д.

ВРЕМЯ ЖИЗНИ

Стабильность не является обязательным признаком элементарных частиц. Стабильными являются только электрон, протон, нейтрино и их античастицы, а также фотоны. Остальные частицы превращаются в стабильные либо непосредственно, как это происходит, например, у нейтрона, или через цепочку последовательных превращений; например, нестабильный отрицательный пион сначала превращается в мюон и нейтрино, а затем мюон превращается в электрон и другое нейтрино:

Символами обозначены «мюонные» нейтрино и антинейтрино, которые отличаются от «электронных» нейтрино и антинейтрино.

Нестабильность частиц оценивается по продолжительности времени их существования от момента «рождения» до момента распада; оба эти момента времени отмечаются по трекам частиц в измерительных установках. При наличии большого числа наблюдений за частицами данного «сорта» вычисляется либо «среднее время жизни» либо полупериод распада Допустим, что в некоторый момент времени число распадающихся частиц равно а в момент это число сделалось равным Полагая, что распад частиц подчиняется вероятностному закону

можно вычислить среднее время жизни (в течение которого число частиц убывает в раз) и период полураспада

(в течение которого это число уменьшается в два раза).

Интересно отметить, что:

1) все незаряженные частицы, кроме нейтрино и фотона, нестабильны (нейтрино и фотоны выделяются среди других элементарных частиц тем, что не имеют собственной массы покоя);

2) из заряженных частиц только электрон и протон (и их античастицы) являются стабильными.

Приведем список важнейших частиц (их число продолжает увеличиваться и в настоящее время) с указанием обозначений и основных

свойств; электрический заряд обычно указывается в элементарных единицах масса - в единицах массы электрона спин - в единицах

(см. скан)

КЛАССИФИКАЦИЯ ЧАСТИЦ

Изучение элементарных частиц показало, что группировка их по значениям основных свойств (заряд, масса, спин) недостаточна. Оказалось необходимым разделить эти частицы на существенно различные «семейства»:

1) фотоны, 2) лептоны, 3) мезоны, 4) барионы

и ввести новые характеристики частиц, которые показали бы принадлежность данной частицы к одному из этих семейств. Эти характеристики получили условное название «зарядов» или «чисел». Различают три сорта зарядов:

1) лептонно-электронный заряд ;

2) лептонно-мюонный заряд

3) барионный заряд

Этим зарядам придаются числовые значения: и -1 (знак плюс имеют частицы, минус - античастицы; фотоны и мезоны имеют нулевые заряды).

Элементарные частицы подчиняются следующим двум правилам:

каждая элементарная частица принадлежит только одному семейству и характеризуется только одним из указанных выше зарядов (чисел).

Например:

Однако одному семейству элементарных частиц может принадлежать некоторое множество различных частиц; например, к группе барионов относятся протон, нейтрон и большое число гиперонов. Приведем разделение элементарных частиц на семейства:

лептоны «электронные»: К ним относятся электрон позитрон электронное нейтрино и электронное антинейтрино

лептоны «мюонные»: К ним относятся мюоны с отрицательным и положительным электрическим зарядом и мюонные нейтрино и антинейтрино К ним относятся протон, нейтрон, гипероны и все их античастицы.

Существование или отсутствие электрического заряда не связано с принадлежностью к какому-нибудь из перечисленных семейств. Замечено, что все частицы, спин которых равен 1/2, обязательно имеют один из указанных выше зарядов. Фотоны (имеющие спин, равный единице), мезоны - пионы и каоны (спин которых равен нулю) не имеют ни лептонных, ни барионных зарядов.

Во всех физических явлениях, в которых участвуют элементарные частицы - в процессах распада; рождения, аннигиляции и взаимных превращений, - соблюдается второе правило:

алгебраические суммы чисел для каждого вида заряда в отдельности всегда сохраняются постоянными.

Это правило эквивалентно трем законам сохранения:

Эти законы означают также, что взаимные превращения между частицами, принадлежащими различным семействам, запрещены.

Для некоторых частиц - каонов и гиперонов - оказалось необходимым дополнительно ввести еще одну характеристику, названную странностью и обозначаемую через Каоны имеют лямбда- и сигма-гипероны - кси-гипероны - (верхний знак у частиц, нижний - у античастиц). В процессах, в которых наблюдается появление (рождение) частиц, обладающих странностью, соблюдается следующее правило:

Закон сохранения странности. Это означает, что появление одной странной частицы должно обязательно сопровождаться появлением еще одной или нескольких странных античастиц, с тем чтобы алгебраическая сумма чисел до и после

процесса рождения оставалась постоянной. Замечено также, что при распаде странных частиц закон сохранения странности не соблюдается, т. е. этот закон действует только в процессах рождения странных частиц. Таким образом, для странных частиц процессы рождения и распада необратимы. Например, лямбда-гиперон (странность равна распадается на протон и отрицательный пион:

В этой реакции закон сохранения странности не соблюдается, так как полученные после реакции протон и пион имеют странности, равные нулю. Однако в обратной реакции, при столкновении отрицательного пиона с протоном, одиночный лямбда-гиперон не появляется; реакция идет с образованием двух частиц, имеющих странности противоположных знаков:

Следовательно, в реакции рождения лямбда-гиперона закон сохранения странности соблюдается: до и после реакции алгебраическая сумма «странных» чисел равна нулю. Известна только одна реакция распада, в которой выполняется постоянство суммы странных чисел, - это распад нейтрального сигма-гиперона на лямбда-гиперон и фотон:

Другой особенностью странных частиц является резкое различие между продолжительностью процессов рождения (порядка ) и средним временем их существования (около ); для других (не странных) частиц эти времена имеют один порядок.

Заметим, что необходимость введения лептонных и барионных чисел или зарядов и существование указанных выше законов сохранения заставляют предполагать, что эти заряды выражают качественное различие между частицами различных сортов, а также и между частицами и античастицами. То обстоятельство, что частицам и античастицам необходимо приписать заряды противоположных знаков, указывает на невозможность взаимных превращений между ними.