ЧАСТИЦЫ
ЧАСТИЦЫ

Открытие нейтрино и антинейтрино при исследовании (3-распа-да поставило физиков перед новой проблемой. Нейтрино не укладывалось в схему строения мира, которую физики создали к концу 30-х гг. XX столетия. Примерно в это же время была открыта еще одна частица, названная ц-мезоном, которой первоначально приписывали роль переносчика взаимодействий между нуклонами в ядрах атомов. По своим свойствам ц-мезон был точной копией электрона, с той лишь разницей, что его масса составляла 207 масс электрона. Эти открытия стимулировали как поиск новых элементарных частиц, так и создание теорий, объясняющих роль этих частиц. Открытия не заставили долго ждать. Благодаря успехам в развитии техники ускорителей элементарных частиц, разгоняющих их до высоких скоростей, удалось преодолеть определенный рубеж, после которого некоторые элементарные частицы проявили свою внутреннюю структуру, а другие частицы рождались в результате взаимодействия уже известных частиц друг с другом. К 80-м гг. XX столетия физикам было известно свыше 300 частиц, которые можно было отнести к разряду элементарных. Ясно,что такое огромное число элементарных частиц говорило об их неэлементарности, тем более что опыты по исследованию внутреннего строения нуклонов, подобные опытам Резерфорда по рассеянию а-частиц на атомах золота, показали, что нуклоны имеют сложную внутреннюю структуру. Анализ экспериментальных фактов позволил физикам утверждать, что среди огромного числа элементарных частиц есть такие, которые можно считать не имеющими внутренней структуры на достигнутом уровне энергий взаимодействия между изучаемыми микрочастицами. Все эти частицы относятся к лепто-нам. Сложное же строение частиц, участвующих в сильном взаимодействии, подобных нуклонам, удалось объяснить, предположив существование таких частиц, которые входят в их состав, но не наблюдаются в свободном состоянии. Эти частицы получили название кварков. Лептоны и кварки образуют новый структурный уровень организации материи. Эти частицы вместе с частицами-переносчиками фундаментальных взаимодействий называются фундаментальными частицами. К лептонам относятся шесть фундаментальных частиц: электрон, (I-мезон, или коротко мюон, т-мезон, или просто таон,— и три типа нейтрино: электронное нейтрино, мюонное нейтрино и таонное нейтрино. Удобно лептоны расположить в виде пар: (е, vj; (ц, уц); (т, vt). Лептоны участвуют в слабом или электромагнитном взаимодействии, но не участвуют в сильном взаимодействии. Число кварков тоже равно шести. Кварки различаются своими ароматами. Конечно, аромат для кварка не связан с его запахом, а характеризует определенные физические свойства. По ароматам различают нижний d, верхний и, странный s, очарованный с, прелестный Ь, истинный t кварки. Буквы, обозначающие аромат кварков, являются первыми буквами английских слов — названий ароматов. Кварки обладают необычными физическими свойствами. Каждый кварк может существовать в трех разновидностях, каждой из которых приписывается определенный цвет: синий, зеленый или красный. Так же как и аромат, цвет кварка не имеет ничего общего с его окраской, а является определенной характеристикой квантовой частицы. Каждому кварку соответствует антикварк, имеющий по отношению к кварку противоположный электрический заряд и антицвет: антисиний, антизеленый или антикрасный. Взаимодействие между кварками таково, что на малых расстояниях оно уменьшается, а на больших — увеличивается. Из-за этого внутри адронов кварки находятся в состоянии, как говорят, асимптотической свобо- ТГ ды, но с увеличением расстояния на кварки начинает дейст- Р п Рис. 143. Схема строения протона, вовать сила' возвращающая их в прежнее состояние. Таким образом, кварки внутри адронов на- ходятся в своеобразном заточении, не имея возможности выйти за пределы адрона. Именно поэтому кварки не наблюдаются в свободном состоянии. Взаимодействие между кварками переносится глюо-нами — частицами, осуществляющими сильное взаимодействие, связанное с переносом цвета кварка. Число глюонов, переносящих цвет, равно восьми. Раздел физики, изучающий взаимодействие кварков, носит название квантовой хромодинамики. С помощью определенной комбинации разноцветных кварков можно «построить» любой адрон. Например, нуклоны состоят из трех кварков такого цвета, чтобы их сочетание давало белый цвет. По такому же принципу «строятся» и мезоны, только в отличие от нуклонов они содержат два кварка, являющиеся античастицами. Сочетание кварка и антикварка по определению также приводит к белому цвету элементарной частицы. На рисунке 143 приведена схема строения протона, нейтрона и я-мезона. Протон состоит из трех кварков р = uud, нейтрон в своем составе имеет также три кварка п = udd, тг-мезон состоит из и-кварка и J-антикварка. Одной из самых интересных особенностей кварков является их дробный электрический заряд: и-, с-, /-кварки имеют заряд, равный 2/3 единицы заряда электрона; d-, s-, /ькварки имеют заряд, равный —1/3. Кварки, так же как и лептоны, удобно объединять парами: (u,d); (с,s)', (t,b). Соответствующие пары кварков и лептонов образуют так называемые поколения фундаментальных частиц: (u,d) — (e,ve); (c,s) —(ц,уц); (t,b) — (т,уг). В настоящее время известно три поколения фундаментальных частиц, причем все стабильные структуры вещества в окружающем нас мире состоят из фундаментальных частиц (u,d) — (е,уе)-поколения. Обменная теория фундаментальных взаимодействий и лептон — кварковая модель строения вещества — позволяют построить в общих чертах современную физическую картину мира.