Теорії елементарних частинок

План

1. Квантова електродинаміка

2. Теорія кварків

3. Теорія електрослабкої взаємодії

4. Квантова хромодинаміка

5. На шляху до великого об'єднання

Квантова електродинаміка

Квантова механіка дозволяє описувати рух елементарних частинок, але не їх виникнення або знищення, тобто застосовується лише для описування систем з незмінною кількістю частинок. Узагальненням квантової механіки є квантова теорія поля — це квантова теорія систем з нескінченною кількістю ступенів свободи (фізичних полів), яка враховує вимоги і квантової механіки, і теорії відносності. Потреба в такій теорії пояснюється квантово-хвильовим дуалізмом, існуванням хвильових властивостей у всіх частинок. У квантовій теорії поля взаємодію трактують як результат обміну квантами поля, а польові величини оголошуються операторами, які пов'язують з актами народження й знищення квантів поля, тобто частинок.

У середині XX ст. було створено теорію електромагнітної взаємодії — квантову електродинаміку (КЕД). Це продумана до найдрібніших деталей і оснащена досконалим математичним апаратом теорія взаємодії заряджених елементарних частинок (насамперед, електронів або позитронів) шляхом обміну фотонами. У КЕД для опису електромагнітної взаємодії використовується поняття віртуального фотона. Ця теорія задовольняє основним принципам як квантової теорії, так і теорії відносності.

У центрі теорії — аналіз актів випромінювання або поглинання одного фотона однією зарядженою частинкою, а також анігіляції електрон-позитронної пари у фотон або породження фотонами такої пари.

Якщо в класичному описі електрони уявляються у вигляді твердої точкової кульки, то в КЕД електромагнітне поле, яке оточує електрон, розглядається як хмара віртуальних фотонів, що невідступно рухається разом з електроном, оточуючи Його квантами енергії. Фотони виникають і зникають дуже швидко, а електрони рухаються в просторі не по цілком визначених траєкторіях. Ще можна тим чи іншим способом визначити початкову й кінцеву точки шляху — до і після розсіювання, але сам шлях у проміжку між початком і кінцем руху залишається невизначепим.

Розглянемо, наприклад, акт випромінювання (віртуального) фотона електроном. Після того, як електрон випромінює фотон, той породжує (віртуальну) електрон-позитронну пару, що може анігілювати з утворенням нового фотона. Останній може бути поглинутим вихідним електроном, але може породити нову пару й т.д. Таким чином, електрон вкривається хмарою віртуальних фотонів, електронів і позитронів,

Опис взаємодії за допомогою частинки-носія в КЕД призвів до розширення поняття фотона. Уводяться поняття реального (кванта видимого нами світла) і віртуального (швидкоплинного, примарного) фотона, якого "бачать" тільки заряджені частинки, котрі зазнають розсіювання.

Щоб перевірити, як узгоджується теорія з реальністю, фізики зосередили увагу на двох ефектах, які викликали особливий інтерес. Перший стосувався енергетичних рівнів атома водню — найпростішого атома. Згідно з КЕД, рівні повинні бути злегка змішеними щодо положення, яке 6 вони займали за умови відсутності віртуальних фотонів. Друга вирішальна перевірка КЕД стосувалася надзвичайно малої поправки щодо власного магнітного моменту електрона. Теоретичні й експериментальні результати перевірки КЕД збігаються надзвичайно точно — більш як дев'ять знаків після коми. Настільки вражаюча відповідність дає право вважати КЕД найбільш досконалою з усіх наявних природничо-наукових теорій. За створення КЕД С. Томанага, Р. Фейнман і Дж. Швінгер були визнані гідними Нобелівської премії за 1965 р. Великий внесок у становлення КЕД належить і видатному фізику-теоретику Л. Д. Ландау

Після подібного тріумфу КЕД було прийнято як модель для квантового опису трьох інших фундаментальних взаємодій. Зрозуміло, полям, пов'язаним з іншими взаємодіями, повинні відповідати інші частинки-носії.

Теорія кварків

Термін "кварк" обрано зовсім не довільно. У романі Дж. Джонса "Поминки за Фіннеганом" героєві сниться сон, у якому чайки, що ширяють над бурхливим морем, кричать різкими голосами: "Три кварки для містера Марка!" Така довільність цілком співзвучна з абстрактно-ненаочним характером понять сучасних фізичних теорій.

Теорія кварків — це теорія будови адронів. Основна ідея цієї теорії дуже проста: всі адрони побудовані з більш дрібних частинок — кварків. Кварки несуть дробовий електричний заряд, що становить або -1/3, або +2/3 заряду електрона. Комбінація з двох і трьох кварків може мато сумарний заряд, який дорівнює нулю або одиниці. Усі кварки мають спін 1/2, отже, є ферміонами. Основоположники теорії кварків Гелл-Манн і Цвейг, щоб врахувати всі відомі в 60-і pp. адрони, увели три сорти (аромати) кварків: и (від up — верхній), d (від down — нижній) і s (від strange — дивний).

Кварки можуть поєднуватися між собою одним із двох можливих способів: або трійками, або парами кварк — антикварк. Із трьох кварків складаються порівняно важкі частинки — баріони; найбільш відомі баріони — нейтрон і протон. Більш легкі пари кварк — антикварк утворюють частинки, які одержали назву мезонів. Наприклад, протон складається з двох u - та одного d кварка (uud), а нейтрон — із двох d- кварків і одного u-кварка (uud). Щоб це "тріо" кварків не розпадалося, необхідна сила, яка б їх утримувала, якийсь "клей".

Виявилося, що підсумкова взаємодія між нейтронами й протонами в ядрі являє собою просто залишковий ефект більш могутньої взаємодії між самими кварками. Це пояснює, чому сильна взаємодія здається настільки складною. Коли протон "прилипає" до нейтрона чи іншого протона, у взаємодії беруть участь шість кварків, кожний з яких взаємодіє з усіма іншими. Значна частина енергії витрачається на міцне "склеювання" тріо кварків, а невелика — на скріплення двох тріо кварків один з одним.

Та обставина, що з різних комбінацій трьох основних частинок можна одержати усі відомі адрони, стала тріумфом теорії кварків. У 1969 р. удалося одержати прямі фізИчні докази існування кварків у серії експериментів по розсіюванню на протонах електронів, розігнаних до високих енергій. Експеримент показав, що розсіювання електронів відбувалося так, ніби електрони налітали на крихітні тверді вкраплення і відбивалися від них під самими неймовірними кутами. Такими твердими вкрапленнями усередині протонів є кварки. Але в 70-і pp. були відкриті нові адрони (псі-частинки, іпсилон-мезон та ін.). Цим було завдано відчутний удар першому варіанту теорії кварків, оскільки в тому варіанті теорії вже не було місця для жодної нової частинки. Усі можливі комбінації з кварків та їхніх антикварків було вже вичерпано. Проблему вдалося вирішити шляхом уведення трьох нових ароматів. Вони одержали назву — charm (зачарований) чи с; b-кварк (від beauty — гарний); згодом було уведено ще один аромат — t (від truth - справжній).

Кварки скріплюються між собою сильною взаємодією. Переносять сильну взаємодію глюони (колірні заряди). Розділ фізики елементарних частинок, що вивчає взаємодію кварків і глюонів, зветься квантовою хромодинамікою. Як квантова електродинаміка є теорією електромагнітної взаємодії, так квантова хромодинаміка є теорією, сильної взаємодії.

У даний час більшість фізиків вважає кварки справді елементарними частинками — точковими, неподільними і такими, що не мають внутрішньої структури. У цьому відношенні вони нагадують лептони, і вже давно є гіпотеза, що між цими двома різними, але подібними за своєю структурою сімействами повинен існувати глибокий взаємозв'язок. Таким чином, найбільш ймовірне число насправді елементарних частинок (не враховуючи частинки, що переносять фундаментальні взаємодії) на кінець XX ст. дорівнює 48. Із них: лептонів (6x2) = 12 плюс кварків (6хЗ)х2 = 36.

Теорія електрослабкої взаємодії

У 70-і pp. XX ст. у природознавстві відбулася видатна подія: дві фундаментальні взаємодії з чотирьох фізики об'єднали в одну. Картина фундаментальних взаємодій дещо спростилася. Електромагнітна й слабка взаємодії, здавалося б, дуже різні за своєю природою, постали як різновид єдиної електрослабкої взаємодії. Теорію електрослабкої взаємодії в остаточній формі створили два фізики, які працювали незалежно один від одного, — С. Вайнберг і А. Салам. Теорія електрослабкої взаємодії вирішальним чином уплинула на подальший розвиток фізики елементарних частинок наприкінці XX ст.

Головна ідея, на основі якої побудовано цю теорію, полягає в описуванні слабкої взаємодії мовою концепції калібрувального поля, відповідно до якого ключем до розуміння природи взаємодій є симетрія. Одна з фундаментальних ідей у фізиці другої половини XX ст. — це переконаність, що всі взаємодії існують лише для того, щоб підтримувати в природі певий набір абстрактних симетрій. Яке відношення має симетрія до фундаментальних взаємодій? Адже, на перший погляд, твердження про існування подібного взаємозв'язку здається дуже парадоксальним.

Насамперед про те, що слід розуміти під симетрією. Прийнято вважати, що предмет симетричний, якщо він залишається незмінним після тієї чи іншої операції з його перетворення. Так, сфера симетрична, тому що виглядає однаково при повороті на будь-який кут щодо її центра. Закони електрики симетричні щодо заміни позитивних зарядів негативними і навпаки. Таким чином, під симетрією розуміють інваріантість системи щодо певної операції.

Існують різні типи симетрій: геометричні, дзеркальні, негебметричні. Серед неге^ ометричних є так звані калібрувальні симетрії. Калібрувальні симетрії мають абстрактний характер, органи чуття їх безпосередньо не фіксують. Вони пов'язані зі зміною відліку рівня, масштабу або значення якоїсь фізичної величини. Система має калібрувальну симетрію, якщо її природа залишається незмінною за