по времени жизни частицы можно разбить
Конспект лекций по курсу «Концепции современного естествознания».
3.4. Современные представления об элементарных частицах. Структура микромира.
Структурность и системность наряду с пространством, временем, движением являются атрибутами, т. е. неотьемле-мыми свойствами, материи. Современное миропонимание предполагает упорядоченность и организованность мира, а проблема самоорганизации бытия является одной из самых важных в науке и философии. Бытие представляет собой сложноорганизованную иерархию систем, все элементы которой находятся в закономерной связи друг с другом, кажущаяся неоформленность изменений в каком-то одном отношении оказывается упорядоченностью в другом. Именно это обстоятельство выражается в понятии системности.
Существует несколько десятков определений понятия «система», однако классическим признано определение, данное основоположником теории систем Л. Берталанфи: система – это комплекс взаимодействующих элементов. Ключевым понятием в этом определении является понятие «элемент». Элемент понимается как неразложимый компонент системы при определенном, заданном способе ее рассмотрения. Если меняется угол зрения, то явления или события, которые рассматривались в качестве элемента системы, сами могут становиться системами. Например, элементами системы «газ» выступают молекулы газа. Однако сами молекулы в свою очередь могут рассматриваться в качестве систем, элементами которых являются атомы. Атом – тоже система, однако принципиально другого уровня, чем газ и, т. д. Элементами системы признаются только те предметы, явления или процессы, которые участвуют в формировании ее свойств. Комплекс элементов системы может складываться в подсистемы разного уровня, которые выполняют частные программы и представляют собой промежуточные звенья между элементами и системой.
По характеру связей между элементами все системы делятся на суммативные и целостные. В суммативных системах связь между элементами выражена слабо, они автономны по отношению друг к другу и системе в целом. Качество такого образования равно сумме качеств составляющих его элементов. Примерами суммативной системы являются груда камней, куча песка и т. п. Несмотря на высокую степень автономности элементов, образования, аналогичные груде камней, все же рассматриваются как системы, поскольку могут сохранять устойчивость длительное время и существовать в качестве самостоятельных совокупностей. Кроме того, существует предел количественных изменений таких систем, превышение которого приводит к изменению их качества. У суммативных систем есть собственная программа существования, которая выражается в структурности (о понятии структурности мы скажем ниже).
В целостных системах четко выражена зависимость их возникновения и функционирования от составляющих элементов, и наоборот. Каждый элемент такой системы в своем возникновении, развитии и функционировании зависит от всей целостности, и, в свою очередь, система зависит от каждого из своих элементов. Внутренние связи в целостно-стях стабильнее внешних, а качество системы не сводится к сумме составляющих ее элементов. Примером целостной системы являются живой организм или общество. Под действием определенных факторов суммативные системы могут преобразовываться в целостные, и наоборот.
Помимо типологии систем в зависимости от характера связи между элементами, системы различают по типу их взаимодействия с окружающей средой. В этом случае выделяют открытые и закрытые (замкнутые) системы. В закрытых системах не происходит обмена энергией и веществом с внешним миром. Такие системы стремятся к равновесному состоянию, максимальная степень которого – неупорядоченность и хаос. Открытые системы, напротив, обмениваются энергией и веществом с внешним миром. В таких системах при определенных условиях из хаоса могут самопроизвольно возникать новые упорядоченные структуры, а система в целом повышает уровень своей структурной организации (7.2).
Структурность выражается в упорядоченности существования материи и ее конкретных форм и предполагает внутреннюю расчлененность материи. Структура определяется как совокупность устойчивых, закономерных связей и отношений между элементами системы, обеспечивающих сохранение ее основных свойств. Современные представления о структурированности Вселенной касаются мега-, макро – и микромира: и Метагалактика, и известный нам макромир, и микрочастица структурированы. Переход от одной области действительности к другой связан с изменением числа факторов, обеспечивающих упорядоченность, и трансформацией самих структур. Единство организованности (упорядоченности) – системности – и внутренней расчлененности – структурности – определяет существование мира как системы систем: систем обьектов, систем свойств или отношений и т. п.
Элементами структуры микромира выступают микрочастицы. На данный момент известно более 350 элементарных частиц, различающихся массой, зарядом, спином, временем жизни и еще рядом физических характеристик.
Масса элементарной частицыг – это масса ее покоя, которая определяется по отношению к массе покоя электрона. Частицы с нулевой массой покоя движутся со скоростью света (фотон). По массе элементарные частицы делятся на тяжелые (барионы), промежуточные (мезоны) и легкие (лептоны).
Заряд элементарной частицыг всегда кратен заряду электрона (-1), который рассматривается в качестве единицы. Существуют, однако, элементарные частицы, которые не имеют заряда, например фотон.
Спин элементарной частицыг – это собственный момент импульса частицы. В зависимости от спина частицы делятся на две группы: с целым спином (0, 1, 2) – бозоны, с полуцелым спином (1/2 и др.) – фермионы.
Время жизни элементарной частицыг определяет ее стабильность или нестабильность. По времени жизни частицы делятся на стабильные, квазистабильные и нестабильные. Большинство элементарных частиц нестабильно. Нестабильные частицы живут несколько микросекунд, стабильные не распадаются длительное время. Нестабильные частицы распадаются в результате сильного и слабого взаимодействия. Стабильными частицами считаются фотон, нейтрино, нейтрон, протон и электрон. При этом нейтрон стабилен только в ядре, в свободном состоянии он также распадается. Сейчас высказываются предположения о возможной нестабильности протона (3.5). Квазистабильные частицы распадаются в результате электромагнитного и слабого взаимодействия, иначе их называют резонансныгми. Резонансные частицы были открыты в начале 60-х гг. ХХ в. Время жизни резонансов – порядка 10 –22 с.
Все многообразие элементарных частиц можно разделить на три группы: частицы, участвующие в сильном взаимодействии, – адроныг, частицы, не участвующие в сильном взаимодействии, – лептоныг, и частицыг – переносчики взаимодействий.
К лептонам относятся электроны, нейтрино, мюоны, mау-лептоныг, а также электронныге нейтрино, моюнныге нейтрино, mау-нейтрино. Заряженные лептоны участвуют в электромагнитном и слабом взаимодействии, нейтральные – только в слабом.
Частицы – переносчики взаимодействий непосредственно обеспечивают взаимодействия. К ним относятся фотоны – переносчики электромагнитного взаимодействия, глю-оны – переносчики сильного взаимодействия, бозоны – переносчики слабого взаимодействия. Высказывается предположение о существовании гравитонов – частиц, обеспечивающих гравитационное взаимодействие.
Все перечисленные частицы различаются по заряду, массе, спину, времени жизни и другим физическим характеристикам. Однако внутри одного типа элементарные частицы совершенно идентичны, лишены индивидуальности: все электроны тождественны друг другу, все фотоны тождественны друг другу и т. п.
В 1936 г. П. Дирак предположил, что каждой частице соответствует античастица, отличающаяся от нее только знаком заряда. В 1936 г. б^1л открыт позитрон – античастица электрона, в 1955 г. – антипротон, в 1956 г. – антинейтрон. Сейчас уже не вызывает сомнения, что каждая частица имеет своего «двойника» – античастицу, совершенно идентичную по всем физическим характеристикам, кроме заряда. В 70-80-е гг. ХХ в. в физике появилось множество теорий антивещества и антиматерии. Наиболее сложной формой антивещества, полученной в лабораторных условиях, являются антиядра трития, гелия. Эксперименты по получению антивещества были выполнены на серпуховском ускорителе в 1970 –1974 гг. В 1998 г. получены первые атомы антиводорода.
К середине 1960-х гг. число известных адронов превысило сотню. В связи с этим возникла гипотеза, согласно которой наблюдаемые частицы не отражают предельный уровень материи. В 1964 г. была создана теория строения адронов, или теория кварков. Ее авторы – физики М. Гелл-Манн и Д. Цвейг. Слово «кварк» позаимствовано М. Гелл-Маном из романа Дж. Джойса «Поминки по Финнегану», герою которого слышались слова о трех кварках. Слово «кварк» не имеет прямого смыслового значения. Кварки – это гипотетические материальные обьекты, их экспериментальное наблюдение пока невозможно, однако теоретические положения кварковой гипотезы оказались плодотворными, а теория в целом эвристичной. Кварковая теория позволила систематизировать известные частицы и предсказать существование новых.
Основные положения теории кварков заключаются в следующем. Адроны состоят из более мелких частиц – кварков. Кварки представляют собой истинно элементарные частицы и поэтому бесструктурны. Главная особенность кварков – дробный заряд. Кварки различаются спином, ароматом и цветом. Аромат кварка не имеет никакого отношения к аромату, понимаемому буквально (аромат цветов, духов и т. п.), это его особая физическая характеристика. Для того чтобы учесть все известные адроны, необходимо было предположить существование шести видов кварков, различающихся ароматом: u (uр – верхний), d (dоwn – нижний), s (strаngе – странный), с (сhаrm – очарование), b (bеаutу – прелесть) и t (tор – верхний). Существует устойчивое мнение, что кварков не должно быть больше.
Считается, что каждый кварк имеет один из трех возможных цветов, которые выбраны произвольно: красный, зеленый, синий. Понятно, что цвет кварка не имеет никакого отношения к обычному оптическому цвету в макромире, цвет кварка, как и аромат, – условное название для определенной физической характеристики. Гипотеза о существовании цвета у кварков впервые была высказана в 1965 г. независимо Н. Боголюбовым, Б. Струминским, А. Тавхелидзе и М. Ханом, Й. Намбу. Впоследствии она получила значительное число экспериментальных подтверждений.
Каждому кварку соответствует антикварк с противоположным цветом (антикрасный, антизеленый и антисиний). Кварки соединяются тройками, образуя барионы (нейтрон, протон), или парами, образуя мезоны. Антикварки, соединясь тройками, соответственно, образуют антибарионы. Мезон состоит из кварка и антикварка. Суммарный цвет объединившихся кварков или антикварков, независимо от того, объединены три кварка (барионы), три антикварка (антибарионы) или кварк и антикварк (мезоны), должен быть белым или бесцветным. Белый цвет дает сумма красного, зеленого, синего или красного – антикрасного, синего – антисинего и т. п. Таким образом, можно говорить о цветовой симметрии в микромире.
Кварки объединяются между собой благодаря сильному взаимодействию. Переносчиками сильного взаимодействия выступают глюоны, которые как бы «склеивают» кварки между собой. Глюоны также имеют цвета, но в отличие от кварков их цвета смешанные, например красный – антисиний и т. п., т. е. глюон состоит из цвета и антицвета. Испускание или поглощение глюона меняет цвет кварка, но сохраняет аромат. Известно восемь типов глюонов. Предполагается, что кварки участвуют также в электромагнитных и слабых взаимодействиях. В электромагнитном взаимодействии кварки не меняют свой цвет и аромат. В слабых взаимодействиях – меняют аромат, но сохраняют цвет.
Теория кварков позволяет предложить стройную и гармоничную модель строения атома. Согласно этой модели атом состоит из тяжелого ядра (протоны и нейтроны, связанные глюонными полями) и электронной оболочки. Протон состоит из двух t-кварков и одного d-кварка. Нейтрон состоит из одного t-кварка и двух d-кварков. Сейчас теория кварков продолжает развиваться и уточняться, поэтому ее нельзя считать окончательно сформированной.
Элементарные частицы: 5. Слабые распады
Дождитесь загрузки виджета хронологической шкалы.
Для просмотра необходимо включить JavaScript.
Времена жизни элементарных частиц
● — лептоны
███ — легкие адроны
● — легкие адроны и «странные» адроны (содержат s-кварк)
███ — «очарованные» и «прелестные» адроны
● — «очарованные» адроны (содержат c-кварк)
● — «прелестные» адроны (содержат b-кварк)
● — участники электрослабых взаимодействий
███ — методы измерения
Если сильные распады группировались в районе йоктосекунд, электромагнитные — в окрестностях аттосекунды, то слабые распады «отдуваются за всех» — они охватывают аж 27 порядков на шкале времен!
На краях этого невообразимо широкого диапазона находятся два «экстремальных» случая.
В промежутке между этими крайностями большинство слабых распадов тоже идут более-менее компактно. Их можно разбить на две группы, которые мы условно назовем: быстрые слабые распады и медленные слабые распады.
Быстрые — это распады длительностью около пикосекунды. Так вот удивительно сложились числа в нашем мире, что в узкий диапазон значений от 0,4 до 2 пс попадают времена жизни сразу нескольких десятков элементарных частиц. Это так называемые очарованные и прелестные адроны — частицы, которые в своем составе имеют тяжелый кварк.
Пикосекунды — это замечательно, это просто бесценно с точки зрения эксперимента на коллайдерах! Дело в том, что за 1 пс частица успеет пролететь треть миллиметра, а такие большие дистанции современный детектор измеряет легко. Благодаря этим частицам картина столкновения частиц на коллайдере становится «легко читаемой» — вот тут произошло столкновение и рождение большого числа адронов, а вон там, чуть поодаль, произошли вторичные распады. Время жизни становится напрямую измеримо, а значит, появляется возможность узнать, что это была за частица, и уже потом использовать эту информацию для более сложного анализа.
Медленные слабые распады — это распады, которые начинаются от сотни пикосекунд и простираются на весь наносекундный диапазон. Сюда попадает класс так называемых «странных частиц» — многочисленных адронов, содержащих в своем составе странный кварк. Несмотря на свое название, для современных экспериментов они совсем не странные, а наоборот, самые обыденные частицы. Они просто выглядели странными в 50-х годах прошлого века, когда физики неожиданно стали их открывать одну за другой и не совсем понимали их свойства. Кстати, именно изобилие странных адронов и подтолкнуло физиков полвека назад к идее кварков.
С точки зрения современного эксперимента с элементарными частицами наносекунды — это очень много. Это так много, что вылетевшая из ускорителя частица просто не успевает распасться, а пронзает детектор, оставляя в нём свой след. Конечно, она потом застрянет где-то в веществе детектора или в горных породах вокруг него и там распадется. Но физиков этот распад уже не заботит, их интересует только тот след, который эта частица оставила внутри детектора. Так что для современных экспериментов такие частицы выглядят почти как стабильные; их поэтому называют «промежуточным» термином — метастабильные частицы.
Ну а самой долгоживущей частицей, не считая нейтрона, является мюон — этакий «собрат» электрона. Он не участвует в сильном взаимодействии, он не распадается за счет электромагнитных сил, поэтому ему остаются только слабые взаимодействия. А поскольку он довольно легкий, он живет 2 микросекунды — целая эпоха по масштабам элементарных частиц.
Как устроен процесс распада элементарных частиц?
К составляющим материи относятся кварки и лептоны.Кварки участвуют в сильных взаимодействиях и образуют адроны. К адронам относятся протоны и нейтроны, из них строятся ядра атомов. Существует три поколения кварков, разные по массе. Самый легкий кварк первого поколения (u-кварк) стабилен, остальные быстро распадаются.
W- и Z-бозоны переносят слабое взаимодействие. Оно ответственно за распад элементарных частиц и бета-распад атомных ядер. Например, нейтрон, испуская W-бозон, переходит в протон, а сам W-бозон распадается на пару лептонов.
Фотоны переносят электромагнитное взаимодействие. В этом взаимодействии участвуют все кварки и заряженные лептоны. Солнечный свет, люминесценция и лазерная указка существуют благодаря испусканию фотонов.
Распады частиц подчиняются конкретным правилам. Если существуют новые частицы, их можно обнаружить по отклонениям распада и времени жизни или отклонениям ширины от известных предсказаний теории. Поиски новой физики в последние годы были основаны на измерении ширины распадов или вероятности распадов частиц, потому что распады могут быть разными.
Тяжелый барион распадается десятками различных способов, на разные продукты распада. Если масса частицы велика, то она может распадаться по разным каналам. Вероятность каждого канала рассчитывается теоретически, после чего пробуют измерить вероятность разных каналов распада и сравнить эксперимент с теорией. Поиски новой физики ведут на основе измерений с высокой точностью вероятности распадов и сравнивают с теоретическими расчетами.
Раньше ученые считали, что удастся найти новую физику таким способом. Например, поиски суперсимметрии основывались на точном измерении распадов B-мезонов. Выяснили, что в суперсимметричных сценариях распады имеют более высокую вероятность, чем в Стандартной модели. Если полную вероятность всех каналов распадов взять за 100%, то есть каналы, которые имеют вероятность доли процента, одну миллионную процента. Такие каналы чувствительны к физике, которая есть на малых расстояниях. Таким методом пытались обнаружить новую физику, но этого не случилось. Природа тонко подстроена, поэтому Стандартная модель, которую удалось построить, правильно ухватывает все свойства. До сих пор все редкие распады в точности укладываются в рамки Стандартной модели.
После открытия хиггсовского бозона сразу стали сопоставлять изначальные предсказания с новой частицей. Изучили ее распад. Моды распада хиггсовского бозона стали указанием на то, какую частицу открыли. Бозон Хиггса рождался на Большом адронном коллайдере, где рождается очень много частиц, поэтому во всем конгломерате частиц нужно было рассмотреть маленький пичок, который соответствовал рождению хиггсовского бозона и быстро распадается по разным каналам. Первые указания на существование бозона Хиггса нашли в распаде 2 гамма-кванта, поэтому это называют «распад Хиггс 2 гамма». Вероятность этого распада мала, но он оказался чист с точки зрения эксперимента, поэтому в этом канале распада обнаружили хиггсовский бозон. Затем искали другие каналы распада хиггсовского бозона в кварки, лептоны, W-бозоны, Z-бозоны. Эти распады идут с малой вероятностью, но все они подтвердились экспериментально. После этого стали говорить, что нашли частицу, которую искали, потому что все ее распады в точности укладываются в предсказания и созданную для нее схему.
Распады частиц являются универсальной вещью для тяжелых частиц, и по особенностям этих распадов и относительным вероятностям каналов мы восстанавливаем свойства моделей и проверяем точность описаний. На распаде бозона Хиггса видно, как моды распадов в совокупности позволяют зафиксировать частицу, которую открыли. Фиксируется реальное существование бозона Хиггса, который осуществляет спонтанное нарушение симметрии, придает массу всем фундаментальным частицам и взаимодействует согласно предсказуемой теории. Идея о том, что частицы живут фиксированное время, относится ко всем тяжелым частицам, потому что тяжелая частица распадается в легкую, а самой легкой частице уже распадаться некуда. Поэтому считается, что электрон не распадается. Ему некуда распадаться. U-кварки тоже никуда не распадаются, потому что это самый легкий кварк. ъ
Элементарные частицы: 6. Повышенная жизнеспособность на околосветовых скоростях
Атмосферные мюоны долетают до Земли благодаря тому, что время их жизни увеличивается при околосветовых скоростях. Изображение с сайта proj-cngs.web.cern.ch
Метастабильные частицы большой энергии способны пролетать макроскопические расстояния — многие метры и даже километры. Особенно сильно им в этом помогает одно из главных явлений в теории относительности — замедление времени при приближении к скорости света. Какой-то процесс (например, тиканье «внутренних часов») может происходить быстро, но если он происходит внутри объекта, который проносится мимо нас с околосветовой скоростью, то по нашим часам этот процесс резко замедляется.
Хоть это и не было сказано явно, но все времена жизни частиц, которые мы перечисляли раньше, относятся к неподвижным или медленно движущимся частицам. Для частиц высокой энергии это время жизни может возрастать на порядки. Например, высоко в атмосфере Земли в столкновениях космических лучей с молекулами атмосферных газов в больших количествах рождаются мюоны. Сам по себе мюон живет 2 микросекунды. Если он летит со скоростью 1/10 скорости света, он успеет пролететь всего лишь 60 метров и не достигнет Земли. Однако когда энергия мюона очень велика, например, в 100 раз больше его энергии покоя, его кажущееся время жизни возрастает в сто раз. Тогда он без проблем пролетает десятки километров до распада, а значит, может достигнуть поверхности Земли.
Среднее время жизни и дистанция, которую пролетает мюон до распада, в зависимости от его скорости. Изображение с сайта hyperphysics.phy-astr.gsu.edu
Замедление времени частиц при околосветовых скоростях — это не просто забавная игрушка, а физическое явление, которое физики могут использовать себе во благо. Например, есть ускорители, в которых по круговой орбите летают не электроны или протоны, а всё те же мюоны. По человеческим масштабам 2 микросекунды — это ничто, но благодаря современной технике физики умудряются за это время создать мюоны, подхватить их электрическим полем и ускорить до больших энергий. Это резко удлиняет их время жизни внутри ускорителя и позволяет провести множество точных измерений.
Пожалуй, самый экстремальный пример замедления времени при околосветовом движении разобран в нашей задаче Время жизни фотона. Если вы хотите проверить, насколько уверенно вы ориентируетесь в этом вопросе, попробуйте решить эту задачу!
Решебник по физике за 11 класс Мякишев: вопросы к параграфам 59-125
Вопрос 115.
1. В чем различие трех этапов развития физики элементарных частиц?
2. Электрон — самая легкая из заряженных частиц, какой из известных вам законов сохранения запрещает превращение электрона в фотоны или нейтрино?
3. Перечислите все стабильные элементарные частицы.
4. Какова частота У-квантов, возникающих при аннигиляции медленно движущихся электронная и позитрона?
5. Можно ли в пузырьковой камере наблюдать трек заряженной частицы с временем жизни
1. На первом этапе, выясняя, из чего состоит материя, было определено, что она состоит из атомов. Затем оказалось, что атом имеет сложное строение. Найденные частицы, из которых состоит атом, электрон, протон и нейтрон, считались неделимыми — кирпичиками мироздания. На втором этапе выяснилось, что неизменных частиц не существует, основное свойство элементарных частиц — взаимопревращаемость.
На третьем этапе была создана теория кварков. Число кварков равно шести. Экспериментально кварки не обнаружены. На первых двух этапах основную роль играл эксперимент. На третьем этапе была предложена модель структуры элементарных частиц.
2. Фотон и нейтрино не имеют заряда, поэтому данное превращение запрещено законом сохранения заряда в замкнутой системе.
3. Стабильными частицами являются электрон, протон, фотон, и нейтрино.
4. Частоту У-кванта можно найти из закона сохранения энергии: сумма энергий покоя электрона и позитрона равна энергии У-кванта.
5. Частицы, время жизни которых порядка
с,
называются резонансами. Время их жизни настолько мало, что они не успевают пройти достаточное расстояние, чтобы их обнаружить до того, как они распадутся. Однако удается зафиксировать продукты их распада.
6. Кварки истинно элементарные частицы, участвующие в сильном взаимодействии. Кварки имеют заряд, равный 1/3 и 2/3 заряда электрона. В настоящее время фундаментальными частицами, из которых состоит материя, считаются кварки и лептоны.
Шаблоны Инстаграм БЕСПЛАТНО
Хотите получить БЕСПЛАТНЫЙ набор шаблонов для красивого Инстаграма?
Напишите моему чат-помощнику в Telegram ниже 👇
Вы получите: 🎭 Бесплатные шаблоны «Bezh», «Akvarel», «Gold»
или пишите «Хочу бесплатные шаблоны» в директ Инстаграм @shablonoved.ru
Шаблоны Инстаграм БЕСПЛАТНО
Хотите получить БЕСПЛАТНЫЙ набор шаблонов для красивого Инстаграма?
Напишите моему чат-помощнику в Telegram ниже 👇
Вы получите: 🎭 Бесплатные шаблоны «Bezh», «Akvarel», «Gold»