1.Елементарні частинки

Здавна вчені намагалися знайти найменші «цеглинки» матерії, які б допомогли зрозуміти ієрархічну структуру будови речовини. Спочатку, у давніх греків, це були атоми як неподільні частинки, з яких складаються, всі тіла (Демокрит, Епікур). На початку XIX ст. це поняття було конкретизоване в дослідженнях хіміків і набуло значення найдрібнішої частинки речовини, що визначає її хімічні властивості (Я. Берцеліус, Дж. Дальтон, А. Авогадро).

Наприкінці XIX ст., після відкриття електрона (Дж. Томсон) і ґрунтовного дослідження явища радіоактивності (А. Беккерель, Мер і Марія Кюрі), вчені засумнівалися в елементарності атома і припустили, що він має складну будову. На початку XX ст. Е.Резерфорд підтвердив це експериментально і запропонував ядерну модель атома, згідно з якою ядро — теж складне утворен¬ня. У 1919 р. він відкрив нуклон, що має позитивний заряд, незваний протоном. Інша частинка — нейтрон, нки іходить до окладу ядр;і і не маг електричного заряду, була відкрита у 1932 р. Дж. Чедвіком.

Для пояснення обмінного характеру сильної взаємодії нуклонів у ядрі X. Юкава у 1935 р. висловив гіпотезу про існування пі-мезонів, які були виявлені в космічних променях у 1947 р. (С. Пауел). Раніше, у 1932 р. у складі космічних променів була виявлена перша античастинка — позитрон (К. Андерсон). Загалом дослідження космічних променів у 40—50-х роках XX ст., які виявили багато нових мікрочастинок, змусили вчених інакше поглянути на проблему їх елементарності. За сучасними уявленнями це не просто первинні неподільні частинки, що входять до складу матеріального світу, а специфічні об'єкти, яким, окрім іншого, властивий особливий вид фундаментальної взаємодії — так звана слабка взаємодія. За інтенсивністю слабка взаємодія в багато разів менша за сильну і навіть електромагнітну взаємодії (приблизно в 10¹⁴ разів). Проте вона значно більша за гравітаційну взаємодію, оскільки маси елементарних частинок надто малі і радіус їхньої взаємодії становить лише 10^-18 м.

Усі елементарні частинки характеризуються малими розмірами (у більшості з них порядку 10^-15 м) і незначними масами. Це зумовлює квантову специфіку їхньої поведінки — вони підлягають квантовим закономірностям і властивостям утворюватися (випромінюватися) або зникати (поглинатися) внаслідок взаємодії.

Нині відомо понад 350 елементарних частинок і відкриття їх триває.

Загальними характеристиками елементарних частинок є їхня маса m, електричний заряд q, спін s і час життя . Окремі з них характеризуються також особливими величинами — лептонним зарядом, баріонним зарядом тощо. Як правило, всі вони визначаються у відносних одиницях, кратних певним значенням, наприклад, масі чи електричному заряду електрона, сталій Планка тощо.

Масу елементарних частинок виражають числом, кратним масі електрона; електричний заряд — в одиницях, кратних заряду електрона е; спін — кратний значенню сталої Планка h.

Отже, кожна елементарна частинка має набір дискретних квантових чисел, що визначають її специфічні властивості, за якими їх можна класифікувати (табл. 8.1).

Залежно від властивого їм типу взаємодій усі елементарні частинки, крім фотона, поділяються на дві основні групи: адрони, які беруть участь в усіх типах взаємодій — гравітаційній, електромагнітній, сильній і слабкій, та лептони, яким не властива сильна взаємодія.

За часом життя елементарні частинки поділяють на стабільні (фотон, електрон, протон, нейтрино, відносно стабільний нейтрон), квазістабільні ( > 10^-20 с), які розпадаються внаслідок електромагнітної чи слабкої взаємодії, і нестабільні ( < 10^-22 с), які розпадаються внаслідок сильної взаємодії.

У фізиці існують й інші класифікації елементарних частинок. Зокрема, їх можна поділити на частинки й античастинки (електрон— позитрон, нейтрино—антинейтрино); за значенням спінового квантового числа, яке може бути цілим або напівцілим, адрони поділяють на бозони і баріони. Бозони з нульовим спіном називають мезонами. Цю класифікацію можна продовжити на основі значень різних квантових чисел.

Назви кварків походять від анг лійських слів: up — угору, down - униз, strange — дивний, charm - зачарування, beauty — привабли вість, краса, truth — істина.

Дослідження елементарних частинок високих енергій (~ 10 ГеВ) за допомогою прискорювачів показало, що лептони не мають якоїсь структури, тобто справді є елементарними частинками. Водночас адрони виявили властивості, яківказують на те, що вони мають певну структуру і складаються з кількох «елементарніших» частинок. У 1964 р. американські вчені М. Гелл-Манн і Дж. Цвейг незалежно один від одного запропонували кваркову модель адронів. Вони вважали, що всі адрони можна будувати, комбінуючи три кварки (для баріонів) або кварк та антикварк (для мезонів). Цим трьом кваркам були присвоєні імена: u, d, s.

Згодом з'ясувалося, що побудувати все розманіття елементарних частинок за допомогою трьох кварків не вдається, тому їх набір доповнили ще трьома c, b, t. Сукупність із шести кварків та їхніх анти-кварків дає змогу розкрити складну структуру всіх відомих на сьогодні адронів.

Отже, дослідження елементарних частинок і пояснення механізмів їх перетворення за допомогою слабкої взаємодії створило цілісне уявлення сучасної фізичної картини світу на основі чотирьох фундаментальних взаємодій. Водночас теоретичні пошуки їх об'єднання в єдину фізичну теорію (так зване «велике об'єднання»), спроможну дати цілісне трактування законів фізичного світу, поки не мали успіху, хоча окремі здобутки в цьому вже є. Так, в останні роки створена єдина теорія електромагнітної і слабкої (електрослабкої) взаємодії. Квантовий опис гравітаційної взаємодії на основі гіпотетичних частинок — гравітонів наближає вчених до цілісного розуміння картини світу як єдиної фізичної суті природи.

ЗАПИТАННЯ

1. Як у фізиці розвивалися уявлення про ієрархічну структуру речовини в пошуку її елементарних найдрібніших частинок?

2. Який тип фундаментальних взаємодій характерний для елементарних частинок? Дайте його коротку характеристику.

3. Набір яких величин визначає властивості елементарних частинок?

4. На які дві основні групи поділяють елементарні частинки? Які ще класифікації елементарних частинок можуть бути?

5. У чому полягає суть кваркової моделі елементарних частинок?