§ 82. Элементарные частицы. Фундаментальные взаимодействия

Определения и обозначения

Элементарная частица — микрочастица, которую в рамках современных представлений нельзя считать состоящей из более простых частиц. К основным группам относят лептоны, кварки и бозоны-переносчики. Такая классификация помогает различать частицы, образующие вещество, и частицы, связанные с взаимодействиями.

Античастица имеет ту же массу и спин, что соответствующая частица, но противоположные некоторые заряды. Например, электрону с отрицательным зарядом соответствует положительно заряженный позитрон, а протону — антипротон с противоположным электрическим зарядом. Понятие античастицы нужно для описания превращений частиц и процессов аннигиляции.

Фундаментальное взаимодействие — взаимодействие, которое не сводится к другим видам взаимодействия. Выделяют гравитационное, электромагнитное, сильное и слабое взаимодействия. Их различение позволяет объяснять явления от движения планет до распадов частиц.

Квант-переносчик взаимодействия — частица, обмен которой между объектами связывают с передачей взаимодействия. Электромагнитному взаимодействию соответствует фотон, сильному — глюоны, слабому — бозоны W и Z. Для гравитации предполагают существование гравитона, но экспериментально он не обнаружен.

Как это устроено

Лептоны и кварки называют частицами вещества, потому что из них построены известные материальные объекты. Бозоны-переносчики выделяют отдельно: они описывают передачу взаимодействия между частицами. Такое разделение отражает две стороны устройства материи — её состав и способ, которым её части связываются или влияют друг на друга.

Протоны и нейтроны не являются элементарными: каждый состоит из трёх кварков, удерживаемых сильным взаимодействием. Кварки не разлетаются поодиночке, потому что при попытке их разделить энергия связи приводит к рождению новых частиц. Электрон и нейтрино, напротив, относятся к лептонам и не имеют кваркового состава.

Античастицы существуют потому, что у микромира есть состояния, соответствующие частицам с противоположными некоторыми зарядами. При встрече частицы с античастицей их исходные состояния могут преобразоваться в фотоны или другие частицы. Это не исчезновение энергии: энергия покоя и энергия движения переходят в энергию новых продуктов, а законы сохранения продолжают выполняться. При достаточной энергии возможен и обратный процесс — рождение пары частица—античастица.

Четыре взаимодействия различаются источниками, относительной силой, дальностью и участниками. Гравитация действует на всё, что обладает энергией, электромагнитное — на заряженные частицы; сильное связано с кварками, слабое действует на кварки и лептоны. На ядерных расстояниях сильное взаимодействие наиболее интенсивно, а слабое имеет очень малый радиус действия. Гравитация и электромагнитное взаимодействие дальнодействующие, но гравитация между элементарными частицами чрезвычайно слаба.

Превращение частиц возможно не произвольно: начальное и конечное состояния должны удовлетворять законам сохранения. Суммарные энергия, импульс и электрический заряд до реакции равны соответствующим суммам после неё. В обычных процессах также сохраняются лептонный и барионный заряды: первый связан с лептонами, второй — с барионами, например протонами и нейтронами. Поэтому законы сохранения позволяют проверять реакцию и находить недостающие частицы.

Фундаментальные взаимодействия

Сравнивайте взаимодействия по участникам, переносчику и характерному радиусу действия. Относительная сила дана качественно: она зависит от условий, а указание «наибольшая» относится к сильному взаимодействию на ядерных расстояниях. Гравитон в таблице указан как гипотетическая частица, а не как экспериментально обнаруженный объект.

Чтобы определить взаимодействие в задаче, сначала выясните, какие частицы участвуют и что происходит. Затем сопоставьте процесс с примерами в последнем столбце и проверьте по переносчику или радиусу. Например, распад нейтрона указывает на слабое взаимодействие, а связь кварков — на сильное.

Разбор задач

Задача 1. Определите, какое взаимодействие отвечает за притяжение электрона к протону в атоме, превращение нейтрона в протон при бета-распаде и связь кварков внутри протона. Во всех трёх случаях нужно ориентироваться не на слово «притяжение», а на участников и тип процесса. Это позволяет не спутать электромагнитное взаимодействие с сильным.

1. Электрон и протон имеют электрические заряды противоположных знаков. Их притяжение в атоме обусловлено электромагнитным взаимодействием.
2. При бета-распаде меняется состав частицы, то есть происходит превращение элементарных частиц. Такие превращения вызывает слабое взаимодействие.
3. Кварки внутри протона удерживаются сильным взаимодействием. Ответ: электромагнитное, слабое, сильное взаимодействия соответственно.

Задача 2. Электрон и позитрон покоятся до аннигиляции; найдите суммарную энергию образовавшихся фотонов. Масса электрона и позитрона одинакова и равна mₑ. Поскольку начальная кинетическая энергия равна нулю, источником энергии фотонов служит энергия покоя обеих частиц.

1. Запишем энергию покоя электрона: Eₑ = mₑc². У позитрона такая же энергия покоя.
2. По закону сохранения энергии сумма энергий фотонов равна начальной энергии покоя: Eф = mₑc² + mₑc².
3. Следовательно, Eф = 2mₑc². Если образуются два фотона, их энергии в сумме равны этой величине; при покое исходной пары и сохранении импульса они могут иметь равные энергии и лететь в противоположных направлениях.

Задача 3. Дополните реакцию бета-распада нейтрона: n → p + e⁻ + ? — и проверьте сохранение электрического, лептонного и барионного зарядов. Неизвестную частицу следует искать по балансам зарядов, а не угадывать по названию распада. Рассмотрим заряды до и после реакции.

1. Электрический заряд нейтрона равен 0. Справа заряды протона (+1) и электрона (−1) уже дают 0, поэтому недостающая частица электрически нейтральна.
2. У электрона лептонный заряд +1, у нейтрона и протона он равен 0. Чтобы итоговый лептонный заряд тоже был нулевым, нужна частица с зарядом −1 — электронное антинейтрино ν̄ₑ.
3. Барионный заряд нейтрона и протона равен 1, а у электрона и антинейтрино — 0. Реакция n → p + e⁻ + ν̄ₑ сохраняет все три заряда; превращение происходит посредством слабого взаимодействия.

Типичные ошибки

Считать атом или протон элементарной частицей. Атом имеет ядро и электроны, а протон состоит из кварков, поэтому оба объекта составные. Ошибку часто вызывает то, что их размеры малы и в обычных условиях внутреннее устройство не видно. Проверка: спросите себя, известны ли составляющие объекта; для протона это кварки, для атома — ядро и электроны.

Говорить, что сильное взаимодействие действует только между любыми нуклонами. Фундаментально оно связывает кварки, а силы между протонами и нейтронами в ядре — проявление этого взаимодействия. Путаница возникает из-за того, что именно ядерная связь заметна на школьном уровне. Проверка: различайте перенос взаимодействия между кварками и его остаточное проявление между нуклонами.

Утверждать, что гравитон обнаружен экспериментально. Гравитон — предполагаемый квант гравитационного поля; прямых экспериментальных свидетельств его обнаружения нет. Его легко принять за фотон или бозоны W и Z, которые действительно зарегистрированы. Проверяйте статус частицы: для гравитона следует говорить «гипотетический».

Называть аннигиляцию исчезновением материи. Частица и античастица превращаются в другие частицы, а энергия, импульс и заряды сохраняются. Слово «аннигиляция» может создать впечатление, будто всё исчезает без следа. Проверка: укажите продукты реакции и сравните суммарные величины до и после неё.

Связь с другими темами

Для понимания темы нужны знания о строении атома и ядра, электрическом заряде, энергии и законах сохранения. Связь с квантовой физикой проявляется в представлении о квантах полей и фотонах, а также в корпускулярно-волновом дуализме. Далее эти идеи применяются при изучении радиоактивности, ядерных реакций, физики атомного ядра и работы современных ускорителей частиц.

Что запомнить

• К элементарным частицам относят лептоны, кварки и бозоны-переносчики взаимодействий.
• Протон и нейтрон состоят из кварков, а электрон и нейтрино относятся к лептонам.
• Каждой частице соответствует античастица с той же массой и противоположными некоторыми зарядами.
• Существуют четыре фундаментальных взаимодействия: гравитационное, электромагнитное, сильное и слабое.
• Взаимодействия передаются квантами соответствующих полей.
• Сильное взаимодействие удерживает кварки, слабое вызывает многие превращения частиц, включая бета-распад.
• Любая реакция элементарных частиц должна подчиняться законам сохранения.