3. Фундаментальные частицы и фундаментальные взаимодействия

Определения и обозначения

Фундаментальная частица — частица, для которой в современной физике не обнаружена внутренняя структура. К основным частицам материи такого типа относят кварки и лептоны. Это понятие нужно, чтобы отличать частицы, считающиеся элементарными, от составных объектов вроде протона.

Кварк — фундаментальная частица, из кварков состоят адроны. Известны шесть ароматов, то есть разновидностей, кварков: u, d, c, s, t и b. Кварки имеют дробный электрический заряд: u, c, t — +⅔e, а d, s, b — −⅓e, где e — элементарный заряд.

Лептон — фундаментальная частица, не участвующая в сильном взаимодействии. К лептонам относятся электрон, мюон, тау-лептон и три соответствующих им нейтрино: электронное, мюонное и тау-нейтрино. Деление на кварки и лептоны помогает понять, какие частицы могут входить в состав адронов.

Фундаментальное взаимодействие — взаимодействие, описывающее влияние частиц друг на друга. Выделяют сильное, электромагнитное, слабое и гравитационное взаимодействия. Их различают по действующим частицам, силе, дальности и переносчикам — частицам, с помощью которых взаимодействие описывается.

Как это устроено

Кварки не наблюдаются в свободном состоянии при обычных условиях, потому что сильное взаимодействие удерживает их вместе. Связанные кварки образуют адроны; к ним относятся барионы и мезоны. Барион состоит из трёх кварков, а мезон — из кварка и антикварка, поэтому разнообразие адронов возникает из разных сочетаний составляющих частиц.

Протон состоит из двух u-кварков и одного d-кварка, то есть имеет состав uud. Их заряды складываются: +⅔e + ⅔e − ⅓e = +e. Нейтрон имеет состав udd, и сумма зарядов +⅔e − ⅓e − ⅓e равна нулю; так дробные заряды кварков дают целочисленные заряды привычных нуклонов.

Взаимодействия различаются тем, на какие частицы они действуют и насколько далеко распространяются. Сильное связывает кварки и действует на очень малых расстояниях, порядка 10⁻¹⁵ м; слабое также короткодействующее, порядка 10⁻¹⁸ м. Электромагнитное действует на электрически заряженные частицы, а гравитационное — на частицы и тела, обладающие энергией; оба взаимодействия имеют неограниченную дальность, хотя гравитация для частиц чрезвычайно слаба.

В квантовом описании взаимодействия связывают с обменом частицами-переносчиками. Электромагнитное взаимодействие переносят фотоны, сильное — глюоны, а слабое — бозоны W и Z. Гравитон рассматривают как возможный переносчик гравитации, но его существование экспериментально не подтверждено.

Слабое взаимодействие может менять тип частицы, поэтому оно лежит в основе некоторых радиоактивных превращений. Например, при бета-распаде нейтрон превращается в протон, электрон и электронное антинейтрино. Сильное взаимодействие удерживает кварки внутри адронов, а его остаточное проявление связывает протоны и нейтроны в атомном ядре.

Фундаментальные взаимодействия

Числа относительной силы приблизительны: их приводят для сравнения взаимодействий на выбранном масштабе, а не как универсальные постоянные. Сначала смотрите, какие частицы участвуют в явлении, затем сравнивайте дальность и переносчик. Для гравитации переносчик не установлен экспериментально, поэтому в таблице указано отсутствие обнаруженного переносчика.

Разбор задач

Задача 1. Определить, какие из частиц — кварки, лептоны или адроны: электрон, протон, нейтрино, нейтрон. Начнём с частиц, состав которых уже известен: протон и нейтрон состоят из кварков. Электрон и нейтрино не входят в состав адронов и относятся к семейству лептонов.

1. Протон — адрон; точнее, барион, состоящий из трёх кварков.
2. Нейтрон — тоже адрон и барион из трёх кварков.
3. Электрон и нейтрино — лептоны; ни один из четырёх примеров не является отдельным кварком.

Ответ: протон и нейтрон — адроны, электрон и нейтрино — лептоны. Состав частицы важнее её названия: наличие кварков означает, что перед нами составной адрон.

Задача 2. Записать кварковый состав протона и нейтрона и вычислить их электрические заряды. Используем заряды u-кварка +⅔e и d-кварка −⅓e. Чтобы не ошибиться, сначала записываем состав, а затем отдельно складываем заряды всех трёх кварков.

1. Для протона записываем uud: два u-кварка и один d-кварк.
2. Складываем заряды: +⅔e + ⅔e − ⅓e = +e.
3. Для нейтрона записываем udd и получаем +⅔e − ⅓e − ⅓e = 0.

Ответ: протон — uud с зарядом +e, нейтрон — udd с зарядом 0. Проверка показывает, что результаты совпадают с зарядами этих частиц.

Задача 3. При бета-распаде нейтрон превращается в протон, электрон и электронное антинейтрино. Нужно определить взаимодействие, вызывающее распад, и проверить сохранение электрического заряда. Превращение одного типа частицы в другие указывает на слабое взаимодействие.

1. Записываем реакцию: n → p + e⁻ + ν̄ₑ.
2. До распада заряд нейтрона равен 0.
3. После распада сумма зарядов равна +e − e + 0 = 0.

Ответ: распад вызывает слабое взаимодействие, электрический заряд сохраняется. Антинейтрино нейтрально, поэтому в балансе зарядов учитываются только протон и электрон.

Типичные ошибки

Протон иногда считают фундаментальной частицей, потому что он является частицей атомного ядра и обычно не распадается в обычных условиях. Но он составлен из трёх кварков, поэтому относится к адронам. Проверяйте себя вопросом: есть ли у частицы известные составляющие? Если да, она не фундаментальна.

Кварки и лептоны могут казаться похожими, поскольку оба типа входят в число фундаментальных частиц. Ошибка — приписывать лептонам участие в сильном взаимодействии: оно действует на кварки, а лептоны в него не вступают. Чтобы проверить классификацию, выясните, может ли частица входить в состав адрона: кварки могут, лептоны — нет.

Фраза о сильном взаимодействии между протонами и нейтронами не означает, что именно нуклоны являются его фундаментальными участниками. На глубинном уровне оно действует между кварками, а притяжение нуклонов в ядре — остаточное проявление этого взаимодействия. Не смешивайте механизм связывания кварков с ядерной силой между целыми нуклонами.

Гравитон часто называют переносчиком гравитации, опираясь на теоретические модели. Однако экспериментально эту частицу не обнаружили, поэтому нельзя говорить о ней как об установленном факте. Проверка простая: отличайте предсказание теории от подтверждённого наблюдения и указывайте, что переносчик пока неизвестен.

Связь с другими темами

Для понимания темы нужно знать, как устроено атомное ядро, что такое электрический заряд и как используют понятие элементарной частицы. Состав протона и нейтрона связывает сведения о ядре с представлением о кварках. А сложение зарядов помогает проверять возможные превращения частиц.

Эти идеи понадобятся при изучении радиоактивности и ядерных реакций: свойства взаимодействий объясняют, почему частицы распадаются или остаются связанными. В физике элементарных частиц те же понятия помогают описывать состав адронов и превращения микрочастиц. Поэтому тема служит переходом от строения ядра к современной картине микромира.

Что запомнить

• К фундаментальным частицам материи относятся кварки и лептоны.
• Кварки объединяются в адроны; протон и нейтрон состоят из трёх кварков.
• Электрон и нейтрино относятся к лептонам.
• Известны четыре фундаментальных взаимодействия: сильное, электромагнитное, слабое и гравитационное.
• У взаимодействий есть характерные частицы-переносчики; переносчик гравитации экспериментально не обнаружен.
• Слабое взаимодействие может приводить к превращению одних частиц в другие.