§ 22. Элементарные частицы и фундаментальные взаимодействия

Определения и обозначения

Элементарная частица — частица, которую в рамках современной физики не считают состоящей из более мелких частиц. Это не означает, что такое представление останется неизменным: с развитием науки новые объекты могут оказаться составными. Понятие помогает описывать материю на самом глубоком из известных сейчас уровней.

Античастица — частица с той же массой, что и соответствующая частица, но с противоположными значениями некоторых характеристик. Например, позитрон имеет массу электрона и противоположный ему электрический заряд. Это понятие позволяет описывать процессы рождения и превращения пар частиц и античастиц.

Кварк — фундаментальная частица, из комбинаций которой состоят адроны, например протоны и нейтроны. Электрический заряд кварка является дробным по сравнению с зарядом электрона. Отдельные кварки не наблюдаются, поэтому понятие кварка используют для объяснения состава и свойств адронов.

Фундаментальное взаимодействие — один из основных способов взаимодействия частиц. В современной физике выделяют гравитационное, электромагнитное, сильное и слабое взаимодействия. Их различия помогают понять, почему одни частицы притягиваются или отталкиваются, а другие могут превращаться друг в друга.

Как это устроено

Разделение фундаментальных частиц на лептоны и кварки нужно, чтобы не смешивать частицы, которые существуют сами по себе на известном уровне, и частицы, образующие адроны. Электрон и нейтрино относятся к лептонам, а кварки входят в состав адронов. Группировка также показывает, что набор доступных взаимодействий зависит от типа частицы. Поэтому по группе частицы можно начать определять, в каких процессах она участвует.

Протоны и нейтроны — адроны, составленные из кварков. Кварки удерживаются внутри адрона сильным взаимодействием: без него составная частица распалась бы на отдельные части. Сильное взаимодействие проявляется и между протонами и нейтронами в ядре, хотя там речь идёт об остаточном действии взаимодействия между кварками. Это помогает объяснить, почему нуклоны могут удерживаться в атомном ядре.

Четыре фундаментальных взаимодействия отличаются тем, на какие частицы действуют и какие процессы вызывают. Электромагнитное связано с электрическим зарядом: благодаря ему заряженные частицы притягиваются или отталкиваются. Сильное связывает кварки внутри адронов, а его остаточное действие участвует в связывании нуклонов; слабое вызывает некоторые превращения частиц, например распад нейтрона. Гравитационное действует на все тела, обладающие энергией, но для отдельных частиц обычно слабее остальных взаимодействий.

Взаимодействия можно описывать как обмен частицами-переносчиками, то есть частицами, передающими энергию и импульс между участниками процесса. Для электромагнитного взаимодействия таким переносчиком служит фотон, а для сильного — глюон. Эта модель помогает представить, как частицы влияют друг на друга, хотя в некоторых случаях обмен нельзя понимать как передачу обычного предмета. Она связывает описание взаимодействия с наблюдаемыми изменениями состояния частиц.

При распаде, столкновении или рождении частиц должны выполняться законы сохранения. В частности, суммарные энергия, импульс и электрический заряд до процесса и после него остаются одинаковыми. Поэтому, если предполагаемый результат превращения меняет суммарный заряд, такой процесс невозможен в указанном виде. Законы сохранения позволяют проверять описание реакции, даже если сам процесс нельзя увидеть непосредственно.

Группы элементарных частиц и фундаментальные взаимодействия

Сначала найдите в таблице группу частицы, затем сравните, какие взаимодействия для неё указаны. Строки адронов и кварков показывают различие между составными частицами и их составляющими. При описании взаимодействий обращайте внимание не только на переносчик, но и на эффект.

Разбор задач

1. Электрон, протон и нейтрино

Задача. Определите, к какой группе относятся электрон, протон и нейтрино: лептоны, кварки или составные частицы. Нужно различить фундаментальные частицы и адроны, состоящие из кварков.

1. Сначала проверим, является ли частица адроном. Протон — адрон, поэтому он составной и состоит из кварков. Это исключает его из групп лептонов и кварков.

2. Электрон и нейтрино относят к лептонам. Они не являются адронами и не состоят из кварков. Следовательно, для них подходит группа лептонов.

Ответ: электрон и нейтрино — лептоны, протон — составная частица, адрон. Кварки входят в состав протона, но сам протон кварком не является.

2. Превращение частицы и античастицы в фотоны

Задача. Частица и соответствующая античастица превращаются в фотоны. Укажите, какие законы сохранения нужно проверить и что происходит с массой покоя. Рассматриваем процесс как аннигиляцию — превращение пары в другие частицы.

1. Сравним суммарные величины до процесса и после него. Нужно проверить сохранение энергии и импульса, а также электрического заряда. Заряды частицы и античастицы противоположны, поэтому их сумма равна нулю, как и суммарный заряд фотонов.

2. Масса покоя исходной пары не остаётся массой фотонов: у фотона нет массы покоя. Энергия покоя переходит в энергию излучения, а полная энергия сохраняется. Число и направление фотонов должны также позволять сохранить импульс.

Ответ: проверяют сохранение энергии, импульса и электрического заряда. Масса покоя пары превращается в энергию фотонов, а не исчезает бесследно.

3. Распад нейтрона

Задача. Нейтрон распадается на протон, электрон и антинейтрино. Определите взаимодействие, вызывающее превращение, и проверьте сохранение электрического заряда. Рассматривается свободный нейтрон и указанные продукты распада.

1. Нейтрон превращается в другие частицы, поэтому нужно определить взаимодействие, отвечающее за превращения. Такой распад вызывает слабое взаимодействие. Сильное взаимодействие связывает кварки в адронах, но не объясняет этот процесс превращения.

2. Проверим заряд: у нейтрона он равен 0. У протона заряд +e, у электрона −e, а у антинейтрино заряд 0. Сумма зарядов продуктов равна +e − e + 0 = 0, значит, электрический заряд сохраняется.

Ответ: распад вызывает слабое взаимодействие; электрический заряд сохраняется, поскольку суммарный заряд продуктов равен нулю, как и заряд нейтрона.

Типичные ошибки

Называть протон элементарной частицей — ошибка: протон является адроном и состоит из кварков. Так могут думать, потому что протон рассматривают как частицу, входящую в состав ядра. Проверьте себя вопросом: состоит ли объект из других частиц в современной модели? Для протона ответ — да.

Считать, что античастица отличается только знаком заряда, неверно: у нейтральных частиц тоже бывают античастицы, а различия могут касаться других характеристик. Ошибка возникает из-за привычного примера электрона и позитрона. Чтобы проверить себя, не отождествляйте античастицу с просто противоположно заряженной частицей.

Полагать, что сильное взаимодействие действует только между протонами и нейтронами, — значит пропустить его основную роль. Оно удерживает кварки внутри адронов, а между нуклонами проявляется как остаточное взаимодействие. Проверьте описание: если речь о составе протона или нейтрона, нужно учитывать кварки и сильное взаимодействие.

Слабое взаимодействие не следует путать с сильным или считать несущественным из-за названия. Оно отвечает за некоторые превращения частиц, в том числе за распад нейтрона. Если частица превращается в другие частицы, проверьте, не связано ли это со слабым взаимодействием.

Связь с другими темами

Для изучения частиц нужны понятия атома, атомного ядра, протона, нейтрона, электрона, электрического заряда и законов сохранения. Они помогают описывать состав вещества и проверять допустимость превращений. Тема элементарных частиц объясняет радиоактивные превращения, реакции в ядре и процессы в ускорителях частиц. Эти представления служат основой для дальнейшего знакомства с современной физикой и строением материи.

Что запомнить

• Элементарные частицы в современной физике делят, в частности, на лептоны и кварки.
• Протон и нейтрон — адроны, состоящие из кварков.
• У каждой частицы есть соответствующая античастица.
• Известны четыре фундаментальных взаимодействия: гравитационное, электромагнитное, сильное и слабое.
• Взаимодействия связывают с обменом частицами-переносчиками.
• В процессах с частицами должны выполняться законы сохранения.