Физика высоких энергий

Определения и обозначения

Элементарная частица — частица, которую в рамках современных представлений нельзя описать как состоящую из более простых частиц. Это не обещание, что её никогда не удастся разделить: понятие отражает уровень знаний и результатов экспериментов. Оно помогает отличать фундаментальные объекты от составных.

Античастица — частица, имеющая ту же массу, что соответствующая частица, но противоположные значения некоторых характеристик, например электрического заряда. При этом могут различаться и другие квантовые характеристики. Понятие нужно, чтобы описывать пары частиц и процессы их превращения.

Кварк — фундаментальная частица, из кварков и антикварков образуются адроны. Электрический заряд кварка дробный: он равен +⅔ или −⅓ элементарного заряда. Кварковая модель позволяет объяснить состав протонов, нейтронов и других адронов.

Лептон — фундаментальная частица, не участвующая в сильном взаимодействии. К лептонам относятся электрон и нейтрино; у них разные свойства и способы взаимодействия с веществом. Это понятие помогает отделить их от частиц, построенных из кварков.

Адрон — частица, участвующая в сильном взаимодействии и состоящая из кварков. Барионы содержат три кварка, а мезоны — кварк и антикварк. Такое деление объясняет, почему протон и нейтрон относятся к одной группе, хотя имеют разный состав.

Как это устроено

Чтобы узнать, как устроено вещество на очень малых масштабах, нужно исследовать частицы с длиной волны, сопоставимой с этими масштабами: чем она короче, тем выше необходимая энергия. Поэтому в экспериментах частицы разгоняют и сталкивают. При столкновении энергия движения может перейти в энергию покоя новых частиц, если хватает энергии и соблюдаются законы сохранения. Так учёные получают возможность изучать объекты, которые не встречаются в обычных условиях.

В ускорителе электрическое поле действует на заряженные частицы и увеличивает их энергию. Магнитное поле меняет направление движения частиц, помогая удерживать и направлять пучок по заданной траектории. Сталкивать можно два встречных пучка или пучок с неподвижной мишенью: в первом случае значительная часть энергии доступна для рождения новых частиц, а во втором столкновение проще организовать. Выбор схемы зависит от задачи эксперимента.

Большинство частиц нельзя увидеть глазами, поэтому используют детекторы — приборы, регистрирующие взаимодействия частиц с веществом. Заряженная частица может оставлять измеримый след, а нейтральная — обнаруживаться по продуктам своего взаимодействия или распада. Детектор фиксирует сигналы, а исследователи по их сочетанию определяют энергию, заряд и другие характеристики. Если частица быстро распалась, её свойства восстанавливают по продуктам распада и законам сохранения.

В современной модели кварки и лептоны рассматриваются как фундаментальные частицы, а адроны — как составные. Кварки объединяются в адроны, тогда как лептоны не состоят из кварков и не участвуют в сильном взаимодействии. Такое различие важно: оно позволяет объяснять разнообразие наблюдаемых частиц через небольшое число типов фундаментальных объектов. При этом слово «элементарный» относится к современным знаниям и может измениться при новых открытиях.

Адроны делят на барионы и мезоны по их кварковому составу. Барион состоит из трёх кварков, а мезон — из кварка и антикварка; это сочетания, которые образуют устойчивые или краткоживущие частицы. Протон имеет состав uud, нейтрон — udd, поэтому оба являются барионами. Различие в составе помогает систематизировать адроны и связывать их свойства с характеристиками кварков.

Основные группы частиц и их особенности

Сначала определите, указана ли фундаментальная частица или составной объект: адроны состоят из кварков, а лептоны — нет. Затем проверьте состав адрона: три кварка означают барион, кварк с антикварком — мезон. Строка об античастицах описывает не отдельную группу по участию в сильном взаимодействии, а соответствие частиц и античастиц.

Разбор задач

Задача 1. Электрон и позитрон сталкиваются и аннигилируют. Что происходит с их массой и энергией? Нужно выяснить, исчезают ли частицы без следа и куда переходит энергия их масс покоя.

1. Электрон и позитрон — частица и античастица с одинаковыми массами и противоположными электрическими зарядами.
2. При аннигиляции они могут превратиться, например, в фотоны. Масса покоя исходных частиц переходит в энергию излучения, а при наличии энергии движения учитывается и она.
3. Проверяем сохранение полной энергии: энергия до события равна энергии продуктов после него.

Ответ: масса покоя электрон-позитронной пары переходит в энергию других частиц или излучения; энергия не исчезает и не возникает из ничего.

Задача 2. Определите, является ли частица с составом uud или u-антикварк барионом либо мезоном. Решение основано не на названии кварка, а на числе и типе составляющих частиц.

1. Для состава uud считаем составляющие: это три кварка.
2. По правилу классификации три кварка образуют барион.
3. Состав u-антикварк содержит один кварк и один антикварк, то есть соответствует мезону.

Ответ: uud — барион, u-антикварк — мезон. В обоих случаях речь идёт об адронах.

Задача 3. До столкновения суммарный электрический заряд равен нулю, а после рождения частиц указан как +1. Допустим ли такой результат? Чтобы ответить, сравним заряд системы до и после события.

1. Записываем начальный суммарный заряд: Qнач = 0.
2. Записываем указанный заряд продуктов: Qкон = +1.
3. Закон сохранения электрического заряда требует равенства Qнач и Qкон. Поскольку 0 ≠ +1, в условии либо пропущена частица с отрицательным зарядом, либо набор продуктов указан неверно.

Ответ: нет, такой набор продуктов недопустим. Энергия столкновения может породить новые массы, но не отменяет сохранение заряда.

Типичные ошибки

Считать элементарную частицу неделимой навсегда — ошибка: так слово «элементарная» превращают в утверждение, которого наука не может гарантировать на все времена. Обычно так думают, потому что воспринимают определение как абсолютное, а не связанное с моделью. Проверяйте себя: речь идёт о том, что известно сейчас, а не о невозможности будущих открытий.

Сводить отличие античастицы только к противоположному заряду — неверно. У нейтральных частиц тоже могут быть античастицы, а различаться могут и другие квантовые характеристики. Ошибка возникает из-за знакомого примера электрона и позитрона. Проверка: сверяйте не только заряд, но и само соответствие частицы и античастицы.

Называть протон и нейтрон фундаментальными частицами — значит путать составные адроны с кварками. Это заблуждение появляется потому, что протоны и нейтроны составляют ядро и долгое время считались неделимыми. Проверьте состав: протон uud, нейтрон udd, то есть каждый содержит три кварка и является барионом.

Думать, что новые частицы возникают за счёт энергии «из ничего», — ошибка. При столкновении энергия движения переходит в другие формы, включая энергию покоя новых частиц, а суммарная энергия сохраняется. Путаница связана с тем, что до столкновения частиц не было, а после они появились. Проверяйте результат по законам сохранения, в том числе энергии и электрического заряда.

Связь с другими темами

Для понимания рождения частиц нужно знать закон сохранения энергии, понятие массы и связь энергии с массой: без них нельзя объяснить, откуда берётся энергия новых объектов. Работа ускорителей опирается на представления об электрическом заряде и действии электрического и магнитного полей на заряженные частицы. Кварковый состав адронов связывает тему с ядерной физикой и строением вещества. Идеи о частицах и взаимодействиях помогают разбираться в современных моделях микромира.

Что запомнить

• Высокие энергии столкновений позволяют исследовать микромир и рождать новые частицы.
• Заряженные частицы в ускорителях разгоняют электрическим полем.
• Детекторы регистрируют следы частиц и продукты их распада.
• Кварки и лептоны относятся к фундаментальным частицам в современной модели.
• Адроны состоят из кварков и участвуют в сильном взаимодействии.
• Барион состоит из трёх кварков, мезон — из кварка и антикварка.
• При превращениях частиц соблюдаются законы сохранения.