§ 55. Элементарные частицы. Фундаментальные взаимодействия

Определения и обозначения

Элементарная частица — частица, которую на современном этапе физики не рассматривают как состоящую из более простых частиц. Это не означает, что её статус навсегда установлен: новые эксперименты могут изменить представления о строении материи. Понятие нужно, чтобы выделить исходные объекты, из которых описывают микромир.

Кварк — элементарная частица, из кварков состоят адроны. Известны шесть типов: верхний u, нижний d, странный s, очарованный c, прелестный b и истинный t. Свободные кварки не наблюдаются, поэтому их изучают внутри составных частиц.

Лептон — элементарная частица, не участвующая в сильном взаимодействии. Примеры лептонов — электрон, мюон, тау-частица и нейтрино. Такое определение помогает отличать их от кварков и находить место частиц в общей классификации.

Фундаментальное взаимодействие — один из основных видов взаимодействия частиц, который нельзя свести к другому виду. Выделяют гравитационное, электромагнитное, сильное и слабое взаимодействия. Через них объясняют притяжение тел, электрические явления, устойчивость ядер и радиоактивные превращения.

Как это устроено

Протон и нейтрон не считают элементарными, потому что эксперименты обнаружили у них внутреннюю структуру. Они относятся к адронам, а адроны состоят из кварков, связанных сильным взаимодействием. Поэтому привычные частицы ядра являются составными объектами, хотя долгое время казались неделимыми.

Элементарные частицы обычно делят на кварки и лептоны, а адроны рассматривают как составные частицы из кварков. Барионы состоят из трёх кварков или антикварков, к ним относятся протон и нейтрон. Мезоны состоят из кварка и антикварка, поэтому они обычно нестабильны и быстро распадаются.

Взаимодействие удобно описывать как обмен частицами-переносчиками: одна частица испускает переносчик, а другая его поглощает. Фотон переносит электромагнитное взаимодействие, глюоны связывают кварки сильным взаимодействием, а бозоны W и Z участвуют в слабом. Переносчик не обязательно можно зарегистрировать как свободную частицу: в процессе взаимодействия он может быть виртуальным.

Сильное взаимодействие действует на кварки и удерживает их внутри адронов, а остаточное сильное взаимодействие связывает протоны и нейтроны в ядре. Электромагнитное действует на электрически заряженные частицы и имеет большую дальность. Слабое взаимодействие отвечает за превращения частиц и имеет очень малую дальность, а гравитационное действует на всё, что обладает энергией и массой, хотя в мире частиц оно слабее остальных.

В реакциях частиц проверяют сохранение электрического заряда, энергии, импульса и других величин. Энергия движения может превращаться в энергию покоя, поэтому при столкновениях рождаются новые частицы и античастицы. Разрешённой будет только такая реакция, в которой все необходимые законы сохранения выполняются одновременно.

Фундаментальные взаимодействия

Сначала определите, какие частицы участвуют в процессе, а затем сопоставьте им переносчик и дальность действия. Для гравитации следует помнить о большой суммарной массе тел: слабость отдельного взаимодействия не мешает ему определять движение планет и галактик. Таблица также помогает не смешивать сильное взаимодействие внутри адрона с его остаточным действием между нуклонами.

Разбор задач

1. Классификация частиц

Распределим электрон, нейтрино, протон и нейтрон на элементарные и составные частицы. Сначала проверим, относится ли частица к лептонам, а затем выясним, построена ли она из кварков. Это позволяет не принимать все частицы вещества за элементарные.

1. Электрон и нейтрино — лептоны, не участвующие в сильном взаимодействии.
2. Протон и нейтрон — адроны, то есть составные частицы из кварков.
3. Следовательно, элементарными из списка являются электрон и нейтрино, а составными — протон и нейтрон.

Ответ: электрон и нейтрино — элементарные частицы и лептоны; протон и нейтрон — составные частицы и адроны.

2. Кварковый состав протона и нейтрона

Нужно записать состав нуклонов через верхний u и нижний d кварки, а затем проверить заряд. Заряд верхнего кварка равен +⅔e, нижнего — −⅓e. Сумма зарядов должна дать +e для протона и 0 для нейтрона.

1. Для протона берём два u и один d: uud.
2. Его заряд: +⅔e + ⅔e − ⅓e = +e.
3. Для нейтрона берём один u и два d: udd.
4. Его заряд: +⅔e − ⅓e − ⅓e = 0.

Ответ: протон имеет состав uud, нейтрон — udd; проверка зарядом подтверждает оба результата.

3. Бета-минус-распад

При β⁻-распаде нейтрон превращается в протон, электрон и электронное антинейтрино. Такое превращение меняет тип кварка внутри нейтрона, поэтому оно связано не с сильным, а со слабым взаимодействием. Проверим отдельно электрический заряд до реакции и после неё.

1. Исходный нейтрон имеет заряд 0.
2. После распада протон имеет заряд +e, электрон — −e, антинейтрино — 0.
3. Суммарный конечный заряд равен +e − e + 0 = 0.
4. Заряд сохранился, поэтому записанная реакция не противоречит этому закону.

Ответ: распад вызывает слабое взаимодействие; электрический заряд сохраняется.

Типичные ошибки

Протон и нейтрон называют элементарными. Ошибка возникает из-за привычки считать частицы ядра неделимыми. Проверьте себя: если частица состоит из кварков, она является составным адроном.

Все элементарные частицы считают частицами вещества. Так происходит, когда забывают о переносчиках взаимодействий. Разделяйте частицы-«строители» и переносчики: фотон и глюон тоже элементарны, но выполняют другую роль.

Сильное взаимодействие внутри адрона смешивают с остаточным взаимодействием нуклонов. Причина — оба явления связаны с сильным взаимодействием, но действуют на разных уровнях. Проверка проста: кварки удерживаются глюонами, а протоны и нейтроны в ядре связаны остаточным проявлением этой силы.

Переносчик обязательно считают свободно наблюдаемой частицей. В реальном процессе переносчик может быть виртуальным, а кварки и глюоны вообще не обнаруживаются свободными. Уточняйте, идёт ли речь о частице-переносчике в теории или о свободной частице в детекторе.

Связь с другими темами

Для понимания темы нужны знания о строении атома и ядра, электрическом заряде и законах сохранения. Без них трудно проверить состав частиц и допустимость реакции. Особенно важны сохранение заряда, энергии и импульса.

Классификация частиц помогает объяснять ядерные реакции, радиоактивный распад и превращения частиц. Например, β⁻-распад показывает действие слабого взаимодействия и сопровождается изменением состава нуклона. Кварковая модель уточняет, что происходит внутри протона и нейтрона.

Фундаментальные взаимодействия объединяют физику ядра с современной космологией. Сильные и слабые процессы важны в ранней Вселенной и внутри звёзд, а гравитация определяет крупномасштабную структуру космоса. Поэтому микромир и Вселенная описываются связанными законами.

Что запомнить

• Кварки и лептоны относятся к основным семействам элементарных частиц.
• Протон и нейтрон — адроны, состоящие из кварков.
• Электрон и нейтрино — лептоны.
• Известны четыре фундаментальных взаимодействия: гравитационное, электромагнитное, сильное и слабое.
• Взаимодействия частиц связывают с обменом частицами-переносчиками.
• В реакциях частиц должны выполняться законы сохранения.