Горохів А.В.
Одним з найважливіших результатів у фізиці високих енергій є відкриття античастинок. Перша античастинка-позитрон теоретично передбачений і відкритий на початку 30 років. Він має точно таку ж масу і абсолютну величину заряду, як і електрон, але знак заряду позитрона протилежний знаку заряду електрона. Електрон і позитрон позначають відповідно e-і e +.
У вакуумі позитрон так само стабільний як і електрон, однак при зустрічі електрона і позитрона відбувається їх анігіляція, перетворення в g-кванти. При анігіляції випускається, як првило, два або три фотона.
|
На прискорювачах спостерігається також реакція, зворотна анігіляції електрона і позитрона.
При зіткненні двох g-квантів народжується пара "електрон + позитрон".
|
Подібних процеси з високою точністю розраховуються в рамках квантової теорії поля - об'єднує квантову механіку й теорію відносності.
Слідом за позитроном були відкриті й інші античастинки. У середині 50-х років на прискорювачах були створені антипротон і Антинейтрон, а потім навіть антіядра, а в саме останнім часом і антиатоми. Як правило, античастинки позначаються тими ж буквами, що й відповідні частки, але над буквою ставитися рисочка (або тильда). Наприклад, [`(p)] - антипротон, [` (n)] - антинейтрино і т.п.
Маса кожної частки точно дорівнює масі відповідної античастинки, а знаки їх зарядів протилежні. Уявна операція заміни "частка -> античастинка" називається зарядовим сполученням. При цій операції фотон, який не несе будь-якого заряду, переходить сам у себе. Фотон належить до порівняно редкомку типу істинно нейтральних частинок, що не мають зарядових двійників.
Типи частинок, фундаментальні взаємодії
Всі елементарні частинки в залежності від спина діляться на ферміони, якщо спін напівцілий (в одиницях (h/2p)), і бозони, якщо спін цілий.
Крім того, в залежності від типів взаємодій, до яких схильні частинки, розрізняють два сімейства: адрони - частинки як з цілим, так і напівцілим спіном, що беруть участь у всіх фундаментальних взаємодіях, і лептони - частинки з напівцілим спіном, які беруть участь у всіх взаємодіях, за винятком сильного.
В даний час відомі чотири фундаментальні типи взаємодій:
гравітаційне, слабке, електромагнітне і сильне.
Слабка взаємодія відповідає, наприклад, за бета-розпади ядер, електромагнітне - пов'язує електрон і протон в атомі водню, а сильне взаємодія - нуклони в атомних ядрах. З сучасної точки зору внутрішньоядерні взаємодія не є істинно фундаментальним, а влаштовано на кшталт т.зв. "Хімічних" сил, які є наслідком складної гри кулонівського (електромагнітного) взаємодії та принципу заборони Паулі.
Адрони з цілим спіном називають мезонами, з напівцілим - Ядерна фізика Відомо кілька сотень адронів. Більшість їх вкрай нестабільні - це т.зв. резонанси: вони розпадаються на легші частинки за допомогою сильної взаємодії. Типовий час життя резонансів ~ 10-21 с.
Квазістабільні адрони живуть набагато довше і розпадаються за допомогою слабкого та електромагнітного взаємодій. Кінцевими продуктами розпадів квазістабільних мезонів є більш легкі мезони, лептони і фотони, а також, якщо розпадаються мезони досить масивні, то пари "Баріон + антібаріон".
Найлегші баріони (протон і нейтрон) називаються нуклонами. Більш важкі квазістабільні баріони (L, S, X, W, ...) називають гіперонами. Кінцевими продуктами розпадів гіперонів є лептони, мезони, фотони і обов'язково нуклон.
З протонів і нейтронів складаються атомні ядра, інші адрони не входять до складу оточуючого нас стабільного речовини, вони народжуються при зіткненнях частинок, що володіють високими енергіями. Згідно сучасним уявленням всі адрони не є істинно елементарними частинками. Всі вони складаються з кварків і глюонів.
На відміну від адронів лептони істинно елементарні частинки (принаймні в рамках т.зв. стандартної моделі). Відомі три заряджених лептона: електрон e-, мюон m і тау-лептон t-і три нейтральних: електронне нейтрино ne, мюонне нейтрино mn і тау-нейтрино nt. У кожної з цих частинок є відповідна античастинка. Мюон і t-лептон розпадаються за рахунок слабкої взаємодії, а електрон стабільний.
У слабких розпадах кожен із заряджених лептонів народжується в супроводі соего антинейтрино. У електромагнітних взаємодіях народжуються пари заряджених лептонів: e + e-, m + m-, t + t-.
Ці закономірності вдається пояснити, якщо припустити, що всі лептони мають свого роду лептонний "зарядом", рівним +1 щодо лептонів і -1 для антілептонов. У всіх наблюдавшіхя процесах лептонний заряд зберігається.
Передбачені процеси, в яких очікується незбереження лептонного заряду: розпад протона, подвійний бета-розпад, осциляції нейтрино.
(Нейтринні осциляції передбачені в середині 50-х Б. Понтекорво для пояснень спостерігається дефіциту сонячних (електронних) нейтрино. (Будучи випущені на Сонці, електронне нейтрино з помітною ймовірністю перетворюється по дорозі на Землю в мюонне і не реєструється детектором, налаштованим на ne. Влітку 1998 процес нейтринної осциляції був виявлений в лабораторних умовах).
З середини 70-х років загальноприйнятим став підхід т.зв. калібрувальних теорій поля, в яких всі взаємодії розглядаються за аналогією з електродинаміки. На основі теорії Глешоу - Вайнберга - Салама було передбачено, що слабка взаємодія здійснюється за рахунок обміну W - і Z-бозонами - квантами поля слабкої взаємодії. Для того, щоб ця взаємодія було слабким і короткодействующим, потрібно, щоб маса цих проміжних бозонів була дуже великою ~ 100 ГеВ. Ці частинки були виявлені в 1983 р. на протон - антіпроном колайдері У Європейському центрі ядерних досліджень (ЦЕРН). Виявилося, що при енергіях ~ 100 ГеВ електромагнітне і слабку взаємодію перестають бути різними і об'єднуються в єдине електрослабкої взаємодію.