Структура материи

1. Структура материи

Атомы состоят из ядер, содержащих протоны и нейтроны, и электронного облака. Электроны находятся в постоянном движении вокруг ядра, а протоны и нейтроны двигаются внутри ядра. Каждый нейтрон и протон состоят из трех кварков. С современной точки зрения кварки и электроны являются наиболее фундаментальными формами материи.

2. Революционные идеи

В науке есть периоды, когда дальнейший прогресс может быть достигнут только на основе революционных идей.

Николай Коперник сделал именно такой шаг в неизвестность, когда предположил, что Солнце является центром Солнечной системы.

Альберт Эйнштейн (Нобелевская премия по физике, 1921 г.) совершил такой же шаг, когда поведал миру о том, что скорость света не может быть превышена, и опубликовал свою теорию относительности.

Кварки также требовали революции в мышлении.

3. Вопрос, оставшийся без ответа

К 1930 году представление об атомах достигло критической стадии. Считалось, что атомы состоят из ядер, содержащих протоны и нейтроны (Джеймс Чэдвик, Нобелевская премия по физике, 1935 г.), и внешнего облака электронов (Джозеф Джон Томсон, Нобелевская премия по физике, 1906 г.). Считалось, что эти три частицы являются фундаментальными составляющими всей материи.

Но оставался вопрос: как внутри ядра удерживаются вместе все протоны, которые отталкиваются друг от друга? Почему ядро стабильно?

Эти вопросы привели к экспериментам на ускорителях заряженных частиц для изучения взаимодействия нейтронов и протонов. Но, помимо ответов на поставленные вопросы, в этих экспериментах было обнаружено много других типов частиц. Это породило в свою очередь большое число новых вопросов, которые в конечном итоге привели к совершенно новому пониманию фундаментальной структуры ядра.

4. Научные приборы

Такие приборы, как пузырьковые камеры (Дональд Глазер, Нобелевская премия по физике, 1960 г.) играли решающую роль в разработке нового взгляда на строение материи. Принцип работы пузырьковой камеры состоит в том, что, когда вы направляете заряженные частицы в жидкость, которая нагрета выше ее температуры кипения (перегретая жидкость), за пролетающей частицей остается след (трек) в виде пузырьков. В камере легко зарегистрировать треки частиц и затем рассчитать такие важные характеристики, как заряд и массу частиц.

С помощью таких регистрирующих приборов были открыты многие новые частицы. Перед физиками был поставлен вопрос: "Как эти частицы связаны с протонами, нейтронами и электронами?".

5. Спин: свойство частиц

С помощью пузырьковой камеры и других приборов были открыты сотни новых частиц (Луис Альварес, Нобелевская премия по физике, 1968 г.). Существование трех фундаментальных частиц материи казалось правдоподобным, но сотен? Все это напоминало мозаику, потому что предполагается, что природа устроена просто и элегантно, а не сложно и уродливо.

Пытаясь разгадать эту простоту природы, физики начали классифицировать все частицы в соответствии с их характеристиками (свойствами). Одной из таких характеристик был спин.

Спин – значение углового момента (момента импульса), которым обладают все частицы. Например, если волчок вращается, то он имеет определенный момент импульса. Чем быстрее вращается волчок, тем больше момент импульса. Физики обнаружили, что эта идея справедлива и для частиц, но спин частицы – ее внутренняя, неизменяемая характеристика. Например, электрон имеет и всегда будет иметь спин, равный 1/2 ħ.

В квантовых теориях момент импульса измеряется в единицах ħ = h/2π = 1,05×10^-34 Дж·с (Макс Планк, Нобелевская премия по физике, 1918 г.).

(Дж·с произносится как Джоуль-секунда, а ħ = "аш с чертой"

6. Момент импульса. Закон сохранения момента импульса

Спин – момент импульса, который является характеристикой частиц. Но момент импульса может быть связан и с вращением одного объекта относительно другого. Например, Земля вращается вокруг Солнца: она имеет момент импульса, обусловленный ее "собственным" вращением и имеет орбитальный момент импульса вследствие вращения вокруг Солнца.

Общий момент импульса, связанный со спином и вращательным движением, является полезной величиной, поскольку эта величина всегда остается постоянной. В ускорителе при соударении частиц возникают другие частицы. Но суммарный момент импульса остается постоянным до столкновения, во время столкновения и после столкновения. Значение углового момента всегда должно быть одни и тем же.

Это утверждение называется законом сохранения момента импульса.

Одними из возможных продуктов столкновения и аннигиляции электрона (e^-) и позитрона (e⁺) является пара пионов π^- и π⁺.

Сохранение момента импульса

Две частицы (позитрон и электрон) с невероятно большой энергией сталкиваются друг с другом.	При аннигиляции частиц возникают две новые частицы	На этом этапе можно предположить, что две частицы со спином 1/2 приведут к созданию частиц со спином, равным нулю. Но куда делся момент импульса? Момент импульса не сохраняется?	Момент импульса тем не менее остается постоянным, но изменяет свою форму. Сначала он был в виде спина, а теперь в форме вращательного момента импульса. Подобно тому, как Земля и Луна, эти частицы имеют момент импульса из-за движения относительно точки столкновения.
Таким образом, момент импульса сохраняется. Спиновый момент импульса преобразуется во вращательный момент импульса, но общая величина момента импульса остается неизменной.

7. Классификация частиц

В физических экспериментах столкновение частиц с известным спином используется для получения других частиц. Т.к. физики знали суммарный спин частиц, участвующих в столкновениях, то они использовали закон сохранения момента импульса для определения спина частиц, полученных при столкновении. Физики установили, что спин частиц может быть целым числом ħ (0ħ, 1ħ, 2ħ, 3ħ, …) или полуцелым числом ħ (1/2ħ, 3/2ħ, 5/2ħ,…).

Большинство вновь открытых частиц относится к известному классу частиц, которые называются адронами. Адроны были классифицированы либо как мезоны с полуцелым значением спина, либо как барионы с целым значением спина.

Мезоны	Барионы

8. Другая характеристика….Странность

Мюррей Гелл-Манн, Нобелевская премия по физике, 1969 г.

Позже была открыта другая важная характеристика. При столкновениях частиц с высокими энергиями было обнаружено рождение большого количества частиц, которые получили название К-мезоны. Но обнаружилось нечто странное с этими частицами. Наблюдение показало, что имеют достаточно большое время жизни. Можно предположить существование некоторого закона, который запрещает К-мезонам распадаться на другие частицы.

Мюррей Гелл-Манн (Нобелевская премия по физике, 1969 г.) предположил, что К-мезоны и некоторые другие частицы имеют неизвестное ранее свойство (характеристику), которое получило название "странность". Затем он идентифицировал эти свойства и модели как часть некоторой математической классификационной схемы.

Однако, эта схема казалась не вполне работающей. Схема предсказывала существование еще не обнаруженной частицы – Ω^-(омега-минус). Но это не остановило физиков. Вскоре они обнаружили частицу с массой, которая была предсказана Гелл-Манном. Это и подтвердило всю модель классификации частиц, которая была им создана.

9. Появляется кварк

Когда космические лучи (протоны) взаимодействуют с атмосферой, образуются пионы (пи-мезоны). π⁺состоит из down-антикварка и up-кварка.

Несмотря на созданную Гелл-Манном модель и классификацию таких частиц либо как барионов, либо как мезонов, физики "застряли" с сотней "фундаментальных" частиц.

Для того чтобы избежать "зоопарка частиц", следующим шагом было выяснение того, могут ли эти модели объясняться, если постулировать, что барионы и мезоны состоят из других частиц. Эти частицы были названы кварками.

Мюррей Гелл-Манн и Георг Цвейг предположили, что барионы – это частицы, состоящие из трех кварков (qqq), а мезоны – частицы, состоящие из кварка и антикварка (q).

(up-кварк (верхний кварк) обозначается буквой u, down-кварк (нижний кварк) - буквой d. Слова up и down – просто имена кварков и никакого отношения к понятию "верх" или "низ" не имеют).

Протон состоит из двух up-кварков и одного down-кварка, нейтрон – из двух down-кварков и одного up-кварка.

10. Дробный заряд и ненаблюдаемость кварков
Однако кварки не казались вполне совершенным ответом. Гелл-Манн и Цвейг признали, что их идея имеет серьезные проблемы. Одна из них связана с необходимостью дробного заряда кварков, который должен быть связан с известными зарядами мезонов и барионов. Однако, частицы с таким дробным зарядом никогда ранее не наблюдались. Перед Гелл-Манном и Цвейгом стояли две другие серьезные проблемы, которые нужно было разрешить до принятия их теории. Во-первых, кварки не наблюдались, и никто не мог объяснить этот факт. Во-вторых, можно было предположить различные комбинации кварков, но эти другие комбинации никогда не были обнаружены экспериментально.

11. Цветной заряд

Нужно было объяснить, например, почему наблюдаются только такие комбинации кварков и антикварков, которые имеют целый заряд, и почему нет, например, таких комбинаций, как q, qq, qq

или неисчислимо много других комбинаций.

Гелл-Манн и другие исследователи полагали, что ответ лежит в природе сил, связывающих кварки. Эта сила называется "ядерной" и является мерой "сильного" взаимодействия, и новые заряды, которые чувствительны к ядерным силам, были названы "цветными" зарядами, хотя к обычному цвету это не имеют никакого отношения. Ученые предположили, что кварки имеют три цветовых заряда. Этот тип заряда был назван "цветом", т.к. некоторые комбинации цветов кварков будут "нейтральными" по аналогии с комбинацией обычных цветов, которые могут дать белый, т.е. нейтральный цвет.

Подобно тому, как комбинация красного и синего цвета дает пурпурный цвет, комбинация определенных цветов (красный, зеленый, синий) дает белый цвет.

Могут существовать только те частицы, которые имеют нейтральный цвет, т.е. только qqq и q.

12. Кварки удерживаются вместе или "кварки находятся в заключении"

Ядерная сила существенно отличается от гравитационных и электромагнитных сил. Гравитационные и электромагнитные силы по мере увеличения расстояния между объектами или зарядами ослабевают. Однако, для ядерных сил расстояние не имеет значения. Интенсивность сильного взаимодействия между кварками остается постоянной.

Почему возникают только частицы с нейтральным цветом?

Что произойдет, если кварк испытает сильное соударение и примет участие в ядерных реакциях, обусловленных ядерным взаимодействием.

Кварки удерживаются вместе

Что произойдет, если попытаться разделить два кварка?

Если кварк каким-либо образом сдвинуть от его соседа, то энергия поля ядерной силы будет увеличиваться.

Подобно тому, как при растяжении резиновой ленты, по мере удаления кварков друг от друга все большее количество энергии будет преобразовываться в энергию поля ядерного взаимодействия.

Если энергия поля достигнет определенного значения, произойдет преобразование энергии в новую пару кварк/антикварк – .

Энергия поля сохранится из-за преобразования энергии поля в массу новых кварков.

Кроме того, поле ядерной силы вернется в исходное состояние.

По этой причине кварки нельзя наблюдать в свободном виде по отдельности.

13. Масса, частицы и кварки

Взаимное удержание – конфайнмент кварков демонстрирует взаимозависимость массы и энергии, открытую Эйнштейном. Масса частицы, состоящей из кварков, определяется не только массой отдельных кварков, но и их кинетической энергией.

Для протона, только 1,3% его массы определяется массой трех кварков. Это сильно отличается от ядер, масса которого меньше массы составляющих его нуклонов.

Поскольку кварки в протоне или нейтроне имеют очень большую кинетическую энергию, то как они связаны вместе? Почему они не могут вылететь из протона? Так как ядерная сила (в отличие от гравитационной) остается постоянной, то для удаления кварка нужно совершить бесконечно большую работу (работа = сила  расстояние). Поэтому кварк никогда нельзя увидеть свободным.

Это была революционная идея.

Так как сила тяжести ослабевает с расстоянием, ракета может преодолеть ее, если у нее будет достаточно энергии. В то же время, сильное взаимодействие не меняется с расстоянием. Таким образом, у кварка никогда не будет достаточно кинетической энергии, чтобы вырваться на свободу.

14. Носитель ядерной силы
Обмен пионами.	С открытием ядерной силы, наконец, стало возможным объяснить, ядро не разлетается. Хидеки Юкава (Нобелевская премия по физике, 1949 г.) предположил, что ядерное взаимодействие между протонами и нейтронами в ядре возникает из-за обмена пи-мезонами (пи-мезон состоит из кварка и анти-кварка). Но, с более современной точки зрения остается проблема. Ядерная сила действует только между частицами с цветным зарядом, а протоны и нейтроны имеют нейтральный цветовой заряд.
Обмен глюонами	Физики предположили, что мезоны и барионы, такие как протоны и нейтроны в ядре могут перекрываться. Поэтому, хотя протоны и нейтроны с нейтральным цветом не взаимодействуют друг с другом, это делают их кварки. Ядерное взаимодействие возникает за счет обмена глюонами между кварками соседних протонов и нейтронов. Этот процесс "склеивает" ("glues") ядро. Процесс очень похож на тот, который удерживает вместе нейтральные атомы в молекулах.

15. Можно ли увидеть кварки?

"Смотрим" внутрь протона.

Используя электроны, ускоренные до высоких энергий, физики смогли "увидеть" кварки внутри протона.

Хотя кварки и нельзя получить в свободном виде, физики нашли способ "увидеть" кварки внутри ядра. Эксперимент Джерома И. Фридмана (Jerome I. Friedman), Генри У. Кендалла (Henry W, Kendall) и Ричарда Е. Тейлора (Richard E. Taylor) (Нобелевская премия по физике, 1990 г.) очень похож на эксперимент Эрнста Резерфорда (Нобелевская премия по химии, 1908 г.). Однако, в их экспериментах мишенями были протоны и нейтроны, а пучок состоял из электронов с энергиями в тысячи раз больше, чем энергия альфа-частиц в пучках, использованных Резерфордом. И снова, изучая углы рассеяния частиц, удалось выйти на новый уровень понимания материи. Глубоко внутри протонов и нейтронов, они нашли экспериментально физическое доказательство существования кварков.

Если протон – фундаментальная частица без внутренней структуры, то электронный пучок должен рассеваться на небольшие углы.

Однако, т.к. протон имеет внутреннюю структуру (он состоит из кварков), электронный пучок будет рассеиваться на большие углы.

16. Что можно сказать о дробных зарядах?
Через несколько лет, другие физики-экспериментаторы изучали рассеяние нейтрино на протонах и нейтронах и изучали интенсивность столкновений. Нейтрино крайне легкие частицы, которые участвуют в слабых взаимодействиях, но не участвуют в электромагнитных взаимодействиях. Сравнение сечения столкновения нейтрино и электронов дало доказательство существования дробного заряда.
Рассеяние электронов	Рассеяние нейтрино

17. Даже кварки распадаются

Развитие науки характеризуется тем, что старые представления и идеи достаточно редко полностью заменяются, при этом их область применения становится ограниченной. Именно так произошло и с теорией распада нейтрона.

Нейтрон распадается на протон, электрон и нейтрино. Но, как предположили физики, так как нейтрон состоит из кварков, одного верхнего и двух нижних кварков, то сам нейтрон распадаться не может. Физики предположили, что распадается один из кварков.

Итак кварки "пролили" свет на действительную природу взаимодействия частиц, которую раньше считалось невозможно объяснить.


При бета-распаде нейтрона (udd) образуются протон (uud), электрон и антинейтрино.	Нейтрон не имеет заряда и состоит из одного верхнего кварка (u-кварк) и двух нижних кварков (d-кварк).	Если нейтрон распадается, то один из нижних кварков преобразуется в верхний кварк. Так как нижний кварк имеет заряд -1/3, а верхний кварк имеет заряд +2/3, то необходимо выполнение закона сохранения заряда. Этот закон будет выполнен, если при распаде появится виртуальная частица – промежуточный векторный бозон W заряд которого равен -1 .	Теперь нейтрон становится протоном Как только виртуальная W-частица отталкивается от протона, она преобразуется в электрон и антинейтрино.	Наконец, протон, электрон и антинейтрино удаляются друг от друга. В действительности весь процесс длится миллиардную долю миллиардной доли секунды, т.е. 10^-18 с.

18. Пропавшее очарование

Используя все открытые частицы Глэшоу, Салам и Вейнберг создали Стандартную модель, теорию, которая объяснила фундаментальные частицы и силы взаимодействия. В Стандартной модели имеется три кварка, верхний кварк, нижний кварк и странный кварк (u-, d- и s-кварки). Странный кварк (s-кварк) – частица, имеющая свойство странности.

Однако трех кварков оказалось недостаточно. Математическая теория, которая лежит в основе Стандартной модели, предсказывает существование четвертого кварка, получившего название очарованный кварк (charm). Однако, ни одной частицы, содержащий такой кварк, не было обнаружено.

Позже, в 1974 г., в экспериментах, проведенных Самуэлем Тингом (Samuel Ting) и Бэртоном Рихтером (Burton Richter) (Нобелевская премия по физике, 1976 г.) одновременно была найдена частица, которая содержала недостающий очарованный кварк. Один из исследователей назвал ее J-частицей, другой – Ψ. Теперь она известная как J/Ψ-частица.

Самуэлем Тинг

Бэртоном Рихтер

19. Еще кварки?
	С открытием очарованного кварка, физики задавали себе вопрос, а нет ли еще кварков, кроме этих четырех. Очень скоро на их вопрос появился ответ после того, как Леон Ледерман (Нобелевская премия по физике, 1988 г.) и его группа обнаружили пятый кварк. Он был назван bottom (основным) кварком – b-кварком и имел заряд -1/3. Физики ожидали, что скоро будет найден недостающий кварк с зарядом +2/3. К сожалению, прошло почти 20 лет, прежде, чем был открыт подходящий кварк.
Леон Ледерман

20. Возможности Стандартной модели

Джерардус Хофт

Мартинус Вельтман

Используя математический аппарат Стандартной модели и данные с невероятно большой точностью из многих перспективных экспериментов, оказалось возможным рассчитать массу недостающего кварка.

Используя методику расчета, разработанную Джерардусом Хофтом (Gerardus't Hooft) и Мартинусом Дж. Г. Вельтманом (Martinus J. G. Veltman) (Нобелевская премия по физике, 1999 г.), физики смогли рассчитать косвенные эффекты влияния top-кварка (t-кварка) на их экспериментальные измерения. Они обнаружили, что t-кварк должен быть много массивней других кварков, примерно в 20-30 раз массивней самого из массивных известных кварков – b-кварка.

Эти методы были важны не только для оценок массы t-кварка, но они дали ключ к пониманию полной структуры и непротиворечивости Стандартной модели. До работы Хофта и Вельтмана в 1971 и 1972 гг. никто не знал, как можно проводить расчеты на основе Стандартной модели, получая не только приблизительные ответы.

21. Открытие топ-кварка

Только к началу 1990-х годов удалось добиться точности эксперимента, необходимой для расчета массы топ-кварка. В 1995 г. два эксперимента в Ферми-лаборатории подтвердили существование топ-кварка и показали, почему его было так трудно обнаружить. Топ-кварк имел необычно большую массу 175 ГэВ/с², более, чем в 30 раз больше массы b-кварка! Такое большое время, потребовавшееся для его открытия по той причине, что для обнаружения такой частицы необходимо было иметь более мощные ускорители.

Открытие	Нобелевская премия	Лауреаты
Беватрон начал работать в 1954 г., и в 1955 г. был открыт антипротон.	1959	Э. Сегре		О. Чемберлен
В 1969 г. была открыта внутренняя структура нуклонов (протонов и нейтронов) на ускорителе в Стенфорде – SLAC.	1990	Дж. Фридман	Г. Кендалл		Р. Тейлор
Открытие J/Ψ-частицы, построенной из очарованных кварков, в Брук-Хэвене и SLAC в 1974 г.	1976
В 1976 г. в SLAC был открыт тау-лептон.	1995	М. Перл
В 1983 г. были открыты W и Z-частицы на ускорите на встречных пучках (протон-антипротонном коллайдере).	1984	К. Руббиа		Ван дер Меер
В 1995 г. объявлено о первом прямом доказательстве на Теватроне в Ферми-лаборатории существования top-кварка.

22. Фундаментальны ли кварки?

На сегодняшнем поколении ускорителей мы не нашли доказательств того, что кварки имеют внутреннюю структуру или состоят из других частиц. Для того, чтобы исследовать кварки нужны ускорители встречных пучков протонов экстремальной высоких значений энергии. Если бы кварки имели внутри себя составляющие меньшего размера, то получившиеся в результате столкновения частицы разлетались бы под значительно большими углами.

Пока изучение этих столкновений устанавливает, что кварк является фундаментальной частицей до крошечного масштаба 10^-19м.

Но никто не знает, действительно ли кварки являются фундаментальными частицами. Только будущие исследования на новых ускорителях встречных пучков высокой энергии – коллайдерах помогут открыть этот секрет Природы.