Элементарные составляющие материи

    Окружающий нас мир имеет сложную многоуровневую иерархическую структуру.

    Наиболее высокой формой организации материи является живая материя. Живая материя имеет довольно сложную и до конца не понятую организацию, но в ее основе лежат гигантские макромолекулы. Молекулярная форма организации материи представляет собой мельчайшие элементарные соединения, сохраняющие определенные химические свойства вещества. Количество различных типов молекул по-видимому исчисляется сотнями тысяч. Молекулы в свою очередь состоят из более элементарных объектов - атомов. Атом имеет относительно простую структуру и состоит из атомного ядра и электронов. Электрон был открыт Дж. Томсоном в 1897 году в экспериментах с катордными лучами. В экспериментах по рассеянию альфа-частиц на атомах золота Э. Резерфорд показал, что атом имеет планетарную структуру и состоит из положительно заряженного атомного ядра и электронной оболочки. В целом атом электрически нейтрален. В результате открытия протона и нейтрона, стало ясно, что из них состоит атомное ядро (1932 г. В. Гейзенберг и Д. Иваненко).
    Протон и нейтрон объединяются под общим названием - нуклон, они имеют близкие массы (~940 МэВ),  что почти в 2000 раз больше массы электрона. Имея такую большую разницу в массах протон и электрон имеют равные по абсолютной величине электрические заряды. Почему столь различные частицы имеют одинаковые по абсолютной величине заряды - одна из нерешенных фундаментальных проблем. Неясно также почему электрический заряд квантуется.
    Количество протонов определяет заряд ядра, количество электронов в нейтральном атоме и, соответственно химический элемент. На сегодняшний день известно 116 химических элементов. Атомные ядра могут содержать при одинаковом количестве протонов различное количество нейтронов (изотопы химического элемента). Различные изотопы химического элемента имеют практически одинаковые химические свойства, т.к. химические свойства определяются строением их электронных оболочек.
    Наиболее простым атомом является атом водорода. Его ядро состоит из одного протона, атомная оболочка содержит один электрон. Известны несколько изотопов этого химического элемента. Ядро дейтерия ²H состоит из одного протона и одного нейтрона. Изотоп тритий ³H имеет один протон и два нейтрона. В отличие от водорода и дейтерия, тритий нестабилен и имеет период полураспада 12.33 года. Изотопы ⁴H, ⁵H и ⁶H имеют распадные ширины порядка МэВ и по соотношению неопределенности ничтожные средние времена жизни.
    Казалось трех "элементарных" частиц - протона, нейтрона и электрона - достаточно, чтобы описать окружающий нас мир. Однако продвижение в сторону более высоких, чем обычные земные, энергий (исследования космических лучей и эксперименты на ускорителях) позволило открыть новые "элементарные" частицы. Были открыты странные частицы, резонансы. С открытием позитрона (1932 г. К. Андерсон), антипротона (1955 г. О. Чемберлен, Э. Сегре, К. Виганд и Т. Ипсилантис) и антинейтрона (1956 г. Б. Корк, О. Пиччиони, В. Вензел, Г. Лембертсон) стало ясно, что каждая частица имеет двойника - античастицу.

    Когда количество обнаруженных сильновзаимодействующих частиц - адронов перевалило за сотню, стало ясно, что они не образуют элементарный уровень материи. В 1963 г. М. Гелл-Манн и Г. Цвейг выдвинули модель кварков - элементарных частиц следующего уровня материи. Сегодня известно 6 кварков, из которых состоят адроны. Есть достаточно серьезные основания считать, что кварков и не должно быть больше шести. По современным представлениям кварки бесструктурны. Вместе с шестью лептонами они являются сегодня фундаментальными частицами вещества. Кварки и лептоны имеют полуцелый спин и являются фермионами. Кроме кварков и лептонов существуют частицы с целыми значениями спинов, переносящие взаимодействие между фундаментальными фермионами (рис.2).

Рис. 3. Диаграмма взаимодействия между фундаментальными фермионами

    На рис. 3 показана диаграмма, описывающая взаимодействие между фундаментальными фермионами (f) с помощью калибровочного бозона (b).
    Являются ли кварки действительно "элементарными" объектами? Ответ на этот вопрос смогут дать только будущие эксперименты. Иерархическая структура материи, показанная на рис.1, отражает определенные уровни ее организации . Так для того, чтобы описать взаимодействие атомов, объяснить организацию материи на молекулярном уровне, описать химические процессы не обязательно знать строение атомного ядра или кварковую структуру адронов. Однако каждый последующий более глубокий уровень строения материи показывает нам фундаментальную структуру предыдущего уровня.
    Одной из характерных особенностей такой иерархической структуры материи является наличие пороговой энергии, необходимой для проявления внутренней структуры объектов каждого уровня. Для того, чтобы разделить молекулу на отдельные составляющие ее атомы, необходима энергия ~0.1 эВ. Для того, чтобы из ядра вырвать нуклон необходима энергия порядка МэВ. Видно, что по мере продвижения на более глубокие уровни строения материи необходимы все большие энергии. Чем меньше размеры изучаемого объекта, тем большие энергии необходимы для его изучения. При этом можно наблюдать "элементарные" частицы каждого уровня в свободном состоянии. Повидимому ситуация качественно меняется при переходе к самому низкому из исследованных уровней - кварковому. Кварки в свободном состоянии не наблюдаются. Первые экспериментальные данные показывают, что для получения кварк-глюонной плазмы необходимы энергии порядка сотен ГэВ. Изучение свойств материи при таких энергиях только начинается.
    В основе иерархической структуры материи лежат различные взаимодействия, связывающие элементарные объекты каждого уровня. Так силы, связывающие электроны и атомные ядра в атомах имеют электромагнитную природу. Силы, связывающие атомы в молекулы обусловлены силами Ван-дер-Ваальса, также имеют электромагнитную природу. Они возникают в результате деформации электромагнитного поля атомов при связывании их в молекулы. Аналогичная ситуация наблюдается и на более глубоком уровне. Кварки в адронах связаны сильным взаимодействием. Ядерное взаимодействие, связывающее нейтроны и протоны в ядре, являются проявлением сильного взаимодействия на расстоянии ~1 Фм - некоторый аналог сил Ван-дер-Ваальса атомного уровня.

06.11.12