Реферат:Элементарные частицы и взаимодействия

   Элементарные частицы - это частицы, у которых на данный мом ружено внутренней структуры. Еще в XIX в. элементарными части лись атомы. Их внутренняя структура - ядра и электроны - была в начале XX в. в опытах Э. Резерфорда. Вскоре обнаружилась внутренняя структура  атомных ядер. Они состоят из протонов и нейтронов. На протяжении ХХст,  в основном благодаря технологиям ускорения заряженных частиц, было открыто множество других элементарных частиц.
[sms]
   Прежде чем описать и классифицировать элементарные частицы, следует  определить, какие бывают взаимодействия частиц. Элементарным  актом взаимодействия служит переход а -> b + с. Характер его может быть различным в
                                                                                                                <-
  зависимости от вызывающего его взаимодействия. На сегодняшний  день экспериментально обнаружено четыре типа взаимодействий: электромагнитные, гравитационное, сильное и слабое. Коротко напомним основные их черты.
 
  Наиболее детально исследованным и известным из макрофизики является  электромагнитное взаимодействие. Оно возникает при обмене фотонами - частицами,  имеющими нулевую массу и спин j = 1 (в единицах h).Нулевая масса фотона  обусловливает дальнодействующий характер электромагнитного взаимодействия, поэтому оно и наблюдается в макромире. Единичный спин связан с  тем, что электромагнитное поле не скалярное, а векторное. Поставим  вопрос какова сила электромагнитного взаимодействия?Её можно оценить, сравнивая энергию электромагнитного  отталкивания двух частиц (например, электронов)  с их кинетической энергией: а = (е²(4пг))/Т, где Т = п²/(2m) для медленных частиц и Т= (m²c⁴ + п² с²)^1/2- mс² для релятивистских частиц в их системе центра энерции. На первый взгляд а может быть любым, поскольку, изменяя r и п, мы
можем паолучить любые величины. Но в квантовой физике r п~ h, и поэтому оценка а получается существенно более жесткой. Для медленных частиц мы находим а = e²(2п hv), где v - скорость, а для быстрых, когда Т =» пс, находим а =е²/(4п hc )=1/137.

  Как видно,   сила электромагнитного взаимодействия велика  для медленно движущихся частиц (и, следовательно, находящихся на больших  расстояниях друг от друга). На малых же расстояниях или при больших скоростях сила  электромагнитного взаимодействия падает и характеризуется малой безразмерной величиной e²/(4phc) («постоянная тонкой структуры") Это поведение а объясняет сравнительно малую роль, которую электромагнитное  взаимодействие играет в физике высоких энергий. Как правило, оно выступает  в виде небольших поправок к другим взаимодействиям и не вызывает   никаких качественных изменений. Напротив, в макромире, когда скорости частиц малы,  а расстояния велики, сила электромагнитного взаимодействия велика, и оно становится  основой возникновения качественно новых форм движения и объектов: атомы, молекулы, твердые тела и жидкости - все это проявления электромагнетизма в области больших расстояний. Электромагнитное взаимодействие наиболее детально изучено также и в теоретическом плане. Теория электромагнитного взаимодействия служит образцом для построения теории других взаимодействий.

   Гравитационное взаимодействие также дальнодействующее и поэтому проявляется в макромире. Сравним его силу с электромагнитным и найдем соотношение 1 = 10^-40. Поразительная малость этого числа показывает, как ничтожна роль  электромагнитного взаимодействия в микромире. Никакие даже самые временные приборы не в состоянии увидеть его действие на фоне даже электромагнитного взаимодействия (которое само по себе является слабым в микромире). Более того, практически никакие квантовые эффекты в гравитации пока не доступны наблюдению. Чисто умозрительно, на основании той информации, которая имеется из классической теории гравитации, теоретики заключают, что переносчиком квантового гравитационного взаимодействия является частица - гравитон g с нулевой массой и спином 2. Последнее обстоятельство обусловлено тем, что классическое гравитационное взаимодействие описывается тензором второго ранга. Хотя практическое наблюдение квантовой гравитации в лаборатории - дело далекого будущего (если оно вообще возможно), построение теории квантовой гравитации находится в центре внимания физиков-теоретиков. Дело в том, что непосредственное применение методов, использованных описания всех прочих взаимодействий, приведшее к созданию стандартной модели для них, в случае гравитации к успеху не приводит. Квантовое гравитационное взаимодействие поэтому и по сей день остается не понятым до конца, оно  не включается в стандартную модель. В настоящее время имеется весьма обнадеживающее направление, связанное с теорией квантовых струн, которое претендует на включение квантовой гравитации в единую картину всех взаимодействий. Несмотря на определенные достижения, нельзя сказать, что эта цель уже достигнута.

  Еще два взаимодействия - сильное и слабое - являются короткодействующий и поэтому наблюдаются исключительно в микромире. Сильное взаимодействие, как указывает название, в самом деле велико в области ядерных расстояний. Соответствующая величина as, аналогичная а для электромагнитного действия, имеет порядок 1-10. Сильное взаимодействие ответственно за образование ядер и, как самое сильное из всех взаимодействий между элементарными частичами, почти за все процессы, наблюдающиеся в лабораторных условиях, когда разогнанные на ускррителях частицы взаимодействуют с мишенью. Сильное взаимодействие - самое симметричное из всех, оно характеризуется максимальным числом законов сохранения и правил отбора. Наконец  заметим,  что сила сильного взаимодействия по современным представлениям падает с ростом энергии взаимодействующих частиц. Падение это медленное ( логарефмическое ), но уже при  энергиях порядка 10 ГэВ (что соответствует расстояниям 2 •10^-15 см) оно становится достаточно слабым.

  Слабое взаимодействие характеризуется  величиной на ядерных рассттояниях (порядка 10^-13 см и меньше) Оно  ответственно за распады частиц. В настоящее время известно, что оно обусловлено  обменом частицами W ^+/-  и Z^o ( индекс  сверху означает заряд в единицах заряда протона), имеющими большую массу: m_w = 81 ГэВ, m_z= 93 ГэВ и спин J = 1.  Слабое взаимодействие -
наименее симметричное по сравнению с сильным  и электромагнитным, оно нарушает  законы сохранения, свойственные  тем взаимодействиям. Особенно интересно, что слабое взаимодействие  нарушает четность: оно меняет вид при переходе  от правой системы отсчета к левой.
  Теперь можно обратиться к краткому перечислению и классификации наблюдаюшихся на сегодняшний день элементарных частиц. Их можно грубо рзделить  на три группы.

   Первую составляют частицы - переносчики взаимодействий: электромагнитного - фотон и слабого -W^+/-, Z^o Все они имеют спин j = 1 («векторные бозоны»). Фотон безмассовый,  массы W^+/- и Z^o уже приводились.Фотон участвует  в электромагнитном взаимодействии, заряженные бозоны W^+/- - в электромагнитном и слабом, нейтральный бозон 2^о - только в слабом. Разумеется все  частицы участвуют еще и в гравитационном взаимодействие.
  Вторую группу образуют лептоны,  частицы со спино 1/2, которые не участвуют в сильном взаимодействии.Они образуют три семейства ( ПОКОЛЕНИЯ):е^-,n_е  (электрон и электронное нейтрино), m^-,n_m (m - мезон и его нейтрино),  t, n_t ( t - лептон и его нейтрино). Массы всей нейтрино нулевые;m_e = 0,5 МэВ, m_m = 110 МэВ, m_r =1,7 ГэВ. Частицы разных поколений друг в другу не переходят, так что можно формально считать, что каждое из них несёт свой "лептонный заряд", который сохраняется ( например, электронный заряд, равный единице е и n_e и нулю для остальных лептонов, m - мезонный заряд, равный единице для m и n_m и нулю для остальных и т.д ).Поэтому распады более тяжёлых лептонов на лёгкие происходит по схеме u-> e^- +v_e+v_u: m - мезонный заряд сохраняется, а электронный у е и антинейтрино v_e взаимно компенсируются.
  Третью, наиболее обширную группу частиц образуют адроны, частицы,  участвующие в сильных взаимодействиях.Для них характерно наличие  семейсив одинаковых частиц с растущим спином, т.е  вращательные возбуждения.Поэтому  адроны не являются истинно элементарными  частицами. По современным  воззрениям они состоят из базистых, истинно элементарных частиц,кварков, которые, как и лептоны, имеют спин j = 1/2 и образуют три поколения  u,d c,s;(t), b. Каждый вид кварка принято  называть его ароматом, так что всего есть  шесть ароматов кварков. Первы кварки в  каждом поколении имеют = 2/3, а вторые Q = -1/3.  Кварки в свободном виде не наблюдаемы, поскольку, как предполагается, между ними действуют силы притяжени,растущие с расстоянием (наподобие сил упругости). Наблюдаемые адроны образуются из них  по двум возможным схемам: qq (g означает антикварк) и ggg. В первом случае возникают частицы с целым спином ( бозоны ), во втором - с полуцелым ( барионы ).К барионам относятся всем известный протон р = uud , n=udd. Отсюда можно заключить что масса кварков  u и  d примерно одинакова и равна-0,3 ГэВ. Анолагичные соображения позволяют оценить массы остальных кварков.Они оказываются более тяжёлыми: m_s = 0,45 ГэВ, m_c = 1,5 ГэВб, m_b =  4,5 ГэВ. Кварк t до настоящего времени не обнаружен . По-видимому,он очень тяжёлый.Во всяком случае m_{t
   В сильном взаимодействии ароматы не меняются и, кроме того, выступают совершенно одинаково.
[/sms]}