Лев Окунь. Масса, энергия, относительность. Лев борисович окунь В литературе по теории относительности обычно используются обозначения

СССР →
Россия Россия Научная сфера: Место работы: Учёная степень: Учёное звание: Альма-матер : Научный руководитель: Известные ученики:

Е.П. Шабалин, А. Д. Долгов, В. Б. Копелиович, В. А. Новиков, Н. Н. Николаев, Е. Б. Богомольный, М. Б. Волошин, М. И. Высоцкий

Награды и премии:

Вехи биографии

• Был студентом И. Я. Померанчука .
• В 1953 году окончил .
• С 1954 года работает в .
• В 1956 году защитил кандидатскую диссертацию, в - докторскую.
• В 1967 году присуждено звание профессора.
• В 1962 году предложил термин «адрон » для общего наименования элементарных частиц , подверженных сильному взаимодействию .
• 1 июля 1966 года избран членом-корреспондентом Академии наук СССР в отделение ядерной физики.
• 15 декабря 1990 года избран академиком Академии наук СССР в отделение ядерной физики по специальности «ядерная физика ».
• Профессор МФТИ. Член редколлегии журналов «Успехи физических наук », «Ядерная физика», член редколлегии информационых изданий .
• В июле 2013 года в знак протеста против планов правительства по реформе Российской академии наук (РАН) , выразившимся в проекте Федерального закона «О Российской академии наук, реорганизации государственных академий наук и внесении изменений в отдельные законодательные акты Российской Федерации» 305828-6, заявил об отказе вступить в новую «РАН», учреждаемую предлагаемым законом (см. Клуб 1 июля).

Награды, премии, почётные звания

• Премия имени Бруно Понтекорво от Объединенного института ядерных исследований (1996)
• Золотая медаль имени Л. Д. Ландау Российской академии наук (2002)
• Премия имени И. Я. Померанчука от (2008)

Библиография

• Окунь Л. Б. Слабое взаимодействие элементарных частиц. - М.: Физматгиз, 1963 г., 248 стр.
• Окунь Л. Б. Лептоны и кварки. - М.: «Наука». Главная редакция физико-математической литературы, 1981 г., 304 стр.
• Окунь Л. Б. Лептоны и кварки. - 2-е изд., переработанное и дополненное. - М.: «Наука». Главная редакция физико-математической литературы, 1990 г., 346 стр., ISBN 5-02-014027-9
• Окунь Л. Б. Альфа бета гамма … Z. Элементарное введение в физику элементарных частиц. Серия: Библиотечка «Квант». Вып. 45. - М.: «Наука». Главная редакция физико-математической литературы, 1985 г., 112 стр.
• Окунь Л. Б. Физика элементарных частиц. - 2-е изд., переработанное и дополненное. - М.: «Наука». Главная редакция физико-математической литературы, 1988 г., 272 стр., ISBN 5-02-013824-X
• Окунь Л. Б. О движении материи. - М.: «Физматлит», 2012. - 228 с., ISBN 978-5-9221-1434-9 .
• Окунь Л. Б. Азы физики. Очень краткий путеводитель. - М.: «Физматлит», 2012. - 168 с., ISBN 978-5-9221-1381-6 .
• Окунь Л. Б. Элементарное введение в физику элементарных частиц. - 3-е изд., М.: «Физматлит», 2009. 128 c., ISBN 978-5-9221-1070-9

Напишите отзыв о статье "Окунь, Лев Борисович"

Примечания

Ссылки

• на официальном сайте РАН
• М. И. Высоцкий и др. // Успехи физических наук. - 1999. - Т. 169 , № 7 . - С. 817 .
• Храмов Ю. А. Окунь Лев Борисович // Физики: Биографический справочник / Под ред. А. И. Ахиезера . - Изд. 2-е, испр. и дополн. - М .: Наука , 1983. - С. 201. - 400 с. - 200 000 экз. (в пер.)
• в журнале «Успехи физических наук »
• Окунь Лев Борисович // Большая советская энциклопедия : [в 30 т.] / гл. ред. А. М. Прохоров . - 3-е изд. - М . : Советская энциклопедия, 1969-1978.

Отрывок, характеризующий Окунь, Лев Борисович

Петя посидел несколько времени в избе, радостно вспоминая подробности своей поездки и живо представляя себе то, что будет завтра. Потом, заметив, что Денисов заснул, он встал и пошел на двор.
На дворе еще было совсем темно. Дождик прошел, но капли еще падали с деревьев. Вблизи от караулки виднелись черные фигуры казачьих шалашей и связанных вместе лошадей. За избушкой чернелись две фуры, у которых стояли лошади, и в овраге краснелся догоравший огонь. Казаки и гусары не все спали: кое где слышались, вместе с звуком падающих капель и близкого звука жевания лошадей, негромкие, как бы шепчущиеся голоса.
Петя вышел из сеней, огляделся в темноте и подошел к фурам. Под фурами храпел кто то, и вокруг них стояли, жуя овес, оседланные лошади. В темноте Петя узнал свою лошадь, которую он называл Карабахом, хотя она была малороссийская лошадь, и подошел к ней.
– Ну, Карабах, завтра послужим, – сказал он, нюхая ее ноздри и целуя ее.
– Что, барин, не спите? – сказал казак, сидевший под фурой.
– Нет; а… Лихачев, кажется, тебя звать? Ведь я сейчас только приехал. Мы ездили к французам. – И Петя подробно рассказал казаку не только свою поездку, но и то, почему он ездил и почему он считает, что лучше рисковать своей жизнью, чем делать наобум Лазаря.
– Что же, соснули бы, – сказал казак.
– Нет, я привык, – отвечал Петя. – А что, у вас кремни в пистолетах не обились? Я привез с собою. Не нужно ли? Ты возьми.
Казак высунулся из под фуры, чтобы поближе рассмотреть Петю.
– Оттого, что я привык все делать аккуратно, – сказал Петя. – Иные так, кое как, не приготовятся, потом и жалеют. Я так не люблю.
– Это точно, – сказал казак.
– Да еще вот что, пожалуйста, голубчик, наточи мне саблю; затупи… (но Петя боялся солгать) она никогда отточена не была. Можно это сделать?
– Отчего ж, можно.
Лихачев встал, порылся в вьюках, и Петя скоро услыхал воинственный звук стали о брусок. Он влез на фуру и сел на край ее. Казак под фурой точил саблю.
– А что же, спят молодцы? – сказал Петя.
– Кто спит, а кто так вот.
– Ну, а мальчик что?
– Весенний то? Он там, в сенцах, завалился. Со страху спится. Уж рад то был.
Долго после этого Петя молчал, прислушиваясь к звукам. В темноте послышались шаги и показалась черная фигура.
– Что точишь? – спросил человек, подходя к фуре.
– А вот барину наточить саблю.
– Хорошее дело, – сказал человек, который показался Пете гусаром. – У вас, что ли, чашка осталась?
– А вон у колеса.
Гусар взял чашку.
– Небось скоро свет, – проговорил он, зевая, и прошел куда то.
Петя должен бы был знать, что он в лесу, в партии Денисова, в версте от дороги, что он сидит на фуре, отбитой у французов, около которой привязаны лошади, что под ним сидит казак Лихачев и натачивает ему саблю, что большое черное пятно направо – караулка, и красное яркое пятно внизу налево – догоравший костер, что человек, приходивший за чашкой, – гусар, который хотел пить; но он ничего не знал и не хотел знать этого. Он был в волшебном царстве, в котором ничего не было похожего на действительность. Большое черное пятно, может быть, точно была караулка, а может быть, была пещера, которая вела в самую глубь земли. Красное пятно, может быть, был огонь, а может быть – глаз огромного чудовища. Может быть, он точно сидит теперь на фуре, а очень может быть, что он сидит не на фуре, а на страшно высокой башне, с которой ежели упасть, то лететь бы до земли целый день, целый месяц – все лететь и никогда не долетишь. Может быть, что под фурой сидит просто казак Лихачев, а очень может быть, что это – самый добрый, храбрый, самый чудесный, самый превосходный человек на свете, которого никто не знает. Может быть, это точно проходил гусар за водой и пошел в лощину, а может быть, он только что исчез из виду и совсем исчез, и его не было.
Что бы ни увидал теперь Петя, ничто бы не удивило его. Он был в волшебном царстве, в котором все было возможно.
Он поглядел на небо. И небо было такое же волшебное, как и земля. На небе расчищало, и над вершинами дерев быстро бежали облака, как будто открывая звезды. Иногда казалось, что на небе расчищало и показывалось черное, чистое небо. Иногда казалось, что эти черные пятна были тучки. Иногда казалось, что небо высоко, высоко поднимается над головой; иногда небо спускалось совсем, так что рукой можно было достать его.
Петя стал закрывать глаза и покачиваться.
Капли капали. Шел тихий говор. Лошади заржали и подрались. Храпел кто то.
– Ожиг, жиг, ожиг, жиг… – свистела натачиваемая сабля. И вдруг Петя услыхал стройный хор музыки, игравшей какой то неизвестный, торжественно сладкий гимн. Петя был музыкален, так же как Наташа, и больше Николая, но он никогда не учился музыке, не думал о музыке, и потому мотивы, неожиданно приходившие ему в голову, были для него особенно новы и привлекательны. Музыка играла все слышнее и слышнее. Напев разрастался, переходил из одного инструмента в другой. Происходило то, что называется фугой, хотя Петя не имел ни малейшего понятия о том, что такое фуга. Каждый инструмент, то похожий на скрипку, то на трубы – но лучше и чище, чем скрипки и трубы, – каждый инструмент играл свое и, не доиграв еще мотива, сливался с другим, начинавшим почти то же, и с третьим, и с четвертым, и все они сливались в одно и опять разбегались, и опять сливались то в торжественно церковное, то в ярко блестящее и победное.
«Ах, да, ведь это я во сне, – качнувшись наперед, сказал себе Петя. – Это у меня в ушах. А может быть, это моя музыка. Ну, опять. Валяй моя музыка! Ну!..»
Он закрыл глаза. И с разных сторон, как будто издалека, затрепетали звуки, стали слаживаться, разбегаться, сливаться, и опять все соединилось в тот же сладкий и торжественный гимн. «Ах, это прелесть что такое! Сколько хочу и как хочу», – сказал себе Петя. Он попробовал руководить этим огромным хором инструментов.
«Ну, тише, тише, замирайте теперь. – И звуки слушались его. – Ну, теперь полнее, веселее. Еще, еще радостнее. – И из неизвестной глубины поднимались усиливающиеся, торжественные звуки. – Ну, голоса, приставайте!» – приказал Петя. И сначала издалека послышались голоса мужские, потом женские. Голоса росли, росли в равномерном торжественном усилии. Пете страшно и радостно было внимать их необычайной красоте. 07.07.2009

Юбилей академика Окуня Льва Борисовича

АКАДЕМИК

Окунь Лев Борисович

В 1953 году окончил Московский инженерно-физический институт. Вся научная деятельность Л.Б. Окуня неразрывно связана с Институтом Теоретической и Экспериментальной Физики, в который он пришел в 1954 году аспирантом, более 30 лет заведовал теоретической лабораторией, и где продолжает работать как главный научный сотрудник до сих пор.

Член-корреспондент с 1966 года, академик с 1990 года – Отделение физических наук.

Л. Б. Окунь - учёный с мировым именем. Специалист по теории элементарных частиц.

Научные интересы Льва Борисовича охватывают практически всю физику элементарных частиц.

Слабые взаимодействия - тема исследований Льва Борисовича с самого начала его научной деятельности. Уже в ранней работе 1957 года (выполненной совместно с Б.Л. Иоффе и А.П. Рудиком) был получен фундаментальный вывод о том, что нарушение P-четности в $\beta$-распадах означает также нарушение C-четности. В том же году им совместно с Б.М. Понтекорво оценена величина разности масс $K_L$- и $K_S$- мезонов.

В начале семидесятых годов в рамках четырехфермионной теории в его совместных работах с В.Н. Грибовым, А.Д. Долговым и В.И. Захаровым изучается поведение слабых взаимодействий при асимптотически высоких энергиях. Новая калибровочная теория электрослабых взаимодействий описана в вышедшей в 1981 году ""Лептоны и кварки"".

В 90-е годы в цикле работ предложена новая схема учета петлевых радиационных поправок к электрослабым наблюдаемым, в частности к вероятностям распадов $Z$-бозона и проанализированы результаты прецизионных измерений на ускорителях LEP I, LEP II , Тэватрон и SLC (соавторы М.И. Высоцкий, В.А. Новиков, А.Н. Розанов).

Другая область интересов Л. Б. Окуня – сильные взаимодействия. Некоторые из полученных здесь результаты также стали классикой. В работе 1956 года была доказана знаменитая теорема Окуня -Померанчука о равенстве сечений взаимодействия частиц из одного и того же изомультиплета при асимптотически высоких энергиях. В 1958 году предложена составная модель адронов, в рамках которой предсказано существование $\eta$- и $\eta^\prime$-мезонов (сам термин ""адрон"" был введен в физику Л.Б. Окунем). В конце семидесятых годов предложены правила сумм КХД для чармония (совместно с А.И. Вайнштейном, М.Б. Волошиным, В.И. Захаровым, В.А. Новиковым и М.А. Шифманом) и написан знаменитый обзор ""Чармоний и кварки"" (1977).

Л.Б. Окунь является основателем мощной научной школы. Он подготовил 20 кандидатов и докторов наук.

Явился одним из организаторов Международного научного фонда (фонд Сороса) и Международной ассоциации поддержки и сотрудничества с учеными СНГ(ИНТАС).

В 1981 -1986 гг. Л.Б. Окунь был членом комитета по научной политике ЦЕРНа, с 1992 г. он – член научного совета ДЕЗИ.

Л.Б. Окуню присуждены премия Матеучи Итальянской академии XL (1988 г.), премия Ли Пейджа (США, 1989 г.), премия Карпинского (Германия, 1990 г.),

премия Гумбольдта (Германия, 1993 г.), премия Бруно Понтекорво (Дубна, 1996 г.), золотая медаль Ландау (2004 г.), премия Померанчука (2008 г.).

Подразделы

ОГЛАВЛЕНИЕ Предисловие к третьему изданию. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Предисловие ко второму изданию. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Предисловие к первому изданию. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Шпаргалка: частицы и взаимодействия. . . . . . . . . . . . . . . . . . Основные частицы: электрон, протон, нейтрон, фотон. . . . . . . Масса, энергия, импульс, угловой момент в механике Ньютона Масса, энергия и импульс в механике Эйнштейна. . . . . . . . . . Силы и поля. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Квантовые явления. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Атомные и ядерные реакции. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Слабое и сильное взаимодействия. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Физика высоких энергий. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Ускорители. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Античастицы. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Адроны и кварки. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Очарованные частицы. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Невылетание кварков. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Глюоны. Цвет. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Лептоны. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Поколения лептонов и кварков. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Распады лептонов и кварков. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Виртуальные частицы. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Токи. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . C -, P -, T -симметрии. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Нейтральные токи. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Предсказанные W - и Z -бозоны. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Открытие W - и Z -бозонов. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Физика на коллайдерах после Z . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . «Тихая физика» и великое объединение. . . . . . . . . . . . . . . . . . Суперобъединение? . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Космология и астрофизика. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Похвальное слово физике высоких энергий. . . . . . . . . . . . . . . 20 лет спустя. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Список литературы. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Предметный указатель. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4 4 5 8 9 12 15 20 23 27 29 33 34 37 40 43 44 47 52 53 55 61 66 71 78 80 85 93 97 104 106 109 112 122 123 ПРЕДИСЛОВИЕ К ТРЕТЬЕМУ ИЗДАНИЮ Третье издание выходит в дни, когда происходит запуск Большого Адронного Коллайдера в ЦЕРНе под Женевой. Это событие привлекает интерес широких кругов и оживленно освещается в средствах массовой информации. Возможно, эта книга поможет читателю понять, зачем построен Большой Адронный Коллайдер и на какие вопросы он должен дать ответ. В этом издании исправлены некоторые опечатки. Я глубоко благодарен М. Н. Андреевой, Е. С. Артоболевской и Е. А. Ильиной за помощь при подготовке к печати второго и третьего изданий. Москва. Ноябрь 2008 г. ПРЕДИСЛОВИЕ КО ВТОРОМУ ИЗДАНИЮ Основной текст книги потребовал лишь «косметических» поправок. Наиболее важные достижения последних двадцати лет в физике, астрофизике и космологии кратко описаны в дополнительном разделе «20 лет спустя». Все, что казалось установленным в физике 20 лет тому назад, осталось верным и сегодня. С одной стороны, это объясняется тем, что фундамент физики XX века был построен добротно. С другой стороны, сократившееся в конце века финансирование заставило убить важнейшие ускорительные проекты и тем самым не позволило проверить некоторые фундаментальные гипотезы, обсуждаемые в книге. В первую очередь, это относится к открытию (или «закрытию») бозонов Хиггса. Эта важнейшая нерешенная задача перешла к новому поколению физиков, которым, быть может, будет полезна эта книга. Если человечество вообще, и политики в особенности, сохранят крупицы здравого смысла, то решающие эксперименты в физике скажут свое слово в первой трети нового века. Москва. Октябрь 2005 г. Памяти Исаака Яковлевича Померанчука ПРЕДИСЛОВИЕ К ПЕРВОМУ ИЗДАНИЮ Эта книга посвящена физике элементарных частиц, силам, действующим между ними. Прежде всего - несколько слов о названии книги. Начало современным исследованиям фундаментальных сил между частицами положило в 1896 г. открытие радиоактивности и последовавшее затем изучение α-, β - и γ -лучей. Завершением большого периода исследований было долгожданное и тем не менее сенсационное открытие в 1983 г. W - и Z -бозонов. Отсюда заглавие книги: αβγ . . . Z. Но книга эта не об истории физики, а о ее современном состоянии и перспективах. Ведь открытие W и Z -бозонов - это одновременно и начало нового многообещающего этапа. Физика - не алфавит, и на Z ее развитие не кончается. В некотором смысле название αβγ . . . Z указывает на то, что книга является, так сказать, букварем, введением в азы современной фундаментальной физики. В основу книги легли научно-популярные лекции, которые мне приходилось время от времени читать людям, далеким от физики элементарных частиц, а иногда далеким и от физики вообще. Последняя из этих лекций состоялась летом 1983 г., сразу после открытия Z -бозона. Обдумывая заданные во время лекции вопросы, я и наметил план этой книги. Я старался написать книгу так, чтобы ее мог понять человек, окончивший или оканчивающий среднюю школу и активно интересующийся физикой. Я рассчитывал на то, что мой будущий читатель более или менее регулярно заглядывает в очередные выпуски журнала «Квант» и уже прочитал по крайней мере некоторые из книг серии «Библиотечка „Квант“». (Заметьте, что рисунок на обложке этой книги включает в себя символическое изображение α-, β - и γ -лучей с обложки первой книги, открывшей эту серию, - книги М. П. Бронштейна «Атомы и электроны».) Основная опасность, которая меня подстерегала на каждой странице, - это непроизвольное желание сообщить читателю не 6 Предисловие к первому изданию только самое главное, но и различные второстепенные детали, которые доставляют такое удовольствие специалистам и так мешают начинающим. Боюсь, что в некоторых случаях я недостаточно «прополол» текст, а в некоторых - переусердствовал. Мне самому было интересно отобрать наиболее важные сведения, безжалостно отбросив всё менее существенное. Сначала я хотел ограничиться минимумом терминов и понятий. Но по мере написания книги обнаруживалось, что без некоторых терминов, без которых я вначале надеялся обойтись, нельзя объяснить суть тех или иных явлений; поэтому к концу книга усложняется. Ведь одна из основных трудностей при знакомстве с новой областью науки - это обилие новых терминов. В помощь читателю после предисловия приведена «шпаргалка» - сводка основных понятий физики элементарных частиц. Физику элементарных частиц часто называют физикой высоких энергий. Процессы, которые изучает физика высоких энергий на первый взгляд очень необычны, их экзотические свойства поражают воображение. Вместе с тем, если вдуматься, то окажется, что в ряде отношений эти процессы отличаются от такого обыденного явления, как, скажем, горение дров, не качественно, а только количественно - величиной энерговыделения. Поэтому я начинаю книгу с элементарных вещей и, в частности, с краткого обсуждения таких, казалось бы, хорошо известных понятий, как масса, энергия и импульс. Правильное обращение с ними поможет читателю понять последующие страницы книги. Узловым понятием всей фундаментальной физики является понятие поля. Я начинаю его обсуждение с хорошо известных школьных примеров и постепенно знакомлю читателя с тем богатством удивительных свойств, которыми обладают квантованные поля. Я старался объяснить попроще то, что можно объяснить более или менее просто. Но должен подчеркнуть, что далеко не все в современной физике можно объяснить просто и что для понимания целого ряда вопросов необходима дальнейшая углубленная работа читателя уже над другими, более сложными книгами. Предварительный текст книги был закончен в октябре 1983 г. Его прочитали Л. Г. Асламазов, Я. Б. Зельдович, В. И. Кисин, А. В. Коган, В. И. Коган, А. Б. Мигдал, Б. Л. Окунь и Я. А. Смородинский. Они сделали очень полезные замечания, которые позволили мне упростить первоначальный текст, опустив ряд сравнительно сложных мест, и более подробно разъяснить ряд Предисловие к первому изданию 7 других. Я глубоко благодарен им за это. Я благодарен Э. Г. Гуляевой и И. А. Тереховой за помощь при подготовке рукописи. Я признателен Карло Руббиа за разрешение воспроизвести в книге рисунки установки, на которой были открыты промежуточные бозоны. С особой теплотой и благодарностью я хотел бы сказать здесь о моем учителе - академике Исааке Яковлевиче Померанчуке, который ввел меня в мир элементарных частиц и научил меня моей профессии. И. Я. Померанчук прожил короткую жизнь (1913–1966), но сделал необычайно много. Его работы сыграли фундаментальную роль в целом ряде разделов физики: в теории диэлектриков и металлов, в теории квантовых жидкостей, в теории ускорителей, в теории ядерных реакторов, в теории элементарных частиц. Его образ - образ человека, фанатически и бескорыстно преданного науке, человека, работавшего без устали, с острейшим интересом ко всему новому, беспощадно критичного и самокритичного, от всей души радовавшегося чужому успеху - этот образ жив в памяти всех, кто знал его. Светлой памяти Исаака Яковлевича Померанчука я посвящаю эту книгу. Москва. Сентябрь 1984 г. ШПАРГАЛКА: ЧАСТИЦЫ И ВЗАИМОДЕЙСТВИЯ Атомы состоят из электронов e, образующих оболочки, и ядер. Ядра состоят из протонов p и нейтронов n. Протоны и нейтроны состоят из кварков двух типов, u и d: p = uud, n = ddu. Свободный нейтрон испытывает бета-распад: n → pe νe , где νe - электронное антинейтрино. В основе распада нейтрона лежит распад d-кварка: d → ue νe . Притяжение электрона к ядру - пример электромагнитного взаимодействия. Взаимное притяжение кварков - пример сильного взаимодействия. Бета-распад - пример проявления слабого взаимодействия. Кроме этих трех фундаментальных взаимодействий важную роль в природе играет четвертое фундаментальное взаимодействие - гравитационное, притягивающее все частицы друг к другу. Фундаментальные взаимодействия описываются соответствующими силовыми полями. Возбуждения этих полей представляют собой частицы, которые называют фундаментальными бозонами. Электромагнитному полю отвечает фотон γ , сильному - восемь глюонов, слабому - три промежуточных бозона W + , W −, Z 0, гравитационному - гравитон. У большинства частиц есть двойники - античастицы, имеющие те же массы, но противоположные по знаку заряды (например, электрический, слабый). Частицы, совпадающие со своими античастицами, т. е. не имеющие никаких зарядов, как, например, фотон, называют истинно нейтральными. Наряду с e и νe известны еще две пары похожих на них частиц: μ, νμ и τ , ντ . Все они называются лептонами. Наряду с u- и d-кварками известны еще две пары более массивных кварков: c, s и t, b. Лептоны и кварки называют фундаментальными фермионами. Частицы, состоящие из трех кварков, называют барионами, из кварка и антикварка - мезонами. Барионы и мезоны образуют семейство сильновзаимодействующих частиц - адронов. ОСНОВНЫЕ ЧАСТИЦЫ: ЭЛЕКТРОН, ПРОТОН, НЕЙТРОН, ФОТОН Физика элементарных частиц изучает мельчайшие частицы, из которых построен окружающий нас мир и мы сами. Цель этого изучения - определить внутреннюю структуру этих частиц, исследовать процессы, в которых они участвуют, и установить законы, которые управляют течением этих процессов. Основным (но не единственным!) экспериментальным методом физики элементарных частиц является проведение опытов, в которых пучки частиц высоких энергий сталкиваются с неподвижными мишенями или друг с другом. Чем выше энергия столкновения, тем богаче процессы взаимодействия между частицами и тем больше мы можем узнать о них. Именно поэтому сегодня физика элементарных частиц и физика высоких энергий - это почти синонимы. Но мы начнем наше знакомство с частицами не с высокоэнергичных столкновений, а с обычных атомов. Хорошо известно, что вещество состоит из атомов и что атомы имеют размеры порядка 10−8 см. Размеры атомов определяются размерами их оболочек, состоящих из электронов. Однако практически вся масса атома сосредоточена в его ядре. Ядро легчайшего водородного атома содержит один протон, а оболочка - один электрон. (В одном грамме водорода содержится 6 · 1023 атомов. Следовательно, масса протона составляет примерно 1,7 · 10−24 г. Масса электрона примерно в 2000 раз меньше.) Ядра более тяжелых атомов содержат не только протоны, но и нейтроны. Электрон обозначается буквой e, протон - буквой p, а нейтрон - буквой n. В любом атоме число протонов равно числу электронов. Протон обладает положительным электрическим зарядом, электрон - отрицательным, а атом в целом электрически нейтрален. Атомы, ядра которых имеют одно и то же число протонов, но различаются числом нейтронов, называются изотопами данного 10 Основные частицы: электрон, протон, нейтрон, фотон химического элемента. Так, например, наряду с обычным водородом, существуют тяжелые изотопы водорода - дейтерий и тритий, ядра которых содержат один и два нейтрона соответственно. Эти изотопы обозначаются соответственно 1 H, 2 H, 3 H, здесь верхний индекс указывает суммарное число протонов и нейтронов в ядре. (Заметим, что ядро дейтерия называют дейтроном, а ядро трития - тритоном. Мы будем обозначать дейтрон буквой D ; иногда его обозначают d.) Обычный водород 1 H является самым распространенным элементом во Вселенной. Второе место занимает изотоп гелия 4 He, электронная оболочка которого содержит два электрона, а ядро - два протона и два нейтрона. Еще со времени открытия радиоактивности ядро изотопа 4 He получило специальное название: α-частица. Менее распространен изотоп гелия 3 He, в ядре которого два протона и только один нейтрон. Радиусы протона и нейтрона примерно равны друг другу, они порядка 10−13 см. Примерно равны друг другу и массы этих частиц: нейтрон всего на десятую процента тяжелее протона. Нейтроны и протоны довольно плотно упакованы в атомных ядрах, так что объем ядра примерно равен сумме объемов составляющих его нуклонов. (Термин «нуклон» в равной степени обозначает и протон, и нейтрон и используется в тех случаях, когда различия между этими частицами несущественны. Слово «нуклон» происходит от латинского nucleus - ядро.) Что касается размера электрона, то он до сих пор не поддается измерению. Известно только, что радиус электрона заведомо меньше 10−16 см. Поэтому обычно об электронах говорят как о точечных частицах. Иногда электроны в атомах сравнивают с планетами Солнечной системы. Это сравнение - очень неточное в целом ряде отношений. Прежде всего, движение электрона качественно отличается от движения планеты в том отношении, что для электрона определяющими являются не законы классической механики, а законы квантовой механики, о которых мы будем говорить ниже. Пока же заметим, что в результате квантовости электрона «при мгновенной фотосъемке» атома электрон с немалой вероятностью может «быть сфотографирован» в любой данный момент в любой точке внутри своей орбиты и даже вне ее, в то время как положение планеты на ее орбите, согласно законам классической механики, вычисляется однозначно и с огромной точностью. Ес- Основные частицы: электрон, протон, нейтрон, фотон 11 ли планету сравнить с идущим по рельсам трамваем, то электрон будет похож на такси. Уместно отметить здесь и ряд чисто количественных различий, разрушающих подобие между атомными электронами и планетами. Так, например, отношение радиуса электронной орбиты атома к радиусу электрона гораздо больше, чем отношение радиуса земной орбиты к собственному радиусу Земли. Электрон в атоме водорода движется со скоростью порядка одной сотой скорости света ∗) и за одну секунду успевает совершить около 1016 оборотов. Это примерно в миллион раз больше, чем число оборотов, которое успела совершить Земля вокруг Солнца за все время своего существования. Электроны на внутренних оболочках тяжелых атомов движутся еще быстрее: их скорости достигают двух третей скорости света. Скорость света в пустоте обозначается обычно буквой c. Эта фундаментальная физическая константа измерена с очень высокой точностью: c = 2,997 924 58(1,2) · 108 м/с ∗∗). Приближенно: c ≈ 300 000 км/с. Заговорив о скорости света, естественно сказать и о частицах света - фотонах. Фотон не является такой же составной частью атомов, как электроны и нуклоны. Поэтому обычно о фотонах говорят не как о частицах вещества, а как о частицах излучения. Но роль фотонов в механизме Вселенной не менее значительна, чем роль электронов и нуклонов. В зависимости от того, какова энергия фотона, он выступает в различных видах: радиоволн, инфракрасного излучения, видимого света, ультрафиолетового излучения, рентгеновского излучения, и, наконец, γ -квантов высокой энергии. Чем выше энергия квантов, тем более проникающими, или, как говорят, «жесткими» они являются, проходя даже через довольно толстые ∗) Более точно отношение скорости электрона в атоме водорода к скорости света составляет примерно 1/137. Запомните это число. С ним Вы еще не раз встретитесь на страницах этой книги. ∗∗) Здесь и далее всюду в аналогичных случаях число в скобках указывает экспериментальную неточность в последних значащих цифрах основного числа. В 1983 г. Генеральная конференция мер и весов приняла новое определение метра: это расстояние, проходимое светом в вакууме за 1/299792458 с. Таким образом, скорость света определена как 299792458 м/с. 12 Масса, энергия, импульс, угловой момент в механике Ньютона металлические экраны. В физике элементарных частиц фотоны обозначаются буквой γ независимо от их энергии. Основным отличием световых фотонов от всех других частиц является то, что они очень легко рождаются и легко уничтожаются. Достаточно чиркнуть спичкой, чтобы родить миллиарды фотонов, поставить на пути видимого света листок черной бумаги - и фотоны поглотятся в нем. Эффективность, с которой тот или иной экран поглощает, трансформирует и переизлучает падающие на него фотоны, конечно, зависит от конкретных свойств экрана и от энергии фотонов. Защититься от рентгеновских лучей и жестких γ -квантов не так просто, как от видимого света. При очень высоких энергиях различие между фотонами и другими частицами, пожалуй, не больше, чем различие этих частиц между собой. Во всяком случае, и родить и поглотить фотоны высоких энергий совсем не просто. Но чем меньшей энергией обладает фотон, чем он «мягче», тем легче его родить и уничтожить. Одной из замечательных особенностей фотонов, определяющей в значительной степени их удивительные свойства, является то, что их масса равна нулю. Для массивной частицы известно: чем меньше ее энергия, тем медленнее она движется. Массивная частица может вообще не двигаться, находиться в покое. Фотон же, как бы ни была мала его энергия, все равно движется со скоростью c. МАССА, ЭНЕРГИЯ, ИМПУЛЬС, УГЛОВОЙ МОМЕНТ В МЕХАНИКЕ НЬЮТОНА Мы уже несколько раз использовали термины «энергия» и «масса». Пришла пора более подробно разъяснить их смысл. Заодно мы поговорим о том, что такое импульс и момент импульса. Все эти физические величины - масса, энергия, импульс и момент импульса (иначе называемый угловым моментом) - играют фундаментальную роль в физике. Фундаментальная роль этих физических величин обусловлена тем, что для изолированной системы частиц, сколь бы сложными ни были их взаимодействия друг с другом, суммарная энергия и импульс системы, ее полный угловой момент и ее масса являются сохраняющимися величинами, т. е. не изменяются со временем. Масса, энергия, импульс, угловой момент в механике Ньютона 13 Начнем наше обсуждение с механики Ньютона, хорошо знакомой Вам по школьным учебникам. Рассмотрим тело массы m, движущееся со скоростью v ∗). Согласно механике Ньютона такое тело имеет импульс p = mv и кинетическую энергию T = mv2 p2 = . 2 2m Здесь v2 = vx2 + vy2 + vz2 , где vx , vy , vz - проекции вектора v соответственно на оси координат x, y , z (рис. 1). Систему координат мы можем ориентировать в пространстве произвольным образом; величина v2 при этом не изменится. В то же время и направления, и значения векторов v и p зависят от значения и направления скорости движения системы координат, в которой Вы описываете движение тела, или, как говорят, от системы отсчета. Например, в системе отсчета, связанной с Землей, Ваш дом покоится. В системе отсчета, связанной с Солнцем, он движется со скоростью 30 км/с. При описании вращательного движения тел важную роль играет величина, которая называется моментом импульса или угловым мо- Рис. 1. Проекции вектора скорости v на оси координат ментом. Рассмотрим в качестве примера простейший случай движения частицы - материальной точки - по круговой орбите радиуса r = |r| с постоянной скоростью v = |v|, где r и v - абсолютные величины векторов r и v соответственно. В этом случае угловой момент орбитального движения L по определению равен векторному произведению радиус-вектора r и импульса частицы p: L = r × p. И хотя с течением времени направления как вектора r, так и вектора p меняются, вектор L остается при этом неизменным. В этом легко убедиться, если посмотреть на рис. 2. По определению векторное произведение a × b двух векторов a и b равно вектору c, абсолютная величина которого |c| = |a||b| sin θ , где ∗) Жирными буквами здесь и в дальнейшем мы будем обозначать векторы, т. е. такие величины, которые характеризуются не только числовым значением, но и направлением в пространстве. 14 Масса, энергия, импульс, угловой момент в механике Ньютона θ - угол между векторами a и b; вектор c при этом направлен перпендикулярно плоскости, в которой лежат векторы a и b, причем так, что a, b и c образуют так называемую правую тройку (в соответствии с известным правилом буравчика (рис. 3)). В компонентах векторное произведение записывается в виде cx = ay bz − az by , cy = az bx − ax bz , cz = ax by − ay bx . Рис. 2. Орбитальный момент L при движении частицы с импульсом p по круговой орбите радиуса r Раз уж мы заговорили о векторном произведении, упомянем здесь и скалярное произведение двух векторов a и b, которое обозначают ab или a · b. По определению ab = ax bx + ay by + az bz . Легко проверить (см рис. 3), что ab = |a| |b| cos θ и что скалярное произведение не меняется при произвольных поворотах взаимно ортогональных (так называемых декартовых) осей x, y , z. Рис. 3. Вектор c - векторное произведение векторов aиb Рис. 4. Три орта Заметим, что три единичных взаимно ортогональных вектора называют ортами и обозначают обычно nx , ny , nz (рис. 4). Из определения скалярного произведения видно, что ax = anx . Для случая, изображенного на рис. 2, как нетрудно проверить, Lx = Ly = 0, Lz = |r| |p| = const . Планеты Солнечной системы движутся не по круговым, а по эллиптическим орбитам, так что расстояние от планеты до Солн- Масса, энергия и импульс в механике Эйнштейна 15 ца периодически меняется со временем. Периодически меняется со временем и абсолютная величина скорости. Но орбитальный момент планеты остается неизменным. (В качестве упражнения получите отсюда второй закон Кеплера, согласно которому радиус-вектор планеты «заметает» равные площади за равные промежутки времени). Наряду с орбитальным угловым моментом, характеризующим движение вокруг Солнца, Земля, как и другие планеты, обладает и собственным угловым моментом, характеризующим ее суточное вращение. Сохранение собственного углового момента лежит в основе использования гироскопа. Собственный угловой момент элементарных частиц носит название спин (от английского spin - вращаться). МАССА, ЭНЕРГИЯ И ИМПУЛЬС В МЕХАНИКЕ ЭЙНШТЕЙНА Механика Ньютона прекрасно описывает движение тел, когда их скорости гораздо меньше скорости света: v c. Но эта теория грубо неправильна, когда скорость движения тела v порядка скорости света c и тем более когда v = c. Если Вы хотите уметь описывать движения тел с любыми скоростями, вплоть до скорости света, Вам следует обратиться к специальной теории относительности, к механике Эйнштейна, или, как ее еще называют, релятивистской механике. Нерелятивистская механика Ньютона является лишь частным (хотя практически очень важным) предельным случаем релятивистской механики Эйнштейна. Термины «относительность» и (что то же самое) «релятивизм» восходят к принципу относительности Галилея. В одной из своих книг Галилей очень красочно объясняет, что никакими механическими опытами внутри корабля нельзя установить, покоится он или равномерно движется относительно берега. Разумеется, это нетрудно сделать, если взглянуть на берег. Но, находясь в каюте и не глядя в иллюминатор, обнаружить равномерное и прямолинейное движение корабля невозможно. Математически принцип относительности Галилея выражается в том, что уравнения движения тел - уравнения механики одинаково выглядят в так называемых инерциальных системах координат, т. е. в системах координат, связанных с телами, которые движутся равномерно и прямолинейно относительно очень 16 Масса, энергия и импульс в механике Эйнштейна далеких от нас звезд. (В случае корабля Галилея, разумеется, не принимаются во внимание ни суточное вращение Земли, ни ее вращение вокруг Солнца, ни вращение Солнца вокруг центра нашей Галактики.) Важнейшей заслугой Эйнштейна явилось то, что он распространил принцип относительности Галилея на все физические явления, в том числе и на электрические и оптические, в которых участвуют фотоны. Это потребовало существенных изменений во взглядах на такие фундаментальные понятия, как пространство, время, масса, импульс, энергия. В частности, наряду с понятием кинетической энергии T было введено понятие полной энергии E: E = E0 + T , где E0 - энергия покоя, связанная с массой m тела знаменитой формулой E0 = mc2. Для фотона, масса которого равна нулю, равна нулю и энергия покоя E0 . Фотону «покой лишь только снится»: он всегда движется со скоростью c. У других частиц, таких, как электроны и нуклоны, у которых масса отлична от нуля, отлична от нуля и энергия покоя. Для свободных частиц с m = 0 соотношения между энергией и скоростью и импульсом и скоростью в механике Эйнштейна имеют вид mc2 Ev E= , p= 2 . 1 − v 2 /c2 c Так что выполняется соотношение m2 c4 = E 2 − p2 c2 . Каждый из двух членов в правой части этого равенства тем больше, чем быстрее движется тело, но их разность остается неизменной, или, как говорят обычно физики, инвариантной. Масса тела является релятивистским инвариантом, она не зависит от системы координат, в которой рассматривается движение тела. Легко проверить, что эйнштейновские, релятивистские выражения для импульса и энергии переходят в соответствующие ньютоновские, нерелятивистские выражения, когда v/c 1. Действительно, в этом случае, разлагая правую часть соотноше- Масса, энергия и импульс в механике Эйнштейна ния E = mc2 1− 17 в ряд по малому параметру v 2 /c2 , нетрудно v 2 /c2 получить выражение 1 v2 3 v2 2 . E = mc2 1 + + + . . . 2 2 2 c 8 c Здесь точки означают члены более высокого порядка по параметру v 2 /c2 . При x 1 функцию f (x) можно разложить в ряд по малому параметру x. Дифференцируя левую и правую части соотношения f (x) = f (0) + xf (0) + x2 x3 f (0) + f (0) + . . . 2! 3! и рассматривая каждый раз результат при x = 0, нетрудно убедиться в его справедливости (при x 1 отброшенные члены малы). В интересующем нас случае f (x) = (1 − x)−1/2 , 1 (1 − x)−3/2 , 2 3 f (x) = (1 − x)−5/2 , 4 f (x) = f (0) = 1, 1 2 3 f (0) = . 4 f (0) = , Заметим, что для Земли, движущейся по орбите со скоростью 30 км/с, параметр v 2 /c2 составляет 10−8. Для самолета, летящего со скоростью 1000 км/ч, этот параметр еще меньше, v 2 /c2 ≈ 10−12 . Так что для самолета, с точностью порядка 10−12, выполняются нерелятивистские соотношения T = mv 2 /2, p = mv и релятивистскими поправками можно спокойно пренебречь. Вернемся к формуле, связывающей квадрат массы с квадратом энергии и импульса, и запишем ее в виде E 2 m 2 c2 = − p2x − p2y − p2z . c То обстоятельство, что левая часть этого равенства не меняется при переходе от одной инерциальной системы к другой, аналогично тому, что квадрат импульса p2 = p2x + p2y + p2z , 18 Масса, энергия и импульс в механике Эйнштейна как и квадрат любого трехмерного вектора, не меняется при вращениях системы координат (см. выше рис. 1) в обычном евклидовом пространстве. Опираясь на эту аналогию, говорят, что величина m2 c2 представляет собой квадрат четырехмерного вектора - четырехмерного импульса pμ (индекс μ принимает четыре значения: μ = 0, 1, 2, 3): p0 = E/c, p1 = px , p2 = py , p3 = pz . О пространстве, в котором определен вектор pμ = (p0 , p), говорят, что оно псевдоевклидово. Приставка «псевдо» означает в данном случае, что инвариантом является не сумма квадратов всех четырех компонент, а выражение p20 − p21 − p22 − p23 . Преобразования, связывающие между собой временные и пространственные координаты двух различных инерциальных систем, называются преобразованиями Лоренца. Мы не будем их здесь приводить, отметим лишь, что если между двумя событиями была дистанция во времени t и в пространстве r, то только величина s, называемая интервалом: s = (ct)2 − r2 , не изменяется при преобразованиях Лоренца, т. е. является лоренцевым инвариантом. Подчеркнем, что ни t, ни r сами по себе инвариантами не являются. Если s > 0, то интервал называют времениподобным, если s < 0, то - пространственноподобным, если s = 0, то - светоподобным. Если s < 0, то два пространственно разделенных события могут быть одновременными в одной системе координат и неодновременными в другой. Рассмотрим теперь систему n свободных, не взаимодействующих между собой частиц. Пусть Ei - энергия i-й частицы, pi - импульс, а mi - ее масса. Суммарная энергия и импульс системы соответственно равны E= n Ei , i=1 p= n i=1 Из определения массы системы, M2 = E2 p2 − , c4 c2 pi . Масса, энергия и импульс в механике Эйнштейна 19 следует, что масса системы, вообще говоря, не равна сумме масс составляющих ее частиц. В нашей нерелятивистской повседневной жизни мы привыкли к тому, что M = n mi . Но для быстрых частиц это равенство, i=1 как правило, не выполняется. Так, суммарная масса двух электронов, летящих навстречу друг другу с равными по абсолютной величине импульсами, равна 2E/c2, где E - энергия каждого из них, и в экспериментах на электронных ускорителях на много порядков превышает величину 2me , где me - масса электрона. Уместно завершить этот раздел некоторыми замечаниями, относящимися к терминологии. В некоторых книгах и научно-популярных статьях можно встретить термины «масса покоя» m0 и «масса движения», или, что то же самое, «релятивистская масса» m, которая растет с ростом скорости тела. Под массой покоя m0 подразумевается при этом та физическая величина, которую мы выше назвали просто массой и обозначили m. Под релятивистской массой m подразумевается энергия тела, деленная на квадрат скорости света: m = E/c2 (разумеется, эта величина растет с ростом скорости тела). Такая устаревшая и по существу неадекватная терминология была распространена в начале XX века, когда по каким-то чисто психологическим причинам казалось желательным сохранить ньютоновское соотношение между импульсом, массой и скоростью: p = mv. В настоящее время, в начале XXI века, эта терминология является архаизмом, который только затемняет смысл релятивистской механики для тех, кто недостаточно овладел ее основами. Следует подчеркнуть, что в релятивистской механике масса m не играет ни роли коэффициента между силой и ускорением (инертная масса), ни роли коэффициента, определяющего действие на тело гравитационного поля (гравитационная масса). Связь между силой F и ускорением dv/dt можно найти из приведенного выше выражения для импульса: p= mv 1 − v 2 /c2 , если учесть, что F = dp/dt. Известная из школьных учебников формула F = ma получается отсюда лишь в нерелятивистском пределе. Что касается гравитационного притяжения, то и здесь 20 Силы и поля масса ни при чем. Так, экспериментально установлено, что обладающий нулевой массой фотон отклоняется в гравитационном поле. Другой пример неудачной терминологии - это часто встречающееся утверждение о том, что в физике высоких энергий и в ядерной физике осуществляются якобы переходы энергии в массу и массы в энергию. Как уже было сказано выше, энергия строго сохраняется. Энергия ни во что не переходит. Происходят лишь взаимные превращения различных частиц. Многочисленные примеры процессов, в которых происходят эти превращения, будут рассмотрены на последующих страницах книги. Суть дела можно понять на примере химической реакции соединения углерода и кислорода, проявление которой можно наблюдать, глядя на тлеющие угли костра: C + O2 → CO2 + фотоны. Кинетическая энергия фотонов и молекул CO2 возникает в этой реакции за счет того, что сумма масс атома C и молекулы O2 несколько превышает массу молекулы CO2 . Таким образом, если у исходных компонентов реакции вся энергия находится в форме энергии покоя, то у конечных продуктов она представляет собой сумму энергии покоя и кинетической энергии. Итак, энергия сохраняется, меняются лишь ее носители, меняется форма, в которой она проявляется. СИЛЫ И ПОЛЯ Энергия и импульс свободно движущегося тела не меняются со временем. Но при взаимодействии двух или большего числа тел импульс (и, вообще говоря, и энергия) каждого из них претерпевает изменение. Для того чтобы произошло такое изменение, совершенно не обязательно, чтобы тела пришли в непосредственное соприкосновение, столкнулись. Они могут действовать друг на друга и на расстоянии. Так, например, Земля и спутник взаимно притягивают друг друга, в результате чего их импульсы все время меняются. Изменения импульсов у них равны и противоположны, так что полный импульс системы не меняется. (Мы замечаем изменение импульса спутника и не замечаем изменения импульса Земли, потому что масса Земли очень велика по сравнению с массой Силы и поля 21 спутника, а изменение скорости тела при данном изменении импульса обратно пропорционально массе.) Примерно так же действуют друг на друга протон и электрон в атоме водорода. Между Землей и спутником действует так называемое гравитационное (ньютоновское) притяжение, между протоном и электроном - электрическое (кулоновское). В обоих случаях сила притяжения обратно пропорциональна квадрату расстояния. Тела действуют друг на друга на расстоянии, создавая вокруг себя силовые поля. Другим хорошо известным примером силового поля является магнитное поле, например, магнитное поле Земли, действующее на стрелку компаса. Находясь в силовом поле, частица наряду с энергией покоя E0 и кинетической энергией T обладает еще и потенциальной энергией U. Так что полная энергия в этом случае является суммой не двух, а трех слагаемых: E = E0 + T + U. Потенциальная энергия равна со знаком минус работе, которую надо затратить, чтобы развести два покоящихся взаимодействующих тела на такие большие расстояния, где их воздействие друг на друга становится пренебрежимо малым. Из этого определения следует, что потенциальная энергия в случае притяжения отрицательна. Здесь уместно сделать отступление и сказать о единицах энергии и массы. Единицей энергии в физике частиц служит электрон-вольт (эВ) и его производные 1 кэВ = 103 эВ, 1 МэВ = 106 эВ, 1 ГэВ = 109 эВ, 1 ТэВ = 1012 эВ. Один электрон-вольт равен энергии, которую приобретает электрон, проходя разность потенциалов в один вольт. Если учесть, что 1 Дж = · = 1 Кл · 1 В и что один кулон равен суммарному заряду примерно 6 × × 1018 электронов, то нетрудно получить 1 эВ ≈ 1,6 · 10−19 Дж. Отметим, что вольт, кулон и джоуль являются единицами международной системы единиц СИ (Systèm International d’Unités). Электрон-вольт служит в физике элементарных частиц и единицей массы. Более точно было бы сказать, что единицей массы служит величина 1 эВ/ с2, где c - скорость света: 1 эВ/c2 ≈ 1,8 · 10−33 г. Но физики, имеющие дело с элементарными частицами, как правило, используют c в качестве единицы скорости и предпочитают ве- 22 Силы и поля личину c опускать, поскольку c/c = 1. Зачастую такую систему на физическом жаргоне называют системой c = 1. Так, масса электрона me ≈ 0,511 МэВ, масса протона mp ≈ 938,28 МэВ, масса нейтрона mn ≈ 939,57 МэВ. Вернемся теперь к движению тел в поле центральных сил, обратно пропорциональных квадрату расстояния до центра системы. Используя уравнение нерелятивистской механики, нетрудно убедиться, что при стационарном движении спутника по круговой орбите вокруг Земли или электрона вокруг атомного ядра потенциальная энергия по абсолютной величине в два раза больше кинетической: U = −2T. Действительно, ньютоновская потенциальная энергия U =− GN M m , r здесь r - расстояние от спутника до центра Земли, m - масса спутника, M - масса Земли, а GN - константа Ньютона (в единицах СИ GN = 6,7 · 10−11 м3 · кг−1 · с−2 , но для наших рассуждений числовое значение GN несущественно). Сила гравитационного притяжения спутника Земли F = = GN M m/r2, а его центростремительное ускорение равно v 2 /r. Учитывая, что кинетическая энергия спутника T = mv 2 /2, получаем T = GN M m 2r и, следовательно, T = Рис. 5. Соотношение между кинетической энергией T и потенциальной энергией U спутника, ε - энергия связи 1 |U |. 2 Зависимость U от r и соотношение между U и T приведены на рис. 5. На рисунке изображена также величина ε, называемая энергией связи. По определению энергия связи ε равна ε = − (U + T) . Для ньютоновского потенциала ε = 1 = − U = T. Мы видим, что масса системы «спутник + Земля» 2 меньше, чем сумма масс спутника и Земли на ε/c2. Значение энергии связи тем больше, чем ближе к Земле спутник. Квантовые явления 23 Аналогичным образом масса атома водорода меньше, чем сумма масс электрона и протона, и тоже зависит от того, на каком среднем расстоянии r от ядра движется электрон. Соответствующая разность масс носит название дефекта массы (умноженная на c2 она равна энергии связи электрона). КВАНТОВЫЕ ЯВЛЕНИЯ В случае атома мы говорим о среднем расстоянии между электроном и ядром, а не о радиусе орбиты, потому что, как уже упоминалось выше, в силу законов квантовой механики, электрон в атоме, в отличие от спутника, не имеет определенной орбиты. В отличие от энергии спутника, энергия электрона в атоме, а следовательно, и масса атома могут принимать лишь дискретный (не непрерывный) набор значений. Этого требует квантовая механика, законам которой подчиняется движение мельчайших частиц материи. Важную роль в квантовой механике играет физическая величина S , называемая действием. Размерность действия равна произведению размерностей энергии и времени: [S] = [E] [t] ; здесь скобки означают размерность заключенной в них величины. Поскольку [E] = [m] l2 t−2 , где l - длина, a m - масса, то легко убедиться, что [S] = [m] l2 t−1 . Подобно тому, как в теории относительности фундаментальной константой является скорость света c, так в квантовой механике фундаментальной константой является квант действия h̄ (его называют также постоянной Планка): h̄ = 1,054 588 7 (57) · 10−34 Дж · с. Глядя на это число, нетрудно осознать, что для всех макроскопических процессов значение S колоссально по сравнению с h̄. Именно поэтому макроскопические процессы так хорошо описываются классической механикой и квантовые эффекты в них пренебрежимо малы. 24 Квантовые явления Однако для электронов в атомах действие S - порядка h̄, и квантовые эффекты становятся определяющими. Одним из ярких проявлений квантовой механики является так называемое квантование углового момента. Нетрудно проверить, что угловой момент имеет ту же размерность, что и постоянная Планка. Так вот, согласно квантовой механике, угловой момент орбитального движения частиц может принимать лишь значения, кратные h̄. В нашей обыденной жизни мы не можем заметить этой дискретности углового момента, потому что угловые моменты макроскопических тел выражаются в единицах h̄ поистине астрономическими числами, и точность макроскопических измерений недостаточна, чтобы можно было, скажем, у обычного детского волчка (юлы) обнаружить дискретность углового момента. Но для электронов в атомах величина h̄ является естественной единицей измерения углового момента. Наинизшее орбитальное состояние электрона имеет нулевой угловой орбитальный момент, L = 0, более высоким состояниям соответствуют L = h̄, 2h̄ и т. д. Как ни парадоксально это звучит, но «квантованными величинами» являются не только сам угловой момент lh̄, но и его проекции на оси координат, которые могут принимать лишь целые значения от −lh̄ до +lh̄. Наряду с орбитальным угловым моментом элементарные частицы имеют и определенные значения собственного углового момента - спина. Значения спина кратны h̄/2. Так, у электрона и нуклонов спин равен 1/2 (в единицах h̄), у фотона он равен 1. Частицы с полуцелыми (в единицах h̄) значениями спина называются фермионами, а с целыми - бозонами (в честь итальянского физика Э. Ферми и индийского физика Ш. Бозе). Фермионы - «индивидуалисты», бозоны - «коллективисты»: на данном энергетическом уровне может находиться не более одного фермиона с данной проекцией спина. Именно этим объясняется то, что электроны в атомах не сидят все на самом нижнем энергетическом уровне, а по мере роста заряда ядра заполняют все более далекие от ядра оболочки, формируя таким образом таблицу Менделеева. Бозоны, наоборот, все стремятся попасть в одно и то же состояние. Заметим попутно, что это свойство бозонов служит причиной сверхтекучести гелия (спин атома гелия равен нулю); это же свойство бозонов лежит в основе действия лазера. Квантовые явления 25 Квантование углового момента является лишь одним из многочисленных проявлений квантовой природы микрочастиц. Здесь следует подчеркнуть, что, внеся жесткую дискретность в одни классические величины (дискретные уровни энергии, квантование углового момента), квантовая механика, вместе с тем, потребовала отказа от классической детерминированности целого ряда других величин, которые приобрели в ней вероятностный характер. В частности, вероятностный характер приобрело понятие траектории частицы. Место траектории - величины однозначной в классической механике - заняла сумма по путям. Вероятностный, статистический характер имеют также и такие понятия, как время жизни возбужденного уровня атома и сечение - величина, имеющая размерность площади и характеризующая вероятность того или иного процесса, который может произойти в результате столкновения частиц. В квантовой механике частицы описываются так называемыми волновыми функциями. Вообще, микрочастицы являются своеобразными «кентаврами», соединяющими в себе и свойства корпускул, т. е. частиц, и свойства волн. Проще всего наблюдать эту корпускулярноволновую двойственность (или как говорят, корпускулярно-волновой дуализм) у фотонов. С одной стороны, при столкновении фотона с электроном фотон не в меньшей степени, чем электрон, ведет себя как частица, отскакивая в определенном направлении, с определенной энергией в соответствии с тем, каков импульс отдачи электрона. С другой стороны, фотон с импульсом p ведет себя и как волна с длиной волны λ = h̄/|p|. Волновые свойства фотонов особенно ярко проявляются в таких явлениях, как дифракция и интерференция света. То же самое соотношение между длиной волны и импульсом, λ = h̄/|p|, характеризует не только фотоны, но и все другие частицы: электроны, протоны, нейтроны, а также конгломераты частиц: атомы, молекулы, автомобили. . . Но чем тяжелее тело, тем больше его импульс, тем меньше его длина волны и, следовательно, тем труднее обнаружить его волновые свойства. Ярким выражением корпускулярно-волновой природы частиц является соотношение неопределенности, связывающее между собой неопределенности в координате и импульсе частицы: Δr Δp h̄. 26 Квантовые явления Чем меньше область, в которой движется частица, тем больше неопределенность в ее импульсе. По существу, именно это обстоятельство и приводит к тому, что в каждом атоме существует наинизшее энергетическое состояние с ненулевой кинетической энергией: оно называется основным. Действительно, при заданных размерах атома импульс, а следовательно, и кинетическая энергия электрона не могут быть сколь угодно малыми. Используя соотношение неопределенности, можно оценить порядок величины энергии связи ε электрона, находящегося на основном уровне атома водорода. Запишем выражение для потенциальной U и кинетической T энергии электрона: e2 r U =− , T = p2 . 2me Полагая в соответствии с соотношением неопределенности p ≈ h̄/r и учитывая (см рис. 5), что 2T = |U |, получим h̄2 e2 ≈ , r r me 2 откуда r ≈ h̄2 e me 2 и для энергии связи ε имеем следующую оценку: ε=T ≈ e4 me . 2h̄2 По счастливой случайности наши грубые оценки r и ε совпали с округленными величинами общепринятых значений радиуса атома водорода (так называемого боровского радиуса r0) и энергии связи атома водорода ε0: r0 = h̄2 = 0,529 177 210 8(18) · 10−10 м, e2 me ε0 = e4 me = 13,605 692 3(12) эВ. 2h̄2 Если ввести безразмерную величину α = e2 /h̄c, то получим ε0 = 1 2 α m e c2 , 2 r0 = 1 h̄ . α me c (Отношение h̄/me c = 3,861 592 678(26) · 10−13 м принято называть комптоновской длиной волны электрона). Величина α получила в атомной физике название «постоянной тонкой структуры» и имеет значение α = 1/137,035 999 11(46). Атомные и ядерные реакции 27 Теперь нетрудно оценить и скорость электрона в атоме водорода. Она, как уже было сказано (см. с. 11), действительно составляет примерно 1/137 скорости света. При столкновениях атома с другими атомами или при облучении атома ультрафиолетовым излучением электрон либо может быть выбит из атома (это называется ионизацией атома), либо может перейти на какой-либо из более высокорасположенных уровней (это называется возбуждением атома). Энергия связи n-го возбужденного уровня атома водорода εn выражается через энергию связи основного уровня ε0 следующим образом: εn = ε0 (n + 1)−2 , где n = 1, 2, 3, . . . Дискретные уровни характерны, разумеется, не только для электронов в атоме, но и для атомов в молекулах (здесь расстояния между уровнями существенно меньше, чем в атомах), и для нуклонов в атомных ядрах (здесь расстояния между уровнями гораздо больше, чем в атомах). Итак, каждая молекула, каждый атом, каждое атомное ядро (за исключением самых простейших - протона и дейтрона) имеют, наряду с основным состоянием, набор дискретных возбужденных состояний. Из сказанного выше ясно, что массы молекул, атомов, ядер в возбужденных состояниях превышают их массы в основном состоянии. АТОМНЫЕ И ЯДЕРНЫЕ РЕАКЦИИ Вы уже знаете, что когда горит костер, атомы углерода и водорода, входящие в состав древесины, соединяются с атомами кислорода из воздуха, и образуются соответственно углекислый газ и вода. Сумма масс молекул, вступающих в реакцию горения, больше, чем сумма масс образовавшихся молекул. В силу сохранения энергии, кинетическая энергия продуктов горения должна быть больше, чем кинетическая энергия молекул, вступающих в реакцию. Этот избыток кинетической энергии мы воспринимаем как выделение тепла при горении. Неправильно было бы говорить, что при этом происходит превращение массы в энергию. Правильнее было бы сказать, что часть массы превращается в кинетическую энергию. И совсем правильно было бы сказать, что энергия переходит из одной формы (энергии покоя) 28 Атомные и ядерные реакции в другую форму (кинетическую энергию). Заметьте, что полная масса системы не меняется. Когда в листьях растений под действием солнечных лучей углекислый газ и вода превращаются в органические соединения и кислород, то масса возрастает. Необходимая для этого энергия поставляется Солнцем - это кинетическая энергия солнечных фотонов. В течение всей предшествующей истории человечества именно Солнце в конечном счете являлось поставщиком энергии, использовавшейся людьми. А что является источником энергии самого Солнца? Таких источников два: во-первых, гравитационное сжатие, во-вторых, препятствующие этому сжатию ядерные реакции, в которых суммарная масса возникших в реакции ядер меньше, чем суммарная масса ядер, вступивших в реакцию. Разность масс (разность энергий покоя) равна избыточной кинетической энергии образовавшихся при этом частиц. Солнце излучает эту энергию в пространство, в основном - в виде фотонов. Когда атомы сталкиваются друг с другом с достаточно высокими скоростями, они возбуждаются; электроны в них переходят на возбужденные уровни и массы атомов возрастают. Атом не может долго находиться в возбужденном состоянии: через некоторое время он испускает фотон и переходит в основное состояние. Фотоны излучаются атомными электронами, переходящими с одной орбиты на другую. Очень важно осознать, что фотон, излучаемый атомом, не хранился в нем до этого, а рождается в момент излучения. Изменение движения электрических зарядов (электронов) вызывает возбуждение электромагнитного поля, квантами, «порциями» которого являются фотоны. Точно так же не хранятся фотоны и в раскаленной нити электрической лампочки. Они рождаются и излучаются «разогретыми» электронами. Энергия E фотона связана с его частотой ω соотношением E = h̄ω. Если учесть, что длина волны света и его частота связаны соотношением λ = ωc, то мы увидим, что квант света определенной длины волны имеет строго определенную энергию. Поле покоящегося электрического заряда - чисто статическое, это - так называемое кулоновское поле. Но поле движущегося заряда содержит возбуждения с ненулевой частотой. При изменении скорости заряда эти возбуждения как бы «стряхиваются» и вылетают в виде свободных фотонов. Слабое и сильное взаимодействия 29 Возбужденные атомы излучают не только видимый свет. Если атом тяжелый и возбуждены в нем внутренние, быстро движущиеся электроны, то при его высвечивании испускаются рентгеновские лучи. Аналогично атомам излучают фотоны и возбужденные ядра. Только фотоны, испускаемые ядрами (ядерные γ -кванты), гораздо энергичнее атомных фотонов. (Если энергия связи электрона в атоме водорода составляет 13,6 эВ, то энергия связи нуклона в ядре в среднем равна примерно 8 МэВ.) При достаточно большой энергии возбуждения ядра могут излучать и другие частицы, а не только фотоны. Разнообразие таких ядерных реакций очень велико. Но все их можно разбить на два больших класса. К одному классу принадлежат такие реакции, когда из ядра вылетают одиночные нуклоны или даже целые сгустки нуклонов - ядерные осколки. Это происходит, например, при α-распаде (напомним, что α-частица - это ядро атома гелия) или при делении урана. К другому классу принадлежат такие реакции, в которых избыточная энергия нестабильного ядра уносится частицами, которых до момента излучения в ядре не было. Простейший пример этого, второго, класса реакций - испускание фотонов. Сейчас мы познакомимся с другим явлением - испусканием ядрами пары частиц: электрона и нейтрино (более точно: электрона и антинейтрино). Это явление было открыто в конце XIX века и было названо β -распадом. СЛАБОЕ И СИЛЬНОЕ ВЗАИМОДЕЙСТВИЯ Природа частиц, испускаемых при β -распаде, была установлена далеко не сразу. Одна из этих частиц электрически заряжена, вторая - электрически нейтральна. До тех пор, пока не установили, что заряженная частица - это электрон, ее называли β -частицей. (Сам электрон был открыт незадолго до открытия β -распада.) Вообще, после открытия радиоактивности довольно быстро установили, что есть три типа радиоактивного распада: α, β , γ. Мы знаем теперь, что α-лучи - это ядра гелия, β -лучи - это электроны, а γ -лучи - ядерные γ -кванты. В начале 30-х годов стало ясно, что при β -распаде испускается не только электрон, но и еще какая-то частица, не имеющая заряда. Ее назвали нейтрино (по-итальянски это означает «нейтрончик»). 30 Слабое и сильное взаимодействия Простейшим примером β -распада является распад свободного нейтрона (рис. 6), при котором нейтрон превращается в протон, испуская электрон и нейтрино (более точно - антинейтрино ∗), смысл приставки «анти» мы поясним через некоторое время): n → p + e− + ν. Распад нейтрона возможен потому, что масса нейтрона превышает сумму масс протона, электрона и антинейтриРис. 6. β -распад нейтрона но. Как и в случае испускания γ -кванта возбужденным ядром, частицы, возникающие при β -распаде нейтрона, не «сидели в нем» заранее, они рождаются в момент распада, «стряхиваются» с него. Но если при изменении состояния атомного электрона излучается одна частица - фотон, то при превращении нейтрона в протон излучается сразу пара частиц: электрон плюс антинейтрино. С точки зрения энергетики процесс β -распада не отличается от других процессов, которые мы рассматривали выше. И тем не менее, в нем мы имеем дело с фундаментальными силами, с которыми мы до сих пор на страницах этой книги не встречались. Выше мы говорили о гравитационном взаимодействии. Говорили о различных проявлениях электромагнитного взаимодействия, в частности, о притяжении разноименно заряженных частиц и об испускании и поглощении фотонов. Неявно касались мы и так называемого сильного взаимодействия, притягивающего друг к другу нуклоны в ядре. Сильным это взаимодействие назвали потому, что ядерные силы гораздо интенсивнее электромагнитных, о чем свидетельствует большая энергия связи нуклонов в ядре. В β -распаде мы сталкиваемся с проявлением четвертого типа фундаментальных сил - так называемого слабого взаимодействия. Слабым его назвали потому, что в каждодневной жизни его проявления кажутся пренебрежимо слабыми, и потому, что в атомах и ядрах оно действует гораздо слабее, чем сильное и электромагнитное взаимодействия; а обусловленные им процессы имеют меньшие вероятности и, следовательно, протекают медленнее. ∗) Нейтрино обозначают обычно греческой буквой ν (ню). Для обозначения антинейтрино над буквой ν ставят знак тильда: ν. Слабое и сильное взаимодействия 31 Как известно, в магнитном поле γ -лучи вообще не отклоняются, а α- и β -лучи отклоняются в противоположные стороны, как это изображено на рисунке на обложке этой книги. Мне вспоминается одно из долгих вечерних обсуждений судеб физики, которые много лет назад время от времени устраивал со своими учениками и сотрудниками руководитель теоретического отдела Института теоретической и экспериментальной физики академик И. Я. Померанчук. Во время этого обсуждения широко известный специалист по квантовой электродинамике В. Б. Берестецкий заметил, что упомянутый рисунок, вошедший во все школьные учебники, может служить символом трех фундаментальных взаимодействий: ведь α-распад - это проявление сильного взаимодействия, β -распад - слабого, а γ -распад - электромагнитного. В первые десятилетия прошлого века физика каждого из этих взаимодействий оформилась в отдельную науку. В настоящее время происходит синтез этих наук, об этом речь пойдет в конце книги. А пока продолжим разговор о β -распаде. На первый взгляд может показаться, что мир вообще и человечество в частности вполне могли бы обойтись без слабого взаимодействия. Ведь β -распад - это довольно экзотическое явление. Но такое заключение о несущественности слабого взаимодействия было бы глубоко ошибочным. Достаточно сказать, что если бы удалось «выключить» слабое взаимодействие, то погасло бы наше Солнце. Дело в том, что узловым процессом, открывающим путь к дальнейшим ядерным реакциям на Солнце, является процесс, в котором два протона и электрон превращаются в дейтрон D и нейтрино νe . Заметим, что одноступенчатое превращение (рис. 7) p + p + e− → D + ν происходит лишь в 0,25 % всех случаев В 99,75 % случаев реакция идет в две ступени. На первом этапе рождается позитрон e+ в реакции (рис. 8) p + p → D + ν + e+. На втором этапе происходит реакция аннигиляции в фотоны позитрона и одного из солнечных электронов e+ + e− → 2γ или 3γ. 32 Слабое и сильное взаимодействия Рис. 7. Слабая реакция p + p + e− → D + ν Рис. 8. Слабая реакция p + p → D + ν + e+ Более подробно о позитронах и аннигиляции будет сказано ниже (см. раздел «Античастицы»). Напомним, что дейтрон D - это ядро дейтерия, тяжелого изотопа водорода, представляющее собой связанное состояние протона и нейтрона. На рис. 7 и 8 волнистые линии условно изображают сильное ядерное взаимодействие, связывающее протон и нейтрон в дейтроне. Энергия связи дейтрона составляет примерно 2,2 МэВ. Если учесть, что масса нейтрона на 1,3 МэВ больше массы протона, масса позитрона составляет 0,5 МэВ, а масса нейтрино пренебрежимо мала, то нетрудно оценить энерговыделение в процессе, изображенном на рис. 8. Оно составляет всего 0,4 МэВ. Описанный выше слабый процесс, который в некотором смысле можно считать процессом, обратным β -распаду нейтрона, является основным поставщиком солнечных нейтрино. Однако мы только что убедились, что кинетическая энергия, выделенная в этом процессе, сравнительно невелика. Основное выделение тепла происходит за счет дальнейшего превращения двух ядер дейтерия в ядро гелия, содержащее два протона и два нейтрона. В основном это превращение происходит за счет двух реакций: D + p → 3 He + γ + 5,5 МэВ, 3 He + 3 He → 4 He + 2p + 12,9 МэВ. В первой из них работает как сильное, так и электромагнитное взаимодействие (в ней испускается γ -квант), во второй - только сильное взаимодействие. Большее энерговыделение во второй реакции связано с тем, что нуклоны в α-частице плотно упакованы и обладают большей энергией связи. Подобные реакции слияния ядер называются термоядерными, поскольку они идут только при высокой температуре. Высокая Физика высоких энергий 33 температура необходима для того, чтобы ядра могли вплотную подойти друг к другу. Ведь, как известно, одноименные электрические заряды отталкиваются. Чтобы ядра могли преодолеть это электрическое отталкивание и сблизиться на расстояние порядка 10−13 см, им надо сообщить достаточно большую кинетическую энергию. Основная надежда человечества и основная угроза самому его существованию связаны с термоядерными реакциями. Если бы удалось осуществить управляемые термоядерные реакции в промышленных условиях, то это дало бы доступ к огромным запасам энергии и навсегда (в современных масштабах) избавило бы человечество от угрозы энергетического кризиса. С другой стороны, если взорвутся те огромные запасы водородных бомб, которые накоплены и продолжают накапливаться в ядерных арсеналах все большего числа стран, то человечество будет уничтожено. ФИЗИКА ВЫСОКИХ ЭНЕРГИЙ До сих пор мы были только на подступах к основной теме этой книги. Предмет нашего изучения - физика частиц высоких энергий - не имеет никакого отношения ни к атомным электростанциям, ни к атомным бомбам. Цель физики высоких энергий - выяснение природы фундаментальных сил и структуры элементарных частиц. Такое подробное введение нам понадобилось потому, что «нельзя получить высшего образования, не имея до этого низшего». Кроме того, в процессах при высоких энергиях имеется много общего с процессами при низких энергиях. (Энергии термоядерных реакций, если сравнить их с тем, что сегодня называют высокими энергиями, столь же низки, сколь низка энергия видимого света по сравнению с энергией ядерных γ -квантов.) В частности, все реакции при высоких энергиях, сколько бы частиц в них ни рождалось, подчиняются закону сохранения энергии. Поэтому, чтобы родить новую тяжелую частицу, необходимо осуществить столкновение достаточно энергичных исходных частиц. Именно поэтому на предыдущих страницах мы затратили так много времени на рассмотрение процессов, при которых более легкие частицы превращаются в более тяжелые и наоборот. В этом отношении в процессах, происходящих при высоких энергиях, ничего принципиально нового нет. Но в целом ряде других отношений физика высоких энергий 2 Л. Б. Окунь 34 Ускорители поразительна: она открыла нам целый мир фундаментальных, глубинных и вместе с тем удивительных явлений и закономерностей. Первый этап развития физики высоких энергий, начало 30-х - конец 40-х годов прошлого века, был связан с изучением космических лучей. Первичные космические лучи - это поток быстрых протонов, падающих на Землю из космического пространства. Сталкиваясь с ядрами атомов атмосферы, первичные протоны рождают многочисленные вторичные частицы. При изучении этих вторичных частиц удалось обнаружить, что среди них, наряду с обычными частицами - фотонами, электронами, нуклонами, рождаются и другие, совершенно новые частицы. Для выяснения природы этих частиц с конца 40-х годов начали строить все более мощные ускорители заряженных частиц. УСКОРИТЕЛИ В зависимости от типа ускоряемых частиц, различают электронные и протонные ускорители, а также ускорители тяжелых ионов. Кроме того, ускорители бывают кольцевые и линейные. Кольцевых ускорителей в настоящее время намного больше, чем линейных. Один из самых больших кольцевых протонных ускорителей находится в Европейской организации ядерных исследований, вблизи Женевы, другой - в Фермиевской национальной лаборатории в Батавии, вблизи Чикаго. Максимальная энергия протонов в этих ускорителях составляет 400 и 1000 ГэВ соответственно. Ускорители эти расположены в кольцевых тоннелях длиной около семи километров. До пуска в начале 70-х годов большого ускорителя вблизи Женевы рекордной энергией (76 ГэВ) обладал протонный ускоритель в Институте физики высоких энергий в Протвино, вблизи Серпухова, работающий с 1968 г. Длина кольцевого тоннеля этого ускорителя - около полутора километров. В тоннеле кольцевого ускорителя, вдоль всего кольца, стоят электромагниты, которые, отклоняя частицы, заставляют их двигаться по кольцу внутри трубы, из которой откачан воздух. Эта кольцевая труба называется вакуумной камерой. Чем сильнее магнитное поле в магнитах, тем более энергичные частицы могут быть удержаны внутри камеры. Ускорители 35 Итак, магниты удерживают частицы на «цирковом треке». Роль ускоряющего бича при этом играет электрическое поле. Несколько ускоряющих промежутков с электрическим полем, ускоряющим частицы, расположено вдоль кольца. В кольцевом ускорителе частица много раз пролетит по кольцу, прежде чем наберет нужную энергию, поэтому электрическое поле здесь может быть не очень сильным. В линейном ускорителе, напротив, ускоряющие электрические потенциалы должны быть предельно высокими, потому что частица должна набрать всю свою энергию за один пролет. Рекордные значения переменных электрических полей были достигнуты в свое время в Институте ядерной физики в новосибирском Академгородке: они приближались к мегаэлектронвольту на сантиметр. Эти поля создавались для будущего линейного электронного ускорителя, в котором темп ускорения составит примерно 100 МэВ/м. Активно обсуждаются также и возможности использования лазеров для создания еще больших темпов ускорения. Но это уже - техника XXI века. Самый большой из действующих линейных ускорителей расположен в Стенфорде, вблизи Сан-Франциско. Его длина несколько превышает 3 км. В нем ускоряются электроны до энергии 20 ГэВ. Примерно такова же предельная энергия и двух самых больших кольцевых электронных ускорителей, один из которых расположен в том же Стенфорде, а другой - вблизи Гамбурга. Длина колец этих ускорителей превышает 2 км. Внимательный читатель, по-видимому, заметил, что эффективность на единицу длины у протонных кольцевых ускорителей больше, чем у электронных. Это связано с тем, что электроны, будучи более легкими, при движении по изогнутой траектории более интенсивно излучают так называемое синхротронное излучение. Чтобы уменьшить потери энергии на синхротронное излучение, приходится уменьшать центростремительное ускорение и, следовательно, увеличивать радиусы электронных ускорителей. После того как частицы разогнались до нужной энергии, пучок частиц выпускают из ускорителя и направляют на мишень, в которой, сталкиваясь с ядрами вещества мишени, частицы пучка рождают новые частицы. Некоторые из этих новых частиц обладают большими временами жизни и вылетают из мишени, другие живут так мало, что распадаются прямо в мишени (многие из них не успевают даже вылететь за пределы того атома, 2* 36 Ускорители на ядре которого они рождены). В последнем случае из мишени вылетают частицы - продукты распада. С помощью специальных магнитов частицы, вылетающие из мишени, формируются во вторичные пучки, которые направляются в экспериментальные залы, где расположены установки, детектирующие эти частицы и их взаимодействия. В последние годы все большее значение приобретают такие кольцевые ускорители, в которых ускоренные частицы сталкиваются не с неподвижной мишенью, а с пучком частиц, ускоренных в противоположном направлении. Преимуществом сталкивающихся пучков является то, что они дают большой выигрыш полезной энергии, которую можно использовать для рождения новых частиц. Рассмотрим два встречных пучка частиц массы m, имеющих энергию E и противоположно направленные импульсы: +p и −p. Полная энергия таких сталкивающихся частиц равна 2E , а их суммарный импульс равен нулю. Система координат, в которой суммарный импульс двух частиц равен нулю, называется системой центра масс. В данном случае система центра масс совпадает с лабораторной системой координат. Энергии 2E отвечает масса M , равная 2E/c2. Вся эта энергия 2E , вообще говоря, может идти на создание новых частиц. Рассмотрим теперь столкновение пучка тех же частиц с неподвижной водородной мишенью (мишенью, содержащей атомы водорода). Пусть энергии каждой из частиц пучка по-прежнему равна E , масса частицы m, а импульс равен p, так что p2 c2 = E 2 − m2 c4 . Обозначим массу протона (в водородной мишени) через μ. Тогда, по определению, масса системы «частица + протон» или, что то же самое, полная энергия в системе центра масс частицы и протона определяется соотношением 2 M 2 c4 = E + μc2 − p2 c2 = 2Eμc2 + μ2 c4 + m2 c4 . Теперь уже система центра масс движется относительно лабораторной системы координат. Если E во много раз больше μc2 и mc2, то получается, что энергия в системе центра масс сталкивающихся частиц в первом случае в 2E/μc2 раз больше, чем во втором. А по существу, только энергия в системе центра масс и является эффективной энергией столкновения и определяет характер этого столкновения. Античастицы 37 Ясно и без всяких формул, что лобовое столкновение двух встречных автомобилей гораздо энергичнее, чем столкновение одного из них со стоящей машиной. Однако в случае релятивистских частиц выигрыш в энергии гораздо больший. Первые ускорители со встречными пучками, их назвали коллайдерами, появились еще в 50-е годы, но наиболее интересные результаты получены на них в течение последних десятилетий. В дальнейшем мы еще познакомимся с некоторыми экспериментами, проведенными на коллайдерах, а пока попытаемся кратко сформулировать то основное, что вообще принесли эксперименты при высоких энергиях. Наиболее яркие достижения физики высоких энергий - это античастицы, адроны и кварки, поколения лептонов и кварков, нарушенные симметрии, фундаментальные векторные бозоны. Разъясним по порядку, что кроется за этими терминами. АНТИЧАСТИЦЫ Первая античастица - позитрон - была теоретически предсказана и экспериментально открыта в начале 30-х годов. Позитрон является античастицей по отношению к электрону. Он имеет точно такую же массу и абсолютную величину заряда, что и электрон, но знак заряда позитрона противоположен знаку заряда электрона: заряд позитрона положителен. Поэтому электрон и позитрон обозначают соответственно e− и e+. В пустоте позитрон так же стабилен, как и электрон. Однако встреча электрона с позитроном кончается плохо для них обоих: они «исчезают» - аннигилируют, излучая при этом фотоны (γ -кванты). При аннигиляции электрона и позитрона испускается, как правило, два или три γ -кванта: e+ + e− → γ + γ , e+ + e− → γ + γ + γ. Ничего мистического в «исчезновении» электрона и позитрона нет. Просто, в отличие от реакций, рассмотренных выше, в реакции аннигиляции энергия покоя электрона и позитрона полностью переходит в энергию движения γ -квантов. В лабораторных условиях, на ускорителях, наблюдается также реакция, обратная реакции аннигиляции электрона и позитрона. При столкновении двух γ -квантов рождается пара «электрон + позитрон»: γ + γ → e+ + e− . 38 Античастицы Вслед за позитроном были открыты и другие античастицы. В частности, в середине 50-х годов на ускорителях были созданы антипротон и антинейтрон, а затем - даже легкие антиядра. Как правило, античастицы обозначаются той же буквой, что и соответствующие частицы, но над буквой ставится тильда. - антинейтрон, ν - антинейтрино. Например, p - антипротон, n Масса каждой античастицы строго равна массе соответствующей частицы, а знаки их зарядов противоположны. Мысленная операция замены «частица → античастица» называется зарядовым сопряжением. При этой операции фотон, который не несет ни электрического, ни какого-либо другого заряда, переходит сам в себя. Фотон принадлежит к сравнительно редкому типу истинно нейтральных частиц, не имеющих зарядовых двойников. Естественно задать вопрос: «Если в фотоны аннигилируют электрон и позитрон, то почему не аннигилируют электрон и протон, почему стабилен атом водорода, почему не идет реакция e− + p → 2γ ?» Легко понять, что если бы такая реакция была возможна, то в мире в конце концов остались бы лишь фотоны и нейтрино (нейтрино - как продукты распада нейтронов). Не правда ли, довольно унылая перспектива? Стабильность водорода наводит на мысль, что наряду с электрическим зарядом существуют и другие сохраняющиеся заряды, или, как говорят, другие сохраняющиеся квантовые числа. Для объяснения стабильности водорода и более тяжелых атомов, а также для объяснения отсутствия ряда других процессов были сформулированы гипотезы о существовании и сохранении так называемых барионного и лептонного зарядов (квантовых чисел). Начнем с барионного заряда. Существует большое семейство частиц, называемых барионами (от греческого «бариос» - тяжелый). Согласно гипотезе, каждый барион обладает единичным положительным барионным зарядом. Протон самый легкий из барионов. Кроме протона и нейтрона известно много десятков других, более тяжелых барионов. У каждого из барионов имеется античастица - соответствующий антибарион, обладающий единичным отрицательным барионным зарядом. Из сказанного выше в частности следует, что хотя нейтрон электрически нейтрален, он не является истинно нейтральной частицей. Семейство частиц, называемых лептонами (от греческого «лептос» - мелкий; более подробно о них будет рассказано на последующих страницах книги), состоит из гораздо меньшего числа частиц, чем семейство барионов. Электрон - самый Античастицы 39 легкий из заряженных лептонов - обладает положительным единичным лептонным зарядом. Тем же лептонным зарядом, что и электрон, обладает, согласно гипотезе о лептонном заряде, и нейтрино. Позитрон и антинейтрино имеют отрицательный единичный лептонный заряд. Легко проверить, что в распаде нейтрона n → p + e− + ν сохраняются как барионный, так и лептонный заряды. К вопросу о том, насколько строгими законами являются законы сохранения барионного и лептонного зарядов, мы еще вернемся в конце этой книги. А сейчас обратимся к вопросу о том, существуют ли античастицы в окружающем нас мире. Из-за реакций аннигиляции сколько-нибудь тесное сосуществование частиц и античастиц невозможно. Поэтому, попав в соприкосновение с «враждебной средой», те немногие античастицы, которые удается произвести в лабораторных условиях, рано или поздно гибнут. Но в областях Вселенной, далеких от нашего обычного вещества, вполне могли бы существовать антимиры, построенные из антиатомов. Энергетические уровни антиатомов и атомов одинаковы, их химические свойства неотличимы. (Очень небольшие отличия между веществом и антивеществом проявляются лишь в слабых взаимодействиях.) Поэтому в принципе могли бы существовать и «антижизнь», и «антилюди», и «антимиры». Фотоны, приходящие к нам от антизвезд, не должны ничем отличаться от фотонов обычных звезд. Так что оптические радионаблюдения не могли бы уловить разницу между звездой и антизвездой. Это можно было бы в принципе сделать при дальнейшем развитии нейтринной астрономии. Ведь обычные звезды, как и наше Солнце, испускают нейтрино, рождающиеся в термоядерных реакциях, а антизвезды должны испускать антинейтрино. В настоящее время астрофизики скептически относятся к возможности существования антимиров. Они исходят при этом из того, что в первичных космических лучах, приходящих к нам из отдаленных областей Вселенной, не найдено заметной примеси антипротонов. Другим аргументом является то, что не наблюдаются те характерные γ -кванты с энергией, равной энергии покоя электрона, которые должны были бы возникать при аннигиляции медленных электронов и позитронов на границе раздела между веществом и антивеществом (e+ e− → 2γ). 40 Адроны и кварки Вопрос о том, почему наш мир состоит из вещества, а не из антивещества или не из равных количеств того и другого, в последние годы привлекает все большее внимание физиков-теоретиков. А тем временем физики-экспериментаторы уже широко используют пучки позитронов и антипротонов в своих экспериментах. В частности, в подавляющем большинстве существующих в настоящее время коллайдеров сталкиваются пучки частиц и соответствующих античастиц - протонов и антипротонов, электронов и позитронов. АДРОНЫ И КВАРКИ Целый пласт новых явлений и понятий был вскрыт при исследовании сильных взаимодействий. Еще в 40-х годах стало ясно, что нуклоны отнюдь не являются единственными частицами, обладающими сильными взаимодействиями; они принадлежат к обширному классу частиц, впоследствии (в начале 60-х годов) названных адронами. По-гречески «хадрос» - массивный, сильный. Кстати, от этого же греческого слова очень давно было образовано русское слово «ядро». С пуском мощных ускорителей новые адроны посыпались, как из рога изобилия, и в настоящее время известно свыше трехсот различных адронов. В середине 60-х годов была выдвинута гипотеза, что все адроны построены из более фундаментальных частиц, названных кварками. Последующие исследования подтвердили правильность этой гипотезы. Все кварки имеют спин, равный 1/2. В настоящее время установлено существование пяти разновидностей кварков: u, d, s, c, b. (Здесь кварки перечислены в порядке возрастания их масс: mu ≈ 5 МэВ, md ≈ 7 МэВ, ms ≈ 150 МэВ, mc ≈ 1,3 ГэВ, mb ≈ 5 ГэВ.) Ожидают, что должен существовать и шестой, еще более тяжелый кварк, t ∗). Безуспешные поиски адронов, содержащих t-кварки, указывают на то, что mt > 20 ГэВ. Кварки u, c и t имеют электрический заряд, равный +2/3, а кварки d, s и b - заряд, равный −1/3. Кварки с зарядом +2/3 принято называть верхними, а с зарядом −1/3 - нижними. Обозначения кварков происходят от английских слов up, down, strange, charm, bottom, top. ∗) Об открытии t-кварка см. в разделе «20 лет спустя». Адроны и кварки 41 Кварковая модель была предложена в то время, когда были известны лишь так называемые легкие адроны, т. е. адроны, состоящие только из легких кварков, u, d и s. Эта модель сразу привела в порядок всю систематику этих адронов. На ее основе не только была понята структура уже известных к тому времени частиц, но и предсказан ряд неизвестных в то время адронов. Все адроны можно разбить на два больших класса. Одни, называемые барионами, состоят из трех кварков. Барионы - фермионы, у них - полуцелый спин. Другие - называемые мезонами, состоят из кварка и антикварка. Мезоны - бозоны, у них - целый спин. (О бозонах, фермионах и барионах уже говорилось выше.) Нуклоны являются самыми легкими барионами. Протон состоит из двух u-кварков и одного d-кварка (p = uud), нейтрон из двух d-кварков и одного u-кварка (n = ddu). Нейтрон тяжелее протона, поскольку d-кварк тяжелее u-кварка. Но вообще-то, как легко видеть, массы нуклонов почти на два порядка превышают сумму масс трех соответствующих кварков. Это объясняется тем, что нуклоны состоят не из «голых» кварков, а из кварков, «укутанных» в своеобразные тяжелые «глюонные шубы» (о глюонах речь пойдет в следующем разделе). Барионы, состоящие не только из u- и d-кварков, называются гиперонами. Например, самый легкий из гиперонов - Λ-гиперон состоит из трех разных кварков: Λ = uds. Самые легкие из мезонов - π -мезоны, или пионы: π +, π −, π 0. Кварковая структура заряженных пионов проста: π + = ud, π − = d u. Что касается нейтрального пиона, то он представляет собой линейную комбинацию состояний uu и dd: часть времени он проводит в состоянии uu, часть - в состоянии dd. С равной вероятностью π 0 -мезон можно застать в каждом из этих состояний: 1 π 0 = √ (u u − dd). π+- π − -мезонов 2 Массы и (эти мезоны взаимно являются античастицами) равны примерно 140 МэВ; масса π 0 -мезона (π 0 -мезон подобно фотону истинно нейтрален) равна примерно 135 МэВ. Следующие в порядке возрастания масс мезоны - это K -мезоны, их масса равна примерно 500 МэВ. K -мезоны содержат s-кварки: 0 = sd, K − = s K + = u s, K 0 = d s, K u. 42 Адроны и кварки K + - и K − -мезоны являются античастицами по отношению друг 0 -мезонам, которые, таким к другу. То же относится и к K 0 - и K образом, не являются истинно нейтральными частицами. Заметим, что частицы, содержащие s-кварки, называют странными частицами, а сам s-кварк - странным кварком. Это название возникло в 50-е годы, когда некоторые свойства странных частиц казались удивительными. Очевидно, что из трех кварков (u, d, s) и трех антикварков, d, s) можно построить девять различных состояний: (u u u ud u s d u dd d s s u sd s s. Семь из этих девяти состояний (три для π -мезонов и четыре для K -мезонов) мы уже обсудили; два оставшиеся представляют собой суперпозиции - линейные комбинации состояний u u, dd и s s. Масса одной из двух частиц - масса η -мезона - равна 550 МэВ, масса другой - масса η -мезона - равна 960 МэВ; 1 η 0 = √ (u u + dd − 2s s), 6 1 η = √ (u u + dd + s s). 3 Подобно π 0 -мезону, η - и η -мезоны являются истинно нейтральными частицами. (Более подробно о квантовомеханических суперпозициях сказано на с. 48.) Девять мезонов, которые мы только что рассмотрели, имеют нулевой спин: J = 0. Каждый из этих мезонов состоит из кварка и антикварка, имеющих нулевой орбитальный момент: L = 0. Спины кварка и антикварка смотрят навстречу друг другу, так что их суммарный спин также равен нулю: S = 0. Спин мезона J является геометрической суммой орбитального момента кварков L и их суммарного спина S: J = L + S. В данном случае сумма двух нулей, естественно, дает нуль. Каждый из обсуждаемых девяти мезонов - самый легкий в своем роде. Рассмотрим, например, мезоны, у которых орбитальный момент кварка и антикварка по-прежнему равен нулю, L = 0, но спины кварка и антикварка параллельны, так что S = 1 43 Очарованные частицы и, следовательно, J = 1. Такие мезоны образуют более тяжелую ∗0 , ω 0 , ϕ0): девятку (ρ+ , ρ− , ρ0 , K ∗+ , K ∗0 , K ∗− , K ρ+ , ρ− , ρ0 770 МэВ ∗0 K ∗+ , K ∗0 , K ∗− , K 892 МэВ ω0 783 МэВ ϕ0 1020 МэВ Известны многочисленные мезоны, у которых L = 0 и J > 1. Отметим, что в 1983 г. на Серпуховском ускорителе был открыт мезон с рекордно большим спином: J = 6. Обратимся теперь к барионам, построенным из u-, d-и s-кварков. Согласно кварковой модели, орбитальные моменты трех кварков в нуклоне равны нулю, и спин нуклона J равен геометрической сумме спинов кварков. Так, например, спины двух u-кварков в протоне параллельны, а спин d-кварка смотрит в противоположную сторону. Так что у протона J = 1/2. Согласно кварковой модели, протон, нейтрон, Λ-гиперон и еще пять других гиперонов образуют октет (восьмерку) барионов с J = 1/2; а барионы с J = 3/2 образуют декуплет (десятку): ddd udd uud uuu dds uds uus dss uss sss ←→ Δ− Δ0 Δ+ Δ++ Σ− Σ0 Σ+ Ξ− Ξ0 Ω− 1232 МэВ 1385 МэВ 1530 МэВ 1672 МэВ. Ω− -гиперон - вершина этой перевернутой пирамиды, был найден экспериментально в 1964 г. Масса его оказалась именно такой, какой ее предсказала кварковая модель. ОЧАРОВАННЫЕ ЧАСТИЦЫ Но настоящим триумфом кварковой модели явилось открытие очарованных частиц, содержащих c-кварки (русское слово «очарование» соответствует английскому charm). Первая очарованная частица - так называемый J/ψ -мезон с массой 3,1 ГэВ - была открыта в 1974 г. (Иногда про эту частицу говорят, что она обладает скрытым очарованием, поскольку она состоит из паc.) J/ψ -мезон был открыт практически одновременно на двух ры c различных ускорителях. На протонном ускорителе J/ψ -мезон на- 44 Невылетание кварков блюдался среди продуктов столкновения протонного пучка с бериллиевой мишенью по его распаду J/ψ → e+ e− . На электроннопозитронном коллайдере его наблюдали в реакции e+ e− → J/ψ. Первая группа физиков назвала этот мезон J , вторая - ψ , так J/ψ -мезон получил свое двойное имя. J/ψ -мезон является одним из уровней системы c c, которая называется «чармоний» (от английского charm). В некотором c напоминает атом водорода. Однако в каком бы смысле система c состоянии ни находился атом водорода (на каком бы уровне ни находился его электрон), его все равно называют атомом водорода. В отличие от этого, разные уровни чармония (и не только чармония, но и других кварковых систем) рассматриваются как отдельные мезоны. В настоящее время обнаружено и исследовано около десятка мезонов - уровней чармония. Уровни эти отличаются друг от друга взаимной ориентацией спинов кварка и антикварка, значениями их орбитальных угловых моментов, различиями в радиальных свойствах их волновых функций. Вслед за чармонием были открыты и мезоны с явным очарованием: D+ = cd, D0 = c u, F + = c s, − 0 − D = d c, D = u c, F = s c, 1869 МэВ 1865 МэВ 2020 МэВ (здесь указаны приближенные значения масс очарованных мезонов). Были открыты также и очарованные барионы. Открытие очарованных частиц, а затем и еще более тяжелых адронов, содержащих b-кварки, и исследование их свойств явилось блестящим подтверждением кварковой теории адронов. Впервые, благодаря большой массе c- и b-кварков, предстала во всем своем богатстве и наглядности картина уровней системы кварк–антикварк. Психологический эффект этого открытия был очень велик. В кварки поверили даже те, кто раньше относился к ним более чем скептически. НЕВЫЛЕТАНИЕ КВАРКОВ Если все адроны состоят из кварков, то, казалось бы, должны существовать и свободные кварки. Обнаружить свободные кварки было бы легко. Ведь они обладают дробными электрическими зарядами. А нейтрализовать дробный заряд никаким числом электронов и протонов нельзя: всегда будет или «недо- Невылетание кварков 45 лет» или «перелет». Если, скажем, в капельке масла содержится один кварк, то заряд всей капельки будет дробным. Опыты с капельками проводились еще в начале века, когда измеряли заряд электрона. В поисках кварков их повторили в наше время с гораздо более высокой точностью. Но дробных зарядов так и не обнаружили. К отрицательному результату привел и очень точный масс-спектроскопический анализ воды, который дал верхний предел для отношения числа свободных кварков к числу протонов порядка 10−27. Правда, экспериментаторы в лаборатории Стенфордского университета, подвешивая маленькие ниобиевые шарики в магнитном и электрическом полях, обнаружили у них дробные заряды. Но эти результаты не подтвердились в других лабораториях. Сегодня большинство специалистов в своих выводах склоняется к тому, что в свободном состоянии кварки в природе не существуют. Сложилось парадоксальное положение. Внутри адронов кварки, несомненно, существуют. Об этом свидетельствует не только описанная выше кварковая систематика адронов, но и прямое «просвечивание» нуклонов высокоэнергичными электронами. Теоретический анализ этого процесса (он носит название глубоко-неупругого рассеяния) показывает, что внутри адронов электроны рассеиваются на точечных частицах с зарядами, равными +2/3 и −1/3, и спином, равным 1/2. В процессе глубоко-неупругого рассеяния электрон резко меняет свой импульс и энергию, отдавая значительную их часть кварку (рис. 9). В принципе это очень похоже на то, как резко меняет свой импульс α-частица, наталкиваясь на ядро атома (рис. 10). Именно так в начале XX века в лаборатории Резерфорда было установлено существование атомных ядер. Дробные заряды кварков проявляются и в другом глубоконеупругом процессе: рождении струй адронов в аннигиляции e+ e− при высоких энергиях (на больших коллайдерах). Более подробно об адронных струях в e+ e− -аннигиляции будет рассказано в конце книги. Итак, кварки внутри адронов несомненно есть. А вот вырвать их из адронов невозможно. Это явление называется английским словом «конфайнмент», что означает пленение, тюремное заключение. Кварк, приобретший энергию в результате столкновения с электроном (см. рис. 9), не вылетит из нуклона как свободная частица, а растратит свою энергию на образование кварк-анти- 46 Невылетание кварков Рис. 9. Рассеяние электрона на одном из трех кварков протона. Протон - большой кружок, кварки - черные точки Рис. 10. Рассеяние α-частицы на ядре атома. Атом - большой кружок, ядро - черная точка в центре кварковых пар, т. е. на образование новых адронов, в основном - мезонов. В некотором смысле попытка разбить какой-нибудь мезон на составляющие его кварк и антикварк похожа на попытку разломить стрелку компаса на южный и северный полюсы: сломав стрелку, мы получим вместо одного магнитного диполя - два. Разломив мезон, мы получим два мезона. Энергия, которую мы затратим на то, чтобы растащить исходные кварк и антикварк, пойдет на создание новой пары антикварк плюс кварк, которые образуют с исходными два мезона. Но аналогия с магнитной стрелкой неполна и обманчива. Ведь мы знаем, что в железе не только на макроуровне, но и на микроуровне никаких магнитных полюсов нет, есть только магнитные дипольные моменты, обусловленные спинами и орбитальным движением электронов. Напротив, глубоко внутри адронов отдельные кварки существуют - чем глубже мы проникаем внутрь, тем отчетливее мы их видим. В гравитации и в электродинамике мы привыкли к тому, что силы между частицами растут, когда частицы сближаются, и ослабевают, когда частицы расходятся (потенциалы типа 1/r). В случае кварка и антикварка ситуация другая. Имеется критический радиус r0 ≈ 10−13 см: при r r0 потенциал между кварком и антикварком более или менее похож на кулоновский или ньютоновский, но при r r0 его поведение резко меняется - он начинает расти. Можно думать, что если бы в мире не было легких кварков (u, d, s), а были бы только тяжелые (c, b, t), то в этом случае начиная с r ≈ r0 потенциал возрастал бы линейно с ростом r, и мы имели бы конфайнмент, описываемый потенциалом типа Глюоны. Цвет 47 воронки (см. рис. 11 и для сравнения рис. 5). Линейно растущему потенциалу соответствует сила, не меняющаяся с расстоянием. Напомним, что при растяжении обычной жесткой пружины ее потенциальная энергия квадратично растет с ее удлинением. Поэтому конфайнмент, описываемый линейно растущим потенциалом, естественно назвать мягким. К сожалению, в реальном мире рождение пар легких кварков не дает возможности развести исходные кварк и антикварк на расстояния, большие Рис. 11. Потенциал типа во10−13 см, без того, чтобы исходные ронки, описывающий плекварк и антикварк вновь не оказались нение кварка в адроне связанными, на этот раз - в двух различных мезонах. Так что испытать мягкую пружину конфайнмента на больших расстояниях не удается. Какие же силовые поля заставляют кварки вести себя столь странным образом? Что за необычный клей их склеивает? ГЛЮОНЫ. ЦВЕТ Сильное силовое поле, создаваемое кварками и антикварками и действующее на них, получило название глюонного поля, а частицы g, являющиеся квантами возбуждения этого поля, назвали глюонами (от английского glue - клей). Глюоны находятся в таком же соответствии с глюонным полем, как фотоны с электромагнитным полем. Установлено, что подобно фотонам, глюоны имеют спин, равный единице: J = 1 (как всегда - в единицах h̄). Четность глюонов, как и фотонов, отрицательна: P = −1. (О четности будет рассказано ниже, в специальном разделе «C -, P -, T -симметрии».) Частицы со спином, равным единице, и отрицательной четностью (J P = 1−) называются векторными, поскольку при вращениях и отражениях координат их волновые функции преобразуются как обычные пространственные векторы. Так что глюон, подобно фотону, принадлежит к классу частиц, называемых фундаментальными векторными бозонами. 48 Глюоны. Цвет Теория взаимодействия фотонов с электронами называется квантовой электродинамикой. Теорию взаимодействия глюонов с кварками назвали квантовой хромодинамикой (от греческого «хромос» - цвет). Термин «цвет» до сих пор не появлялся на страницах этой книги. Сейчас я попытаюсь рассказать, что за ним кроется. Вы уже знаете, что на опыте наблюдали пять различных типов (или, как говорят, ароматов) кварков (u, d, s, c, b) и собираются открыть шестой (t). Так вот, согласно квантовой хромодинамике, каждый из этих кварков - это не одна, а три различных частицы. Так что всего кварков не 6, а 18, а с учетом антикварков - их 36. Принято говорить, что кварк каждого аромата существует в виде трех разновидностей, отличающихся друг от друга цветом. В качестве цветов кварков выбирают обычно желтый (ж), синий (с) и красный (к). Цвета антикварков - ан антисиний (с), антикрасный (к). Разумеется, все тижелтый (ж), эти названия чисто условные и никакого отношения к обычным оптическим цветам не имеют. Ими физики обозначают специфические заряды, которыми обладают кварки, и которые являются источниками глюонных полей, подобно тому, как электрический заряд является источником фотонного (электромагнитного) поля. Я не оговорился, когда употребил множественное число, говоря о глюонных полях, и единственное число, говоря о фотонном поле. Дело в том, что существует восемь цветовых разновидностей глюонов. Каждый глюон несет пару зарядов: цветовой заряд или с, или к). Всего из (ж или с, или к) и «антицветовой» (ж трех цветов и трех «антицветов» можно построить девять парных комбинаций: жс ж к жж сс с к сж кс к к. кж Эти девять парных комбинаций естественным образом разбиваются на шесть недиагональных «явно окрашенных»: с ж с, сж, к, к с, кж, к ж и на три диагональных (стоящих на диагонали нашей таблицы), обладающих как бы «скрытым цветом»: сс, к к. жж, Глюоны. Цвет 49 Цветовые заряды, подобно электрическому заряду, сохраняются. Поэтому шесть недиагональных «явно окрашенных» цветовых пар не могут перемешиваться между собой. Что же касается трех диагональных пар со «скрытым цветом», то сохранение цветовых зарядов не препятствует переходам: ↔ сс ↔ к к. жж В результате этих переходов возникают три линейных комбинации (линейных суперпозиции), одна из которых 1 + сс + к √ (жж к) 3 полностью симметрична относительно цветов. Она не обладает даже скрытым цветовым зарядом, являясь полностью бесцветной, или, как говорят, белой. Две другие диагональные комбинации можно выбрать, например, так: 1 − сс) √ (жж 2 и 1 + сс − 2к √ (жж к) . 6 Или же двумя другими способами (путем циклической замены ж → с → к → ж). Коэффициенты в этих линейных суперпозициях мы здесь обсуждать не будем, так как это выходит за рамки данной книги. То же относится и к физической эквивалентности трех различных выборов диагональных суперпозиций. Здесь важно, что каждой из восьми комбинаций (шести явно окрашенных и двух скрыто окрашенных) отвечает глюон. Итак, глюонов - восемь: 8 = 3 · 3 − 1. Очень существенно, что в цветовом пространстве нет выделенного направления: три цветных кварка равноправны, три цветных антикварка равноправны и восемь цветных глюонов равноправны. Цветовая симметрия является строгой. Испуская и поглощая глюоны, кварки осуществляют сильное взаимодействие между собой. Рассмотрим для определенности красный кварк. Испуская он, в силу сохранения цвета, перейдет в желглюон типа кж, тый кварк, ведь, согласно правилам игры, испускание антицвета с, красный равносильно поглощению цвета. Испуская глюон к кварк перейдет в синий. Ясно, что к тем же результатам прикж и глюона кс. водит и поглощение красным кварком глюона В первом случае кварк пожелтеет, во втором - посинеет. Эти 50 Глюоны. Цвет процессы испускания и поглощения глюонов красным кварком можно записать в виде: qк → qж + gкж, qк + gкж → qж, qк → qс + gкс, qк + gкс → qс, где qк, qж, qс обозначают соответственно красный, желтый и синий кварки любого аромата, а gкж, g кж, gкс и g кс - красноантижелтый, антикрасно-желтый, красно-антисиний и антикрасно-синий глюоны. Аналогичным образом можно рассмотреть испускание и поглощение недиагональных глюонов желтым и синим кварками. Очевидно, что испускание и поглощение диагональных глюонов не меняет цвет кварка. То обстоятельство, что глюоны несут цветовые заряды, приводит к кардинальному отличию этих частиц от фотонов. Фотон не обладает электрическим зарядом. Поэтому фотон не испускает, не стряхивает с себя фотонов. Глюоны же обладают цветовыми зарядами. Поэтому глюон испускает глюоны. Чем меньше масса заряженной частицы, тем легче частица излучает. Глюоны безмассовы, поэтому излучение глюонов глюонами, если бы они могли быть свободными, было бы катастрофически сильным. Но до катастрофы дело не доходит. Сильные взаимодействия между глюонами приводят к конфайнменту как их самих, так и кварков. Сильное взаимодействие цветовых зарядов на расстояниях порядка 10−13 см становится настолько сильным, что на большие расстояния изолированные цветовые заряды вырваться не могут. В результате, в свободном виде могут существовать только такие комбинации цветовых зарядов, которые в целом цветового заряда не имеют. Электродинамика допускает существование как изолированных электронейтральных атомов, так и изолированных электронов и ионов. Хромодинамика же допускает существование в изолированном состоянии только бесцветных, «белых», адронов, в которых поровну намешано всех цветов. Так например, π + -мезон равное время проводит в каждом из трех возможных к: он представляет собой цветовых состояний uж dж, uс dс и uк d сумму этих состояний. Последнее утверждение, как и утверждение о глюонах со скрытым цветом, должно быть не очень понятно неподготовленному читателю. Но, как уже говорилось выше, не все в физи- Глюоны. Цвет 51 ке элементарных частиц можно объяснить просто и наглядно, «на пальцах». В связи с этим мне кажется, что здесь уместно сделать ряд замечаний, которые имеют отношение не только к этому разделу, но и к другим разделам книги, да и вообще к научно-популярной литературе. Позволяя читателю как-то ориентироваться в многомерном, огромном и запутанном лабиринте науки, научно-популярные книги и статьи приносят несомненную и большую пользу. Вместе с тем они приносят известный вред. Давая словесное, крайне приблизительное и карикатурно упрощенное описание научных теорий и экспериментов (а иное описание в популярных книгах зачастую невозможно), они могут создавать у читателя ложное ощущение простоты и полного понимания. У многих создается впечатление, что описываемые научные теории в значительной степени, а то и полностью необязательны, произвольны. Можно, дескать, и не такое насочинить. Именно научно-популярная литература ответственна за тот неиссякаемый поток писем, содержащих малограмотные «опровержения» и «кардинальные улучшения» теории относительности, квантовой механики и теории элементарных частиц, который обрушивается на основные физические институты страны. Мне кажется, что автор научно-популярной книги должен не только просто объяснить простое, но и предупредить читателя о наличии сложного, доступного лишь специалистам. Цветные кварки и глюоны - не измышление досужего ума. Квантовая хромодинамика навязана нам природой, она подтверждена и продолжает подтверждаться огромным количеством экспериментальных фактов. Это одна из самых сложных физических теорий (а может быть, и самая сложная) с очень нетривиальным и не до конца разработанным математическим аппаратом. В настоящее время нет ни одного факта, который бы противоречил квантовой хромодинамике. Однако целый ряд явлений находит в ней лишь качественное объяснение, а не количественное описание. В частности, до сих пор отсутствует полное понимание механизма того, как развиваются адронные струи из родившихся на малых расстояниях пар «кварк + антикварк». Не построена до сих пор теория конфайнмента. Над этими вопросами работают сейчас сильнейшие физики-теоретики во всем мире. Работа идет не только с помощью традиционных средств - карандаша и бумаги, но и путем многочасовых расчетов на мощных современных компьютерах. В этих «численных экспериментах» 52 Лептоны непрерывные пространство и время заменяются дискретными четырехмерными решетками, содержащими порядка 104 узлов, и глюонные поля рассматриваются на этих решетках. ЛЕПТОНЫ В нескольких последних разделах мы обсуждали свойства и структуру адронов - многочисленных родственников протона. Обратимся теперь к родственникам электрона. Их называют лептонами (по-гречески «лептос» - мелкий, маленький, а «лепта» - мелкая монета). Подобно электрону, все лептоны не участвуют в сильных взаимодействиях и имеют спин, равный 1/2. Подобно электрону, все лептоны на современном уровне знаний можно назвать истинно элементарными частицами, поскольку ни у одного из лептонов не обнаружена структура, подобная той, которой наделены адроны. В этом смысле лептоны называют точечными частицами. В настоящее время установлено существование трех заряженных лептонов: e−, μ−, τ −, и трех нейтральных: νe , νμ , ντ (последние названы соответственно: электронное нейтрино, мюонное нейтрино и тау-нейтрино). У каждого из заряженных лептонов есть, разумеется, своя античастица: e+, μ+, τ +. Что касается трех нейтрино, то обычно полагают, что у каждого из них тоже есть своя античастица: νe , νμ , ντ . Но пока нельзя исключить и того, что νe , νμ и ντ - истинно нейтральные частицы и каждая из них так же одинока, как и фотон. Поговорим теперь о каждом из лептонов в отдельности. Об электроне мы уже подробно говорили на предыдущих страницах книги. Мюон был открыт в космических лучах. Процесс открытия мюона (от первого его наблюдения до осознания того факта, что эта частица является продуктом распада заряженного пиона: π + → μ+ νμ , π − → μ− νμ) растянулся на десятилетие - от конца 30-х до конца 40-х годов. Заметим, что наличие у мюона своего собственного, мюонного нейтрино было установлено еще позже - в начале 60-х годов. Что касается тау-лептона, то он был открыт в 1975 г. в реакции e+ e− → τ + τ − на электронно-позитронном коллайдере. Массы мюона и τ -лептона равны 106 МэВ и 1784 МэВ соответственно. В отличие от электрона, мюон и τ -лептон неста- Поколения лептонов и кварков 53 бильны. Время жизни мюона составляет 2 · 10−6 с, время жизни τ -лептона - примерно 5 · 10−13 с. Распад мюона идет по одному каналу. Так, продуктами распада μ− являются e− νe νμ , а продуктами распада μ+ являются e+ νe νμ . У τ -лептона существует много каналов распада: τ − → e− νe ντ , τ − → μ− νμ ντ , τ − → ντ + мезоны, τ + → e+ νe ντ , τ + → μ+ νμ ντ , τ + → ντ + мезоны. Такое обилие каналов распада объясняется тем, что из-за большой массы τ -лептон может распадаться на такие частицы, на которые распад мюона запрещен законом сохранения энергии. Наши сведения о нейтрино очень неполные. Меньше всего мы знаем о ντ . В частности, про массу ντ мы не знаем даже, равна ли она нулю или довольно велика. Верхний экспериментальный предел mντ < 150 МэВ. Аналогичный верхний предел для мюонного нейтрино: mνμ < 0,5 МэВ. Для электронного нейтрино точность измерений несравненно выше. На пределе этой точности одна из экспериментальных групп сообщила, что mνe ≈ 30 эВ. Это сообщение ожидает в настоящее время независимой проверки в других лабораториях ∗). Экспериментально установлено, что каждый из заряженных лептонов принимает участие в слабых взаимодействиях вместе со своим нейтрино: e с νe , μ с νμ , τ с ντ . Например, n → pe− νe , π + → μ + νμ , τ + → ντ e+ νe . ПОКОЛЕНИЯ ЛЕПТОНОВ И КВАРКОВ Различия между кварками и лептонами бросаются в глаза: первые - цветные и дробнозарядные, вторые - бесцветные и целозарядные. Но есть у них и общие черты: и те, и другие имеют спин, равный 1/2; и те, и другие на современном уровне знания выглядят как точечные частицы. Поэтому лептоны и кварки называют фундаментальными фермионами. ∗) Современные данные о массах нейтрино см. в разделе «20 лет спустя». 54 Поколения лептонов и кварков Фундаментальные фермионы естественным образом разбиваются на три группы, которые принято называть поколениями: u d νe e− c s νμ μ− t? b ντ τ −. Вопросительный знак напоминает, что t-кварк пока что не открыт ∗). Но тот факт, что в двух поколениях заполнены все вакансии, наводит на мысль, что и третье поколение имеет ту же структуру. Частицы первого поколения - самые легкие, частицы третьего - самые тяжелые. Из заряженных частиц первого поколения построены атомы, а электронное нейтрино, хотя и прячется от глаз, но также играет важную роль, - не будь его, погасли бы Солнце и звезды. По существу, вся Вселенная покоится на плечах частиц первого поколения. Зачем нужны частицы двух других поколений, мы пока не знаем и только начинаем догадываться. Самая долгоживущая из них - мюон - живет микросекунды (2 · 10−6 с). Странные частицы живут 10−8 -10−10 с, остальные - меньше 10−12 с. С большим трудом рожденные на специально построенных ускорителях, эти частицы практически мгновенно гибнут. Исключение составляют лишь νμ и, возможно, ντ в том случае, если ντ безмассово или очень легкое. Невольно возникают вопросы: «Зачем нужно изучать эти эфемерные и экзотические создания, если никакой роли в нашей жизни они не играют? Оправданы ли затраты на дорогие ускорительные лаборатории?» В конце книги я попытаюсь собрать воедино различные ответы на первый вопрос и обосновать положительный ответ на второй. Здесь же хотелось бы сделать лишь два утверждения. Во-первых, изучение странных, очарованных и других частиц второго и третьего поколений позволило вскрыть кварковую структуру обычных нуклонов. Ведь на идею о кварках физиков натолкнуло экспериментальное исследование странных частиц, а окончательное подтверждение существования кварков дал чар∗) Современные данные о t-кварке см. в

У этой маленькой книжки есть две цели.

Ближайшая цель - найти простейший способ для объяснения того, как современная физика элементарных частиц позволяет понять, как устроен окружающий нас мир.

Более далекая цель - перестроить школьное образование физики, оставаясь в рамках элементарной школьной математики.

Введение в калибровочные теории

«Введение в калибровочные теории» содержит текст пяти лекций, прочитанных на школе физиков ОИЯИ ЦЕРН в Таборе (Чехословакия, 5-18 июня 1983).

Темы лекций: калибровочная инвариантность электромагнитного и слабого взаимодействий, хиггсы и суперсимметричные частицы. Кроме лекций, в работе содержится Приложение, включающее в себя препринты и отрывки избранных статей В. Фока, Ф. Лондона, О. Клейна и Г. Вейля, в которых была введена и развита идея калибровочной инвариантности.

Воспоминания о И.Я. Померанчуке

Выдающийся физик-теоретик академик И.Я. Померанчук (1913-1966) внёс фундаментальный вклад в развитие физики низких температур, твёрдого тела, ядерных реакторов и ускорителей и особенно в физику элементарных частиц. «Воспоминания» охватывают годы его учёбы в Ленинграде и Харькове (в аспирантуре у Л.Д. Ландау), работы в ФИАНе, ИАЭ, ОИЯИ и ИТЭФе, преподавания в МИФИ. Авторы статей — ведущие советские и иностранные учёные.

В книгу включены также научные обзоры, рассказывающие о работах И.Я. Померанчука по теории элементарных частиц и квантовой теории поля, физике твёрдого тела и квантовых жидкостей, теории ядерных реакторов и синхротронного излучения. В этих обзорах прослеживается развитие научных идей, высказанных И.Я. Померанчуком.

Воспоминания об академике А.Б. Мигдале

В сборнике публикуются воспоминания примерно пятидесяти авторов — друзей и учеников выдающегося физика, академика А.Б. Мигдала, которые охватывают сорокалетний период от начала 1950-х до 1991 г.

Каждое из них в какой-то мере несет отпечаток и личности автора, и особенностей его памяти. Не удивительно, что иногда одни и те же события в разных статьях выглядят несколько по-разному. Авторские тексты редактировались только в случае явных фактических ошибок. Небольшие же отклонения от «истины» порой даже помогают взглянуть с разных сторон на такого неординарного человека, каким был Мигдал, и способствуют воссозданию многомерной картины той среды, в которой он жил и которую он сам в значительной мере формировал.

Лептоны и кварки

Книга представляет собой введение в теорию слабого взаимодействия элементарных частиц.

Изложение основано на кварково-глюонной модели адронов. Книга содержит подробные расчеты слабых распадов элементарных частиц (в том числе распадов недавно открытых очарованных частиц и тяжелых лептонов) и реакций, идущих под действием нейтрино. Представлены основные идеи и уравнения единой модели слабого и электромагнитного взаимодействия. Исходя из этой модели обсуждаются перспективы поисков промежуточных векторных и скалярных бозонов.

Книга написана на основе курса лекций, читаемых автором студентам Московского физико-технического института.

Проблемы ядерной физики и физики элементарных частиц

Сборник составлен из обзорных статей, посвященных исследованиям в области физики элементарных частиц, ядерной физики и физики реакторов.

Рассмотрены также проблемы создания сильноточных ускорителей и использования современных ускорителей в медико-биологических целях и химических исследованиях.

Слабое взаимодействие элементарных частиц

В 1950-1960 годах физика элементарных частиц претерпела бурное развитие.

Особенно важные открытия были сделаны в области слабых взаимодействий элементарных частиц, где было открыто новое фундаментальное явление, получившее название несохранения четности. Монография Л.Б.Окуня представляет собой систематическое изложение теории распадов элементарных частиц, обусловленных слабыми взаимодействиями.

Она написана на основе лекций, прочитанных автором в Институте теоретической и экспериментальной физики АН СССР и в Объединенном институте ядерных исследований.

Лев Борисович Окунь (род. 7 июля 1929, Сухиничи) - российский учёный-физик, специалист по теории элементарных частиц (теория слабых взаимодействий, составные модели элементарных частиц и др.). Действительный член РАН (с 1990 г.), доктор физико-математических наук, профессор, начальник лаборатории Института теоретической и экспериментальн

Краткая биография

Лев Борисович Окунь (род. 7 июля 1929, Сухиничи) - российский учёный-физик, специалист по теории элементарных частиц (теория слабых взаимодействий, составные модели элементарных частиц и др.). Действительный член РАН (с 1990 г.), доктор физико-математических наук, профессор, начальник лаборатории Института теоретической и экспериментальной физики.
Вехи биографии
Был студентом И. Я. Померанчука.
В 1953 году окончил Московский инженерно-физический институт.
С 1954 года работает в Институте теоретической и экспериментальной физики.
В 1956 году защитил кандидатскую диссертацию, в 1961 - докторскую.
В 1962 году присуждено звание профессора.
1 июля 1966 года избран членом-корреспондентом АН СССР в отделение ядерной физики.
15 декабря 1990 года избран академиком АН СССР в отделение ядерной физики по специальности «ядерная физика».
Профессор МФТИ. Член редколлегии журналов «УФН», «Ядерная физика», член редколлегии информационых изданий ВИНИТИ.
Член Academia Europaea
Библиография
Л. Б. Окунь, Слабое взаимодействие элементарных частиц. - М.: Физматгиз, 1963 г., 248 стр.
Л. Б. Окунь, Лептоны и кварки. - М.: «Наука». Главная редакция физико-математической литературы, 1981 г., 304 стр.
Л. Б. Окунь, Лептоны и кварки. - 2-е изд., переработанное и дополненное. - М.: «Наука». Главная редакция физико-математической литературы, 1990 г., 346 стр., ISBN 5-02-014027-9
Л. Б. Окунь, Альфа бета гамма … Z. Элементарное введение в физику элементарных частиц. Серия: Библиотечка «Квант». Вып. 45. - М.: «Наука». Главная редакция физико-математической литературы, 1985 г., 112 стр.
Л. Б. Окунь, Физика элементарных частиц. - 2-е изд., переработанное и дополненное. - М.: «Наука». Главная редакция физико-математической литературы, 1988 г., 272 стр., ISBN 5-02-013824-X
Взято с википедии
Википедия

На нашем книжном сайте Вы можете скачать книги автора Льва Борисовича Окуого в самых разных форматах (epub, fb2, pdf, txt и многие другие). А так же читать книги онлайн и бесплатно на любом устройстве – iPad, iPhone, планшете под управлением Android, на любой специализированной читалке. Электронная библиотека КнигоГид предлагает литературу Льва Борисовича Окуого в жанрах физика.