Реферат на тему:


Воспользуйтесь поиском к примеру Реферат        Грубый поиск Точный поиск






Загрузка...
Теории элементарных частиц

Теории элементарных частиц

План

1. Квантовая электродинамика

2. Теория кварков

3. Теория электрослабого взаимодействия

4. Квантовая хромодинамика

5. На пути к большому объединения

Квантовая электродинамика

Квантовая механика позволяет описывать движение элементарных частиц, но не их возникновения или уничтожения, то есть применяется только для описания систем с неизменным количеством частиц. Обобщением квантовой механики является квантовая теория поля это квантовая теория систем с бесконечным числом степеней свободы (физических полей), которая учитывает требования и квантовой механики и теории относительности. Потребность в такой теории объясняется квантово-волновым дуализмом, существованием волновых свойств у всех частиц. В квантовой теории поля взаимодействие трактуют как результат обмена квантами поля, а полевые величины объявляются операторами, которые связывают с актами рождения и уничтожения квантов поля, то есть частиц.

В середине XX в. была создана теория электромагнитного взаимодействия квантовой электродинамике (КЭД). Это продуманная до мельчайших деталей и оснащена совершенным математическим аппаратом теория взаимодействия заряженных элементарных частиц (прежде всего, электронов или позитронов) путем обмена фотонами. В КЭД для описания электромагнитного взаимодействия используется понятие виртуального фотона. Эта теория удовлетворяет основным принципам как квантовой теории, так и теории относительности.

В центре теории анализ актов излучения или поглощения одного фотона одной заряженной частицей, а также аннигиляции электрон-позитронной пары в фотон или порождение фотонами такой пары.

Если в классическом описании электроны представляются в виде твердой точечной шарики, то в КЭД электромагнитное поле, которое окружает электрон, рассматривается как облако виртуальных фотонов, неотступно движется вместе с электроном, окружая его квантами энергии. Фотоны возникают и исчезають очень быстро, а электроны движутся в пространстве не по вполне определенных траекториям. Еще можно тем или иным способом определить начальную и конечную точки пути до и после рассеяния, но сам путь в промежутке между началом и концом движения остается невизначепим.

Рассмотрим, например, акт излучения (виртуального) фотона электроном. После того, как электрон излучает фотон, то порождает (виртуальную) электрон-позитронных пар, может аннигилировать с образованием нового фотона. Последний может быть поглощенным исходным электроном, но может породить новую пару и т.д. Таким образом, электрон покрывается облаком виртуальных фотонов, электронов и позитронов,

Описание взаимодействия с помощью частицы-носителя в КЭД привел к расширению понятия фотона. Вводятся понятия реального (кванта видимого нами света) и виртуального (скоротечного, призрачного) фотона, который "видят" только заряженные частицы, которые испытывают рассеяние.

Чтобы проверить, как согласуется теория с реальностью, физики сосредоточили внимание на двух эффектах, которые вызвали особый интерес. Первый касался энергетических уровней атома водорода простейшего атома. Согласно КЭД, уровни должны быть слегка смешений относительно положения, которое 6 они занимали при отсутствии виртуальных фотонов. Вторая решающая проверка КЭД касалась чрезвычайно малой поправки относительно собственного магнитного момента электрона. Теоретические и экспериментальные результаты проверки КЭД совпадают чрезвычайно точно более девяти знаков после запятой. Столь впечатляющая соответствие дает право считать КЭД наиболее совершенной из всех имеющихся естественнонаучных теорий. За создание КЭД С. Томанага, Р. Фейнман и Дж. Швингер были удостоены Нобелевской премии за 1965 Большой вклад в становление КЭД относится и выдающемуся физику-теоретику Л. Д. Ландау

После подобного триумфа КЭД было принято в качестве модели для квантового описания трех других фундаментальных взаимодействий. Разумеется, полям, связанным с другимевелика на скрепление двух трио кварков друг с другом.

То обстоятельство, что из различных комбинаций трех основных частиц можно получить все известные адроны, стала триумфом теории кварков. В 1969 г.. Удалось получить прямое физическое доказательства существования кварков в серии экспериментов по рассеянию на протонах электронов, разогнанных до высоких энергий. Эксперимент показал, что рассеяние электронов происходило так, будто электроны налетали на крошечные твердые вкрапления и отбивались от них под самыми невероятными углами. Такими твердыми вкраплениями внутри протонов является кварки. Но в семидесятые pp. были открыты новые адроны (пси-частицы, ипсилон-мезон и др.). Этим был нанесен ощутимый удар первому варианту теории кварков, поскольку в этом варианте теории уже не было места ни для одной новой частицы. Все возможные комбинации из кварков и их антикварков было уже исчерпан. Проблему удалось решить путем введения трех новых ароматов. Они получили название charm (очарованный) или с; b-кварк (от beauty хороший) впоследствии было введено еще один аромат t (от truth - настоящий).

Кварки скрепляются между собой сильным взаимодействием. Переносят сильное взаимодействие глюоны (цветовые заряды). Раздел физики элементарных частиц, изучающая взаимодействие кварков и глюонов, носит квантовой хромодинамики. Как квантовая электродинамика является теорией электромагнитного взаимодействия, так квантовая хромодинамика является теорией, сильного взаимодействия.

В настоящее время большинство физиков считает кварки подлинно элементарными частицами точечными, неделимыми и такими, которые не имеют внутренней структуры. В этом отношении они напоминают лептоны, и уже давно есть гипотеза, что между этими двумя различными, но сходными по своей структуре семействами должен существовать глубокая взаимосвязь. Таким образом, наиболее вероятное число самом деле элементарных частиц (не считая частицы, переносят фундаментальные взаимодействия) на конец XX в. равна 48. Из них: лептонов (6x2) = 12 плюс кварков (6хЗ) Х2 = 36.

Теория электрослабого взаимодействия

В семидесятые pp. XX в. в естествознании произошло выдающееся событие: две фундаментальные взаимодействия с четырех физики объединили в одно. Картина фундаментальных взаимодействий несколько упростилась. Электромагнитная и слабое взаимодействия, казалось бы, очень разные по своей природе, предстали как разновидность единой электрослабого взаимодействия. Теорию электрослабого взаимодействия в окончательной форме создали два физики, работавшие независимо друг от друга, С. Вайнберг и А. Салам. Теория электрослабого взаимодействия решающим образом повлияла на дальнейшее развитие физики элементарных частиц в конце XX в.

Главная идея, на основе которой построено эту теорию, состоит в описании слабого взаимодействия языке концепции калибровочного поля, согласно которому ключом к пониманию природы взаимодействий является симметрия. Одна из фундаментальных идей в физике второй половины XX в. & Mdash; это убежденность, что все взаимодействия существуют лишь для того, чтобы поддерживать в природе певый набор абстрактных симметрий. Какое отношение имеет симметрия к фундаментальным взаимодействиям? Ведь, на первый взгляд, утверждение о существовании подобной взаимосвязи кажется очень парадоксальным.

Прежде всего о том, что следует понимать под симметрией. Принято считать, что предмет симметричный, если он остается неизменным после той или иной операции по его преобразованию. Так, сфера симметрична, потому что выглядит одинаково при повороте на любой угол относительно ее центра. Законы электричества симметричны относительно замены положительных зарядов отрицательными и наоборот. Таким образом, под симметрией понимают инвариантность системы относительно определенной операции.

Существуют различные типы симметрий: геометрические, зеркальные, негебметрични. Среди неге ^ ометричних есть так называемые калибровочные симметрии. Калибровочные симметрии имеют абстрактный характер, органы чувств их непосредственно не фиксируют. Они связаны с изменением отсчета уровня, масштаба или значение какой-то физической величины. Система калибровочную симметрию, если ее природа остается неизменной при таких преобразований. Так, например, в физике работа зависит от разности высот, а не от абсолютной высоты; напряжение от разности потенциалов, а не от их абсолютных величин и др. Симметрии, на которых основывается просмотр понимания фундаментальных взаимодействий, именно такого рода.

Калибровочные преобразования симметрии могут быть глобальными и локальными. Глобальные преобразования меняют систему в целом, во всем ее пространственно-временном объеме; в физике это выражается в том, что во всех точках пространства-времени значение волновой функции испытывает тех же изменений. Локальными калибровочными преобразованиями называются преобразования, которые изменяются от точки к точке; иначе говоря, волновая функция в каждой точке характеризуется своей особой фазой, которой соответствует определенная частица.

Глобальное калибровочное преобразование теоретически можно изменить на локальное калибровочное преобразование. Для связи между ними и поддержки симметрии в каждой точке пространства необходимы новые силовые поля калибровочные. В природе существует ряд-локальных калибровочных симметрий, и необходимо соответствующее калибровочных полей для их компенсации. Так, силовые поля можно рассматривать как средство, с помощью которого в природе создаются присущие ей локальные калибровочные симметрии. Значение концепции калибровочной симметрии заключается в том, что благодаря ей теоретически моделируются все четыре фундаментальных взаимодействия, которые встречаются в природе, Все их можно рассматривать как калибровочные поля.

Самая калибровочная симметрия в электромагнетизма. Иначе говоря, электромагнитное поле не просто определенным типом силового поля, существующего в природе, а проявлением простой (совместимой с принципами специальной теории относительности) калибровочной симметрии, в которой калибровочные преобразования соответствуют изменениям потенциала от точки к точке. Учение о электромагнетизм формировалось на протяжении веков на основе кропотливых эмпирических исследований, но оказывается, что эти же результаты дослИджен можно получить чисто теоретически, основываясь на знании лишь двух симметрий простейшей локальной калибровочной симметрии и так называемой симметрии Лоренца Пуанкаре специальной теории относительности. Основываясь только на существовании двух симметрий, не проводя ни эксперимента по электричеству и магнетизму, можно построить уравнения Максвелла, вывести все законы электромагнетизма, доказать существование радиоволн, возможность создания динамо-машины и т.д. А применение идей локальной калибровочной инвариантности к преобразованиям Лоренца автоматически приводит к построению теории гравитации, подобной общей теории относительности.

Чтобы утвердить поле слабого взаимодействия как калибровочного прежде всего необходимо установить точную форму соответствующей калибровочной симметрии. Дело в том, что симметрия слабого взаимодействия гораздо сложнее, чем электромагнитного. Ведь и сам механизм слабого взаимодействия является более сложным. Во-первых, при распаде нейтрона, например, в слабом взаимодействии участвуют частицы по крайней мере четырех различных типов (нейтрон, протон, электрон и нейтрино). Во-вторых, действие слабых сил приводит к изменению их природы (превращению одних частиц на другие за счет слабого взаимодействия). Напротив, электромагнитное взаимодействие не изменяет природы частиц, участвующих в нем.

Выяснилось, что для поддержания симметрии в описании слабого взаимодействия необходимы три новые силовые поля, в отличие от единого электромагнитного поля. Было получено и квантовый описание этих трех полей: должны существовать три новых типа частиц носителей взаимодействия, по одному для каждого поля. Все вместе они называются тяжелыми векторными бозонами со спином 1 и являются носителями слабого взаимодействия. Частицы W и W ~ являются переносчиками двух из трех связанных со слабым взаимодействием полей. Третье поле соответствует электрически нейтральной частице-носителе, который получил название 2 ° частицы. Существование 2 ° частицы означает, что слабое взаимодействие не обязательно должна сопровождаться переносом электрического заряда.

В создании теории электрослабого взаимодействия ключевую роль сыграло понятие спонтанного нарушения симметрии: не всякое решение задачи должно иметь все свойства его исходного уровня. Так, частицы, совершенно разные при низких энергиях, при высоких энергиях могут оказаться на самом деле одной и той же частицей, находящейся в различных состояниях. Таким образом, идея Вайнберга и Саддама о спонтанном нарушении симметрии соединила электромагнетизм и слабое взаимодействие в единую теорию калибровочного поля.

Почему же электромагнитная и слабое взаимодействия имеют столь непохожие свойства? Теория Вайнберга Салама объясняет эти различия нарушением симметрии. Если бы симметрия не нарушалась, то обе взаимодействия были бы сопоставимы по величине. Нарушение симметрии вызывает резкое уменьшение слабого взаимодействия, поскольку: оно непосредственно связано с массами W- и Z-частиц. Можно сказать, что слабое взаимодействие настолько мала том, что W- и Z-частицы очень массивны. Лептоны редко сближаются на столь малые расстояния (м), чтобы на них становился возможным обмен тяжелыми векторными бозонами.

Но при больших энергиях (более 100 ГэВ), когда частицы W и Z могут свободно рождаться, обмен W- и Z-бозонами осуществляется столь же легко, как и обмен фотонами (безмассовыми частицами), различие между фотонами и бозонами стирается . В этих условиях должна существовать полная симметрия между электромагнитным и слабым взаимодействием электрослабое взаимодействие.

Наиболее убедительной экспериментальной проверкой Новой теории могло бы быть подтверждение существования гипотетических W- и Z-частиц. их открытия в 1983 стало возможным только тогда, когда было создано очень мощные ускорители Новейшего типа и означало торжество теории Вайнберга Салама. Было окончательно доказано, что электромагнитная и слабое взаимодействия самом деле были просто двумя компонентами единой электрослабого взаимодействия. У1979 г. Вайнберг С, Саламу А., Глешоу С. была присуждена Нобелевская премия за создание теории электрослабкои взаимодействия.

Квантовая хромодинамика

Следующий шаг на пути к познанию фундаментальных взаимодействий создание теории сильного взаимодействия. Для этого необходимо предоставить сильном взаимодействии рис калибровочного поля. Сильное взаимодействие можно представить как результат обмена глюонамй, который обеспечивает связывание кварков (попарно или тройками) в адроны.

Замысел здесь такой. Каждый кварк имеет аналог электрического заряда, который является источником глюонного поля. Его назвали цветом. (Как в случае с термином "кварк", термин "цвет" здесь выбрано произвольно и никакого отношения к обычному цвета он не имеет).

Если электромагнитное поле порождается зарядом только одного сорта, то более сложное глюонной поле создается при участии трех различных цветовых зарядов. Каждый кварк "окрашен" в один из трех возможных цветов, которые (совершенно произвольно) назвали красным, зеленым и синим. И, соответственно, антикварки бывают античервони, антизеленая и антисини.

На следующем этапе теория сильного взаимодействия развивалась по той же схеме, что и теория слабого взаимодействия. Требование локальной калибровочной симметрии (т.е. инвариантности относительно изменений цвета в каждой точке пространства) приводит к необходимости введения силовых компенсирующих полей ,. Всего нужно восемь новых силовых компенсирующих полей. Частицами носителями этих полей есть глюоны, и, таким образом, по теории следует, что должно быть целых восемь различных типов глюонов. Как и фотон, глюоны имеют нулевую массу покоя и спин 1. Глюоны также имеют различные цвета, но не чистые, а смешанные (например, сине-антизеленая), т.е. глюоны состоят из "цвета" и "антикольору". Поэтому излучения или поглощения глюонов сопровождается изменением цвета кварка ( "игра цветов"). Так, например, красный кварк, теряя красно-антисиний глюон, превращается в синий кварк, а зеленый кварк, поглощая сине-антизеленая глюон, превращается в синий кварк. В протоне, например, три кварки постоянно обмениваются глюонами, изменяя свой цвет. однак такие изменения имеют не случайный характер, а подчиняются твердом правилу: в любой момент времени "суммарный" цвет трех кварков должен представлять собой белый свет, то есть сумму "красный + зеленый + синий". Это правило распространяется и на мезоны, состоящие из пары кварк антикварк. Поскольку антикварк характеризуется антикольором, такая комбинация заведомо бесцветная ( "белая"), например красный кварк в комбинации с античсрвоним кварком образует бесцветный мезон.

С точки зрения квантовой хромодинамики (квантовой теории цвета) сильное взаимодействие есть не что иное, как стремление поддерживать определенную абстрактную симметрию природы: сохранение белого цвета всех адронов при изменении цвета их составных частей. Квантовая хромодинамика прекрасно объясняет правила, которым подчиняются все комбинации кварков, взаимодействие глюонов "между собой (глюон может распадаться на два глюоны или два глюоны слиться в один поэтому и появляются нелинейные члены в уравнении глюонного поля), взаимодействие кварков и глюонов ( кварки покрытые облаками глюонов и кварк-антикварковых пар), сложная структура адронов, который состоит из "одетых" в облака кварков и др.

Возможно, пока преждевременно оценивать квантовой хромодинамики как окончательную и завершенную теорию сильного взаимодействия, но экспериментальный статус ее достаточно прочный и достижения являются многообещающими.

На пути к большому объединения

С созданием квантовой хромодинамики появилась надежда на построение единой теории всех (или хотя 6 трех из четырех) фундаментальных взаимодействий. Модели, которые сочетают в единое целое хотя бы три из четырех фундаментальных взаимодействий, называются моделями Великого объединения. Теоретические схемы, которые объединяют все известные типы взаимодействий (сильное, слабое электромагнитное и гравитационное) называются моделями супергравитации.

Опыт успешного объединения слабого и электромагнитного взаимодействий на основе идеи калибровочных полей указал возможные пути для дальнейшего развития принципа единства физики, объединения фундаментальних физических взаимодействий. Один из них базируется на том странном факте, что константы взаимодействия электромагнитной, слабой и сильной взаимодействий становятся равными по одной и той же энергии. Эту энергию назвали энергией объединения. Когда значение энергии превышают м ГэВ или расстояния составляют м, сильные и слабые взаимодействия можно описать с помощью единой константы, то

Загрузка...

Страницы: 1 2