Часть 6 ФИЗИКА АТОМНОГО ЯДРА И ЭЛЕМЕНТАРНЫХ ЧАСТИЦ

Раздел 18 ФИЗИКА ЭЛЕМЕНТАРНЫХ ЧАСТИЦ

18.1. Космическое излучение и открытия элементарных частиц

Изучение строения атомов, атомных ядер, процессов в космическом излучении, реакций на быстрых заряженных частицах, которые получают в ускорителях, позволило установить существование большого количества частиц, которые названы элементарными. К ним относятся электроны и позитроны, протоны и антипротони, нейтроны и антинейтрони, нейтрино и антинейтрино, мезоны, гіперони, фотоны и др. Некоторые из этих частиц стабильны, то есть самовольно не распадаются, не превращаются в другие частицы, тогда как большинство элементарных частиц за определенный промежуток времени превращается в другие. Название «элементарные частицы» в буквальном смысле слова означает простейшие частицы, которые нельзя разложить на составные части. На самом деле это не так.

Пока что можем очень мало сказать о строение элементарных частиц, но интенсивные исследования в этом направлении проводятся во многих лабораториях мира. Хорошо изучены явления преобразования одних элементарных частиц в другие и установлены закономерности этих преобразований. Поэтому все частицы, которые называют «элементарными», на самом деле не является элементарными, так же как и атомные ядра, атомы и молекулы.

Часто физику элементарных частиц называют физикой высоких энергий, поскольку для проведения большинства экспериментов в этой сфере нужны частицы высоких энергий. Так, если при изучении ядерных реакций было достаточно энергий бомбардировочных частиц порядка энергии связи нуклонов в ядре, то для опытов, связанных с рождением пионов, необходимые протоны, ускоренные до энергии 300 Мэв, а для экспериментов, связанных с рождением протон-антипротонних пар, нужны частицы с энергией 6 Гэв.

До применения мощных ускорителей заряженных частиц единственным источником частиц с энергией, достаточной для образования мезонов и гипероны, было космическое излучение.

Космическое излучение - поток атомных ядер (в основном протонов), что попадает на Землю из мирового пространства и образует в земной атмосфере вторичное излучение, в котором обнаружено много элементарных частиц. Открытие космического излучения связано с проведением в начале XX в. опытов, которые указывали на существование слабой йонізації воздуха, что влекла разряд електроскопів, экранированных толстым слоем вещества. Исследование причин этого эффекта привели к открытию излучения внеземного происхождения, которое позже назвали космическим. Средняя энергия космических частиц составляла около 10 Гэв, а энергия отдельных частиц достигала 10¹⁰ Гэв. Поток первичного космического излучения на границе атмосферы в период минимума солнечной активности составляет 7 ∙ 10²...10⁴ частиц на квадратный метр в секунду и увеличивается в несколько раз приближением к максимуму активности. Поток заряженных частиц на уровне моря равна в среднем 1,7 ∙ 10² частиц на квадратный метр за секунду и мало меняется с солнечной активностью.

Ученые считают, что главным источником космического излучения являются так называемые пульсары, которых в нашей Галактике насчитывается около 10 миллионов. Характерное преимущество тяжелых элементов в составе первичного космического излучения, очевидно, можно объяснить преимущественным ускорением тяжелых ядер (Z > 20) в источниках космического излучения. Появление легких элементов в составе космического излучения вызвана расщеплением тяжелых ядер при взаимодействии с ядрами міжзіркового газа.

В 1958 г. во время первых полетов искусственных спутников Земли и космических ракет было обнаружено околоземные радиационные пояса. Они составляют две пространственно разделенные зоны вокруг Земли с резко повышенной концентрацией iонізуючого излучения. Существование поясов радиации обусловлено захватом и удержанием заряженных космических частиц магнитным полем Земли. Поэтому образование поясов радиации должно быть характерным для всех небесных тел, которые имеют магнитное поле. При исследовании космического излучения было сделано много принципиально важных открытий. Так, в 1932 г. К. Андерсон открыл в космическом излучении позитрон, а в 1937 г. К. Андерсон и С. Неддермейєр открыли μ-мезоны и определили их тип распада. В 1947 г. С. Пауэлл открыл μ-мезоны. В 1955 г. в космическом излучении было выявлено K-мезоны, а также тяжелые нейтральные частицы с массой, превышающей массу протона, - гіперони. Исследования космического излучения привело к необходимости введения квантовой характеристики, названной дивністю.

Подробно изучать свойства частиц, особенности их взаимодействия и преобразования можно только на ускорителях. Ускорители используются для различных исследований, но главное их назначение - исследование фундаментальных свойств вещества, элементарных частиц. Для этого проектировались и строились все более крупные ускорители заряженных частиц (см. раздел 17.3). Уже на первых ускорителях, построенных для изучения нуклонов, получили важные результаты. Во многих столкновениях при высоких энергиях возникали новые частицы, часто в больших количествах, но, что самое важное, совсем не обязательно меньше или легче, чем начальные. Более того, возникали одни и те же частицы для разных партнеров по столкновению. Это не вписывалось в рамки простых привычных представлений о структуре частиц. Эксперимент показывает, что все вторичные частицы не «выбиваются» из первичных, а «рождаются», строго соблюдая релятивистских законов сохранения энергии и импульса в акте рассеяния.

Успехи физики элементарных частиц обусловлены, наряду с высоким уровнем техники научного эксперимента, развитием новейших физических теорий, которые привели ко многим открытиям в физике ядра и элементарных частиц. Так, при объяснении сплошного спектра β-распада В. Паули предсказал существование нейтрино. П. Дирак, исходя из выведенного им релятивістського уравнения предсказал существование позитрона (античастинки). X. Юкава предсказал существование пионов, была также высказана гипотеза о существовании анти-сигмагіперона и др.

Много теоретических выводов подтверждено экспериментально. В настоящее время осуществляется экспериментальный поиск кварков, предусмотренных теорией элементарных частиц.

В 1952 г. в Брукхейвене (США) введен в действие первый синхрофазотрон, на котором можно получать протоны гораздо большей энергии (до 3 Гэв), чем давали ускорители, которые существовали до этого времени. Энергия в 3 Гэв - это уже энергия первичного космического излучения. Поэтому брукхейвенський синхрофазотрон получил название космо - трона. С появлением ускорителей космическое излучение утратило свое исключительное значение при изучении элементарных частиц. Однако оно остается единственным источником частиц сверхвысоких энергий.

В настоящее время известно около 400 элементарных частиц, главная особенность которых заключается в их способности к взаимопревращения.

Характерной особенностью элементарных частиц является то, что они существуют в виде частиц и античастиц. Это выражается, в частности, в том, что наряду с положительно заряженными частицами определенного вида существуют отрицательно заряженные частицы такого же вида. Для нейтральных частиц различие заключается в противоположной ориентации механических и магнитных моментов. В этом фундаментальном факте ярко проявляет себя основной закон материалистической диалектики, который рассматривает движущуюся материю как единство противоположностей, между которыми постоянно идет борьба, является основой самодвижения материи. Элементарные частицы характеризуются основными физическими свойствами, которые определяют их характерные особенности. Все элементарные частицы имеют ту или иную массу, энергию, момент количества движения, спин. Некоторые частицы имеют магнитный момент, электрический, баріонний, лептонний заряды и т.д. Все превращения элементарных частиц строго подчиняются законам сохранения этих величин. Чтобы описать процессы, связанные с преобразованием элементарных частиц, нужно учитывать соотношение между массой и энергией.

Термин «элементарная» скорее принадлежит до уровня наших знаний, поскольку на каждом этапе развития науки элементарными называют частицы, строение которых не знают и которые рассматриваются как точечные.

Эксперименты на ускорителях элементарных частиц пока не дали доказательств существования каких-либо субчастинок. Можно предположить, что достигнута на ускорителях энергия не превышает энергии связи субчастинок внутри элементарной частицы, и поэтому их нельзя выделить. Вследствие этого после каждой новой серии экспериментов субчастинкам вынуждены приписывать все большую массу. Следовательно, теоретические рассуждения ограничивают массу возможных субчастинок, а эксперимент требует увеличения ее. Если относительно атомов и молекул справедливо утверждение, что молекула «состоит» из атомов, а атом - из ядра и электронов, то было бы неадекватным представление, что ядро «состоит» из протонов и нейтронов в том понимании, в котором молекула «состоит» из атомов. Качественная специфика строения микрочастиц еще сильнее проявляется для элементарных частиц в современной физике.