История открытия элементарных частиц: атомы, адроны, кварки, струны. Как изучают элементарные частицы Сообщение открытие главных характеристик элементарных частиц

И УСКОРИТЕЛЕЙ

1. Новые тенденции в физике элементарных частиц

2. Ускорители заряженных частиц - главный инструмент исследования материального мира (современный ускорительный арсенал)

3. Международное сотрудничество ученых - фактор стабильности

научных проектов. ОИЯИ - пример сотрудничества

Заключение

РАЗВИТИЕ ФИЗИКИ ВЫСОКИХ ЭНЕРГИЙ

И УСКОРИТЕЛЕЙ

1. НОВЫЕ ТЕНДЕНЦИИ В ФИЗИКЕ

ЭЛЕМЕНТАРНЫХ ЧАСТИЦ

1.1. Что такое физика высоких энергий и немного истории Физика элементарных частиц (или, что сегодня тождественно, физика высоких энергий) изучает природу на очень малых расстояниях с целью исследовать фундаментальные составляющие материи и их взаимодействия.

Проникновение в глубь материи требует все больших энергий сталкивающихся частиц, поскольку в силу принципа неопределенности существует определенная связь энергии и расстояний (так же как и характерных времен), на которых происходят процессы в микромире.

Принцип неопределенности - это фундаментальный закон квантовой теории, утверждающий, что характеризующие физическую систему так называемые дополнительные физические величины (например, координаты и импульс, энергия и время) не могут одновременно принимать точные значения (px, где - постоянная Планка). Это отражает двойственную, корпускулярно-волновую природу элементарных частиц (волновые свойства материи были открыты в 1924 г. французским физиком Луи де Бройлем).

Переход ко все большим энергиям всегда сопровождался раскрытием принципиально новых физических явлений.

Чтобы получить представление о связи областей физики с пространственной и энергетической шкалой, вспомним, на каких расстояниях и при каких энергиях происходят те или иные явления физики:

молекулярная физика - 105 107 см, энергии 1 эВ – 1 кэВ;

атомная физика, антиматерия - 1011 см, энергии 10 МэВ;

ядерная физика - 1013 см, энергии 100 МэВ – 1 ГэВ;

* Международная школа молодых ученых «Проблемы ускорения заряженных частиц», Дубна, 2–9 сент. 1996 г. Дубна, 1997. C. 5–37.

Развитие физики высоких энергий и ускорителей физика высоких энергий, сильные взаимодействия, так называемая адронная физика - 1013 1015 см, энергии 10–100 ГэВ;

физика «сверхвысоких» энергий, процессы на сверхмалых расстояниях, меньших 1015 см, энергии больше 100 ГэВ.

Сегодня исследователям доступны энергии порядка 1 ТэВ.

На рис. 1 приведены характерные масштабы расстояний, времени, энергии.

Только ось в (энергии) следовало бы перевернуть, так как все большим энергиям соответствуют все меньшие характерные интервалы времени и все меньшие пространственные интервалы, на которых разворачиваются события в микромире.

Сегодня мы находимся на уровне «масс W -, Z-бозонов» (по энергетической шкале), «времени жизни резонансных состояний» (шкала времени), «расстояний между кварками» (шкала расстояний).

Поражает тот факт, что за последнее столетие был достигнут поистине гигантский прогресс в физике элементарных частиц и атомного ядра.

Рис. 1. Масштабы расстояний (а), времени (б) и энергий (в) в физике ядер и частиц 86 Лекции по физике частиц Ядерная физика начала свой отсчет за несколько лет до начала XX в.: ровно сто лет назад, в 1896 г., открыто знаменитое явление радиоактивности. Говоря о явлении радиоактивности, нельзя не упомянуть имена: английского физика Эрнеста Резерфорда - одного из создателей (совместно со своим соотечественником Фредериком Содди) теории радиоактивного распада (1903 г.), создателя планетарной модели атома (1911 г.); французских ученых Пьера и Марии Кюри, внесших основополагающий вклад в исследования радиоактивности;

первооткрывателя радиоактивности французского физика Антуана Анри Беккереля.

В 1897 г. был открыт электрон (английский ученый Джозеф Джон Томсон), т. е. была найдена одна из важнейших составляющих атома.

В 1932 г. был открыт нейтрон (английский физик Джеймс Чэдвик), т. е. была определена одна из составляющих атомного ядра.

Интенсивные исследования в области физики высоких энергий начались в 1950-е годы, после создания эффективных ускорителей заряженных частиц.

Таким образом, в цепочке основных составляющих материи (материя состоит из молекул, молекула состоит из атомов, атом - из электронов и атомных ядер, атомное ядро состоит из нуклонов - протонов и нейтронов, нуклон - из кварков...) значительная часть звеньев «возникла» фактически на глазах последних поколений исследователей.

Еще раз отмечу, что именно благодаря ускорителям с пучками частиц очень большой энергии (этим «супермикроскопам» для изучения микромира) стали возможны исследования материи на столь малых расстояниях*. В последние годы наблюдается взаимное проникновение между физикой на малых расстояниях и изучением свойств макроструктур Вселенной. Это - проявление единства физики высоких энергий и астрофизики.

Определяя, что такое физика высоких энергий, часто приводят высказывание Абдуса Салама. Он говорил, что раньше эту науку несла «тройка», состоящая из: 1) теории, 2) эксперимента, 3) ускорителей и детекторов. Затем к «тройкe» пристегнули еще двух «лошадей»:

4) раннюю космологию, описывающую Вселенную начиная с 1043 с после ее возникновения и до истечения первых трех минут, 5) чистую математику.

Попытаемся, используя «схему Салама», проследить сегодняшние тенденции развития физики элементарных частиц.

* Справедливости ради напомню, что важная информация о микромире была получена с помощью наземных, наводных и «спутниковых» детекторов (с компьютерными устройствами) при исследовании космических лучей, а также с использованием реакторных установок.

Развитие физики высоких энергий и ускорителей 1.2. Теоретические представления о структуре частиц Сегодня мы знаем, основываясь на экспериментальных открытиях и теоретических построениях, что электроны, протоны и нейтроны, составляющие материю вокруг нас (т. е. атомы вещества), не являются, вообще говоря, элементарными «кирпичиками мироздания».

Только электроны сегодня описываются как точечно-подобные элементарные частицы. Протоны и нейтроны «сделаны» из более фундаментальных составляющих, названных кварками.

Сильные взаимодействия * описываются фундаментальной теорией кварков и глюонов - квантовой хромодинамикой (КХД). В этой теории глюоны являются носителями сильных взаимодействий, которые удерживают кварки в протонах и нейтронах (эффект «конфайнмента»). Эта теория эффективно может быть использована для исследования большинства наблюдаемых явлений физики сильных взаимодействий.

Другие силы, электромагнитные и слабые, проявляются как совершенно различные. Однако сегодня мы знаем, что они являются проявлениями единой электрослабой теории (Глэшоу, Вайнберг, Салам). «Кирпичиками мироздания» в электрослабом секторе выступают лептоны. Носителями же электрослабых взаимодействий являются два промежуточных бозона (W, Z) и фотон ().

Единая электрослабая теория и КХД (в целом называются стандартной моделью - СМ) определяют взаимодействия элементарных частиц (кварков и лептонов) в масштабе до 1016 см.

Третье, кроме сильного и электрослабого, из известных типов взаимодействий - гравитационное - остается вне рамок стандартной модели. Это взаимодействие тесно связано с нашими представлениями о пространстве и времени. Как известно, пространство и время в рамках специальной теории относительности выступают вместе как единый 4-мерный мир.

В общей теории относительности геометрия этого 4-мерного мира неразрывно связана с гравитационным полем. Ряд интересных «спекуляций» на тему «неуникальности» мира, который мы наблюдаем, существует не только в научной фантастике, но и в теоретических научных построениях.

Отмечу, что выход за рамки стандартной модели сегодня исследуется по ряду направлений. О них мы скажем ниже.

Однако проходившая в июле 1996 г. в Варшаве XXVIII Международная (Рочестерская) конференция по физике высоких энергий констатировала, что стандартная модель согласуется со всеми имеющимися к настоящему времени экспериментальными данными.

Сильновзаимодействующие частицы называются адронами.

Итак, на сегодня мы знаем, что в нашем 4-мерном пространствевремени, наполненном условно-точечными с точностью до 1016 см фермионами* (лептонами и кварками), действует три типа взаимодействий, обусловленных специальными носителями: глюонами, W - и Z-бозонами и гипотетическими гравитонами.

1.3. Некоторые экспериментальные достижения Основной задачей большинства экспериментов последних нескольких лет являлось проведение традиционной проверки стандартной модели на различных ускорителях, но в первую очередь на LEP (ЦЕРН) и e+ e -коллайдере SLAC. Практически все измерения согласуются со стандартной моделью с поразительной точностью, на уровне 1 %.

Прежде чем прокомментировать некоторые яркие экспериментальные результаты этих исследований, расположим «кирпичики мироздания» в виде таблицы (см. табл. 1).

Так, одним из наиболее крупных достижений последних двух лет было открытие топ-кварка (t). Это был последний из ненаблюдаемых кварков, который лежит в основе стандартной модели. Установленная масса (почти 200 ГэВ) была правильно оценена непрямыми методами (LEP). Открытие t-кварка было сделано на адронном коллайдере во FNAL с помощью двух больших детекторных комплексов (CDF и D0), использующих сложную методику обработки результатов, чтобы выделить редкие события. Здесь проявилась другая важная особенность современных ускорителей заряженных частиц, у которых кроме высоких энергий предусматриваются и высокие интенсивности (светимости в случае коллайдеров):

Экспериментальные факты указывают на то, что системы с целым спином (бозоны) подчиняются законам статистики Бозе–Эйнштейна, а системы с полуцелым спином (фермионы) подчиняются законам статистики Ферми–Дирака. В математической физике доказана теорема связи спина со статистикой.

т. е. количество частиц, пролетающих в единицу времени через единицу площади. Высокие светимости позволяют изучать редкие процессы (повышая вероятность их наблюдения). К ускорительным машинам с высокой светимостью применяют термин «фабрика» (-фабрика, c- -фабрика, B-фабрика, Z-фабрика...).

Экспериментальные исследования и теоретическое осмысление физики t-кварка сегодня (и завтра) сводятся к тому, чтобы ответить на вопросы: почему t-кварк так тяжел? Каковы его свойства?

Эксперимент также нацеливается на прецизионное измерение массы t-кварка.

Несколько ранее (начало 90-х годов) на ускорительном комплексе LEP было установлено, что на нынешнем витке познания мы имеем дело с тремя поколениями частиц. Была измерена с высокой точностью масса и полная ширина Z 0 -бозoнa, что позволило установить количество нейтринных каналов распада Z 0 и определить число поколений.

Загадками для будущих экспериментов в физике высоких энергий являются вопросы: а сколько всего семейств (поколений) имеется в природе? Есть ли структура у кварков и лептонов (на расстояниях меньше 1016 см)?

Эти вопросы относятся к категории классических фундаментальных проблем физики микромира. Они задают направления выхода за рамки наших сегодняшних представлений.

Вернемся, однако, немного назад и поясним роль поколений элементарных частиц.

Все атомы, т. е. химические элементы, грубо говоря, состоят из u-, d-кварков и электронов. Электронное нейтрино e не входит в состав атомов, но оно участвует в протон-протонном цикле ядерных реакций, происходящих в недрах Солнца и обеспечивающих его «горение».

Фермионы II и III поколений являются утяжеленными аналогами u, d, e и e и, как считается, играли важную роль в динамике ранней Вселенной. В современную эпоху они появляются в процессах, порожденных космическими лучами, и в столкновениях частиц на современных ускорителях.

Кварки, в отличие от лептонов, характеризуются цветом - дискретной переменной, принимающей три значения. Эта переменная была введена в 1965 г. Боголюбовым, Струминским, Тавхелидзе, Ханом и Намбу с целью сохранения принципа Паули в кварковой модели адронов.

Другим загадочным свойством кварков является дробность их электрических зарядов Q. Q = 2/3e для кварков u, c, t и Q = 1/3e для d, s и b. «Бесцветные» лептоны либо электрически нейтральны (все нейтрино), либо имеют заряд Q = e (e, µ и).

Последние 2–3 года внесли много нового в понимание нуклонной структурной функции при очень больших переданных импульсах q (e p-коллайдер HERA, DESY и др.), что проясняет структуру адронов. Достигнуто значительное понимание физики тяжелых кварков (b-кварков) с помощью экспериментов на установке CLEO в Корнелле и др.

В экспериментальных программах ЦЕРН, BNL и ОИЯИ значительное место занимают ядро-ядерные столкновения при высоких энергиях. Эта область исследования ставит своей целью обнаружение проявлений кварк-глюонных взаимодействий при соударении ядер и также дает новую информацию о строении материи (кумулятивный эффект, кварк-глюонная плазма и др.).

Очень трудно в ограниченное время лекции сделать полный обзор достижений последних лет. Выбор примеров (отчасти субъективный) имел целью дать общее представление о тенденциях в физике высоких энергий. Следуя «схеме» Салама, перейдем к математической подоплеке стандартной модели, оставив пока в стороне загадки ранней космологии и состояние ускорительного арсенала современной физики элементарных частиц.

1.4. Математический взгляд на современную физику высоких энергий и появление новых загадок Говоря о влиянии чистой математики на развитие физики высоких энергий, надо понимать, что речь идет об углублении и совершенствовании математического аппарата теории частиц. Ранее чисто математическая теория групп, методы математической физики и многие другие математические теории теперь стали среди всего прочего аппаратом и языком для физиков.

В математическом отношении СМ представляет собой калибровочную квантовую теорию поля (со всеми ее преимуществами и недостатками типа расходимостей и перенормировок) с группой симметрии Калибровочные теории замечательны тем, что в них практически однозначно фиксируется структура лагранжиана взаимодействия.

При этом переносчиками взаимодействия являются векторные частицы, число которых равно числу параметров группы симметрии.

Данные частицы не обладают какой-либо составной структурой, т. е.

являются столь же элементарными, как, например, кварки и лептоны.

Группа (1) зависит от 8+3+1 = 12 параметров. Восьмерка отвечает сомножителю SU (3)C - группе цветовой симметрии, лежащей в основе КХД. Соответствующий октет векторных бозонов, называемых глюонами, осуществляет взаимодействие между цветными кварками.

Симметрия SU (3)C считается точной, а глюоны - безмассовыми.

Установлено, что на малых расстояниях (при больших передаваемых импульсах) эффективное кварк-глюонное взаимодействие убывает («асимптотическая свобода»). Поэтому в данной области можно применять для расчетов аппарат теории возмущений, например диаграммную технику Фейнмана, и получать надежные количественные предсказания.

На расстояниях 1013 см хромодинамические силы должны быть большими хотя бы потому, что им надлежит связать кварки в адроны и обеспечить «сильное» взаимодействие последних. Теория возмущения в данном случае неприменима. «КХД на больших расстояниях», как обычно называют теорию кварк-глюонных взаимодействий в этой области, - предмет интенсивных исследований как в плане теоретическом, так и в плане экспериментальном. Проблемой номер один, являющейся откровенным вызовом теоретикам на протяжении уже многих лет, здесь можно считать разгадку механизма конфайнмента, т. е. объяснение причины удержания кварков внутри адронов и невозможности существования их в свободном состоянии.

Обратимся теперь к теории электрослабых взаимодействий (ЭСВ) в рамках стандартной модели. Эта теория была сформулирована Вайнбергом, Саламом и Глэшоу. Группа калибровочной симметрии ЭСВ включает в себя второй и третий сомножители из (1):

и задается, соответственно, числом параметров, равным 3 + 1 = 4.

Значит, калибровочных векторных бозонов здесь должно быть 4. Это, W ±, Z 0. Фотон, подобно глюонам, является безмассовой частицей, тогда как векторные бозоны W, Z 0 имеют массы:

Последнее обстоятельство указывает на то, что симметрия (2) не может быть точной, а должна неизбежно нарушаться.

Теория ЭСВ включает в себя хиггсовский механизм спонтанного нарушения SU (2)L U (1)-симметрии, который обеспечивает появление масс у W, Z 0, кварков и лептонов без потери калибровочной инвариантности полного лагранжиана ЭСВ. В простейший вариант теории входит один нейтральный хиггсовский скалярный бозон H 0, масса которого, однако, не предсказывается. По современным представлениям, она заключена в интервале Поиск H непременно входит в перспективные экспериментальные программы крупнейших ускорительных лабораторий мира.

По данным 2004 г., интервал, видимо, уже: верхняя граница около 260 ГэВ. - Примеч. сост.

В рамках SU (2)L U (1)-симметрии реализовано объединенное описание электромагнитного и слабого взаимодействий кварков и лептонов. Этот синтез оказался настолько глубоким, что употребление универсального термина «электрослабое взаимодействие» вполне правомерно.

Вообще физика знает немало примеров того, каким плодотворным может быть единый подход к описанию явлений, кажущихся на первый взгляд совсем не связанными и даже разнородными.

Так, благодаря Ньютону земная и небесная гравитация соединились в одном понятии «всемирное тяготение». Фарадей обнаружил, что электрические и магнитные силы есть проявление одной сущности - электромагнетизма. Максвелл объединил электромагнетизм и оптику, поняв, что они описывают явления, имеющие общую природу. Он же, соединив аналитическую механику и термодинамику, развил кинетическую теорию газа.

В СМ кварк-глюонное взаимодействие, с одной стороны, и электрослабое - с другой, существуют совершенно независимо друг от друга. Попытки объединить эти взаимодействия в рамках более общей теоретической схемы с эффектным названием «великое объединение»

пока, к сожалению, не привели к реальному успеху. Тем не менее продолжают разрабатываться и более грандиозные проекты, претендующие на создание «всеобъемлющей теории» («the theory of everything»).

В первую очередь здесь имеются в виду уже упоминавшиеся суперструнные теории, в которых осуществляется синтез кварк-глюонного электрослабого и гравитационного взаимодействий, причем описание последнего согласуется с требованием квантовой механики.

В конечном счете теория «суперструны» объединила СМ и гравитацию, используя понятие крошечной струны вместо точечных частиц. Это еще одно из интересных направлений выхода за пределы стандартных представлений о физике микромира.

Несомненный интерес представляет построение теории, использующей понятие «фундаментальной длины» (Тамм, Кадышевский и др.), - это тоже одно из направлений исследований вне привычных рамок.

Что может служить надежным ориентиром для выхода за рамки СМ? На каких расстояниях (при каких энергиях) СМ заведомо перестанет «работать»? Для какой более общей теории СМ является низкоэнергетическим пределом? Только будущие эксперименты в состоянии дать ответы на эти вопросы. Они, как известно, могут быть двоякого рода. Первый предполагает продвижение в область малых расстояний с помощью ускорителей, разгоняющих частицы до более высоких энергий, второй - прецизионные измерения при уже достигнутых энергиях тех величин, в значение которых вносят вклад процессы, происходящие на малых расстояниях.

Твердого и надежного теоретического фундамента «физики за пределами СМ» не существует. Здесь можно пока говорить лишь об определенных направлениях исследований. Среди них наиболее популярны:

Суперсимметрия, составные кварки и лептоны, «великое объединение», суперструны, техницвет и некоторые другие.

Для суперструнных теорий характерным масштабом является планковская масса MP = 1019 ГэВ. «Великое объединение» взаимодействий должно наступать при энергиях порядка 1015 ГэВ.

О ряде возможных теоретических схем мы уже говорили выше.

Скажем несколько слов о суперсимметрии (СУСИ), которой в последние два десятилетия уделяется очень много внимания. СУСИ - это новая разновидность симметрии в мире элементарных частиц, основанная на объединенном описании бозонов и фермионов. В рамках СУСИ каждой частице сопоставляется суперчастица, спин которой отличается на 1/2. Так, фотону, W - и Z-бозонам, обладающим спином 1, соответствуют дираковские суперчастицы «фотино», «вино» W и «зино» Z; кваркам и лептонам отвечают скалярные «скварки» и «слептоны», скалярным «хиггсам» - «схиггсы» со спином 1/2.

Все частицы и суперчастицы, входящие в один супермультиплет, должны иметь одинаковую массу. Однако ничего похожего на вырождение спектра масс у имеющихся фермионов и бозонов не наблюдается. Более того, если даже не принимать во внимание различия в массах, следует констатировать, что известные нам фермионы не могут быть интерпретированы как суперпартнеры существующих бозонов.

Отсюда при оптимистическом отношении к самой концепции СУСИ следуют два вывода:

Суперсимметрия элементарных частиц реализуется в нарушенной форме с большим расщеплением масс в супермультиплетах;

суперчастицы нужно открывать.

Несомненно, что обнаружение суперчастиц явилось бы ярким сигналом новой, нестандартной физики. Пока, однако, их поиск не увенчался успехом. Из имеющихся на сегодня данных получаются лишь оценки масс этих объектов:

Как теоретическая схема СУСИ удовлетворяет самым высоким эстетическим требованиям. Суперструнные теории своей привлекательностью во многом обязаны заложенной в них суперсимметрии.

Соединение идеи СУСИ с калибровочным принципом привело к нетривиальному обобщению теории тяготения - супергравитации. В рамках универсального суперсимметричного описания фермионов и бозонов стираются различия между структурными составляющими материи, с одной стороны, и переносчиками взаимодействий - с другой. Наконец, в суперсимметричных теориях поля теряет свою остроту проблема ультрафиолетовых расходимостей: либо они здесь совсем исчезают, либо соответствующая процедура перенормировки значительно упрощается.

Ранее было сказано, что с точностью до 1014 см кварки и лептоны можно считать элементарными бесструктурными объектами и что именно такое представление об этих фермионах заложено в СМ.

Однако повторяемость поколений и само обилие кварков и лептонов (в трех поколениях кварков фигурирует 18 кварков (с учетом цвета) и лептонов), быть может, является намеком на их сложную природу.

Соответствующих моделей предложено немало. Кварки и лептоны в них строятся из небольшого количества более фундаментальных фермионов (пракварков, субкварков, преонов... - общепринятого названия для этих «конституэнтов» пока нет).

Еще одна загадка в физике частиц относится к проблеме асимметрии материи-антиматерии во Вселенной. Есть два условия, которые могут объяснить это, - нестабильность барионов - сильновзаимодействующих частиц (предмет исследования больших неускорительных экспериментов) и СР-нарушения (они будут исследованы в следующей генерации экспериментов с интенсивными K-мезонными пучками на новых установках, позволяющих наблюдать СР-нарушения в распадах B-мезонов). Существует также гипотеза о существовании другой Вселенной, где в отличие от нашей преобладают античастицы.

Физика частиц может также дать ответ на загадку темной материи во Вселенной. Все наблюдения требуют новых форм небарионной темной материи. Это могут быть новые суперсимметричные частицы и/или массивные нейтрино. Существуют и другие возможности.

До сих пор нет ясного ответа на вопрос, есть ли у нейтрино масса. Эксперименты по прямому наблюдению массы нейтрино или трансформации одного нейтрино в другое («нейтринные осцилляции»

Понтекорво и др.) планируются в программах будущих исследований на ускорителях.

В заключение этой части можно кратко резюмировать, что прошедшие несколько лет дали точное подтверждение стандартной модели. Однако существует много загадок, которые дают как теория, так и эксперименты, а усилия направлены сегодня на выход из создавшегося положения. Направления «выхода» неоднозначны, и, не претендуя на полноту, мы рассмотрели лишь некоторые (будем надеяться, что основные) тенденции.

Теперь вернемся к самому началу...

По современным представлениям, основанным на так называемой стандартной космологической модели, в первую микросекунду своего существования Вселенная была настолько горячей, что могла состоять лишь из элементарных частиц, связанных фундаментальными силами. Это была сотворенная самой природой уникальная лаборатория физики высоких энергий.

Ускоряя частицы и сталкивая их друг с другом в современных земных лабораториях, мы, в принципе, многое можем узнать о тех фундаментальных процессах, которые изначально происходили во Вселенной. При этом чем больше энергия сталкивающихся частиц, тем более ранний период истории Вселенной попадает в поле нашего зрения.

Однако известно, что габариты ускорителей довольно быстро растут с увеличением предельной энергии, на которую они рассчитаны.

Здесь наши возможности будут довольно скоро исчерпаны, если не появятся принципиально новые идеи и технологические решения.

Напомню, что ускорение частиц до энергии 1015 ГэВ, отвечающей «великому объединению» сильного и электрослабого взаимодействий, потребовало бы сооружения ускорителя размером с Солнечную систему. А если бы мы хотели продвинуться до «планковской» энергии 1019 ГэВ (на этом рубеже становятся существенными квантовогравитационные эффекты), то пришлось бы строить ускоритель, кольцо которого имело бы протяженность порядка 10 св. лет.

Подобные машины могут существовать лишь в воображении писателей-фантастов. Однако теоретическая мысль смело проникает и в область практически недостижимых энергий. При этом реалистичность и жизнеспособность моделей, описывающих взаимодействие элементарных частиц во всей области энергий, определяются, в частности, при «сшивании» этих моделей со стандартной космологической моделью ранней Вселенной. В результате в физику высоких энергий вносятся ценные эвристические идеи и ограничения.

Это и имеет в виду Салам, рассматривая раннюю космологию как одну из движущих сил современной физики элементарных частиц. Приведу примеры, иллюстрирующие правомерность такой точки зрения. Некоторые из них невольно будут перекликаться со сказанным выше.

На основании астрофизических оценок распространенности первичного 4 Не можно судить о количестве различных типов легких нейтрино и, следовательно, о числе поколений лептонов и кварков. Наблюдаемая барионная асимметрия мира, возможно, связана с возникновением в ранней Вселенной преобладания кварков над антикварками во взаимодействиях, нарушающих закон сохранения барионного заряда и СР-симметрию.

Весьма важной и глубокой проблемой, в решении которой заинтересованы как космология, так и теория элементарных частиц, является оценка космологической постоянной. Для самосогласованного описания ранней Вселенной введение этого параметра сейчас признается необходимым. С другой стороны, по астрономическим данным, в современную эпоху величина очень мала (|| 1056 см2), если вообще не равна нулю.

В квантовой теории поля, не использующей суперсимметрию, постоянная выражается через энергию вакуума и формально является бесконечной величиной. Если в соответствующие расходящиеся фейнмановские интегралы вводить разумное обрезание, то полученная в результате оценка || будет отличаться от астрономической на 50– 100 порядков. Однако в суперсимметричной теории поля происходит сокращение всех расходящихся вакуумных диаграмм, что эквивалентно = 0. В этой связи возникает вопрос: можно ли, отказавшись от точной суперсимметрии, подобрать такой механизм ее нарушения, чтобы космологическая постоянная была отличной от нуля, но малой величиной?

Отметим, что ценная информация для физики элементарных частиц поступает и из астрофизических наблюдений, не имеющих прямого отношения к ранней космологии. Так, своеобразным стимулом для поиска новых нейтральных частиц служит вывод астрофизиков о том, что около 95 % массы нашей Вселенной составляет таинственное «темное вещество» («dark matter»). Особое место занимает нейтринная астрофизика, для которой событием первостепенной важности явилось наблюдение в феврале 1987 г. вспышки сверхновой SN1987A в Большом Магеллановом облаке.

Итак, ключ к решению некоторых актуальных проблем физики микромира может быть найден при изучении макрокосмоса, и наоборот, отдельные яркие фрагменты физической картины макрокосмоса основаны на закономерностях, обнаруженных при исследовании микромира.

2. УСКОРИТЕЛИ ЗАРЯЖЕННЫХ ЧАСТИЦ -

ГЛАВНЫЙ ИНСТРУМЕНТ ИССЛЕДОВАНИЯ

МАТЕРИАЛЬНОГО МИРА

(СОВРЕМЕННЫЙ УСКОРИТЕЛЬНЫЙ АРСЕНАЛ)

Ускорители - это источники ускоренных частиц (электронов, протонов и т. д.), которые «просвечивают» (как свет в микроскопе) физическую материю, атомные ядра или элементарные частицы, вызывая сложные взаимодействия, зависящие от типа ускоренных частиц, мишени, энергии ускоренных частиц и других условий эксперимента.

Помимо ускорителей источником частиц (в том числе высоких энергий) может служить поток частиц, рожденных в космосе, - так называемые космические лучи. Однако интенсивность «космических»

источников мала и быстро уменьшается с ростом энергии.

В настоящее время ускорители применяются для решения практических задач (материаловедение, стерилизация медицинской техники, дефектоскопия, субъядерные фильтры, терапия опухолей, сохранение сельскохозяйственных продуктов, экологические задачи и т. д.), но самые мощные и дорогостоящие ускорители создаются для научных целей. Длина магнитной дорожки ускорителя (по которой, двигаясь, ускоряются элементарные частицы) сегодня достигает уже многих километров, а стоимость ускорителя с необходимой исследовательской аппаратурой исчисляется многими миллионами рублей. Сооружение ускорительной установки для фундаментальных исследований является событием, требующим привлечения больших материальных и людских ресурсов, а также разработки новых приборов и технологий.

Не один год обсуждается возможность сооружения VBA - «очень большого ускорителя» - одного для всего физического содружества.

Однако для научных нужд требуются различные ускорительные комплексы - для ускорения электронов, протонов, тяжелых ионов, со встречными пучками и неподвижной мишенью. Поэтому в настоящее время международное сообщество физиков идет по пути согласования типов ускорителей, которые должны быть построены в различных регионах, участия различных стран в разработке и сооружении ускорителей и особенно исследовательской аппаратуры - детекторов.

Еще раз подчеркнем: с помощью ускорителей при соударении ускоренных частиц и частиц мишени осуществляются процессы при достаточно высоких энергиях, которые могут быть достигнуты человеком в земных условиях. Заряженные частицы ускоряются в вакуумной камере. Для формирования траектории частиц создаются многокилометровые кольцевые магнитные системы, и ускорение частиц осуществляется высокочастотным электрическим полем.

Вследствие установленной Альбертом Эйнштейном эквивалентности массы и энергии максимальная энергия процесса, происходящего при столкновении частиц, определяет и максимальную массу материального объекта, который может быть порожден в результате этого процесса. Поэтому уже в самом проекте ускорителя (предельная энергия, встречные пучки или неподвижная мишень, интенсивность пучков) закладываются ограничения на параметры частиц, которые могут быть на нем изучены.

Говоря о развитии физики и техники ускорителей заряженных частиц, хочется отметить выдающийся вклад отечественных специалистов: физиков, ускорительщиков, инженеров, и среди них Г. И. Будкера, В. И. Векслера, А. И. Алиханова, А. И. Алиханьяна, А. Л. Минца, А. Н. Скринского, А. П. Комара, А. А. Логунова, A. M. Балдина, М. А. Маркова, Г. Н. Флерова, М. Г. Мещерякова, 4 А. Н. Cисакян В. П. Джелепова, В. П. Саранцева и др. (С одной стороны, трудно избежать упоминаний имен при изложении материала, с другой стороны, многие фамилии крупных ученых невольно остаются за строкой. Приношу извинения людям и памяти людей, с которыми так получилось.) В приведенных ниже таблицах и рисунках даны характеристики параметров крупнейших ускорителей мира (действующих и строящихся) и показаны возможности современного ускорительного арсенала.

Рис. 2 дает сравнение шкалы энергий с предполагаемой картиной возникновения единых теорий. Конечно, такая картинка носит гипотетический характер.

Сегодня мы располагаем энергиями LEP и тэватрона (1011 1012 эВ) и уже достигли объединения электромагнитных и слабых сил.

В районе 1024 эВ предсказывается великое объединение, а в области 1028 эВ - полное объединение всех существующих сил природы.

На рис. 3 представлен график, показывающий связь достигнутых на ускорителях рекордных энергий с календарным временем. Следует подчеркнуть, что за прошедшие полвека на глазах одного поколения достигнут гигантский прогресс.

Рис. 4 связывает «календарь» с достижениями ускорительной техники. Ось ординат - это энергетическая шкала, а различные «веточки» и точки отвечают типу ускорителя, благодаря которому эти энергии могут быть достигнуты.

На рис. 5 показаны достижения энергии и светимости - важнейших параметров - наиболее крупных действующих и проектируемых ускорительных машин.

Развитие физики высоких энергий и ускорителей Из рис. 6 видны годы начала физических экспериментов на крупнейших ускорителях мира.

На рис. 7 показано, при каких энергиях становятся заметными сечения рождения ряда интенсивно изучаемых сейчас частиц (Z - энергии LEP; J/ - энергии BNL и т. д.).

Развитие физики высоких энергий и ускорителей Из рис. 8 можно сделать вывод, при каких светимостях работают крупнейшие ускорители мира (какие частицы при этом рождаются и могут быть изучены).

Высокие энергии требуют (к сожалению) и большого размера кольца ускорителя (если не появятся принципиально новые методы ускорения) (см. рис. 9).

В табл. 2 приведены параметры проектируемых линейных коллайдеров.

102 Лекции по физике частиц Рис. 10. Тоннель LEP-коллайдера Nominal luminosity, 1033 cm2 ·s Actual luminosity, 1033 cm2 ·s No. of particles/bunch at IP (1010) Main linac gradient, unloaded/loaded, MV/m 25/25 21/17 31/- 40/32 73/58 50/37 100/91 80/ x /y, mrad · x /, mm d before pinch, nm Disruptions Dx /Dy n (no. of ’s per e) Npairs (p = 20 MeV/c, min = 0.15) Nhadrons /crossing Njets · 102 s (p = 3.2 GeV/c) Рис. 11. Тоннель SPS (SuperProton Synchrotron)

3. МЕЖДУНАРОДНОЕ СОТРУДНИЧЕСТВО

УЧЕНЫХ - ФАКТОР СТАБИЛЬНОСТИ НАУЧНЫХ

ПРОЕКТОВ. ОИЯИ - ПРИМЕР СОТРУДНИЧЕСТВА

Объединение усилий ученых в области физики высоких энергий - это не только дань традиции сотрудничества физиков, но и настоятельная необходимость, примета времени. Сегодня уже все три составляющие опыта по физике высоких энергий (ускоритель, детектор, электронно-вычислительная машина) - это уникальные дорогостоящие установки. Чтобы не отстать от стремительного прогресса в этой области науки, сегодня есть только один способ - объединять усилия.

От ускорителей следующего поколения физика ждет решения ряда фундаментальных проблем, в том числе:

объединения существующих в природе взаимодействий (электрослабого, сильного и гравитационного);

создания систематики элементарных частиц (т. е. в конечном счете раскрытия их структуры).

Развитие физики высоких энергий и ускорителей Достижение этих результатов окупило бы колоссальные интеллектуальные и материальные затраты, на которые общество пошло ради них. Была бы построена (на данном витке познания) картина микромира, это послужило бы гигантским толчком научно-технического прогресса. Достаточно вспомнить последствия объединения электрических и магнитных сил в электромагнитное взаимодействие, расщепление атома и ядра... Следует подчеркнуть, что кроме своей генеральной задачи, какой является проблема формирования наших представлений о микромире, физика высоких энергий таит в себе богатые возможности воздействия на технический прогресс как благодаря открытиям в рамках физики, так и благодаря ее влиянию на другие науки. Эту совокупность аспектов рассматриваемой проблемы можно условно отнести к прямым эффектам от фундаментальных исследований в физике элементарных частиц. Но следует учесть, что кроме этого существуют эффекты и косвенного влияния этих исследований на технический прогресс, которым весьма трудно дать экономическую оценку, в то время как польза от них чрезвычайно велика. Дело в том, что развитие фундаментальной физики сопровождается появлением принципиально новой очень современной физической аппаратуры, принципиально новой техники и методики, которые находят применение во многих областях науки и техники.

Не будет преувеличением ожидать, что раскрытие тайн микромира, углубление его связи с космологией, решение практических задач в рамках широкого международного сотрудничества покажут, какие сложные проблемы можно решать объединенными усилиями ученых.

Роль международного сотрудничества ученых была еще раз понята в 1993 г. Печальный опыт закрытия SSC - проекта века в Далласе, - проанализированный группой американских специалистов во главе с С. Дреллом, показывает, что международность научных проектов является мощным стабилизирующим фактором. SSC, несмотря на широкое сотрудничество, создавался в рамках национальной программы. «Нет национальной науки - как нет национальной таблицы умножения. Если наука национальна - это уже не наука», - это чеховское высказывание процитировали специалисты в своем отчете о закрытии SSC.

В историю сотрудничества между физиками-ядерщиками Востока и Запада вписано немало ярких страниц, демонстрирующих его высокую эффективность. В этом отношении показательными являются примеры ЦЕРН и ОИЯИ, сотрудничество в рамках этих организаций и между ними.

ОИЯИ и ЦЕРН - Европейский центр ядерных исследований* имеют тесные научные связи. Эти научные центры чрезвычайно плоВ сентябре 2004 г. ЦЕРН исполняется 50 лет.

дотворно сотрудничают между собой с начала своего существования.

Хорошим примером является участие Объединенного института в перспективной научной программе по реализации проекта большого адронного коллайдера (LHC), создаваемого в ЦЕРН. Помимо этого, несомненной заслугой ОИЯИ и ЦЕРН является то, что всей своей деятельностью, начавшейся в первое послевоенное десятилетие, они способствовали делу сближения народов, объединению усилий ученых десятков стран на ниве «мирного атома».

Приведу в заключение лишь очень краткую «визитную карточку»

нашего Института.

За четыре десятилетия своей деятельности Объединенный институт* стал крупнейшим многоплановым центром фундаментальных ядерных исследований, объединяющим усилия ученых в их стремлении понять, как устроен окружающий нас мир.

Членами Института в настоящее время являются 18 государств:

Азербайджан, Армения, Белоруссия, Болгария, Вьетнам, Грузия, Казахстан, КНДР, Куба, Молдавия, Монголия, Польша, Россия, Румыния, Словакия, Узбекистан, Украина и Чехия.

В Институте работают около 6000 человек (вместе с обслуживающими подразделениями), из них более 1000 - научные сотрудники, около 2000 - инженерно-технический персонал. В составе Института 7 крупных лабораторий, каждая из которых по масштабам и объему проводимых исследований сопоставима с большим институтом.

ОИЯИ располагает уникальными в своем классе источниками излучения частиц и ядер в широком диапазоне энергий. Помимо синхроциклотрона и синхрофазотрона здесь построены и действуют ускорители тяжелых ионов У-200 и У-400. В 1993 г. получен выведенный пучок ионов из циклотрона У-400М. В 1994 г. введен в действие сверхпроводящий ускоритель релятивистских ядер нуклотрон, ведутся исследования с помощью импульсных реакторов на быстрых нейтронах ИБР-30 (c 1969 г.) и ИБР-2 (c 1984 г.).

Перспектива фундаментальных исследований связана с реализуемой в Институте программой создания современных базовых установок. В 1994 г. началась реализация проекта ИРЕН, направленного на создание высокопоточного импульсного источника резонансных нейтронов. Разрабатываются проект с-тау-фабрики - электронпозитронного коллайдера с универсальным детектором и проект специализированного источника синхротронного излучения.

Можно было бы много говорить о научных направлениях ОИЯИ и его широком сотрудничестве, но вы, наверное, обратили внимание, что среди имен, упомянутых мною в далеко не полном списке ученых, ОИЯИ (как международная организация) на полтора года младше ЦЕРН (день подписания Соглашения об образовании ОИЯИ 26 марта 1956 г.). - Примеч. сост.

внесших значительный вклад в развитие физики высоких энергий, было немало имен дубненских физиков.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Перенесемся теперь мысленно в 1928 г.... Профессор Макс Борн, встречая группу посетителей Геттингенского университета, говорил:

«Физика, насколько мы ее понимаем, закончится через 6 месяцев».

Надо сказать, что у Борна была к тому времени очень высокая репутация как физика-теоретика и ему никак нельзя было отказать в проницательности. Именно он разъяснил Гейзенбергу, открывшему матричную форму квантовой механики, что тот имеет дело не с чем иным, как с матрицами. Ему же принадлежала вероятностная трактовка квантово-механической волновой функции.

Иллюзия «конца физики» возникла у Борна не случайно. Незадолго до этого Дирак открыл свое замечательное уравнение, которое, как полагал автор, описывает сразу и электрон и протон. Поскольку в то время только эти частицы и были известны и поскольку уравнение Дирака в принципе решало проблему согласования друг с другом требований квантовой механики и теории относительности, Борну показалось, что физика как наука себя исчерпала.

С тех пор прошло не 6 месяцев, а почти 70 лет. Физика не только не закончилась, а, наоборот, все эти годы неуклонно, иногда непредсказуемо, развивалась. Явным лидером ее стала физика высоких энергий.

Именно в этот период времени возникли и усовершенствовались ускорители, произошла настоящая революция в развитии физических измерительных средств. В итоге совместными усилиями ускорительщиков, экспериментаторов и теоретиков было открыто множество важных и глубоких закономерностей микромира. И прав был Паскаль, когда сказал: «Скорее воображение устанет постигать, чем Природа поставлять». Вот этим я и хотел бы закончить.

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1. Salam A. // Particle Physics. 1987. IC/87/402.

2. Фейнман Р. КЭД - странная теория света и вещества. М.: Наука, 1988. (Библиотечка «Квант», вып. 66).

3. Howking S. W. Brief History of Time. Bantom Books, 1988.

4. Окунь Л. Б. Лептоны и кварки. М.: Наука, 1981.

5. Rubbia C. The «Future» in High Energy Physics: CERN-EP/88-130.

6. Bjorken J. D. Topics in B-Physics // Fermilab-Conf-88-134-T.

7. Кадышевский В. Г. Лекция на Междунар. школе молодых ученых по ускорителям заряженных частиц, Дубна, 1988.

Похожие работы:

«1 2 3 Содержание 5. Пояснительная записка 5.1 ель и задачи медицинской биофизики и её место в учебном процессе 5.1.1 Цель преподавания медицинской биофизики 5.1.2 Задачи изучения медицинской биофизики 5.1.3 Место дисциплины в структуре ООП. 5.1.4 Междисциплинарные связи 5.1.5 Матрица компетенции дисциплины. 5.1.6 Виды контроля. Формы текущего контроля используемые в работе 6. Структура и содержание дисциплины 6.1 Объем дисциплины и виды учебной работы 6.2 Наименование тем, их содержание, объем...»

«МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ ГОСУДАРСТВЕННОЕ ОБРАЗОВАТЕЛЬНОЕ УЧРЕЖДЕНИЕ ВЫСШЕГО ПРОФЕССИОНАЛЬНОГО ОБРАЗОВАНИЯ Воронежский государственный университет УТВЕРЖДАЮ Ректор Д.А. Ендовицкий 2011 г. м.п. ДОПОЛНИТЕЛЬНАЯ ПРОФЕССИОНАЛЬНАЯ ОБРАЗОВАТЕЛЬНАЯ ПРОГРАММА повышения квалификации научно-педагогических работников государственных учреждений высшего профессионального образования и государственных научных организаций, действующих в системе высшего и послевузовского...»

«Федеральное агентство железнодорожного транспорта Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования Уральский государственный университет путей сообщения (УрГУПС) СЕРИЯ БИБЛИОГРАФИЧЕСКИХ УКАЗАТЕЛЕЙ ТРУДЫ СОТРУДНИКОВ УрГУПС Сергей Петрович БАУТИН ЮБИЛЕЙНЫЙ БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ УКАЗАТЕЛЬ НАУЧНЫХ ПУБЛИКАЦИЙ ЗА 1973–2012 гг. Екатеринбург Издательство УрГУПС 2012 ББК Ч 755.3 Б29 Серия основана в 2005 г. Баутин Сергей Петрович: юбилейный...»

«Новости пал еонтологии и стратиграфии, 201 О, вып. 14, c.111-140 Приложение к J/СУРНалу Геология и геофизика, Т. 51 УДК 575.321:564. 1 НОВЫЕ ДАННЫЕ ПО СИСТЕМАТИКЕ ЮРСКИХ И МЕЛОВЫХ ДВУСТВОРЧАТЫХ МОЛЛЮСКОВ СЕМЕЙСТВА OXYTOMIDAE ICHlКAWA, 1958 о. А. Лутиков 1, Б. Н. Шурыгин 2 /Научно-исследовательский институт палеонтологии, стратиграфии и седиментологии, Новосибирск, ул. Б. Хмельницкого, оф. 14; Россия 630110, 60, 2Институт нефтегазовой геологии и геофизики ИМ. А.А. Трофимука СО РАД...»

«iiexs ieuex reweveex howmnyn hrm ©oryi iuyh ueqs §xhrexy ¦vseuex reeeywxis rewe hssvis xhs wesx eFHIFHP { 4hiferenil hvsrowmner4 msngitow$ym fizikm$emtikkn gitow$yownneri doktori gitkn sti!ni hymn tenxosow$yn i¤weqs iiex { PHII ЕРЕВАНСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ Думанян Ваграм Жораевич О ЗАДАЧЕ ДИРИХЛЕ ДЛЯ ОБЩЕГО ЭЛЛИПТИЧЕСКОГО УРАВНЕНИЯ ВТОРОГО ПОРЯДКА АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени доктора физико - математических наук по специальности 01.01.02 – Дифференциальные...»

«14-Геофизика: земная кора, океан, атмосфера Абдрахимова Полина Викторовна, 5 курс Уфа, Башкирский государственный университет, физический Особенности температурного поля в многопластовой системе при индукционном нагреве колонны Шарафутдинов Рамиль Файзырович, д.ф.-м.н. e-mail: [email protected] стр. 457 Абдрашитов Вакиль Хайдарович, магистрант 2 года обучения Уфа, Башкирский государственный университет, физико-технический институт Экспериментальное изучение распределения температуры при...»

«КРАТЧАЙШАЯ ИСТОРИЯ ВРЕМЕНИ СТИВЕН ХОКИНГ Леонард Млодинов КРАТЧАЙШАЯ ИСТОРИЯ ВРЕМЕНИ санкт-петербург АМФОРА 2011 Стивен Хокинг, Леонард Млодинов: Кратчайшая история времени УДК 524.8 ББК 22.68 X Х70 STEPHEN HAWKING & LEONARD MLODINOW A Briefer History of Time Перевел с английского Бакиджан Оралбеков Научный редактор А. Г. Сергеев Издательство выражает благодарность литературным агентствам Writers House LLC и Synopsis за содействие в приобретении прав Защиту интеллектуальной собственности и прав...»

« государственный университет УТВЕРЖДАЮ Декан физико-технического факультета Б.Б. Педько 2012 г. Учебно-методический комплекс по дисциплине ОБЩИЙ ФИЗИЧЕСКИЙ ПРАКТИКУМ. МОЛЕКУЛЯРНАЯ ФИЗИКА для студентов 1 курса очной формы обучения направления 010700.62 Физика, специальностей 010801.65 Радиофизика и электроника, 010704.65 Физика конденсированного...»

«Федеральное агентство по образованию Российской Федерации НАЦИОНАЛЬНЫЙ ИССЛЕДОВАТЕЛЬСКИЙ ЯДЕРНЫЙ УНИВЕРСИТЕТ МИФИ С. Н. Борисов Пособие по физике В помощь учащимся 8-го класса Москва 2009 УДК 53(075) ББК 22.3я7 Б82 Борисов С.Н. Пособие по физике. В помощь учащимся 8-го класса. – М.: НИЯУ МИФИ, 2009. – 84 с. В настоящем пособии представлено пять тем, которые изучаются в курсе физики 8-го класса. По каждой теме представлен необходимый теоретический материал, рассмотрены примеры решения задач....»

«Б.М. Синельников, А.Г. Храмцов, И.А. Евдокимов, С.А. Рябцева, А.В. Серов Лактоза и ее производные Научный редактор академик РАСХН А.Г. Храмцов Издано при содействии НКО Российский Союз предприятий молочной отрасли (Молочный Союз России) Санкт-Петербург 2007 УДК 637.044+637.345 ББК 36.95 Лак19 Рецензенты: К. К. Полянский - эксперт в области научно-технической сферы Министерства образования и науки РФ, д-р техн. наук, проф., зав. каф. Воронежского государственного аграрного университета;...»

« Вернадского Москва Наука 1993 УДК 614.7 Диоксины как экологическая опасность: ретроспектива и перспективы / Л.А.Федоров. М.: Наука. 1993. - 266 с. - ISBN 5-02-001674-8 В монографии кратко рассмотрены некоторые аспекты проблемы высокотоксичных сенобиотиков типа полигалогенированных дибензо-n-диоксинов, полигалогенированных дибензофуранов и...»

«2012 Что такое ядерная медицина Кузьмина Н.Б. Центр ядерной медицины НИЯУ МИФИ Содержание Введение Что такое ядерная медицина? Однофотонная эмиссионная компьютерная томография Позитронно-эмиссионная томография ПЭТ для животных Компьютерная томография Магнитно-резонансная томография Радионуклидная и лучевая терапия Технологии Производство радиофармпрепаратов Ускорители заряженных частиц для производства изотопов и лучевой терапии.18 Информационные технологии в ядерной медицине Перспективы...»

«1961 г. Декабрь Т. LXXV, вып. 4 УСПЕХИ ФИЗИЧЕСКИХ ПАУК УКАЗАТЕЛЬ СТАТЕЙ, ОПУБЛИКОВАННЫХ В УСПЕХАХ ФИЗИЧЕСКИХ НАУК, ТОМА I - L X X V (1918-1961 гг.)*) 630 I. А л ф а в и т н ы й указатель авторов II. П р е д м е т н ы й указатель 707 727 Акустика 707 Кристаллическое состояние вещества 728 Архитектурная акустика.... 707 Люминесценция Астрофизика 708 Магнитные свойства веществ... Атом 708 Магнитогидродинамика Атомного ядра деление 709 Магнитооптические явления... Атомного ядра масса 709...»

«МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ РФ Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования Тверской государственный университет УТВЕРЖДАЮ Декан биологического факультета _ С.М. Дементьева 2012 г. Учебно – методический комплекс по дисциплине Активные методы экологического образования для студентов 5 курса очной формы обучения специальность 020801.65 ЭКОЛОГИЯ специализация Биоразнообразие и охрана природы Обсуждено на заседании кафедры 2012 г....»

«1 Министерство образования и науки РФ Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования Владимирский государственный университет имени Александра Григорьевича и Николая Григорьевича Столетовых Факультет радиофизики, электроники и медицинской техники Отчёт за 2012 / 13 учебный год Владимир 2013 г. 1 2 ОТЧЕТ о работе ФРЭМТ в 2012/2013 учебном году I. Выполнение плана работы Совета ФРЭМТ за 2012/2013 уч. год. В связи с образованием Института...»

«1945 УСПЕХИ ФИЗИЧЕСКИХ НАУК Т. XXVII, вып. 1 УСКОРЕНИЕ ЭЛЕКТРОНОВ С ПОМОЩЬЮ ЭЛЕКТРОМАГНИТНОЙ ИНДУКЦИИ (БЕТАТРОН КЕРСТА) А. П. Гринберг В 1940 г. американский физик Дональд Керст построил в Иллинойсском университете (г. Эрбана) индукционный ускоритель электронов. Технический арсенал физики обогатился новым замечательным прибором, новым методом. Керст впервые успешно осуществил на практике давно уже возникшую идею об использовании явления электромагнитной индукции для ускорения электронов, и это...»

«Большая библиотека редких книг на www:goldbiblioteca.ru Мистерии Бхагавата-пураны Песни 1-12 песни: I II III IV V VI VII VIII IX X XI XII “Бхагавата Пурана - зрелый плод древа ведической литературы.” (1.1.3.) “ИНСТИТУТ ПРАКТИЧЕСКОЙ МЕТАФИЗИКИ” Санкт-Петербург 2001 Сурендра Мохан дас (Неаполитанский С. М.) Мистерии Бхагаваты Пураны (Песни 1-12). - СПб.: “Институт практической метафизики”, 2001. - 432 с. В книге дается подробное изложение одного из самых известных и авторитетных ведических...»

«УДК 91:327 Лысенко А. В. Математическое моделирование как метод исследования феномена автономизма в политической географии Таврический национальный университет имени В. И. Вернадского, г. Симферополь е-mail: [email protected] Аннотация. В статье рассматривается возможность использования математического моделирования как метода исследования политической географии, раскрывается понятие территориального автономизма, а также факторы его генезиса. Ключевые слова: математическое моделирование,...»

« Мамин-Сибиряк) Введение Крупнейший физик и мыслитель современности М. Планк сказал: Наука представляет собой внутреннее единое целое. Ее разделение на отдельные области обусловлено не столько природой вещей, сколько ограниченностью способности человеческого познания. В действительности существует непрерывная цепь от физики и химии через биологию...»

«МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ УКРАИНЫ ДОНЕЦКИЙ НАЦИОНАЛЬНЫЙ УНИВЕРСИТЕТ НАУЧНАЯ БИБЛИОТЕКА ДонНУ Серия Видатні вчені Донецького національного університету Основана в 2005 году АНАТОЛИЙ ИВАНОВИЧ БАЖИН Биобиблиографический указатель к 70-летию со дня рождения Донецк Юго-Восток 2010 1 ББК В253.3я1 УДК 532(09) Бажин Составители: Клименко Л. Е., ведущий библиограф научной библиотеки ДонНУ Макарова Т. И., главный библиограф научной библиотеки ДонНУ Научный редактор: Бажин А. И., доктор...»

III Микромир

Движение и физическое взаимодействие.

Основополагающие принципы современной физики и квантовой механики: принцип симметрии, принцип дополнительности и соотношения неопределенностей, принцип суперпозиции, принцип соответствия. «Апофатизм» в описании структуры и механики микромира.

Богословское осмысление тенденций к построению «Теории Всего».

Литература для изучения:

1. Барбур И. Религия и наука: история и современность. – М.: Библейско-Богословский институт св. ап. Андрея, 2001. – C. 199-216; 230-238; 253-256. (Электронный ресурс: http://www.mpda.ru/publ/text/59427.html)

2. Горелов А.А. Концепции современного естествознания. – М.: Высшее образование, 2006. – C. 110-120.

3. Грин Б. Элегантная вселенная. Суперструны, скрытые размерности и поиски окончательной теории: Пер. с англ. – М.: КомКнига, 2007.

4. Грин Б. Ткань космоса: Пространство, время и текстура реальности: Пер. с англ. – М.: URSS, 2009.

5. Осипов А.И. Путь разума в поисках истины. – СПб.: Сатис, 2007. - С. 100-110.

6. Садохин А.П. Концепции современного естествознания: курс лекций. – М.: Омега-Л, 2006. – С. 64-78.

7. Фейнман Р ., Характер физических законов. – М.: Наука, 1987. (Электронный ресурс: http://vivovoco.rsl.ru/VV/Q_PROJECT/FEYNMAN/CONT.HTM)

История открытия элементарных частиц: атомы, адроны, кварки, струны.

Согласно древнегреческим философам Левкиппу (Λεύκιππος, V век до р. Х.) и Демокриту (Δημόκριτος; ок. 460 до н. э. - ок. 370 до р. Х.) – основоположникам атомизма, в основе мира лежат атомы - мельчайшие неделимые частицы, которые сцепляются и образуют все живое и неживое.

К XVIII в. стало понятно, что атом является элементарной химически неделимой частицей, в то время как молекула , - элементарная частица вещества, сохраняющая его свойства, - состоит из определенных «сортов» атомов. Атомы одного вида получили названия элементов. В 1869 г. Дмитрий Иванович Менделеев создал свою Периодическую систему, включающую 64 элемента (на октябрь 2009 года известно 117 химических элементов с порядковыми номерами с 1 по 116 и 118, из них 94 обнаружены в природе (некоторые - лишь в следовых количествах), остальные 23 получены искусственно в результате ядерных реакций).

Однако уже в 1910-х гг. физики приходят к выводу о делимости атома (ἄτομος - неделимый!). Создаются ряд моделей атома, из которых признание завоевала «планетарная» модель атома с внесенными поправками-постулатами (Э. Резерфорд, Ernest Rutherford; 1871 – 1937, Н. Бор, Niels Bohr; 1885 - 1962).

Планетарная модель атома весьма скоро была признана непригодной из-за принципиального противоречия с фактом линейчатого характера спектра излучения: электрон, вращающийся вокруг положительно заряженного ядра, непрерывно излучает, т.е., теряет энергию и скоро неизбежно должен «падать» на ядро. Положение исправили постулаты Бора, в которых электрон не мог непрерывно терять энергию, излучение происходит в результате скачкообразного перехода на нижележащую орбиту. Создание квантовой теории атома в 20-х годах показало, что от постулатов Бора необходимо отказаться. Представление о ядре атома в то же время оставалось все таким же, как после опытов Резерфорда по рассеиванию альфа-частиц в начале ХХ в.: ядро состоит из протонов и некоторого, меньшего числа электронов. Нейтрон был открыт английским физиком Дж. Чедвиком (James Chadwick; 1891 - 1974) в 1932 году. Тут наступил следующий акт драмы. Считалось, что электрон, который вылетает из ядра при бета-распаде, - это один из электронов, которые находились в ядре. Но теперь уже было известно, что ядро состоит из протонов и нейтронов. Откуда же берется электрон? Выдающийся итальянский физик Э. Ферми (Enrico Fermi; 1901 - 1954) выдвинул парадоксальную гипотезу. Электронов в ядре нет, при распаде происходит рождение электрона, а нейтрон превращается в протон. Такое решение вопроса казалось настолько неприемлемым, что солидный журнал Nature отказался опубликовать статью Ферми на эту тему. Это первый прецедент рождения частицы из энергии. Цепочка странных идей не этом не оборвалась. Японский физик-теоретик Хидэки Юкава (1907 - 1981) построил простую физическую модель, в которой в результате обмена нуклонов частицей с ненулевой массой возникает сила, удерживающая нуклоны в ядре. Юкава также рассчитал массу этой «виртуальной» частицы. Однако по понятиям физиков того времени частицу можно признать существующей, если она обнаружена также в свободном состоянии. Были предприняты поиски частицы Юкавы в космических лучах, и, казалось бы, частица была найдена. Однако найденная частица имела меньшую массу, чем частица Юкавы. Кроме того, появились данные, что найденная частица подобна электрону, но тяжелее. В дальнейшем частица была названа мю-мезоном (греч. μέσος - средний). Поиски продолжались, и в сороковых годах была найдена другая полностью подходящая частица (ее назвали пи-мезоном). В 1948 году Юкава получил Нобелевскую премию.

Таким образом, физики осознали возможность существования частиц в виртуальном состоянии, т.е., при расщеплении ядра частица не обнаруживается, но реально обеспечивает взаимное притяжение нуклонов в ядре. Оказалось, что неделимы не только атомы, но и «кирпичики», слагающие их ядра, - протоны и нейтроны.

В 1960-х гг. было доказано, что и эти частицы состоят из еще более маленьких частиц с дробным положительным или отрицательным зарядом (1 /3 е или 2/3 е ) - кварков . Гипотеза о том, что «элементарные» частицы построены из специфических субъединиц, была впервые выдвинута американскими физиками М. Гелл-Манном (Murray Gell-Mann; род. в 1929 г.) и Дж. Цвейгом (род. в 1937 г.) в 1964 году. В период с 1969 по 1994 гг. удалось экспериментально обосновать, по крайней мере косвенно, возможность существования кварков.

Слово «кварк» было заимствовано Гелл-Манном из художественного романа Дж. Джойса «Поминки по Финнегану», где в одном из эпизодов звучит фраза «Three quarks for Muster Mark!» (обычно переводится как «Три кварка для м. Марка!»). Само слово «quark» в этой фразе предположительно является звукоподражанием крику морских птиц или означает на немецком сленге что-то в роде «чепуха».

Кварки не существуют автономно, «сами по себе», а только в системе – «элементарной» частице (протон, нейтрон и т. д.), и описываются такими специфическими параметрами как «аромат» (6 видов, см. схему) и «цвет» («красный, «синий», «зеленый», «антикрасный», «антисиний», «антизеленый»). Суммарный заряд 2-х или 3-х кварков, объединенных в систему должен быть целочисленным (0 или 1). Сумма цветов также равна «нулю» (белый).

Кварки «сцепляются» между собой благодаря сильному физическому взаимодействию. Высказано предположение, что кварки участвуют также в электромагнитных и слабых взаимодействиях. Причем в первом случае кварки не меняют свой цвет и аромат, а во втором – меняют аромат, сохраняя цвет.

Всего же на протяжении ХХ века было обнаружено около 400 элементарных частиц. Одни из них, как было сказано выше, имеют определенную структуру (протон, нейтрон), другие являются бесструктурными (электрон, нейтри­но, фотон, кварк).

Элементарные частицы обладают довольно большим количеством параметров, поэтому существует несколько стандартных типов их классификаций, приводимые ниже.

1. По массе покоя частицы (масса покоя, определяемая по отношению к массе покоя электрона, считающегося самой лег­кой из всех частиц, имеющих массу):

фотоны (φῶς, φωτός - свет) - частицы, не имеющие массы покоя и движущие­ся со скоростью света;

лептоны (λεπτός - легкий) - легкие частицы (элект­рон и разные виды нейтрино);

мезоны (μέσος - средний, промежуточный) - сред­ние частицы с массой от одной до тысячи масс электрона;

барионы (βαρύς - тяжелый) - тяжелые частицы с мас­сой более тысячи масс электрона (протоны, нейтроны, ги­пероны, многие резонансы).

2. По электрическому заряду, всегда кратному фундаментальной единице заряда - заряду электрона (-1), который рассматрива­ется в качестве единицы отсчета зарядов. Заряд частиц может быть отрицательным, положительным или нулевым. Как было сказано выше, для кварков характерен дробный электрическим заряд.

3. По типу физического взаимодействия (см. ниже), в котором принимают участие те или иные элементарные частицы. По данному показателю их можно раз­делить на три группы:

· адроны (ἁδρός - тяжелый, крупный, сильный), участвующие в электромагнитном, сильном и слабом взаимодействиях (мезоны и барионы);

· лептоны, участвующие только в электромагнитном и сла­бом взаимодействиях;

· частицы - переносчики взаимодействий (фотоны - переносчики электромагнитного взаимодействия, глюоны - пе­реносчики сильного взаимодействия, тяжелые векторные бозо­ны - переносчики слабого взаимодействия, гипотетические гравитоны - частицы, обеспечивающие гравитационное взаимодействие).

4. По времени жизни частиц:

· стабильные «долгожители» (фотон, нейтрино, нейтрон, протон, электрон; время жизни –до бесконечности);

· квазистабильные (резонансы) ; время существования составляет 10 -24 -10 -26 с.; распадаются в результате электромагнитного и слабого взаимодействия;

· нестабильные (большинство элементарных частиц; время их жизни - 10 -10 - 10 -24 с).

5. По спину (от англ. spin – веретено, вертеть(ся)) - собственному моменту количества движения (импульса) частицы, ее внутренней степени свободы, обеспечивающей дополнительное физическое состояние. В отличие от классического момента количества движения, который может принимать любые значения, спин принимает только пять воз­можных значений. Он может равняться целому (0, 1, 2) или по­луцелому (1/2 (электрон, протон, нейтрон), 3/2 (омега-гиперон)) числу. Частицы с полуцелым спином называются фермионами , а с целым - бозонами (фотоны со спином 1; мезоны - 0; грави­тоны - 2).

Каждая частица имеет свою античастицу (вещество и антивещество). При их встрече происходит взаимное уничтожение (аннигиляция) и выделяется большое количество энергии.

Найденные закономерности в свойствах элементарных частиц и подразделение их на «семейства» или «поколения» позволили поставить вопрос о наличии внутренних глубинных закономерностях, определяющих их свойства (см. схему).

Существуют теории, объясняющие структуру микромира (например, Стандартная модель). В 1970-х гг. появилась весьма оригинальная теория струн (Джон Хенри Шварц, Schwartz, р. 1941; Г. Венециано,Gabriele Veneziano; род. 1942; М. Грин, Michael Greene, и др.). Теория струн - направление математической физики, изучающее не точечные частицы, как многие разделы физики, а одномерные протяженные геометрические объекты - квантовые струны . Теория основана на гипотезе, предполагающей, что все фундаментальные частицы и их взаимодействия возникают в результате колебаний (возбужденных состояний) и взаимодействий ультрамикроскопических энергетических квантовых струн на масштабах порядка т.н. планковской длины 10 −33 м, подобно тому, как звуки разной частоты порождаются вибрацией струны музыкального инструмента. Более того, само пространство и время рассматриваются как производные определенных модусов колебаний струн. Вселенная, состоящая из бесчисленного количества этих колеблющихся струн, подобна звучащей «космической симфонии». Несмотря на разрешение целого ряда существующих проблем, теория струн остается в настоящее время в основном математической абстракцией, требующей экспериментального подтверждения.

Существование элементарных частиц ученые обнаружили при исследовании ядерных процессов, поэтому вплоть до середины XX века физика элементарных частиц была разделом ядерной физики. В настоящее время эти разделы физики являются близкими, но самостоятельными, объединенными общностью многих рассматриваемых проблем и применяемыми методами исследования. Главная задача физики элементарных частиц – это исследование природы, свойств и взаимных превращений элементарных частиц.

Представление о том, что мир состоит из фундаментальных частиц , имеет долгую историю. Впервые мысль о существовании мельчайших невидимых частиц, из которых состоят все окружающие предметы, была высказана за 400 лет до нашей эры греческим философом Демокритом. Он назвал эти частицы атомами, т. е. неделимыми частицами. Наука начала использовать представление об атомах только в начале XIX века, когда на этой основе удалось объяснить целый ряд химических явлений. В 30-е годы XIX века в теории электролиза, развитой М. Фарадеем, появилось понятие иона и было выполнено измерение элементарного заряда. Конец XIX века ознаменовался открытием явления радиоактивности (1896 г., А. Беккерель), а также открытиями электронов (1897 г., Дж. Томсон) и α-частиц (1899 г., Э. Резерфорд). В 1905 году в физике возникло представление о квантах электромагнитного поля – фотонах (А. Эйнштейн).

В 1911 году было открыто атомное ядро (Э. Резерфорд) и окончательно было доказано, что атомы имеют сложное строение. В 1919 году Резерфорд в продуктах расщепления ядер атомов ряда элементов обнаружил протоны. В 1932 году Дж. Чедвик открыл нейтрон. Стало ясно, что ядра атомов, как и сами атомы, имеют сложное строение. Возникла протон-нейтронная теория строения ядер (Д. Д. Иваненко и В. Гейзенберг). В том же 1932 году в космических лучах был открыт позитрон (К. Андерсон). Позитрон – положительно заряженная частица, имеющая ту же массу и тот же (по модулю) заряд, что и электрон. Существование позитрона было предсказано П. Дираком в 1928 году. В эти годы были обнаружены и исследованы взаимные превращения протонов и нейтронов и стало ясно, что эти частицы также не являются неизменными элементарными «кирпичиками» природы. В 1937 году в космических лучах были обнаружены частицы с массой в 207 электронных масс, названные мюонами (μ-мезонами ). Затем в 1947–1950 годах были открыты пионы (т. е. π-мезоны ), которые, по современным представлениям, осуществляют взаимодействие между нуклонами в ядре. В последующие годы число вновь открываемых частиц стало быстро расти. Этому способствовали исследования космических лучей, развитие ускорительной техники и изучение ядерных реакций.

В настоящее время известно около 400 субъядерных частиц, которые принято называть элементарными. Подавляющее большинство этих частиц являются нестабильными . Исключение составляют лишь фотон, электрон, протон и нейтрино. Все остальные частицы через определенные промежутки времени испытывают самопроизвольные превращения в другие частицы. Нестабильные элементарные частицы сильно отличаются друг от друга по временам жизни. Наиболее долгоживущей частицей является нейтрон. Время жизни нейтрона порядка 15 мин. Другие частицы «живут» гораздо меньшее время. Например, среднее время жизни μ-мезона равно 2,2·10 –6 с, нейтрального π-мезона – 0,87·10 –16 с. Многие массивные частицы – гипероны – имеют среднее время жизни порядка 10 –10 с.

Существует несколько десятков частиц со временем жизни, превосходящим 10 –17 с. По масштабам микромира это значительное время. Такие частицы называют относительно стабильными . Большинство короткоживущих элементарных частиц имеют времена жизни порядка 10 –22 –10 –23 с.

Способность к взаимным превращениям – это наиболее важное свойство всех элементарных частиц. Они способны рождаться и уничтожаться (испускаться и поглощаться). Это относится также и к стабильным частицам с той только разницей, что превращения стабильных частиц происходят не самопроизвольно, а при взаимодействии с другими частицами. Примером может служить аннигиляция (т. е. исчезновение ) электрона и позитрона, сопровождающаяся рождением фотонов большой энергии. Может протекать и обратный процесс – рождение электронно-позитронной пары, например, при столкновении фотона достаточно большой энергии с ядром. Такой опасный двойник, каким для электрона является позитрон, есть и у протона. Он называется антипротоном . Электрический заряд антипротона отрицателен. В настоящее время античастицы найдены у всех частиц. Античастицы противопоставляются частицам потому, что при встрече любой частицы со своей античастицей происходит их аннигиляция, т. е. обе частицы исчезают, превращаясь в кванты излучения или другие частицы.

Античастица обнаружена даже у нейтрона. Нейтрон и антинейтрон отличаются только знаками магнитного момента и так называемого барионного заряда. Возможно существование атомов антивещества , ядра которых состоят из антинуклонов, а оболочка – из позитронов. При аннигиляции антивещества с веществом энергия покоя превращается в энергию квантов излучения. Это огромная энергия, значительно превосходящая ту, которая выделяется при ядерных и термоядерных реакциях.

В многообразии элементарных частиц, известных к настоящему времени, обнаруживается более или менее стройная система классификации. В табл. 6.9.1 представлены некоторые сведенья о свойствах элементарных частиц со временем жизни более 10 –20 с. Из многих свойств, характеризующих элементарную частицу, в таблице указаны только масса частицы (в электронных массах), электрический заряд (в единицах элементарного заряда) и момент импульса (так называемый спин ) в единицах постоянной Планка ħ = h / 2π. В таблице указано также среднее время жизни частицы.

Элементарные частицы объединяются в три группы: фотоны , лептоны и адроны .

К группе фотонов относится единственная частица – фотон, которая является носителем электромагнитного взаимодействия.

Следующая группа состоит из легких частиц – лептонов . В эту группу входят два сорта нейтрино (электронное и мюонное), электрон и μ-мезон. К лептонам относятся еще ряд частиц, не указанных в таблице. Все лептоны имеют спин

Третью большую группу составляют тяжелые частицы, называемые адронами . Эта группа делится на две части. Более легкие частицы составляют подгруппу мезонов . Наиболее легкие из них – положительно и отрицательно заряженные, а также нейтральные π-мезоны с массами порядка 250 электронных масс (табл. 6.9.1). Пионы являются квантами ядерного поля, подобно тому, как фотоны являются квантами электромагнитного поля. В эту подгруппу входят также четыре K-мезона и один η 0 -мезон. Все мезоны имеют спин, равный нулю.

Вторая подгруппа – барионы – включает более тяжелые частицы. Она является наиболее обширной. Самыми легкими из барионов являются нуклоны – протоны и нейтроны. За ними следуют так называемые гипероны. Замыкает таблицу омега-минус-гиперон, открытый в 1964 г. Это тяжелая частица с массой в 3273 электронных масс. Все барионы имеют спин

Обилие открытых и вновь открываемых адронов навела ученых на мысль, что все они построены из каких-то других более фундаментальных частиц. В 1964 г. американским физиком М. Гелл-Маном была выдвинута гипотеза, подтвержденная последующими исследованиями, что все тяжелые частицы – адроны – построены из более фундаментальных частиц, названных кварками . На основе кварковой гипотезы не только была понята структура уже известных адронов, но и предсказано существование новых. Теория Гелл-Мана предполагала существование трех кварков и трех антикварков, соединяющихся между собой в различных комбинациях. Так, каждый барион состоит из трех кварков, антибарион – из трех антикварков. Мезоны состоят из пар кварк–антикварк.

С принятием гипотезы кварков удалось создать стройную систему элементарных частиц. Однако предсказанные свойства этих гипотетических частиц оказались довольно неожиданными. Электрический заряд кварков должен выражаться дробными числами, равными и элементарного заряда.

Многочисленные поиски кварков в свободном состоянии, производившиеся на ускорителях высоких энергий и в космических лучах, оказались безуспешными. Ученые считают, что одной из причин ненаблюдаемости свободных кварков являются, возможно, их очень большие массы. Это препятствует рождению кварков при тех энергиях, которые достигаются на современных ускорителях. Тем не менее, большинство специалистов сейчас уверены в том, что кварки существуют внутри тяжелых частиц – адронов.

Введение

1. Открытие элементарных частиц

2. Теории элементарных частиц

2.1. Квантовая электродинамика (КЭД)

2.2. Теория кварков

2.3. Теория электрослабого взаимодействия

2.4. Квантовая хромодинамика

Заключение

Литература

Введение.

В середине и второй половине ХХ века в тех разделах физики, которые заняты изучением фундаментальной структуры материи, были получены поистине удивительные результаты. Прежде всего это проявилось в открытии целого множества новых субатомных частиц. Их обычно называют элементарными частицами, но далеко не все из них действительно элементарны. Многие из них в свою очередь состоят из еще более элементарных частичек.

Мир субатомных частиц поистине многообразен. К ним относятся протоны и нейтроны, составляющие атомные ядра, а также обращающиеся вокруг ядер электроны. Но есть и такие частицы, которые в окружающем нас веществе практически не встречаются. Время их жизни чрезвычайно мало, оно составляет мельчайшие доли секунды. По истечении этого чрезвычайно короткого времени они распадаются на обычные частицы. Таких нестабильных короткоживущих частиц поразительно много: их известно уже несколько сотен.

В 60-70-е годы физики были совершенно сбиты с толку многочисленностью, разнообразием и необычностью вновь открытых субатомных частиц. Казалось, им не будет конца. Совершенно непонятно, для чего столько частиц. Являются ли эти элементарные частицы хаотическими и случайными осколками материи? Или, возможно, они таят в себе ключ к познанию структуры Вселенной? Развитие физики в последующие десятилетия показало, что в существовании такой структуры нет никаких сомнений. В конце ХХ в. физика начинает понимать, каково значение каждой из элементарных частиц.

Миру субатомных частиц присущ глубокий и рациональный порядок. В основе этого порядка - фундаментальные физические взаимодействия.

1. Открытие элементарных частиц.

Открытие элементарных часиц явилось закономерным результатом общих успехов в изучении строения вещества, достигнутых физикой в конце 19 в. Оно было подготовлено всесторонними исследованиями оптических спектров атомов, изучением электрических явлений в жидкостях и газах, открытием фотоэлектричества, рентгеновских лучей, естественной радиоактивности, свидетельствовавших о существовании сложной структуры материи.

Исторически первой открытой элементарной частицей был электрон - носитель отрицательного элементарного электрического заряда в атомах. В 1897 Дж. Дж. Томсон установил, что т. н. катодные лучи образованы потоком мельчайших частиц, которые были названы электронами. В 1911 Э. Резерфорд, пропуская альфа-частицы от естественного радиоактивного источника через тонкие фольги различных веществ, выяснил, что положительный заряд в атомах сосредоточен в компактных образованиях - ядрах, а в 1919 обнаружил среди частиц, выбитых из атомных ядер, протоны - частицы с единичным положительным зарядом и массой, в 1840 раз превышающей массу электрона. Другая частица, входящая в состав ядра, - нейтрон - была открыта в 1932 Дж. Чедвиком при исследованиях взаимодействия a-частиц с бериллием. Нейтрон имеет массу, близкую к массе протона, но не обладает электрическим зарядом. Открытием нейтрона завершилось выявление частиц - структурных элементов атомов и их ядер.

Вывод о существовании частицы электромагнитного поля - фотона - берёт своё начало с работы М. Планка (1900). Предположив, что энергия электромагнитного излучения абсолютно чёрного тела квантованна, Планк получил правильную формулу для спектра излучения. Развивая идею Планка, А. Эйнштейн (1905) постулировал, что электромагнитное излучение (свет) в действительности является потоком отдельных квантов (фотонов), и на этой основе объяснил закономерности фотоэффекта. Прямые экспериментальные доказательства существования фотона были даны Р. Милликеном (1912- 1915) и А. Комптоном (1922).

Открытие нейтрино - частицы, почти не взаимодействующей с веществом, ведёт своё начало от теоретической догадки В. Паули (1930), позволившей за счёт предположения о рождении такой частицы устранить трудности с законом сохранения энергии в процессах бета-распада радиоактивных ядер. Экспериментально существование нейтрино было подтверждено лишь в 1953 (Ф. Райнес и К Коуэн, США).

С 30-х и до начала 50-х гг. изучение элементарных частиц было тесно связано с исследованием космических лучей. В 1932 в составе космических лучей К. Андерсоном был обнаружен позитрон (е+) - частица с массой электрона, но с положительным электрическим зарядом. Позитрон был первой открытой античастицей. Существование е+ непосредственно вытекало из релятивистской теории электрона, развитой П. Дираком (1928-31) незадолго до обнаружения позитрона. В 1936 американские физики К. Андерсон и С. Неддермейер обнаружили при исследовании осмических лучей мюоны (обоих знаков электрического заряда) - частицы с массой примерно в 200 масс электрона, а в остальном удивительно близкие по свойствам к е-, е+.

В 1947 также в космических лучах группой С. Пауэлла были открыты p+ и p--мезоны с массой в 274 электронные массы, играющие важную роль во взаимодействии протонов с нейтронами в ядрах. Существование подобных частиц было предположено Х. Юкавой в 1935.

Конец 40-х - начало 50-х гг. ознаменовались открытием большой группы частиц с необычными свойствами, получивших название “странных”. Первые частицы этой группы К+- и К--мезоны, L-, S+ -, S- -, X- -гипероны были открыты в космических лучах, последующие открытия странных частиц были сделаны на ускорителях - установках, создающих интенсивные потоки быстрых протонов и электронов. При столкновении с веществом ускоренные протоны и электроны рождают новые элементарные частицы, которые и становятся предметом изучения.

С начала 50-х гг. ускорители превратились в основной инструмент для исследования элементарных частиц. В 70-х гг. энергии частиц, разогнанных на ускорителях, составили десятки и сотни млрд. электронвольт (Гэв). Стремление к увеличению энергий частиц обусловлено тем, что высокие энергии открывают возможность изучения строения материи на тем меньших расстояниях, чем выше энергия сталкивающихся частиц. Ускорители существенно увеличили темп получения новых данных и в короткий срок расширили и обогатили наше знание свойств микромира. Применение ускорителей для изучения странных частиц позволило более детально изучить их свойства, в частности особенности их распада, и вскоре привело к важному открытию: выяснению возможности изменения характеристик некоторых микропроцессов при операции зеркального отражения - т. н. нарушению пространств, чётности (1956). Ввод в строй протонных ускорителей с энергиями в миллиарды электронвольт позволил открыть тяжёлые античастицы: антипротон (1955), антинейтрон (1956), антисигма-гипероны (1960). В 1964 был открыт самый тяжёлый гиперон W- (с массой около двух масс протона). В 1960-х гг. на ускорителях было открыто большое число крайне неустойчивых (по сравнению с др. нестабильными элементарными частицами) частиц, получивших название “резонансов”. Массы большинства резонансов превышают массу протона. Первый из них D1 (1232) был известен с 1953. Оказалось, что резонансы составляют основная часть элементарных частиц.

В 1962 было выяснено, что существуют два разных нейтрино: электронное и мюонное. В 1964 в распадах нейтральных К-мезонов было обнаружено несохранение т. н. комбинированной чётности (введённой Ли Цзун-дао и Ян Чжэнь-нином и независимо Л. Д. Ландау в 1956), означающее необходимость пересмотра привычных взглядов на поведение физических процессов при операции отражения времени.

В 1974 были обнаружены массивные (в 3-4 протонные массы) и в то же время относительно устойчивые y-частицы, с временем жизни, необычно большим для резонансов. Они оказались тесно связанными с новым семейством элементарных частиц - “очарованных”, первые представители которого (D0, D+, Lс) были открыты в 1976. В 1975 были получены первые сведения о существовании тяжёлого аналога электрона и мюона (тяжёлого лептона t). В 1977 были открыты Ў-частицы с массой порядка десятка протонных масс.

Таким образом, за годы, прошедшие после открытия электрона, было выявлено огромное число разнообразных микрочастиц материи. Мир элементарных частиц оказался достаточно сложно устроенным. Неожиданными во многих отношениях оказались свойства обнаруженных элементарных частиц. Для их описания, помимо характеристик, заимствованных из классической физики, таких, как электрический заряд, масса, момент количества движения, потребовалось ввести много новых специальных характеристик, в частности для описания странных элементарных частиц - странность (К. Нишиджима, М. Гелл-Ман, 1953), “очарованных” элементарных частиц - “очарование” (американские физики Дж. Бьёркен, Ш. Глэшоу, 1964); уже названия приведённых характеристик отражают необычность описываемых ими свойств элементарных частиц.

Изучение внутреннего строения материи и свойств элементарных частиц с первых своих шагов сопровождалось радикальным пересмотром многих устоявшихся понятий и представлений. Закономерности, управляющие поведением материи в малом, оказались настолько отличными от закономерностей классической механики и электродинамики, что потребовали для своего описания совершенно новых теоретических построений.

И искомыми величинами. Последовательность действий, которые надо выполнить, чтобы от исходных данных перейти к искомым величинам, называют алгоритмом. 2. Историческое развитие моделей элементарных частиц 2.1 Три этапа в развитии физики элементарных частиц Этап первый. От электрона до позитрона: 1897-1932гг (Элементарные частицы - "атомы Демокрита" на более глубоком уровне) Когда греческий...

Ограниченного числа явлений: механика Ньютона, или далеко не оптимальным или совершенным творением техники: лайнер "Титаник", самолеты Ту-144, "Конкорд", Чернобыльская АЭС, космические корабли серии " Шаттл" и многое-многое другое. 3. Развитие системного подхода в науке 3.1 Ранние попытки систематизации физических знаний Первой действительно успешной попыткой систематизации знаний о...