МАГИСТЕРСКАЯ ДИССЕРТАЦИЯ «Зоопарк» элементарных частиц в школьном курсе физики. (Методическое руководство для учителя)»

МИНОБРНАУКИ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ

Федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего образования

«ЮЖНЫЙ ФЕДЕРАЛЬНЫЙ УНИВЕРСИТЕТ»

Физический факультет

кафедра физики

Лобова Марина Владимировна

«Зоопарк» элементарных частиц в школьном курсе физики. (Методическое руководство для учителя)»

МАГИСТЕРСКАЯ ДИССЕРТАЦИЯ

по направлению 44.04.01 (050100) Педагогическое образование

магистерская программа Физическое образование

Научный руководитель -

доцент кафедры физики, к.ф.-м.н.

Мастропас Зинаида Петровна

Рецензент -

профессор кафедры общей физики, д.ф.-м.н.

Малышевский Вячеслав Сергеевич

Ростов-на-Дону

2015

Содержание:

I. Введение…………………………………………………………………..3

II. «Зоопарк» элементарных частиц

Глава 1. Элементарные и фундаментальные частицы и их свойства.

1.1. Элементарные и фундаментальные частицы. Типы взаимодействий…………………………………………………………5

1.2. «Зоопарк» элементарных частиц и их основные характеристики. Частицы и античастицы……………………………………………....10

1.3. Классификация элементарных частиц…………………………..17

1.4. Кварки и их характеристики. Адронные струи…………………21

1.5. Фундаментальные частицы Стандартной Модели……………..34

1.6. Объединение взаимодействий. Бозон Хиггса…………………..37

1.7. Современные взгляды на структуру материи (Экспериментальные исследования: Большой адронный коллайдер - задачи исследования, основные результаты)………………………..41

Глава 2. Методические рекомендации по изучению свойств элементарных частиц в школьном курсе физики.

2.1. Научно- методический анализ раздела «Элементарные частицы» в школьном курсе физики…………………………………………….47

2.2. ЦОР «Зоопарк» элементарных частиц…………………………..51

III. Заключение…………………………………………………………….52

Литература…………………………………………………………………53

Приложения………………………………………………………………..55

I. Введение.

На изучение раздела «Физика элементарных частиц» в курсах как базовой, так и полной школы тематическими планами отводятся последние уроки. Дефицит времени, отводимого на изучение важных мировоззренческих вопросов физики, в совокупности со сложными для восприятия особенностями в поведении элементарных частиц не способствуют освоению учащимися этого раздела физики. Как результат, распространение среди широких слоев населения всякого рода лженаучных теорий о «конце света», «взрыве Вселенной», «появлении все уничтожающей черной дыры». Нами разработан образовательный ресурс для широкой аудитории, нацеленный на формирование основных понятий физики высоких энергий на качественном уровне, не искажающем в то же время научного толкования последних экспериментальных результатов ускорительной физики и теоретических моделей структурной организации материи.

Школьники фактически на ознакомительном уровне узнают обо всех этих проблемах, поэтому даже для них мир сложных взаимодействий элементарных частиц оказывается фантастическим и непонятным. Первые представления об элементарных частицах появляются на исключительно качественном уровне в 9 классе, но и попытки рассмотреть свойства частиц на этапе изучения физики в 11 классе все еще остаются качественными. Может быть поэтому столь успешны попытки представителей лженауки посеять «смуту» в умах обывателя при освещении работы, например, ускорительных устройств. Особенно это ощущалось при описании экспериментов, планирующихся и проводящихся на Большом адроном Коллайдере (БАК). Именно поэтому, на наш взгляд, является важной попытка адаптации сложного теоретического материала, лежащего в основе теорий взаимодействия элементарных частиц, к использованию неподготовленным читателем.

Нами разработан образовательный ресурс, позволяющий использовать отдельные его элементы для достижения разных целей обучения и пропаганды знаний, а содержащийся в нем материал помогает на доступном для неподготовленной аудитории уровне рассмотреть все «острые» вопросы практического использования данных последних экспериментов БАК.

Глава I. Элементарные и фундаментальные частицы и их свойства.

1.1. Элементарные и фундаментальные частицы. Типы взаимодействий.

В настоящее время известно более 400 различных элементарных частиц, их количество значительно превосходит количество элементов в Периодической системе элементов Менделеева. Заметим, что понятие элементарности претерпевало в физике изменения. Когда-то неделимым, элементарным считался атом. Однако в дальнейшем выяснилось, что каждый атом состоит из ядра и электронов, движущихся около ядра. При этом все электроны, или электроны всех атомов, одинаковы и неразличимы, ядра же различных элементов различны. Затем установили, что все ядра состоят из двух сортов частиц - протонов и нейтронов. Все протоны одинаковы и тождественны так же, как одинаковы и тождественны все нейтроны. Долгое время считалось, что протоны и нейтроны являются элементарными частицами такого же типа, как электрон. Этот вывод исходил из того, что никогда не наблюдалась половина протона или одна треть нейтрона. Но в дальнейшем обнаружилось, что и протон и нейтрон в отличие от электрона обладают внутренней пространственной структурой. Если бы можно было выделить внутренние структурные элементы протона и нейтрона, то мы бы сказали, что протон и нейтрон не являются элементарными частицами. Однако ситуация оказалась более сложной. Внутренние элементы выделить не удается. Но для того, чтобы все свойства протонов и нейтронов, связанные с их внутренней структурой, можно было описать, вынуждены были считать, что и протоны и нейтроны состоят из некоторых субчастиц, которые носят название кварков и относятся теперь к фундаментальным частицам. Пока речь идет о протонах и нейтронах, в теории достаточно иметь два типа кварков и . При этом заряд кварка равен , а заряд кварка - , где - заряд протона [1].

Элементарные частицы по - разному взаимодействуют между собой. Существует всего три типа фундаментальных взаимодействий между элементарными частицами: сильное, электромагнитное и слабое. Кроме них в природе имеется еще четвертое взаимодействие - гравитационное. Взаимодействия отличаются интенсивностью, радиусом действия и внутренними симметриями.

Если интенсивность сильного взаимодействия принять за единицу, то интенсивность электромагнитного будет порядка , слабого - порядка . 3начительно меньше интенсивность гравитационного взаимодействия. Например, сила гравитационного взаимодействия между двумя электронами меньше по сравнению с интенсивностью электромагнитного взаимодействия в раз. Помимо интенсивности, фундаментальные взаимодействия различаются радиусами их действия и присущими им внутренними симметриями.

Самым интенсивным является сильное взаимодействие. Оно лежит в основе ядерных сил, действующих между протонами и нейтронами, входящими в состав атомных ядер. Кроме того, ему подвержены и все адроны, т.е. все частицы, имеющие кварковую внутреннюю структуру. Адроны испытывают сильное взаимодействие только в том случае, если расстояние между ними очень мало - меньше или порядка см. На больших расстояниях сильное взаимодействие не проявляется, поэтому значение см определяет порядок радиуса действия сильного взаимодействия. То, что все адроны состоят из кварков, указывает на то, что в основе сильного взаимодействия лежит взаимодействие между кварками. Кварки взаимодействуют между собой путем обмена особой частицей, называемой глюоном. Один кварк излучает глюон, а другой поглощает его, благодаря чему происходит взаимодействие между кварками. Внутренняя симметрия сильного взаимодействия определяется симметрией кварковой структуры адронов. Так, процессы с участием легких адронов, в состав которых входят и кварки, симметричны (инвариантны) относительно замены кварков на кварки , и наоборот. Это приводит к симметрии сильного взаимодействия при замене протона нейтроном.

Группа адронов объединяет подавляющее количество элементарных частиц. Для сильного взаимодействия не важно, имеет адрон электрический заряд или нет. Электрический заряд определяет следующее по интенсивности за сильным электромагнитное взаимодействие. Ему подвержены все заряженные частицы и фотон, который не имеет электрического заряда. Кроме того, электромагнитное взаимодействие существует и между нейтральными частицами, обладающими магнитными моментами, например между нейтронами. Электрический заряд всех элементарных частиц кратен заряду протона. Электрический же заряд гипотетических кварков составляет для положительно заряженных кварков и для отрицательно заряженных кварков в единицах заряда протона.

Хотя электромагнитное взаимодействие играет определенную роль в строении ядер, главной его сферой являются атомы и молекулы, структура которых полностью определяется им. Структура твердых тел также определяется электромагнитным взаимодействием. Все химические превращения веществ обусловлены, в конечном счете, электромагнитным взаимодействием. Радиус действия электромагнитного взаимодействия равен бесконечности (не ограничен). Электромагнитное взаимодействие не изменяется при замене знака зарядов всех взаимодействующих частиц. В основе электромагнитного взаимодействия заряженных частиц лежит обмен фотонами, квантами электромагнитного поля. Одна из заряженных частиц испускает фотон, а другая его поглощает. Все элементарные частицы (адроны, лептоны), за исключением фотона, подвержены слабому взаимодействию. Как отмечалось выше, его интенсивность порядка по сравнению с интенсивностью сильного взаимодействия, радиус его действия значительно меньше радиуса сильного взаимодействия и составляет примерно см. Слабое взаимодействие проявляется в распадах ряда элементарных частиц, являющихся нестабильными. Например, нестабилен свободный нейтрон, который за счет слабого взаимодействия распадается за время порядка 15 мин на протон, электрон и электронное антинейтрино. Аналогично за счет слабого взаимодействия распадается свободный - мезон на - мезон, - мезон и мюонное нейтрино (антинейтрино). Слабое взаимодействие ответственно за - распад ядер. Оно обусловливает также рассеяние нейтрино различными элементарными частицами. Многие ядерные превращения, происходящие на Солнце, также обусловлены слабым взаимодействием.

Слабое взаимодействие, как сильное и электромагнитное, имеет обменный характер. Одна из частиц испускает промежуточный векторный бозон , а другая - его поглощает. Эти бозоны, в отличие от безмассового фотона и безмассовых глюонов, обусловливающих взаимодействие кварков, являются очень массивными (их масса порядка 100 ГэВ), чем объясняется очень малый радиус слабых сил: радиус взаимодействия всегда обратно пропорционален массе промежуточных (обменных) частиц:

(1)

Наименее интенсивно гравитационное взаимодействие, зато ему подвержена вся материя в целом. В этом состоит закон всемирного тяготения. Радиус его действия бесконечен. Гравитационное взаимодействие проявляется главным образом между макроскопическими телами. Оно определяет движение планет и звезд. Структура Вселенной в целом определяется этим взаимодействием. Гравитационное взаимодействие элементарных частиц не наблюдается ввиду малости масс элементарных частиц [2].

1.2. «Зоопарк» элементарных частиц и их основные характеристики. Частицы и античастицы.

История физики элементарных частиц условно отсчитывается от открытия электрона (Дж. Томсон, 1897 г.). Затем была выяснена структура атомного ядра - открыт протон (Э. Резерфорд, 1910 г.) и нейтрон (Дж. Чадвик, 1932 г.). Первый этап развития физики частиц условно завершился к середине 1930-х гг. К этому времени список элементарных частиц был невелик: три частицы - электрон , протон и нейтрон - входят в состав всех атомов; фотон (квант электромагнитного поля) участвует во взаимодействии заряженных частиц и процессах излучения и поглощения света. Важнейшим теоретическим открытием стало предсказание в 1929 г. П. Дираком существования античастиц (частиц, имеющих ту же массу и спин, но противоположные значения зарядов всех типов). В 1932 г. была открыта первая античастица - позитрон . Наконец, изучая свойства - распада ядер, В. Паули предсказал в 1930 г. существование еще одной частицы - нейтрино . Аргументы Паули были настолько убедительными, что, хотя регистрация нейтрино реально оказалась возможной только в 1956 г., в существовании этой частицы никто не сомневался сразу после того, как Паули высказал свою гипотезу.

Второй этап развития физики частиц начался после Второй мировой войны с открытия в 1947 г. - мезона в космических лучах. В течение примерно пятнадцати лет (до начала 1960-х гг.), благодаря прогрессу в создании ускорителей и приборов для регистрации частиц, было открыто несколько сотен новых элементарных частиц, имеющих массы в диапазоне от 140 МэВ до 2 ГэВ. Все эти частицы были нестабильными, т.е. распадались на частицы с меньшими массами, в конечном счете превращаясь в стабильные протон, электрон, фотон и нейтрино (и их античастицы). Все они казались в равной степени элементарными, так как в разных экспериментах можно было порождать любые из открытых частиц в процессе соударения других частиц. Перед физиками - теоретиками встала труднейшая задача упорядочить весь обнаруженный "зоопарк" частиц и попытаться свести число фундаментальных частиц к минимуму, доказав, что другие частицы состоят из фундаментальных частиц.

Третий этап развития физики частиц начался в 1962 г., когда М. Гелл - Манн и независимо Дж. Цвейг предложили модель строения сильно взаимодействующих частиц из фундаментальных частиц - кварков. Эта модель к настоящему времени превратилась в стройную теорию всех известных типов взаимодействий частиц. Можно считать, что третий этап завершился в 1995 г. открытием последнего из ожидавшихся, шестого кварка. В настоящее время не известно ни одного эксперимента, который бы противоречил существующей теории элементарных частиц, получившей название Стандартной модели, и не находил бы количественного объяснения в рамках этой теории [3].

Основные характеристики элементарных частиц. Классификация всего многообразия известных элементарных частиц основана на том, что каждая частица обладает единственным, только ей присущим набором квантовых чисел, т.е. некоторых характеристик, однозначно выделяющих данную частицу среди остальных.

1. Масса (естественно, речь идет о массе покоя). Поскольку массы элементарных частиц численно необычайно малы, если их измерять в кг, то принято переводить массу в энергию покоя с помощью соотношения Эйнштейна и использовать для измерения энергии электрон-вольты и производные единицы (МэВ, ГэВ и т.д.).

2. Спин . Каждая частица обладает определенным, присущим ей собственным моментом импульса , который называется спином. Спин измеряется в единицах постоянной Планка и может принимать в этих единицах только либо целые, либо полуцелые значения. Одним из самых фундаментальных принципов, действующих в микромире, является утверждение, что в одном и том же квантовом состоянии (т.е. состоянии с полностью совпадающими квантовыми числами) может находиться сколько угодно одинаковых (тождественных) частиц с целым спином и лишь не более одной частицы с полуцелым спином. Это утверждение называется принципом Паули. Этот принцип определяет структуру электронных оболочек атомов, т.е. позволяет объяснить строение атомов. Этот же принцип играет важнейшую роль в объяснении свойств твердых тел, в понимании явления проводимости и сверхпроводимости и т.д., вплоть до понимания схемы возможной эволюции звезд.

3. Электрический заряд . Среди многообразия элементарных частиц встречаются положительно и отрицательно заряженные частицы, а также нейтральные частицы. Принято измерять заряд частиц в единицах абсолютной величины заряда электрона. Таким образом, электрический заряд может равняться . Справедлив глобальный закон сохранения электрического заряда, утверждающий, что при любых взаимодействиях алгебраическая сумма электрических зарядов частиц до взаимодействия равна алгебраической сумме зарядов частиц после взаимодействия.

4. Время жизни . Лишь некоторые из частиц стабильны: электрон, протон, нейтрино, фотон. Другие частицы способны самопроизвольно распадаться. Точно так же, как и в случае радиоактивного распада, можно ввести понятие о времени жизни частицы. Эти времена для разных частиц меняются от секунд (некоторые электромагнитные распады нейтральных частиц) до 900 секунд (для нейтрона).

5. Магнитный момент - максимальное значение проекции вектора собственного магнитного момента частицы. Измеряется в единицах .

6. Лептонное число - квантовое число, приписываемое элементарным частицам, относящимся к группе лептонов:

, для лептонов ; , для антилептонов ; , для остальных частиц.

7. Барионное число - число, приписываемое адронам:

- лептоны, мезоны (пионы, каоны, - мезон); - барионы (нуклоны, гипероны); - антибарионы.

8. Центр зарядового мультиплета гиперонов смещен относительно соответствующих центров нуклона.

   +1/2

   нуклоны

   0

   - мезоны

9. Странность - квантовое число, определяемое удвоенной суммой величины смещения центра зарядового мультиплета. для нуклонов и - мезонов.

10. Изоспин - внутренняя характеристика адронов, определяющая число частиц в изотопном мультиплете [4].

В 1928 г. английскому физику П. Дираку удалось найти релятивистское квантово - механическое уравнение для электрона, из которого вытекает ряд замечательных следствий. Прежде всего, из этого уравнения естественным образом, без каких-либо дополнительных предположений, получаются спин и числовое значение собственного магнитного момента электрона. Таким образом, выяснилось, что спин представляет собой величину одновременно и квантовую, и релятивистскую. Но этим не исчерпывается значение уравнения Дирака. Оно позволило также предсказать существование античастицы электрона - позитрона. Из уравнения Дирака получаются для полной энергии свободного электрона не только положительные, но и отрицательные значения. Исследования уравнения показывают, что при заданном импульсе частицы существуют решения уравнения, соответствующие энергиям: (2)

Между наибольшей отрицательной энергией и наименьшей положительной энергией имеется интервал значений энергии, которые не могут реализоваться. Ширина этого интервала равна . Следовательно, получаются две области собственных значений энергии: одна начинается с и простирается до , другая начинается с и до .

Частица с отрицательной энергией должна обладать очень странными свойствами. Переходя в состояния со все меньшей энергией, она могла бы выделять энергию, скажем, в виде излучения, причем, поскольку ничем не ограничен, частица с отрицательной энергией могла бы излучать бесконечно большое количество энергии. К аналогичному выводу можно прийти следующим путем: из соотношения вытекает, что у частицы с отрицательной энергией масса будет также отрицательна. Под действием тормозящей силы частица с отрицательной массой должна не замедляться, а ускоряться, совершая над источником тормозящей силы бесконечно большое количество работы. Ввиду этих трудностей следовало, казалось бы, признать, что состояние с отрицательной энергией нужно исключить из рассмотрения, как приводящее к абсурдным результатам. Это, однако, противоречило бы некоторым общим принципам квантовой механики. Поэтому Дирак выбрал другой путь.

Согласно Дираку, вакуум есть такое состояние, в котором все уровни отрицательной энергии заселены электронами, а уровни с положительной энергией свободны. Поскольку заняты все без исключения уровни, лежащие ниже запрещенной полосы, электроны на этих уровнях никак себя не обнаруживают. Если одному из электронов, находящихся на отрицательных уровнях, сообщить энергию , то этот электрон перейдет в состояние с положительной энергией и будет вести себя обычным образом, как частица с положительной массой и отрицательным зарядом. Эта первая из предсказанных теоретически частиц была названа позитроном. При встрече позитрона с электроном они аннигилируют (исчезают) - электрон переходит с положительного уровня на вакантный отрицательный. Энергия, соответствующая разности этих уровней, выделяется в виде излучения. На рис.1. стрелка 1 изображает процесс рождения пары электрон-позитрон, а стрелка 2 - их аннигиляцию. Термин "аннигиляция" не следует понимать буквально. По существу, происходит не исчезновение, а превращение одних частиц (электрона и позитрона) в другие (-фотоны).

Рис. 1. Энергетическая схема рождения частицы и античастицыСуществуют частицы, которые тождественны со своими античастицами (то есть не имеют античастиц). Такие частицы называются абсолютно нейтральными. К их числу принадлежат фотон, - мезон и - мезон. Частицы, тождественные со своими античастицами, не способны к аннигиляции. Это, однако, не означает, что они вообще не могут превращаться в другие частицы.

Античастица отличается от частицы заменой знаков всех зарядов (электрических, лептонных, барионных, кварковых ароматов) на противоположные. Такие характеристики частиц, как масса, спин, величина магнитного момента остаются без изменения (изменяется лишь знак магнитного момента). Если частица была стабильной, то стабильной будет и античастица. Если частица распадается, то распадается и античастица, причем времена их жизни одинаковы и одинаковы способы (каналы) распада, включая вероятности распада по этим каналам. Конечно, схемы распада частицы и античастицы являются зарядово - сопряженными, т. е. переходят друг в друга при замене в них знаков всех зарядов частиц (античастиц) на противоположные. Сводка правил, связывающих характеристики частицы и античастицы дана в таблице 1 приложения 1 [5].

1.3. Классификация элементарных частиц.

Итак, протон, нейтрон и электрон имеют спин , а спин фотона . Известны частицы со спином. Частица со спином при любом угле поворота выглядит одинаково. Частица со спином принимает тот же вид после полного оборота на . Частица со спином приобретает прежний вид после оборота на и т.д. Частица со спином (гипотетический гравитон) принимает прежнее положение через пол-оборота (). В зависимости от спина все частицы делятся на две группы: бозоны - частицы с целыми спинами и ; фермионы- частицы с полуцелыми спинами (). Частицы со спином более , возможно, вообще не существуют.

Частицы характеризуются и временем жизни. По этому признаку частицы делятся на стабильные и нестабильные. Стабильные частицы - это электрон, протон, фотон и нейтрино. Нейтрон стабилен, когда находится в ядре атома, но свободный нейтрон распадается примерно за 15 мин. Все остальные известные частицы нестабильны; время их жизни колеблется от нескольких микросекунд до с. Самые нестабильные частицы - резонансы. Время их жизни с; с.

Свойства частицы определяются ее способностью (или неспособностью) участвовать в сильном взаимодействии. Частицы, участвующие в сильном взаимодействии, образуют особый класс и называются адронами. Частицы, участвующие преимущественно в слабом взаимодействии и не участвующие в сильном, называются лептонами. Кроме того, существуют частицы - переносчики взаимодействий.

Лептоны ведут себя как точечные объекты, не обнаруживая внутренней структуры даже при сверхвысоких энергиях. Они, по-видимому, являются элементарными (в собственном смысле этого слова) объектами, т.е. они не состоят из каких-то других частиц. Хотя лептоны могут иметь электрический заряд, а могут и не иметь, спин у всех у них равен . Среди лептонов наиболее известен электрон. Электрон - носитель наименьшей массы и наименьшего электрического заряда (не считая кварков) в природе. Другой хорошо известный лептон - нейтрино. Нейтрино наряду с фотонами являются наиболее распространенными частицами во Вселенной. Не участвуя ни в сильном, ни в электромагнитном взаимодействиях, они проникают через вещество, как будто его вообще нет. Нейтрино - это некие «призраки» физического мира. Достаточно широко распространены в природе мюоны, на долю которых приходится значительная часть космического излучения. Мюон - одна из первых известных нестабильных субатомных частиц, открытая в 1936 г. Во всех отношениях мюон напоминает электрон: имеет тот же заряд и спин, участвует в тех же взаимодействиях, но имеет большую массу и нестабилен. Примерно за две миллионные доли секунды мюон распадается на электрон и два нейтрино. Проникая в вещество, мюоны взаимодействуют с ядрами и электронами атомов и образуют необычные соединения. В конце 1970-х гг. был обнаружен третий заряженный лептон, получивший название тау - лептон. Это очень тяжелая частица. Ее масса около 3500 масс электрона, но во всем остальном он ведет себя подобно электрону и мюону. Значительно расширился список лептонов в 1960-х гг. Было установлено, что существует несколько типов нейтрино: электронное нейтрино, мюонное нейтрино и тay - нейтрино. Таким образом, общее число разновидностей нейтрино равно трем, а общее число лептонов - шести. Разумеется, у каждого лептона есть своя античастица; таким образом, общее число различных лептонов равно 12. Нейтральные лептоны участвуют только в слабом взаимодействии; заряженные - в слабом и электромагнитном [6].

Адроны. Если лептонов всего 12, то адронов насчитываются сотни. Подавляющее большинство из них - резонансы, т.е. крайне нестабильные частицы. Тот факт, что адронов существует сотни, наводит на мысль, что адроны сами построены из более мелких частиц.

Все адроны встречаются в двух разновидностях - электрически заряженные и нейтральные. Наиболее известны и широко распространены такие адроны, как нейтрон и протон. Остальные адроны быстро распадаются. Адроны подразделяются на два класса. Это - класс барионов (тяжелые частицы) (протон, нейтрон, гипероны и барионные резонансы) и большое семейство более легких мезонов (мюоны, бозонные резонансы и др.). Существование и свойства большинства известных адронов были установлены в опытах на ускорителях. Открытие множества разнообразных адронов в 1950-1960-х гг. крайне озадачило физиков. Но со временем частицы удалось классифицировать по массе, заряду и спину. Постепенно стала выстраиваться более или менее четкая картина. Появились конкретные идеи о том, как систематизировать хаос эмпирических данных, раскрыть тайну адронов в целостной научной теории. Решающий шаг был сделан в 1963 г., когда была предложена кварковая модель адронов.

Частицы - переносчики взаимодействий. Переносчиком электромагнитного взаимодействия выступает фотон. Глюоны (их всего восемь) - переносчики сильного взаимодействия между кварками. Последние, благодаря глюонам, связываются парами или тройками. Переносчиками слабого взаимодействия являются три частицы: - бозоны. Они были открыты лишь в 1983 г. Радиус слабого взаимодействия чрезвычайно мал, поэтому его переносчиками должны быть частицы с большими массами покоя. В соответствии с принципом неопределенности время жизни частиц с такой большой массой покоя должно быть чрезвычайно коротким - всего лишь около с. Высказывается мнение, что возможно существование и переносчика гравитационного поля - гравитона. Подобно фотонам, гравитоны движутся со скоростью света; следовательно, это частицы с нулевой массой покоя. Но, в то время как фотон имеет спин , спин гравитона равен .

Классификация частиц на адроны, лептоны и переносчики взаимодействий исчерпывает мир известных нам субъядерных частиц. Каждый вид частиц играет свою роль в формировании структуры материи, Вселенной [7].

1.4. Кварки и их характеристики. Адронные струи.

Стандартная Модель - теоретическая конструкция в физике элементарных частиц, описывающая электромагнитное, слабое и сильное взаимодействие всех элементарных частиц.

В Стандартной Модели существует три поколения фундаментальных фермионов, принимающих участие во всех взаимодействиях - кварков. В каждом поколении есть верхний кварк - это , очарованный и - кварки, и нижний кварк - , странный и. Все кварки имеют спин и четность . Верхние кварки имеют электрический заряд , нижние - . Кварки имеют барионное число . Каждый кварк характеризуется ароматом, который определяется соответствующим квантовым числом. Согласно формализму Стандартной Модели, данные квантовые числа нижних кварков отрицательны. Основные характеристики кварков приведены в таблице 2 приложения 1 [8].

Масса токового кварка - это масса кварка, не взаимодействующего с глюонами и другими кварками, то есть «голого» кварка. Каждому кварку соответствует античастица - антикварк. Антикварки обладают такими же массами, что и кварки, имеют спин , но отрицательную четность. Знак всех зарядов: электрического, барионного, ароматов, - у антикварков меняется на противоположный.

Связанные системы кварков и антикварков называются адронами. Существуют адроны двух типов - барионы (барионный заряд ), состоящие из трёх кварков , и являющиеся фермионами и мезоны , состоящие из кварка и антикварка и являющиеся бозонами . Антибарионы состоят из трех антикварков .

Рис.2. Типы адронов и их кварковый состав

Квантовые числа кварков, образующих адрон, определяют квантовые числа адронов. Адроны имеют определенные значения электрического заряда , спина , чётности , изоспина . Квантовые числа (странность), (очарование или шарм), и разделяют адроны на обычные нестранные частицы , странные частицы , очарованные и ботом - частицы . - кварк, имея время жизни с, не успевает образовать связанного состояния. Всё многообразие адронов возникает в результате различных сочетаний кварков, образующих связанные состояния. Барионное число - квантовая характеристика частиц, отражающая установленный до открытия кварков эмпирический закон сохранения числа барионов.

Закон сохранения числа барионов:

Во всех процессах, происходящих в природе, разность числа барионов и антибарионов сохраняется.

Барионное число является аддитивным квантовым числом. Барионные числа адронов - следствие их кварковой структуры. Все частицы, состоящие из трех кварков (барионы), будут иметь барионное число , частицы из трех антикварков (антибарионы) - , а частицы, состоящие из кварка и антикварка (мезоны), - .

В отличие от точечных кварков, адроны - протяжённые объекты, имеют размер . Среднеквадратичные зарядовые радиусы протона , пиона и каона дают представление о размере области пространства, в которой распределён электрический заряд адрона:

(3)

Конечные размеры адронов обусловлены их составной структурой. В состав адронов входят глюоны, связывающие кварки, и непрерывно рождающиеся и исчезающие виртуальные пары кварк - антикварк [9].

Кварковая модель в первоначальном варианте не содержала понятия «цвет». Эта модель смогла представить все многочисленное семейство адронов в виде трех кварковых комбинаций - (барионы), (антибарионы) и (мезоны). Однако оставалось неясным, почему других комбинаций кварков, например, , , , , , , и т.д. в природе нет. Отдельные кварки также не наблюдаются. Кроме того, были известны барионы из трех тождественных кварков: ( - резонанс), ( - резонанс) и ( - гиперон), в которых кварки находились в одинаковых квантовых состояниях, что противоречило принципу Паули. Все эти трудности начального варианта кварковой модели снялись введением для кварков еще одного квантового числа, названного цветом. Это квантовое число имеет три значения, которые обычно обозначают красный , зеленый и синий . Таким образом, число кварков утраивается: например, - кварк может быть красный , зеленый или синий . Антикварк несет отрицательный цветовой заряд - антицвет .

Бесцветность адронов означает, что в них кварки разного цвета представлены с равными весами. О таких бесцветных состояниях говорят как о цветовых синглетах. Они инвариантны относительно преобразований в трехмерном цветовом пространстве. Если цветовой индекс кварка принимает три значения то такие преобразования имеют вид при условии ортонормированности цветовых состояний , где означает комплексное сопряжение, а - символ Кронекера. В отличие от цветных кварков, их наблюдаемые комбинации - адроны - всегда бесцветны [10].

Сильное взаимодействие между кварками переносят глюоны. В отличие от фотонов, переносящих электромагнитное взаимодействие и имеющих при этом нулевой электрический заряд, глюоны обладают цветом.

Каждый глюон имеет пару цветовых зарядов - цвет и антицвет. Согласно теории групп, всего из трех цветов и трех антицветов для глюонов можно составить девять возможных парных комбинаций цвет - антицвет, причем одна из них представляет собой синглет, в котором цветные заряды нейтрализуют друг друга:

(4)

В результате данная комбинация не взаимодействует с кварками, и такого глюона не существует. Остается восемь глюонов, переносящих цветное взаимодействие, шесть из которых обладают явным цветом, а два представляют комбинации с так называемым скрытым цветом:

(5)

Пример возможного взаимодействия кварков в нуклоне показан на рис.3.

Поскольку глюоны обладают цветом, для них возможны процессы взаимодействия глюонов между собой, как показано на рис.4.

Взаимодействие глюонов ответственно за удержание кварков внутри адрона. В отличие от константы электромагнитного взаимодействия, константа сильного цветного взаимодействия растет с увеличением расстояния между кварками, что приводит к принципиально новому поведению системы кварков и глюонов. При увеличении расстояния между кварками и глюонами их энергия взаимодействия растёт. В результате свободные кварки и глюоны в природе не наблюдаются. Они «заперты» внутри бесцветных адронов. Это явление носит название конфайнмента.

Кварки являются цветными объектами, поэтому они не могут существовать в свободном состоянии. Подхватывая из вакуума кварки и антикварки, родившийся в столкновении частиц цветной кварк на масштабе ~ см превращается в бесцветные адроны. Этот процесс называется адронизацией.

На рис.5. показано образование заряженных мезонов и протон - антипротонной пары в результате - аннигиляции.

Если энергия первоначально образовавшейся кварк - антикварковой пары достаточно велика, то в результате образуется большое количество адронов, летящих в противоположном направлении - адронных струй. Наблюдение адронных струй с предсказанными характеристиками является доказательством существования кварков.

Поскольку адроны имеют целочисленные заряды, то суммарные заряды адронных струй также целочисленны. Однако, если повторять один и тот же опыт по рождению струй много раз и определять средний по событиям суммарный электрический заряд струи, то он оказывается дробным и величина его именно такая, какая и должна быть у кварков, образующих адронные струи. В столкновениях мюонных нейтрино (антинейтрино) с нуклоном, и , заряженный (или бозон может поглотиться лишь кварком (или ) нуклона, превратившись в кварк , который, вылетая из нуклона, даёт начало струе адронов. Процесс столкновения мюонного нейтрино с нуклоном сводится к процессу

(6)

Соответствующая диаграмма с учётом того, что кварк входит в состав нуклона - мишени (например, протона), показана на рисунке 6.

Аналогично можно получить, что будет взаимодействовать с - кварком по схеме

(7)

Кварк или , получив в глубоко неупругом столкновении основную часть энергии , приобретает большую скорость и вылетает из нуклона в переднюю полусферу в системе центра инерции (СЦИ). Такой кварк называют лидирующим. Оставшиеся два кварка-наблюдателя - медленные и летят в заднюю полусферу, что приводит к образованию двух струй адронов, летящих в СЦИ в противоположных направлениях. Струя в передней полусфере несёт информацию о заряде лидирующего кварка. Если при измерении зарядов адронов в струе в передней полусфере одновременно идентифицировать заряд мюона, то можно определить, к какому из двух процессов или относится конкретное измерение. Усредняя большое количество наблюдений, можно проверить, «помнит» ли струя адронов электрический заряд лидирующего кварка.

Оказалось, что средние (по событиям) заряды адронных струй, образующихся в передней полусфере под действием пучка нейтрино (антинейтрино), следующие (в единицах элементарного заряда):

, что убедительно согласуется с величинами и для и - кварков [11].

Кварковая модель в настоящее время - единственная модель строения элементарных частиц, наиболее точно объясняющая строение адронов.

Создание квантовой хромодинамики - весьма примечательное явление в научной жизни.

С одной стороны, оно свидетельствует в пользу единства мира. В конце 50-х годов мысль, что теория сильных взаимодействий может быть построена по аналогии с квантовой электродинамикой, казалась просто наивной. И все же теория сильных взаимодействий оказалась теорией поля, мало того, теорией калибровочного поля, подобной электродинамике.

С другой стороны, создание хромодинамики свидетельствует о качественно новых свойствах «цветных» частиц и их взаимодействий по сравнению с ранее изученными объектами. Среди этих новых свойств - счастливая для этой теории особенность взаимодействия, его ослабление на малых расстояниях, позволившее создать методы расчета глубоко неупругих процессов.

В хромодинамике переносчик взаимодействия - глюонное поле само является заряженным (т. е. цветным). Образуя вокруг источника поля - кварка - поляризационное облако, глюоны принимают на себя заряд кварка. Получается эффект антиэкранировки. Расчет показывает, что антиэкранировка преобладает над обычной экранировкой, вызванной виртуальными парами кварк - антикварк, если число ароматов кварков не слишком велико; не более 16 (напомним, что нам известно 5 ароматов).

При уменьшении расстояния от источника глюонного поля цветозаряд стремится к нулю. Иначе говоря, при больших энергиях сталкивающихся частиц (точнее, в процессах с большим передаваемым импульсом) кварки можно рассматривать как свободные, невзаимодействующие друг с другом частицы.

Ситуация парадоксальная, но полностью подтвержденная экспериментом. Изучение рассеяния лептонов на протонах при больших передаваемых импульсах - так называемое «глубоко неупругое» рассеяние, при котором взаимодействие происходит на очень малом расстоянии, а от лептона протону передается большой импульс - показало, что адроны ведут себя так, как если бы они состояли из невзаимодействующих точечных частиц - партонов. Эти результаты были получены в Стэнфорде в 1967-1968 гг., а партонная модель адронов сформулирована Р. Фейнманом в 1969 г. Изучение струй полностью подтверждает слабость сильного взаимодействия на малых расстояниях. Ослабление эффективного взаимодействия с ростом энергии называется асимптотической свободой (т. е. свободой в пределе бесконечно высокой энергии). Это свойство полей Янга - Миллса было обнаружено теоретически в 1973 г. голландцем т'Хоофтом, а также американскими физиками Д. Гроссом вместе с Ф. Вилчеком и независимо X. Политцером.

Поведение взаимодействия между кварками на больших расстояниях также определяется самодействием глюонов. При удалении кварков друг от друга глюонное поле, благодаря притяжению глюонов друг к другу, сжимается так, что линии поля становятся параллельными аналогично линиям электрического поля в плоском конденсаторе. Как известно, в плоском конденсаторе поле однородное, напряженность одинакова во всем объеме. Потенциал такого поля меняется в направлении от одной пластины к другой, возрастая с ростом координаты. При неизменном заряде энергия поля внутри конденсатора растет с увеличением расстояния между пластинами. Точно так же, чем больше расстояние между кварками, тем больше энергия глюонного поля. При достаточном удалении кварков друг от друга могут возникнуть глюон или пара кварк - антикварк, причем они тут же порождают бесцветные адроны. Свободные частицы с дробным зарядом до сих пор не наблюдались, несмотря на тщательные поиски. Вероятно, не может существовать и свободный глюон. Отсутствие свободных кварков и глюонов называют «невылетанием цвета».

Появление кварков фиксируется по особенностям образования адронов в столкновениях на встречных пучках. В результате распада тяжелых кварков возникают две струи адронов, направленные в противоположные стороны. Если, помимо кварков, в промежуточном состоянии имеется глюон, то должна появиться еще одна струя.

Глюонные струи были обнаружены в 1979 г. в экспериментах на встречных пучках. При этом наблюдалось увеличение числа трехструйных событий по мере увеличения энергии сталкивающихся частиц, что предсказывается теорией. Изучение углового распределения струй привело к выводу, что спин глюона равен единице, как и должно быть, раз глюонное поле является калибровочным.

Поскольку глюоны взаимодействуют друг с другом, возможно существование бесцветных связанных состояний двух или большего числа глюонов - глюболов («шаров из клея»). Эти состояния нестабильны и должны проявляться как резонансы в рассеянии. Примером глюбола является глюоний - частица, состоящая из глюона и антиглюона, например, и . Глюболы должны возникать при распадах «чармония» , т. е. - частицы: она может распадаться на адроны не непосредственно, а в результате превращения в три глюона или два глюона и фотон. Возникающие глюоны могут объединиться в глюбол. При распаде - частицы, действительно, были найдены новые резонансы; их массы - 1440 и 1700 , однако нет уверенности, что их следует отождествить с глюболами.

Интересные результаты были получены в Институте физики высоких энергий в эксперименте, выполненном под руководством Ю. Д. Прокошкина. Пучок отрицательно заряженных пионов с энергией направлялся в камеру с жидким водородом. При столкновении пионов с протонами происходят разнообразные события, но исследователей интересовало рождение нейтральных частиц:

(1)

(2)

(3)

Масса - частицы равна , - частицы - .

Исследование реакций (2) и (3) показало, что часть - частиц возникает в результате распада неизвестной ранее частицы без спина с массой . Ее время жизни - около . Интересно, что - мезон (так назвали новый резонанс) не распадается ни на пионы, ни на каоны. Это значит, что он не может иметь кварковую структуру типа или . Распад (3) происходит в 3 раза чаще, чем распад (2), а теория предсказывает такое отношение для распадов глюбола. Настораживает большая масса - мезона; теоретически масса глюбола должна быть меньше. И все же, - мезон является весьма вероятным кандидатом в глюболы.

Теперь обратимся к вопросу: что может квантовая хромодинамика? Известны успехи квантовой электродинамики, ее точное соответствие экспериментальным данным; ее методами не только рассчитывают различные процессы (рассеяние электронов и фотонов, испускание и поглощение света), но и весьма тонкие эффекты, связанные с влиянием поляризации вакуума. Эти успехи в значительной мере обязаны малой величине электромагнитного взаимодействия, которое характеризуется безразмерной величиной , называемой постоянной тонкой структуры. Малость взаимодействия, точнее, малость по сравнению с 1, позволяет рассматривать его как добавку («возмущение») к основным членам уравнений, описывающим поведение свободных частиц, и методом последовательных приближений получать решение с любой степенью точности.

В квантовой хромодинамике взаимодействие становится малым на малых расстояниях. В связи с этим появляется возможность воспользоваться методами, аналогичными расчетным методам электродинамики, чтобы получать сведения о процессах при высокой энергии. Безразмерная постоянная, характеризующая цветное взаимодействие при высокой энергии, близка к 0,2; это значительно больше постоянной тонкой структуры, но все-таки меньше единицы. Для разработки методов расчета даже в области высоких энергий пришлось преодолеть ряд трудностей, которых не было в электродинамике. Значительный вклад в разработку аппарата квантовой хромодинамики внесли советские ученые Л. Д Фаддеев, Е. С. Фрадкин, А. А. Славнов, В. Н. Попов и др. Последовательной теории цветного взаимодействия, на больших расстояниях не существует; такие процессы описываются с помощью моделей, имеющих ограниченную область применения.

Поскольку на малых расстояниях взаимодействие между кварками очень слабое и константа взаимодействия , это состояние называется "асимптотическая свобода".

Теоретическое доказательство существования асимптотической свободы в КХД вызвало в свое время большой резонанс. Дело в том, что к этому моменту накопился значительный экспериментальный материал по адронным взаимодействиям, который нельзя было согласовать с представлением о том, что эти взаимодействия являются сильными. Так, во второй половине 60-х годов была выполнена, например, целая серия экспериментов по глубоко неупругому лептон - адронному рассеянию на линейном ускорителе электронов в Стэнфорде (США). Угловое поведение сечения рассеяния удавалось объяснить, только предположив, что рассеяние виртуального высокоэнергетического фотона происходит на точечных составляющих адрона, которые практически не взаимодействуют друг с другом, то есть являются свободными. Такую картину высокоэнергетических адронных процессов предложил в 1969 году Р.Фейнман. Он назвал невзаимодействующие составляющие адронов партонами, а сама модель получила название партонной модели. Открытие асимптотической свободы объясняло, почему партоны (то есть те же кварки) ведут себя как квазисвободные частицы на малых расстояниях (при высоких энергиях) и сильно взаимодействуют на больших расстояниях. Благодаря своей физичности и наглядности партонная модель прочно вошла в современный аппарат КХД.

Асимптотическая свобода чрезвычайно важна для практического применения КХД, а именно, для расчета процессов сильных взаимодействий и соответствующих теоретических предсказаний, так как она позволяет использовать теорию возмущений, благодаря возможности отделения вкладов малых и больших расстояний в адронные процессы (так называемая факторизация, доказанная, в частности, дубненскими теоретиками А.В.Ефремовым и А.В.Радюшкиным в 1978 году). Если бы КХД не обладала асимптотической свободой, то область применимости теоретических расчетов в этой теории практически была бы равна нулю. Поэтому в полной мере значение данного открытия можно адекватно оценить только спустя десятилетия, в течение которых КХД стала работоспособной теорией сильных взаимодействий.

Предсказания, базирующиеся на асимптотической свободе, прекрасно подтверждаются практически всеми экспериментами, имеющими дело с сильными взаимодействиями [12].

1.5. Фундаментальные частицы Стандартной Модели.

Как мы уже отмечали, современное представление о физике частиц содержится в так называемой Стандартной Модели. Стандартная Модель (СМ) физики частиц базируется на квантовой электродинамике, квантовой хромодинамике и кварк-партонной модели.

Квантовая электродинамика (КЭД) - высокоточная теория - описывает процессы, происходящие под действием электромагнитных сил, которые изучены с высокой степенью точности.

Квантовая хромодинамика (КХД), описывающая процессы сильных взаимодействий, строится по аналогии с КЭД, но в большей степени является полуэмпирической моделью.

Кварк-партонная модель объединяет теоретические и экспериментальные результаты исследований свойств частиц и их взаимодействий.

Основное содержание Стандартной Модели представлено в таблицах 3, 4, 5. Конституентами материи являются три поколения фундаментальных фермионов (I, II, III), свойства которых перечислены в табл. 3. Фундаментальные бозоны - переносчики взаимодействий (табл. 4), которые можно представить с помощью диаграммы Фейнмана (рис. 7).

Рис. 7: Диаграмма Фейнмана:, − константа взаимодействия, - импульс, который частица передает частице в результате одного из четырех типов взаимодействий.

D

А

α

С

Основные положения Стандартной Модели:

• Адроны состоят из кварков и глюонов (партонов). Кварки - фермионы со спином и массой ; глюоны - бозоны со спином и массой .

• Кварки классифицируются по двум признакам: аромат и цвет. Известно 6 ароматов кварков и 3 цвета для каждого кварка.

• Аромат - характеристика, сохраняющаяся в сильных взаимодействиях.

• Глюон составлен из двух цветов - цвета и антицвета, а все остальные квантовые числа у него равны нулю. При испускании глюона кварк меняет цвет, но не аромат. Всего работает 8 глюонов.

• Элементарные процессы в КХД строятся по аналогии с КЭД: тормозное испускание глюона кварком, рождение кварк - антикварковых пар глюоном. Процесс рождения глюонов глюоном не имеет аналога в КЭД.

• Статическое глюонное поле не стремится к нулю на бесконечности, т.е. полная энергия такого поля бесконечна. Таким образом, кварки не могут вылетать из адронов, имеет место конфайнмент.

• Между кварками действуют силы притяжения, имеющие два необычных свойства: а) асимптотическую свободу на очень малых расстояниях и б) инфракрасное пленение - конфайнмент, благодаря тому, что потенциальная энергия взаимодействия неограниченно растет с увеличением расстояния между кварками , , где и - константы.

• Кварк - кварковое взаимодействие не аддитивно.

• В виде свободных частиц могут существовать только цветовые синглеты: мезонный синглет, для которого волновая функция определяется соотношением (8)

и барионный синглет с волновой функцией

(9),

где - красный, - синий, - зеленый.

• Различают токовые и составляющие кварки, которые имеют разные массы [13].

1.6. Объединение взаимодействий. Бозон Хиггса.

В Стандартной Модели считается, что частицы приобретают массу в результате механизма Хиггса. Поле Хиггса заполняет все пространство, и все частицы приобретают массу при взаимодействии с ним. Квантами поля Хиггса является бозон Хиггса. Считается, что хиггсовский бозон имеет нулевой спин. Масса его по экспериментальным оценкам должна быть больше 5 ГэВ.

В этой модели распад нейтрона на кварковом уровне выглядит как бы проходящим в два этапа (рис.8).

На первом этапе происходит превращение - кварка в - кварк и - бозон на втором - бозон распадается, превращаясь в электрон и антинейтрино .

По аналогии с сильным взаимодействием члены одного семейства, порождаемые или - бозонами, объединяются в слабые левоспиральные изоспиновые дублеты и со слабым изоспином , которым приписываются значения и . У антифермионов проекции слабого изоспина имеют противоположные знаки.

Слабые взаимодействия с изменением заряда (заряженные токи) описываются состояниями и . Они происходят с испусканием или поглощением или - бозонов. Слабые процессы с участием - бозона были названы процессами с нейтральными слабыми токами.

Таким образом, в модели Вайнберга - Салама - бозоны и - квант являются квантами единого электрослабого поля. Стандартная Модель, объединяющая электромагнитное и слабое взаимодействия, предсказывает связь между константами электромагнитного и слабого взаимодействий и соотношение между массами заряженных и нейтральных бозонов:

(10)

где - угол Вайнберга. Извлеченная из экспериментов величина .

Обнаружение в 1973 г. слабых нейтральных токов явилось ярким подтверждением правильности Стандартной Модели, в которой были предсказаны значения масс промежуточных бозонов - ; . Единственный практически реальный способ получения частиц такой массы состоял в том, чтобы сталкивать протонные и антипротонные пучки. Эксперимент был выполнен в 1983 году на - коллайдере ЦЕРН

(11)

(12)

где - все другие частицы, образующиеся в результате столкновения протона и антипротона.

Наблюдаемые в результате реакции заряженные лептоны с большими значениями поперечных импульсов служили доказательством образования бозонов. Полученные экспериментально значения масс бозонов находились в очень хорошем согласии со стандартной теорией. Между открытием нейтральных токов и наблюдением векторных бозонов прошло 10 лет.

Модели, в которых рассматривается объединение электрослабого и сильного взаимодействий, называются Великим объединением. В основе Великого объединения лежит гипотеза, что сильное и электрослабое взаимодействия являются низкоэнергетичными компонентами одного и того же калибровочного взаимодействия, описываемого единой константой. Наблюдаемые на опыте константы взаимодействий сильно различаются при энергии ~ и зависят от расстояния. Предполагается, что на расстоянии ~ см константы становятся одинаковыми. Согласно простейшей модели Великого объединения, сильное и электрослабое взаимодействия объединяются при энергии ~. В лабораторных условиях вряд ли достижимы такие энергии. Однако есть явление, которое следует из такой объединенной теории. В этой модели протон должен быть нестабильной частицей, правда, с большим временем жизни. Если сильное и электрослабое взаимодействия являются разными проявлениями более общего взаимодействия, то кварки и лептоны должны быть компонентами одного и того же мультиплета. Следовательно, возможны процессы, в которых кварки могут превращаться в лептоны. Это значит, что протон, состоящий из кварков, не может быть абсолютно стабильным, а может распадаться, превращаясь в более легкие частицы.

По оценкам в рамках единой теории сильных и электрослабых взаимодействий время жизни протона ~лет.

Еще одним кандидатом на единую теорию являются суперсимметричные теории. В этих теориях фермионы имеют суперпартнеров, которые должны быть бозонами, а бозоны - суперпартнеров, которые должны быть фермионами. В суперсимметричных теориях постулируется существование операторов , которые переводят бозоны в фермионы .

Сопряженные операторы превращают фермионы в бозоны. Оператор оставляет неизменными все квантовые числа частицы, за исключением спина. На поиск суперсимметричных партнеров направлен целый ряд экспериментов на действующих и строящихся коллайдерах.

Переносчиком гравитационного взаимодействия в квантовой теории гравитации считается гравитон - безмассовая частица со спином . Гравитационное взаимодействие универсально. В нем участвуют все частицы.

Предпринимаются попытки объединенного описания всех четырех фундаментальных взаимодействий, основанные на концепции суперсимметрии. Подобные схемы называются расширенной супергравитацией. Согласно этим теориям интенсивность гравитационного взаимодействия должна сравниваться с интенсивностью объединенных взаимодействий при энергиях близких к массе Планка

(13)

Характерные размеры, соответствующие массе Планка [14].

1.7. Современные взгляды на структуру материи. (Экспериментальные исследования: Большой адронный коллайдер - задачи исследования, основные результаты).

Современные взгляды на структуру материи:

1. Вещество построено из атомов, каждый из которых включает массивное положительно заряженное ядро, окруженное электронной оболочкой: электронная оболочка ответственна за химические и многие физические свойства; атомное ядро состоит из протонов и нейтронов, связанных ядерными силами.

2. Протоны, нейтроны и электроны являются основными «кирпичиками», из которых построено вещество.

3. Основное свойство элементарных частиц - способность претерпевать самые разнообразные взаимодействия. Все эти процессы управляются тремя фундаментальными взаимодействиями: сильным, электромагнитным и слабым.

4. Все частицы можно разделить на те, которые не подвержены сильному взаимодействию и на адроны, участвующие в сильном взаимодействии.

5. Фотон и лептон не проявляют тонкой структуры.

6. На динамическом уровне все частицы подразделяются на «переносчиков» взаимодействий и их «участников»: в настоящее время известно 3 дублета лептонов, в каждый из которых входит заряженная частица и нейтрино: (,), (), (). У каждого лептона есть свой антилептон. Предполагается, что существуют 6 ароматов (сортов) кварков, также образующих 3 дублета или поколения: Каждый кварк имеет 3 цвета , и кроме того, у него есть свой антикварк.

7. Фундаментальные взаимодействия роднит то, что все они носят обменный характер. Различаются они тем, какие именно частицы их переносят. Переносчиком ЭМ взаимодействия является фотон. Слабое взаимодействие переносится массивными заряженными и нейтральными бозонами . В процессе обмена ими частицы меняют свой аромат, но не цвет. В сильном взаимодействии непосредственно участвуют только кварки. В качестве его переносчиков выступают глюоны. Переносчиком гравитационного взаимодействия считается безмассовый гравитон . Это взаимодействие универсально, в нем участвуют все частицы.

8. Выявление обменного характера всех фундаментальных взаимодействий вселяет надежду на возможность построения единых теорий. Практически завершенной можно считать теорию электрослабого взаимодйствия. Довольно успешны попытки «великого объединения» ЭМ, слабого и сильного взаимодействий в одно электроядерное взаимодействие. Предпринимаются попытки объединенного описания всех 4 - х фундаментальных взаимодействий, основывающиеся на концепции суперсимметрии.

Экспериментальные исследования: Большой адронный коллайдер - задачи исследования, основные результаты.

Большой адронный коллайдер, LHC (от Large Hadron Collider), или, по-русски, БАК - это беспрецедентно сложная установка. Его сложность - не только инженерная, но и научная, ведь его функционирование опирается на множество самых разных физических явлений.

Задачи, стоящие перед LHC.

Обычно утверждается, что целью LHC является открытие хиггсовского бозона. Несмотря на всю важность этой задачи, это всего лишь один из пунктов довольно обширной научной программы LHC. Вот основные пункты этой программы.

Изучение хиггсовского механизма:

Физиков интересует, на самом деле, не столько сам хиггсовский бозон, сколько хиггсовский механизм нарушения электрослабой симметрии. Именно изучение этого механизма, возможно, натолкнет физиков на новую теорию нашего мира, более глубокую, чем Стандартная Модель.

Хиггсовский бозон - это «частица - отголосок» этого механизма; его просто удобнее всего изучать именно через открытие и изучение хиггсовского бозона. Научная программа LHC, разумеется, не ограничивается одним лишь обнаружением бозона Хиггса, но и включает в себя многочисленные задачи по доскональному изучению его свойств.

Поиск суперсимметрии:

Суперсимметрия - это очень сильная и глубокая теоретическая идея об устройстве нашего мира. Она пока не подтверждена экспериментом, но, возможно, LHC может найти ее проявления.

Изучение топ - кварков:

Топ - кварки - самые тяжелые из известных на сегодня фундаментальных частиц, причем они намного тяжелее всех остальных кварков. Это наводит физиков на мысль, что топ - кварки могут играть важную роль в самом процессе нарушения электрослабой симметрии. Кроме того, топ - кварки могут оказаться удобным рабочим инструментом для поиска хиггсовского бозона. Всё это требует внимательного изучения свойств топ - кварков на LHC.

Изучение кварк - глюонной плазмы:

На LHC будут происходить не только протон - протонные столкновения, но и столкновения ядер свинца (ожидается, что примерно 1 месяц в году будет проходить в режиме ядерных столкновений). При лобовом столкновении двух ультрарелятивистских ядер на короткое время образуется и затем распадается плотный и очень горячий комок ядерного вещества. Понимание происходящих при этом явлений (переход в состояние кварк - глюонной плазмы и ее остывание) очень нужно для построения более совершенной теории сильных взаимодействий, которое окажется очень полезным как для ядерной физики, так и для астрофизики.

Изучение фотон - адронных и фотон - фотонных столкновений:

Протоны электрически заряжены, поэтому ультрарелятивистский протон порождает облако почти реальных фотонов, летящих рядом с протоном. Этот поток фотонов становится еще сильнее в режиме ядерных столкновений, из-за большого электрического заряда ядра. Эти фотоны могут столкнуться со встречным протоном, порождая типичные фотон - адронные столкновения, или даже друг с другом.

Проверка экзотических теорий:

Теоретики за последние годы выдвинули огромное число интересных и необычных идей относительно устройства нашего мира, которые все вместе называются «экзотическими моделями». Сюда относятся теории с сильной гравитацией на масштабе энергий порядка 1 ТэВ, модели с большими дополнительными пространственными измерениями, преонные модели, в которых кварки и лептоны являются составными частицами, модели с новыми типами взаимодействия (например, кварковая модель), модели с нечастицами и т. д.

Все эти теории могут показаться странными и необычными, но они не вступают в противоречие с имеющимися пока экспериментальными данными. Поскольку в этих теориях можно сделать конкретные предсказания для LHC, экспериментаторы планируют проверять эти предсказания и искать следы тех или иных теорий в своих данных. Ожидается, что результаты, полученные на LHC, смогут ограничить фантазию теоретиков, закрыв некоторые из предложенных конструкций. Впрочем, остается, конечно, и шанс, что какая - то из этих экзотических теорий «попадет в точку». Если это открытие произойдет, то за ним последует новый период бурного развития физики элементарных частиц.

Вышеперечисленные задачи, решаемые на БАК, конечно, не исчерпывают экспериментальную программу коллайдера. Но они иллюстрируют новые приоритеты фундаментальной физики. В XX веке на основе фундаментальных законов атомной и ядерной физики были проведены детальные исследования структур вещества и найдены практические приложения результатов этих исследований. Но уже с конца XX века и теперь, в XXI веке, основное внимание уделяется исследованиям структур пространства-времени и вакуума как в ультрамалых масштабах - на коллайдере, так и в масштабах Вселенной в целом - в космологических наблюдениях. Кварк - глюонный конденсат, сформированный вакуумными флуктуациями сильно взаимодействующих полей, является первой из вакуумных подсистем, о структуре которой к настоящему времени уже сложились определенные теоретические представления, согласованные с экспериментальными данными.

Первые результаты работы Адронного Коллайдера, самого крупного эксперимента в сфере физики высочайших энергий, стали поступать к концу 2009 года. Был зафиксирован поток протонов с общей энергией в 1,05 триллиона (TeV) электрон - вольт.

Исследователи хотят достичь колоссальных энергий до 7 TeV (семь триллионов электрон - вольт), и получить в результате условия, наиболее близкие к тем, которые существовали в первые секунды сразу после предполагаемого Большого Взрыва. В результате этого взрыва, считают ученые, и возникла наша родная Вселенная.

Сталкивая и разгоняя пучки элементарных протонов с очень высокой энергией, физики разных стран надеются найти новые неизвестные элементарные частицы, и, конечно, легендарный бозон Хиггса. Новые исследования помогут пролить свет на фундаментальные законы всеобщего мироздания. Некоторые ученые мечтают получить экспериментальное подтверждение достоверности своих теорий существования суперструн и суперсимметрии.

Ситуация по состоянию на апрель 2015 года такова:

Открыт хиггсовский бозон с массой примерно 125 ГэВ. Его свойства не противоречат Стандартной Модели. Если первоначальное заявление об открытии основывалось на совокупном анализе всех каналов распада, то сейчас хиггсовский сигнал достоверно виден в распадах по отдельности, а также заметен в распаде на тау - лептоны. Других хиггсовских бозонов, в том числе заряженных, пока не обнаружено [15].

Глава 2. Методические рекомендации по изучению свойств элементарных частиц в школьном курсе физики.

2.1. Научно- методический анализ раздела «Элементарные частицы» в школьном курсе физики.

На формирование представлений об элементарных частицах и их свойствах программами по физике для средней школы отводится мало времени. Конечно, первые упоминания о частицах учащиеся слышат еще в начальной школе, но первоначальные сведения об электроне, протоне и нейтроне появляются лишь в курсе 8 - го класса [16], а в курсе 9 - го добавляются некоторые их характеристики [17]. А в процессе изучения достаточно обширного по содержанию и времени материала по электродинамике (электрическое и магнитное поле, постоянный электрический ток, электромагнитная индукция, переменный ток, электромагнитные волны) определяющая роль заряженных частиц во всех этих процессах редко когда подчеркивается. Основное учебное время, отводимое школьными программами на изучение свойств и особенностей элементарных частиц, приходится на последнюю четверть 11 - го класса, поэтому эффективно использовать это время в полной степени не всегда удается [18]. Разработанный нами ресурс поможет восполнить эти потери при изучении материала на факультативных занятиях и в процессе самостоятельной работы. Внеклассная работа отличается от классной тем, что она строится на принципе добровольности. Здесь учащимся не выставляют оценок, но обоснованность суждений, смекалка, быстрота вычислений, использование рациональных способов решения должна поощряться [19]. Для внеклассной работы учитель подбирает доступный материал повышенной трудности или материал, дополняющий изучение основного курса, чем и является наш ЦОР «Зоопарк» элементарных частиц».

Знакомство с элементарными частицами дает веское подтверждение принципа неисчерпаемости материи, ибо учащиеся убеждаются в том, что материальные объекты и их свойства крайне многообразны, элементарные частицы не являются "простыми", они обладают множеством свойств и способны к взаимопревращениям.

В процессе изучения курса физики, особенно последнего его раздела, учащихся знакомили со многими элементарными частицами: фотоном, электроном, протоном, нейтроном, нейтрино и др. На данном этапе обучения задача состоит, прежде всего, в том, чтобы повторить и обобщить свойства уже изученных элементарных частиц. Обобщение можно провести по трем их свойствам: массе, электрическому заряду и среднему времени жизни, так как другие характеристики элементарных частиц (спин, магнитный момент) в средней школе не изучают.

При обобщении выделяют три группы частиц.

К первой группе относят фотон - стабильную частицу, не имеющую ни массы покоя, ни электрического заряда. Фотон - квант электромагнитного взаимодействия. Вторую группу составляют легкие частицы - электрон и нейтрино (для электрона указывают значение массы и заряда; масса нейтрино, по последним научным данным, отлична от нуля, но численное ее значение точно не установлено), а третью группу - тяжелые частицы: протон и нейтрон. Все эти частицы стабильны (или квазистабильны), как нейтрон, время жизни которого составляет- величина огромная для области микромира. Они являются тем «материалом», из которого построены атомы вещества, либо осуществляют взаимодействие между заряженными частицами (фотон).

Кроме них, в науке известно большое число (около 400) других элементарных частиц. Их получают в научных лабораториях с помощью очень мощных ускорителей (мощность электронных ускорителей достигает 35 ГэВ, протонных - 500 ГэВ). Учащимся напоминают принцип устройства ускорителя и объясняют, что при соударениях мощных потоков частиц с ядрами «мишени» (или потоков частиц между собой) получают вторичные пучки, содержащие ранее неизвестные атомные ядра и элементарные частицы. Некоторые элементарные частицы обнаружены во вторичном космическом излучении [20].

Из числа открытых в научных лабораториях частиц интерес для учащихся представляют прежде всего античастицы. Античастицы обладают той же массой, что и соответствующие им частицы, равным, но противоположным по знаку зарядом. Первой открытой античастицей был позитрон - двойник электрона, имеющий то же значение массы, но положительный заряд. Ныне получены в лабораторных условиях антипротон, антинейтроны, а также атомы легких элементов, состоящие из антипротонов, антинейтронов и позитронов (антиводород и др.). Единственная частица, не имеющая своего двойника, - фотон. Все античастицы в пустоте стабильны. Однако взаимодействие античастиц с частицами приводит к их взаимному уничтожению и рождению других частиц. Например, взаимодействие электрона и позитрона приводит к рождению двух (иногда трех) - квантов:

Соответственно взаимно уничтожаются протон и антипротон, нейтрон и антинейтрон, рождая при этом другие частицы. Наша Вселенная состоит из элементарных частиц, античастиц в ней мало. Все остальные элементарные частицы (а их большинство) - крайне нестабильны. Рождаясь в научных лабораториях, они быстро распадаются на стабильные частицы. Среднее время жизни наиболее нестабильных частиц с [21].

Целесообразно ознакомить учащихся с классификацией элементарных частиц. Их делят на три группы. Одни из них, как нуклоны, способны к сильным взаимодействиям. Это пионы, каоны, мезоны, гипероны. Вместе с нуклонами они образуют группу адронов. Вторую труппу составляют частицы, не участвующие в сильном взаимодействии; их шесть: электрон и электронное нейтрино, мюон и мюонное нейтрино, таон и таонное нейтрино. Третья группа частиц - переносчики взаимодействия. Согласно современным научным представлениям, подобно тому, как электромагнитное взаимодействие осуществляется посредством обмена фотонами, сильное взаимодействие осуществляется посредством обмена глюонами, гравитационное - с помощью гравитонов, а слабое взаимодействие с помощью промежуточных бозонов. Существование глюонов и гравитонов предсказывают теоретически, экспериментально они еще не обнаружены.

Учащимся можно также рассказать о том, что по данным современной науки истинно элементарными являются электрон и частицы его группы. Адроны (частицы первой группы) состоят из более мелких элементарных частиц - кварков. Кварки имеют дробный заряд и элементарного заряда . Имеются шесть видов кварков, различающихся между собой по массе. Существование кварков ныне также предсказывает теория, но экспериментально они не обнаружены.

Одно из существенных свойств элементарных частиц их способность к взаимным превращениям. Об этом свойстве элементарных частиц упоминалось неоднократно. В качестве конкретных примеров превращений частиц достаточно рассмотреть реакции распада протона и нейтрона, реакцию аннигиляции электрона и позитрона [22].

2.2. ЦОР «Зоопарк» элементарных частиц.

Структура ресурса:

• Этапы развития.

• Свойства элементарных частиц.

• Взаимодействия элементарных частиц.

• Теория кварков.

• Стандартная модель.

• Эксперименты на Большом Адронном Коллайдере (БАК)

• Последние новости БАК.

• Результаты экспериментов, исследуемых на БАКе.

• Бозон Хиггса.

• Тест.

Скриншоты ресурса представлены в приложении 2.

Заключение.

Цифровые образовательные ресурсы позволяют реализовывать принципы дифференцированного и индивидуального подхода к обучению, и, тем самым, способствовать развитию личности в процессе собственной деятельности, ориентированы на развитие исследовательских умений обучающимся, эффективно влияет на повышение уровня успешности овладения знаниями по физике. Применение ЦОР позволяют разнообразить методику проведения уроков и реализовать комплексный подход в обучении, тем самым значительно повысить мотивацию к изучению физики.

Разработанный нами ресурс является многофункциональным и может быть использован фрагментарно как на уроке, так и в процессе самостоятельного изучения учащимися особенностей поведения микромира.

Ожидаемый образовательный результат:

- успешная самореализация школьников в учебной деятельности;

- помощь учителю физики на уроке;

- опыт работы в коллективе (группе);

- самостоятельное освоение учащимися учебного материала;

- решению главной задачи образовательной политики.

Внедрение разработанного фрагмента в практику педагогической деятельности показало, что его можно эффективно использовать как в режиме «онлайн», так и «офлайн»; устанавливать на компьютеры, планшеты, телефоны; использовать в виде справочного материала и дополнительного материала при самостоятельной работе.

Литература:

1. Т. В. Шишкина, Н. М. Шумейко, Физика элементарных частиц: Курс лекций. БГУ, Минск, (2002).

2. Орир Джей, Физика. Полный курс. КДУ, (2010).

3. biofile.ru/chel/14510.html

4. В. М. Емельянов, Стандартная модель и ее расширения. ФИЗМАТЛИТ, Москва (2007).

5. Т. И. Трофимова, Краткий курс физики. Высшая школа, Москва (2006).

6. Р. Фейнман, С. Вайнберг, Элементарные частицы и законы физики. Пер. с англ. Мир, Москва (2000).

7. И. В. Савельев, Курс общей физики. В 5 кн. Кн. 5. Квантовая оптика. Атомная физика. Физика твердого тела. Физика атомного ядра и элементарных частиц: Учеб. пособие для втузов, ООО «Издательство АСТ», Москва (2003).

8. Л. А. Аксенович, Физика в средней школе. Теория. Задания. Тесты, Минск (2004).

9. bobych.ru/lection/fizika/67.html

10. Д. В. Сивухин, Общий курс физики. Учеб. пособие: Для вузов. В 5 т. Т. V. Атомная и ядерная физика. - 2-е изд., стереотип., ФИЗМАТЛИТ; Изд-во МФТИ, Москва (2002).

11. Е. М. Гершензон, Н. Н. Малов, А. Н. Мансуров, Оптика и атомная физика: учеб. пособие для студ. высших пед. учеб. заведений, Издательский центр «Академия», Москва (2000).

12. nuclphys.sinp.msu.ru/sem2/sem07.html

13. А. Любимов, Д. Киш, Введение в экспериментальную физику частиц.- 2-е изд., перераб. и доп., ФИЗМАТЛИТ, Москва (2001).

14. elementy.ru/LHC/LHC

15. nuclphys.sinp.msu.ru

16. А. В. Перышкин, Физика. 8 класс, Москва (2013).

17. А. В. Перышкин, Е. М. Гутник, Физика. 9 класс, Дрофа, Москва (2009).

18. В. А. Касьянов, Физика. 11 класс. Базовый уровень. 3-е изд., дораб., Москва (2012).

19. lomalkin.webhost.ru/k3/36.html

20. З. В. Александрова. Особенности технологии применения ЦОР в преподавании физики, Мурманск (2013).

21. С. Е. Каменецкий, Теория и методика обучения физике в школе. Частные вопросы, Академия, Москва (2000).

22. С. Е. Каменецкий, Теория и методика обучения физике. Общие вопросы, Академия, Москва (2000).

Приложение 1.

Таблица 1.

Связь между характеристиками частицы и античастицы

Характеристика

Частица

Античастица

Масса

Время жизни

Спин

Изоспин

Чётность

бозон

фермион

Электрический заряд

Магнитный момент

Проекция изоспина

Барионное число

Лептонное число

Странность

Очарование (Charm)

Bottom

Top

Схема распада (пример)

Таблица 2.

Характеристика

Тип кварка

Электрический заряд

Проекция изоспина

Странность

Charm

Bottom

Top

Масса в составе адрона, ГэВ

Токовая масса, МэВ

Таблица 3: Фермионы - (спин полуцелый в единицах ) конституенты материи.

Таблица 4: Бозоны - переносчики взаимодействий (спин = 0, 1, 2 ... в единицах ).

Таблица 5: Сравнительные характеристики фундаментальных взаимодействий. Сила взаимодействия указана относительно сильного.

Приложение 2.