Элементарные частицы

Рассмотрим теперь более подробно основные свойства так называемых «элементарных» частиц.
Изучение этих свойств представляет, кроме всего, и заметный методический интерес, поскольку приводит к
обсуждению самого процесса исследования исходных составляющих вещества.
Семейства частиц
Сколько элементарных частиц обнаружено до сих пор? Если судить по толщине кратких
справочников, где описаны их свойства и которые имеют хождение среди физиков, то несколько сотен.
Многие из этих частиц собраны в семейства, похожие на семейства нуклонов или пионов. Эти семейства
играют роль, сравнимую с ролью периодической системы Менделеева, столь полезной в химии. Но именно
такое сходство и наталкивает на мысль, что мы занимаемся классификацией объектов, похожих на атомы, а
вовсе не элементарных. Так или иначе, но уже снова начались поиски действительно элементарных
составляющих вещества. К 1963 г. выяснилось, что частицы следует объединять в более обширные
семейства. Так, например, нуклоны вместе с Λ-частицей и с частицами 0 ~Σ и 0 ~Ξ должны были образовать
сверхсемейство из восьми членов (октет); таким же образом пионы вошли в другой октет и т.д.
Древнегреческие философы приписывали атомам исключительно правильные и симметричные формы.
Хотя реальные атомы весьма далеки от этого, мысль о том, что в физике понятие симметрии должно играть
важную роль, осталась. Классификация частиц по семействам как раз и отражает существование какой-то
симметрии в природе; рассмотрим ее.
SU-3-симметрия
Гейзенберг считал протон и нейтрон двумя состояниями одной и той же частицы – нуклона. Нуклон
может перемещаться в пространстве, вращаться вокруг собственной оси, подобно волчку («спин»), а также
принимать два различных образа – быть либо нейтроном, либо протоном. Подобные рассуждения
применимы и к трем пионам. Согласно такой точке зрения, переход между протоном и нейтроном
происходит в другом, особом, пространстве, для построения которого необходимо ввести дополнительную
степень свободы и не ньютоновские измерения.
Прерывистый характер таких переходов обусловлен принципами квантовой механики и тесно связан с
идеей квантования орбит, о которой мы уже говорили. Новое пространство, в котором перемещаются
нуклоны и пионы, кроме того, что в нем возникают другие семейства частиц, примечательно еще и
высокой степенью симметрии (самую простую аналогию мы получим, вообразив круг или сферу). Из этой
симметрии следует прежде всего, что частицы, входящие в одно семейство, имеют почти одинаковые
свойства, если не считать электрического заряда. Наличие сверх семейств (как говорят физики,
мультиплетов SU-3) означает, что у частиц имеются дополнительные степени свободы, или возможности
изменения состояния. Существует математическое понятие группы, на котором мы не будем здесь
останавливаться. С помощью этого понятия и производится систематизация всех возможных и
воображаемых симметрий. Теория групп вошла в теоретическую физику еще в 30-е годы, и ее
триумфальное шествие продолжается по сей день. На ее основе можно предсказать детали строения и
внутренние иерархии всех семейств группы SU-3; в действительности эти предсказания можно
распространить на любую симметрию, включая те, которые еще предстоит открыть.
Кварки
Так было предсказано существование сверхсемейств, состоящих из десяти членов; в одном из них
сначала отсутствовал десятый член - частица Ω–, впоследствии открытая на ускорителях. Что еще более
удивительно, теория предсказала существование семейства всего из трех частиц, ни одна из которых не
была еще обнаружена в природе. Эти гипотетические частицы окрестили «кварками» (слово заимствовано
из романа Джойса «Поминки по Финнегану»; «кварк» по-немецки означает также «творог»). Если кварки
существуют, то они должны иметь еще не встречавшийся ни у одной частицы дробный электрический
заряд, кратный одной трети заряда электрона. По этой причине и из-за их упорного нежелания показаться
на ускорителях многие физики ставили под сомнение само их существование. С другой стороны,
оказывается очень удобным считать нуклоны, пионы и почти все известные частицы состоящими из
кварков. Нуклон, например, состоял бы тогда из трех кварков, а пион – из кварка и антикварка.
Совсем недавно были открыты частицы, для объяснения существования которых требуется введение
четвертого и даже пятого кварка. Каждый кварк обладает набором свойств, который получил название
«аромат» (flavour по-английски).

---

Другие статьи по теме:

- Относительность: вводные замечания
- Образование галактик
- Развитие общей теории относительности
- Астраномия Середничя
- В черной дыре

Это интересно:

Новости космоса: