На переднем крае физики микромира

ФЕДЕРАЛЬНОЕ АГЕНСТВО ПО ОБРАЗОВАНИЮ

ГОСУДАВСТВЕННОЕ ОБРАЗОВАТЕЛЬНОЕ  УЧРЕЖДЕНИЕ

ВЫСШЕГО ПРОФЕССИОНАЛЬНОГО  БРАЗОВАНИЯ

«САНКТ-ПЕТЕРБУРГСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ

ЭКОНОМИКИ И ФИНАНСОВ»

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Контрольная работа по курсу  «концепции современного естествознания».

На переднем крае физики микромира.

 

 

 

 

                   Выполнила студентка

                                                                      135 группы, 1 курса,  заочного факультета,                                                                                                     специальность «Менеджмент организации»

ПОПОВА Ю.А.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

- Санкт - Петербург-

- 2011-

Содержание.

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

1. Основные вехи на пути в субъядерный мир…………………………............5
2. Фундаментальные взаимодействия в природе и их характеристика………8

     2.1. Гравитационное взаимодействие……………………………………………9

     2.2. Слабое взаимодействие…………………………………………..................13

     2.3. Электромагнитное взаимодействие………………………………………..15

     2.4. Сильное взаимодействие……………………………………………………16

3. Современные представления об иерархии структурных элементов микромира 23

3.1. Лептоны………………………………………………………………………24 

    3.2. Адроны………………………………………………………………………..25

Список литературы…………………………………………………………………..28

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Введение.

 

Было время, когда физики знали всего две элементарные частицы - протон и электрон. Не так  уж давно: чуть более семидесяти лет - одну человеческую жизнь назад. Например, все ныне живущие ветераны Великой  Отечественной войны родились еще  в "двухчастичном" мире. В 1932 году были открыты нейтрон и позитрон. Число известных элементарных частиц удвоилось, а предполагаемых... утроилось. В этом нет никакой ошибки. Дело в том, что еще 1930 году для "спасения" закона сохранения энергии при β - распаде швейцарский теоретик В. Паули выдвинул гипотезу о существовании нейтрино-нейтральной слабовзаимодействующей частицы очень малой или вообще нулевой массы. Эта частица, вследствие своих экзотических свойств, не могла быть поймана при помощи современных Паули экспериментальных приборов. А в 1928 году английский теоретик П. Дирак показал, что у каждой частицы с полуцелым спином должна существовать античастица. Античастица для электрона - позитрон - была найдена первой. Осталось найти антипротон, антинейтрон и нейтрино. Но прежде, чем эти частицы были открыты (1955, 1956 и 1953 годы, соответственно), физики успели обнаружить целый "зоопарк" новых элементарных частиц. Всего же с конца 1940-х и до начала 1980-х найдено чуть менее пятисот элементарных частиц. Естественно, что не все из них истинно элементарны. Поэтому в настоящее время словосочетание "элементарная частица" используется для обозначения любой микрочастицы, которая элементарнее ядра гелия.

Обобщая многие сотни экспериментов  в физике элементарных частиц, на сегодняшний  день удалось выделить 24 различных  типа истинно элементарных или, иначе, фундаментальных частиц. Это шесть  кварков, шесть лептонов, фотон, восемь глюонов и три бозона - переносчика  слабого взаимодействия. Не все из элементарных частиц 1930-х годов сохранили  статус истинно элементарных. Если электрон и нейтрино входят в шестерку фундаментальных лептонов, то протон с нейтроном оказались состоящими из кварков и глюонов. До настоящего времени все обнаруженные составные  частицы можно было классифицировать, если предположить, что они состоят  либо из трех кварков (барионы), либо из кварка и антикварка (мезоны). Такие  кварки называют валентными кварками. Протон и нейтрон - типичные представители  барионов.

Примерно с начала 1980-х  годов стало окончательно ясно: помимо валентных кварков, которые определяют основные физические свойства составных  элементарных частиц, внутри мезонов  и барионов содержится примесь т.н. морских кварков и глюонов. Их можно идентифицировать в определенных экспериментах.

Помимо мезонов и барионов, кварковая теория не запрещает существование  таких экзотических частиц, как димезоны (два валентных кварка и два  антикварка), дибарионы (шесть валентных  кварков), мезобарионы (четыре валентных  кварка и один валентный антикварк), глюбол (связанное состояние глюонов) и другие аналогичные состояния. Однако подобные экзотические частицы  до настоящего времени не были достоверно зарегистрированы в эксперименте. Наиболее многообещающие результаты по поиску дибарионов до настоящего времени были получены на ускорителе в г.Троицк (Россия). Похоже, также, что в легких скалярных мезонах удалось выделить глюбольную компоненту. Однако оба результата нуждаются в дальнейших уточнениях.

Все элементарные частицы, состоящие  из кварков и глюонов, носят общее  название адронов. Подробнее с современным статусом физики элементарных частиц  я ознакомлю в третьей главе.

Последней экспериментально открытой фундаментальной частицей оказалосьβ - лептонное нейтрино (2000 г.). Самой известной неоткрытой продолжает оставаться бозон Хиггса. Ниже в заключении будут представлены два кратких сообщения о последнем по времени (но, будем надеяться, не последнем вообще) экспериментальном открытии составной элементарной частицы. Это одно из возбужденных состояний Ds-мезона, которое имеет массу 2317 МэВ (или 2,317 ГэВ) и предполагаемый кварковый состав сŝ. Похоже, что ничего экстраординарного в данном открытии нет. Просто ученые еще на шажок приблизились к заветным пяти сотням элементарных частиц и, возможно, на четверть шажка к пониманию истинной динамики сильных взаимодействий.

Специально отметим, что  различия между теоретическими и  экспериментальными предсказаниями в  физике сильных взаимодействий, особенно в той ее области, которая не описывается  теорией возмущений ( непертурбативная область), являются не исключением, а правилом. Следует прямо признать, что физики не умеют делать достоверных и высокоточных вычислений вне рамок теории возмущений за исключением некоторых особых случаев. Различие в два раза является нормой, а точность теоретических предсказаний в десять процентов - уже двадцать лет как недостижимым идеалом.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Глава 1.Основные вехи на пути в субъядерный мир.

 

 

История исследования элементарных частиц и фундаментальных взаимодействий насчитывает более двух с половиной  тысяч лет и восходит к идеям  древнегреческих натурфилософов о  строении Мира. Однако серьезная научная  разработка данного вопроса началась только в конце XIX- го века. В 1897 году выдающийся английский физик-экспериментатор Дж. Дж. Томсон определил отношение заряда электрона к его массе. Тем самым, электрон окончательно обрел статус реального физического объекта и стал первой известной элементарной частицей в истории человечества.

В 1911 Э. Резер - Ф орд, 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 космических 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 элементарных частиц, 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 четности (1956). Ввод в строй протонных ускорителей с энергиями в миллиарды Эв. 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 частицами) частиц, получивших название «резонансов». Массы большинства резонансов превышают массу протона. Первый из них D1 (1232) был известен с 1953. Оказалось, что резонансы составляют основную часть элементарных частиц.

  В 1962 было выяснено, что существуют два разных нейтрино: электронное и мюонное. В 1964 в распадах нейтральных К- мезонов было обнаружено не сохранение 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, не обычно 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 ¡ - 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 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 частиц- странность (К. Нишиджима, М. Гелл-Ман, 1953), «очарованных» частиц- «очарование» (американские физики Дж. Бьёркен, Ш. Глэшоу, 1964); уже названия приведённых характеристик отражают необычность описываемых ими свойств частиц.

За сто с небольшим  лет физики провели тысячи сложнейших и точнейших экспериментов, призванных отыскать другие элементарные частицы  и выявить фундаментальные взаимодействия между ними. Результаты экспериментов  объяснялись серией последовательно  сменявших друг друга теорий. Последняя  в их ряду - Стандартная модель взаимодействия элементарных частиц (СМ), включающая в  себя минимальную модель электрослабого взаимодействия Глэшоу-Вайнберга-Салама и Квантовую хромодинамику (КХД). Можно сказать, что на сегодняшний  день именно СМ является реальным итогом многолетней работы сотен тысяч  людей от "высоколобых" теоретиков до простых инженеров и лаборантов. Схему СМ можно уложить в несколько  абзацев.

И на сегодняшний день, после  относительного затишья, начиная с 2000-ого года, физику элементарных частиц буквально взорвал ряд новых  экспериментальных результатов. Самый  сильный из них - открытие нейтринных осцилляций Нейтринной обсерваторией  Садбери в 2001-ом году. Несколько менее  научную общественность взбудоражили эксперименты по обнаружению СР-нарушения  в системах нейтральных B-мезонов, эксперименты по прецизионному измерению параметров СР-нарушения в системах нейтральных  каонов и окончательное экспериментальное  доказательство существования механизма  прямого СР-нарушения. В последние  годы были выполнены эксперименты по доказательству отличия тау-лептонного нейтрино от мюонного и электронно. В CERNe "чуть было" не открыли бозон  Хиггса. Появился целый ряд многообещающих экспериментальных работ по поиску дибарионов и глюболов.