Oldefaren til atombomben. Kjernefysisk fisjon av uran

6. Subatomære partiklers verden

Splitter atomet

Det sies ofte at det er to typer vitenskaper – store vitenskaper og små. Å splitte atomet er en stor vitenskap. Den har gigantiske eksperimentelle fasiliteter, kolossale budsjetter og mottar brorparten av Nobelprisene.

Hvorfor trengte fysikere å splitte atomet? Det enkle svaret – å forstå hvordan atomet fungerer – inneholder bare en del av sannheten, men det er en mer generell grunn. Det er ikke helt riktig å snakke bokstavelig om spaltningen av atomet. I virkeligheten snakker vi om kollisjonen av høyenergipartikler. Når subatomære partikler som beveger seg i høy hastighet kolliderer, blir en ny verden av interaksjoner og felt født. Fragmentene av materie som bærer enorm anergi, sprer seg etter kollisjoner, skjuler naturens hemmeligheter, som fra "verdens skapelse" forble begravd i dypet av atomet.

Installasjonene der høyenergipartikler kolliderer - partikkelakseleratorer - er slående i størrelse og pris. De når flere kilometer på tvers, noe som gjør at selv laboratorier som studerer partikkelkollisjoner virker små i sammenligning. På andre områder Vitenskapelig forskning utstyret er plassert i laboratoriet; i høyenergifysikk er laboratorier knyttet til akseleratoren. Nylig bevilget European Centre for Nuclear Research (CERN), som ligger nær Genève, flere hundre millioner dollar til å bygge en ringakselerator. Omkretsen av tunnelen som bygges for dette formålet når 27 km. Akseleratoren, kalt LEP (Large Electron-Positron ring), er designet for å akselerere elektroner og deres antipartikler (positroner) til hastigheter som bare er en hårsbredd unna lysets hastighet. For å få en ide om energiskalaen, forestill deg at i stedet for elektroner, akselereres en kronemynt til slike hastigheter. På slutten av akselerasjonssyklusen ville den ha nok energi til å produsere elektrisitet verdt 1000 millioner dollar! Det er ikke overraskende at slike eksperimenter vanligvis klassifiseres som "høyenergi"-fysikk. Beveger seg mot hverandre inne i ringen, opplever stråler av elektroner og positroner front-mot-kollisjoner, der elektronene og positronene tilintetgjør, og frigjør energi som er tilstrekkelig til å produsere dusinvis av andre partikler.

Hva er disse partiklene? Noen av dem er selve "byggesteinene" som vi er bygget fra: protoner og nøytroner som utgjør atomkjerner, og elektroner som går i bane rundt kjernene. Andre partikler finnes vanligvis ikke i materien rundt oss: levetiden deres er ekstremt kort, og etter at den utløper desintegrerer de til vanlige partikler. Antallet varianter av slike ustabile kortlivede partikler er utrolig: flere hundre av dem er allerede kjent. Som stjerner er ustabile partikler for mange til å kunne identifiseres ved navn. Mange av dem er kun angitt med greske bokstaver, og noen med bare tall.

Det er viktig å huske på at alle disse tallrike og varierte ustabile partiklene på ingen måte er bokstavelig talt komponenter protoner, nøytroner eller elektroner. Når de kolliderer, spres ikke høyenergielektroner og positroner i mange subatomære fragmenter. Selv i kollisjoner av høyenergiprotoner, som åpenbart består av andre objekter (kvarker), er de som regel ikke delt inn i deres komponentdeler i vanlig forstand. Det som skjer i slike kollisjoner er bedre sett på som direkte dannelse av nye partikler fra energien fra kollisjonen.

For rundt tjue år siden ble fysikere fullstendig forvirret over antallet og variasjonen av nye subatomære partikler, som så ut til å ikke ha noen ende. Det var umulig å forstå For hva så mange partikler. Kan være, elementærpartikler ligner på dyrehagens innbyggere med sin implisitte familietilhørighet, men uten noen klar taksonomi. Eller kanskje, som noen optimister har trodd, elementærpartikler holder nøkkelen til universet? Hva er partiklene observert av fysikere: ubetydelige og tilfeldige fragmenter av materie eller konturene av en vagt oppfattet orden som dukker opp foran øynene våre, som indikerer eksistensen av en rik og kompleks struktur i den subnukleære verdenen? Nå er det ingen tvil om eksistensen av en slik struktur. Det er en dyp og rasjonell orden i mikroverdenen, og vi begynner å forstå betydningen av alle disse partiklene.

Det første skrittet mot å forstå mikroverdenen ble tatt som et resultat av systematiseringen av alle kjente partikler, akkurat som på 1700-tallet. biologer samlet detaljerte kataloger over plante- og dyrearter. De viktigste egenskapene til subatomære partikler inkluderer masse, elektrisk ladning og spinn.

Fordi masse og vekt henger sammen, kalles partikler med høy masse ofte "tunge". Einsteins forhold E =mc^ 2 indikerer at massen til en partikkel avhenger av dens energi og derfor av hastigheten. En bevegelig partikkel er tyngre enn en stasjonær. Når de snakker om massen til en partikkel, mener de det hvile masse, siden denne massen ikke er avhengig av bevegelsestilstanden. En partikkel med null hvilemasse beveger seg med lysets hastighet. Det mest åpenbare eksemplet på en partikkel med null hvilemasse er fotonet. Det antas at elektronet er den letteste partikkelen med en hvilemasse som ikke er null. Protonet og nøytronet er nesten 2000 ganger tyngre, mens den tyngste partikkelen som lages i laboratoriet (Z-partikkelen) er omtrent 200 000 ganger elektronets masse.

Den elektriske ladningen til partikler varierer i et ganske smalt område, men, som vi bemerket, er det alltid et multiplum av den grunnleggende ladningsenheten. Noen partikler, som fotoner og nøytrinoer, har ingen elektrisk ladning. Hvis ladningen til et positivt ladet proton antas å være +1, er ladningen til elektronet -1.

I kap. 2 introduserte vi en annen egenskap ved partikler - spinn. Det tar også alltid verdier som er multipler av en grunnleggende enhet, som av historiske grunner er valgt til å være 1 /2. Dermed har et proton, nøytron og elektron et spinn 1/2, og fotonspinnet er 1. Partikler med spinn 0, 3/2 og 2 er også kjent. Grunnleggende partikler med et spinn større enn 2 er ikke funnet, og teoretikere mener at partikler med slike spinn ikke eksisterer.

Partikkelspinn - viktig egenskap, og avhengig av størrelsen er alle partikler delt inn i to klasser. Partikler med spinn 0, 1 og 2 kalles "bosoner" - etter den indiske fysikeren Chatyendranath Bose, og partikler med halvheltallsspinn (dvs. med spinn 1/2 eller 3/2) - "fermioner" til ære for Enrico Fermi. Å tilhøre en av disse to klassene er sannsynligvis den viktigste i listen over egenskaper til en partikkel.

En annen viktig egenskap ved en partikkel er dens levetid. Inntil nylig trodde man at elektroner, protoner, fotoner og nøytrinoer var absolutt stabile, dvs. ha en uendelig lang levetid. Nøytronet forblir stabilt mens det er "låst" i kjernen, men et fritt nøytron forfaller på omtrent 15 minutter. Alle andre kjente partikler er svært ustabile, deres levetid varierer fra noen få mikrosekunder til 10-23 s. Slike tidsintervaller virker ubegripelig små, men vi skal ikke glemme at en partikkel som flyr med en hastighet nær lysets hastighet (og de fleste partikler født i akseleratorer beveger seg med nettopp slike hastigheter) klarer å fly en distanse på 300 m på et mikrosekund.

Ustabile partikler gjennomgår forfall, som er en kvanteprosess, og derfor er det alltid et element av uforutsigbarhet i forfallet. Levetiden til en bestemt partikkel kan ikke forutsies på forhånd. Basert på statistiske betraktninger er det kun gjennomsnittlig levetid som kan forutsies. Vanligvis snakker de om halveringstiden til en partikkel - tiden hvor populasjonen av identiske partikler er halvert. Forsøket viser at nedgangen i populasjonsstørrelse skjer eksponentielt (se fig. 6) og halveringstiden er 0,693 av gjennomsnittlig levetid.

Det er ikke nok for fysikere å vite at den eller den partikkelen eksisterer – de streber etter å forstå hva dens rolle er. Svaret på dette spørsmålet avhenger av egenskapene til partikler som er oppført ovenfor, så vel som av arten av kreftene som virker på partikkelen fra utsiden og innsiden. Først av alt bestemmes egenskapene til en partikkel av dens evne (eller manglende evne) til å delta i sterke interaksjoner. Partikler som deltar i sterke interaksjoner danner en spesiell klasse og kalles androner. Partikler som deltar i svake interaksjoner og ikke deltar i sterke interaksjoner kalles leptoner, som betyr "lunger". La oss ta en kort titt på hver av disse familiene.

Leptoner

Den mest kjente av leptonene er elektronet. Som alle leptoner ser det ut til å være et elementært, punktlignende objekt. Så vidt kjent har elektronet ingen indre struktur, dvs. består ikke av andre partikler. Selv om leptoner kanskje eller ikke har en elektrisk ladning, har de alle samme spinn 1/2, derfor er de klassifisert som fermioner.

Et annet velkjent lepton, men uten ladning, er nøytrinoen. Som allerede nevnt i kap. 2, nøytrinoer er like unnvikende som spøkelser. Siden nøytrinoer ikke deltar i verken de sterke eller elektromagnetiske interaksjonene, ignorerer de nesten fullstendig materie, og trenger gjennom den som om den ikke var der i det hele tatt. Den høye penetreringsevnen til nøytrinoer i lang tid gjorde det svært vanskelig å eksperimentelt bekrefte deres eksistens. Det var bare nesten tre tiår etter at nøytrinoene ble spådd at de endelig ble oppdaget i laboratoriet. Fysikere måtte vente på opprettelsen av atomreaktorer, der et stort antall nøytrinoer slippes ut, og først da var de i stand til å registrere frontkollisjonen av en partikkel med en kjerne og dermed bevise at den virkelig eksisterer. I dag er det mulig å utføre mye flere eksperimenter med nøytrinostråler, som oppstår fra forfallet av partikler i en akselerator og har de nødvendige egenskapene. De aller fleste nøytrinoer "ignorerer" målet, men fra tid til annen samhandler nøytrinoer fortsatt med målet, noe som gjør det mulig å oppnå nyttig informasjon om strukturen til andre partikler og arten av svak interaksjon. Å utføre eksperimenter med nøytrinoer, i motsetning til eksperimenter med andre subatomære partikler, krever selvfølgelig ikke bruk av spesiell beskyttelse. Den gjennomtrengende kraften til nøytrinoer er så stor at de er helt ufarlige og passerer gjennom menneskekroppen uten å forårsake den minste skade.

Til tross for deres uhåndgripelighet, inntar nøytrinoer en spesiell posisjon blant andre kjente partikler fordi de er de mest tallrike partiklene i hele universet, og overgår elektroner og protoner med en milliard til en. Universet er egentlig et hav av nøytrinoer, med sporadiske inneslutninger i form av atomer. Det er til og med mulig at den totale massen av nøytrinoer overstiger den totale massen til stjerner, og derfor er det nøytrinoer som gir hovedbidraget til kosmisk tyngdekraft. Ifølge en gruppe sovjetiske forskere har nøytrinoer en liten, men ikke null, hvilemasse (mindre enn en ti tusendel av massen til et elektron); hvis dette er sant, dominerer gravitasjonsnøytrinoer universet, som i fremtiden kan føre til at det kollapser. Dermed er nøytrinoer, ved første øyekast de mest "ufarlige" og ukroppslige partiklene, i stand til å forårsake kollaps av hele universet.

Blant andre leptoner bør man nevne myonen, oppdaget i 1936 i produktene av samspillet mellom kosmiske stråler; det viste seg å være en av de første kjente ustabile subatomære partiklene. I alle henseender bortsett fra stabilitet, ligner myonet et elektron: det har samme ladning og spinn, deltar i de samme interaksjonene, men har en større masse. På omtrent to milliondeler av et sekund forfaller myonen til et elektron og to nøytrinoer. Myoner er utbredt i naturen og står for en betydelig del av den kosmiske bakgrunnsstrålingen som oppdages på jordens overflate av en geigerteller.

I mange år forble elektronet og myonet de eneste kjente ladede leptonene. Så, på slutten av 1970-tallet, ble en tredje ladet lepton oppdaget, kalt tau lepton. Med en masse på rundt 3500 elektronmasser er tau-leptonet åpenbart "tungvekten" til trioen av ladede leptoner, men i alle andre henseender oppfører det seg som et elektron og en myon.

Denne listen over kjente leptoner er på ingen måte oppbrukt. På 60-tallet ble det oppdaget at det finnes flere typer nøytrinoer. Nøytrinoer av en type blir født sammen med et elektron under nedbrytningen av et nøytron, og nøytrinoer av en annen type blir født under fødselen av en myon. Hver type nøytrino eksisterer i par med sitt eget ladede lepton; derfor er det en "elektronnøytrino" og en "myonnøytrino". Etter all sannsynlighet bør det også være en tredje type nøytrino - som følger med fødselen av tau lepton. I dette tilfellet totalt antall Det finnes tre varianter av nøytrinoer, og det totale antallet leptoner er seks (tabell 1). Selvfølgelig har hvert lepton sin egen antipartikkel; dermed er det totale antallet forskjellige leptoner tolv.

Tabell 1

Seks leptoner tilsvarer ladede og nøytrale modifikasjoner (antipartikler er ikke inkludert i tabellen). Masse og ladning uttrykkes i enheter av henholdsvis elektronmasse og ladning. Det er bevis på at nøytrinoer kan ha lav masse

Hadroner

I motsetning til den håndfullen kjente leptoner, er det bokstavelig talt hundrevis av hadroner. Dette alene antyder at hadroner ikke er elementære partikler, men er bygget av mindre komponenter. Alle hadroner deltar i sterke, svake og gravitasjonsinteraksjoner, men finnes i to varianter – elektrisk ladet og nøytral. Blant hadroner er de mest kjente og utbredte nøytronet og protonet. De resterende hadronene er kortvarige og forfaller enten på mindre enn en milliondels sekund på grunn av den svake interaksjonen, eller mye raskere (i en tid i størrelsesorden 10-23 s) – på grunn av den sterke interaksjonen.

På 1950-tallet var fysikere ekstremt forundret over antallet og mangfoldet av hadroner. Men litt etter litt ble partikler klassifisert etter tre viktige egenskaper: masse, ladning og spinn. Gradvis begynte tegn på orden å dukke opp og et klart bilde begynte å dukke opp. Det er hint om at det er symmetrier skjult bak det tilsynelatende kaoset til dataene. Et avgjørende skritt i å avdekke mysteriet med hadroner kom i 1963, da Murray Gell-Mann og George Zweig fra California Institute of Technology foreslo teorien om kvarker.

Fig.10 Hadroner er bygget av kvarker. Et proton (topp) består av to opp-kvarker og en d-kvark. Den lettere pionen (nederst) er en meson, bestående av en u-kvark og en d-antikvark. Andre hadroner er alle slags kombinasjoner av kvarker.

Hovedideen til denne teorien er veldig enkel. Alle hadroner er bygget av mer fine partikler, kalt kvarker. Kvarker kan koble seg til hverandre på en av to mulige måter: enten i trillinger eller i kvark-antikvark-par. Relativt tunge partikler består av tre kvarker - baryoner, som betyr "tunge partikler". De mest kjente baryonene er nøytronet og protonet. Lettere kvark-antikvark-par danner partikler kalt mesoner -"mellompartikler". Valget av dette navnet forklares av det faktum at de første oppdagede mesonene okkuperte en mellomposisjon i masse mellom elektroner og protoner. For å ta hensyn til alle de da kjente hadronene, introduserte Gell-Mann og Zweig tre forskjellige typer ("smaker") av kvarker, som fikk ganske fancy navn: Og(fra opp-øverste), d(fra ned - lavere) og s (fra rar- rar). Ved å tillate muligheten for ulike kombinasjoner av smaker, kan eksistensen av et stort antall hadroner forklares. For eksempel består et proton av to Og- og en d-kvark (fig. 10), og nøytronet er bygd opp av to d-kvarker og en u-kvark.

For at teorien foreslått av Gell-Mann og Zweig skal være effektiv, er det nødvendig å anta at kvarker bærer en brøkdel av elektrisk ladning. Med andre ord har de en ladning hvis verdi er enten 1/3 eller 2/3 av den grunnleggende enheten - ladningen til elektronet. En kombinasjon av to og tre kvarker kan ha en total ladning på null eller én. Alle kvarker har spinn 1/2. derfor er de klassifisert som fermioner. Massene av kvarker er ikke bestemt like nøyaktig som massene til andre partikler, siden deres bindingsenergi i et hadron er sammenlignbar med massene til kvarkene selv. Det er imidlertid kjent at s-kvarken er tyngre Og- og d-quarks.

Inne i hadroner kan kvarker være i eksiterte tilstander, omtrent som de eksiterte tilstandene til et atom, men med mye høyere energier. Den overskytende energien som finnes i et eksitert hadron øker massen så mye at før dannelsen av kvarkteorien tok fysikere feilaktig eksiterte hadroner for helt andre partikler. Det har nå blitt fastslått at mange av de tilsynelatende forskjellige hadronene faktisk bare er eksiterte tilstander av det samme grunnleggende sett med kvarker.

Som allerede nevnt i kap. 5, kvarker holdes sammen av sterk interaksjon. Men de deltar også i svake interaksjoner. Den svake interaksjonen kan endre smaken til en kvark. Dette er hvordan nøytronnedbrytning oppstår. En av d-kvarkene i nøytronet blir til en u-kvark, og den overskytende ladningen bærer bort elektronet som blir født samtidig. På samme måte, ved å endre smaken, fører den svake interaksjonen til forfall av andre hadroner.

Eksistensen av s-kvarker er nødvendig for konstruksjonen av såkalte "rare" partikler - tunge hadroner, oppdaget på begynnelsen av 50-tallet. Den uvanlige oppførselen til disse partiklene, som antydet navnet deres, var at de ikke kunne forfalle på grunn av sterke interaksjoner, selv om både dem selv og deres forfallsprodukter var hadroner. Fysikere har undret seg over hvorfor, hvis både mor- og datterpartiklene tilhører hadronfamilien, får ikke den sterke kraften dem til å forfalle. Av en eller annen grunn "foretrakk" disse hadronene den mye mindre intense svake interaksjonen. Hvorfor? Quarkteori løste naturligvis dette mysteriet. Den sterke interaksjonen kan ikke endre smaken av kvarker - bare den svake interaksjonen kan gjøre dette. Og uten en endring i smaken, ledsaget av transformasjonen av s-quark til Og- eller d-quark, forfall er umulig.

I tabellen Figur 2 viser de ulike mulige kombinasjonene av tresmakskvarker og navnene deres (vanligvis bare en gresk bokstav). Tallrike spente tilstander vises ikke. Det faktum at alle kjente hadroner kunne oppnås fra forskjellige kombinasjoner av de tre fundamentale partiklene symboliserte kvarkteoriens viktigste triumf. Men til tross for denne suksessen, var det bare noen få år senere mulig å få direkte fysisk bevis på eksistensen av kvarker.

Dette beviset ble oppnådd i 1969 i en serie historiske eksperimenter utført ved den store lineære akseleratoren ved Stanford (California, USA) - SLAC. Stanford-eksperimentørene resonnerte enkelt. Hvis det virkelig er kvarker i protonet, kan kollisjoner med disse partiklene inne i protonet observeres. Alt som trengs er et subnukleært "prosjektil" som kan rettes direkte inn i dypet av protonet. Det nytter ikke å bruke et annet hadron til dette formålet, siden det har samme dimensjoner som et proton. Et ideelt prosjektil ville være et lepton, for eksempel et elektron. Siden elektronet ikke deltar i den sterke interaksjonen, vil det ikke "sette seg fast" i mediet som dannes av kvarker. Samtidig kan et elektron føle tilstedeværelsen av kvarker på grunn av tilstedeværelsen av elektrisk ladning.

tabell 2

De tre smakene av kvarker, u, d og s, tilsvarer ladninger +2/3, -1/3 og -1/3; de kombineres i tre for å danne de åtte baryonene vist i tabellen. Quark-antikvark-par danner mesoner. (Noen kombinasjoner, for eksempel sss, er utelatt.)

I Stanford-eksperimentet fungerte den tre kilometer lange akseleratoren i hovedsak som et gigantisk elektron "mikroskop" som produserte bilder av innsiden av et proton. Et konvensjonelt elektronmikroskop kan skille detaljer mindre enn en milliondels centimeter. Et proton, på den annen side, er flere titalls millioner ganger mindre, og kan bare "sonderes" av elektroner som akselereres til en energi på 2,1010 eV. På tidspunktet for Stanford-eksperimentene var det få fysikere som holdt seg til den forenklede teorien om kvarker. De fleste forskere forventet at elektronene skulle avledes av de elektriske ladningene til protonene, men ladningen ble antatt å være jevnt fordelt i protonet. Hvis dette virkelig var slik, ville hovedsakelig svak elektronspredning forekomme, dvs. Når de passerer gjennom protoner, ville ikke elektroner gjennomgå sterke avbøyninger. Forsøket viste at spredningsmønsteret avviker kraftig fra det forventede. Alt skjedde som om noen elektroner fløy inn i bittesmå solide inneslutninger og spratt av dem i de mest utrolige vinkler. Nå vet vi at slike faste inneslutninger inne i protoner er kvarker.

I 1974 ble den forenklede versjonen av teorien om kvarker, som på den tiden hadde vunnet anerkjennelse blant teoretikere, gitt et følsomt slag. I løpet av få dager etter hverandre kunngjorde to grupper amerikanske fysikere - den ene ved Stanford ledet av Barton Richter, den andre ved Brookhaven National Laboratory ledet av Samuel Ting - uavhengig av hverandre oppdagelsen av en ny hadron, som ble kalt psi-partikkelen. I seg selv ville oppdagelsen av en ny hadron neppe vært spesielt bemerkelsesverdig hvis ikke for én omstendighet: faktum er at i ordningen foreslått av teorien om kvarker var det ikke plass til en eneste ny partikkel. Alle mulige kombinasjoner av opp-, d- og s-kvarker og deres antikvarker er allerede "brukt opp." Hva består en psi-partikkel av?

Problemet ble løst ved å vende seg til en idé som hadde vært i luften en stund: det skulle være en fjerde duft som ingen noen gang hadde observert før. Den nye duften hadde allerede navnet sitt - sjarm (sjarm), eller s. Det er blitt foreslått at en psi-partikkel er en meson som består av en c-kvark og en c-antikvark (c), dvs. cc. Siden antikvarker er bærere av antismak, nøytraliseres sjarmen til psi-partikkelen, og derfor måtte eksperimentell bekreftelse av eksistensen av en ny smak (sjarm) vente til mesoner ble oppdaget, der sjarmkvarker ble paret med anti-quarkamps. av andre smaker. En hel rekke fortryllede partikler er nå kjent. De er alle veldig tunge, så sjarmkvarken viser seg å være tyngre enn den merkelige kvarken.

Situasjonen beskrevet ovenfor ble gjentatt i 1977, da den såkalte upsilon mesonen (UPSILON) dukket opp på scenen. Denne gangen, uten mye nøling, ble en femte smak introdusert, kalt b-kvark (fra bunnen - bunnen, og oftere skjønnhet - skjønnhet eller sjarm). Upsilon-mesonen er et kvark-antikvark-par bygd opp av b-kvarker og har derfor en skjult skjønnhet; men, som i det forrige tilfellet, gjorde en annen kombinasjon av kvarker det mulig å til slutt oppdage "skjønnhet".

De relative massene av kvarker kan i det minste bedømmes ved at den letteste av mesonene, pionen, består av par Og- og d-kvarker med antikvarker. psi meson er omtrent 27 ganger, og upsilon meson er minst 75 ganger tyngre enn pion.

Den gradvise utvidelsen av listen over kjente smaker skjedde parallelt med økningen i antall leptoner; så det åpenbare spørsmålet var om det noen gang ville bli en slutt. Quarks ble introdusert for å forenkle beskrivelsen av hele variasjonen av hadroner, men selv nå er det en følelse av at listen over partikler igjen vokser for raskt.

Siden Demokrits tid har den grunnleggende ideen om atomisme vært erkjennelsen av at det i tilstrekkelig liten skala må eksistere virkelig elementære partikler, hvis kombinasjoner utgjør saken rundt oss. Atomisme er attraktivt fordi udelelige (per definisjon) fundamentale partikler må eksistere i et svært begrenset antall. Naturens mangfold skyldes ikke det store antallet av dens bestanddeler, men av kombinasjonene deres. Da det ble oppdaget at det var mange forskjellige atomkjerner, forsvant håpet om at det vi i dag kaller atomer tilsvarte de gamle grekernes idé om de elementære partiklene i materie. Og selv om vi ifølge tradisjonen fortsetter å snakke om forskjellige kjemiske "elementer", er det kjent at atomer ikke er elementære i det hele tatt, men består av protoner, nøytroner og elektroner. Og siden antallet kvarker viser seg å være for stort, er det fristende å anta at det også er komplekse systemer som består av mindre partikler.

Selv om det av denne grunn er en viss misnøye med kvarkskjemaet, anser de fleste fysikere kvarker for å være virkelig elementære partikler - punktlignende, udelelige og uten indre struktur. I så måte ligner de peptoner, og det har lenge vært antatt at det må være et dypt forhold mellom disse to distinkte, men strukturelt like familier. Grunnlaget for dette synspunktet oppstår ved en sammenligning av egenskapene til leptoner og kvarker (tabell 3). Leptoner kan grupperes i par ved å assosiere hvert ladet lepton med en tilsvarende nøytrino. Kvarker kan også grupperes i par. Bord 3 er sammensatt på en slik måte at strukturen til hver celle gjentar den som befinner seg rett foran den. For eksempel, i den andre cellen er myonen representert som et "tungt elektron" og sjarmen og de rare kvarkene er representert som tunge varianter Og- og d-quarks. Fra neste boks kan du se at tau leptonet er et enda tyngre "elektron", og b-kvarken er en tyngre versjon av d-kvarken. For en fullstendig analogi trenger vi enda en (tau-leptonium) nøytrino og en sjette smak av kvarker, som allerede har fått navnet sant (sannhet, t). På det tidspunktet denne boken ble skrevet, var de eksperimentelle bevisene for eksistensen av toppkvarker ennå ikke overbevisende nok, og noen fysikere tvilte på at toppkvarker i det hele tatt eksisterte.

Tabell 3

Leptoner og kvarker kobler seg naturlig sammen. som vist i tabellen. Verden rundt oss består av de fire første partiklene. Men de følgende gruppene gjentar tilsynelatende den øvre og består, i kronen av nøytrinoer, av ekstremt ustabile partikler.

Kan det være en fjerde, femte osv. damper som inneholder enda tyngre partikler? I så fall vil neste generasjon akseleratorer sannsynligvis gi fysikere muligheten til å oppdage slike partikler. Imidlertid er det uttrykt en interessant betraktning, hvorfra det følger at det ikke er andre par bortsett fra de tre navngitte. Denne vurderingen er basert på antall nøytrinotyper. Vi vil snart lære at i øyeblikket av Big Bang, som markerte fremveksten av universet, var det en intens etablering av nøytrinoer. Et slags demokrati garanterer hver type partikkel samme andel energi som de andre; Derfor, jo flere forskjellige typer nøytrinoer, jo mer energi finnes i havet av nøytrinoer som fyller det ytre rom. Beregninger viser at hvis det fantes mer enn tre varianter av nøytrinoer, ville tyngdekraften skapt av dem alle ha en sterkt forstyrrende effekt på kjernefysiske prosesser, som skjer i de første minuttene av universets liv. Følgelig følger en meget plausibel konklusjon fra disse indirekte betraktningene at de tre parene vist i tabellen. 3, er alle kvarker og leptoner som finnes i naturen oppbrukt.

Det er interessant å merke seg at all vanlig materie i universet består av bare to letteste leptoner (elektron og elektronnøytrino) og to letteste kvarker ( Og Og d). Hvis alle de andre leptonene og kvarkene plutselig sluttet å eksistere, ville nok svært lite endret seg i verden rundt oss.

Kanskje spiller tyngre kvarker og leptoner rollen som en slags backup for de letteste kvarkene og leptonene. Alle er ustabile og går raskt i oppløsning til partikler som ligger i den øvre cellen. For eksempel forfaller tau-leptonet og myonet til elektroner, mens de merkelige, sjarmerte og vakre partiklene forfaller ganske raskt til enten nøytroner eller protoner (når det gjelder baryoner) eller leptoner (når det gjelder mesoner). Spørsmålet oppstår: For hva Finnes det alle disse andre og tredje generasjons partiklene? Hvorfor trengte naturen dem?

Partikler er bærere av interaksjoner

Listen over kjente partikler er på ingen måte uttømt av seks par leptoner og kvarker, som danner materiens byggemateriale. Noen av dem, for eksempel fotonet, er ikke inkludert i kvarkkretsen. Partiklene som "blir over bord" er ikke "universets byggesteiner", men danner et slags "lim" som ikke lar verden falle fra hverandre, dvs. de er assosiert med fire grunnleggende interaksjoner.

Jeg husker jeg ble fortalt som barn at månen får havene til å stige og falle under det daglige tidevannet. Det har alltid vært et mysterium for meg hvordan havet vet hvor månen er og følger dens bevegelse på himmelen. Da jeg lærte om tyngdekraften på skolen, ble forvirringen bare sterkere. Hvordan klarer månen, etter å ha overvunnet en kvart million kilometer med tomt rom, å "nå" havet? Standardsvaret - Månen skaper et gravitasjonsfelt i dette tomme rommet, hvis handling når havet og setter det i bevegelse - var selvfølgelig fornuftig, men tilfredsstilte meg likevel ikke helt. Tross alt kan vi ikke se Månens gravitasjonsfelt. Kanskje det bare er det de sier? Forklarer dette virkelig noe? Det virket alltid for meg at månen på en eller annen måte måtte fortelle havet hvor den er. Det må være en slags signalutveksling mellom månen og havet slik at vannet vet hvor det skal bevege seg.

Over tid viste det seg at ideen om kraft overført gjennom rommet i form av et signal ikke er så langt fra den moderne tilnærmingen til dette problemet. For å forstå hvordan denne ideen oppstår, må vi vurdere mer detaljert kraftfeltets natur. Som et eksempel, la oss velge ikke havvann, men et enklere fenomen: to elektroner nærmer seg hverandre, og deretter, under påvirkning av elektrostatisk frastøtning, fly fra hverandre i forskjellige retninger. Fysikere kaller denne prosessen spredningsproblemet. Selvfølgelig presser ikke elektroner hverandre bokstavelig talt. De samhandler på avstand, gjennom det elektromagnetiske feltet som genereres av hvert elektron.

Fig. 11. Spredning av to ladede partikler. Banene til partikler bøyes når de nærmer seg hverandre på grunn av virkningen av elektrisk frastøtning.

Det er ikke vanskelig å forestille seg bildet av elektron-på-elektron-spredning. I utgangspunktet er elektronene atskilt med stor avstand og har liten effekt på hverandre. Hvert elektron beveger seg nesten rettlinjet (fig. 11). Så, når frastøtende krefter kommer inn, begynner elektronbanene å bøye seg til partiklene er så nærme som mulig; etter dette divergerer banene, og elektronene flyr fra hverandre, og begynner igjen å bevege seg langs rettlinjede, men allerede divergerende baner. En modell av denne typen kan enkelt demonstreres i laboratoriet ved hjelp av elektrisk ladede kuler i stedet for elektroner. Og igjen oppstår spørsmålet: hvordan "vet" en partikkel hvor en annen partikkel er, og endrer følgelig sin bevegelse.

Selv om bildet av buede elektronbaner er ganske visuelt, er det helt uegnet på en rekke måter. Faktum er at elektroner er kvantepartikler og deres oppførsel adlyder kvantefysikkens spesifikke lover. For det første beveger ikke elektroner seg i rommet langs veldefinerte baner. Vi kan fortsatt på en eller annen måte bestemme banens start- og sluttpunkt - før og etter spredning, men selve banen i intervallet mellom begynnelsen og slutten av bevegelsen forblir ukjent og usikker. I tillegg motsier den intuitive ideen om en kontinuerlig utveksling av energi og momentum mellom elektronet og feltet, som om den akselererer elektronet, eksistensen av fotoner. Energi og momentum kan overføres felt bare i porsjoner, eller kvantum. Vi vil få et mer nøyaktig bilde av forstyrrelsen introdusert av feltet i elektronets bevegelse ved å anta at elektronet, som absorberer et foton fra feltet, ser ut til å oppleve et plutselig dytt. Derfor på kvantenivå Handlingen med elektron-på-elektron-spredning kan avbildes som vist i fig. 12. Bølgelinjen som forbinder banene til to elektroner tilsvarer et foton som sendes ut av det ene elektronet og absorberes av det andre. Nå vises spredningshandlingen som en plutselig endring i bevegelsesretningen til hvert elektron

Fig. 12. Kvantebeskrivelse av spredningen av ladede partikler. Samspillet mellom partikler skyldes utveksling av en interaksjonsbærer, eller virtuelt foton (bølgelinje).

Diagrammer av denne typen ble først brukt av Richard Feynman for å visuelt representere de forskjellige begrepene i en ligning, og i utgangspunktet hadde de en rent symbolsk betydning. Men så begynte Feynman-diagrammer å bli brukt til å skjematisk skildre partikkelinteraksjoner. Slike bilder ser ut til å utfylle fysikerens intuisjon, men de bør tolkes med en viss forsiktighet. For eksempel er det aldri et skarpt brudd i elektronbanen. Siden vi kun kjenner start- og sluttposisjonen til elektronene, vet vi ikke nøyaktig når fotonet byttes ut og hvilken partikkel som sender ut og hvilken som absorberer fotonet. Alle disse detaljene er skjult av et slør av kvanteusikkerhet.

Til tross for dette forbeholdet har Feynman-diagrammer vist seg å være et effektivt middel for å beskrive kvanteinteraksjoner. Fotonet som utveksles mellom elektroner kan betraktes som en slags budbringer fra ett av elektronene som sier til det andre: "Jeg er her, så kom i gang!" Selvfølgelig er alle kvanteprosesser sannsynlige i naturen, så en slik utveksling skjer bare med en viss sannsynlighet. Det kan skje at elektroner utveksler to eller flere fotoner (fig. 13), selv om dette er mindre sannsynlig.

Det er viktig å innse at vi i virkeligheten ikke ser fotoner som suser fra ett elektron til et annet. Interaksjonsbærere er det "indre stoffet" av to elektroner. De eksisterer utelukkende for å fortelle elektroner hvordan de skal bevege seg, og selv om de bærer energi og momentum, gjelder ikke de tilsvarende bevaringslovene i klassisk fysikk for dem. Fotoner i dette tilfellet kan sammenlignes med en ball som tennisspillere utveksler på banen. Akkurat som en tennisball bestemmer oppførselen til tennisspillere på lekeplassen, påvirker et foton elektronenes oppførsel.

Den vellykkede beskrivelsen av interaksjon ved bruk av en bærerpartikkel ble ledsaget av en utvidelse av konseptet om et foton: et foton viser seg å være ikke bare en lyspartikkel som er synlig for oss, men også en spøkelsesaktig partikkel som bare blir "sett" av ladet partikler som gjennomgår spredning. Noen ganger kalles fotonene vi observerer ekte, og fotoner som bærer interaksjonen er virtuell, som minner oss om deres flyktige, nesten spøkelsesaktige tilværelse. Skillet mellom ekte og virtuelle fotoner er noe vilkårlig, men likevel har disse konseptene blitt utbredt.

Beskrivelsen av elektromagnetisk interaksjon ved bruk av konseptet virtuelle fotoner - dets bærere - i sin betydning går utover bare illustrasjoner av kvantenatur. I virkeligheten snakker vi om en teori gjennomtenkt til minste detalj og utstyrt med et perfekt matematisk apparat, kjent som kvanteelektrodynamikk, Forkortet til QED. Da QED først ble formulert (dette skjedde kort tid etter andre verdenskrig), hadde fysikere til rådighet en teori som tilfredsstilte de grunnleggende prinsippene til begge kvanteteori, og relativitetsteorien. Dette er en fantastisk mulighet til å se de kombinerte manifestasjonene av to viktige aspekter ved ny fysikk og. sjekk dem eksperimentelt.

Teoretisk sett var etableringen av QED en enestående prestasjon. Tidligere studier av samspillet mellom fotoner og elektroner hadde svært begrenset suksess på grunn av matematiske vanskeligheter. Men så snart teoretikerne lærte seg å utføre beregninger riktig, falt alt annet på plass. QED foreslo en prosedyre for å få resultatene av en hvilken som helst, uansett hvor kompleks prosess som involverer fotoner og elektroner.

Fig. 13. Elektronspredning er forårsaket av utveksling av to virtuelle fotoner. Slike prosesser utgjør en liten endring av hovedprosessen vist i fig. elleve

For å teste hvor godt teorien samsvarte med virkeligheten, fokuserte fysikere på to effekter som var av spesiell interesse. Den første gjaldt energinivåene til hydrogenatomet, det enkleste atomet. QED spådde at nivåene skulle bli litt forskjøvet fra posisjonen de ville innta hvis virtuelle fotoner ikke fantes. Teorien forutså størrelsen på dette skiftet veldig nøyaktig. Eksperimentet for å oppdage og måle forskyvning med ekstrem nøyaktighet ble utført av Willis Lamb fra University of State. Arizona. Til alles glede falt beregningsresultatene perfekt sammen med de eksperimentelle dataene.

Den andre avgjørende testen av QED gjaldt den ekstremt lille korreksjonen til elektronets eget magnetiske moment. Og igjen, resultatene av teoretiske beregninger og eksperimenter falt fullstendig sammen. Teoretikere begynte å avgrense beregningene sine, og eksperimenter begynte å forbedre instrumentene sine. Men selv om nøyaktigheten av både teoretiske spådommer og eksperimentelle resultater har blitt kontinuerlig forbedret, har samsvaret mellom QED og eksperimentet forblitt upåklagelig. I dag stemmer de teoretiske og eksperimentelle resultatene fortsatt innenfor grensene for den oppnådde nøyaktigheten, noe som betyr et sammentreff på mer enn ni desimaler. En slik slående korrespondanse gir rett til å betrakte QED som den mest avanserte av de eksisterende naturvitenskapelige teoriene.

Unødvendig å si, etter en slik triumf, ble QED tatt i bruk som en modell for kvantebeskrivelsen av de tre andre grunnleggende interaksjonene. Selvfølgelig må felt assosiert med andre interaksjoner samsvare med andre bærerpartikler. For å beskrive tyngdekraften ble den introdusert graviton, spiller samme rolle som et foton. Under gravitasjonsinteraksjonen mellom to partikler utveksles gravitoner mellom dem. Denne interaksjonen kan visualiseres ved hjelp av diagrammer som ligner på de som er vist i fig. 12 og 13. Det er gravitoner som bærer signaler fra Månen til havene, hvoretter de stiger ved høyvann og faller ved lavvann. Gravitoner som suser mellom jorden og solen holder planeten vår i bane. Gravitoner lenker oss fast til jorden.

Som fotoner beveger gravitoner seg med lysets hastighet, derfor er gravitoner partikler med "null hvilemasse." Men det er her likhetene mellom gravitoner og fotoner slutter. Mens et foton har et spinn på 1, har en graviton et spinn på 2.

Tabell 4

Partikler som bærer fire grunnleggende interaksjoner. Masse uttrykkes i protonmasseenheter.

Dette er en viktig forskjell fordi den bestemmer retningen til kraften: i elektromagnetisk interaksjon frastøter lignende ladede partikler, som elektroner, fra seg, mens i gravitasjonsinteraksjon blir alle partikler tiltrukket av hverandre.

Gravitoner kan være ekte eller virtuelle. En ekte graviton er ikke noe mer enn et kvante gravitasjonsbølge, akkurat som et ekte foton er et kvantum av en elektromagnetisk bølge. I prinsippet kan ekte gravitasjoner "observeres". Men fordi gravitasjonsinteraksjonen er utrolig svak, kan ikke gravitoner oppdages direkte. Samspillet mellom gravitoner og andre kvantepartikler er så svakt at sannsynligheten for spredning eller absorpsjon av en graviton, for eksempel av et proton, er uendelig liten.

Den grunnleggende ideen om utveksling av bærerpartikler gjelder også andre interaksjoner (tabell 4) - svake og sterke. Det er imidlertid viktige detaljforskjeller. La oss huske at det sterke samspillet gir forbindelsen mellom kvarker. En slik forbindelse kan skapes av et kraftfelt som ligner på et elektromagnetisk, men mer komplekst. Elektriske krefter fører til dannelsen av en bundet tilstand av to partikler med ladninger av motsatte fortegn. Når det gjelder kvarker, oppstår bundne tilstander av tre partikler, noe som indikerer en mer kompleks natur av kraftfeltet, som tre typer "ladning" tilsvarer. Partikler - bærere av interaksjon mellom kvarker, som forbinder dem i par eller trillinger, kalles gluoner.

Ved svak interaksjon er situasjonen noe annerledes. Radiusen til denne interaksjonen er ekstremt liten. Derfor må bærerne av det svake samspillet være partikler med store hvilemasser. Energien i en slik masse må «lånes» i samsvar med Heisenberg-usikkerhetsprinsippet, som allerede er diskutert på s. 50. Men siden den "lånte" massen (og dermed energien) er så stor, krever usikkerhetsprinsippet at nedbetalingstiden på et slikt lån er ekstremt kort - bare rundt 10^-28s. Slike kortlivede partikler har ikke tid til å bevege seg veldig langt, og interaksjonsradiusen de bærer på er veldig liten.

Det finnes faktisk to typer svake krafttransportører. En av dem ligner på et foton i alt unntatt hvilemasse. Disse partiklene kalles Z-partikler. Z-partikler er egentlig en ny type lys. En annen type svak kraftbærer, W-partikler, skiller seg fra Z-partikler ved tilstedeværelsen av en elektrisk ladning. I kap. 7 vil vi diskutere mer detaljert egenskapene til Z- og W-partikler, som ble oppdaget først i 1983.

Klassifiseringen av partikler i kvarker, leptoner og bærere av interaksjoner fullfører listen over kjente subatomære partikler. Hver av disse partiklene spiller sin egen, men avgjørende rolle i dannelsen av universet. Hvis det ikke var noen bærerpartikler, ville det ikke vært noen interaksjoner, og hver partikkel ville forbli i mørket om partnerne sine. Komplekse systemer kunne ikke oppstå, enhver aktivitet ville være umulig. Uten kvarker ville det ikke vært noen atomkjerner eller sollys. Uten leptoner kunne ikke atomer eksistere, kjemiske strukturer og selve livet ville ikke oppstå.

Hva er målene for partikkelfysikk?

Den innflytelsesrike britiske avisen The Guardian publiserte en gang en lederartikkel som stilte spørsmål ved klokheten i å utvikle partikkelfysikk, et kostbart foretak som bruker ikke bare en betydelig andel av det nasjonale vitenskapsbudsjettet, men også brorparten. de beste hodene. «Vet fysikere hva de gjør?» spurte Guardian. «Selv om de gjør det, hva er nytten med det? Hvem, bortsett fra fysikere, trenger alle disse partiklene?»

Noen måneder etter denne publikasjonen hadde jeg muligheten til å delta på en forelesning i Baltimore av George Keyworth, den amerikanske presidentens rådgiver for vitenskap. Keyworth tok også for seg partikkelfysikk, men foredraget hans fikk en helt annen tone. Amerikanske fysikere ble imponert over en fersk rapport fra CERN, Europas ledende partikkelfysikklaboratorium, om oppdagelsen av grunnleggende W- og Z-partikler, som til slutt ble oppnådd ved en stor proton-antiprotonkolliderende strålekolliderer. Amerikanerne er vant til det faktum at alle oppsiktsvekkende funn gjøres i deres høyenergifysikklaboratorier. Er ikke det faktum at de mistet håndflaten et tegn på vitenskapelig og til og med nasjonal tilbakegang?

Keyworth var ikke i tvil om at for at USA generelt og den amerikanske økonomien spesielt skulle blomstre, måtte landet ligge i forkant av vitenskapelig forskning. Hovedprosjekter grunnundersøkelser, sa Keyworth, er i forkant av fremgangen. USA må gjenvinne sin overlegenhet innen partikkelfysikk,

Samme uke sirkulerte nyhetskanaler rapporter om et amerikansk prosjekt for en gigantisk akselerator designet for å gjennomføre en ny generasjon eksperimenter innen partikkelfysikk. Hovedkostnaden ble estimert til 2 milliarder dollar, noe som gjør denne akseleratoren til den dyreste maskinen som noen gang er bygget av mennesker. Denne Onkel Sam-giganten, som ville dverge til og med CERNs nye LEP-akselerator, er så stor at hele delstaten Luxembourg kan passe inn i ringen! Gigantiske superledende magneter er designet for å skape intense magnetiske felt som vil krølle en stråle av partikler, lede den langs et ringformet kammer; det er en så enorm struktur at den nye akseleratoren skal være plassert i ørkenen. Jeg vil gjerne vite hva redaktøren av avisen Guardian mener om dette.

Kjent som Superconducting Super Collider (SSC), men oftere referert til som "de-zertron" (fra engelsk. ørkenen -ørken. - red.), denne monstrøse maskinen vil være i stand til å akselerere protoner til energier som er omtrent 20 tusen ganger høyere enn restens energi (masse). Disse tallene kan tolkes på forskjellige måter. Ved maksimal akselerasjon vil partiklene bevege seg med en hastighet på bare 1 km/t mindre enn lysets hastighet - den maksimale hastigheten i universet. De relativistiske effektene er så store at massen til hver partikkel er 20 tusen ganger større enn ved hvile. I systemet knyttet til en slik partikkel strekkes tiden så mye at 1 s tilsvarer 5,5 timer i vår referanseramme. Hver kilometer av kammeret som partikkelen sveiper gjennom vil "synes" å være komprimert til bare 5,0 cm.

Hva slags ekstreme behov tvinger stater til å bruke så enorme ressurser på den stadig mer destruktive fisjon av atomet? Er det noen praktisk fordel med slik forskning?

Enhver stor vitenskap er selvfølgelig ikke fremmed for ånden av kamp for nasjonal prioritet. Her, akkurat som i kunst eller sport, er det hyggelig å vinne priser og verdensanerkjennelse. Partikkelfysikk er blitt et slags symbol på statsmakt. Hvis det utvikler seg vellykket og gir håndgripelige resultater, indikerer dette at vitenskap, teknologi, så vel som landets økonomi som helhet, i utgangspunktet er på riktig nivå. Dette støtter tillit til den høye kvaliteten på produkter fra andre mer generelle teknologigrener. For å lage en akselerator og alt relatert utstyr, veldig høy level profesjonalitet. Den verdifulle erfaringen fra utvikling av nye teknologier kan ha uventede og gunstige effekter på andre områder av vitenskapelig forskning. For eksempel har forskning og utvikling på superledende magneter som trengs for "desertronen" blitt utført i USA i tjue år. De gir imidlertid ikke direkte fordeler og er derfor vanskelige å verdsette. Er det noen mer håndgripelige resultater?

Noen ganger hører man et annet argument til støtte for grunnforskning. Fysikk har en tendens til å være omtrent femti år foran teknologien. Praktisk anvendelse av en eller annen vitenskapelig oppdagelse Selv om det ikke er åpenbart i begynnelsen, har få av de betydelige prestasjonene til grunnleggende fysikk ikke funnet praktiske anvendelser over tid. La oss huske Maxwells teori om elektromagnetisme: kunne dens skaper ha forutsett etableringen og suksessen til moderne telekommunikasjon og elektronikk? Og Rutherfords ord som atomenergi er usannsynlig å finne praktisk bruk? Er det mulig å forutsi hva utviklingen av elementærpartikkelfysikk kan føre til, hvilke nye krefter og nye prinsipper som vil bli oppdaget som vil utvide vår forståelse av verden rundt oss og gi oss makt over et bredere spekter av mennesker? fysiske fenomener. Og dette kan føre til utvikling av teknologier som ikke er mindre revolusjonerende enn radio eller kjernekraft.

De fleste vitenskapsgrener fant etter hvert en militær anvendelse. I denne forbindelse har partikkelfysikk (i motsetning til kjernefysikk) så langt vært urørlig. Ved en tilfeldighet falt Keyworths foredrag sammen med publisitetshypen rundt president Reagans kontroversielle prosjekt for å lage et anti-missil, såkalt beam, våpen (dette prosjektet er en del av et program kalt Strategic Defense Initiative, SDI). Essensen i dette prosjektet er å bruke høyenergiske partikkelstråler mot fiendtlige missiler. Denne anvendelsen av partikkelfysikk er virkelig skummel.

Den rådende oppfatningen er at det ikke er mulig å lage slike enheter. De fleste forskere som jobber innen elementærpartikkelfysikk anser disse ideene som absurde og unaturlige og uttaler seg skarpt mot presidentens forslag. Keyworth fordømte forskerne og oppfordret dem til å "vurdere hvilken rolle de kan spille" i strålevåpenprosjektet. Keyworths appell til fysikere (rent tilfeldig, selvfølgelig) fulgte hans ord angående finansiering av høyenergifysikk.

Det er min faste overbevisning at høyenergifysikere ikke trenger å rettferdiggjøre behovet for grunnleggende forskning ved å sitere applikasjoner (spesielt militære), historiske analoger eller vage løfter om mulige tekniske mirakler. Fysikere utfører disse studiene først og fremst i navnet deres uutslettelige ønske om å finne ut hvordan vår verden fungerer, ønsket om å forstå naturen mer detaljert. Partikkelfysikk er uten sidestykke blant andre disipliner menneskelig aktivitet. I to og et halvt årtusen har menneskeheten søkt å finne universets originale «byggesteiner», og nå er vi nærme ultimat mål. Gigantiske installasjoner vil hjelpe oss å trenge inn i selve hjertet av materien og fravriste naturen dens dypeste hemmeligheter. Menneskeheten kan forvente uventede anvendelser av nye oppdagelser, tidligere ukjente teknologier, men det kan vise seg at høyenergifysikk ikke vil gi noe for praksis. Men selv en majestetisk katedral eller konsertsal har liten praktisk nytte. I denne forbindelse kan man ikke unngå å huske ordene til Faraday, som en gang sa: "Hva hjelper en nyfødt baby?" Typer menneskelig aktivitet som er langt fra praksis, som inkluderer fysikken til elementærpartikler, tjener som bevis på manifestasjonen av den menneskelige ånden, uten hvilken vi ville være dømt i vår altfor materielle og pragmatiske verden.

Installasjonene der høyenergipartikler kolliderer - partikkelakseleratorer - er slående i størrelse og pris. De når flere kilometer på tvers, noe som gjør at selv laboratorier som studerer partikkelkollisjoner virker små i sammenligning. I andre områder av vitenskapelig forskning er utstyret plassert i et laboratorium; i høyenergifysikk er laboratorier knyttet til en akselerator. Nylig bevilget European Centre for Nuclear Research (CERN), som ligger nær Genève, flere hundre millioner dollar til å bygge en ringakselerator. Omkretsen av tunnelen som bygges for dette formålet når 27 km. Akseleratoren, kalt LEP (Large Electron-Positron-ring), er designet for å akselerere elektroner og deres antipartikler (positroner) til hastigheter som bare er «en hårsbredd» forskjellig fra lysets hastighet. For å få en ide om energiskalaen, forestill deg at i stedet for elektroner, akselereres en kronemynt til slike hastigheter. På slutten av akselerasjonssyklusen ville den ha nok energi til å produsere elektrisitet verdt 1000 millioner dollar! Det er ikke overraskende at slike eksperimenter vanligvis klassifiseres som "høyenergi"-fysikk. Beveger seg mot hverandre inne i ringen, opplever stråler av elektroner og positroner front-mot-kollisjoner, der elektronene og positronene tilintetgjør, og frigjør energi som er tilstrekkelig til å produsere dusinvis av andre partikler.

For rundt tjue år siden ble fysikere fullstendig forvirret over antallet og variasjonen av nye subatomære partikler, som så ut til å ikke ha noen ende. Det var umulig å forstå For hva så mange partikler. Kanskje er elementærpartikler som innbyggerne i en dyrehage, med sin implisitte familietilhørighet, men uten noen klar taksonomi. Eller kanskje, som noen optimister har trodd, elementærpartikler holder nøkkelen til universet? Hva er partiklene observert av fysikere: ubetydelige og tilfeldige fragmenter av materie eller konturene av en vagt oppfattet orden som dukker opp foran øynene våre, som indikerer eksistensen av en rik og kompleks struktur i den subnukleære verdenen? Nå er det ingen tvil om eksistensen av en slik struktur. Det er en dyp og rasjonell orden i mikroverdenen, og vi begynner å forstå betydningen av alle disse partiklene.

I kap. 2 introduserte vi en annen egenskap ved partikler - spinn. Det tar også alltid verdier som er multipler av en grunnleggende enhet, som av historiske grunner er valgt til å være 1 /2. Dermed har et proton, nøytron og elektron et spinn 1/2, og fotonets spinn er 1. Det er også kjent partikler med spinn 0, 3/2 og 2. Fundamentale partikler med spinn større enn 2 er ikke oppdaget, og teoretikere mener at partikler med slike spinn ikke eksisterer.

Spinn av en partikkel er en viktig egenskap, og avhengig av verdien er alle partikler delt inn i to klasser. Partikler med spinn 0, 1 og 2 kalles "bosoner" - etter den indiske fysikeren Chatyendranath Bose, og partikler med halvheltallsspinn (dvs. med spinn 1/2 eller 3/2) - "fermioner" til ære for Enrico Fermi. Å tilhøre en av disse to klassene er sannsynligvis den viktigste i listen over egenskaper til en partikkel.

En annen viktig egenskap ved en partikkel er dens levetid. Inntil nylig trodde man at elektroner, protoner, fotoner og nøytrinoer var absolutt stabile, dvs. ha en uendelig lang levetid. Et nøytron forblir stabilt mens det er "låst" i kjernen, men et fritt nøytron forfaller på omtrent 15 minutter. Alle andre kjente partikler er svært ustabile, med levetider fra noen få mikrosekunder til 10-23 sekunder. Slike tidsintervaller virker uforståelige liten, men vi bør ikke glemme at en partikkel som flyr med en hastighet nær lysets hastighet (og de fleste partikler født ved akseleratorer beveger seg med nettopp slike hastigheter) klarer å fly en avstand på 300 m på et mikrosekund.

Det er ikke nok for fysikere å vite at denne eller den partikkelen eksisterer, de streber etter å forstå hva dens rolle er. Svaret på dette spørsmålet avhenger av egenskapene til partikler som er oppført ovenfor, så vel som av arten av kreftene som virker på partikkelen fra utsiden og innsiden. Først av alt bestemmes egenskapene til en partikkel av dens evne (eller manglende evne) til å delta i sterke interaksjoner. Partikler som deltar i sterke interaksjoner danner en spesiell klasse og kalles androner. Partikler som deltar i svake interaksjoner og ikke deltar i sterke interaksjoner kalles leptoner, som betyr "lunger". La oss ta en kort titt på hver av disse familiene.

Splitting av kjernene til atomer av forskjellige grunnstoffer brukes for tiden ganske mye. Alle kjernekraftverk opererer på fisjonsreaksjonen; driftsprinsippet for alt er basert på denne reaksjonen. atomvåpen. I tilfelle av en kontrollert eller kjedereaksjon, kan atomet, etter å ha delt seg i deler, ikke lenger slå seg sammen og gå tilbake til sin opprinnelige tilstand. Men ved å bruke kvantemekanikkens prinsipper og lover, klarte forskere å dele atomet i to halvdeler og koble dem sammen igjen uten å krenke integriteten til selve atomet.

Forskere fra universitetet i Bonn brukte prinsippet om kvanteusikkerhet, som gjør at objekter kan eksistere i flere stater samtidig. I eksperimentet, ved hjelp av noen fysiske triks, tvang forskere et enkelt atom til å eksistere to steder samtidig, avstanden mellom dem var litt mer enn en hundredel av en millimeter, som på atomskala er ganske enkelt en enorm avstand .

Slike kvanteeffekter kan bare vises ved ekstremt lave temperaturer. Et cesiumatom ble avkjølt ved hjelp av laserlys til en temperatur på en tiendedel av en milliondel av en grad høyere absolutt null. Det avkjølte atomet ble deretter optisk fanget av en lysstråle fra en annen laser.

Det er kjent at kjernen til et atom kan rotere i en av to retninger; avhengig av rotasjonsretningen skyver laserlyset kjernen til høyre eller venstre. "Men et atom, i en viss kvantetilstand, kan ha en "delt personlighet", den ene halvdelen roterer i én retning, den andre i motsatt retning. Men samtidig er atomet fortsatt et helt objekt, ” sier fysiker Andreas Steffen. Altså kjernen til et atom, hvis deler roterer inn motsatte retninger, kan deles i to deler av en laserstråle og disse delene av atomet kan separeres over en betydelig avstand, noe forskerne klarte å oppnå under eksperimentet.

Forskere hevder at ved å bruke en lignende metode, er det mulig å lage såkalte "kvantebroer", som er ledere av kvanteinformasjon. Et atom av et stoff er delt i halvdeler, som flyttes fra hverandre til de kommer i kontakt med tilstøtende atomer. Noe som en veiflate dannes, et spenn som forbinder to søyler på en bro, langs hvilken informasjon kan overføres. Dette er mulig på grunn av det faktum at et atom delt på denne måten fortsetter å forbli en enkelt helhet på kvantenivå på grunn av at delene av atomet er viklet inn på kvantenivå.

Forskere ved universitetet i Bonn har til hensikt å bruke slik teknologi for å simulere og lage komplekse kvantesystemer. "For oss er atomet som et velsmurt utstyr," sier Dr Andrea Alberti, teamlederen. "Ved å bruke mange av disse girene kan du lage en kvanteberegningsenhet med egenskaper som langt overgår de mest avanserte datamaskinene. Du trenger bare å kunne plassere og koble disse girene riktig."

I 1939Albert Einsteinappellerte til president Roosevelt med et forslag om å gjøre alt for å mestre energien til atomisk forfall før nazistene. På den tiden hadde han emigrert fra det fascistiske ItaliaEnrico Fermijobbet allerede med dette problemet ved Columbia University.

(I akseleratorkammeret til European Particle Physics Laboratory (CERN), det største senteret i sitt slag i Europa. Paradoksalt nok er det nødvendig med gigantiske strukturer for å studere de minste partiklene.)

Introduksjon

I 1854 en tysker Heinrich Geisler. (1814-79) oppfant et vakuumglassrør med elektroder, kalt et Heusler-rør, og en kvikksølvpumpe, som gjorde det mulig å oppnå høyvakuum. Ved å koble en høyspent induksjonsspole til elektrodene på røret fikk han en grønn glød på glasset overfor den negative elektroden. I 1876, en tysk fysiker Evgenij Goldstein(1850-1931) antydet at denne gløden var forårsaket av stråler som sendes ut av katoden, og kalte disse strålene katodestråler.

(New Zealand fysiker Ernest Rutherford (1871-1937) ved Cavendish Laboratory ved University of Cambridge, som han ledet i 1919.)

Elektroner

engelsk vitenskapsmann William Crooks(1832-1919) forbedret Heusler-røret og viste muligheten for å avlede katodestråler av et magnetfelt. I 1897 foreslo en annen engelsk forsker, Joseph Thomson, at strålene var negativt ladede partikler og bestemte massen deres, som viste seg å være omtrent 2000 ganger mindre enn massen til et hydrogenatom. Han kalte disse partiklene elektroner, og tok et navn foreslått flere år tidligere av en irsk fysiker George Stoney(1826-1911), som teoretisk beregnet størrelsen på ladningen deres. Slik ble atomets delbarhet åpenbar. Thomson foreslo en modell der elektroner ble spredt gjennom hele atomet, som rosiner i en cupcake. Og snart ble andre partikler inkludert i atomet oppdaget. I 1895 begynte han å jobbe ved Cavendish Laboratory Ernest Rutherford(1871-1937), som sammen med Thomson begynte å forske på radioaktiviteten til uran og oppdaget to typer partikler som ble sendt ut av atomene til dette grunnstoffet. Han kalte partikler med ladningen og massen til et elektron beta-partikler, og andre, positivt ladet, med en masse lik massen til 4 hydrogenatomer, alfapartikler. I tillegg var uranatomer en kilde til høyfrekvent elektromagnetisk stråling - gammastråler.

(Otto Hahn og Lise Meitner. I 1945 var Ganinternert av de allierte i England, og først der fikk han vite at han hadde blitt tildelt Nobelprisen i kjemi for 1944 "for oppdagelsen av fisjon av tunge kjerner.")

Protoner

I 1886 oppdaget Goldstein en annen stråling som forplantet seg i retning motsatt av katodestrålene, som han kalte katodestråler. Senere ble det bevist at de består av atomære ioner. Rutherford foreslo å kalle det positive hydrogenionet protone (fra greskproton- den første), fordi han anså hydrogenkjernen for å være en integrert del av atomkjernene til alle andre grunnstoffer. Altså på begynnelsen av 1900-tallet. Eksistensen av tre subatomære partikler ble etablert: elektronet, protonet og alfapartikkelen. I1907 Mr. Rutherford ble professor ved University of Manchester. Her, for å prøve å finne ut strukturen til atomet, utførte han sine berømte eksperimenter på spredning av alfapartikler. Ved å studere passasjen av disse partiklene gjennom en tynn metallfolie, kom han til den konklusjon at i sentrum av atomet er det en liten tett kjerne som er i stand til å reflektere alfapartikler. Rutherfords assistent på den tiden var en ung dansk fysiker.Niels Bohr(1885-1962), som i1913 i samsvar med den nylig opprettede kvanteteorien, foreslo en modell av strukturen til atomet kjent somRutherford-Bohr modell. I den kretset elektroner rundt kjernen som planeter rundt solen.

( Enrico Fermi (1901-54) mottok Nobelprisen i 1938 for sitt arbeid med nøytronbestråling av materie. I 1942 utførte han først en selvopprettholdende kjedereaksjon av forfallet av atomkjerner.)

Atom-modeller

I denne første modellen besto kjernen av positivt ladede protoner og en rekke elektroner som delvis nøytraliserte ladningen deres; i tillegg beveget ytterligere elektroner seg rundt kjernen, hvis totale ladning var lik den positive ladningen til kjernen.Alfa-partikler, som kjernene til heliumatomer, skulle ha bestått av4 protoner og2 elektroner.Det har vært over10 år før denne modellen ble revidert. I1930 Herr tyske Walter Bothe(1891-1957) kunngjorde oppdagelsen av en ny type radioaktiv stråling som produseres når beryllium blir bestrålt med alfapartikler. engelskmannJames Chadwick(1891-1974) gjentok disse forsøkene og kom til den konklusjonen at denne strålingen består av partikler som har samme masse som protoner, men uten elektrisk ladning. De ble kalt nøytroner. Så tyskerenWerner Heisenberg(1901-76) foreslått en modell av et atom hvis kjerne bare besto av protoner og nøytroner.En gruppe forskere med en av de første subatomære partikkelakseleratorene -syklotron(1932). Denne enheten er designet for å akselerere partikler og deretter bombardere spesielle mål med dem.

(En gruppe forskere med en av de første subatomære partikkelakseleratorene - syklotronen (1932). Denne enheten er designet for å akselerere partikler og deretter bombardere spesielle mål med dem.)

Splitter atomet

Fysikere over hele verden så umiddelbart i nøytroner et ideelt verktøy for å påvirke atomer - disse tunge, ladningsløse partiklene penetrerte lett atomkjerner. I1934-36 Italia Enrico Fermi(1901-54) fikk deres hjelp37 radioaktive isotoper av ulike grunnstoffer. Ved å absorbere et nøytron ble atomkjernen ustabil og sendte ut energi i form av gammastråler. Fermi bestrålt uran med nøytroner, håperpregjøre det om til et nytt grunnstoff – “uran.” I samme retning av arbeidet i Berlin, tyskeren Otto Hahn(1879-1 Sog en østerrikerLise Meitner(1878 - 1968). I1938 Fru Meitner, på flukt fra nazistene, dro til Stockholm og fortsatte å jobbe sammen medFriedrich Strassmann(1902-80). Snart oppdaget Hahn og Meitner, som fortsatte eksperimentet og sammenlignet resultatene ved korrespondanse, dannelsen av radioaktivt barium i nøytronbestrålt uran. Meitner foreslo at jeg er et uranatom (atomnummer92) rasedeler seg i to kjerner: barium (atomnummer til grunnstoff med tall43 senere navngitttechnetium). Dermed ble muligheten for å splitte atomkjernen oppdaget. Det ble også funnet at når kjernen til et uranatom blir ødelagt,2-3 nøytroner, som hver på sin side er i stand til å starte nedbrytningen av uranatomer, forårsake en kjedereaksjon med frigjøring av en enorm mengde energi ...

Installasjonene der høyenergipartikler kolliderer - partikkelakseleratorer - er slående i størrelse og pris. De når flere kilometer på tvers, noe som gjør at selv laboratorier som studerer partikkelkollisjoner virker små i sammenligning. I andre områder av vitenskapelig forskning er utstyret plassert i et laboratorium; i høyenergifysikk er laboratorier knyttet til en akselerator. Nylig bevilget European Centre for Nuclear Research (CERN), som ligger nær Genève, flere hundre millioner dollar til å bygge en ringakselerator. Omkretsen av tunnelen som bygges for dette formålet når 27 km. Akseleratoren, kalt LEP (Large Electron-Positron-ring), er designet for å akselerere elektroner og deres antipartikler (positroner) til hastigheter som bare er «en hårsbredd» forskjellig fra lysets hastighet. For å få en ide om energiskalaen, forestill deg at i stedet for elektroner, akselereres en kronemynt til slike hastigheter. På slutten av akselerasjonssyklusen ville den ha nok energi til å produsere elektrisitet verdt 1000 millioner dollar! Det er ikke overraskende at slike eksperimenter vanligvis klassifiseres som "høyenergi"-fysikk. Beveger seg mot hverandre inne i ringen, opplever stråler av elektroner og positroner front-mot-kollisjoner, der elektronene og positronene tilintetgjør, og frigjør energi som er tilstrekkelig til å produsere dusinvis av andre partikler.

Det er viktig å huske på at alle disse tallrike og varierte ustabile partiklene ikke bokstavelig talt er komponenter av protoner, nøytroner eller elektroner. Når de kolliderer, spres ikke høyenergielektroner og positroner i mange subatomære fragmenter. Selv i kollisjoner av høyenergiprotoner, som åpenbart består av andre objekter (kvarker), er de som regel ikke delt inn i deres komponentdeler i vanlig forstand. Det som skjer i slike kollisjoner er bedre sett på som direkte dannelse av nye partikler fra energien fra kollisjonen.

For rundt tjue år siden ble fysikere fullstendig forvirret over antallet og variasjonen av nye subatomære partikler, som så ut til å ikke ha noen ende. Det var umulig å forstå hvorfor det var så mange partikler. Kanskje er elementærpartikler som innbyggerne i en dyrehage, med sin implisitte familietilhørighet, men uten noen klar taksonomi. Eller kanskje, som noen optimister har trodd, elementærpartikler holder nøkkelen til universet? Hva er partiklene observert av fysikere: ubetydelige og tilfeldige fragmenter av materie eller konturene av en vagt oppfattet orden som dukker opp foran øynene våre, som indikerer eksistensen av en rik og kompleks struktur i den subnukleære verdenen? Nå er det ingen tvil om eksistensen av en slik struktur. Det er en dyp og rasjonell orden i mikroverdenen, og vi begynner å forstå betydningen av alle disse partiklene.