Частици – носители на взаимодействия
Списъкът на известните частици не се ограничава до лептони и адрони, които образуват строителния материал на материята. Този списък не включва например фотон. Има още един вид частици, които не са градивният материал на материята, но директно осигуряват четири фундаментални взаимодействия, т.е. образуват своеобразно „лепило“, което не позволява на света да се разпадне.
фотонътдейства като носител на електромагнитно взаимодействие. Теорията на електромагнитното взаимодействие е представена от квантовата електродинамика.
Носителите на силното взаимодействие саглуони. Глуоните са носители на взаимодействие между кварките, свързвайки ги по двойки или тройки.
Носителите на слабото взаимодействие са три частици, бозоните W ± и Z°. Те са открити едва през 1983 г. Радиусът на слабото взаимодействие е изключително малък, така че неговите носители трябва да са частици с големи маси на покой. В съответствие с принципа на неопределеността, времето на живот на частици с такава голяма маса на покой трябва да бъде изключително кратко - само около 10 -26 s.
Изказва се мнение, че е възможно съществуването и на носител на гравитационното поле - гравитон. Подобно на фотоните,гравитонитесе движат със скоростта на светлината; следователно те са частици с нулева маса на покой. Но тук приликите между гравитоните и фотоните свършват. Докато фотонът има спин 1, гравитонът има спин 2. Тази важна разлика определя посоката на силата: при електромагнитно взаимодействие еднакво заредените частици (електрони) се отблъскват, а при гравитационно взаимодействие всички частици се привличат една към друга. По принцип гравитоните могат да бъдат фиксирани в експеримент. Но тъй като гравитационното взаимодействие е много слабо и практически не се проявява в квантовите процеси, тогаваМного е трудно да се фиксират гравитони директно и досега не е било възможно.
Класификацията на частиците на лептони, адрони и носители на взаимодействия изчерпва света на познатите ни субатомни частици. Всеки тип частица играе своята роля във формирането на структурата на материята, Вселената.
Теории за елементарните частици
Квантова електродинамика
Квантовата механика дава възможност да се опише движението на елементарните частици, но не и тяхното създаване или унищожаване, т.е. се използва само за описание на системи с постоянен брой частици. Обобщение на квантовата механика е квантовата теория на полето - това е квантова теория на системи с безкраен брой степени на свобода (физични полета), като се вземат предвид изискванията както на квантовата механика, така и на теорията на относителността. Необходимостта от такава теория се генерира от квантово-вълновия дуализъм, наличието на вълнови свойства във всички частици. В квантовата теория на полето взаимодействието се представя като резултат от обмена на полеви кванти, а полевите количества се декларират като оператори, които са свързани с актовете на създаване и унищожаване на полеви кванти, т.е. частици.
В средата на ХХ век. Създадена е теорията за електромагнитното взаимодействие – квантовата електродинамика (КЕД). Това е теория за взаимодействието между заредени елементарни частици (преди всичко електрони или позитрони) чрез обмен на фотони, обмислена до най-малкия детайл и оборудвана с перфектен математически апарат. В QED концепцията за виртуален фотон се използва за описание на електромагнитното взаимодействие. Тази теория отговаря на основните принципи както на квантовата теория, така и на относителността.
В центъра на теорията е анализът на актовете на излъчване или поглъщане на един фотон от една заредена частица, както и анихилацията на двойка електрон-позитрон във фотон или генериранетофотони на такава двойка.
Ако в класическото описание електроните са представени като топка с твърда точка, тогава в QED електромагнитното поле, заобикалящо електрона, се разглежда като облак от виртуални фотони, който безмилостно следва електрона, заобикаляйки го с енергийни кванти. Фотоните се появяват и изчезват много бързо, а електроните се движат в пространството по не съвсем определени траектории. Все още е възможно да се определят по един или друг начин началната и крайната точка на пътя - преди и след разсейването, но самият път в интервала между началото и края на движението остава недефиниран.
Помислете например за акта на излъчване на (виртуален) фотон от електрон. След като електрон излъчи фотон, той създава (виртуална) двойка електрон-позитрон, която може да анихилира, за да образува нов фотон. Последният може да бъде абсорбиран от първоначалния електрон, но може да породи нова двойка и т.н. Така електронът се покрива с облак от виртуални фотони, електрони и позитрони, които се намират в състояние на динамично равновесие. Всички тези процеси позволяват графично представяне (диаграми на Р. Фейнман, фиг. 3). В този случай са известни само началната и крайната позиция на електроните и е невъзможно да се определи моментът на обмен на фотон и коя от частиците излъчва фотон и коя го поглъща. Тези характеристики са скрити от воал на квантова несигурност.
Описанието на взаимодействието с помощта на частица носител в QED доведе до разширяване на концепцията за фотон. Въвеждат се концепциите за реален (видим за нас квант светлина) и виртуален (преходен, призрачен) фотон, които се "виждат" само от заредени частици, подложени на разсейване.
За да проверят дали теорията е в съответствие с реалността, физиците се фокусираха върху два ефекта, които представляватспециален интерес. Първият се отнася до енергийните нива на водородния атом, най-простият атом. Според QED, нивата трябва да бъдат леко променени спрямо позицията, която биха заели при липса на виртуални фотони. Вторият решаващ тест на QED се отнася до изключително малка корекция на собствения магнитен момент на електрона. Теоретичните и експерименталните резултати от проверката на QED съвпадат с най-висока точност - повече от девет знака след десетичната запетая. Подобно поразително съответствие дава право да се счита QED за най-съвършената от съществуващите естественонаучни теории. За създаването на QED С. Томанага, Р. Файнман и Дж. Швингер са удостоени с Нобелова награда за 1965 г. Голям принос за развитието на QED има и нашият изключителен теоретичен физик Л.Д. Ландау.
След подобен триумф QED беше приет като модел за квантовото описание на три други фундаментални взаимодействия. Разбира се, полетата, свързани с други взаимодействия, трябва да съответстват на други частици носители.
Кваркова теория
Теорията на кварките е теорията за структурата на адроните*. Основната идея на тази теория е много проста: всички адрони са изградени от по-малки частици - кварки. Кварките носят частичен електрически заряд, който е -1/3 или +2/3 от заряда на електрона. Комбинация от два и три кварка може да има общ заряд, равен на нула или едно. Всички кварки имат спин 1/2 и следователно са фермиони. Основателите на теорията на кварките Гел-Ман и Цвайг, за да вземат предвид всички известни през 60-те години. адроните въвеждат три вида (вкусове) кварки:u(отup- горен),d(отdown- долен) и s (от strange - странен).
* Терминът "кварк" е избран съвсем произволно. В романа на Дж. Джойс "Бъдене по Финеган" героят има сън, в койточайки, бързащи над бурното море, викат с остри гласове: "Три кварка за г-н Марк!" Такъв произвол е напълно в съгласие с абстрактно-любимия характер на концепциите на съвременните физически теории.
Кварките могат да се комбинират един с друг по един от двата възможни начина: или в триплети, или в двойки кварк-антикварк. Сравнително тежките частици, барионите, са съставени от три кварка; най-известните бариони са неутронът и протонът. По-леките двойки кварк-антикварк образуват частици, наречени мезони. Например протонът се състои от дваu- и единd-кварк (uud), а неутронът се състои от дваd-кварка и единu-кварк (udd). За да не се разпадне това „трио“ кварки, е необходима сила, която ги държи, нещо като „лепило“.
Оказа се, че полученото взаимодействие между неутрони и протони в ядрото е просто остатъчен ефект от по-мощно взаимодействие между самите кварки. Това обяснява защо силната сила изглежда толкова сложна. Когато протонът се "залепи" за неутрон или друг протон, във взаимодействието участват шест кварка, всеки от които взаимодейства с всички останали. Значителна част от енергията се изразходва за силното "слепване" на триото кварки, а малка част се изразходва за свързването на две трио кварки един към друг*.
* Но се оказа, че кварките също участват в слабото взаимодействие, което може да промени вкуса на кварка. Ето как се получава разпадането на неутрони. Един от d-кварките в неутрона се превръща вu-кварк и излишният заряд отнася електрона, който се ражда едновременно. По същия начин, чрез промяна на вкуса, слабото взаимодействие води до разпадане на други адрони.
Фактът, че всички известни адрони могат да бъдат получени от различни комбинации от трите основни частици, станатриумф на теорията за кварките *. Но през 70-те години. бяха открити нови адрони (пси-частици, ипсилон мезон и др.). Това нанесе сериозен удар върху първата версия на теорията за кварките, тъй като в тази версия на теорията вече нямаше място за нито една нова частица. Всички възможни комбинации от кварки и техните антикварки вече са изчерпани. Проблемът беше решен чрез въвеждане на три нови вкуса. Те получиха името -charm(чар) или с; b-кварк (отbeauty- красота или чар); впоследствие е въведен друг вкус - t (отtop- top).
* През 1969 г. беше възможно да се получат директни физически доказателства за съществуването на кварки в серия от експерименти върху разсейването на (ускорени до високи енергии) електрони от протони. Експериментът показа, че разсейването на електроните се случва, сякаш електроните удрят малки твърди включвания и отскачат от тях под най-невероятни ъгли. Такива твърди включвания вътре в протоните са кварки.
Кварките се държат заедно от силна сила. Носителите на силното взаимодействие са глуони (цветни заряди). Областта на физиката на елементарните частици, която изучава взаимодействието на кварките и глуоните, се нарича квантова хромодинамика. Точно както квантовата електродинамика е теорията за електромагнитното взаимодействие, така и квантовата хромодинамика е теорията за силното взаимодействие.
Понастоящем повечето физици смятат кварките за наистина елементарни частици — точковидни, неделими и неналагащи вътрешна структура*. В това отношение те приличат на лептони и отдавна се предполага, че трябва да има дълбока връзка между тези две различни, но структурно подобни семейства. По този начин най-вероятният брой наистина елементарни частици (непреброяване на носители (фундаментални взаимодействия) в края на 20 век. е равно на 48. От тях: лептони (6 x 2) = 12 плюс кварки (6 x 3) x 2 = 36.
* Вярно е, че някои физици (щом броят на кварките се окаже прекалено голям) се изкушават да приемат, че те също се състоят от по-малки частици.