ЭЛЕМЕНТАРНЫЕ ЧАСТИЦЫ Частицы, которые нельзя разделить и из которых построена вся материя называются элементарными. Этап первый. От электрона до позитрона: гг. Демокрит назвал простейшие нерасчленимые далее частицы атомами. Различные предметы, растения, животные состоят из неделимых, неизменных частиц. Превращения, наблюдаемые в мире, это простая перестановка атомов. Все в мире течет, все изменяется, кроме самих атомов, которые остаются неизменными. Но вскоре было открыто сложное строение атомов. Был выделен электрон как составная часть атома, были открыты протон и нейтрон частицы, входящие в состав атомного ядра. Поначалу на все эти частицы смотрели точно так, как Демокрит смотрел на атомы: их считали неделимыми и неизменными первоначальными сущностями, основными кирпичиками мироздания.

Этап второй. От позитрона до кварков: гг. Ни одна из частиц не бессмертна. Большинство частиц, называемых сейчас элементарными, не может прожить более двух миллионных долей секунды, даже в отсутствие какого- либо воздействия извне. Свободный нейтрон живет в среднем 15 мин. Лишь частицы фотон, электрон, протон и нейтрино сохраняли бы свою неизменность, если бы каждая из них была одна в целом мире (нейтрино лишено электрического заряда, и его масса покоя, по- видимому, равна нулю). У электронов и протонов имеются опаснейшие собратья позитроны и антипротоны, при столкновении с которыми происходит взаимное уничтожение этих частиц и образование новых, ранее не входивших в состав прежних.

Можно ли разделить на составные части элементарные частицы ? Все элементарные частицы превращаются друг в друга, и эти взаимные превращения главный факт их существования. Лишь нейтрино почти бессмертны, так как они чрезвычайно слабо взаимодействуют с другими частицами. Однако и нейтрино гибнут при столкновении с другими частицами, хотя такие столкновения случаются крайне редко.

Бывает и такое. Что же происходит при столкновении частиц сверхвысокой энергии? Они отнюдь не дробятся на нечто такое, что можно было бы назвать их составными частями. Нет, они рождают новые частицы из числа тех, которые уже фигурируют в списке элементарных частиц. Чем больше энергия сталкивающихся частиц, тем большее количество частиц рождается. При этом возможно появление частиц с большей массой, чем сталкивающиеся частицы. Главное, что надо отметить, это то, что всегда выполняется закон сохранения энергии.

Этап третий. От гипотезы о кварках (1964 г.) до наших дней. В 60-е гг. возникли сомнения в том, что все частицы, называемые сейчас элементарными, полностью оправдывают это название. Основание для сомнений простое: этих частиц очень много. Была открыта группа так называемых странных частиц: мезонов и гиперонов с массами, превышающими массу нуклонов. В 70-е гг. к ним прибавилась большая группа частиц с еще большими массами, названных очарованными. Кроме того, были открыты короткоживущие частицы с временем жизни порядка с. Эти частицы были названы резонансами, и их число перевалило за двести. Большинство элементарных частиц имеет сложную структуру.

Гипотеза М. Гелл-Манна и Дж. Цвейга (в 1964 г.) Все частицы, участвующие в сильных (ядерных) взаимодействиях, адроны построены из более фундаментальных (или первичных) частиц кварков. Кварки имеют дробный электрический заряд Протоны и нейтроны состоят из трех кварков. Протон Электрон В настоящее время в реальности кварков никто не сомневается, хотя в свободном состоянии они не обнаружены и, вероятно, не будут обнаружены никогда. Существование кварков доказывают опыты по рассеянию электронов очень высокой энергии на протонах и нейтронах.

Сколько же элементарных частиц? Какие это частицы? Число различных кварков равно шести. Кварки, насколько сейчас известно, лишены внутренней структуры и в этом смысле могут считаться истинно элементарными. Легкие частицы, не участвующие в сильных взаимодействиях, называются лептонами. Их тоже шесть, как и кварков (электрон, три вида нейтрино и еще две частицы мюон и тау -лептон с массами, значительно большими массы электрона). Кварки и лептоны истинно элементарные частицы.

ОТКРЫТИЕ ПОЗИТРОНА. АНТИЧАСТИЦЫ Существование двойника электрона позитрона было предсказано теоретически английским физиком П. Дираком в 1931 г. Одновременно он предсказал, что при встрече позитрона с электроном обе частицы должны исчезнуть, породив фотоны большой энергии. Спустя два года позитрон был обнаружен с помощью камеры Вильсона, помещенной в магнитное поле. На рисунке первая фотография, доказавшая существование позитрона. Частица двигалась снизу вверх и, пройдя свинцовую пластинку, потеряла часть своей энергии. Из-за этого кривизна траектории увеличилась.

Античастицы. Процесс рождения пары электрон позитрон гамма - квантом в свинцовой пластинке показан на фотографии, приведенной на рисунке. В камере Вильсона, находящейся в магнитном поле, пара оставляет характерный след в виде двурогой вилки. Исчезновение (аннигиляция) одних частиц и появление других при реакциях между элементарными частицами является именно превращением, а не просто возникновением новой комбинации составных частей старых частиц.

А существуют ли антиатомы? Особенно наглядно обнаруживается это при аннигиляции пары электрон позитрон. Обе частицы обладают определенной массой в состоянии покоя и электрическими зарядами. Фотоны же, которые при этом рождаются, не имеют зарядов и не обладают массой покоя, так как не могут существовать в состоянии покоя. Впоследствии двойники античастицы были найдены у всех частиц. Античастицы противопоставляются частицам именно потому, что при встрече любой частицы с соответствующей античастицей происходит их аннигиляция. Обе частицы исчезают, превращаясь в кванты излучения или другие частицы. Сравнительно недавно обнаружены антипротон и антинейтрон. Электрический заряд антипротона отрицателен. Атомы, ядра которых состоят из антинуклонов, а оболочка из позитронов, образуют антивещество. В 1969 г. в нашей стране был впервые получен антигелий. При аннигиляции антивещества с веществом энергия покоя превращается в кинетическую энергию образующихся гамма -квантов. Энергия покоя самый грандиозный и концентрированный резервуар энергии во Вселенной.

Сможите ли вы ответить? 1. В чем различие трех этапов развития физики элементарных частиц? 2.Электрон самая легкая из заряженных частиц. Какой из известных вам законов сохранения запрещает превращение электрона в фотоны или нейтрино! 3.Перечислите все стабильные элементарные частицы. 4.Какова частота гамма - квантов, возникающих при аннигиляции медленно движущихся электрона и позитрона?