Реферат: Элементарные частицы в космических лучах

Относительная роль разных видов взаимодействий (сильного, электромагнитного, слабого) в процессах с элементарными частицами зависит от энергии частиц. Поэтому деление взаимодействий на виды в зависимости от интенсивности процессов надежно осуществляется только при не слишком высоких энергиях. В современной физике растет уверенность, что все взаимодействия в природе тесно связаны между собой и по существу являются различными проявлениями некоторого единого поля. Объединение всех взаимодействий остается пока нерешенной задачей физической теории.

Руководящая идея в развитии теории элементарных частиц основана на представлении о внутренних симметриях. Например, сильное взаимодействие симметрично относительно поворотов в абстрактном изотопическом пространстве. Одним из проявлений этой симметрии является зарядовая независимость ядерных сил. Так называемая калибровочная симметрия отвечает тому факту, что некоторые сохраняющиеся величины, называемые "зарядами" (например, электрический заряд) являются одновременно источниками полей, переносящих взаимодействия между частицами, обладающими данным типом "заряда". С каждым типом симметрии в физике связан определенный закон сохранения.

Соображения симметрии приводят к неизбежному выводу о том, что у каждой элементарной частицы существует "двойник" — античастица, которая отличается от частицы только знаком некоторых характеристик взаимодействий (например, электрического заряда, магнитного момента, лептонного и барионного заряда). У некоторых частиц, в частности у фотона, античастица совпадает с самой частицей. Такие частицы называются истинно нейтральными. При встрече частицы со своей античастицей происходит их аннигиляция.

Например, при аннигилляции электрона и позитрона они превращаются в два, три или несколько - квантов. Один - квант излучиться не может, так как это несовместимо с законами сохранения. При аннигиляции тяжелых частиц и античастиц возникают не столько -кванты, сколько другие легкие частицы, например - мезоны при аннигиляции протона и антипротона. Наряду с аннигиляцией при достаточно большой энергии возможен и обратный процесс рождения пары частица-античастица.

Значительные усилия прилагаются в настоящее время в попытках рассмотреть на единой основе не только электромагнитное и слабое, но и сильное взаимодействие. Наблюдаемые большие различия между этими взаимодействиями считаются обусловленными нарушением симметрии при доступных в настоящее время энергиях. Их единая природа может проявиться только при энергии частиц во встречных пучках порядка 10¹⁴ ГэВ. При этом кварки и лептоны окажутся однотипными объектами и станут возможными их взаимные превращения. Следствием таких представлений явилось предсказание нестабильности свободного протона со средним временем жизни 10³⁰ -10³² лет, что существенно превышает возраст Вселенной. Эта теория известна под названием Великого объединения. Теория, которая сумеет включить и гравитацию, уже заранее получила название Суперобъединение.

Теории Великого объединения актуальны лишь при столь высоких энергиях, какие могли существовать только на самых ранних этапах существования Вселенной. Таким образом, физика элементарных частиц, прорываясь в область высоких энергий, соединилась с современной космологией — теорией эволюции Вселенной. Появилась новая наука — космомикрофизика.

3. Космомикрофизика

Космомикрофизика — закономерный результат внутреннего развития и физики элементарных частиц, и космологии. В появлении этой науки соединяются две тенденции — переход к теории элементарных частиц, нетривиальные проявления которой раскрываются только в процессах при сверхвысоких энергиях, и возникновение представлений о новых формах материи, необходимых для самосогласованного описания совокупности наблюдаемых явлений во Вселенной. Отчетливое осознание взаимосвязанности проблем выбора правильного фундамента структуры микромира и фундаментального обоснования структуры макромира вывело взаимосвязь представлений микро- и макромира на новый уровень, на котором эти проблемы сливаются в новом качестве. В космомикрофизике структура микромира обретает полнозвучие гармонии небесных сфер.

Связь представлений о микро- и макромире прослеживается на всех этапах их развития. Долгое время суждения о мироздании и о его первоначалах, составляя единое целое, оставались чисто умозрительными. Источником таких суждений были наблюдения и умозаключения на их основе.

Оптические приборы вооружили глаз наблюдателя. Обращение в глубь явлений с помощью микроскопа и расширение взгляда на мир с помощью телескопа произошли на основе одного и того же физического принципа. И, наверное, не случайно у истоков и физического эксперимента, и оптической астрономии стоит один и тот же ученый — Галилео Галилей. С этого момента оптическая астрономия и экспериментальная физика развивались самостоятельно. Отчетливо выявлялась их специфика.

Астрономии было дано лишь пристально вглядываться во внешние проявления астрономических объектов, недра которых закрыты для глаз, наблюдать результат процессов, причины и ход которых недоступны контролю. В физическом эксперименте можно дробить объекты исследования, докапываясь до их сути, можно менять начальные условия и контролировать ход процессов. Поэтому не удивительно, что во взаимоотношении астрономии и физики развитие физики выходило долгое время на передний план, определяя и прогресс астрономии, и степень осмысления астрономических результатов.

Так, изученная физикой структура атомов и спектров их излучения вооружила астрономию методами спектрального анализа. Физические законы взаимодействия вещества и излучения легли в основу понимания закономерностей излучения звезд, а развитие ядерной физики открыло астрономам источники энергии этого излучения. Открытие гелия по линиям излучения Солнца, существование уровня возбуждения в углероде, теоретически предсказанное для объяснения термоядерного горения гелия в звездах, и еще немного другого — можно по пальцам перечесть ответные астрофизические знаки благодарности физике. Астрофизика, казалось, была обречена лишь на освоение прочно подтвержденных в лабораториях физических законов, на роль своеобразного полигона, преломляющего известные эффекты их действия в причудливых сочетаниях неземных условий, подлежащих изучению.

Однако в 20-е годы XX века мысленному взору Фридмана предстала изменчивая суть Вселенной, ее нестационарность, подтвержденная затем в наблюдениях Хаббла. На месте вечной и неизменной Вселенной открылась картина ее расширения за конечное время из сверхплотной фазы в современное состояние.

Тем самым астрономия предоставила физике естественный ускоритель, масштабы и значение которого начинают в полной мере осознаваться физикой микромира только сейчас.

Создание теории нестационарной Вселенной почти на десятилетие опередило революционный шаг, сделанный в 30-е годы в представлениях об элементарных частицах.

Выход из мучительных проблем сохранения энергии и момента в бета-распаде, "азотной" катастрофы и строения ядра физика микромира нашла в отказе от вечных и неизменных частиц, в переходе к представлениям о возможности их рождения и уничтожения в процессах их превращений. Другой урок, полученный в 30-е годы, состоял в том, что число элементарных частиц в Природе оказалось значительно больше, чем этого требует простая и экономная картина строения вещества.

Революции в физике элементарных частиц и в науке о Вселенной в целом, космологии произошли в одно десятилетие, и хотя они охватывали совершенно не пересекающиеся в то время области знания, близость по времени этих двух событий далеко не случайна. Осознание факта нестационарности Вселенной психологически

Подготовило и смену представлений о свойствах микрочастиц: во Вселенной, за конечное время радикально меняющей свое состояние, вечным и неизменным частицам нет места. Отсюда и смена взгляда на основания физики — законы сохранения и взаимодействия элементарных частиц.

Рис. 1. Уничтожение начального электрона 1 и рождение конечного электрона 2 сопровождается рождением или поглощением электромагнитного гамма-кванта .

Так, сохранение электрического заряда оказывалось не простым следствием сохранения неуничтожимых электрически заряженных частиц, а нетривиальным правилом, определяющим строгий локальный баланс уничтожения и рождения заряженных частиц. Менялось и представление о заряде как мере электромагнитного взаимодействия от неотъемлемой характеристики вечной и неизменной частицы к характеристике закона превращения, при котором уничтожение начальной и рождение конечной заряженных частиц сопровождались рождением или уничтожением электромагнитного кванта (рис. 1).

Эта смена представлений содержала богатейший простор для обобщений. Точно так же можно было описать и законы ядерных превращений сильного' и слабого взаимодействий. В таких превращениях уничтожение и рождение частиц сопровождаются рождением и поглощением квантов поля сильного или слабого взаимодействий.

Логический шаг к единообразному описанию всех фундаментальных взаимодействий мог бы быть сделан еще: в 30-е годы, но для его осуществления потребовалось целое пятидесятилетие. Трудность извилистого пути к единообразной картине всех взаимодействий была связана с необходимостью совместить сходство описания с различием в наблюдаемых свойствах этих взаимодействий. Нужно было объяснить, почему слабое взаимодействие происходит только на малых расстояниям, превращение каких именно частиц вызывает процессы сильного взаимодействия и с какими зарядами взаимодействуют кванты его поля.

Ответы на эти и другие вопросы составили современную теорию электромагнитного, слабого и сильного взаимодействий, основанную на симметрии превращении частиц и объясняющую наблюдаемые различия их свойств нарушением этой симметрии. Расширяя симметрию, можно было перейти от единообразия описания разных взаимодействий к их фундаментальному единству. Но такой шаг, поначалу оправданный и близким экспериментальным подтверждением в поисках распада протона, и жесткой, соответствующей экспериментальным данным, связью зарядов слабого и электромагнитного взаимодействий, означал скачок теории к области сверхвысоких энергий, недоступной прямому экспериментальному изучению.

С этим шагом теория теряла непосредственную опору в экспериментальной физике высоких энергий. От привычной прямой экспериментальной проверки своих предсказаний теория должна была перейти к анализу сочетания косвенных проявлений своих фундаментальных построений. Миру физики высоких энергий, обретавшему свое основание в собственных экспериментальных возможностях, открылись для широкого поиска все допустимые косвенные способы исследования гипотетических явлений, прямое экспериментальное изучение которых не представляется возможным. В контексте этой ситуации взаимосвязь физики микромира с космологией приобретает особое значение, становится необходимой опорой развития теории микромира.

Эта взаимосвязь вырастает в необходимую основу развития и современной космологии. Первоначально развитие теории расширяющейся Вселенной проходило относительно самостоятельно. Открытие в 1965 г. теплового фона электромагнитного излучения подтвердило выдвинутую Г. Гамовым так называемую горячую модель расширяющейся Вселенной. Современная температура излучения (~3 К) мала, мала и его плотность энергии в сравнении с плотностью энергии покоя атомов, но, обращая в прошлое известный закон расширения, мы приходим к картине не только плотного, но и горячего состояния вещества с доминирующей плотностью энергии излучения.

Простые оценки показывают, что вещество и излучение находились в ранней Вселенной в термодинамическом равновесии. Соединение закона расширения Вселенной с законами термодинамики позволяло получить логически замкнутую картину космологической эволюции вещества и излучения, в которую элементарные частицы, открываемые физикой высоких энергий, вносили лишь малые количественные поправки. Эта картина превращения радиационно-доминированной горячей плазмы в современную неоднородную структуру вещества, пронизываемую однородным фоновым излучением, качественно подтверждается данными астрономических наблюдений.

Качественно внутренне самосогласованная, эта картина требовала, однако, определенных начальных условий, задаваемых при очень высоких температурах и плотностях на очень ранних стадиях расширения Вселенной, наблюдательная информация о которых отсутствует. И для обоснования этих начальных условий космология должна была обратиться к таким предсказаниям теории элементарных частиц, которые оказывались недоступны лабораторной проверке.

На основе именно этих, не проверенных в лабораториях, представлений физики микромира современной космологии удалось обосновать причины расширения и замечательную однородность наблюдаемой части Вселенной, создать теорию инфляционной Вселенной, объяснить ее барионную асимметрию и природу малых начальных неоднородностей, развитие которых привело к образованию современной крупномасштабной структуры Вселенной, количественно согласовать формирование этой структуры с наблюдаемой изотропией реликтового излучения.