Космічне випромінювання і відкриття елементарних частинок
ФІЗИКА
Частина 6 ФІЗИКА АТОМНОГО ЯДРА І ЕЛЕМЕНТАРНИХ ЧАСТИНОК
Розділ 18 ФІЗИКА ЕЛЕМЕНТАРНИХ ЧАСТИНОК
18.1. Космічне випромінювання і відкриття елементарних частинок
Вивчення будови атомів, атомних ядер, процесів у космічному випромінюванні, реакцій на швидких заряджених частинках, які дістають у прискорювачах, дало змогу встановити існування великої кількості частинок, які названо елементарними. До них належать електрони і позитрони, протони і антипротони, нейтрони і антинейтрони, нейтрино і антинейтрино, мезони, гіперони,
Поки що можемо дуже мало сказати про будову елементарних частинок, але інтенсивні дослідження в цьому напрямі проводяться в багатьох лабораторіях світу. Добре вивчено явища перетворення одних елементарних частинок в інші і встановлено закономірності цих
Часто фізику елементарних частинок називають фізикою високих енергій, оскільки для проведення більшості експериментів у цій сфері потрібні частинки високих енергій. Так, якщо при вивченні ядерних реакцій було достатньо енергій бомбардувальних частинок порядку енергії зв’язку нуклонів у ядрі, то для дослідів, пов’язаних з народженням піонів, необхідні протони, прискорені до енергій 300 МеВ, а для експериментів, пов’язаних із народженням протон-антипротонних пар, потрібні частинки з енергією 6 ГеВ.
До застосування потужних прискорювачів заряджених частинок єдиним джерелом частинок з енергією, достатньою для утворення мезонів і гіперонів, було космічне випромінювання.
Космічне випромінювання – потік атомних ядер (в основному протонів), що попадає на Землю із світового простору і утворює в земній атмосфері вторинне випромінювання, в якому виявлено багато елементарних частинок. Відкриття космічного випромінювання пов’язане з проведенням на початку XX ст. дослідів, які вказували на існування слабкої йонізації повітря, що спричиняла розряд електроскопів, екранованих товстим шаром речовини. Дослідження причин цього ефекту привели до відкриття випромінювання неземного походження, яке пізніше назвали космічним. Середня енергія космічних частинок становила близько 10 ГеВ, а енергія окремих частинок досягала 1010 ГеВ. Потік первинного космічного випромінювання на межі атмосфери в період мінімуму сонячної активності становить 7 ∙ 102…104 частинок на квадратний метр за секунду і збільшується в кілька разів із наближенням до максимуму активності. Потік заряджених частинок на рівні моря дорівнює в середньому 1,7 ∙ 102 частинок на квадратний метр за секунду і мало змінюється із сонячною активністю.
Вчені вважають, що головним джерелом космічного випромінювання є так звані пульсари, яких у нашій Галактиці нараховується близько 10 мільйонів. Характерну перевагу важких елементів у складі первинного космічного випромінювання, очевидно, можна пояснити переважним прискоренням важких ядер (Z > 20) у джерелах космічного випромінювання. Поява легких елементів у складі космічного випромінювання спричинена розщепленням важких ядер при взаємодії з ядрами міжзіркового газу.
У 1958 р. під час перших польотів штучних супутників Землі і космічних ракет було виявлено навколоземні радіаційні пояси. Вони становлять дві просторово розділені зони навколо Землі з різко підвищеною концентрацією iонізуючого випромінювання. Існування поясів радіації зумовлене захопленням і утриманням заряджених космічних частинок магнітним полем Землі. Тому утворення поясів радіації має бути характерним для всіх небесних тіл, які мають магнітне поле. При дослідженні космічного випромінювання було зроблено багато принципово важливих відкриттів. Так, 1932 р. К. Андерсон відкрив у космічному випромінюванні позитрон, а 1937 р. К. Андерсон і С. Неддермейєр відкрили μ-мезони і визначили тип їхнього розпаду. В 1947 р. С. Пауелл відкрив μ-мезони. У 1955 р. в космічному випромінюванні було виявлено K-мезони, а також важкі нейтральні частинки з масою, що перевищує масу протона, – гіперони. Дослідження космічного випромінювання привело до необхідності введення квантової характеристики, названої дивністю.
Докладно вивчати властивості частинок, особливості їхньої взаємодії і перетворення можна лише на прискорювачах. Прискорювачі використовуються для різних досліджень, але головне їхнє призначення – дослідження фундаментальних властивостей речовини, елементарних частинок. Для цього проектувались і будувались все крупніші прискорювачі заряджених частинок (див. підрозділ 17.3). Вже на перших прискорювачах, споруджених для вивчення нуклонів, дістали важливі результати. В багатьох зіткненнях при високих енергіях виникали нові частинки, часто у великих кількостях, але, що найважливіше, зовсім не обов’язково менші або легші, ніж початкові. Більше того, виникали одні й ті самі частинки для різних партнерів по зіткненню. Це не вписувалось у межі простих звичних уявлень про структуру частинок. Експеримент показує, що всі вторинні частинки не “вибиваються” з первинних, а “народжуються”, строго дотримуючись релятивістських законів збереження енергії й імпульсу в акті розсіяння.
Успіхи фізики елементарних частинок зумовлені, поряд з високим рівнем техніки наукового експерименту, розвитком новітніх фізичних теорій, які привели до багатьох відкриттів у фізиці ядра і елементарних частинок. Так, при поясненні суцільного спектра β-розпаду В. Паулі передбачив існування нейтрино. П. Дірак, виходячи з виведеного ним релятивістського рівняння, передбачив існування позитрона (античастинки). X. Юкава передбачив існування піонів, була також висловлена гіпотеза про існування анти-сигмагіперона та ін.
Багато теоретичних висновків підтверджено експериментально. Нині здійснюється експериментальний пошук кварків, передбачених теорією елементарних частинок.
У 1952 р. в Брукхейвені (США) введено в дію перший синхрофазотрон, на якому можна одержувати протони набагато більшої енергії (до 3 ГеВ), ніж давали прискорювачі, що існували до цього часу. Енергія в 3 ГеВ – це вже енергія первинного космічного випромінювання. Тому брукхейвенський синхрофазотрон дістав назву космо – трона. З появою прискорювачів космічне випромінювання втратило своє виняткове значення при вивченні елементарних частинок. Проте воно залишається єдиним джерелом частинок надвисоких енергій.
Нині відомо близько 400 елементарних частинок, головна особливість яких полягає у їхній здатності до взаємоперетворення.
Характерною особливістю елементарних частинок є те, що вони існують у вигляді частинок і античастинок. Це виражається, зокрема, в тому, що поряд з позитивно зарядженими частинками певного виду існують негативно заряджені частинки такого самого виду. Для нейтральних частинок відмінність полягає в протилежній орієнтації механічних і магнітних моментів. У цьому фундаментальному факті яскраво проявляє себе основний закон матеріалістичної діалектики, який розглядає рухому матерію як єдність протилежностей, між якими постійно точиться боротьба, що є основою саморуху матерії. Елементарні частинки характеризуються основними фізичними властивостями, які визначають їхні характерні особливості. Всі елементарні частинки мають ту чи іншу масу, енергію, момент кількості руху, спін. Деякі частинки мають магнітний момент, електричний, баріонний, лептонний заряди тощо. Всі перетворення елементарних частинок строго підлягають законам збереження цих величин. Щоб описати процеси, пов’язані з перетворенням елементарних частинок, потрібно враховувати співвідношення між масою й енергією.
Термін “елементарна” швидше належить до рівня наших знань, оскільки на кожному етапі розвитку науки елементарними називають частинки, будову яких не знають і які розглядають як точкові.
Експерименти на прискорювачах елементарних частинок поки не дали доказів існування яких-небудь субчастинок. Можна припустити, що досягнута на прискорювачах енергія не перевищує енергії зв’язку субчастинок усередині елементарної частинки, і тому їх не можна виділити. Внаслідок цього після кожної нової серії експериментів субчастинкам вимушені приписувати все більшу масу. Отже, теоретичні міркування обмежують масу можливих субчастинок, а експеримент потребує збільшення її. Якщо відносно атомів і молекул справедливе твердження, що молекула “складається” з атомів, а атом – з ядра і електронів, то було б неадекватним уявлення, що ядро “складається” з протонів і нейтронів у тому розумінні, в якому молекула “складається” з атомів. Якісна специфіка будови мікрочастинок ще сильніше проявляється для елементарних частинок у сучасній фізиці.
