Елементарни частици

Какво е

Елементарни частици – как са открити, кой ги открива, кои са те

Попадайки в ръцете на физиците, концепцията за атома претърпя значителни промени в края на миналия век. Атомът, който изглеждаше най-малката градивна частица на веществото, се оказа сложна система, състояща се от други частици. Наричат се елементарни частици. Елементарни частици – това са най-малките градивни части на материята, които нямат структура и не се състоят от други по-малки частици.

5000 продукта от Knipex на склад

Най-напред бе открит електронът, който сравнително лесно се откъсва от атома и освен това участвува в процесите на излъчване на светлина. В 1897 г. Дж. Дж. Томсън окончателно го идентифицира и установи основните му характеристики. По същото време се установи, че най-елементарният носител на положителния заряд е йонът на водорода. В 1914 г. Ръдърфорд го назова протон. Шест години по-късно същият учен предсказа съществуването на неутрона, който бе открит от Чадуик през 1932 г. В същата година бе забелязан и предсказаният от Дирак позитрон. Междувременно опитите на Комптън вече бяха доказали представите за фотона като частица — идея, въведена от Айнщайн още в 1905 г.

Откриват първия мезон

За да обясни някои особености при бета-разпадането, Волфганг Паули предположи в 1931 г. съществуването на неутрална частица, която почти не взаимодействува с веществото. Тя бе наречена от италианския физик Енрико Ферми неутрино — неутронче. Едва в 1959 г. Райнс и Коуън успяха да уловят неутриното.

През 1936 г. група учени, между които и Андерсън, откриха първия мезон. 10 години по-късно Пауел, Латес, Окиалини и Мюърхед показаха, че наред с мю-мезона има и пи-мезони. Тези частици именно бяха свързани с ядрените взаимодействия.

В 1944 г. Владимир Векслер в Съветския съюз и Ъруин Макмилан в САЩ предложиха нови модели ускорители, т.нар. синхротрони, които даваха значително по-високи енергии. Скоро след това физиците вече имаха възможност да правят много по-бързо открития, отколкото при изследването на космическите лъчи. При сблъсъците между ускорените частици и мишената започнаха да се раждат нови частици, за които учените и не предполагаха. Още през 1947 г. бяха открити К-мезоните и хипероните.

Според изчисленията тези частици трябваше да се разпадат много бързо, а вместо това те живееха милиарди пъти повече, отколкото им разрешаваха теоретиците. Това бе много странно поведение и физиците така и назоваха новото свойство — „странност“. По-късно се разбра, че странните частици се раждат на двойки, които се разлитат в различни посоки и не могат повече да взаимодействуват. Оттам идва дългият период на живот. Ако частиците оставаха заедно, те биха изчезвали много бързо в точно съответствие с теорията.

Тау и тета частици

С К-мезоните през 50-те години бе свързан проблемът за тау– и тета-частиците. И двете са К-мезони, като тау-частицата се разпада на три пи-мезона, а тета-частицата — на два. Във всяко друго отношение тези два К-мезона са еднакви. Теоретиците излязоха от това положение, като предположиха, че едната от тези частици има отрицателна четност, а другата е с положителна четност.

Този въпрос бе разкрит от двама физици от китайски произход, работещи в Брукхейвънската лаборатория. Цунг Дао Ли и Чен Нин Янг стигнаха до извода, че при слабите взаимодействия четността не се запазва. При този процес новообразувалите се частици се отделят в определени посоки. Пространствената ориентация оказва влияние върху това какви частици ще се образуват и оттам се получава различната картина на разпадането.

Това бе сензация за физиците, които дотогава приемаха без доказателства, като аксиома, че при взаимодействията в микросвета съществува определена пространствена система. Нарушението на тази симетрия бе указание за нови, неизвестни свойства на частиците. Нобеловият комитет по физика реагира много бързо на това голямо откритие. Още в 1957 г., само една година след като Ли и Янг публикуваха резултатите си, те получиха Нобелова награда.

Положителен електрон и отрицателен протон

От вълновата механика на Дирак следва не само че има положителен електрон, но и че съществува отрицателен протон. Още след откриването на позитрона за физиците беше ясно, че освен веществото трябва да има и антивещество. Антипротонът обаче бе намерен едва 20 години след позитрона. Откриха го Емилио Сегре и Оуен Чембърлейн, заедно с К. Виганд и Т. Ипсилантис през 1955 г., на новия ускорител Беватрон, построен специално за търсене на антипротони.

Това бе забележителен резултат, тъй като по принцип нищо вече не пречеше антипротонът да се съедини с позитрон и да се образува антиводород, стига да се намери съд, в който да се съхранява. В 1956 г. на същия ускорител бе получен и антинеутрон. И той е неутрален, като се различава от неутрона само по направлението на магнитния момент.

Тези открития значително разшириха представите за веществото и поставиха въпроса, защо във Вселената се среща само единият вид материя. От неговия отговор ще зависи какъв точно модел за космическата еволюция ще изберат учените. Откриването на антипротона донесе на Чембърлейн и Сегре Нобеловата награда по физика за 1959 г.

Емилио Сегре е известен физик с редица интересни приноси в науката. Някои негови колеги изказаха съжаление, че той бе награден за откриването на антипротона — резултат, който според тях би постигнал всеки е такава машина като Беватрона. Изказаха се мнения, че Сегре е трябвало да бъде награден за други, по-фундаментални свои постижения.

Изследване на елементарни частици в ускорители

Изследването на частиците, които се рояха от ускорителите, изискваше нови методи за наблюдаване и идентифициране. След камерата на Уилсън и усъвършенствувания модел на Блякет, след брояча на Гайгер и Мюлер и ядрените фотоемулсии на Пауел дойде един нов метод за наблюдение, основан върху ефекта на Черенков. Явлението, което се крие зад този ефект, бе известно на учените отдавна. При облъчване на кристали и течности многократно различни изследователи бяха наблюдавали светене. В експерименти през 20-те години французинът Л. Мале се опита да разкрие неговата причина, но едва след щателното изследване на съветския учен, започнато през 1932 г., проблемът бе изяснен.

Отначало Павел Алексеевич Черенков, 28-годишният аспирант на акад. Сергей Вавилов, се занимаваше с луминесценцията на разтвори на ураниеви соли под действието на гама-лъчи, при тези опити той откри, че наред с обикновеното излъчване възниква и друго светене с различен характер. Богатият фактически материал бе използван от двама други съветски физици — Игор Евгениевич Там и Иля Михайлович Франк, които през 1937 г. създадоха теория за ефекта на Черенков.

Фотоните се движат с 300 000km/s

Оказа се, че това излъчване възниква, когато частица преминава през кристал или течност със скорост, по-голяма от скоростта на светлината в тази среда. Фотоните се движат с 300 000 км в секунда само във вакуум. Във вода например скоростта на светлината е вече само 220 000 км в сек. и законите на физиката напълно допускат някоя частица да се движи по-бързо от нея. Електромагнитните вълни, образувани при това движение, имат формата на конус, на чийто връх е частицата. От ъгъла на конуса може да се определи скоростта на частицата.

Черенков, който е повече експериментатор, предложи откритият от него ефект да се използва за регистриране на частици. Такива опити бяха правени при откриването на антипротона, а напоследък се подготвя един грандиозен международен експеримент за поставяне на детектори на морското дъно за регистриране на високоенергийни частици, сред които и неутрино. Откритието на Черенков и теорията за неговото обяснение, предложена от Там и Франк, донесе на тези трима съветски учени Нобеловата награда по физика за 1958 г.

Мъглинната камера на Уилсън

С появата на новите свръхмощни ускорители стана ясно, че мъглинната камера на Уилсън е изчерпала възможностите си. Американският физик Доналд Глейзър конструира в 1952 г. ново устройство, което да я замести. В неговата „мехурчеста камера“ има резервоар с течен водород, който е много близо до точката на кипене. Преминаващите частици нарушават равновесието и образуват следа от газови мехурчета. Добре е известно, че течностите са много по-плътни от газовете. Една частица трябва да измине в газ хиляда пъти по-голямо разстояние за да създаде същия ефект, както в течния водород. На практика това означава, че следа от 10 см в мехурчестата камера се равнява на 100 м в мъглинната камера.

Това хилядократно увеличение на възможностите позволява да се следи много по-дълго движението на частиците и техните превъплъщения. Съвременните мехурчести камери са вече толкова големи, че фотоапаратът не може да ги обхване в дълбочина, за това на места се прилага холографията, която дава триизмерно изображение на траекториите на извънредно кратко живеещи частици.

Доналд Глейзър, един оригинален изследовател, който се е занимавал и с елементарни частици, и с космически лъчи, и с молекулярна биология, получи за създаването на мехурчестата камера Нобеловата награда по физика за 1960 г.

Първата голяма мехурчеста камера бе създадена от американския физик Луис Уолтър Алварес. Той усъвършенствува конструкцията, като я приспособи за количествени измервания. През 1955 г., в Лорънсовата лаборатория в Бъркли, Алварес започна широки експерименти и откри десетки неизвестни частици. Към 1960 г. вече беше ясно, че нещо не е наред. Нови и нови частици възникваха, стига да се използва достатъчно мощен ускорител. Не беше възможно материята да има толкова много елементарни тухлички.

Стотици резонансни частици

Голяма част от частиците, открити от Алварес, живееха извънредно кратко време. Установи се, че тяхното образуване се дължи на резонансни явления. Например един нуклон се слива с пи-мезон и този комплекс се проявява като нова частица, която много бързо се разпада. Вече са известни стотици резонансни частици и голяма заслуга за това има групата на Алварес. За обширни изследвания, провеждани повече от едно десетилетие, този учен получи през 1968 г. Нобеловата награда по физика.

Още през 50-те години започнаха да се трупат данни, поставящи под съмнение концепцията за елементарност на частиците. Заговори се за тяхната структура. С подобни изследвания е свързана работата на Роберт Хофстадър, професор в Станфордския университет. В 1955 г. той започна експерименти за изследване структурата на нуклоните с помощта на големия линеен ускорител в Станфорд. Снопове от електрони с енергия 1 млрд. електронволта се използваха за обстрелването на протони и неутрони. Картината на разсейването бе много подобна на това, което бе наблюдавал Марсден, сътрудникът на Ръдърфорд, при облъчване на златно фолио с алфа-частици.

Тогава, в 1911 г., се установи, че атомът има ядро. Експериментите на Хофстадър показаха, че протонът и неутронът също имат ядро. За да няма объркване, то се нарича керн. Установи се, че около него има облик от пи-мезони, т.нар. мезонна шуба. За откритието, че частиците, които изграждат ядрото, също имат структура, Робърт Хофстадър стана Нобелов лауреат през 1961 г. Той раздели наградата с Рудолф Мьосбауер, който бе открил известния ефект, носещ неговото име.

Системи за класификация на елементарни частици

Големият брой частици, появили се през 50-те години, накара учените да търсят някакви системи за класификация. Имаше указания, че протонът и неутронът могат да се разглеждат като фундаментални частици, от които са изградени останалите. В светлината на това виждане пи-мезонът например се представяше като свързано състояние на протон и неутрон. Тези представи бяха развити в 1956 г. от Шоичи Саката, който прие за фундаментални частици протона, неутрона и ламбда-хиперона. Тези частици понякога се наричат сакатони.

Няколко години по-късно се оказа, че Саката наистина е уловил една закономерност сред частиците. Теорията бе доразвита и всъщност поставена на нова основа от Мъри Гел-Ман и Джордж Цвайг. В 1964 г. те излязоха с хипотезата за субчастици, които изграждат нуклоните, мезоните и хипероните. Това е едно от най-новите и вълнуващи събития във физиката, което заслужава самостоятелно разглеждане.

Източник: Нобеловите награди. Учени и открития – 1983