Глава II. Методические рекомендации к проведению урока-семинара на тему « Элементарные частицы»
Цели урока:
Образовательные
Знать что:
в микромире выделяются три уровня, различающихся характерными масштабами и энергиями (молекулярно-атомный, ядерный, уровень элементарных частиц);
в природе существует около 400 различных элементарных частиц (вместе с античастицами);
различают 4 типа фундаментальных взаимодействий (сильное, электромагнитное, слабое, гравитационное)
сильное взаимодействие свойственно тяжелым частицам; в электромагнитном непосредственно участвуют только электрически заряженные частицы; слабое взаимодействие характерно для всех частиц, кроме фотонов; гравитационное взаимодействие присуще всем телам Вселенной, проявляясь в виде сил всемирного тяготения;
фундаментальные взаимодействия различаются интенсивностями, радиусами действия, характерными временами, а так же свойственными им законами сохранения;
все элементарные частицы делятся на лептоны (фундаментальные) и адроны (составные);
адроны делятся на мезоны и барионы;
Развивающие:
распознавать различные виды фундаментальных взаимодействий по их характеристикам;
осуществлять классификацию элементарных частиц;
развивать интерес учащихся к физике, как науке;
развитие умения анализировать данные, делать выводы.
Воспитательная:
формирование основ диалектико-материалистического мировоззрения учащихся.
Тип урока: урок-семинар
На урок отводится 2 часа учебного времени.
Оборудование: медиапроектор, экран, компьютер
На уроке семинаре я предлагаю рассмотреть следующие вопросы:
Строение атома и атомного ядра
История открытия элементарных частиц и их классификация
Стандартная модель
Темная материя
Бозон Хиггса и его поиски
Обратная связь с учащимися осуществляется в виде проверочных тестов в конце занятия.
Данный урок может быть использован на внеклассных уроках по физике (11 класс), с целью расширения кругозора учащихся и систематизации знаний об элементарных частицах. Лекция может быть дополнена презентацией.
Примерные ответ учащихся:
Атом состоит из ядра и окружающего его электронного "облака". Находящиеся в электронном облаке электроны несут отрицательный электрический заряд. Протоны, входящие в состав ядра, несут положительный заряд.
В любом атоме число протонов в ядре в точности равно числу электронов в электронном облаке, поэтому атом в целом – нейтральная частица, не несущая заряда .Атом может потерять один или несколько электронов или наоборот – захватить чужые электроны. В этом случае атом приобретает положительный или отрицательный заряд и называется ионом.
Практически вся масса атома сосредоточена в его ядре, так как масса электрона составляет всего лишь 1/1836 часть массы протона. Внешние размеры атома – это размеры гораздо менее плотного электронного облака, которое примерно в 100000 раз больше диаметра ядра.
Кроме протонов, в состав ядра большинства атомов входят нейтроны, не несущие никакого заряда. Масса нейтрона практически не отличается от массы протона. Вместе протоны и нейтроны называются нуклонами (от латинского nucleus – ядро).
Электроны, протоны и нейтроны являются главными "строительными деталями" атомов и называются субатомными частицами. Их заряды и массы в кг и в специальных “атомных” единицах массы (а.е.м.) За атомную единицу массы принята ровно 1/12 часть массы атома углерода, в ядре которого содержится 6 протонов и 6 нейтронов. Атомную единицу массы можно выразить и в граммах: 1 а.е.м. = 1,660540·10-24 г.
Исследования строения атома и атомного ядра показали, что в состав атома входят электроны, протоны, нейтроны. Было принято называть эти частицы элементарными. Фотон, позитрон (е+) и нейтрино (v), имеющие самое непосредственное отношение к атому и ядру, также стали называть элементарными частицами.
По первоначальному замыслу элементарные частицы являются наипростейшими частицами, из которых построено вещество (атомы) существующего мира.
Элементарные частицы первоначально представлялось как нечто вечное, неизменное, нерушимое, и образ элементарной частицы связывался с образом песчинки или бесструктурного маленького шарика.
В наши дни не существует четкого критерия элементарности. Понятие "элементарная частица" в наши дни является весьма сложным.
Кратко перечислим известные элементарные частицы в порядке их исторического открытия.
Электрон был открыт Дж.Дж.Томсаном в 1897г..Через массу электрона обычно выражаются массы других элементарных частиц.
В 1900г. М.Планком и особенно, в 19005г. А.Эйнштейном было показано, что свет состоит из отдельных порций - фотонов. Фотон не обладает зарядом, и его масса покоя =0.Фотон может существовать только в процессе движения со скоростью света.
Опыты Резерфорда по рассеянию α-частиц в 1911г. Привели к открытию протона. Масса протона=1836mе
Большинство физиков были уверены в том, что им удалось наконец-то все многообразие химических элементов и веществ природы свести к двум простейшим сущностям: к электронам и протонам. Картина, нарисованная физиками тех лет по вопросам строения вещества, вселяло чувство научной красоты и изящества. В период с 1911г. По 1932г. Многие ученые были преисполнены чувством удовлетворения, что им удалось осуществить многовековую мечту научного поиска.
Однако в 1928г. П. Дирак, а впоследствии в 1932г. К.Андерсон были обнаружены такие частицы, получившие название позитроны (е+)
Позитрон - это первая элементарная частица, предсказанная теоретически.
В 1932г. Д.Чедвигом был открыт нейтрон с массой = 1838 me
Нейтрон в свободном состоянии, в отличии от протона, является нестабильным и распадается на протон и электрон с периодом полураспада Т=1,01 103с. В нутрии ядра нейтрон может существовать неопределенно долго.
В 1931-1933гг. В.Паули анализируя β-распад предположил, что при распаде , кроме протона и электрона, испускается еще одна нейтральная частица с массой покоя =0. Эту частицу назвали нейтрино (ν)
Только в 1956г. К.Коуэн с сотрудниками обнаружил антинейтрино(ύ), образующееся в ядерном реакторе. Оно было "поймано" при исследовании реакции: р+ v→n+е+ , нейтрино вызывает реакцию n+ν→р+е- .
В 1937г. К.Андерсон и С.Неддерман обнаружили заряженные частицы с массой 206,7me, эти частицы были названы μ-мезонами(μ+и μ-), обладающие зарядом +е и -е. В настоящее время эти частицы называют μ-частицами или -мюонами.
В 1947г. Английский ученые С.Поуэль, Г.Оккиалини и др. открыли π-мезоны (π-мезон - первичный мезон, который, распадаясь, дает мюоны)
π-мезон имеют заряд +е и -е, а массы 273,2 me. Несколько позднее 1950 г. Был открыт нейтральный -мезон(о), с массой 264,2 me. В настоящее время известно три сорта π-мезон: π-, π0,π+, они интенсивно взаимодействуют с нуклонами, легко рождаются при столкновении нуклонов с ядрами, т.е. являются ядерно-активными. В настоящее время считается, что π-мезоны являются квантами ядерного поля, ответственными за основную часть ядерных сил.
С 1949-1950гг. началось буквально "нашествие" элементарных частиц, их число стремительно возрастало.
Вновь появившиеся частицы можно разделить на две группы:
Первая группа включает в себя частицы с массами около 966 me и 974 me, в настоящее время их называют К-мезонами. Известны К+ и К-мезоны с массами приблизительно 966,3 me и электрическими зарядами +е и -е. Известны нейтральные К-мезоны (Ко и Ко) с массами 974,5 me.
Вторая группа частиц получила название гиперонов. В настоящее время известны следующие гипероны:
ᴧ- гипероны ᴧ0 с массами 2183 me и нулевым электрическим зарядом
∑-гипероны ∑+ и ∑- с массами 2327 и 2340,6 me
Ω-гипероны Ω+ и Ω- с массами 3278 me
В 1955г. Открыт антипротон, а в 1956г.- антинейтрон.
За последние годы были открыты новые квазичастицы (резонансных состояний) с необычайно малым временем жизни, порядка 10-22 - 10-23сек.. В этом случае даже не удается зафиксировать следы частиц и об их существовании можно судить лишь из косвенных соображений, из анализа поведения продуктов их распада.
Учитель: Сделаем вывод:
Известные нам элементарные частицы по их свойствам можно разделить на следующие классы и группы:
Выделим в особую группу фотоны
В зависимости от величины собственной массы все известные элементарные частицы можно подразделить на три основные группы: лептоны, мезоны, барионы
I группа - легкие частицы или лептоны, собственная масса которых меньше массы -мезона. В эту группу входят частицы : Электрон, нейтрино, антинейтрино, -мезоны
II группа- мезоны, частицы по значению своей массы занимающие промежуточное положение между лептонами и барионами к ним относятся: -мезоны, К-мезоны
III группа - тяжелые частицы, или барионы
В эту группу входят:
Нуклоны и их античастицы
Гипероны и их античастицы
Стандартной моделью сегодня принято называть теорию, наилучшим образом отражающую наши представления об исходном материале, из которого изначально построена Вселенная. Она же описывает, как именно материя образуется из этих базовых компонентов, и силы и механизмы взаимодействия между ними.
Со структурной точки зрения элементарные частицы, из которых состоят атомные ядра (нуклоны), и вообще все тяжелые частицы — адроны (барионы и мезоны) — состоят из еще более простых частиц, которые принято называть фундаментальными. В этой роли по-настоящему фундаментальных первичных элементов материи выступают кварки, электрический заряд которых равен 2/3 или –1/3 единичного положительного заряда протона. Самые распространенные и легкие кварки называют верхним и нижним и обозначают, соответственно, u (от английского up) и d (down). Иногда их же называют протонным и нейтронным кварком по причине того, что протон состоит из комбинации uud, а нейтрон — udd. Верхний кварк имеет заряд 2/3; нижний — отрицательный заряд –1/3. Поскольку протон состоит из двух верхних и одного нижнего, а нейтрон — из одного верхнего и двух нижних кварков, вы можете самостоятельно убедиться, что суммарный заряд протона и нейтрона получается строго равным 1 и 0, и удостовериться, что в этом Стандартная модель адекватно описывает реальность. Две другие пары кварков входят в состав более экзотических частиц. Кварки из второй пары называют очарованным — c (от charmed) и странным — s (от strange). Третью пару составляют истинный — t (от truth, или в англ. традиции top) и красивый — b (от beauty, или в англ. традиции bottom) кварки. Практически все частицы, предсказываемые Стандартной моделью и состоящие из различных комбинаций кварков, уже открыты экспериментально.
Другой строительный набор состоит из кирпичиков, называемых лептонами. Самый распространенный из лептонов — давно нам знакомый электрон, входящий в структуру атомов, но не участвующий в ядерных взаимодействиях, ограничиваясь межатомными. Помимо него (и парной ему античастицы под названием позитрон) к лептонам относятся более тяжелые частицы — мюон и тау-лептон с их античастицами. Кроме того, каждому лептону сопоставлена своя незаряженная частица с нулевой (или практически нулевой) массой покоя; такие частицы называются, соответственно, электронное, мюонное или таонное нейтрино.
Итак, лептоны, подобно кваркам, также образуют три «семейных пары». Такая симметрия не ускользнула от наблюдательных глаз теоретиков, однако убедительного объяснения ей до сих пор не предложено. Как бы то ни было, кварки и лептоны представляют собой основной строительный материал Вселенной.
Силовые взаимодействия между частицами происходят посредством обмена частицами-переносчиками этих взаимодействий. Фактически, различие между фундаментальными силами взаимодействия между частицами мы и проводим лишь постольку, поскольку в роли переносчиков этих взаимодействий выступают разные частицы. Таких взаимодействий четыре: сильное (именно оно удерживает кварки внутри частиц), электромагнитное, слабое (именно оно приводит к некоторым формам радиоактивного распада) и гравитационное. Переносчиками сильного цветового взаимодействия являются глюоны, не обладающие ни массой, ни электрическим зарядом. Этот тип взаимодействия описывается квантовой хромодинамикой. Электромагнитное взаимодействие происходит посредством обмена квантами электромагнитного излучения, которые называются фотонами и также лишены массы. Слабое взаимодействие, напротив, передается массивными векторными или калибровочными бозонами, которые «весят» в 80-90 раз больше протона, — в лабораторных условиях их впервые удалось обнаружить лишь в начале 1980-х годов. Наконец, гравитационное взаимодействие передается посредством обмена не обладающими собственной массой гравитонами — этих посредников пока что экспериментально обнаружить не удалось.
В рамках Стандартной модели первые три типа фундаментальных взаимодействий удалось объединить, и они более не рассматриваются по отдельности, а считаются тремя различными проявлениями силы единой природы.
Силы, действующие во Вселенной, сплавляются воедино при высоких энергиях (температурах) взаимодействия, после чего различить их невозможно. Первыми объединяются (именно так это принято называть) слабое ядерное и электромагнитное взаимодействия. В результате мы получаем так называемое электрослабое взаимодействие, наблюдаемое даже лабораторно при энергиях, развиваемых современными ускорителями элементарных частиц. В ранней Вселенной энергии были столь высоки, что в первые 10–10 секунды после Большого взрыва не было грани между слабыми ядерными и электромагнитными силами. Лишь после того, как средняя температура Вселенной понизилась до 1014 K, все четыре наблюдаемые сегодня силовые взаимодействия разделились и приняли современный вид. Пока температура была выше этой отметки, действовали лишь три фундаментальные силы: сильного, объединенного электрослабого и гравитационного взаимодействий.
Объединение электрослабого и сильного ядерного взаимодействия происходит при температурах порядка 1027К. В лабораторных условиях такие энергии сегодня недостижимы. Самый мощный современный ускоритель — строящийся в настоящее время на границе Франции и Швейцарии Большой адронный коллайдер (Large Hadron Collider) — сможет разгонять частицы до энергий, которые составляют всего 0,000000001% от необходимой для объединения электрослабого и сильного ядерного взаимодействий. Так что, вероятно, экспериментального подтверждения этого объединения ждать нам придется долго. Таких энергий нет и в современной Вселенной, однако в первые 10–35 с ее существования температура Вселенной была выше 1027 К, и во Вселенной действовало всего две силы — электросильного и гравитационного взаимодействия. Теории, описывающие эти процессы, называют «теориями Великого объединения» (ТВО). Напрямую проверить ТВО нельзя, но они дают определенные прогнозы и относительно процессов, протекающих при более низких энергиях. На сегодняшний день все предсказания ТВО для относительно низких температур и энергий подтверждаются экспериментально.
Итак, Стандартная модель, в обобщенном виде, представляет собой теорию строения Вселенной, в которой материя состоит из кварков и лептонов, а сильные, электромагнитные и слабые взаимодействия между ними описываются теориями великого объединения. Такая модель, очевидно, не полна, поскольку не включает гравитацию. Предположительно, более полная теория со временем все-таки будет разработана, а на сегодня Стандартная модель — это лучшее из того, что мы имеем.
Темная материя сродни обычному веществу в том смысле, что она способна собираться в сгустки (размером, скажем, с галактику или скопление галактик) и участвует в гравитационных взаимодействиях так же, как обычное вещество. Скорее всего, она состоит из новых, не открытых еще в земных условиях частиц.
В пользу существования темной материи служат измерения гравитационного поля в скоплениях галактик и в галактиках.
Гравитационное поле скопления искривляет лучи света, испущенные галактикой, находящейся за скоплением, т. е. гравитационное поле действует как линза. При этом иногда появляются несколько образов этой удаленной галактики. Искривление света зависит от распределения массы в скоплении, независимо от того, какие частицы эту массу создают. Измеренные подобным образом массы скоплений галактик согласуются с тем, что темная материя вкладывает около 25% в полную плотность энергии во Вселенной. Темная материя имеется и в галактиках. Это опять-таки следует из измерений гравитационного поля, теперь уже в галактиках и их окрестностях. Чем сильнее гравитационное поле, тем быстрее вращаются вокруг галактики звезды и облака газа, так что измерения скоростей вращения в зависимости от расстояния до центра галактики позволяют восстановить распределение массы в ней. В нашей Галактике в окрестности Солнца масса темной материи примерно равна массе обычного вещества.
Что представляют из себя частицы темной материи? Ясно, что эти частицы не должны распадаться на другие, более легкие частицы, иначе бы они распались за время существования Вселенной. Сам этот факт свидетельствует о том, что в природе действует новый, не открытый пока закон сохранения, запрещающий этим частицам распадаться. Аналогия здесь с законом сохранения электрического заряда: электрон — это легчайшая частица с электрическим зарядом, и именно поэтому он не распадается на более легкие частицы (например, нейтрино и фотоны). Далее, частицы темной материи чрезвычайно слабо взаимодействуют с нашим веществом, иначе они были бы уже обнаружены в земных экспериментах. Дальше начинается область гипотез. Наиболее правдоподобной (но далеко не единственной!) представляется гипотеза о том, что частицы темной материи в 100–1000 раз тяжелее протона, и что их взаимодействие с обычным веществом по интенсивности сравнимо с взаимодействием нейтрино. Именно в рамках этой гипотезы современная плотность темной материи находит простое объяснение: частицы темной материи интенсивно рождались и аннигилировали в очень ранней Вселенной при сверхвысоких температурах (порядка 1015 градусов), и часть их дожила до наших дней. При указанных параметрах этих частиц их современное количество во Вселенной получается как раз такое, какое нужно.
Можно ли ожидать открытия частиц темной материи в недалеком будущем в земных условиях? Поскольку мы сегодня не знаем природу этих частиц, ответить на этот вопрос вполне однозначно нельзя. Тем не менее, перспектива представляется весьма оптимистической.
Все известные на сегодня элементарные частицы и их взаимодействия с хорошей точностью описываются Стандартной моделью. Хиггсовский бозон — неоткрытая пока частица, которая очень важна для этой теории
Современная теория элементарных частиц опирается на определенную симметрию между электромагнитными и слабыми взаимодействиями — электрослабую симметрию. Считается, что эта симметрия была в ранней Вселенной и из-за нее частицы были поначалу безмассовы, но на каком-то этапе она самопроизвольно нарушилась, и частицы приобрели массу. В теории элементарных частиц для этого нарушения электрослабой симметрии был придуман хиггсовский механизм. Именно его должен будет изучить LHC.
Для этого в эксперименте потребуется открыть хиггсовский бозон — частицу-отголосок хиггсовского механизма. Если этот бозон будет найден и изучен, физики узнают, как протекало нарушение симметрии, и даже, возможно, создадут новую, более глубокую теорию нашего мира. Если этот бозон не будет найден (ни в каком виде!), то потребуется серьезный пересмотр Стандартной модели элементарных частиц, поскольку без хиггсовского механизма она работать не может.
Современная теория элементарных частиц — Стандартная модель — занимается не столько перечислением фундаментальных частиц, сколько описанием их взаимодействий. В основе ее лежит идея, что два таких, казалось бы, разных взаимодействия, как электромагнитное и слабое, на самом деле являются двумя сторонами «одной медали» — электрослабого взаимодействия.
В рамках этой теории получается так, что при высокой температуре между слабыми и электромагнитными взаимодействиями существует симметрия. Но электрослабая симметрия возможна только тогда, когда фундаментальные частицы безмассовы, а мы знаем из опыта, что в нашем мире эти частицы массивны. Значит, симметрия должна быть нарушена. Хиггсовский механизм как раз и является той движущей силой, которая нарушает эту симметрию. Можно сказать, что главная задача хиггсовского механизма — сделать частицы массивными.
Происходит это так. В квантовой теории все частицы — это вовсе не «твердые шарики», а кванты, колеблющиеся «кусочки» поля. Электроны — это колебания электронного поля, фотоны — колебания электромагнитного поля и т. д. У каждого поля есть состояние с самой низкой энергией — оно называется «вакуумом» этого поля. Для обычных частиц вакуум — это когда частицы отсутствуют, то есть когда их поле везде равно нулю. Если частицы присутствуют (то есть поле не везде равно нулю), то такое состояние поля обладает энергией больше, чем у вакуума.
В квантовой теории каждый сорт частиц — это колебания некоторого поля. У этого поля есть вакуум — состояние, при котором поле везде равно нулю.
А хиггсовское поле устроено особым образом — у него вакуум ненулевой. Иными словами, состояние с наинизшей энергией хиггсовского поля — это когда всё пространство пронизано хиггсовским полем определенной силы, на фоне которого движутся остальные частицы. Колебания хиггсовского поля относительно этого «вакуумного среднего» — это хиггсовские бозоны, кванты хиггсовского поля.
Хиггсовское поле выделяется среди других тем, что у него вакуумом является состояние, при котором вселенная равномерно заполнена некоторым постоянным полем. Хиггсовские бозоны — колебания этого поля относительно вакуумного среднего.
Вездесущее присутствие фонового хиггсовского поля сказывается на движении частиц строго определенным образом — оно затрудняет ускорение частиц, но не мешает их равномерному движению. Частицы становятся более инертными, под действием внешних сил они начинают двигаться как-то неохотно — иными словами, у них появляется масса. Эта масса тем больше, чем сильнее они «цепляются» за хиггсовское поле. Впрочем, некоторые частицы, например фотоны, не цепляются напрямую к хиггсовскому полю и остаются безмассовыми.
Хиггсовские бозоны тоже массивные, поскольку хиггсовское поле взаимодействует само с собой. Отличительная черта хиггсовских бозонов — они взаимодействуют с разными частицами пропорционально их массе — ведь хиггсовское вакуумное среднее и хиггсовский бозон суть два проявления одного и того же хиггсовского поля. Это свойство хиггсовских бозонов очень важно для их поиска на LHC.
