ПЕРВАЯ ЭНЦИКЛОПЕДИЯ
С ВИДЕОУРОКАМИ
Дмитрий Игоревич Казаков
Доктор физико-математических наук, профессор, член-корреспондент РАН,
директор Лаборатории теоретической физики Объединенного института
ЯДЕРНЫХ ИССЛЕДОВАНИЙ (ОИЯИ) В ДУБНЕ. Д.И. КАЗАКОВ — АВТОРИТЕТНЫЙ
СПЕЦИАЛИСТ в области КВАНТОВОЙ ТЕОРИИ ПОЛЯ И ФИЗИКИ ЭЛЕМЕНТАРНЫХ
ЧАСТИЦ, АВТОР БОЛЕЕ 25O НАУЧНЫХ РАБОТ, ИЗВЕСТЕН ТАКЖЕ ПОПУЛЯРНЫМИ
ЛЕКЦИЯМИ В ИНТЕРНЕТЕ С НЕСКОЛЬКИМИ МИЛЛИОНАМИ ПРОСМОТРОВ.

ЯДРО И АТОМ
Окружающий нас мир многолик и разнообразен.
Удивительно то, что всё это многообразие может
быть представлено в виде малого количества основ-
ных, базовых элементов. Эти элементы мы называем
атомами. Про атомы говорили ещё древние греки
более двух тысяч лет назад. Тогда им казалось, что
атомы — это некие неделимые мельчайшие частицы
вещества, из которых состоит весь мир.
ЯДРО И АТОМ
ГАЛАКТИКА
t
Это оказалось правдой, мир действительно состоит
из атомов, и их разнообразие весьма ограниченно.
Всего нам известно около сотни различных видов
атомов, по-другому мы называем их химическими
элементами. С некоторыми из них мы сталкиваем-
ся ежедневно: водород, кислород, углерод, железо,
серебро, золото, кремний и так далее. Из атомов
состоит всё, что нас окружает. Это относится и к
живому миру, и к неживому миру, и к планете Зем-
ля, и к Солнцу, и к звёздам, и ко всему, что есть во
Вселенной, — всё состоит из атомов.
ПЛУТОН
ДЕМОКРИТ
НЕ УВЕРЕН
ДЖОЗЕФ
ТОМСОН
«БУЛКА
С ИЗЮМОМ»
ЭРНЕСТ
РЕЗЕРФОРД
СУЩЕСТВУЕТ
ПРЕДЕЛ ДЕЛЕНИЯ
ATOMS
Древним грекам казалось, что атомы — это
мельчайшие неделимые частички вещества.
Собственно, слово «атом» и означает «недели-
мый* Но в дальнейшем выяснилось, что атом
на самом деле является сложным объектом. То
есть это не просто какой-то твердый шарик, он
обладает внутренней структурой.
'ЛОчкИ с изюмом
электроны.
Как же на самом деле УСТРОЕН АТОМ?
Сначала думали, что атом представляет собой
что-то наподобие булочки с изюмом, в которую
вкраплены
ЭЛЕКТРОН — это элементарный электри-
ческий заряд, который на самом деле нам
очень хорошо знаком. Электрический ток,
который течёт по проводу, — это поток этих
самых электронов, таких маленьких элек-
трических зарядов.

ЯДРО И ATOM
Но оказалось, что это не так. Опыты Резерфорда, выпол
ненные более ста лет назад (о них мы ещё расскажем),
доказали, что атом на самом деле состоит из очень ма-
ленького, но массивного ядра, которое расположено в
центре атома и находится в окружении электронов
есть атом оказался практически полностью пустым,
его масса — сосредоточенной в центре, в ядре.
а вся
атом электрически нейтрален, то есть
электрический заряд электронов компенсируется
зарядом ядра Обычно мы говорим, что электроны
имеют отрицательный заряд, а ядро имеет
положительный заряд	А
разных химических элементов
отличаются друг от друга тем, что у них
разные ядра. «Что это значит, разные
ядра?# — спросите вы. Ядро тоже является
сложным объектом. Оно состоит из двух
видов частиц, которые мы называем про-
тоном и нейтроном Каждая из этих ча-
стиц в 2000 раз тяжелее электрона.
ИДЕАЛЬНАЯ
МОДЕЛЬ!
4
АРНЫЕ ЧАСТИЦЫ
Протоны имеют электрический заряд, он
такой же, как у электронов, только про-
тивоположный по знаку. А нейтрон элек-
трического заряда не имеет. Вот такие
частицы образуют атомное ядро Ядра раз-
личных атомов различаются только количе-
ством протонов и нейтронов
Самый простой атом — это атом водоро-
да. Его ядро состоит из одного протона.
Следующий по сложности атом — гелий.
В его ядре находятся два протона и два
нейтрона Все остальные атомы, которые
нам известны, содержат всё больше и
больше протонов и нейтронов
Смотри
экскурсию
вОИЯИ
1л
ВОДОРОД ГЕЛИЙ
О
D
о
W V°°
о о”
ОСТАЛЬНЫЕ
АТОМЫ < z
о
lQ\ Г
о
ПРОГОНОВ
БОЛЫ-llL
Интересно, что у разных атомов протонов
и нейтронов в ядре примерно поровну.
Атомы разных химических элементов различают-
ся количеством протонов. Атомы, которые имеют
одинаковое число протонов, но различаются
количеством нейтронов, называются изотопами
одного и того же химического элемента. Извест-
но около 3000 разных изотопов
КЛУБ
ИЗОТОПОВ
ЭЛЕМЕНТАРНЫЕ ЧАСТИЦЫ
9 И Ш
Учёные давно хотели узнать, сколь-
ко же в природе существует различ-
ных атомов и как их можно клас-
сифицировать. Эта загадка была
разрешена созданием периодиче-
ской таблицы элементов, которая
известна нам теперь как таблица
Менделеева. Менделеев расположил
все атомы в ряды, или, как говорят
учёные, в периоды, согласно их хи-
мическим свойствам по возрастанию
их атомного веса




В то время было известно 63 хими-
ческих элемента, и в таблице оказа-
лись незаполненные клетки. Позднее
открывали новые элементы, и все
клетки в таблице заполнились. Сей-
час мы знаем уже 11 8 различных
элементов, они занимают семь пери
одов. Не исключено, что это ещё не
конец истории и таблица Менделее-
ва будет продолжена.
□йгаЖ'Л Смотри
экскурсию
вОИЯИ
Ва
Ra






Nd Я Pm II Sm
Fm Md
ЭЛЕМЕНТАРНЫЕ ЧАСТИЦЫ
Можно сказать, что атомы — это универсальные кон-
струкции, из которых строится вся наша Вселенная.
При этом, что интересно, все атомы одного химическо-
го элемента одинаковы. Например, атом водорода или
углерода на Марсе или Венере, на Солнце или Сири-
усе точно такой же, как на Земле. Это позволило нам
узнать, как устроены далёкие от нас планеты и звёзды,
какие химические элементы там имеются.
Я ВЕЗДЕ
И ВСЕГДА
ОДИНАКОВЫЙ!
ЯДРО И ATOM
ВСЕ в мире
состоит
из одинаковых
строительных
блоков —
атомов
Атомы могут вступать б различные
связи друг с другом. Они образуют
молекулы, из которых в дальнейшем
образуются твердые тела, газы и жид-
кости, а также живые организмы.
зволю
в л о н им
СТРОЕНИЙ
> 4^
ДЕМОКРИТ
ЭЛЕМЕНТАРНЫЕ ЧАСТИЦЫ
Итак, атом состоит из ядра и электронов. Как же устроен
атом? Резерфорд предположил, что электроны обращают-
ся вокруг ядра подобно тому, как в Солнечной системе
планеты обращаются по орбитам вокруг Солнца. Однако
если бы всё в действительности было так, то атом не мог
бы существовать. Дело в том, что по законам классиче-
ской физики электроны, которые притягиваются к ядру в
силу электрического притяжения, должны были бы упасть
на него, и атом прекратил бы своё существование.
0-0-0Й1
Я ПОСТЕПЕННО
ТЕРЯЮ ЭНЕРГИЮ!
Почему электрон не падает
на ядро — большая загадка.
Конечно, вы можете спросить:
«А почему Земля не падает
на Солнце, если обращается
вокруг него по орбите?» Оказыва-
ется, для того чтобы Земля упала
на Солнце или электрон упал на
ядро, они должны потерять энер-
гию, с которой движутся по орбите.
Земля эту энергию почти не теряет,
поэтому орбита Земли практически
неизменна, и наша планета не па-
дает на Солнце. Хотя понемножку
потеря энергии всё-таки происхо-
дит, и Земля медленно-медленно
падает на Солнце, но мы совер-
шенно этого не замечаем.
12
ЯДРО и atom
В отличие от большой Земли, малень-
кий электрон потерял бы свою энергию
практически мгновенно 11отому что лю-
бая электрически заряженная частица во
время своего движения испускает свет, и
её энергия постепенно истрачивается на
такое излучение. Но электрон в атоме
по какой-то причине свет не излучает и
не падает но ядро. Поэтому атом оказы-
вается очень стабильной структурой.
Разумеется, учёные пытались разобраться, что же
это за таинственная причина. Очень скоро стало по-
нятно, что электрон не подчиняется законам классиче
ской физики, по которым живёт весь привычный нам
мир крупных тел. И только создание квантовой меха-
ники, которое перевернуло всё наше понимание при-
роды, позволило понять, как же устроен атом.
НЕ ИЗЛУЧАЮ!
О
ЭЛЕМЕНТАРНЫЕ ЧАСТИЦЫ
КВАНТОВАЯ
МЕХАНИКА
ОТКРЫВАЕТ
НОВЫЙ МИР
вОИЯИ
Смотри
экскурсию
Так в нашу жизнь пришла совершенно новая наука — кванто-
вая механика. Мы открыли квантовый мир с его квантовыми
законами, которые описывают все мельчайшие частицы: протоны,
нейтроны, электроны и другие. Именно квантовая механика по-
могла нам объяснить, почему электрон не падает на ядро.
Слово <квант> в названии квантовой механики означает «пор-
цию> энергии. Оказывается, что элементарные частицы испуска-
ют и поглощают энергию не непрерывно, а порциями. Мель-
чайшая такая порция — это и есть квант. Сначала речь шла
о кванте электромагнитного поля, он получил название фотон
Но потом оказалось, что и все элементарные частицы являются
квантами различных полей.
ХОТИТЕ КВАНТ
КВАНТОВАЯ МЕХАНИКА ОТКРЫВАЕТ НОВЫЙ МИР '
-КВАНТОВАЯ
МЕХАНИКА -
это наука
об атоме
Оказалось, что в квантовом мире все 1
происходит совсем не так, как мы при-
выкли в классической физике Когда мы
изучаем механику, то есть движение раз-
личных тел, то обычно говорим о скорости
этих тел и об их координатах — положе-
ниях, которые эти тега занимают. Если
следовать законам Ньютона, можно поед-
сказать, в какой точке и в какое время
окажется тело, если нам известны его ско-
рость и положение в данный момент. Вот
так работают законы классической физи-
ки — зная начальные условия, мы можем
предсказать, что произойдёт дальше. Л
ты БУДЕШЬ, МАЛЫШ,
Я ЗАТРУДНЯЮСЬ...
ЭЛЕМЕНТАРНЫЕ ЧАСТИЦЫ
вероятность того.
Можно подумать, что учёные не могут
что-либо точно предсказать в квантовом
мире, просто потому что не умеют этого
делать. Нс самом деле это не наше незна-
ние, а свойство самой частицы — у неё нет
определённого положения в пространстве и
определенной скорости.
В квантовом мире невозможно предсказать,
что случится с частицей в следующий момент.
Мы можем предсказать только
в какой точке она окажется.
Квантовый мир, как говорят
учёные, недетерминированный
(неточный), а вероятностный.
Чем лучше мы знаем положение
частицы в пространстве, тем
хуже мы знаем её скорость, и,
наоборот, чем лучше мы знаем
её скорость, тем хуже знаем
местоположение. Вот такой
интересный парадокс.
КВАНТОВАЯ МЕХАНИКА ОТКРЫВАЕТ НОВЫЙ МИР
Квантовая механика — это самый сложный раздел
физики. В мире не так много людей, которые по-
настоящему понимают эту науку. Для того чтобы
разобраться в ней, нужно обладато неплохим
абстрактным мышлением. Если ны можете
представить, что ваша ручка лежит на столе
и одновременно её там нет, или машина едет
со скоростью 60 км/ч и в тот же момент — со
скоростью 100 км/ч, значит, и квантовую механику
вы в состоянии осмыслить.
Согласно принципу неопределённости
Гейзенберга, произведение погрешности
определения координаты Дх на погрешность
определения импульса Др всегда превы-
шает величину Л/4я, где h — константа
Планка —фундаментальная константа
квантовой физики.	/


ЭЛЕМЕНТАРНЫЕ ЧАСТИЦЫ
ЭЛЕКТРОНЫ
И ПРОТОНЫ:
ПОЧЕМУ ЯДРО СТАБИЛЬНОЕ,
А СКВОЗЬ СТЕНУ НЕ ПРОЙТИ,
А ЯДРО АТОМА ОСТАЁТСЯ о
СТАБИЛЬНЫМ?	ф °
Вернёмся к атому. Мы знаем энергию или скорость,
с которой электрон обращается вокруг ядра, но это
значит, что мы совершенно не знаем, в какой точке
он находится. Поэтому обычно учёные говорят об
электронном облаке, то есть электрон находится
где-то вокруг ядра, и точную траекторию его
движения мы указать не можем. Предполагаемые
траектории и составляют это самое облако
Зато значение энергии электро-
на оказывается фиксированным.
У каждого атома есть свой набор
значений энергии, которыми может
обладать электрон. Атом как бы на-
поминает собой книжный шкаф,
у которого имеется набор полок, и
электрон находится на одной из них.
Каждой полке соответствует опреде-
лённая энергия Соответственно,
у каждого атома имеется определен
ное число таких электронов, и они
занимают свободные места на этих
полках. Находясь на какой-либо пол
ке (на орбите), электроны не могут
потерять энергию, поэтому они не
падают на ядро.

ЭЛЕМЕНТАРНЫЕ ЧАСТИЦЫ
с ними все-таки происходит,
электрон может пеоепрыгнуть
Но кое-что
Например,
с одной полки на другую, го есть перейти
из состояния с одной энергией в другое
состояние с другой энергией, При этом,
если он спускается с верхней полки на
более низкую, то испускает свет который
мы видим. Частота испускаемого света
соответствует той энергии, которую по-
терял электрон, и связана с энергией зна-
менитой формулой E-hv, где h — уже
знакомая нам константа Планка Посколь-
ку все атомы одного химического эле-
мента в природе одинаковы, они имеют
одинаковый набор разрешённых энергий
электронов
ЭЛЕКТРОНЫ И ПРОТОНЫ
р
/
испускаемый этим ато-
гу же частоту как на
Солнце, и везде во
мы видим свет опре-

ва-а
р)ла<
Это значит, что
мом свет имеет
Земле, так и на
Вселенной. Если
делённой частоты, который испускает
какая-нибудь звезда, мы можем сказать,
какой атом находится на этой звезде.
Свет — это индивидуальная характери-
стика каждого атома, она называется
спектром атома. Благодаря спектру мы
можем сказать, какие атомы содержатся,
скажем, на Венере, и для этого нам со-
вершенно необязательно туда лететь.
21
ЭЛЕМЕНТАРНЫЕ ЧАСТИЦЫ
ПРОТОН
НЕЙТРОН
ЯДРО
ЭЛЕКТРОН
Смотри
экскурсию
вОИЯИ
Вот ток интересно устроены атомы.
Они подчиняются законам квантовой ме-
ханики, содержат ограниченное число ча-
стиц протонов и нейтронов, соответствен
но столько же отрицательно заряженных
электронов, которые компенсируют по-
ложительный заряд протона Атом нейтра-
лен, количество частиц в нём не меняет-
ся, поэтому он остается такой жесткой
структурой.
Атом сопротивляется давлению Если вы зозьмёте
один атом и поднесёте его к другому, то не смо-
жете приблизить их вплотную. Электронные облака
атомов имеют отрицательные электрические за-
ряды, которые по известному закону отталкивания
одноимённых электрических зарядов начнут друг
друга отталкивать
Именно это свойство объясняет жёст-
кость всех тел, которые нас окружают.
Как уже говорилось, атомы практически
пустые, но, несмотря на это, мы не можем
проходить через стены — сила отталкива-
ния электронных оболочек атомов мешает
Имеется в виду закон Кулона, согласно которому
все электрически заряженные тела притягиваются
друг к другу, если их заряды противоположны,
и отталкиваются, если они одинаковы. При
этом сила, с которой они притягиваются или
отталкиваются, обратно пропорциональна
квадрату расстояния между ними.
I
23
4^
Атомное ядро по размерам примерно в 10 ООО
раз меньше общего размера атома. Помните, мы
говорили, что раньше атом представляли в виде
булочки с изюмом? Гак вот, ядро — это такая ма-
ленькая вишенка внутри булочки, состоящей из про-
тонов и нейтронов.
Протоны имеют положительный заряд и по та-
кому же закону, что и электроны, должны оттсл- ’
киваться друг от друга Опалкиваясь, они должны
были бы разлететься, и атомное ядро перестало бы
существовать. Но, как вы понимаете, ничего подоб-
ного не происходит, ядро остаётся исключительно
стабильной структурой. Опять какая-то загадка?
Для объяснения такой стабильности
ядра понадобилось ввести понятие неких
новых сил. которых раньше мы в приро-
де не встречали и никто о них ничего не
знал. Эти силы стали изучать и назвали
их ядерными силами, поскольку они
действуют в атомном ядре. Что же такое
ядерные силы? Для ответа на этот вопрос
давайте разберёмся, какие силы есть в
природе и как они устроены.
ЧТО ТАКОЕ СИЛЫ?
ЧТО ТАКОЕ СИЛЫ?
ускоряться При этом есть
Из механики Ньютона мы знаем, что помимо тел
существуют ещё и силы, которые действуют на
тела и заставляют их
вторичные силы типа сил трения или упругости,
которые являются следствием первичных или фун-
даментальных сил природы, кои и управляют всем
миром. Мы называем их фундаментальными вза
имодействиями К таким силам относится сила
гравитации, она же сило тяготения, которую мы с
вами хорошо знаем из обычной жизни.
ЭЛЕМЕНТАРНЫЕ
Я ТАКОЙ
ПРИТЯГАТЕЛЬНЫЙ)
Таким образом, все мы притягиваемся друг к
другу и к Земле, Земля притягивается к другим
планетам и к Солнцу, Солнце притягивается к
центру 1алактики и так далее. Значит, гравита-
ция — это совершенно фундаментальная сила
в природе, ей подчиняются все тела, которые
имеют массу.
Закон всемирного тяготения говорит
нам, что все тела притягиваются
друг к другу, а сила, с которой они
притягиваются, пропорциональна
массам тел и обратно пропорциональна
квадрату расстояния между ними.
ЧТО ТАКОЕ СИЛЫ?
межголактическом пространстве
Уравнения Максвелла описывают электриче-
ские и магнитные поля, которые порождаются
электрическими зарядами Они описывают
все электромагнитные явления в природе, на-
чиная от атома, статического электрического
поля в конденсаторе или магнитного поля
постоянного магнита, магнитного поля Земли
и кончая магнитными полями в Галактике и
трические явления и
рые объединяются в
потому что есть элек-
магнитные явления, кото
Электрические силы — это второй тип фун-
даментальных сил, которые нам известны в
природе. Учёные называют их электромаг
нитными силами
единое электромагнитное
описание. Два века назад Максвелл написал
уравнения, которым подчиняются электромаг-
нитные взаимодействия.

ЭЛЕМЕНТАРНЫЕ ЧАСТИЦЫ
электромагнитное
излучение
летовое — все это
Свет, который мы видим, это электромагнитные волны Эти вол-
ны при движении испускаются электрически заряженными частицами.
Наше тело, Земля, элементарные частицы — любые объекты, в которых
имеются электрические заряды, испускают электромагнитные волны, то
есть свет. Свет бывает разной частоты Это может быть видимый свет,
как тот, который приходит к нам от Солнца, может быть инфракрасный
свет, который греет, может быть рентгеновское излучение, ультрафио-
В классической физике мы описываем свет как волну Что это зна-
чит? Подобно гребешкам морских волн, напряжённости электриче-
ского и магнитного полей непрерывно перемещаются в пространстве
Это такая бегущая синусоида, вдоль которой напряжённость электри-
ческого и магнитного полей меняется периодически. Но в квантовом
мире нет непрерывности. В квантовой теории волна света разбита
на небольшие кусочки — кванты
лч
* Квант — это неделимая часть
какой-либо величины в физике,
например определённая порция
энергии или импульса.
о
ЧТО ТАКОЕ СИЛЫ?
Кванты электромагнитного излучения
получили название ;’-квантов или
фотонов Фотон — это квонт света.
В определённом смысле его тоже
можно считать частицей. Таким об-
разом, всякое электромагнитное вза-
имодействие есть обмен квантами
света. Когда в музее мы смотрим на
красивую картину, то видим на са-
мом деле отражённый от неё свет.
Этот свет приходит к нам квантован-
ным. Получается, мы как бы обмени-
ваемся квантами с картиной
Кванты подчиняются законам кван-
товой механики. Следовательно, мы
не можем одновременно определить
и положение кванта, и его скорость.
С положении света говорить вооб-
ще невозможно, зато его скорость
нам хорошо известна. Свет распро-
страняется с огромной скоростью,
она ток и называется — скорость
света — 300 тысяч километров в се-
кунду. Согласно теории относитель-
ности, это максимально возможная
скорость в природе	«
Смотри
экскурсию
вОИЯИ
ЭЛЕМЕНТАРНЫЕ ЧАСТИЦЫ
ЯДЕРНЫЕ СИЛЬ
Вы узнали о гравитационных и электромагнитных силах,
а в ядре появляется новый, третий вид сил. Ядерные
силы тоже подчиняются законам квантовой механики,
и устроены они примерно так же, как и другие два
вида взаимодействий. Го есть ядерные силы — это тоже
обмен некоторыми квантами. Эти кванты получили
название пи-мезонов, или пионов
I реческая буква п дала название
этим частицам.
В физике элементарных частиц
многие частицы принято
называть греческими буквами.
Пи-мезоны — это уже второй
встретившийся нам пример.
Первым был у-квант, квант света.

Выяснилось, что протоны и нейтроны взаимодей-
ствуют друг с другом с помощью ядерных сил и
обмениваются этими самыми пи-мезонами Пос-
тоны и нейтроны имеют почти одинаковые мас-
сы, а пи-мезоны примерно в семь раз легче них.
Поэтому протонам и нейтронам очень удобно
«перекидываться» этими частицами.
Когда мы с друзьями играем
в мяч, мы бросаем его друг
другу. Поймав мячик, мы чув-
ствуем отдачу, хотя и очень
слабую. Примерно так же
устроены и ядерные силы.
ЯДЕРНЫЕ СИЛЫ О О
чем
электромагнетизм
Ядерные силы
удерживают частицы,
и получается крепкое
компактное ядро.
Когда протоны и нейтроны обмениваются
такими мячиками-пионами, возникают силы
притяжения. В отличие от электромагнитных
взаимодействий, где одноимённые заряды от-
талкиваются, о разноимённые притягиваются,
в ядерных взаимодействиях заряд действует
таким образом, что силы всегда оказывают-
ся силами притяжения. Поэтому протоны и
нейтроны не разлетаются ь стороны, а, на-
оборот, связываются очень мощными силами
притяжения, которые гораздо сильнее,
гравитация или
ЭЛЕМЕНТАРНЫЕ ЧАСТИЦЫ
Возникает закономерный вопрос:
«Каким образом мы можем наблю-
дать эти мельчайшие частицы и взаи-
модействия между ними?* Разумеется,
масштабы атомной физики гораздо
мельче, чем те, что мы можем раз-
глядеть собственным глазом, и даже
самый мощный оптический микроскоп
не позволит нам увидеть атом, не го-
воря уже об атомном ядре.
Давайте подсчитаем число элементарных ча-
стиц, о которых мы уже говорили. Итак, мы упо-
мянули протоны и нейтроны, которые образуют
атомные ядра. Ещё есть пи-мезоны, которые слу-
жат переносчиками ядерных сил, и есть электро-
ны, находящиеся в облаке вокруг атомного ядро
Мы также говорили о фотонах — квантах света.
Итого получилось пять элементарных частиц или
семь, если учесть, что пи-мезоны бывают трёх ви
дов. положительно заряженные, отрицательно за-
ряженные и нейтральные
Таким образом, весь мир, который мы видим
вокруг себя, состоит из атомов. Все атомы состоят
из элементарных частиц: протонов, нейтронов,
электронов и пи-мезонов, заряженные частицы
испускают фотоны. В дальнейшем выяснится, что
этим набором всё не исчерпывается, существуют и
другие элементарные частицы.
о
33
КАК УВИДЕТЬ ЧАСТИЦЫ?®
Как вы уже знаете, наше зрение рабо-
тает следующим образом фотоны света
отражаются от предмета,, на который мы
смотрим, и попадают на сетчатку наше-
го глаза, и тогда мы видим этот предмет.
Отражённый свет — это электромагнитная
волна, которую мы можем видеть, (о есть
наше зрение способно фиксировать фото-
ны определённой энергии или частоты.
Наш глаз устроен так, что мы можем ви-
деть свет только в ограниченном интерва-
ле частот Инфракрасный или ультрафио-
летовый свет мы воспринять не можем.
А вот различные приборы могут.
Но тем не менее доже специальные приборы не
могут увидеть атом ни в ультрафиолетовом свете,
ни даже в рентгеновском диапазоне, потому что
длина волны этих излучений гораздо больше, чем
размер атома.
Длина волны — это расстояние
между соседними вершинами
волны (их часто называют горбами).
Если волна огибает предмет,
который укладывается между её
горбами, то этот предмет нельзя
увидеть*.
МЕНЯ
НЕ ВИДНО!
* Вообще, можно увидеть с помощью
прибора, регистрирующего волну,
только то что сопоставимо с длиной
волны излучения и больше неё
ТАРНЫЕ
ЧАСТИЦЫ
наталкиваясь на препятствие
СВИНЦОВАЯ
ИСТОЧНИК
АЛЬФА-
ЧАСТИЦ
ШОТА Я
ФОЛЬГА
Оказывается, что электроны, кок квантовые объекты не-
которого электронного поля, ведут себя подобно фотонам.
Однако у электронов гораздо меньше длина волны, по-
этому разглядеть с их помощью можно гораздо меньшие
объекты. Для того чтобы наблюдать атомы и молекулы,
учёные придумали электронный микроскоп, в который
удалось разглядеть отдельные атомы
Но даже в этот микроскоп разглядеть атомное ядро не уда-
ется Для того чтобы понять, как оно устроено, в 1911 году
британский физик Эрнст Резерфорд взял очень тонкую
фольгу, всего из нескольких слоёв атомов, и направил
на нее поток частиц, называемых альфа-частицами
(опять греческая буква — а). На самом деле это было
не что иное, как ядра атома гелия. То, что увидел Резер-
форд, было весьма неожиданным Альфа-частицы бомбар-
дировали фольгу и пролетали сквозь неё не отклоняясь.
Но в некоторых редких случаях они резко отскакивали
назад, как будто бы
атомы золота
а-частицы
а-части!

КАК УВИДЕТЬ ЧАСТИЦЫ?
ОТКЛОНЯЮЩЕЕСЯ
Вь1ХОДНОЕ
УСТРОЙСТВО
Когда частицы не
которых состояла
сквозь
I ГЕНЕРАТОР
Ь ПЕРЕМЕННОГО
НАПРЯЖЕНИЯ
Доказав, что ядро существует, учёные захотели «пощу-
пать», как оно устроено. Чтобы понять, что находится
внутри ядра, можно было столкнуть несколько ядер и по-
смотреть, что оттуда вылетит, или, например, ударить по
ядру той же самой альфа-частицей или электроном. Так
родилась идея ускорителей Учёные стали использовать
элементарные частицы, имеющие электрический заряд, и
помещать их в электромагнитное поле В электромагнит-
ном поле эти частицы приобретали большую скорость и
ударяли в мишень, состоящую из тяжёлых атомов. Это как
если бы мы ударили по ядру молотком и раскололи его,
что позволило нам увидеть, что находится внутри ядра.
попадали в ядра атомов, из
фольга, они пролетали на-
а когда попадали в ядра — наоборот,
отскакивали назад. По отношению количества
пролетевших частиц к отскочившим было не-
опровержимо установлено существование ядра
и оценён его размер
ПУЧОК
УСКОРЕННЫХ
ЧАСТИЦ
КАК БЫ
УВЕЛИЧИТЬ
СКОРОСТЬ...
Т;
НТАРНЫЕ ЧАСТИЦЫ
Смотри
экскурсию
в О ИЯ И
Если столкнуть ядра при энергиях,
заметно превышающих их энергию
покоя, которая, по знаменитой
формуле Эйнштейна Е0=тс2,
равняется массе, умноженной на
квадрат скорости света, то оттуда
можно выбить протоны или
Именно так работают современные ускорители
элементарных частиц. Обычно в них ускоряют про-
тоны или электроны. Всё дело в том, что процесс,,
ускорения осуществляется с помощью эл''--"г,''~"~г
нитного поля, которое действует нс заряженные
частицы. Как вы помните, именно электроны и про-
тоны обладают зарядом: электрон — отрицатель-
ным, а протон — положительным.
КАК УВИДЕТЬ ЧАСТИЦЫ?
Частицы ускоряются до скорости, близкой к скорости света, а ло-
том либо ударяют в неподвижную мишень, либо сталкиваются друг
с другом. Столкновение частиц мы, конечно, не можем увидеть
глазами. Для этого придуманы специальные приборы — детекторы.
Они регистрируют, то есть обнаруживают и показывают нам, ча-
стицы, которые вылетают при таких столкновениях, и измеряют их
импульс и энергию.
ЧАСТИЦЫ
СТАЛКИВАЕМ!
ЧЕМ ВЫ ТАМ
ЗАНИМАЕТЕСЬ В
КОЛЛАЙДЕРЕ?
ЭЛЕМЕНТАРНЫЕ ЧАСТИЦЫ

Идею ускорителей люди придумали не
сами, они подсмотрели её у природы.
Да, представьте себе, существуют при-
родные ускорители элементарных ча-
стиц. Давайте посмотрим на звёздное
небо. Оттуда к нам прилетают потоки
быстрых космических частиц, которые
называют космическими лучами. Это
поток заряженных частиц, которые раз-
гоняются до высоких энергий магнитны-
ми полями в нашей Галактике и даже
за её пределами и прилетают к нам на
Землю У Земли есть магнитное поле,
которое улавливает эти частицы и по-
ворачивает их лоток в сторону полю-
сов. На полюсах мы можем наблюдать
эти самые заряженные частицы, которые
врезаются в атмосферу и заставляют
её светиться. Этот свет мы называем
полярным сиянием
КАК УВИДЕТЬ ЧАСТИЦЫ?
г
Северным это сияние люди назвали
потому, что раньше его наблюдали
вблизи Северного полюса. Но точно
такое же сияние есть и вблизи Юж-
ного полюса, однако в высоких южных
широтах почти никто не живёт, так что
наблюдать его некому.
Частицы, которые прилетают к нам из
космоса, это, как правило, те же са-
мые электроны и протоны, из которых
состоят атомные ядра. Наблюдать
в космических лучах можно и пи-
мезоны — те самые частицы, которые
служат обменными силами в атомных
ядрах, и, как выяснилось, многие дру-
гие элементарные частицы.

ЭЛЕМЕНТАРНЫЕ ЧАСТИЦЫ
НОВОЕ ЯДРО
IflHIIl.
rami
ГЯВЖ1
ТЯЖЕЛО
Многие тяжёлые химические
элементы радиоактивны. Они имеют
конечное время жизни и распадаются
на более лёгкие. Их ядро просто
разваливается на несколько частей
или испускает альфа-частицы. п
О
о
Оказолось, что многие частицы живут не вечно,
они распадаются. То есть тяжёлая частица рас-
падается на более лёгкие. Поскольку ядро —
это тоже частица, оно может распадаться Лег-
кие ядра, как правило, стабильны, а вот тяжё-
лые, в которых много протонов и нейтронов,
живут не вечно и распадаются. Это называется
явлением радиоактивности

ОБРАТНО
И ВСЕ-ТАКИ,
МОЖЕТ,
СНОВА? _
СТАНУ-КА
ПРОТОНОМ!
ИСТИЦЫ ТОЖЕ о
РАСПАДАЮТСЯ!
Когда учёные создали разнообразные
приборы, чтобы наблюдать атомный мир,
выяснилось, что элементарные частицы
могут распадаться точно так же. как хи-
мические элементы. Например, хорошо
известный нам нейтрон живёт не вечно, а
распадается в среднем через 15 минут.
«Почему же тогда атомные ядра живут
так долго, если жизнь нейтронов, из ко-
торых они состоят, такая короткая?»: —
спросите вы. Оказывается, нейтрон рас-
падается так быстро только в свободном
состоянии, то есть когда он один и ни с
кем не взаимодействует. Внутри ядра, где
нейтрону приходится взаимодействовать
с протоном, он ведёт себя несколько по-
другому. Нейтрон превращается в про-
тон, а затем протон опять превращается
в нейтрон. За счёт таких взаимных пре-
вращений эти частицы существуют в ядре
стабильно.
БА-БАХ!
Чем-то нейтроны похожи нс некоторых лю
дей: когда они одни, им нечем заняться,
они скучают и постепенно теряют смысл
существования и распадаются. Но стоит
им попасть в компанию друзей — прото-
нов, их уныние тут же исчезает, они на-
чинают играть мячиками пи-мезонами, «со-
циализируются» и живут долго.
ЭЛЕМЕНТАРНЫЕ ЧАСТИЦЫ	в»
по вернемся к одинокому, «загрустившему» нейтрону.
В конце его короткой жизни он распадается на протон и
электрон. Протон имеет положительный заряд, а электрон
отрицательный, поэтому они отлично уравнивают свои за-
ряды и составляют электрически нейтральный нейтрон.
Как и у всех частиц, у нейтрона есть энергия По логике
^ещей, после распада нейтрона эта энергия должна раз-
деляться между протоном и электроном. Но когда учёные
стали измерять энергию распавшихся частиц, то обнаружи
ли, что баланс не сходится. То есть либо нарушается за-
кон сохранения энергии, либо мы что-то неправильно по-
нимаем в распаде такой частицы, как нейтрон.
Надо заметить, что закон сохранения энергии до
того момента считался очень строгим законом,
который никогда не нарушается. Энергия не
исчезнуть, она лишь может переходить из одной
формы в другую. Поэтому отказываться от закона
сохранения энергии учёным очень не хотелось.
I
ЧАСТИЦЫ ТОЖЕ РАСПАДАЮТСЯ!
Вместо этого они предположили, что
хранения энергии всё-таки работает,
наши детекторы не видят какую-то третью ча-
стицу, которая образуется во время распада
нейтрона. Как правило, детекторы регистрируют
частицы, которые имеют электрический заряд,
значит, предполагаемая частица может быть
электрически нейтральной. И действительно,
очень скоро токая частица была открыта, Её на-
звали нейтрино, то есть маленький нейтаончик.
Оказалось, что эта частица очень лёгкая, замет-
но легче всех остальных частиц, даже электрона.
закон со-
просто
НЕЙТРИНО
р+
ri

ПОЧЕМУ ЖЕ ЭЛЕМЕНТАРНЫЕ ЧАСТИЦЫ
РАСПАДАЮТСЯ? ЧТО ДВИЖЕТ ЭТИМ ПРОЦЕССОМ?
Оказолось, что за это ответственны но-
вые фундаментальные силы или новые
взаимодействия. То есть помимо трёх
типов взаимодействия, о которых шло
речь выше, имеется еще одно, ответ-
ственное за распад частиц. В силу его
относительной малости его называют
слабым взаимодействием Слабое вза-
имодействие — это ещё одно фунда-
ментальное взаимодействие в природе
Распад нейтрона — это пример слабо-
го взаимодействия. Этому взаимодей-
ствию подвержены все частицы. Тяжёлые
частицы распадаются на более легкие,
а те. в свою очередь, распадаются на
еще более лёгкие и так до самых лёг-
ких, которым уже некуда распадаться,
и поэтому они являются стабильными
частицами. Стабильных частиц совсем
немного, это электрон, протон и
трино.
ЭЛЕМЕНТАРНЫЕ ЧАСТИЦЫ
ПРОТОН
НЕЙТРОН
ЭЛЕКТРОН
НЕЙТРИНО

стабильная частица
распадается за 9 минут
стабильная частица
электрически нейтральная
Из этих частиц состоят
все атомы и всё, что мы видим
во Вселенной
ФОТОН
ПИОНЫ
ней-
квант электромагнитного
поля (квант света)
или п_мезоны (л+, л , л"),
ими обмениваются протоны
и нейтроны в ядре
ЭЛЕМЕНТАРНЫЕ ЧАСТИЦЫ
НЕЙТРИНО
МАЛЕНЬКАЯ
ЗАГАДКА
Нейтрино — частица-призрак, которая
проникает сквозь любые препятствия. Пря-
мо через вас в данную минуту пролетают
миллиарды нейтрино, а вы этого даже не
замечаете. Нейтрино очень сложно за-
держать или отклонить с пути, поэтому
они беспрепятственно путешествуют по
Вселенной. Рождаются нейтрино в резуль-
тате термоядерных процессов в недрах
звёзд, поэтому могут многое рассказать
об этих далёких космических объектах.
Точно такой же процесс происходит и на
Земле в ядерных реакторах. Существуют
и атмосферные нейтрино, которые обра-
зуются от распада пи-мезонов в космиче-
ских лучах.
Чтобы поймать нейтрино на Земле, учё-
ные научились строить специальные уста-
новки глубоко по землёй или в толще
воды. Это сделано для того, чтобы изба-
виться от фона космических лучей.
В отличие от других частиц, нейтрино
практически не взаимодействует с веще-
ством, поэтому они обладают большой
проникающей способностью. Но как же
всё-таки зарегистрировать нейтрино?
44
НЕЙТРИНО - МАЛЕНЬКАЯ ЗАГАДКА
Дело в том, что, взаимодействуя с ядрами
атомов и вызывая процесс типа распада ней-
трона или обратный ему процесс электрон-
ного захвата, нейтрино способствуют пре-
вращению одного химического элемента в
другой. И хотя такие процессы очень редки
и происходят нечасто, их всё-таки удаётся
зарегистрировать. Так мы получаем информа-
цию о свойствах этой частицы.

С помощью нейтрино мы изучаем
Солнце — наше главное светило.
Нейтрино становится нашим про-
водником в самые дальние уголки
Галактики и за ее пределы, помо-
гая разобраться в процессах,
происходящих в космосе.
45
ЭЛЕМЕНТАРНЫЕ ЧАСТИЦЫ
АЛФАВИТА НА ВСЕХ
НЕ ХВАТИТ
КАК И ПОЧЕМУ
КЛАССИФИЦИРУЮТ ЧАСТИЦЫ

о
о
Очень скоро столо понятно, что не только нейтрон,
но и пи-мезон распадается с образованием нейтри-х'
но. Пи-мезоны, которые живут внутри атомного ядра,
прилетают к нам также и из космоса в потоке кос- Z
мических лучей. Они тоже имеют ограниченное вре- ''
/ия жизни и распадаются — на электрон, нейтрино и
ещё некую новую частицу.
АЛФАВИТА НА ВСЕХ НЕ ХВАТИТ
В тех же космических лучах была
открыта и эта новая частица, её
назвали мюон [тоже греческая бук-
ва — р). Мюон по всем своим
свойствам оказался очень похож на
электрон, но тяжелее его в 200 раз.
Открытие мюона показало, что ча-
стиц намного больше, чем мы пред-
полагали раньше, и неясно, сколько
ещё их может скрывать Вселенная.
Тогда учёные стали внимательно изу-
чать космические лучи и строить но-
вые, более мощные детекторы. При
этом научному миру пришлось стол-
кнуться с другой проблемой —
атмосферой. Дело в том, что кос-
мические лучи поглощаются нашей
атмосферой, в которой многие ча-
стицы просто распадаются и до
Земли не долетают. Чтобы изучать
потенциально новые частицы, кото-
рые живут короткое время, нужно
по возможности выйти за пределы
атмосферы. Тогда детекторы стали
поднимать на высокогорье, поме-
щать на зонды и воздушные шары,
чтобы выйти за пределы плотной
земной атмосферы. В конце кон-
цов нашли самый оптимальный ва-
риант, которым пользуются по сей
день, — спутник. Теперь детекторы
устанавливаются на спутниках, ко-
торые запускаются в космос.
ЭЛЕМЕНТАРНЫЕ ЧАСТИЦЫ
Детекторы, которые регистрируют элемен-
тарные частицы, есть и на Международной
космической станции. Они измеряют потоки
космических лучей И Ищут следы новых, не-
известных нам частиц.
48
ИЗВЕСТНО
около 150.
ЭЛЕМЕНТАРНЫХ
частиц, и Число ИХ
к ВОЗРАСТАЕТ >
АЛФАВИТА НА ВСЕХ НЕ ХВАТИТ
Кроме того, физики начали искусственно
создавать новые частицы но Земле, стал-
кивая в ускорителях уже известные нам
электроны и протоны Новые частицы по-
прежнему назывались греческими буквами,
так что в итоге почти весь греческий ал-
фавит пошёл в дело — вот сколько новых
частиц учёным удалось открыть! На сегод-
няшний день известно около 150 элемен-
тарных частиц, и число их возрастает. Все
эти частицы оказались тяжёлыми и коротко-
живущими. В конечном счёте все они рас-
падались, и оставались только стабильные
частицы: протоны, электроны и нейтрино
Важно понимать, что родившиеся
пои столкновении протонов или
электронов на ускорителях частицы не содержатся внутри сталкива-
ющихся частиц, а родились из кинетической энергии столкновения.
Это тоже свойство квантового мира, акие процессы были бы не-
возможны в классической физике. Для понимания этого явления
учёным пришлось сделать ещё один шаг и пойти дальше квантовой
механики. Рождение и исчезновение элементарных квантов стало
возможным с осознанием того, что все частицы являются квантами
некоторых полей, наподобие электромагнитного Кванты поля могут
рождсться и исчезать, их число не сохраняется. Это происходит в
результате взаимодействия различных полей, что отличает квантовые
поля от квантовой механики, где число частиц не меняется.
КЛАССИФИКАЦИЯ
ЭЛЕМЕНТАРНЫХ
ОТМЕТИМ
ПРЕЖДЕ ВСЕГО,
-ЧТО СУЩЕСТВУЮТ
РАЗЛИЧНЫЕ УРОВНИ
ПОДОБНОЙ
КЛАССИФИКАЦИИ.
Я Когда открытых элементарных частиц ста-
ло много, возникла задача их классифика-
ции. Естественно, -озникает вопрос: зачем
природе нужно такое количество частиц и как
их классифицировать? Например, когда появля-
лись новые химические элементы, они занимали
положенные места в таблице Менделеева,, со-
ставленной согласно периодическому закону.
Предпринималось много попыток классифициро-
вать элементарные частицы, и в результате
такая классификация возникла.
ОНИ СВЯЗАНЫ С РАЗЛИЧНЫМИ СВОЙСТВАМИ
ЧАСТИЦ И С ИХ ОТНОШЕНИЕМ К РАЗНЫМ
ВЗАИМОДЕЙСТВИЯМ
Во-первых все частицы делятся на два клас-
са. Их называют бозонь/ и фермионы.
За обоими этими названиями стоят два имя
собственных. Фермионы названы в честь ита-
льянскою физика Ферми, название бозоны
восходит к имени индийского физика Бозе.

КЛАССИФИКАЦИЯ ЭЛЕМЕНТАРНЫХ
ЧАСТИЦ
О
| БОЗОНЫ
ФЕРМИОНЫ fty
Фермионы и бозоны сильно отличаются друг от друга, и это
различие связано с наличием у них различного собственного
момента импульса. Дело в том, что элементарные части-
цы напоминают собой вращающиеся волчки. Но поскольку у
частиц нет ни формы, ни размера, у этих волчков нет класси-
ческого описания, иначе, чтобы получить правильное значение
момента импульса, пришлось бы предположить, что вращение
происходит со скоростью, большей скорости света
о
ПОЙДЁМ.
ДРУЖИЩЕ1
Поэтому собственный момент импульса,
называемый спином, есть чисто квантовое
явление. В квантовом мире момент импульса,
соответствующий этому вращению, квантован
то есть может принимать только определённый
дискретный набор значений.
Ток бот у фермионов спин полуцелый, о
у бозонов — целый, в единицах, принятых в
атомной физике. Спин протона и нейтрона,
например, равен '/2, а пи-мезона — нулю.
Электрон и мюон тоже являются фермиона-
ми, их спин тоже равен ’/2, а фотон — бо-
зон, его спин равен 1.
БОЗОНЫ — коллективисты,
они предпочитают группи-
роваться друг с другом, в то
нремя как ФЕРМИОНЫ инди-
видуалисты, они никогда не
занимают одно и то же ме-
сто, они не могут находиться
в одном состоянии, например
иметь одинаковую энергию

VW
о

ЭНРИКО
ФЕРМИ
ЭЛЕМЕНТАРНЫЕ ЧАСТИЦЫ
Поскольку электрон является фермионом, то
в атоме два электрона не могут иметь одинако-
вую энергию, то есть находиться на одной полке
в нашей аналогии с книжным шкафом. (Строго
говоря, поскольку электрон имеет спин, равный
’/2, этот спин может иметь проекцию спина на
направление движения, равную ±’/2, то есть име-
ются два разных состояния, которые могут иметь
одинаковую энергию, поэтому на нижней полке
могут находиться два электрона На более высо-
ких полках электронов и того больше, поскольку
они могут иметь разный орбитальный угловой
момент и этим отличаться друг от друга.)
ЦЕЛЫЙ СПИН легко представить — бозоны
должны повернуться на 360°, чтобы вернуть-
ся в начальное положение. Фермионам, обла-
дающим спином, равным 16, необходимо для
этого сделать два полных поворота.
_ О
АДРОНЫ И ЛЕПТОНЫ
ЧОСТИЦЬ


СТЬ/ЮТ Ё
ча.-тииь участи
п	[Tint
1ЧНЫЛ В.ТОкУ-ЛййёйС.ТВиЯ:
“ тмв^тоиионногл в:
ки эарявдмнЩа чр
отк/тмам £ заимел ей с
а Слабом взанчЮде^
| МОМ?ВОС*ЮМ СИЛЬНЫМ
действии участвует tithw.it часть числи
воют адронами гречесгогп zpdeo
сильный Чистив цйТОрыт не ужзСТвуКИ п СНГ
Мм йэрн^ьдейсгамы нцзыдсютсй лептонами
гречихагй слом Xjstwc — л&гкий.
 канмо-
Ъ HQJtJ
Из упомянутых
ранее частиц J
к ЛЕПТОНАМ относятся
ЭЛЕКТРОН, МЮОН и
НЕЙТРИНО.
Все они являются -
ФЕРМИОНАМИ. 1
5г
С адронами же
ситуация намного
сложнее.
а
КЛАССИФИКАЦИЯ ЭЛЕМЕНТАРНЫХ ЧАСТИЦ
БАРИОНЫ
мезоны
Вновь открытые адроны принадлежат к
двум семействам, их называют бари-
онами и мезонами Уже знакомые
нам протон и нейтрон — это барионы,
о пи-мезон — это мезон. Эти два се-
мейства частиц имеют существенное
различие барионы — это фермионы,
а мезоны — бозоны.

ЭЛЕМЕНТАРНЫЕ ЧАСТИЦЫ
класси
Интересно, что человеческий глаз
лучше воспринимает немного нарушенную
симметрию. Например, ведущий новостей,
которые идут по телевизору, сидит не
чётко по центру экрана, а немного в
стороне, чтобы зрителям былс приятнее
смотреть телепередачу Гот так устроено
человеческое восприятие
Прежде чем говорить о дальнейшей
фикации элементарных частиц, нужно сделать
небольшое отступление. В физике элемен-
тарных частиц очень важную роль играет по-
нятие симметрии. Вообще, симметрия — это
очень глубокое понятие, которое буквально
пронизывает всю физику элементарных ча-
стиц. Понятие симметрии означает неизмен-
ность чего-либо при каком-либо преобразо-
вании.
Для начала попробуем определить понятие
симметрии с точки зрения нашего обыденно
го опыта Например, мы смотрим на чело-
века: у него есть левая и правая половины
лица, и они абсолютно одинаковы — выхо-
дит, лицо человека симметрично. Симметрия
человеческого лица — это симметрия отра-
жения относительно оси, проходящей через
центр, в случае лица, через нос.
СИММЕТРИЯ
ПО ЦЕНТРУ
НЕ САЖУСЬ!
СИММЕТРИЯ
Симметрия может быть и непрерывной:
можно вращать юлу и не замечать никаких
изменений, потому что она симметрична
относительно поворота на любой угол.
симметрична относительно вращения вокруг оси,
проходящей через её центр Снежинка — это
такой многогранник, его можно поворачивать
на определённые углы, и её вид от этого не из-
меняется. Снежинка имеет ограниченное число
граней, поэтому она симметрична относительно
поворота не на произвольный угол, а на фикси-
рованные значения, например 60 или 120'
Другой пример симметрии, который вам хоро-
шо известен, это снежинка. Красивая снежинка
В физике элементарных частиц тоже
существует много разных симметрий. Ну,
конечно, элементарные частицы — это не
квадратики, треугольники или шарики,
которые можно вращать так, чтобы ничего
изменялось. Это довольно абстрактные
структуры, они не имеют никакой формы.
ЭЛЕМЕНТАРНЫЕ ЧАСТИЦЫ
Например, возьмем протоны и нейтроны, которые
находятся внутри атомного ядра. Они различают-
ся тем, что у одного есть электрический заряд, а у
‘другого его нет, также у них немножко различаются
массы — нейтрон чуть-чуть тяжелее, чем протон. Но
если мы говорим про ядерные силы, то есть про
обмен пи-мезонами, нам совершенно неважны ни
гравитация, ни электромагнитные силы. Это означа-
ет, что мы можем пренебречь небольшой розницей
масс и электрическим зарядом. В таком случае эти
две частицы становятся как бы неразличимыми. Зна-
чит, мы можем легко заменить протон на нейтрон,
и ничего не поменяется — это и будет симметрия
относительно вращений в некоем воображаемом
пространстве В математическом описании ей со-
ответствует группа симметрии, называемая группой
унитарной симметрии SU(2)
Ядро можно представить как объект,
состоящий из двух частиц, которые могут
переходить друг в друга и при этом ничего
не меняется. Получается, чтобы описать
ядерные силы, очень удобно использовать
симметрию, о которой мы говорили.
ПОМЕНЯТЬ
ПРОТОН НА НЕЙТРОН!
СИММЕТРИЯ
K*4us)
частиц
ОКТЕТ МЕЗОНОВ
БАРИОННЫМ ДЕКУПЛЕТ
Точно так же, если рассмотреть
все имеющиеся барионы или мезоны
и пренебоечь различием их масс и
электрических зарядов, то они группи-
руются в семейства. От перестановки
этих частиц внутри семейства также
ничего не меняется. Стало быть, мы
имеем дело с симметрией относитель
но некоторых преобразований более
широких, чем замена прогонов на
нейтроны. Чтобы понять, что это за
симметрия, нужно посмотреть, какие
семейства взаимозаменяемых
существуют
Оказалось, что мезоны группиру-
ются в семейства из девяти частиц, а
барионы — из восьми и десяти. При-
меры таких семейств представлены
на рисунке. Все частицы из одного
семейства имели бы одинаковые мас-
сы, если бы симметрия была точной.
Она, одноко, нарушается, что не при-
водит к разрушению семейств, кото-
рые содержат все возможные частицы
и правильно передают их свойства
Осталось понять, какая математиче-
ская конструкция, называемая группой
симметрии, обладает такими семей-
ствами И такая группа была найдена!
Она называется группой унитарной
симметрии SU(3) Теперь все суще-
ствующие барионы и мезоны попада-
ли в семейства этой группы, о неза-
полненные место соответствовали ещё
не открытым частицам И эти частицы
вскоре были найдены Повторилась
история с таблицей Менделеева!
ЭЛЕМЕНТАРНЫЕ ЧАСТИЦЫ
Для удобства попробуйте представить себе матреш-
ку. Атом будет самой болвшой матрёшкой, внутри
него прячется матрёшка поменьше — ядро Вокруг
ядра электроны, а само оно состоит из протонов и
нейтронов — следующей матрёшки. t .
Это подсказало
физикам идею, что
мезоны и барионы
являются состав-
ными частицами,
причём мезоны
построены
из двух состав-
ляющих, а барионы
к из трёх.
Однако математика приготовила нам ещё один сюрприз.
Наименьшим семейством группы симметрии SU(3] являет-
ся тройка, И оказывается, что все остальные семейства
можно получить, просто перемножая по определённым
правилам из теории групп эти тройки, причём, чтобы по-
лучить девятку, нужно перемножить тройку и антитройку:
3 х 3 = 1 +8, о чтобы получить восьмёрки и десятки, нужно
перемножить 3 тройки: 3x3x3=l+8+8+IO
СИММЕТРИЯ
Открываем этот слой, и выясняется, протоны и
нейтроны, а также все остальные барионы и
мезоны, о которых мы говорили, тоже имеют
сложную структуру, прячут б себе ещё матрёшку
Открытие этой сложной структуры позволит нам
понять свойства всех частиц.
Но всё это были лишь предположения, основан-
ные на сложных математических построениях
Необходимо было подтвердить их эксперимен-
тами было решено повторить эксперименты
Резерфорда 1911 года на ускорителях, только
вместо фольги использовать протоны, а вместо
альфа-частиц — электроны. Электроны ускоря-
лись. ударялись в протоны и разлетались в сто-
роны. Когда на детекторах посмотрели на угло-
вое распределение разлетающихся электронов,
то оказалось, что электроны рассеиваются так,
будто внутри протона существует три центра.
Эти три центра стали ассоциировать с тройками
из группы симметрии, и родилось понятие того,
что протон и нейтрон, а также другие частицы
состоят из более мелких составляющих Эти со-
ставляющие получили название кварки
СТРАННЫЙ
Считалось, что кварко? гри штуки, их на-
звали верхний кварк нижний квада
и странный кварк Из них, как из ку-
биков, можно построить все элементар-
ные частицы Протон строится из двух
верхних кварков и одного нижнего Ней-
трон строится из двух нижних и одного
верхнего Некоторые другие частицы
гггроятся не юлькс из верхних ищлжник
_но и из странны.^ парков. "
Сам писатель, похоже, описал этим словом кри
ки, которые издают чайки. Однако внутри про-
тонов и нейтронов оказалось как раз по три
кварка — удобно получилось, правда?
ВЕРХНИЙ,
нижний,*!
Jto странное слово - кварки, на некоторых
языках означает «творог», на других — «чепу-
ха». Но физики позаимствовали это название
у ирландского писателя Джеймса Джойса, в
одном из его стихотворений была строчка.
«Эй, три кварка для мастера Марка!»
НИЖНИИ
Протоны и нейтроны, которые образуют
атомные ядра, а также другие элементарные
частицы, которые прилетают к нам из
космоса или рождаются на ускорителях,
состоят из более мелких составляющих,
называемых кварками.
ТРИ КВАРКА
ДЛЯ МАСТЕРА MAPKAI
СТРАННЫЙ
ПРЕЛЕСТНЫЙ'
ИСТИННЫЙ
верхний, нижнии, странный
Как мы увидим ниже, кварки обладают особым 31
рядом, который называют цветным. Все сходится..,
Но затем открыли пятый — прелестный кварк
И наконец, появился шестой кварк, который стал
называться истинным кварком
Название «странный» третий кварк получил благодаря ча-
стицам К-мезонам и лямбда-гиперонам, которые странно
вели себя в космических лучах. Они распадались то на
две частицы, то на три Чтобы построить эти частицы, пона
добился как раз третий странный кварк.
Возникает естественный вопрос, а сколько же всего
кварков существует, не появятся ли новые кварки с
увеличением энергии сталкивающихся частиц? По-
разительно, но на этот вопрос можно ответить, ана-
лизируя экспериментальные данные по рождению уже
открытых частиц. Дело в том, что вероятность их рож-
дения зависит от наличия всех возможностей, вклю-
чая гипотетические новые тяжёлые кварки. гак вот, из
имеющихся экспериментальных донных следует, что
кварков, обладающих уже знакомыми нам свойствами
всего шесть. Из шести типов кварков состоят те эле-
ментарные частицы, которые рождаются на ускорите-
лях и прилетают к нам в космических лучах
Играй же на разрыв аорты.
С кошачьей головой во рту, yrj.
Три чёрта было — ты четвёртый, г'-Ф „
Последний чудный чёрт в цвету.	^4
и _	ОЧАРОВАННЫЙ
Изначально полагали, что существует только три кварка, о
котооых мы сказали, и из них строятся все частицы. Одна-
ко скоро на ускорителях был открыт четвёртый кварк, его
назвали очарованным кварком И здесь на ум приходит
пророчество Мандельштама, который писал в одном из
своих стихотворений
ЭЛЕМЕНТАРНЫЕ ЧАСТИЦЫ
На вопрос о том, сколько типов кварков может быть, нам
также помогает ответить наука, которая долгое время счи-
талось довольно абстрактной. Это наука космология,
которая изучает развитие Вселенной. Изучая эволюцию
Вселенной, мы можем ответить на вопрос, какие элемен-
тарные частицы в каком количестве присутствовали на
ранних стадиях существования нашего мира. С момента,
когда случился Большой взрыв, Вселенная расширялась,
но состав её частиц не менялся. Так вот, изучая темпе-
ратурные флуктуации космического реликтового микро-
волнового излучения, было обнаружено, что спектр этих
флуктуаций правильно воспроизводится, если число типов
нейтрино равно трём. Ниже мы вернёмся к этому вопро-
су, а пока заметим, что число три соответствует трём
поколениям кварков и лептонов. Будь это не так, вся Все-
СЕГОДНЯ
ленная развивалась бы по-другому.
Понятие элементарных частиц подразумевает то, что
они являются уже неделимыми и фундаментальными
объектами, из которых всё строится. Однако, как вид-
но, с развитием науки и появлением новых открытий
это понятие меняется. В частности, протон мы когда-то
называли элементарной частицей, а теперь говорим,
что протон сам состоит из кварков. Само слово «эле-
ментарные» стало характеристикой кварков. Может
оказаться, что
в этой цепи и
прячет в себе
и кварки не являются последним звеном
что матрёшка, о которой мы говорили,
новые слои.
3 МИН
НАЧАЛО
ОТСЧЁТА
ОДНА
СЕКУНДА
ВРЕМЯ	10 й СЕК 10 б СЕК
ТЕМПЕРАТУРА щ»|С
10й К
10е к
300 ТЫС. ЛЕТ
10000 к
ВЕРХНИЙ,
Г	А
JL	у -J----- =s-
Дальше возникает вопрос; почему адроны,
мезоны и барионы не рассыпаются, почему
протон — это такая стабильная, устойчивая ча-
НИЖНИЙ, СТРАННЫЙ...
стица, которая, возможно, живёт вечно или, во
всяком случае, живёт очень-очень долго? Это
всё очень похоже на атомное ядро, которое
оказывается устойчивым потому, что существуют
ядерные силы, удерживающие протоны и ней-
троны вместе. Для адронов тоже требуются
специальные новые силы, которые удерживают
кварки и не дают им разлететься. Такие силы
действительно существуют, физики называют их
сильными взаимодействиями Ранее мы
называли сильными взаимодействиями ядерные
силы, но оказалось, что поскольку адроны яв-
ляются составными частицами, то ядерные силы
следует рассматривать как вторичные силы, а
истинно фундаментальными взаимодействиями
являются взаимодействия между кварками. Они,
как и ядерные силы, осуществляются обменом
некой частицей. Эта частица называется глю-
он. Glue в переводе с английского «клей>.
Кварки как бы склеиваются глюонами.
1 МЛРД ЛЕТ
20 К
63
Глюоны связаны с новой симме-
трией, которая возникает в мире
кварков. Дело в том, что элемен-
тарные частицы обладают рядом
характеристик, которые принято на-
зывать квантовыми числами.
Если пи-мезоны — это мячики,
которыми играют протоны и
нейтроны, то глюоны — это клей,
который скрепляет кварки.
А\'”’
ЭЛЕМЕНТАРНЫЕ ЧАСТИЦЫ
Смотри
экскурсию
еОИЯИ
Разумеется, это условное обозначение, не
имеющее никакого отношения к реальным
цветам, которые мы встречаем в природе.
Каждый кварк обладает таким цветным заря-
дом Если у кварков, из котооых состоит про
тон, поменять заряды, то сам протон никак
не изменится Вообще, все адроны, состоя-
щие из кварков, не имеют цветного заряда
По аналогии с обычным цветом они являются
«белыми», то есть цвета кварков внутри адро
на компенсируют друг друга. Это свойство
является точным, и вытекает оно из новой
Эти характеристики принимают некие фиксированные
значения. Например, электрический заряд может быть
равен +1, -1, +2, -2 и так далее. Разные характеристи-
ки связаны с различными взаимодействиями. Масса —
это характеристика гравитационных взаимодействий, элек-
трический заряд связан с электромагнитными взаимодей-
ствиями Есть характеристика и у сильных взаимодействий,
которые происходят между кварками. Она тоже называ-
ется зарядом Этот заряд определяет тот клей, которым
кварки связаны друг с другом.
симметрии, связанной со специальным цвет-
ным зарядом, а из этого следует существова-
ние частиц-переносчиков заряда — глюонов.
Оказалось, и это есть экспериментальный
факт, что группа цветовой симметрии всё га
же группа унитарной симметрии SU(3), толь-
ко теперь она связана не с типом кварков, а
с их цветом. Из структуры этой группы следу-
ет, что глюоны тоже имеют цветной заряд и
их ровно восемь.
заряд
анти-	анти-,
синий	красный
Если электрический заряд принимает
два значения: «+» и «-», то кварковый
заряд принимает три значения.
Их принято обозначать цветами:
красным, синим и зелёным.
это
ПРОТОН
НЕЙТРОН
мы уже
взаимодействием, о котором
говорили.
верхний, нижнии, странный
у кварков также есть электрический заряд, но
он не равен целому числу и всегда кратен Уз.
Чтобы получился протон, заряд которого всегда
+ 1, нужно взять два кварка с зарядом +2/з и
один кварк с зарядом -Уз.
Кварки одного сорта переходят в квор
ки другого сорта, а вслед за ними и
частицы, которые из них сделаны, тоже
превращаются друг в друга. Это ин-
тересное свойство частиц связано со
слабым
Все частицы, о которых мы говооили до
го, могут существовать в природе в свободном
виде Кварки же постоянно спрятаны внутри
протона и никогда не появляются наружу Мы
знаем, что они заключены в протоне, но наблю-
дать их по отдельности не можем. Это свойство
кварков называется «удержанием» или «пленени-
ем» кварков внутри адронов Детальный меха-
низм этого пленения до сих пор не понят.
Заряд протона = 2 х заряд и-кварка (+%) + заряд d-кварка (-%) = +'
АНАЛОГИЧНО
Заряд нейтрона = 2 х заряд d-кварка (-Уз) + заряд и-кварка (%) = О
Все кварки имеют цветной
заряд, а частицы, состоящие из
кварков, этого заряда не имеют.
Из шести существующих кварков
могут быть построены различные
частицы, и, как правило, они
оказываются нестабильными.
ЭЛЕМЕНТАРНЫЕ ЧАСТИЦЫ л0	°о
Причём слабое взаимодействие адронов обусловлено слабым взаимодей-
ствием кварков, из которых они сделаны. Слабое взаимодействие тоже
связано с группой перестановочной симметрии, только теперь мы гово-
рим не о перестановке протона и нейтрона, а о перестановке верхнего
и нижнего кварков. Это всё та же группа унитарной симметрии SU(2)
Слабое взаимодействие осуществляется обменом переносчиками слабого
КВАРКИ
и нижнии
Они тоже были открыты на ускорителе
(d) кварки, электрон и элек
Помимо кварков, существуют и другие фундамен-
тальные, неделимые объекты. Это лептоны. Мы уже
говорили об электроне и мюоне — его родном
брате, который тяжелее электрона в 200 раз Есть
и третья такая частица, её называют таон (гре-
ческая буква тау — т) юон более чем в тысячу
раз тяжелее мюона. Также, как выяснилось, не все
нейтрино одинаковы. Существуют три разных типа
нейтрино: мы называем их электронным, мюонным
и таонным, поскольку они рождаются в ассоциа-
ции с соответствующими заряженными лептонами.
Все вместе они образуют группу из шести лепто-
нов — слабо взаимодействующих частиц.
Итак, наш набор истинно элементарных частиц
материи приобрёл следующий вид: имеется шесть
кварков и шесть лептонов. Их принято делить на
три поколения: к первому поколению относятся
верхний (и) и нижний
тронное нейтрино, ко зторому — очарованный (с)
и странный (s) кварки, мюон и мюонное нейтрино
к третьему — верхний (правдивый) (t)
(прелестный) (Ь) кварки, таон и таонное нейтрино
Все три поколения полностью идентичны, но каж-
дое последующее тяжелее предыдущего. Наблю-
даемый нами мир строится из первого поколения
Частицы из второго и третьего поколения неста-
бильны, они распадаются, и образуются частицы
первого поколения.
взаимодействия, которые получили название промежуточных векторных
бозонов, их всего три: два электрически заряженных W‘ и W’ и один ней
ральныр
ГЛ ООН
Ш+-Б030Н
БОЗОН
ZO-БОЗОН
ТАОН
МЮВННПЕ
НЕЙТРИНО
Б030Н1
ХИГГСА’
верхний, нижнии, странный
EtTPDH-HOF
fttPHHD
Все фундаментальные в2Сг«юдействия мл растер*'зукп-
ся радиусом действия и интенсивностью Гравитационные
и электромагнитные взаимодействия имею бесконечный
радиус действия, сильные взаимодействия кварков и глю-
онов действуют внутри адронов, слабые взаимодействия
тоже короткодействующие, их радиус ещё меньше, чем
у сильных. Интенсивности тоже сильно разнятся. Самым
интенсивным является сильное взаимодействие Далее еле
дует слабое, электромагнитное и гравитационное. Если
Таким образом, есть кварки, ответственные за сильные
взаимодействия, есть лепюны, которые в сильных вза-
имодействиях не участвуют, а также частицы, которые
являются переносчиками четырёх фундаментальных вза-
имодействий: фотоны — переносчики электромагнитных
взаимодействий, глюоны — переносчики сильных взаи-
модействий, W и Z — переносчики слабых взаимодей-
ствий. Эти частицы экспериментально обнаружены и
подтверждены. Мы думаем, что и гравитация устроена
так же и переносчиком гравитации является частица
гравитон, но он пока не обнаружен, слишком слабой
оказывается гравитация.
БОЗОНЫ
ЛЕПТОНЫ
ГРАВИТОН

сравнивать гравитационное притяжение и, например, элек-
трическое притяжение или отталкивание, то гравитация но
много-много порядков слабее, чем электрические силы.
67
О
Существование в природе четырёх фундамен-
тальных взаимодействий кажется не случайным.
Если убрать из картины мира хоть одно из
этих взаимодействий, мир перестанет суще-
ствовать в таком виде, как мы привыкли. Не
было бы гравитационного взаимодействия, ни-
что бы ни к чему не притягивалось, и жизнь не
могла бы существовать. Мы бы не притягива-
лись к Земле, Земля бы не обращалась вокруг
Солнца, и самого Солнца не было бы.
Стоит убрать электромагнитное взаимодей-
ствие, и исчезнет свет, Солнце перестанет по-
сылать к нам лучи, и Земля умрёт.
Если бы пропало сильное взаимодействие, то
все атомы распались бы, и ничего бы не удер-
живало кварки в протонах, протоны и нейтро-
ны в ядрах — ничего бы не существовало.
А слабое взаимодействие ответственно за
распад частиц. Вы можете подумать, что его
исчезновение только пойдёт нам на пользу: ча-
стицы будут стабильными и станут жить вечно.
На самом деле это не так, слабое взаимодей-
ствие ответственно за ядерные и термоядерные
реакции, которые идут в недрах Солнца. Это
процессы высвобождения ядерной энергии. По-
этому Солнце — основной источник нашей
энергии; оно греет и питает Землю только
благодаря слабому взаимодействию.
Не исключено, что в природе есть ещё какие-
то взаимодействия, про которые мы пока не
знаем. Могут существовать какие-нибудь прин-
ципиально новые частицы и взаимодействия
между ними. Но кварки и состоящие из них
частицы мы, похоже, открыли все.
ТЕПЕРЬ МЫ ЗНАЕМ ВСЕ?
конечно, можете сказать, что наша
идеальная картина немножко неверна, что
её надо подправить и ввести массы. Но
самом деле, введение масс в уравнения не
просто искажает картину мира, оно прак-
тически разрушает её. Учёные очень долго
думали, как сохранить экспериментально
подтверждённые уравнения, которыми мы
описываем все элементарные частицы, и
при этом ввести массы, отрицать которые
бессмысленно. И решение было найдено!
Нам осталось познакомиться с еше одной
частицей, которая была открыта самой по
следней, но она играет довольно важную
роль в современной картине мира Эта
частица называется бозон Хиггса Та до-
вольно красивая и элегантная математи-
ческая модель миро элементарных частиц,
которая была построена, обладает одним
существенным недостатком. Он состоит в
том, что математические уравнения, ко-
торые описывают элементарные частицы,
подчиняются определённым симметриям.
И эти симметрии препятствуют возникнове-
нию масс у элементарных частиц. То есть [
созданной нами идеальной симметричной
картине все частицы должны быть безмас-
совыми
Мы знаем, что фотон — квант света дей-
ствительно не имеет массы, глюон тоже
безмассовый, о вот остальные частицы
имеют массу. Но идеальная картина гово
рит о том, что у частиц не должно быть
масс, потому наличие массы разрушает
эту самую идеальную картину.
массу кваркам, лептонам и остальным части-
цам. Поле Хиггса, его назвали именно так,
играет огромную роль в современной картине
мира — без него мы бы никак не могли мате-
матически объяснить существование масс
ЭЛЕМЕНТАРНЫЕ ЧАСТИЦЫ
В картину мира было введено новое поле. Это
новое поле обладает интересным свойством —
у него имеется ненулевая классическая состав-
ляющая, которая нарушает симметрию, Именно
нарушение симметрии через взаимодействие
этого поля с остальными полями обеспечивает
Этот сложный теоретический механизм взаи-
модействий был экспериментально проверен.
Теперь подтверждено, что такое поле суще-
ствует не только в воображении учёных, но
и на самом деле. Квант этого поля носит имя
физика Питера Хиггса, предсказавшего его
существование. Бозон Хиггса был рожден
на ускорителях, сейчас его свойства неплохо
изучены.
Эта частица довольно тяжёлая, примерно в
125 раз тяжелее протона, живёт она очень
короткое время и почти моментально рас-
падается Однако свою очень важную роль
бозон Хиггса играет, и путём взаимодействия
с ним возникает масса у всех кварков и леп-
тонов
ТЕПЕРЬ МЫ ЗНАЕМ ВСЁ?
Спектр масс кварков и лептонов простирается от долей эВ
для нейтрино и нескольких МэВ для лёгких кварков до не-
скольких ГэВ для тяжёлых кварков и пептонов и сотни ГэВ для
самой тяжёлой частицы — топ-кварка. Здесь мы используем
энергетические единицы измерения, принятые в физике эле-
ментарных частиц: 1 эВ — это энергия, которую приобретает
электрон, проходя разность потенциалов в 1 вольт. В этих
единицах масса электрона составляет 0,5 МэВа (миллио-
на электроно-вольт), а масса протона почти 1 ГэВ (один
гигаэлектроно-вольт = 1000 МэВ).
Интересно, а как же всё-таки образуются массы
у всех тел? Наше тело имеет определенную мас-
су. а оно состоит из протонов Протоны состоят
из кварков Думаете, что масса протонов — это
сумма масс всех кварков, из которых они состо-
ят? На самом деле это не так. Помимо массы, в
физике существует понятие энергии связи Мы А
уже немного говорили о ней. Например, когда №
взрывается атомная бомба или работает атомная ш
станция, при распаде ядра высвобождается энер- 
гия его связи. С элементарными частицами всё 
происходит ровно так же, между ними есть огром- ft,
ная энергия связи. Поэтому практически вся масса
протона — это энергия связи его кваркоь Масса Н
ядра тоже частично состоит из энергии связи про- 
тонов и нейтронов Именно эта энергия высвобож- W
дается во время ядерного взрыва. Это значит, что “
и масса ядра, и масса атома, и масса человека
определяются энергией связи Весь наш мир скле-
ен из энергии связи между кварками.
Хиггсовский бозон служит также переносчиком
нового взаимодействия между кварками и лепто-
нами Это пятое известное нам фундаментальное
взаимодействие. По радиусу действия и интенсив-
ности оно напоминает нам слабое взаимодей-
ствие, но сила этого взаимодействия пропорцио-
нальна массам участвующих частиц, как для гра-
витации
ЭЛЕМЕНТАРНЫЕ ЧАСТИЦЫ
, БОЗОВ ХИГГСА
De
ЭЛЕКТРОКНСГ
V.
m?mOf
ifBipHHO
Dt
ifHiFMiC lБОзСИ
СТАНДАРТНАЯ МОДЕЛЬ
ФУНДАМЕНТАЛЬНЫХ
ВЗАИМОДЕЙСТВИЙ
Совокупность всех наших знаний
ментарных частицах и их взаимодействиях
воплощена в Стандартной модели фунда-
ментальных взаимодействий, которая была
создана за последние полвека и получила
всестороннее экспериментальное подтвержде-
ние В настоящий момент все явления в мире
элементарных частиц с большой точностью
описываются Стандартной моделью. Оно яв-
ляется квантово-полевой моделью, содержит
кварки и лептоны в качестве фундаменталь-
ных полей материи, которые участвуют в
трех видах взаимодействий: сильном, слабом
и электромагнитном (гравитация не входит в
Стандартную модель!. Все взаимодействия
строятся на основе симметрийных принци-
пов группой симметрии Стандартной моде-
ли является группа SU(3) х SU(2) х U( 1) для
сильных, слабых и электромагнитных взаимо-
действий соответственно. Переносчиками вза-
имодействий служат кванты соответствующих
полей. Группа симметрии слабого взаимодей-
ствия оказывается нарушенной, что достига-
ется введением поля Хиггса. В
кварки и лептоны, а также
промежуточные векторные
бозоны приобретают массу.
Группы симметрии сильного
и электромагнитного взаи-
модействия не нарушены,
поэтому фотон и глюон
остаются безмассовыми.
гаиигоп
результате все
В Стандартной модели кварки
не могут переходить в лептоны
и наоборот, такие процессы
запрещены.
НДАРТНАЯ МОДЕЛЬ ФУНДАМЕНТАЛЬНЫХ ВЗАИМОДЕЙСТВИЙ
Если бы они происходили, то это привело бы к. ^сохранению гак
называемого барионного и лептонного зарядов чсем барионам при-
писывается барионный заряд, а лептонам — пептонный Все квар-
ки имеют барионный заряд, равный ’/з, и леп+Фчный xp-i.il. рг»1*ый
нулю, а пептоны имеют лептонный заряд,
равный 1, и нулевой барионный заряд. За-
| коны сохранения барионного и лептонного
I зарядов не следуют из общих принципов
J симметрии, но надёжно установлены экс-
периментально.
Кроме частиц, в природе существуют
античастицы, составляющие антиматерию
Каждая частица имеет своего партнёра, античастицу,
которая имеет те же самые свойства и ту же массу, что
и обычная частица, но противоположные знаки всех заря
дов. Так, античастицей электрона является позитрон, прото-
на — антипротон, а, например, фотон является античастицей
сам себе, поскольку не имеет никаких зарядов. У кварков и
пептонов тоже существуют соответствующие античастицы. До
сих пор непонятно, является ли нейтрино античастицей самой
свбв ипи это две разные частицы Это нам предстоит узнать.
Существование античастиц следует из ф
уравнений квантовой теории поля, которая
описывает все элементарные частицы От-
сутствие антиматерии в окружающем нас
мире при том, что античастицы всегда рож-
даются на ускорителях в паре с обычными
частицами, объясняется тем, что на ранних
стадиях эволюции Вселенной был нарушен
баланс между частицами и античастицами.
В результате частиц образовалось боль-
ше, чем античастиц, произошла взаимная
аннигиляция, и то, что осталось, образует
современную Вселенную. Причина этого
перекоса между частицами и античастица-
ми, называемая барионной асимметрией
Вселенной, тоже пока является загадкой
Но именно ей мы обязаны своему суще-
ствованию.
сохранение
барионного заряда обеспе-
чивает стабильность протона,
то есть в конечном счёте
стабильность нашего мира.
KBAPKJL,
10В?М
цЛ* Р
ЭЛЕМЕНТАРНЫЕ ЧАСТИЦЫ

УСКОРИТЕЛИ -
ПРОВОДНИКИ В МИР
ФИЗИКИ ЧАСТИЦ /

Главный инструмент изучения миоа
элементарных частиц — это большие
установки, называемые ускорителя-
ми, а также различные детекторы,
которые, как правило, расположены
глубоко под землёй.
Ускорители строятся по следующе-
му принципу сначала, используя
электромагнитное поле, ускоряют
заряженные частицы до больших
скоростей (энергий). Обычно это
происходит в небольшом линей-
ном ускорителе Затем сгустки
частиц впрыскиваются в кольцевой
ускоритель, называемый бустером
В бустере частицы разгоняются ещё
сильнее, магнитное поле их под-
хлестывает, и частицы «бегут» все
быстрее и быстрее. После этого
частицы попадают во второй коль-
цевой ускоритель большего раз-
мера, где они разгоняются до ещё
больших, почти световых, скоростей.
Чтобы добиться очень высоких
энергий и скоростей движения
частиц, ускоритель должен быть
большого размера, иначе не
удержать пучок частиц в кольце.
пу гЩ 00
УСКОРИТЕЛИ - ПРОВОДНИКИ В МИР ФИЗИКИ ЧАСТИЦ
Поскольку чем выше энергия и чем
меньше радиус кольца, тем сильнее
должно быть удерживающее их
магнитное поле, а магнитные поля
имеют ограниченную силу. Если
частицы попадают в маленький
ускоритель с маленьким магнитным
полем, они просто вылетят оттуда.
ЧАСТИЦЫ
Нм-рч
Самый бопцои colр^нвниы-л усксдищль
находи'ПЯ В E№pafll *»чпм. I fipOMflcew
UBHl-pt HjjULhHL II.: LT Ed JB *н.чн |ВД1 tUliHi (I LU
КОЛЬЦ.1 ЦЕЛЫХ 27 KF1> 3tD rxplHLtJM] :л.'1ввтстчувт
КОЛШВЮЙ ПиНгН н, г каве г Г. не’рр
Ес Пн В1*Т* ч4 ЛЙВЯЬФ in tuuuiy ТНДОВ pdL СТсИкке
пепдплч! С> [ДВ"1С it п-ап-ir.n т шстнив
лрррагчт  го 1* дану аяеггув н«пл1К'дду<оы1
Ж, (нйПАнсркунда - эю опмв шеамнм дам Ев«у«п*|
п	прлТСНЫ рп JHtpiHi ZaUTBETH  U p [.. « .
чач wncc прйтп-id Атт вПсп.-чтцци р»Уо(д
и *тмй |*ког*тнлй птн^к^т учат»
нэ десятков стран и етгТвн умнэмсснтитлв и
Уже сейчас планируется построить ускорители
с длиной кольца 50 км и даже 100 км. Ведь если идти
по пути получения всё больших и больших энергий
частиц, то ускоритель должен увеличиваться
в размерах. Либо же нам придётся придумать
какие-то другие принципы ускорения частиц.
После того, кок частицы разогнались до
огромной скорости, на их пути ставится
мишень, в которую они ударяются, либо
осуществляется столкновение двух пучков
частиц, движущихся в противоположных на-
правлениях. Ускорители, в которых частицы
сталкиваются друг с другом, называются
коллайдерами. Почти все современные
ускорители — коллайдеры.
ские ускорн'ь'г1 частиц - это очень дорогостоящие поибооы Только
*е большие с-рдчы могли себе позволить такую роскэшь Ускорители
и:ь в Еврлп* ГМЛ Японии и СССР Последний советский ускоритель
ПН ЙЪЛ r*Ktp®H4 1 ПОПМОСКОВНОМ городе ПрОТДймП и уСкОрЯП JlpdTOHbi
pi-ИН U ТО tlpUtDbWMK (1ЙСС. Когда-ttj 1> был ЕВГШН! большим уСКСфНТНЛГЛ
ио фвтлг пгтиряп свои лидирующие позиции Тепер» стргит+пь стьп
ЛМКзгчН {к^чнвтвлядтся в рамка* международна прмит^ Pi £
н в дJлоге*кн эксплуатируют сообща ученые hj црэн*к стран
УСКОРИТЕЛИ - ПРОВОДНИКИ В МИР ФИЗИКИ ЧАСТИЦ
Электронные и протонные ускорители — это ускорители вы-
соких энергий. Ведь чем больше энергия, тем более тяжё-
лые частицы могут родиться из энергии столкновения, тем
дальше можно продвинуться в изучении тайн природы. Од-
нако можно ускорять любые заряженные частицы, например
ядра тяжёлых элементов. Ускорители, по которым «бегают»
ядра, называются ионными ускорителями. В них с ато-
ма обдирается внешняя электронная оболочка, то самое
электронное облако, и получается заряженный ион
Такой заряженный ион тоже можно ускорять. В мире существует
целая серия ускорителей тяжёлых ионов. Такой ускоритель NICA
недавно был запущен в нашем наукограде Дубне в Объединён-
ном институте ядерных исследований. На нём будут ускорять
ядра золота, свинца и других
тяжёлых
элементов.
нужны ионные ускорители, а не только про-
и электронные? Дело вот в чём: когда мы
Зачем
тонные
сталкиваем два иона, в которых очень много про-
тонов и нейтронов, в момент столкновения возни-
кает колоссальная плотность вещества. Эта высо-
чайшая плотность ядерного вещества встречается
только в нейтронных звёздах. Это очень интерес-
ные объекты, в которых вещество сдавлено грави-
тацией и разогрето до колоссальной температу-
ры. В похожих условиях материя была на ранних
этапах развития нашей Вселенной. Воссоздавая
эти процессы на ионных ускорителях, мы можем
изучать далёкие нейтронные звёзды и отвечать на
вопросы о происхождении нашего мира.
В нейтронных звёздах должны существовать непри-
вычные нам формы вещества, в частности, прото-
ны могут раздавиться, и тогда кварки и глюоны
будут находиться в свободном состоянии. Если
на Земле удастся достичь таких результатов,
это станет настоящим научным прорывом. Поэтому
строительство ионного ускорителя в Дубне — круп-
ный и очень важный международный проект.
77
ЭЛЕМЕНТАРНЫЕ ЧАСТИЦЫ
НУКЛОН
О ВСТРЕЧИ
Конечно, мир элементарных частиц, о кото-
ром мы говорили, очень трудно представить.
Кварки и лептоны невозможно пощупать, их
нельзя увидеть несмотря на то, что они на-
ходятся повсюду. Законы, по которым они
живут, ещё труднее понять, они совсем не
похожи на законы макроскопического мира,
в котором мы живём. Так что нет ничего
страшного в том, что что-то из прочитанно-
го осталось не до конца понятым. Но, если
вы дочитали книгу до этого момента, значит,
было интересно. А если вам было интересно,
то вы обязательно продолжите знакомиться с
миром элементарных частиц. И, может быть,
кто-нибудь из молодых читателей станет уче-
ным-физиком и сделает открытия, которые
пока прячутся от нас так же, как прятались
когда-то кварки и глюоны. Желаю вам удачи!

НЕЙТРОН


ГИПЕРОН
Ж
ГРАВИТОН
МЕЗОН

ЛЕПТОН
СОДЕРЖАНИЕ
Ядро и атом ... 2
Квантовая механика открывает новый мир
Электроны и протоны .. 18
Что такое силы? . 25
Ядерные силы .. 30
Как увидеть частицы?   33
Частицы тоже распадаются!  41
Нейтрино — маленькая загадка .
Алфавита на всех не хватит . 46
Классификация элементарных частиц
Симметрия .. 54
Верхний, нижний, странный.60
Теперь мы знаем всё? . 69
Стандартная модель фундаментальных
взаимодействий .. 72
Ускорители — проводники в мир
физики частиц . 74
До встречи . 78
НЕЙТРИНО
АДРОН
ФОТОН
79
50
МЮОН

ТЁМНАЯ
МАТЕРИЯ
БОЗОН
ХИГГСА
УДК 539 12
ББК 22 382
К14

Серия «Первая энциклопедия с видеоуроками»
«Бейне саба тары бар ал аш ы энциклопедия»- сериясы
Научно-популярное издание
Танымал гылыми басылым
Для среднего и старшего школьного возраста
орта жэне жогаргы местеп жасына арналган
КАЗАКОВ ДМИТРИЙ ИГОРЕВИЧ
ФИЗИКА ЭЛЕМЕНТАРНЫХ ЧАСТИЦ ДЛЯ ЛЮБОЗНАТЕЛЬНЫХ
ЭЛЕМЕНТАР Б0ЛШЕКТЕР ФИЗИКАСЫ 13ДЕН1МПАЗДАР YLUIH
Художник Полина Дронова
Издательство блаюдарит за помощь при подготовке издания сотрудников ОИЯИ, особенно Наталью Заикину,
Дмитрия Дряблова. Дмитрия Золотых
Зав редакцией П Кострикин. Ведущий редактор Т Деркач,
Художественное редактирование, оформление и компьютерная верстка Е Гордеевой
Технический редактор Е Кудиярова. Бильд редактор П. Орлянская Корректор Р Ниэяева
Дизайн обложки и шрифтовая композиция Е Гордеевой
В книге использованы видеоматериалы экскурсии по ОИЯИ, подготовленные Сергеем Добриным
Общероссийский классификатор продукции ОК-034 2014(КПЕС 2008), 58 11.1 — книги, брошюры печатные.
Книжная продукция - Т₽ ТС 007/2011 Произведено в Российской Федерации
Подписано в печать 18 06 2025 г. Дата изготовления июль 2025 г Форма» ЬСх84/8 Бумага офсетная
Печать офсетная Гарнитура heeSet Усл. печ. л. 10 Тираж 25п0 экз. Заказ N'
Адрес места осуществления деятельности по изготовлению издательской продукции:
Российская Федерация, 123112 Москва, Пресненская наб, д. 6, стр 2, Деловой комплекс «Империя», 14,15 Э1аж
Изготовитель: ООО «Издательство АСТ», 129085, Российская Федерация, г Москва. Звездный бульвар, дом 21, строение 1,
комната 705, пом. I, 7 этаж. Наш электронный адрес: ask©ast.ru Home page: www.ast.ru.
Мы в социальных сетях, Присоединяйтесь1
wwwast ru/redactioos/avanta
Q vk.com/ast.deli
a vk.co<n/avantatxx*s
о t.me/astdets
a zen.yandex.iu/asideti
Онд^руид «Издательство ACT» ЖШК 129085, Ресей Фвлерацм*сы, Мескеу, Зйздмый булыюры, 21-уй, 1-курылыс, 705-6*лм*, 1уй-жой, 7-хобот
©him омд|ру хмзмегн жузеге осыру мокенжойы: 123112, Ресей Федероциясм. Мдекоу, Пресненское жат. 6-уй, 2-хур.. «Империя» йжерлй кеия«х 14, 15-хобот
Бгздщ эпектрендыхмекенжаймыз. www.od.ru E-mail askQad.ru. Интернет-магазин: www.booi24.ru Иитернет-дукеи. www.book24.kz
Импортер в Республику Казахстан, дистрибьютор и представитель по приему претензий на продукцию • Республике Казахстан: ТОО «РДЦ-Алматы» Алматы, ул
Домбровского, 3«а». литер Б, офис I.
Казахстан Республиканца импорттаушы дистрибьютор жене Казахстан Республмкосыкда еммге шогымдор хобылдау женждеп еюл «РДЦ-Алмати» ЖШС.
Домбровским кеш.» 3«а», Б литер», офис I. Тел: 8{727) 2 51 59 90.91, факс 8 {727) 251 59 921шк> 107;
E-mail: RDC-AlmalyQebmo.kz, www.book24.kz
HiujiMi 60x84/8. Офсетах басла Офсвттж кргаэ
0нд|р1лгем куй; импде 2025. бжммт жарамдылых мерзи*, шектелмегон
КО TP 007/2011 талоптарыиа сой келед>.
Ресей Федврациясымдо емдртгем
Казаков, Дмитрий Игоревич.
К14 Физика элементарных частиц для любознательных/Казаков ДИ. — Москва Издательство
ACT, 2025 — 79 |1] с.: ил — (Первая энциклопедия с видеоуроками).
ISBN 978 5 271 48721 7
В своей книге -Физика элементарных частиц для любознательных» директор Лаборатории
теоретической физики Объединенного института ядерных исследований (ОИЯИ) Дмитрий Иго
ревич Казаков делится последними научными сведениями о строении атомного ядра и расска
зывает об удивительном мире элементарных частиц материи, управляемых законами квантовой
физики.
Для среднего и старшего школьного возраста	удк 539 12
ББК 22 382
Казаков Дмитрий Игоревич.
Объединенный институт ядерных
исследований (ОИЯИ), г Дубна
http//theor.jinr.ru/-kazakovd/

[Ц[
© Казаков Д.И., текст, 2025
© ООО «Издательство АСТ», 2025
оО
lb8N У78 !> 271-48721 7
785271
487217
МЕЖДУНАРОДНАЯ
МЕЖПРАВИТЕЛЬСТВЕННАЯ
ОРГАНИЗАЦИЯ
I "  : I I ОБЪЕДИНЕННЫЙ ИНСТИТУТ
! 4 I ЯДЕРНЫХ ИССЛЕДОВАНИЙ
НА ПРАВОМ БЕРЕГУ ВОЛГИ, В 120 КИЛОМЕТРАХ ОТ МОСКВЫ, В ГОРОДЕ ДУБНЕ
НАХОДИТСЯ ВСЕМИРНО ИЗВЕСТНАЯ МЕЖДУНАРОДНАЯ НАУЧНО-ИССЛЕДОВАТЕЛЬСКАЯ
организация — Объединенный институт ядерных исследований (ОИЯИ).
Здесь ученые со всего мира на протяжении почти /о лет проводят масш-
табные исследования в области теоретической и экспериментальной
физики элементарных частиц и атомною ядра, новых материалов
и наук о жизни, современной математической физики.
ОИЯИ - МЕСТО, ГДЕ БЛАГОДАРЯ ТАЛАНТУ И ПРЕДАННОСТИ УЧЕНЫХ СВОЕЙ
ПРОФЕССИИ РОЖДАЮТСЯ НОВЫЕ ЗНАНИЯ О ТОМ, КАК УСТРОЕНА МАТЕРИЯ.
К ОИЯИ СОЗДАЮТСЯ И УЖЕ РАБОТАЮТ УНИКАЛЬНЫЕ ИССЛЕДОВАТ ЕЛЬСКИЕ УСТАНОВКИ,
ТАКИЕ КАК УСКОРИТЕЛЬНЫЙ КОМПЛЕКС NICA, ФАБРИКА СВЕРХТЯЖЕЛЫХ ЭЛЕМЕНТОВ,
НЕЙТРИННЫЙ ТЕЛЕСКОП «БаЙКАЛ-ГВД», ИМПУЛЬСНЫЙ РЕАКТОР ИБР-2, ИНФОРМАЦИОН-
НО-ВЫЧИСЛИТЕЛЬНЫЙ КОМПЛЕКС С СУПЕРКОМПЬЮТЕРОМ «ГОВОРУН», И МНОГИЕ ДРУГИЕ
НАУЧНЫЕ ПРИБОРЫ, С ПОМОЩЬЮ КОТОРЫХ В ОИЯИ ИЗУЧАЮТ ВСЕ ТЕ ЯВЛЕНИЯ,
О КОТОРЫХ РАССКАЗАНО В ЭТОЙ КНИГЕ- ЗДЕСЬ ЕЖЕГОДНО УЧЕНЫЕ СО ВСЕГО МИРА
ПРОВОДЯТ ОКОЛО 100 КОНФЕРЕНЦИЙ, СОВЕЩАНИЙ, СЕМИНАРОВ И ШКОЛ, НА КОТОРЫХ
ОНИ ДЕЛЯТСЯ ДРУГ С ДРУГОМ ЗНАНИЯМИ И ГДЕ В НЕРАВНОДУШНЫХ ОБСУЖДЕНИЯХ
И СПОРАХ ФОРМИРУЕТСЯ ОБЩЕЕ ДЛЯ ВСЕХ ПОНИМАНИЕ ТОГО, КАК УСТРОЕН МИР.
В ОиЯИ работает свыше 5000 человек из более чем 30 стран. Это ученые,
инженеры и техники, рабочие, экономисты и юристы - и для всех
НАХОДИТСЯ ИСКЛЮЧИТЕЛЬНО ВАЖНАЯ РОЛЬ В ОБЩЕЙ, КОЛЛЕКТИВНОЙ РАБОТЕ,
РЕЗУЛЬТАТЫ которой позволяют расширять границы познанного. Эта работа
НЕЛЕГКАЯ. НО ИСКЛЮЧИТЕЛЬНО ИНТЕРЕСНАЯ- МЫ НАДЕЕМСЯ. ЧТО ЭТА КНИГА ПОМОЖЕТ
ЧИТАТЕЛЯМ ОЩУТИТЬ ОЧАРОВАНИЕ СОПРИЧАСТНОСТИ К НАУКЕ, ВДОХНОВИТЬСЯ
И ОСМЕЛИТЬСЯ СВЯЗАТЬ СВОЮ ЖИЗНЬ С МИРОМ НАУКИ.
wwwast.ru/redactionszavanU
2 vk-com/ast-deb
Q vk conVavantabooks
1t meastdeti
□ zen.yandex.ru/astdeta
Присоединяйтесь к нам!
Как устроен атом? Что такое квантовая механика? Какие законы
действуют в квантовом мире? Как увидеть элементарные частицы?
Что ускоряет ускоритель? Как живут и распадаются элементарные
частицы? Как поймали частицу-призрак - нейтрино? Сколько сейчас
известно элементарных частиц? Что такое бозоны и фермионы, адроны
И ЛЕПТОНЫ, БАРИОНЫ И МЕЗОНЫ? ЧТО БУДЕТ, ЕСЛИ ПОМЕНЯТЬ ПРОТОН
НА НЕЙТРОН И ПРИ ЧЕМ ЗДЕСЬ СИММЕТРИЯ? ЧТО ТАКОЕ КВАРК И ПОЧЕМУ
он цветной? Почему бывают странные, очарованные и прелестные
кварки? Зачем нужен бозон Хиггса? Об этом и многом другом
НАМ РАССКАЖЕТ ЭТА КНИГА.