Научная электронная библиотека
Монографии, изданные в издательстве Российской Академии Естествознания

§ 1.2.4. Бозоны

Помимо рассмотренных выше фермионов (кварков и лептонов), обладающих спином ±1/2ħ, были открыты частицы, обладающие целым значением спина (0ħ; ±1ħ; ±2ħ; ±3ħ…). Такие частицы называют бозонами.

К фундаментальным бозонам относятся: фотон, глюон, W-бозон (weak), Z-бозон (zero), бозон Хиггса (табл. 1.3).

Таблица 1.3

Свойства фундаментальных бозонов

№ п/п

Название

Заряд в единицах заряда протона

Масса

Спин

Переносимое взаимодействие

Время жизни в секундах

1

Фотон

0

0

±1

Электромагнитное

До поглощения

2

Глюон

0

0

±1

Сильное

До поглощения

3

 

±1

58,0

±1

Слабое (Weak)

3,0∙10–25

4

 

0 (Zero)

65,8

±1

Слабое

3,0∙10–25

5

Бозон Хиггса

0

90,2

0

Поле Хиггса

1,6∙10–22

Теория струн разрабатывается именно для фундаментальных бозонов. Теория суперструн – для всех фундаментальных частиц.

Таким образом, согласно современным научным представлениям весь материальный мир состоит из 12 фермионов (6 кварков и 6 лептонов) и 5 бозонов, непрерывно движущихся в пространстве и времени (рис. 1.24).

_1_24.wmf

Рис. 1.24. Простейшая классификация фундаментальных частиц

При этом, фундаментальные бозоны являются носителями взаимодействий.

Например, электромагнитное взаимодействие между двумя покоящимися, одноимённо заряженными частицами, приводящее к их отталкиванию, обусловлено обменом фотонами между этими частицами (рис. 1.25).

_1_25.wmf

Рис. 1.25. Обмен фотонами между одноимённо заряженными частицами

Обмен фотонами между разноимённо заряженными частицами представлен на рис. 1.26.

_1_26.tif

Рис. 1.26. Обмен фотонами разноимённых зарядов

При этом линии, символизирующие движение фотонов на рис. 2, 3, на самом деле условны и не являются траекториями их движения, потому что эти фотоны движутся в соответствии с принципом неопределённости Гейзенберга, согласно которому невозможно одновременно точно определить координаты (х) и импульс (р = m∙v) одной и той же частицы. Точное определение одной из величин приводит к полной неопределённости значения другой:

Δx∙Δpx ≥ ħ/2.

Следует уточнить, что фермионами и бозонами могут быть не только фундаментальные, но и составные элементарные частицы. Например, протон также является фермионом, потому что состоит из трёх кварков, два из которых обладают противоположными спинами.

Нулевое значение массы для фотона и глюона означает, что эти частицы не бывают в состоянии покоя. Они имеют волновую природу (рис. 1.5; 1.7) и могут существовать только в движении, полёте со скоростью света.

При этом они обладают энергией E, подчиняющейся равенству

Е = h∙ν,

где h – постоянная Планка (h = 6,6∙10–34 Дж/Гц); ν – частота волновых колебаний, связанная с длиной волны λ соотношением

λ∙ν = с,

где с – скорость света.

Но согласно одной из формул теории относительности А. Эйнштейна

Е = m∙c2,

где m – масса. Поэтому, для фотона и глюона можно рассчитать массу по формуле

s209.wmf

Масса, рассчитанная по такой формуле для фотона и глюона, называется релятивистской массой. То есть, эти частицы, хотя и считаются безмассовыми, но обладают релятивистской массой.

Со временем выяснилось, что не только безмассовые частицы подчиняются равенству Е = h∙ν, но и любые элементарные частицы, обладающие импульсом. То есть, в процессе движения элементарные частицы (корпускулы) приобретают волновые свойства. Таким образом, был сформулирован принцип корпускулярно-волнового дуализма, согласно которому любая частица обладает одновременно и корпускулярными и волновыми свойствами. Волны движущихся элементарных частиц назвали волнами де Бройля по имени Французского физика Луи де Бройля, который впервые высказал гипотезу о том, что не только фотон, но и все элементарные частицы обладают волновыми свойствами.

В табл. 3 подразумевается, что слабое взаимодействие осуществляется с помощью W- и Z-бозонов.

Например, слабое взаимодействие (определение на стр. 8) осуществляется при распаде свободного нейтрона на протон, электрон и электронное антинейтрино:

s210.wmf

через образование W-бозона:

s211.wmf s212.wmf

На первый взгляд последние два превращения протекают с грубым нарушением законов сохранения масс и энергии (m(d) = 5,2∙10–3 а.е.м.;
m(u) = 2,5∙10–3 а.е.м.; m(W) = 58 а.е.м.; m(е–) = 5,5∙10–4 а.е.м.; m(νе) = 2,1∙10–9 а.е.м.).

Однако, согласно теориям струн и суперструн, для образования W-бозона берётся на очень короткое время (3∙10–25 с) энергия из дополнительных пространственных измерений, после чего эта энергия возвращается назад. Теория струн предполагает общее число измерений на уровне фундаментальных частиц 28, теория суперструн – 10. Законы сохранения массы и энергии не нарушаются, хотя в пределах непосредственно наблюдаемого 3-мерного пространства подобные процессы воспринимаются как кратковременное нарушение этих законов.

Очень коротко живущие элементарные частицы, моментально поглощаемые после испускания другими частицами или превращающиеся в другие частицы, называются, в отличие от реальных частиц, виртуальными, именно из-за:

– способности не подчиняться законам сохранения в пределах 3-мерного пространства;

– движения в 3-мерном пространстве в соответствии с принципом неопределённости Гейзенберга.

Некоторые частицы в разных условиях могут быть и реальными и виртуальными. Например, фотон испускаемый Солнцем и летящий к Земле, является реальной частицей, подчиняющейся всем классическим законам физики и механики, а фотон, испускаемый зарядом, взаимодействующим с другим зарядом, является виртуальным.

Взаимодействие, которое в табл. 3 названо «поле Хиггса» – это взаимодействие между частицами, имеющими массу, и бозоном Хиггса.

Принято считать, что:

– электромагнитное взаимодействие (определение на стр. 8) осуществляется посредством электромагнитного поля (определение на стр. 12);

– сильное взаимодействие (определение на стр. 8) осуществляется посредством глюонного поля, представляющего собой свойство пространства объединять кварки в нуклоны, а нуклоны в ядра атомов;

– слабое взаимодействие (определение на стр. 8) осуществляется посредством поля W- и Z-бозонов, представляющего собой свойство пространства инициировать распад элементарных частиц.

Свойство пространства придавать фундаментальным частицам инертную массу называется полем Хиггса.

Именно инертную! Потому что масса может быть инертной и гравитационной.


Предлагаем вашему вниманию журналы, издающиеся в издательстве «Академия Естествознания»
(Высокий импакт-фактор РИНЦ, тематика журналов охватывает все научные направления)

«Фундаментальные исследования» список ВАК ИФ РИНЦ = 1.252