Систематику адронов можно объяснить, если предположить, что все адроны «построены» из небольшого числа (в наиболее распространённом варианте – из трёх) фундаментальных частиц – кварков и соответствующих античастиц – антикварков. Существуют различные кварковые модели адронов, однако экспериментально обнаружить свободные кварки пока не удалось. В 1975–76 были открыты две новые сильно взаимодействующие частицы (y1 и y2) с массами, превышающими утроенную массу протона, и временами жизни 10-20 и 10-21 сек. Объяснение особенностей рождения и распада этих частиц, по-видимому, требует введения дополнительного, четвёртого, кварка, которому приписывается квантовое число «очарование». Помимо этого, по современным представлениям, каждый кварк существует в трёх разновидностях, отличающихся особой характеристикой – «цветом».
Успехи в классификации адронов на основе принципов симметрии очень велики, хотя причины возникновения этих симметрий до конца не ясны; возможно, они действительно обусловлены существованием и свойствами кварков.
IV. Современная экспериментальная физика
Ещё в начале 20 в. такие эпохальные открытия, как открытие Резерфордом атомного ядра, можно было делать с помощью сравнительно простой аппаратуры. Но в дальнейшем эксперимент стал очень быстро усложняться и экспериментальные установки начали приобретать промышленный характер. Неизмеримо возросла роль измерительной и вычислительной техники. Современные экспериментальные исследования в области ядра и элементарных частиц, радиоастрономии, квантовой электроники и Ф. твёрдого тела требуют небывалых масштабов и затрат средств, которые зачастую доступны лишь крупным государствам или даже группам государств с развитой экономикой.
Огромную роль в развитии ядерной Ф. и Ф. элементарных частиц сыграли разработка методов наблюдения и регистрации отдельных актов превращений элементарных частиц (вызванных их столкновениями друг с другом и с атомными ядрами) и создание ускорителей заряженных частиц, положившее начало развитию Ф. высоких энергий. Открытие В. И. Векслсром (1944) и независимо Э. М. Макмилланом (1945) принципа автофазировки повысило предел достижимых энергий частиц в тысячи раз. Ускорители со встречными пучками значительно увеличили эффективную энергию столкновения частиц. Были созданы высокоэффективные счётчики заряженных частиц, действие которых основано на различных принципах: газоразрядные, сцинтилляционные, черенковские и др. Фотоумножители позволяют регистрировать единичные фотоны. Наиболее полную и точную информацию о событиях микромира получают с помощью пузырьковой и искровой камер и толстослойных фотоэмульсий, в которых можно непосредственно наблюдать следы (треки) пролетевших заряженных частиц. Построены детекторы, позволяющие регистрировать редчайшие события – столкновения нейтрино с атомными ядрами.
Подлинная революция в экспериментальном исследовании взаимодействий элементарных частиц связана с применением ЭВМ для обработки информации, получаемой от регистрирующих устройств. Для фиксации маловероятных процессов приходится анализировать десятки тысяч фотографий треков. Вручную это заняло бы столь много времени, что получение нужной информации стало бы практически невозможным. Поэтому изображения треков с помощью специальных устройств преобразуются в серию электрических импульсов и дальнейший анализ треков производится с помощью ЭВМ. Это чрезвычайно сокращает время между экспериментом и получением обработанной информации. В искровых камерах регистрация и анализ треков частиц осуществляются автоматически с использованием ЭВМ непосредственно в экспериментальной установке.
Значение ускорителей заряженных частиц определяется следующими обстоятельствами. Чем больше энергия (импульс) частицы, тем меньше (согласно принципу неопределённости) размеры объектов или их деталей, которые можно различить при столкновениях частицы с объектом. К 1977 эти минимальные размеры составляют 10-15 см. Изучая рассеяние электронов высокой энергии на нуклонах, удалось обнаружить элементы внутренней структуры нуклонов – распределение электрического заряда и магнитного момента внутри этих частиц (т. н. формфакторы). Рассеяние электронов сверхвысоких энергий на нуклонах указывает на существование внутри нуклонов нескольких отдельных образований сверхмалых размеров, названных партонами. Возможно, партоны представляют собой гипотетические кварки.
Другая причина интереса к частицам высоких энергий – рождение при их столкновениях с мишенью новых частиц всё большей массы. Всего известно 34 стабильных и квазистабильных (т. е. не распадающихся за счёт сильных взаимодействий) частиц (с античастицами) и более двухсот резонансов, причём подавляющее их число открыто на ускорителях. Исследование рассеяния частиц сверхвысоких энергий должно способствовать выяснению природы сильных и слабых взаимодействий.
Изучены самые различные типы ядерных реакций. На ускорителе Объединённого института ядерных исследований в г. Дубне впервые осуществлено столкновение релятивистских ядер. Успешно идёт синтез трансурановых элементов. Получены ядра антидейтерия, антитрития и антигелия. На ускорителе в Серпухове открыта новая закономерность сильных взаимодействий – рост полного сечения взаимодействия адронов очень высоких энергий при их столкновении с увеличением энергии столкновения (т. н. серпуховский эффект).
Развитие радиофизики получило новое направление после создания радиолокационных станций во время 2-й мировой войны 1939–45. Радиолокаторы нашли широкое применение в авиации и морском транспорте, в космонавтике. Была осуществлена локация небесных тел: Луны, Венеры и др. планет, а также Солнца. Сооружены гигантские радиотелескопы, улавливающие излучения космических тел со спектральной плотностью потока энергии 10-26эрг/см2×сек×гц. Информация о космических объектах неизмеримо возросла. Были открыты радиозвёзды и радиогалактики с мощным излучением в диапазоне радиоволн, а в 1963 – наиболее удалённые от нас квазизвёздные объекты – квазары. Светимость квазаров в сотни раз превышает светимость ярчайших галактик. Разрешающая способность современных радиотелескопов, использующих передвижные антенны, управляемые ЭВМ, достигает угловой секунды (для излучения с длиной волны в несколько см). При разносе антенн на большие расстояния (порядка 10 тыс. км) получается ещё более высокое разрешение (в сотые доли угловой секунды).
Исследование радиоизлучения небесных тел помогло установить источники первичных космических лучей (протонов, более тяжёлых атомных ядер, электронов). Этими источниками оказались вспышки сверхновых звёзд. Было открыто реликтовое излучение – тепловое излучение, соответствующее температуре 2,7 К. В 1967 открыты пульсары. – быстро вращающиеся нейтронные звёзды. Пульсары создают направленное излучение в радиодиапазоне, видимом и рентгеновском диапазонах, интенсивность которого периодически меняется из-за вращения звёзд.
Большую роль в изучении околоземного космического пространства и далёкого космоса сыграли запуски космических станций: были открыты радиационные пояса Земли, обнаружены космические источники рентгеновского излучения и всплески g-излучения (эти виды излучения поглощаются атмосферой Земли и не доходят до её поверхности).
Современные радиофизические методы позволяют осуществлять космическую связь на расстояния в десятки и сотни млн. км. Необходимость передачи большого объёма информации стимулировала разработку принципиально новых, оптических линий связи с применением волоконных светопроводов.