Единици физични величиникогато се описват явления, случващи се в микросвета, те се разделят на основни и производни, които се определят чрез математическата нотация на законите на физиката.
Поради факта, че всички физически явления се случват в пространството и времето, основните единици се приемат предимно като единици за дължина и време, последвани от единицата за маса. Основни единици: дължини л, време t, маса m - получават определено измерение. Размерите на производните единици се определят по формули, изразяващи определени физични закони.
Размерите на основните физически единици са подбрани така, че на практика да е удобно да се използват.
В системата SI са приети следните размери: дължини [ л] = m (метър), време [t] = s (секунда), маса [t] = kg (килограм).
В системата CGS се приемат следните размери за основни единици: дължина [/] = cm (сантиметър), време [t] = s (секунда) и маса [t] = g (грам). За описание на явления, случващи се в микрокосмоса, могат да се използват както SI, така и CGS единици.
Нека оценим порядъците на дължината, времето и масата във феномените на микросвета.
В допълнение към общоприетите международни системи от единици SI и GHS се използват и „естествени системи от единици“, базирани на универсални физически константи. Тези системи от единици са особено подходящи и се използват в различни физични теории. В естествената система от единици за основни единици се приемат фундаментални константи: скоростта на светлината във вакуум − с, константата на Планк − ћ, гравитационната константа G N, константата на Болцман − k: числото на Авогадро − N A и др. В естествената система от единиците на Планк се приема c = ћ = G N = k = 1. Тази система от единици се използва в космологията за описание на процеси, при които квантовите и гравитационните ефекти са едновременно значими (теории за черните дупки, теории ранна вселена).
В естествената система от единици е решен проблемът за естествената единица за дължина. Това може да се счита за дължина на вълната на Compton λ 0, която се определя от масата на частицата M: λ 0 = ћ/Мс.
Дължинахарактеризира размера на обекта. И така, за един електрон класическият радиус е r 0 = e 2 /m e c 2 = 2,81794·10 -13 cm (e, m e - заряд и маса на електрона). Класическият радиус на електрона има значението на радиуса на заредена топка със заряд e (разпределението е сферично симетрично), при който енергията електростатично поле ball ε = γе 2 /r 0 е равна на енергията на покой на електрона m e c 2 (използва се, когато се разглежда разсейването на светлината на Томпсън).
Използва се и радиусът на орбитата на Бор. Дефинира се като разстоянието от ядрото, на което е най-вероятно да се намери електрон в невъзбуден водороден атом
a 0 = ћ 2 /m e e 2 (в системата SGS) и a 0 = (α/4π)R = 0,529·10 -10 m (в системата SI), α = 1/137.
Размер на нуклона r ≈ 10 -13 cm (1 фемтометър). Характерните размери на атомните системи са 10 -8, на ядрените системи са 10 -12 ÷ 10 -13 cm.
времеварира в широк диапазон и се определя като съотношението на разстоянието R към скоростта на обекта v. За микрообекти τ отрова = R/v = 5·10 -12 cm/10 9 cm/s ~ 5·10 -22 s;
τ елемент h = 10 -13 cm/3·10 10 cm/s = 3·10 -24 s.
масиобектите се променят от 0 до M. Така масата на електрона m e ≈ 10 -27 g, масата на протона
m р ≈ 10 -24 g (система SGS). един атомна единицамаса, използвана в атомната и ядрена физика, 1 аму = M(C)/12 в единици маса на въглероден атом.
Основните характеристики на микрообектите включват електрическия заряд, както и характеристиките, необходими за идентифициране на елементарна частица.
Електрически заряд
частици Q обикновено се измерва в единици електронен заряд. Заряд на електрона e = 1,6·10 -19 кулона. За частици в свободно състояние Q/e = ±1,0, а за кварки, които са част от адрони, Q/e = ±2/3 и ±1/3.
В ядрата зарядът се определя от броя на протоните Z, съдържащи се в ядрото. Зарядът на протона е равен по абсолютна стойност на заряда на електрона.
За да идентифицирате елементарна частица, трябва да знаете:
I – изотопен спин;
J − собствен моментимпулс - спин;
P – пространствен паритет;
C – паритет на заряда;
G − G-четност.
Тази информация е записана под формата на формулата I G (J PC).
Завъртете− една от най-важните характеристики на една частица, за чието измерване се използва фундаменталната константа на Планк h или ћ = h/2π = 1,0544·10 -27 [erg-s]. Бозоните имат цяло число в единици ћ: (0,1, 2,...)ћ, фермионите имат полуцяло число (1/2, 3/2,.. .)ћ. В класа на суперсиметричните частици спиновите стойности на фермионите и бозоните са обърнати.
Ориз. 4 илюстрира физически смисълспин J по аналогия с класическата концепция за ъглов момент на частица с маса m = 1 g, движеща се със скорост v = 1 cm/s в окръжност с радиус r = 1 cm. В класическата физика ъглов момент J = mvr = L (L − орбитален момент). В квантовата механика J = = 10 27 ћ = 1 erg·s за същите параметри на обект, движещ се в кръг, където ћ = 1,05·10 -27 erg·s.
Проекцията на спина на елементарна частица върху посоката на нейния импулс се нарича спиралност. Спираловидността на безмасова частица с произволен спин приема само две стойности: по посока или срещу посоката на импулса на частицата. За фотон възможните стойности на спиралността са равни на ±1, за безмасовото неутрино спиралността е равна на ±1/2.
Спинов ъглов момент атомно ядросе дефинира като векторна сума от завъртания елементарни частици, образуващи квантова система, и орбиталните моменти на тези частици, дължащи се на тяхното движение в системата. Орбитален импулс || и въртящ се импулс || придобиват дискретно значение. Орбитален момент || = ћ[ л(л+1)] 1/2 , където л− орбитален квантово число(може да приема стойности 0, 1,2,...), собствен ъглов момент || = ћ 1/2, където s е квантовото число на спина (може да приема нулеви, цели или полуцели стойности J, общият ъглов момент е равен на сумата + = .
Производните единици включват: енергия на частиците, скорост, заместваща скорост за релативистични частици, магнитен момент и др.
Енергиячастица в покой: E = mc 2 ; движеща се частица: E = m 2 c 4 + p 2 c 2.
За нерелативистични частици: E = mc 2 + p 2 /2m; за релативистични частици с маса m = 0: E = ср.
Енергийни единици - eV, keV, MeV, GeV, TeV, ... 1 GeV = 10 9 eV, 1 TeV = 10 12 eV,
1 eV = 1,6·10 -12 ерг.
Скорост на частиците
β = v/c, където c = 3·10 10 cm/s е скоростта на светлината. Скоростта на частицата определя това най-важната характеристикакато фактор на Лоренц на частицата γ = 1/(1-β 2) 1/2 = E/mc 2. Винаги γ > 1- За нерелативистични частици 1< γ < 2, а для релятивистских частиц γ > 2.
Във физиката на високите енергии скоростта на частица β е близка до 1 и е трудно да се определи за релативистични частици. Следователно вместо скорост се използва скорост y, която е свързана със скоростта чрез връзката y = (1/2)ln[(1+β)/(1-β)] = (1/2)ln[(E +p)/(E-p)]. Скоростта варира от 0 до ∞.
Функционалната връзка между скоростта и бързината на частиците е показана на фиг. 5. За релативистични частици при β → 1, E → p, тогава вместо бързина можем да използваме псевдо-бързина η, която се определя от ъгъла на отклонение на частицата θ, η = (1/2)ln tan(θ/2) . За разлика от скоростта, скоростта е адитивна величина, т.е. y 2 = y 0 + y 1 за всяка референтна система и за всякакви релативистични и нерелативистични частици.
Магнитен момент
μ = Iπr 2 /c, където токът I = ev/2πr възниква поради въртенето на електрическия заряд. Така всяка заредена частица има магнитен момент. При разглеждане на магнитния момент на електрона се използва магнетонът на Бор
μ B = eћ/2m e c = 0,5788·10 -14 MeV/G, електронен магнитен момент = g·μ B ·. Коефициентът g се нарича жиромагнитно отношение. За електрон g = /μ B · = 2, т.к J = ћ/2, = μ B при условие, че електронът е точкова безструктурна частица. Жиромагнитното отношение g съдържа информация за структурата на частицата. Количеството (g − 2) се измерва в експерименти, насочени към изследване на структурата на частици, различни от лептони. За лептоните тази стойност показва ролята на по-високи електромагнитни корекции (вижте допълнителен раздел 7.1).
В ядрената физика ядреният магнетон се използва μ i = eћ/2m p c, където m p е масата на протона.
2.1.1. Системата Heaviside и нейната връзка със системата GHS
В системата на Хевисайд скоростта на светлината c и константата на Планк ћ се приемат за равни на единица, т.е. с = ћ = 1. Основните мерни единици са енергийни единици − MeV или MeV -1, докато в системата GHS основните мерни единици са [g, cm, s]. След това, използвайки отношенията: E = mc 2 = m = MeV, л= ћ/mc = MeV -1, t = ћ/mc 2 = MeV -1, получаваме връзката между системата Heaviside и системата SGS във формата:- m(g) = m(MeV) 2 10 -27,
- л(cm) = л(MeV -1) 2 10 -11 ,
- t (s) = t (MeV -1) b.b 10 -22.
Системата на Хевисайд се използва във физиката на високите енергии за описание на явления, случващи се в микрокосмоса, и се основава на използването на естествени константи c и ћ, които са решаващи в релативистичната и квантовата механика.
Числените стойности на съответните количества в системата CGS за електрона и протона са дадени в табл. 3 и може да се използва за преминаване от една система към друга.
Таблица 3. Числени стойности на количествата в CGS системата за електрон и протон
2.1.2. Планк (естествени) единици
Когато се разглеждат гравитационните ефекти, се въвежда скалата на Планк за измерване на енергия, маса, дължина и време. Ако гравитационна енергияна обект е равна на общата му енергия, т.е.
Че
дължина = 1,6·10 -33 см,
маса = 2,2·10 -5 g = 1,2·10 19 GeV,
време = 5.4·10 -44 s,
Където 
= 6,67·10 -8 cm 2 ·g -1 ·s -2 .
Гравитационните ефекти са значителни, когато гравитационната енергия на даден обект е сравнима с общата му енергия.
2.2. Класификация на елементарните частици
Понятието „елементарна частица” се формира с установяването на дискретния характер на структурата на материята на микроскопично ниво.
Атоми → ядра → нуклони → партони (кварки и глуони)
IN съвременна физикатерминът "елементарни частици" се използва за назоваване на голяма група от малки наблюдаваноточастици материя. Тази група от частици е много обширна: p протони, n неутрони, π- и K-мезони, хиперони, очаровани частици (J/ψ...) и много резонанси (общо
~ 350 частици). Тези частици се наричат "адрони".
Оказа се, че тези частици не са елементарни, а представляват съставни системи, чиито съставни части са наистина елементарни или, както започнаха да ги наричат, " фундаментален
" частици − партони, открит при изучаване на структурата на протона. Изследването на свойствата на партоните направи възможно идентифицирането им с кваркиИ глуони, въведени под внимание от Гел-Ман и Цвайг при класифицирането на наблюдаваните елементарни частици. Оказа се, че кварките са фермиони със спин J = 1/2. Бяха им приписани дробни електрически заряди и барионно число B = 1/3, тъй като барион с B = 1 се състои от три кварка. Освен това, за да се обяснят свойствата на някои бариони, стана необходимо да се въведе ново квантово число - цвят. Всеки кварк има три цветни състояния, обозначени с индексите 1, 2, 3 или думите червено (R), зелено (G) и синьо (B). Цветът не се проявява по никакъв начин в наблюдаваните адрони и работи само вътре в тях.
Към днешна дата са открити 6 вкуса (вида) кварки.
В табл 4 показва свойствата на кварките за едноцветно състояние.
Таблица 4. Свойства на кварките
| Аромат | Маса, MeV/s 2 | аз | аз 3 | Q q /e | с | с | b | T |
| u up | 330; (5) | 1/2 | 1/2 | 2/3 | 0 | 0 | 0 | 0 |
| d надолу | 340; (7) | 1/2 | -1/2 | -1/3 | 0 | 0 | 0 | 0 |
| е странно | 450; (150) | 0 | 0 | -1/3 | -1 | 0 | 0 | 0 |
| с чар | 1500 | 0 | 0 | 2/3 | 0 | 1 | 0 | 0 |
| б красота | 5000 | 0 | 0 | -1/3 | 0 | 0 | -1 | 0 |
| t истина | 174000 | 0 | 0 | 2/3 | 0 | 0 | 0 | 1 |
За всеки аромат на кварк е посочена неговата маса (масите на съставните кварки и масите на текущите кварки са дадени в скоби), изотопният спин I и 3-тата проекция на изотопния спин I 3, зарядът на кварка Q q / e и квантовите числа s, c, b, t. Наред с тези квантови числа често се използва хиперзарядът на квантовите числа Y = B + s + c + b+ t. Съществува връзка между проекцията на изотопния спин I 3 , електрическия заряд Q и хиперзаряда Y: Q = I 3 + (1/2)Y.
Тъй като всеки кварк има 3 цвята, трябва да се вземат предвид 18 кварка. Кварките нямат структура.
В същото време сред елементарните частици имаше цял клас частици, наречени " лептони„Те също са фундаментални частици, т.е. нямат структура. Те са шест: три заредени e, μ, τ и три неутрални ν e, ν μ, ν τ. Лептоните участват само в електромагнитни и слаби взаимодействия. Лептоните и кварки с полуцяло спин J = (n+1/2)ћ, n = 0, 1,... принадлежат към фундаменталните фермиони. Между лептони и кварки се наблюдава изненадваща симетрия: шест лептона и шест кварка.
В табл 5 показва свойствата на фундаменталните фермиони: електрически заряд Q i в единици заряд на електрона и маса на частицата m. Лептоните и кварките са комбинирани в три поколения (I, II и III). За всяко поколение сумата от електрически заряди ∑Q i = 0, като се вземат предвид 3 цветни заряда за всеки кварк. Всеки фермион има съответен антифермион.
В допълнение към характеристиките на частиците, посочени в таблицата, важна роля за лептоните играят лептоновите числа: електрон L e, равен на +1 за e - и ν e, мюонен L μ, равен на +1 за μ - и ν μ и taonic L τ, равно на + 1 за τ - и ν τ, които съответстват на ароматите на лептоните, участващи в специфични реакции, и са запазени количества. За лептоните барионното число B = 0.
Таблица 5. Свойства на фундаменталните фермиони
Материята около нас се състои от фермиони от първо поколение с ненулева маса. Влиянието на частиците от второ и трето поколение се проявява в ранната Вселена. Сред фундаменталните частици специална роля играят фундаменталните калибровъчни бозони, които имат цяло число вътрешно квантово число на спина J = nћ, n = 0, 1, .... Калибровъчните бозони са отговорни за четири вида фундаментални взаимодействия: силни ( глуон g), електромагнитен (фотон γ), слаб (бозони W ±, Z 0), гравитационен (гравитон G). Те също са безструктурни фундаментални частици.
В табл 6 показва свойствата на фундаменталните бозони, които са полеви кванти в калибровъчните теории.
Таблица 6. Свойства на фундаменталните бозони
| Име | Зареждане | Тегло | Завъртете | Взаимодействия |
| Гравитон, Г | 0 | 0 | 2 | Гравитационен |
| Фотон, γ | 0 | < 3·10 -27 эВ | 1 | Електромагнитна |
| Заредени векторни бозони, W ± | ±1 | 80,419 GeV/s 2 | 1 | слаб |
| Неутрален векторен бозон, Z 0 | 0 | 91,188 GeV/s 2 | 1 | слаб |
| Глуони, g 1 , ... , g 8 | 0 | 0 | 0 | Силен |
| Хигс, H 0 , H ± | 0 | > 100 GeV/s 2 | 0 |
В допълнение към свойствата на отворените калибровъчни бозони γ, W ±, Z 0, g 1,..., g 8, таблицата показва свойствата на досега неоткритите бозони: гравитонът G и бозоните на Хигс H 0, H ±.
Нека сега разгледаме най-многобройната група от елементарни силно взаимодействащи частици - адрони, за да обясним структурата на които е въведено понятието кварки.
Адроните се делят на мезони и бариони. Мезоните са изградени от кварк и антикварк (q). Барионите се състоят от три кварка (q 1 q 2 q 3).
В табл 7 предоставя списък на свойствата на основните адрони. (За подробни таблици вижте The European Physical Journal C, Rev. of Particle Phys., v.15, No. 1 - 4, 2000 г.)
Таблица 7. Свойства на адроните
| Име | Маса, MeV/s 2 | Живот, s | Режими на разпад | Кварков състав | |||||||||||
| Божур π ± 1 - (0 -+) π 0 |
139.567 134.965 |
2,6·10 -8 |
π ± → μ ± + ν π 0 → γ + γ |
(u), (d) (u − d)/√2 |
|||||||||||
| η-мезон η 0 0 + (0 -+) |
548.8 | Г=1,18±0,11 keV | η 0 → γ + γ; 3π 0 →π + + π -0 + π -- |
c 1 (u + d) + c 2 (s) | |||||||||||
|
|||||||||||||||
| D ± D0 |
1869.3 1864.5 |
10,69·10 -13 4,28·10 -13 |
D ± → e ± + X |
(в), (г) (° С) |
|||||||||||
| F ± = | 1969.3 | 4,36·10 -13 | → ρ 0 + π ± | (c, s) | |||||||||||
| B ± B 0 |
5277.6 5279.4 | 13,1·10 -13 13,1·10 -13 |
B ± → + π ± B 0 →+ π -0 + |
(u), (b) (г), (б) |
|||||||||||
| b | Протон p Неутрон n |
938.3 939.5 |
> 10 33 години 898 ±16 |
n → р + e - + |
uud udd |
||||||||||
| Λ | 2,63·10 -10 | Λ→p + π - | uds | ||||||||||||
|
Σ + Σ 0 Σ - |
1189.4 1192 1197 |
0,8·10 -10 5,8·10 -20 1,48·10 -10 |
Σ + →p + π 0 Σ 0 → Λ+ γ Σ - →n + π - |
uus uds ддс |
|||||||||||
|
Ξ 0 Ξ - |
1314.9 1321 |
2,9·10 -10 1,64·10 -10 |
Ξ 0 → Λ+ π 0 Ξ - → Λ + π - |
uss dss |
|||||||||||
| Ω - | 1672 | 0,8·10 -10 | Ω - → Λ+ K - | sss | |||||||||||
|
|
|
Кварковата структура на адроните позволява да се разграничат в тази голяма група частици нестранни адрони, които се състоят от нестранни кварки (u, d), странни адрони, които включват странен кварк s, очаровани адрони, съдържащи c- кварк, красиви адрони (долни адрони) с b-кварк.
Таблицата показва свойствата само на малка част от адроните: мезони и бариони. Показани са тяхната маса, продължителност на живот, основни режими на разпадане и кварков състав. За мезоните, барионното число B = O и лептонното число L = 0. За барионите, барионното число B = 1, лептонното число L = 0. Мезоните са бозони (цяло число), барионите са фермиони (полуцяло число). ).
По-нататъшното разглеждане на свойствата на адроните ни позволява да ги комбинираме в изотопни мултиплети, състоящи се от частици с еднакви квантови числа (барионно число, спин, вътрешна четност, странност) и подобни маси, но с различни електрически заряди. Всеки изотопен мултиплет се характеризира с изотопен спин I, който определя общия брой частици, включени в мултиплета, равен на 2I + 1. Изоспинът може да приема стойности 0, 1/2, 1, 3/2, 2, . .., т.е. възможно е съществуването на изотопни синглети, дублети, триплети, квартети и др. Така протонът и неутронът съставляват изотопен дублет, π + -, π - -, π 0 -мезоните се разглеждат като изотопен триплет.
По-сложните обекти в микрокосмоса са атомните ядра. Атомното ядро се състои от Z протони и N неутрони. Сумата Z + N = A е броят на нуклоните в даден изотоп. Често таблиците дават средната стойност за всички изотопи, след което тя става дробна. Известни са ядра, за които посочените стойности са в границите: 1< А < 289, 1 < Z < 116.
Изброените по-горе частици се разглеждат в рамките на стандартния модел. Предполага се, че извън Стандартния модел може да съществува друга група фундаментални частици - суперсиметрични частици (SUSY). Те трябва да осигурят симетрия между фермиони и бозони. В табл 8 показва очакваните свойства на тази симетрия.
2.3. Теренен подход към проблема за взаимодействията
2.3.1 Свойства на фундаменталните взаимодействия
Огромно разнообразие физични явления, възникваща при сблъсъци на елементарни частици, се определя само от четири вида взаимодействия: електромагнитно, слабо, силно и гравитационно. В квантовата теория взаимодействието се описва от гледна точка на обмена на специфични кванти (бозони), свързани с даден тип взаимодействие.
За визуално представяне на взаимодействието на частиците американският физик Р. Файнман предложи използването на диаграми, които получиха името си. Диаграмите на Файнман описват всеки процес на взаимодействие, когато две частици се сблъскат. Всяка частица, участваща в процеса, е представена с линия на диаграмата на Файнман. Свободният ляв или десен край на линията показва, че частицата е съответно в начално или крайно състояние. Вътрешни линии на диаграми (т.е. линии, които нямат разхлабени краища) съответстват на така наречените виртуални частици. Това са частици, създадени и абсорбирани по време на процеса на взаимодействие. Те не могат да бъдат регистрирани, за разлика от реалните частици. Взаимодействието на частиците в диаграмата е представено чрез възли (или върхове). Типът взаимодействие се характеризира с константата на свързване α, която може да се запише като: α = g 2 /ћc, където g е зарядът на източника на взаимодействие и е основната количествена характеристика на силата, действаща между частиците. При електромагнитно взаимодействие α e = e 2 /ћc = 1/137.
 Фиг.6. Диаграма на Файнман. |
Процесът a + b →с + d под формата на диаграма на Файнман (фиг. 6) изглежда така: R е виртуална частица, обменена между частици a и b по време на взаимодействие, определено от константата на взаимодействие α = g 2 /ћc, характеризиращ силата на взаимодействие на разстояние, равно на радиуса на взаимодействие.
Една виртуална частица може да има маса M x и когато тази частица се обменя, се предава 4-импулс t = −q 2 = Q 2.
В табл 9 показва характеристиките различни видовевзаимодействия.
Електромагнитни взаимодействия
. Най-пълно и последователно са изследвани електромагнитните взаимодействия, на които са подложени всички заредени частици и фотони. Носителят на взаимодействие е фотонът. За електромагнитните сили константата на взаимодействие е числено равна на константата на фината структура α e = e 2 /ћc = 1/137.
Примери за най-прости електромагнитни процеси са фотоелектричният ефект, ефектът на Комптън, образуването на двойки електрон-позитрон, а за заредените частици - йонизационно разсейване и спирачно лъчение. Теорията на тези взаимодействия – квантовата електродинамика – е най-точната физическа теория.
Слаби взаимодействия.
За първи път са наблюдавани слаби взаимодействия по време на бета разпада на атомните ядра. И както се оказа, тези разпадания са свързани с превръщането на протон в неутрон в ядрото и обратно:
p → n + e + + ν e, n → p + e - + e. Възможни са и обратни реакции: улавяне на електрон e - + p → n + ν e или антинеутрино e + p → e + + n. Слабото взаимодействие е описано от Енрико Ферми през 1934 г. по отношение на четирифермионното контактно взаимодействие, дефинирано от константата на Ферми
G F = 1,4·10 -49 erg·cm 3 .
При много високи енергии, вместо контактното взаимодействие на Ферми, слабото взаимодействие се описва като обменно взаимодействие, при което квант, надарен със слаб заряд g w (по аналогия с електрически заряд), се обменя и действа между фермиони. Такива кванти бяха открити за първи път през 1983 г. в колайдера SppS (CERN) от екип, ръководен от Карл Рубиа. Това са заредени бозони - W ± и неутрален бозон - Z 0, техните маси са съответно равни: m W± = 80 GeV/s 2 и m Z = 90 GeV/s 2. Константата на взаимодействие α W в този случай се изразява чрез константата на Ферми:
Таблица 9. Основни видове взаимодействия и техните характеристики
Лептоните не участват в силното взаимодействие. електрон. позитрон. мюон. неутрино е лека неутрална частица, която участва само в слаби и гравитационни взаимодействия. неутрино (# поток). кварки. носители на взаимодействия: фотон квант на светлината...
Заявка " Основни изследвания» пренасочва тук; вижте и други значения. Фундаменталната наука е област на знанието, която включва теоретично и експериментално Научно изследванефундаментални явления (включително ... ... Уикипедия
Заявката "Елементарни частици" се пренасочва тук; вижте и други значения. Елементарна частица е сборен термин, отнасящ се до микрообекти в субядрен мащаб, които не могат да бъдат разбити на съставните си части. Трябва да има в... ... Уикипедия
Елементарна частица е събирателен термин, отнасящ се до микрообекти в субядрен мащаб, които не могат (или все още не е доказано) да се разделят на съставните си части. Тяхната структура и поведение се изучават от физиката на елементарните частици. Концепция... ...Уикипедия
електрон- ▲ фундаментална частица, имаща елемент, заряд електрон е отрицателно заредена елементарна частица с елементарен електрически заряд. ↓… Идеографски речник на руския език
Елементарна частица е събирателен термин, отнасящ се до микрообекти в субядрен мащаб, които не могат (или все още не е доказано) да се разделят на съставните си части. Тяхната структура и поведение се изучават от физиката на елементарните частици. Концепция... ...Уикипедия
Този термин има други значения, вижте Неутрино (значения). електрон неутрино мюон неутрино тау неутрино Символ: νe νμ ντ Състав: Елементарна частица Семейство: Фермиони ... Wikipedia
Типът фундаментални взаимодействия (заедно с гравитационните, слаби и силни), които се характеризират с участието електромагнитно поле(Виж Електромагнитно поле) в процесите на взаимодействие. Електромагнитно поле (в квантова физика… … Велика съветска енциклопедия
Една от най-двусмислените философии. понятия, на които се придава едно (или някои) от следните значения: 1) нещо, чиито определящи характеристики са разширение, местоположение в пространството, маса, тегло, движение, инерция, съпротивление,... ... Философска енциклопедия
Книги
- Кинетична теория на гравитацията и основите на единна теория на материята, В. Я. Брил. Всички материални обекти на природата (както материални, така и полеви) са дискретни. Те се състоят от елементарни частици с форма на струна. Недеформирана фундаментална струна е полева частица...
Показано на фиг. 1 фундаментални фермиони, имащи спин ½, са "първите тухли" на материята. Представени са лептони(електрони д, неутрино и др.) – частици, които не участват в силенядрени взаимодействия и кварки, които участват в силни взаимодействия. Ядрените частици са направени от кварки - адрони(протони, неутрони и мезони). Всяка от тези частици има своя собствена античастица, която трябва да бъде поставена в същата клетка. Символът за античастица се отличава с тилда (~).
От шестте разновидности на кварките или шест ароматиелектрически заряд 2/3 (в единици елементарен заряд д) имат горна част ( u), омагьосан ( ° С) и вярно ( T) кварки, а със заряд –1/3 – дъното ( д), странно ( с) и красив ( b) кварки. Антики със същите аромати ще имат електрически заряди съответно –2/3 и 1/3.
| Фундаментални частици | |||||||||||||||||||
| Фундаментални фермиони (полуцяло въртене) | Фундаментални бозони (целочислен спин) | ||||||||||||||||||
| лептони | Кварки | ||||||||||||||||||
| н д | n m | n t | u | ° С | T | 2/3 | Силен | Ел.-магн | слаб | Гравитационен | |||||||||
| д | м | T | –1 | д | с | b | –1/3 | 8 ж Дж = 1 м = 0 | ж Дж = 1 м = 0 | У ± ,З 0 Дж = 1 м@100 | Ж Дж = 2 м = 0 | ||||||||
| аз | II | III | аз | II | III | ||||||||||||||
| Електрослабо взаимодействие | |||||||||||||||||||
| Велико обединение | |||||||||||||||||||
| Суперобединение | |||||||||||||||||||
В квантовата хромодинамика (теорията за силното взаимодействие) на кварките и антикварките се приписват три вида заряди на силно взаимодействие: червен Р(против червени); зелено Ж(анти-зелен); син б(анти-синьо). Цветното (силно) взаимодействие свързва кварките в адроните. Последните се делят на бариони, състоящ се от три кварка и мезони, състоящ се от два кварка. Например протоните и неутроните, които се класифицират като бариони, имат следния кварков състав:
стр = (uud) И , н = (ddu) И .
Като пример нека дадем състава на триплет от пи-мезони:
, , 
От тези формули лесно се вижда, че зарядът на протона е +1, а този на антипротона е –1. Неутронът и антинеутронът имат нулев заряд. Завъртанията на кварките в тези частици се сумират, така че техните общи завъртания са равни на ½. Възможни са и комбинации от същите тези кварки, за които общите завъртания са равни на 3/2. Такива елементарни частици (D ++, D +, D 0, D –) са открити и принадлежат към резонансите, т.е. краткотрайни адрони.
Добре познатият процес на радиоактивен b-разпад, който е представен от диаграмата
н ® стр + д + ,
от гледна точка на кварковата теория изглежда така
(udd) ® ( uud) + д+ или д ® u + д + .
Въпреки многократните опити, не беше възможно да се открият свободни кварки в експерименти. Това предполага, че кварките, очевидно, се появяват само в състава на по-сложни частици ( улавяне на кварк). Досега не е дадено пълно обяснение на този феномен.
От фиг. 1 става ясно, че има симетрия между лептони и кварки, наречена кварк-лептонна симетрия. Частиците в горния ред имат заряд, по-голям от частиците в долния ред. Частиците в първата колона са от първо поколение, втората – от второ поколение, а третата колона – от трето поколение. Самите кварки ° С, bИ Tбяха предсказани въз основа на тази симетрия. Материята около нас се състои от частици от първо поколение. Каква е ролята на частиците от второ и трето поколение? Все още няма категоричен отговор на този въпрос.
Интересна статия
Наскоро физици, наблюдаващи друг експеримент, провеждащ се в Големия адронен колайдер, най-накрая успяха да намерят следи от Хигс бозона или, както го наричат много журналисти, „божествената частица“. Това означава, че конструкцията на колайдера е напълно оправдана - все пак той е направен именно с цел да се улови този неуловим бозон.
Физиците, работещи в Големия адронен колайдер, използвайки детектора CMS, за първи път откриха раждането на два Z бозона - един от видовете събития, които могат да бъдат доказателство за съществуването на "тежка" версия на Хигс бозона. За да бъдем точни, на 10 октомври детекторът на CMS за първи път регистрира появата на четири мюона. Предварителните резултати от реконструкцията позволиха на учените да интерпретират това събитие като кандидат за производството на два неутрални Z бозона.
Мисля, че сега трябва да се отклоним малко и да поговорим какво представляват тези мюони, бозони и други елементарни частици. По стандартен модел квантова механикацелият свят се състои от различни елементарни частици, които в контакт помежду си генерират всички известни видове маса и енергия.
Цялата материя, например, се състои от 12 фундаментални фермионни частици: 6 лептона, като електрон, мюон, тау лептон, и три вида неутрино и 6 кварка (u, d, s, c, b, t), които могат да бъдат комбинирани три поколения фермиони. Фермионите са частици, които могат да бъдат в свободно състояние, но кварките не са; те са част от други частици, например добре познатите протони и неутрони.
Освен това всяка от частиците участва в определен тип взаимодействие, от които, както си спомняме, има само четири: електромагнитно, слабо (взаимодействието на частиците по време на β-разпадането на атомното ядро), силно (изглежда държат атомното ядро заедно) и гравитация. Последното, чийто резултат е например гравитацията, не се разглежда от стандартния модел, тъй като гравитонът (частицата, която я осигурява) все още не е открит.
С други видове всичко е по-просто - физиците познават частиците, които участват в тях, по зрение. Например кварките участват в силни, слаби и електромагнитни взаимодействия; заредени лептони (електрон, мюон, тау-лептон) - в слаби и електромагнитни; неутрино – само при слаби взаимодействия.
Въпреки това, в допълнение към тези „масови“ частици, има и така наречените виртуални частици, някои от които (например фотон) изобщо нямат маса. Честно казано, виртуалните частици са по-скоро математически феномен, как физическа реалност, тъй като никой не ги е „виждал“ досега. Въпреки това, в различни експерименти, физиците могат да забележат следи от тяхното съществуване, тъй като, уви, то е много краткотрайно.
Какви са тези интересни частици? Те се раждат само в момента на някакво взаимодействие (от описаните по-горе), след което или се разпадат, или се поглъщат от някоя от фундаменталните частици. Смята се, че те, така да се каже, „прехвърлят“ взаимодействието, т.е. чрез контакт с фундаментални частици те променят техните характеристики, поради което взаимодействието всъщност се случва.
Така например при електромагнитните взаимодействия, които са най-добре разбрани, електроните непрекъснато поглъщат и излъчват фотони на виртуални безмасови частици, в резултат на което свойствата на самите електрони леко се променят и те стават способни на такива подвизи като например насочено движение (т.е. електричество), или „скок“ към друго енергийно ниво (както се случва по време на фотосинтезата в растенията). Виртуалните частици работят и при други видове взаимодействия.
Освен фотона, съвременната физика познава още два вида виртуални частици, наречени бозони и глуони. Бозоните са особено интересни за нас сега - смята се, че по време на всички взаимодействия фундаменталните частици постоянно ги обменят и по този начин си влияят. Самите бозони се считат за безмасови частици, въпреки че някои експерименти показват, че това не е съвсем вярно - W- и Z-бозоните могат да придобият маса за кратко време.
Един от най-мистериозните бозони е същият бозон на Хигс, за откриване на следи от който всъщност е построен Големият адронен колайдер. Смята се, че тази мистериозна частица е един от най-разпространените и важни бозони във Вселената.
Още през 60-те години на миналия век английският професор Питър Хигс предложи хипотеза, според която цялата материя във Вселената е създадена чрез взаимодействието на различни частици с някакъв първоначален фундаментален принцип (в резултат на голям взрив), който по-късно е кръстен на него. Той предположи, че Вселената е пронизана от невидимо поле, преминавайки през което някои елементарни частици „обрастват“ с някои бозони, като по този начин придобиват маса, докато други, като фотоните, остават необременени от тегло.
Сега учените разглеждат две възможности - съществуването на "леки" и "тежки" варианти. „Лек“ Хигс с маса от 135 до 200 гигаелектронволта трябва да се разпадне на двойки W бозони, а ако масата на бозона е 200 гигаелектронволта или повече, тогава на двойки Z бозони, които от своя страна генерират двойки електрони или мюони .
Оказва се, че мистериозният бозон на Хигс е, така да се каже, „създателят“ на всичко във Вселената. Може би затова Нобелов лауреатЛеон Ледерман веднъж го нарече „божествена частица“. Но в рамките на възможностите средства за масова информацияТова твърдение беше донякъде изкривено и започна да звучи като „частица от Бог“ или „божествена частица“.
Как могат да се получат следи от присъствието на „божествена частица“? Смята се, че бозонът на Хигс може да се образува при сблъсъци на протони с неутрино в ускорителния пръстен на колайдера. В този случай, както си спомняме, той трябва незабавно да се разпадне на редица други частици (по-специално Z-бозони), които могат да бъдат регистрирани.
Вярно е, че самите детектори не могат да открият Z-бозони поради изключително краткия живот на тези елементарни частици (около 3×10-25 секунди), но могат да „уловят“ мюони, в които се превръщат Z-бозоните.
Нека ви напомня, че мюонът е нестабилна елементарна частица с отрицателен електрически заряд и спин ½. Не се среща в обикновените атоми, преди това се срещаше само в космическите лъчи, които имат скорости, близки до скоростта на светлината. Животът на един мюон е много кратък – той съществува само 2,2 микросекунди, след което се разпада на електрон, електронно антинеутрино и мюонно неутрино.
Мюоните могат да бъдат произведени изкуствено чрез сблъсък на протон и неутрино при високи скорости. Дълго време обаче не беше възможно да се постигнат такива скорости. Това беше възможно само по време на изграждането на Големия адронен колайдер.
И най-накрая бяха получени първите резултати. По време на експеримента, който се проведе на 10 октомври тази година, в резултат на сблъсък на протон с неутрино е регистрирано раждането на четири мюона. Това доказва, че е имало появата на два неутрални Z-бозона (те винаги се появяват по време на такива събития). Това означава, че съществуването на Хигс бозона не е мит, а реалност.
Учените обаче отбелязват, че това събитие само по себе си не означава непременно раждането на Хигс бозона, тъй като други събития могат да доведат до появата на четири мюона. Това обаче е първото от този тип събития, което в крайна сметка може да произведе частица Хигс. За да се говори с увереност за съществуването на бозона на Хигс в определен масов диапазон, е необходимо да се натрупат значителен брой подобни събития и да се анализира как са разпределени масите на получените частици.
Каквото и да се говори обаче, първата стъпка към доказването на съществуването на „божествена частица“ вече е направена. Може би по-нататъшни експерименти ще могат да предоставят още повече информация за мистериозния Хигс бозон. Ако учените най-накрая успеят да го „уловят“, тогава те ще могат да пресъздадат условията, които са съществували преди 13 милиарда години след Големия взрив, тоест тези, при които се е родила нашата Вселена.
Структури на микросвета
Преди това елементарни частици се наричаха частици, които са част от атом и не могат да бъдат разделени на по-елементарни компоненти, а именно електрони и ядра.
По-късно беше установено, че ядрата се състоят от по-прости частици - нуклони(протони и неутрони), които от своя страна се състоят от други частици. Ето защо най-малките частици материя започват да се считат за елементарни частици , с изключение на атомите и техните ядра .
Към днешна дата са открити стотици елементарни частици, което налага тяхната класификация:
– по вид взаимодействие
- по време на живота
– най-голям гръб
Елементарните частици се делят на следните групи:
Композитни и фундаментални (безструктурни) частици
Съставни частици
адрони (тежки)– частици, участващи във всички видове фундаментални взаимодействия. Те се състоят от кварки и от своя страна се делят на: мезони– адрони с целочислен спин, тоест те са бозони; бариони– адрони с полуцяло въртене, тоест фермиони. Към тях, по-специално, спадат частиците, изграждащи ядрото на атома - протон и неутрон, т.е. нуклони.
Фундаментални (безструктурни) частици
Лептони (светлина)– фермиони, които имат формата на точкови частици (т.е. не се състоят от нищо) до мащаби от порядъка на 10 − 18 м. Те не участват в силни взаимодействия. Участието в електромагнитни взаимодействия се наблюдава експериментално само за заредени лептони (електрони, мюони, тау лептони) и не се наблюдава за неутрино.
Кварки– частично заредени частици, които изграждат адроните. Те не са наблюдавани в свободно състояние.
Калибровъчни бозони– частици, чрез обмена на които се осъществяват взаимодействия:
– фотон – частица, която носи електромагнитно взаимодействие;
– осем глуона – частици, носещи силното взаимодействие;
– три междинни векторни бозона У + , У− и З 0, които толерират слаби взаимодействия;
– гравитонът е хипотетична частица, която предава гравитационно взаимодействие. Съществуването на гравитони, въпреки че все още не е експериментално доказано поради слабостта на гравитационното взаимодействие, се счита за доста вероятно; гравитонът обаче не е включен в Стандартния модел на елементарните частици.
от модерни идеи, до фундаментални частици (или „истински“ елементарни частици), които нямат вътрешна структураи крайните размери включват:
Кварки и лептони
Частици, които осигуряват фундаментални взаимодействия: гравитони, фотони, векторни бозони, глуони.
Класификация на елементарните частици по време на живот:
- стабилен: частици, чийто живот е много дълъг (в границите клони към безкрайност). Те включват електрони , протони , неутрино . Неутроните също са стабилни вътре в ядрата, но са нестабилни извън ядрото.
- нестабилен (квазистабилни): елементарни частици са онези частици, които се разпадат поради електромагнитни и слаби взаимодействия и чийто живот е повече от 10–20 секунди. Такива частици включват свободен неутрон (т.е. неутрон извън ядрото на атом)
- резонанси (нестабилен, краткотраен). Резонансите включват елементарни частици, които се разпадат поради силни взаимодействия. Техният живот е по-малко от 10 -20 секунди.
Класификация на частиците по участие във взаимодействия:
- лептони : Те включват неутрони. Всички те не участват във водовъртежа на вътрешноядрените взаимодействия, т.е. не са обект на силни взаимодействия. Те участват в слабо взаимодействие, а тези с електрически заряд участват и в електромагнитно взаимодействие
- адрони : частици, които съществуват вътре в атомното ядро и участват в силни взаимодействия. Най-известните от тях са протон И неутрон .
Известен днес шест лептона :
В същото семейство като електрона са мюоните и тау частиците, които са подобни на електрона, но са по-масивни. Мюоните и тау частиците са нестабилни и в крайна сметка се разпадат на няколко други частици, включително електрона
Три електрически неутрални частици с нулева (или близка до нула, учените все още не са решили по този въпрос) маса, т.нар. неутрино . Всяко от трите неутрино (електронно неутрино, мюонно неутрино, тау неутрино) е свързано с един от трите вида частици от семейството на електроните.
Най-известният адрони , протони и неутрино има стотици роднини, които се раждат в големи количества и веднага се разпадат в процеса на различни ядрени реакции. С изключение на протона, всички те са нестабилни и могат да бъдат класифицирани според състава на частиците, на които се разпадат:
Ако сред крайните продукти на разпада на частиците има протон, тогава той се нарича барион
Ако сред продуктите на разпадане няма протон, тогава частицата се нарича мезон .
Хаотичната картина на субатомния свят, която ставаше все по-сложна с откриването на всеки нов адрон, отстъпи място на нова картина с появата на концепцията за кварките. Според кварковия модел всички адрони (но не и лептони) се състоят от още по-елементарни частици - кварки. Така бариони (по-специално протонът) се състои от три кварка и мезони - от двойката кварк - антикварк.
