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, използващи 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. Според стандартния модел на квантовата механика целият 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 типа 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 феноменотколкото физическата реалност, тъй като никой никога не ги е „виждал“ преди. 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.
| Поколение | Кварки със заряд (+2/3) | Кварки със заряд (−1/3) | ||||||
| Символ на кварк/антикварк | Маса (MeV) | Име/вкус на кварк/антикварк | Символ на кварк/антикварк | Маса (MeV) | ||||
|---|---|---|---|---|---|---|---|---|
| 1 | u-quark (up-quark) / анти-u-quark | texvcне е намерен; Вижте math/README за помощ при настройката.): u / \, \overline(u)
|
от 1,5 до 3 | d-кварк (надолу-кварк) / анти-d-кварк | Не може да се анализира израз (изпълним файл texvcне е намерен; Вижте math/README за помощ при настройката.): d / \, \overline(d)
|
4,79±0,07 | ||
| 2 | c-quark (charm-quark) / анти-c-quark | Не може да се анализира израз (изпълним файл texvcне е намерен; Вижте math/README за помощ при настройката.): c / \, \overline(c)
|
1250 ± 90 | s-кварк (странен кварк) / анти-s-кварк | Не може да се анализира израз (изпълним файл texvcне е намерен; Вижте math/README за помощ при настройката.): s / \, \overline(s)
|
95 ± 25 | ||
| 3 | t-кварк (топ-кварк) / анти-t-кварк | Не може да се анализира израз (изпълним файл texvcне е намерен; Вижте math/README за помощ при настройката.): t / \, \overline(t)
|
174 200 ± 3300 | b-кварк (долен кварк) / анти-b-кварк | Не може да се анализира израз (изпълним файл texvcне е намерен; Вижте math/README за помощ при настройката.): b / \, \overline(b)
|
4200±70 | ||
Вижте също
Напишете отзив за статията "Фундаментална частица"
Бележки
Връзки
- С. А. Славатински// Московски физико-технологичен институт (Долгопрудни, Московска област)
- Славатински С.А. // СОЖ, 2001, № 2, с. 62–68 архив http://web.archive.org/web/20060116134302/http://journal.issep.rssi.ru/annot.php?id=S1176
- // nuclphys.sinp.msu.ru
- // second-physics.ru
- //physics.ru
- // nature.web.ru
- // nature.web.ru
- // nature.web.ru
| Най-известната формула от общата теория на относителността е законът за запазване на енергията-маса | Това е чернова на статия по физика . Можете да помогнете на проекта, като добавите към него. |
| |||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
Тези три частици (както и други, описани по-долу) се привличат и отблъскват взаимно според техните обвинения, от които има само четири вида според броя на основните природни сили. Зарядите могат да бъдат подредени в низходящ ред на съответните сили, както следва: цветен заряд (сили на взаимодействие между кварките); електрически заряд(електрични и магнитни сили); слаб заряд (сили при някои радиоактивни процеси); накрая, маса (гравитационна сила или гравитационно взаимодействие). Думата "цвят" тук няма нищо общо с цвета Видима светлина; това е просто характеристика на силен заряд и най-големи сили.
Обвинения са запазени, т.е. зарядът, влизащ в системата, е равен на заряда, който излиза от нея. Ако общият електрически заряд на определен брой частици преди тяхното взаимодействие е равен, да речем, на 342 единици, то след взаимодействието, независимо от неговия резултат, той ще бъде равен на 342 единици. Това важи и за други заряди: цвят (силен заряд на взаимодействие), слаб и маса (маса). Частиците се различават по своите заряди: по същество те „са“ тези заряди. Обвиненията са като „сертификат“ за правото да се реагира на подходящата сила. По този начин само цветните частици се влияят от цветните сили, само електрически заредените частици се влияят от електрическите сили и т.н. Свойствата на една частица се определят от най-голямата сила, действаща върху нея. Само кварките са носители на всички заряди и следователно са обект на действието на всички сили, сред които доминиращата е цветът. Електроните имат всички заряди с изключение на цвета и доминиращата сила за тях е електромагнитната сила.
Най-стабилни в природата са, като правило, неутралните комбинации от частици, в които зарядът на частиците от един знак се компенсира от общия заряд на частиците от другия знак. Това съответства на минималната енергия на цялата система. (По същия начин два лентови магнита са подредени в една линия, с Северен полюседин от тях е адресиран до Южен полюсдруга, която съответства на минималната енергия на магнитното поле.) Гравитацията е изключение от това правило: отрицателна маса не съществува. Няма тела, които да падат нагоре.
ВИДОВЕ МАТЕРИЯ
Обикновената материя се образува от електрони и кварки, групирани в обекти, които са неутрални по цвят и след това по електрически заряд. Силата на цвета се неутрализира, както ще бъде обсъдено по-подробно по-долу, когато частиците се комбинират в триплети. (Оттук и самият термин „цвят“, взет от оптиката: три основни цвята, когато се смесят, произвеждат бяло.) Така кварките, за които силата на цвета е основната, образуват триплети. Но кварките и те се делят на u-кварки (от англ. up - отгоре) и д-кварки (от английски down - дъно), също имат електрически заряд равен на u-кварк и за д-кварк. две u-кварк и едно д-кварките дават електрически заряд +1 и образуват протон, и единица u-кварк и две д-кварките дават нулев електрически заряд и образуват неутрон.
Стабилните протони и неутрони, привлечени един към друг от остатъчните цветни сили на взаимодействие между съставните им кварки, образуват цветно неутрално атомно ядро. Но ядрата носят положителен електрически заряд и, привличайки отрицателни електрони, които обикалят около ядрото като планети, обикалящи около Слънцето, се стремят да образуват неутрален атом. Електроните в техните орбити се отстраняват от ядрото на разстояния десетки хиляди пъти по-големи от радиуса на ядрото - доказателство, че електрическите сили, които ги задържат, са много по-слаби от ядрените. Благодарение на силата на цветовото взаимодействие, 99,945% от масата на атома се съдържа в неговото ядро. Тегло u- И д-кварките са около 600 пъти по-големи от масата на електрона. Следователно електроните са много по-леки и по-подвижни от ядрата. Тяхното движение в материята се причинява от електрически явления.
Има няколкостотин естествени разновидности на атоми (включително изотопи), които се различават по броя на неутроните и протоните в ядрото и съответно по броя на електроните в техните орбити. Най-простият е водородният атом, състоящ се от ядро под формата на протон и един въртящ се около него електрон. Цялата „видима“ материя в природата се състои от атоми и частично „разглобени“ атоми, които се наричат йони. Йоните са атоми, които след като са загубили (или спечелили) няколко електрона, са се превърнали в заредени частици. Материята, състояща се почти изцяло от йони, се нарича плазма. Звездите горят поради топлинна енергия, идваща от центровете ядрени реакции, се състоят главно от плазма и тъй като звездите са най-често срещаната форма на материя във Вселената, можем да кажем, че цялата Вселена се състои главно от плазма. По-точно, звездите са предимно напълно йонизиран водороден газ, т.е. смес от отделни протони и електрони и следователно почти цялата видима Вселена се състои от него.
Това е видима материя. Но във Вселената има и невидима материя. И има частици, които действат като носители на сила. Има античастици и възбудени състояния на някои частици. Всичко това води до явно прекомерно изобилие от „елементарни“ частици. В това изобилие може да се намери индикация за действителната, истинска природа на елементарните частици и силите, действащи между тях. Според най най-новите теории, частиците могат основно да представляват разширени геометрични обекти - „струни“ в десетизмерно пространство.
Невидимият свят.
Вселената съдържа не само видима материя (но и черни дупки и „ тъмна материя“, като студени планети, които стават видими, ако бъдат осветени). Има и наистина невидима материя, която прониква във всички нас и в цялата Вселена всяка секунда. Това е бързо движещ се газ от частици от един вид - електронни неутрино.
Електронното неутрино е партньор на електрона, но няма електрически заряд. Неутриното носи само така наречения слаб заряд. Тяхната маса на покой по всяка вероятност е нула. Но те взаимодействат с гравитационното поле, защото имат кинетична енергия д, което съответства на ефективната маса м, според формулата на Айнщайн д = mc 2 където ° С- скоростта на светлината.
Ключовата роля на неутриното е, че допринася за трансформацията И-кварки в д-кварки, в резултат на което протонът се превръща в неутрон. Неутриното действа като "игла на карбуратора" за реакции на синтез на звезди, при които четири протона (водородни ядра) се комбинират, за да образуват хелиево ядро. Но тъй като ядрото на хелия не се състои от четири протона, а от два протона и два неутрона, за такива ядрен синтезтрябват две И-кварки, превърнати в две д-кварк. Интензивността на трансформацията определя колко бързо ще изгорят звездите. А процесът на трансформация се определя от слаби заряди и слаби сили на взаимодействие между частиците. При което И-кварк (електрически заряд +2/3, слаб заряд +1/2), взаимодействащ с електрон (електрически заряд - 1, слаб заряд -1/2), образува д-кварк (електрически заряд –1/3, слаб заряд –1/2) и електронно неутрино (електричен заряд 0, слаб заряд +1/2). Цветните заряди (или само цветовете) на двата кварка се компенсират в този процес без неутриното. Ролята на неутриното е да отнесе некомпенсирания слаб заряд. Следователно скоростта на трансформация зависи от това колко слаби са слабите сили. Ако бяха по-слаби, отколкото са, звездите изобщо нямаше да горят. Ако бяха по-силни, звездите отдавна да са изгорели.
Какво ще кажете за неутрино? Тъй като тези частици взаимодействат изключително слабо с друга материя, те почти веднага напускат звездите, в които са родени. Всички звезди блестят, излъчвайки неутрино, а неутрино блести през нашите тела и цялата Земя ден и нощ. Така че те се скитат из Вселената, докато влязат, може би, в ново взаимодействие STAR).
Носители на взаимодействия.
Какво причинява силите, действащи между частиците на разстояние? Съвременната физика отговаря: поради обмена на други частици. Представете си двама състезатели по бързо кънки, които хвърлят топка наоколо. Чрез придаване на инерция на топката при хвърляне и получаване на инерция с получената топка, и двете получават тласък в посока далеч една от друга. Това може да обясни появата на отблъскващи сили. Но в квантова механика, който разглежда явления в микросвета, позволява необичайно разтягане и делокализация на събитията, което води до привидно невъзможното: един от скейтърите хвърля топката в посоката отразличен, но все пак този Може бихвани тази топка. Не е трудно да си представим, че ако това беше възможно (а в света на елементарните частици е възможно), между скейтърите би възникнало привличане.
Частиците, поради обмена на които възникват силите на взаимодействие между четирите обсъдени по-горе „частици материя“, се наричат калибровъчни частици. Всяко от четирите взаимодействия – силно, електромагнитно, слабо и гравитационно – има свой собствен набор от калибрирани частици. Носещите частици на силното взаимодействие са глуони (има само осем от тях). Фотонът е носител на електромагнитно взаимодействие (има само един и ние възприемаме фотоните като светлина). Частиците носители на слабото взаимодействие са междинни векторни бозони (те са открити през 1983 и 1984 г. У + -, У- - бозони и неутрални З-бозон). Носещата частица на гравитационното взаимодействие е все още хипотетичният гравитон (би трябвало да е само един). Всички тези частици, с изключение на фотона и гравитона, които могат да пътуват на безкрайно дълги разстояния, съществуват само в процеса на обмен между материалните частици. Фотоните изпълват Вселената със светлина, а гравитоните изпълват гравитационни вълни(все още не е надеждно открит).
Казва се, че частица, способна да излъчва калибровъчни частици, е заобиколена от съответно поле от сили. По този начин електроните, способни да излъчват фотони, са заобиколени от електрически и магнитни полета, както и слаби и гравитационни полета. Кварките също са заобиколени от всички тези полета, но също и от полето на силно взаимодействие. Частиците с цветен заряд в полето на цветовите сили се влияят от цветовата сила. Същото важи и за другите природни сили. Следователно можем да кажем, че светът се състои от материя (материални частици) и поле (калибровъчни частици). Повече за това по-долу.
Антиматерия.
Всяка частица има античастица, с която частицата може взаимно да анихилира, т.е. "анихилират", което води до освобождаване на енергия. „Чиста“ енергия сама по себе си обаче не съществува; В резултат на анихилация се появяват нови частици (например фотони), които отнемат тази енергия.
В повечето случаи античастицата има свойства, противоположни на съответната частица: ако една частица се движи наляво под въздействието на силни, слаби или електромагнитни полета, тогава нейната античастица ще се движи надясно. Накратко, античастицата има противоположни знаци на всички заряди (с изключение на масовия). Ако една частица е съставна, като например неутрон, тогава нейната античастица се състои от компоненти с противоположни знаци на заряди. Така антиелектронът има електрически заряд +1, слаб заряд +1/2 и се нарича позитрон. Антинеутронът се състои от И-антикварки с електрически заряд –2/3 и д-антикварки с електрически заряд +1/3. Истинските неутрални частици са свои собствени античастици: античастицата на фотона е фотон.
Според съвременните теоретични идеи, всяка частица, съществуваща в природата, трябва да има своя собствена античастица. И много античастици, включително позитрони и антинеутрони, наистина са получени в лабораторията. Последствията от това са изключително важни и лежат в основата на всичко експериментална физикаелементарни частици. Според теорията на относителността масата и енергията са еквивалентни и при определени условия енергията може да се превърне в маса. Тъй като зарядът се запазва и зарядът на вакуума (празното пространство) е нула, всякакви двойки частици и античастици (с нулев нетен заряд) могат да излязат от вакуума, като зайци от шапката на магьосник, стига да има достатъчно енергия за създават тяхната маса.
Поколения на частици.
Експериментите с ускорителя показват, че квартетът материални частици се повтаря поне два пъти при по-високи стойности на масата. Във второто поколение мястото на електрона се заема от мюона (с маса приблизително 200 пъти по-голяма от масата на електрона, но със същите стойности на всички останали заряди), мястото на електронното неутрино е взето от мюона (който придружава мюона при слаби взаимодействия по същия начин, както електронът се придружава от електронното неутрино), място И-кварк заема с-кварк ( очарован), А д-кварк – с-кварк ( странно). В третото поколение квартетът се състои от тау лептон, тау неутрино, T-кварк и b-кварк.
Тегло T-един кварк е около 500 пъти по-голям от масата на най-лекия – д-кварк. Експериментално е установено, че има само три вида леки неутрино. Така че четвъртото поколение частици или изобщо не съществува, или съответните неутрино са много тежки. Това е в съответствие с космологичните данни, според които не могат да съществуват повече от четири вида леки неутрино.
При експерименти с високоенергийни частици електронът, мюонът, тау-лептонът и съответните неутрино действат като изолирани частици. Те не носят цветен заряд и влизат само в слаби и електромагнитни взаимодействия. Колективно те се наричат лептони.
| Таблица 2. ГЕНЕРАЦИИ НА ФУНДАМЕНТАЛНИ ЧАСТИЦИ | ||||
| частица | Маса на покой, MeV/ с 2 | Електрически заряд | Цветен заряд | Слаб заряд |
| ВТОРО ПОКОЛЕНИЕ | ||||
| с-кварк | 1500 | +2/3 | Червено, зелено или синьо | +1/2 |
| с-кварк | 500 | –1/3 | Един и същ | –1/2 |
| Мюонно неутрино | 0 | 0 | +1/2 | |
| Мюон | 106 | 0 | 0 | –1/2 |
| ТРЕТО ПОКОЛЕНИЕ | ||||
| T-кварк | 30000–174000 | +2/3 | Червено, зелено или синьо | +1/2 |
| b-кварк | 4700 | –1/3 | Един и същ | –1/2 |
| Тау неутрино | 0 | 0 | +1/2 | |
| Тау | 1777 | –1 | 0 | –1/2 |
Кварките, под въздействието на цветовите сили, се комбинират в силно взаимодействащи частици, които доминират в повечето експерименти във физиката на високи енергии. Такива частици се наричат адрони. Те включват два подкласа: бариони(като протон и неутрон), които са съставени от три кварка и мезони, състоящ се от кварк и антикварк. През 1947 г. първият мезон, наречен пион (или пи-мезон), е открит в космическите лъчи и известно време се смяташе, че обменът на тези частици - главната причинаядрени сили. Омега-минус адрони, открити през 1964 г. в Националната лаборатория Брукхейвън (САЩ), и частицата JPS ( Дж/г-мезон), открит едновременно в Брукхейвън и в Станфордския център за линейни ускорители (също в САЩ) през 1974 г. Съществуването на омега минус частицата е предсказано от М. Гел-Ман в неговия т.нар. S.U. 3 теория" (друго име е "осемкратният път"), в която за първи път е предложена възможността за съществуване на кварки (и това име им е дадено). Десетилетие по-късно откриването на частицата Дж/гпотвърди съществуването с-кварк и накрая накара всички да повярват както в кварковия модел, така и в теорията, която обединява електромагнитни и слаби сили ( виж отдолу).
Частиците от второ и трето поколение са не по-малко реални от първото. Вярно е, че след като са възникнали, за милионни или милиардни от секундата те се разпадат на обикновени частици от първо поколение: електрон, електронно неутрино и също И- И д-кварки. Въпросът защо в природата има няколко поколения частици все още остава загадка.
Често се говори за различни поколения кварки и лептони (което, разбира се, е донякъде ексцентрично) като за различни „вкусове“ на частици. Необходимостта да ги обясним се нарича проблем с „вкуса“.
БОЗОНИ И ФЕРМИОНИ, ПОЛЕ И МАТЕРИЯ
Една от основните разлики между частиците е разликата между бозоните и фермионите. Всички частици са разделени на тези два основни класа. Идентичните бозони могат да се припокриват или припокриват, но идентичните фермиони не могат. Суперпозицията възниква (или не се случва) в дискретни енергийни състояния, на които квантовата механика разделя природата. Тези състояния са като отделни клетки, в които могат да се поставят частици. Така че можете да поставите колкото искате еднакви бозони в една клетка, но само един фермион.
Като пример, разгледайте такива клетки или „състояния“ за електрон, обикалящ около ядрото на атом. За разлика от планетите слънчева система, електронът, според законите на квантовата механика, не може да циркулира в никоя елиптична орбита; за него има само дискретна поредица от разрешени „състояния на движение“. Набори от такива състояния, групирани според разстоянието от електрона до ядрото, се наричат орбитали. В първата орбитала има две състояния с различен ъглов момент и следователно две разрешени клетки, а в по-високите орбитали има осем или повече клетки.
Тъй като електронът е фермион, всяка клетка може да съдържа само един електрон. От това произтичат много важни последствия - цялата химия, тъй като химичните свойства на веществата се определят от взаимодействията между съответните атоми. Ако вървите заедно периодичната таблицаелементи от един атом към друг в реда на увеличаване с единица на броя на протоните в ядрото (броят на електроните също ще се увеличи съответно), тогава първите два електрона ще заемат първата орбитала, следващите осем ще бъдат разположени в второ и т.н. Чрез тази последователна промяна електронна структураатоми от елемент на елемент и определят моделите в техните химични свойства.
Ако електроните бяха бозони, тогава всички електрони в един атом биха могли да заемат една и съща орбитала, съответстваща на минималната енергия. В този случай свойствата на цялата материя във Вселената биха били напълно различни и Вселената във вида, в който я познаваме, би била невъзможна.
Всички лептони - електрон, мюон, тау лептон и съответните им неутрино - са фермиони. Същото може да се каже и за кварките. По този начин всички частици, които образуват „материята“, основният пълнител на Вселената, както и невидимите неутрино, са фермиони. Това е доста важно: фермионите не могат да се комбинират, така че същото важи и за обектите в материалния свят.
В същото време всички „калибровъчни частици“, които се обменят между взаимодействащи материални частици и които създават поле от сили ( виж по-горе), са бозони, което също е много важно. Така например много фотони могат да бъдат в едно и също състояние, образувайки магнитно поле около магнит или електрическо поле около електрически заряд. Благодарение на това е възможен и лазер.
Завъртете.
Разликата между бозоните и фермионите е свързана с друга характеристика на елементарните частици - завъртане. Изненадващо, всички фундаментални частици имат собствен моментимпулс или по-просто казано, върти се около оста си. Инерция – характеристика въртеливо движение, както и общият импулс – транслационен. При всяко взаимодействие ъгловият момент и импулсът се запазват.
В микрокосмоса ъгловият импулс е квантован, т.е. приема дискретни стойности. В подходящи мерни единици лептоните и кварките имат спин 1/2, а калибровъчните частици имат спин 1 (с изключение на гравитона, който все още не е наблюдаван експериментално, но теоретично трябва да има спин 2). Тъй като лептоните и кварките са фермиони, а калибровъчните частици са бозони, можем да приемем, че „фермионността“ е свързана със спин 1/2, а „бозоничността“ е свързана със спин 1 (или 2). Всъщност както експериментът, така и теорията потвърждават, че ако една частица има полуцяло спин, тогава тя е фермион, а ако има цяло число, тогава е бозон.
ТЕОРИИ И ГЕОМЕТРИЯ НА ИЗМЕРИТЕЛИТЕ
Във всички случаи силите възникват поради обмена на бозони между фермиони. По този начин цветната сила на взаимодействие между два кварка (кварки - фермиони) възниква поради обмена на глуони. Подобен обмен се извършва постоянно в протони, неутрони и атомни ядра. По подобен начин фотоните, обменяни между електрони и кварки, създават електрическите сили на привличане, които задържат електроните в атома, а междинните векторни бозони, обменяни между лептони и кварки, създават слабите сили на взаимодействие, отговорни за превръщането на протоните в неутрони при термоядрени реакциив звездите.
Теорията зад този обмен е елегантна, проста и вероятно правилна. Нарича се калибровъчна теория. Но в момента има само независими калибровъчни теории за силни, слаби и електромагнитни взаимодействия и подобна, макар и малко по-различна, калибровъчна теория за гравитацията. Един от най-важните физически проблеми е редуцирането на тези отделни теории в една единствена и в същото време проста теория, в която всички те биха се превърнали в различни аспекти на една единствена реалност - като ръбове на кристал.
| Таблица 3. НЯКОИ АДРОНИ | ||||
| частица | Символ | Кварков състав * | Маса на почивка, MeV/ с 2 | Електрически заряд |
| БАРИОНИ | ||||
| Протон | стр | uud | 938 | +1 |
| Неутрон | н | udd | 940 | 0 |
| Омега минус | W – | sss | 1672 | –1 |
| МЕЗОНИ | ||||
| Пи-плюс | стр + | u | 140 | +1 |
| Пи минус | стр – | ду | 140 | –1 |
| Fi | f | sє | 1020 | 0 |
| JP | Дж/г | cў | 3100 | 0 |
| Ипсилон | Ў | b | 9460 | 0 |
| * Състав на кварк: u- Горна част; д- нисък; с- странно; ° С– омагьосан; b- Красив. Антиките са обозначени с линия над буквата. | ||||
Най-простата и най-старата от калибровъчните теории е калибровъчната теория на електромагнитното взаимодействие. При него зарядът на един електрон се сравнява (калибрира) със заряда на друг отдалечен от него електрон. Как можете да сравните таксите? Можете например да приближите втория електрон до първия и да сравните техните сили на взаимодействие. Но не се ли променя зарядът на електрона, когато се премести в друга точка в пространството? Единствения начинпроверки - изпратете сигнал от близък електрон до отдалечен и вижте как реагира. Сигналът е калибрована частица – фотон. За да можете да тествате заряда на далечни частици, е необходим фотон.
Математически тази теория е изключително точна и красива. От описания по-горе „калибровъчен принцип“ следва цялата квантова електродинамика (квантовата теория на електромагнетизма), както и теорията електромагнитно полеМаксуел е един от най-великите научни постижения 19 век
Защо толкова прост принцип е толкова плодотворен? Явно изразява някаква корелация различни частиВселена, което позволява да се правят измервания във Вселената. В математически термини полето се интерпретира геометрично като кривината на някакво мислимо „вътрешно“ пространство. Измерването на заряда е измерване на общата „вътрешна кривина“ около частицата. Калибровъчните теории за силните и слабите взаимодействия се различават от електромагнитната калибровъчна теория само по вътрешната геометрична „структура“ на съответния заряд. На въпроса къде точно се намира това вътрешно пространство се търси отговор чрез многомерни теории за обединено поле, които не се обсъждат тук.
| Таблица 4. ФУНДАМЕНТАЛНИ ВЗАИМОДЕЙСТВИЯ | |||||
| Взаимодействие | Относителна интензивност на разстояние 10–13 cm | Радиус на действие | Носител на взаимодействие | Маса на покой на носителя, MeV/ с 2 | Завъртете носача |
| Силен | 1 | глуон | 0 | 1 | |
| Електро- магнитен |
0,01 | Ґ | Фотон | 0 | 1 |
| слаб | 10 –13 | У + | 80400 | 1 | |
| У – | 80400 | 1 | |||
| З 0 | 91190 | 1 | |||
| Гравита- ционален |
10 –38 | Ґ | Гравитон | 0 | 2 |
Физиката на елементарните частици все още не е завършена. Все още далеч не е ясно дали наличните данни са достатъчни, за да разберем напълно природата на частиците и силите, както и истинската природа и измерение на пространството и времето. Имаме ли нужда от експерименти с енергии от 10 15 GeV за това или усилието на мисълта ще бъде достатъчно? Все още няма отговор. Но можем да кажем с увереност, че крайната картина ще бъде проста, елегантна и красива. Възможно е да няма толкова много фундаментални идеи: принципът на калибровката, пространствата с по-високи измерения, свиването и разширяването и преди всичко геометрията.
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 − c, 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 ъглов момент – 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 която 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 определя като векторната сума на спиновете на елементарните 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 Фигура 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 | Време на 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 представя 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
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 , протоните и неутриното 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.
