Περίληψη: Στοιχειώδη σωματίδια. Γενικές πληροφορίες για τα στοιχειώδη σωματίδια

Στοιχειώδηςονομάζονται σωματίδια, στα οποία (στο παρόν στάδιο ανάπτυξης της φυσικής) δεν μπορεί να αποδοθεί καμία εσωτερική δομή.

Τα κύρια σωματίδια που αποτελούν το άτομο - ηλεκτρόνια, πρωτόνια και νετρόνια - θεωρήθηκαν αρχικά ανίκανα για μετασχηματισμούς και οποιεσδήποτε αλλαγές. Γι' αυτό ονομάζονται στοιχειώδεις. Ωστόσο, αργότερα αποδείχθηκε ότι ο όρος "στοιχειώδες σωματίδιο" είναι μάλλον υπό όρους. Έτσι, για παράδειγμα, ένα ελεύθερο νετρόνιο έχει διάρκεια ζωής περίπου 15 λεπτά και στη συνέχεια διασπάται σε πρωτόνιο, ηλεκτρόνιο και αντινετρίνο:

Από όλα τα επί του παρόντος ανακαλυφθέντα στοιχειώδη σωματίδια, μόνο το φωτόνιο, το ηλεκτρόνιο, το πρωτόνιο και το νετρίνο θα διατηρούσαν το αμετάβλητο εάν καθένα από αυτά ήταν μόνο του στον περιβάλλοντα χώρο.

Τα στοιχειώδη σωματίδια υπακούουν στους νόμους της κβαντικής φυσικής.

Η σύγχρονη ταξινόμηση των στοιχειωδών σωματιδίων βασίζεται στις κύριες ιδιότητές τους: μάζα, ηλεκτρικό φορτίο, σπιν και διάρκεια ζωής, καθώς και φορτία λεπτονίων και βαρυονίων.

Ο Πίνακας 23.1 δείχνει ορισμένες πληροφορίες σχετικά με τις ιδιότητες των στοιχειωδών σωματιδίων με διάρκεια ζωής μεγαλύτερη από 10 -20 s. Τα σωματίδια στον πίνακα είναι διατεταγμένα με αύξουσα σειρά της μάζας τους.

Ο πίνακας των στοιχειωδών σωματιδίων δεν περιλαμβάνει όλα τα βραχύβια σωματίδια συντονισμού, ιδιαίτερα τα «γοητευμένα» σωματίδια. Επίσης δεν περιλαμβάνονται οι φορείς ασθενών αλληλεπιδράσεων - διανυσματικά μποζόνια. Το αποτέλεσμα είναι 39 σωματίδια.

Ο πίνακας ανοίγει με ένα φωτόνιο. Το φωτόνιο, μένοντας μόνο του, σχηματίζει την πρώτη ομάδα. Τα φωτόνια είναι κβάντα του ηλεκτρομαγνητικού πεδίου (φως, -ακτινοβολία κ.λπ.), δεν έχουν αντίστοιχα αντισωματίδια, δηλ. είναι τα δικά τους αντισωματίδια.

Η επόμενη ομάδα σχηματίζεται από σωματίδια φωτός - λεπτόνια.Περιλαμβάνει δώδεκα σωματίδια (συμπεριλαμβανομένων των αντισωματιδίων). Αυτά είναι το ηλεκτρόνιο, το μιόνιο (που ανακαλύφθηκε στις κοσμικές ακτίνες το 1937 - είναι ένα βαρύ ανάλογο του ηλεκτρονίου, με μάζα περίπου 200 φορές τη μάζα του ηλεκτρονίου) και -λεπτόνιο (το ταόν έχει μάζα περίπου 3500 φορές τη μάζα του ηλεκτρονίου). Κάθε ένα από αυτά τα τρία σωματίδια έχει το δικό του νετρίνο, το οποίο συνοδεύει το δικό του φορτισμένο σωματίδιο σε διάφορους μετασχηματισμούς: ένα νετρίνο ηλεκτρονίων γεννιέται μαζί με τα ηλεκτρόνια, ένα νετρίνο μιονίων - μαζί με τα μιόνια, ένα λεπτόνιο - μαζί με τα λεπτόνια. Αν και το -λεπτόνιο έχει πολύ μεγάλη μάζα, συγκαταλέγεται στην ομάδα των λεπτονίων, αφού είναι κοντά τους σε όλες τις άλλες ιδιότητες. Η κύρια ιδιότητα που το κάνει να σχετίζεται με άλλα λεπτόνια είναι ότι αυτό το σωματίδιο, όπως και άλλα λεπτόνια, δεν συμμετέχει σε ισχυρές αλληλεπιδράσεις.

Πίνακας 23.1

Ακολουθούμενη από μεσόνια.Αυτή η ομάδα αποτελείται από οκτώ σωματίδια. Τα ελαφρύτερα από αυτά είναι τα μεσόνια: θετικά, αρνητικά και ουδέτερα. Οι μάζες τους είναι μάζες ηλεκτρονίων 264,1 και 273,1. Τα πιόνια είναι κβάντα του πυρηνικού πεδίου, όπως τα φωτόνια είναι κβάντα του ηλεκτρομαγνητικού πεδίου. Υπάρχουν επίσης τέσσερα -μεσόνια και ένα -μεσόνια.

Η τελευταία ομάδα - βαρυόνια- το πιο εκτεταμένο. Περιλαμβάνει 18 σωματίδια από τα 39. Τα ελαφρύτερα από τα βαρυόνια είναι νουκλεόνια - πρωτόνια και νετρόνια. Ακολουθούν τα λεγόμενα υπερώνια. Ολόκληρος ο πίνακας κλείνει από ένα (ωμέγα-μείον) σωματίδιο, που ανακαλύφθηκε το 1964. Η μάζα του είναι 3273 φορές μεγαλύτερη από τη μάζα ενός ηλεκτρονίου.

Τα μεσόνια και τα βαρυόνια είναι μια κατηγορία αδρόνια- σωματίδια που συμμετέχουν σε ισχυρές αλληλεπιδράσεις. Τα αδρόνια χωρίζονται σε «σταθερά» σωματίδια με διάρκεια ζωής c και σε συντονισμούς με διάρκεια ζωής c, δηλ. αντιστοιχούν στον ισχυρό χρόνο αλληλεπίδρασης. Το μήκος της διαδρομής τους από τη στιγμή της γέννησης μέχρι τη στιγμή της αποσύνθεσης είναι περίπου 10 -15 m, και αυτά τα σωματίδια δεν αφήνουν κανένα ίχνος στους ανιχνευτές. Εμφανίζονται ως κορυφές στα διαγράμματα των λεγόμενων διατομών σκέδασης σε συνάρτηση με την ενέργεια. Οι συντονισμοί αποσυντίθενται λόγω ισχυρής αλληλεπίδρασης, σταθερών σωματιδίων - λόγω ηλεκτρομαγνητικών και ασθενών αλληλεπιδράσεων.

Η διαίρεση των στοιχειωδών σωματιδίων σε ομάδες καθορίζεται όχι μόνο από τη διαφορά στις μάζες, αλλά και από άλλες σημαντικές ιδιότητες, όπως το σπιν.

Τα λεπτόνια και τα βαρυόνια έχουν σπιν ίσο με το σπιν του μεσονίου είναι 0 και το σπιν του φωτονίου είναι ίσο με 1.

Υπάρχουν τέσσερις τύποι αλληλεπιδράσεων μεταξύ στοιχειωδών σωματιδίων - βαρυτικά, ηλεκτρομαγνητικά, ισχυρά και αδύναμα.

Ισχυρή αλληλεπίδρασηχαρακτηριστικό των βαρέων σωματιδίων, ξεκινώντας από το πιόνιο. Η πιο διάσημη εκδήλωσή του είναι οι πυρηνικές δυνάμεις που εξασφαλίζουν την ύπαρξη ατομικών πυρήνων.

Στην ηλεκτρομαγνητική αλληλεπίδρασηεμπλέκονται άμεσα μόνο ηλεκτρικά φορτισμένα σωματίδια και φωτόνια. Η πιο διάσημη εκδήλωσή του είναι οι δυνάμεις Coulomb που καθορίζουν την ύπαρξη ατόμων. Είναι η ηλεκτρομαγνητική αλληλεπίδραση που είναι υπεύθυνη για τη συντριπτική πλειοψηφία των μακροσκοπικών ιδιοτήτων της ύλης. Προκαλεί επίσης τον αφανισμό ενός ζεύγους ηλεκτρονίων-ποζιτρονίων και πολλές άλλες μικροσκοπικές διεργασίες.

Αδύναμη αλληλεπίδρασηχαρακτηριστικό όλων των σωματιδίων εκτός από τα φωτόνια. Η πιο διάσημη εκδήλωσή του είναι η διάσπαση ενός νετρονίου και ενός αριθμού ατομικών πυρήνων.

Βαρυτική αλληλεπίδρασηεγγενής σε όλα τα σώματα του Σύμπαντος, που εκδηλώνεται με τη μορφή καθολικών βαρυτικών δυνάμεων. Αυτές οι δυνάμεις εξασφαλίζουν την ύπαρξη αστεριών, πλανητικών συστημάτων κ.λπ. Η βαρυτική αλληλεπίδραση είναι εξαιρετικά αδύναμη και δεν παίζει σημαντικό ρόλο στον κόσμο των στοιχειωδών σωματιδίων στις συνηθισμένες ενέργειες. Στον κόσμο των στοιχειωδών σωματιδίων, η βαρύτητα γίνεται σημαντική σε κολοσσιαίες ενέργειες της τάξης των 10 22 MeV, οι οποίες αντιστοιχούν σε εξαιρετικά μικρές αποστάσεις της τάξης των 10 -35 m.

Υπάρχουν πολλά στοιχειώδη σωματίδια επί του παρόντος (πάνω από 350). Επομένως, τίθεται το ερώτημα: υπάρχει κάτι κοινό στη δομή αυτών των σωματιδίων; Μπορούν να θεωρηθούν στοιχειώδεις;

Το 1963, οι M. Gell-Mann και J. Zweig διατύπωσαν μια υπόθεση σχετικά με την ύπαρξη στη φύση πολλών σωματιδίων που ονομάζονται κουάρκ. Σύμφωνα με αυτή την υπόθεση, όλα τα μεσόνια, τα βαρυόνια και οι συντονισμοί - δηλ. αδρόνια, αποτελούνται από κουάρκ και αντικουάρκ, οι συνδυασμοί των οποίων είναι διαφορετικοί.

Αρχικά, εισήχθη η υπόθεση της ύπαρξης τριών κουάρκ (και, κατά συνέπεια, τριών αντικουάρκ). Τα κουάρκ σημειώνονται με γράμματα u, d, s.Πρέπει να έχουν κλασματικά ηλεκτρικά φορτία. Το πρώτο είναι u-κουάρκ - έχει φορτίο - μι,ένα ρε-και μικρό-Τα κουάρκ έχουν τα ίδια φορτία ίσα με το πού μι- μονάδα φόρτισης ηλεκτρονίων. Η ύπαρξη ενός τέταρτου κουάρκ είχε προβλεφθεί, ντο-κουάρκ, που ονομάζεται "γοητευμένος". Στη συνέχεια ανακαλύφθηκαν πειραματικά σωματίδια που περιείχαν αυτό το κουάρκ. Η μάζα του c-κουάρκ υπερβαίνει τη μάζα μικρό-κουάρκ. Στη συνέχεια, προβλέφθηκαν και στη συνέχεια ανακαλύφθηκαν ακόμη πιο σοβαρά προβλήματα. σι- και t-κουάρκ.

Τα κουάρκ, μαζί με τα λεπτόνια, θεωρούνται αληθινά στοιχειώδη σωματίδια. Τα κουάρκ δεν έχουν ακόμη βρεθεί σε ελεύθερη κατάσταση και τώρα έχουν γίνει προτάσεις για την αδυναμία διαχωρισμού των σωματιδίων σε κουάρκ. Αυτές οι υποθέσεις βασίζονται στον ισχυρισμό ότι οι δυνάμεις αλληλεπίδρασης μεταξύ των κουάρκ δεν μειώνονται με την απόσταση, επομένως είναι αδύνατο να εξαχθούν τα κουάρκ από τα σωματίδια.

Ερωτήσεις για την εμπέδωση του θέματος που μελετήθηκε

1 Ορίστε τον συντελεστή πολλαπλασιασμού νετρονίων.

2 Σε ποιες τιμές του k θα ελέγχεται η πυρηνική αντίδραση; ανοικονόμητος?

3 Τι είναι η κρίσιμη μάζα; Πώς μπορεί να μειωθεί;

4 Πώς λειτουργεί ένας πυρηνικός αντιδραστήρας;

5 Τι είναι ένα στοιχειώδες σωματίδιο;

6 Σε ποιες ομάδες χωρίζονται τα γνωστά στοιχειώδη σωματίδια;

Στη φυσική, τα στοιχειώδη σωματίδια είναι φυσικά αντικείμενα στην κλίμακα του πυρήνα ενός ατόμου, τα οποία δεν μπορούν να χωριστούν σε συστατικά μέρη. Ωστόσο, σήμερα, οι επιστήμονες κατάφεραν ακόμα να χωρίσουν μερικά από αυτά. Η δομή και οι ιδιότητες αυτών των μικρότερων αντικειμένων μελετώνται από τη φυσική των στοιχειωδών σωματιδίων.

Τα μικρότερα σωματίδια που αποτελούν όλη την ύλη είναι γνωστά από την αρχαιότητα. Ωστόσο, ιδρυτές του λεγόμενου «ατομισμού» θεωρούνται ο φιλόσοφος της Αρχαίας Ελλάδας Λεύκιππος και ο πιο διάσημος μαθητής του, ο Δημόκριτος. Υποτίθεται ότι ο τελευταίος εισήγαγε τον όρο «άτομο». Από τα αρχαία ελληνικά το "άτομος" μεταφράζεται ως "αδιαίρετο", το οποίο καθορίζει τις απόψεις των αρχαίων φιλοσόφων.

Αργότερα έγινε γνωστό ότι το άτομο μπορεί ακόμα να χωριστεί σε δύο φυσικά αντικείμενα - τον πυρήνα και το ηλεκτρόνιο. Το τελευταίο έγινε στη συνέχεια το πρώτο στοιχειώδες σωματίδιο, όταν το 1897 ο Άγγλος Τζόζεφ Τόμσον διεξήγαγε ένα πείραμα με ακτίνες καθόδου και αποκάλυψε ότι ήταν ένα ρεύμα πανομοιότυπων σωματιδίων με την ίδια μάζα και φορτίο.

Παράλληλα με το έργο του Thomson, ο Henri Becquerel, ο οποίος ασχολείται με τη μελέτη της ακτινοβολίας ακτίνων Χ, διεξάγει πειράματα με ουράνιο και ανακαλύπτει ένα νέο είδος ακτινοβολίας. Το 1898, ένα ζευγάρι Γάλλων φυσικών, η Μαρί και ο Πιερ Κιουρί, μελετούν διάφορες ραδιενεργές ουσίες, βρίσκοντας την ίδια ραδιενεργή ακτινοβολία. Αργότερα θα διαπιστωθεί ότι αποτελείται από σωματίδια άλφα (2 πρωτόνια και 2 νετρόνια) και βήτα (ηλεκτρόνια) και ο Μπεκερέλ και ο Κιουρί θα λάβουν το βραβείο Νόμπελ. Διεξάγοντας την έρευνά της με στοιχεία όπως το ουράνιο, το ράδιο και το πολώνιο, η Marie Sklodowska-Curie δεν έλαβε κανένα μέτρο ασφαλείας, ούτε καν χρήση γαντιών. Ως αποτέλεσμα, το 1934 την ξεπέρασε η λευχαιμία. Σε ανάμνηση των επιτευγμάτων του μεγάλου επιστήμονα, το στοιχείο που ανακάλυψε το ζεύγος Κιουρί, το πολώνιο, πήρε το όνομά του από την πατρίδα της Μαρίας - Polonia, από τα λατινικά - Πολωνία.

Φωτογραφία από το 5ο συνέδριο Solvay, 1927. Προσπαθήστε να βρείτε όλους τους επιστήμονες από αυτό το άρθρο σε αυτή τη φωτογραφία.

Ξεκινώντας το 1905, ο Άλμπερτ Αϊνστάιν αφιέρωσε τις δημοσιεύσεις του στην ατέλεια της κυματικής θεωρίας του φωτός, τα αξιώματα της οποίας διέφεραν από τα αποτελέσματα των πειραμάτων. Το οποίο στη συνέχεια οδήγησε τον εξαιρετικό φυσικό στην ιδέα ενός "ελαφρού κβάντου" - ενός τμήματος φωτός. Αργότερα, το 1926, ονομάστηκε «φωτόνιο», μεταφρασμένο από το ελληνικό «phos» («φως»), από τον Αμερικανό φυσικοχημικό Gilbert N. Lewis.

Το 1913, ο Έρνεστ Ράδερφορντ, Βρετανός φυσικός, με βάση τα αποτελέσματα πειραμάτων που είχαν ήδη πραγματοποιηθεί εκείνη την εποχή, σημείωσε ότι οι μάζες των πυρήνων πολλών χημικών στοιχείων είναι πολλαπλάσιες της μάζας του πυρήνα του υδρογόνου. Ως εκ τούτου, πρότεινε ότι ο πυρήνας του υδρογόνου είναι συστατικό των πυρήνων άλλων στοιχείων. Στο πείραμά του, ο Ράδερφορντ ακτινοβόλησε ένα άτομο αζώτου με σωματίδια άλφα, το οποίο ως αποτέλεσμα εξέπεμπε ένα συγκεκριμένο σωματίδιο, που ονόμασε ο Έρνεστ ως «πρωτόνιο», από άλλα ελληνικά «πρωτό» (πρώτο, κύριο). Αργότερα επιβεβαιώθηκε πειραματικά ότι το πρωτόνιο είναι ο πυρήνας του υδρογόνου.

Προφανώς, το πρωτόνιο δεν είναι το μόνο συστατικό των πυρήνων των χημικών στοιχείων. Αυτή η ιδέα βασίζεται στο γεγονός ότι δύο πρωτόνια στον πυρήνα θα απωθούσαν το ένα το άλλο και το άτομο θα διασπωνόταν αμέσως. Επομένως, ο Ράδερφορντ διατύπωσε μια υπόθεση για την παρουσία ενός άλλου σωματιδίου, το οποίο έχει μάζα ίση με τη μάζα ενός πρωτονίου, αλλά είναι αφόρτιστο. Κάποια πειράματα επιστημόνων για την αλληλεπίδραση ραδιενεργών και ελαφρύτερων στοιχείων τους οδήγησαν στην ανακάλυψη μιας άλλης νέας ακτινοβολίας. Το 1932, ο James Chadwick προσδιόρισε ότι αποτελούνταν από τα ίδια ουδέτερα σωματίδια που ονόμασε νετρόνια.

Έτσι, ανακαλύφθηκαν τα πιο διάσημα σωματίδια: φωτόνιο, ηλεκτρόνιο, πρωτόνιο και νετρόνιο.

Επιπλέον, η ανακάλυψη νέων υποπυρηνικών αντικειμένων έγινε ένα ολοένα και πιο συχνό γεγονός και αυτή τη στιγμή είναι γνωστά περίπου 350 σωματίδια, τα οποία θεωρούνται «στοιχειώδη». Όσες από αυτές δεν έχουν καταφέρει ακόμα να χωριστούν θεωρούνται δομημένες και ονομάζονται «θεμελιώδεις».

Τι είναι το spin;

Πριν προχωρήσουμε σε περαιτέρω καινοτομίες στον τομέα της φυσικής, είναι απαραίτητο να προσδιοριστούν τα χαρακτηριστικά όλων των σωματιδίων. Το πιο γνωστό, εκτός από μάζα και ηλεκτρικό φορτίο, περιλαμβάνει και το σπιν. Αυτή η τιμή ονομάζεται αλλιώς «εγγενής γωνιακή ορμή» και δεν σχετίζεται με κανέναν τρόπο με τη μετατόπιση του υποπυρηνικού αντικειμένου στο σύνολό του. Οι επιστήμονες μπόρεσαν να ανιχνεύσουν σωματίδια με περιστροφές 0, ½, 1, 3/2 και 2. Για να απεικονίσετε, αν και απλοποιημένο, το σπιν ως ιδιότητα ενός αντικειμένου, εξετάστε το ακόλουθο παράδειγμα.

Αφήστε το αντικείμενο να έχει περιστροφή ίση με 1. Τότε ένα τέτοιο αντικείμενο, όταν περιστραφεί κατά 360 μοίρες, θα επιστρέψει στην αρχική του θέση. Σε ένα αεροπλάνο, αυτό το αντικείμενο μπορεί να είναι ένα μολύβι, το οποίο, μετά από μια στροφή 360 μοιρών, θα βρίσκεται στην αρχική του θέση. Στην περίπτωση μηδενικής περιστροφής, με οποιαδήποτε περιστροφή του αντικειμένου, θα φαίνεται πάντα το ίδιο, για παράδειγμα, μια μονόχρωμη μπάλα.

Για περιστροφή ½, θα χρειαστείτε ένα αντικείμενο που διατηρεί την εμφάνισή του όταν περιστρέφεται 180 μοίρες. Μπορεί να είναι το ίδιο μολύβι, μόνο συμμετρικά αλεσμένο και στις δύο πλευρές. Μια περιστροφή 2 θα απαιτήσει τη διατήρηση του σχήματος μέσω περιστροφής 720 μοιρών, ενώ τα 3/2 θα απαιτήσουν 540.

Αυτό το χαρακτηριστικό έχει μεγάλη σημασία για τη φυσική των στοιχειωδών σωματιδίων.

Τυποποιημένο μοντέλο σωματιδίων και αλληλεπιδράσεων

Έχοντας ένα εντυπωσιακό σύνολο μικροαντικειμένων που συνθέτουν τον κόσμο γύρω μας, οι επιστήμονες αποφάσισαν να τα δομήσουν, έτσι σχηματίστηκε μια γνωστή θεωρητική κατασκευή που ονομάζεται «Τυπικό μοντέλο». Περιγράφει τρεις αλληλεπιδράσεις και 61 σωματίδια χρησιμοποιώντας 17 θεμελιώδη, μερικά από τα οποία είχε προβλέψει πολύ πριν την ανακάλυψή της.

Οι τρεις αλληλεπιδράσεις είναι:

• Ηλεκτρομαγνητικός. Εμφανίζεται ανάμεσα σε ηλεκτρικά φορτισμένα σωματίδια. Σε μια απλή περίπτωση, γνωστή από το σχολείο, αντιθέτως φορτισμένα αντικείμενα έλκονται και αντικείμενα με το ίδιο όνομα απωθούν. Αυτό συμβαίνει μέσω του λεγόμενου φορέα ηλεκτρομαγνητικής αλληλεπίδρασης - ενός φωτονίου.
• Ισχυρή, κατά τα άλλα - πυρηνική αλληλεπίδραση. Όπως υποδηλώνει το όνομα, η δράση του εκτείνεται σε αντικείμενα της τάξης του ατομικού πυρήνα, είναι υπεύθυνο για την έλξη πρωτονίων, νετρονίων και άλλων σωματιδίων, που αποτελούνται επίσης από κουάρκ. Η ισχυρή δύναμη μεταφέρεται από γκλουόνια.
• Αδύναμος. Λειτουργεί σε αποστάσεις χίλιες μικρότερες από το μέγεθος του πυρήνα. Αυτή η αλληλεπίδραση περιλαμβάνει λεπτόνια και κουάρκ, καθώς και τα αντισωματίδια τους. Επιπλέον, σε περίπτωση αδύναμης αλληλεπίδρασης, μπορούν να μεταμορφωθούν το ένα στο άλλο. Οι φορείς είναι τα μποζόνια W+, W− και Z0.

Έτσι το Καθιερωμένο Μοντέλο διαμορφώθηκε ως εξής. Περιλαμβάνει έξι κουάρκ που αποτελούν όλα τα αδρόνια (σωματίδια που υπόκεινται σε ισχυρή αλληλεπίδραση):

• Άνω (u);
• Μαγεμένος (γ);
• true(t);
• χαμηλότερο (d);
• περίεργο(α)?
• Αξιολάτρευτο (β).

Μπορεί να φανεί ότι οι φυσικοί δεν έχουν επίθετα. Τα άλλα 6 σωματίδια είναι λεπτόνια. Αυτά είναι θεμελιώδη σωματίδια με σπιν ½ που δεν συμμετέχουν στην ισχυρή αλληλεπίδραση.

• Ηλεκτρόνιο;
• Ηλεκτρονικό νετρίνο;
• Muon;
• Μιονικό νετρίνο;
• Ταυ λεπτόν;
• Ταυ νετρίνο.

Και η τρίτη ομάδα του Καθιερωμένου Μοντέλου είναι τα μποζόνια μετρητή, τα οποία έχουν σπιν ίσο με 1 και αναπαρίστανται ως φορείς αλληλεπιδράσεων:

• Το Gluon είναι ισχυρό.
• Φωτόνιο - ηλεκτρομαγνητικό;
• Το μποζόνιο Ζ είναι ασθενές.
• Το W-μποζόνιο είναι αδύναμο.

Περιλαμβάνουν επίσης το σωματίδιο που ανακαλύφθηκε πρόσφατα με σπιν 0, το οποίο, για να το θέσω απλά, προικίζει όλα τα άλλα υποπυρηνικά αντικείμενα με αδρανειακή μάζα.

Ως αποτέλεσμα, σύμφωνα με το Καθιερωμένο Μοντέλο, ο κόσμος μας μοιάζει με αυτό: όλη η ύλη αποτελείται από 6 κουάρκ που σχηματίζουν αδρόνια και 6 λεπτόνια. Όλα αυτά τα σωματίδια μπορούν να συμμετέχουν σε τρεις αλληλεπιδράσεις, οι φορείς των οποίων είναι τα μποζόνια μετρητή.

Μειονεκτήματα του τυπικού μοντέλου

Ωστόσο, ακόμη και πριν από την ανακάλυψη του μποζονίου Higgs, του τελευταίου σωματιδίου που είχε προβλεφθεί από το Καθιερωμένο Μοντέλο, οι επιστήμονες είχαν προχωρήσει πέρα ​​από αυτό. Ένα εντυπωσιακό παράδειγμα αυτού είναι το λεγόμενο. «βαρυτική αλληλεπίδραση», η οποία σήμερα είναι εφάμιλλη με άλλες. Προφανώς, ο φορέας του είναι ένα σωματίδιο με σπιν 2, το οποίο δεν έχει μάζα, και το οποίο οι φυσικοί δεν έχουν ακόμη καταφέρει να ανιχνεύσουν - το «γκραβιτόν».

Επιπλέον, το Καθιερωμένο Μοντέλο περιγράφει 61 σωματίδια και σήμερα περισσότερα από 350 σωματίδια είναι γνωστά στην ανθρωπότητα. Αυτό σημαίνει ότι το έργο των θεωρητικών φυσικών δεν έχει τελειώσει.

Ταξινόμηση σωματιδίων

Για να κάνουν τη ζωή τους πιο εύκολη, οι φυσικοί έχουν ομαδοποιήσει όλα τα σωματίδια σύμφωνα με τη δομή και άλλα χαρακτηριστικά τους. Η ταξινόμηση βασίζεται στα ακόλουθα χαρακτηριστικά:

• Διάρκεια Ζωής.
  1. Σταθερός. Μεταξύ αυτών είναι το πρωτόνιο και το αντιπρωτόνιο, το ηλεκτρόνιο και το ποζιτρόνιο, το φωτόνιο και επίσης το βαρυτόνιο. Η ύπαρξη σταθερών σωματιδίων δεν περιορίζεται χρονικά, εφόσον βρίσκονται σε ελεύθερη κατάσταση, δηλ. μην αλληλεπιδράσετε με τίποτα.
  2. Ασταθής. Όλα τα άλλα σωματίδια μετά από κάποιο χρονικό διάστημα διασπώνται στα συστατικά τους μέρη, επομένως ονομάζονται ασταθή. Για παράδειγμα, ένα μιόνιο ζει μόνο 2,2 μικροδευτερόλεπτα, και ένα πρωτόνιο ζει 2,9 10*29 χρόνια, μετά από τα οποία μπορεί να διασπαστεί σε ποζιτρόνιο και ουδέτερο πιόνιο.
• Βάρος.
  1. Τα στοιχειώδη σωματίδια χωρίς μάζα, από τα οποία υπάρχουν μόνο τρία: φωτόνιο, γλουόνιο και γκραβιτόνιο.
  2. Τα τεράστια σωματίδια είναι όλα τα άλλα.
• Τιμή περιστροφής.
  1. Ολόκληρη περιστροφή, συμ. μηδέν, έχουν σωματίδια που ονομάζονται μποζόνια.
  2. Τα σωματίδια με μισό ακέραιο σπιν είναι φερμιόνια.
• Συμμετοχή σε αλληλεπιδράσεις.
  1. Τα αδρόνια (δομικά σωματίδια) είναι υποπυρηνικά αντικείμενα που συμμετέχουν και στους τέσσερις τύπους αλληλεπιδράσεων. Αναφέρθηκε νωρίτερα ότι αποτελούνται από κουάρκ. Τα αδρόνια χωρίζονται σε δύο υποτύπους: τα μεσόνια (ακέραιος σπιν, είναι μποζόνια) και τα βαρυόνια (σπιν μισού ακέραιου - φερμιόνια).
  2. Θεμελιώδη (σωματίδια χωρίς δομή). Αυτά περιλαμβάνουν τα λεπτόνια, τα κουάρκ και τα μποζόνια μετρητών (διαβάστε νωρίτερα - "Κανονικό μοντέλο ..").

Έχοντας εξοικειωθεί με την ταξινόμηση όλων των σωματιδίων, είναι δυνατόν, για παράδειγμα, να προσδιοριστούν με ακρίβεια ορισμένα από αυτά. Το νετρόνιο λοιπόν είναι φερμιόνιο, αδρόνιο ή μάλλον βαρυόνιο και νουκλεόνιο, δηλαδή έχει μισό ακέραιο σπιν, αποτελείται από κουάρκ και συμμετέχει σε 4 αλληλεπιδράσεις. Το νουκλεόνιο είναι το κοινό όνομα για τα πρωτόνια και τα νετρόνια.

• Είναι ενδιαφέρον ότι οι πολέμιοι του ατομισμού του Δημόκριτου, που προέβλεψαν την ύπαρξη ατόμων, δήλωσαν ότι οποιαδήποτε ουσία στον κόσμο είναι διαιρετή στο άπειρο. Σε κάποιο βαθμό, μπορεί να αποδειχθεί ότι έχουν δίκιο, αφού οι επιστήμονες έχουν ήδη καταφέρει να χωρίσουν το άτομο σε πυρήνα και ηλεκτρόνιο, τον πυρήνα σε πρωτόνιο και νετρόνιο και αυτά, με τη σειρά τους, σε κουάρκ.
• Ο Δημόκριτος υπέθεσε ότι τα άτομα έχουν ένα σαφές γεωμετρικό σχήμα και επομένως τα «αιχμηρά» άτομα της φωτιάς καίγονται, τα τραχιά άτομα των στερεών συγκρατούνται σταθερά μεταξύ τους από τις προεξοχές τους και τα λεία άτομα του νερού γλιστρούν κατά την αλληλεπίδραση, διαφορετικά ρέουν.
• Ο Τζόζεφ Τόμσον έφτιαξε το δικό του μοντέλο του ατόμου, το οποίο φανταζόταν ως ένα θετικά φορτισμένο σώμα, στο οποίο τα ηλεκτρόνια είναι, λες, «κολλημένα». Το μοντέλο του ονομαζόταν «πουτίγκα με σταφίδες» (Plum pudding model).
• Τα Κουάρκ πήραν το όνομά τους από τον Αμερικανό φυσικό Murray Gell-Mann. Ο επιστήμονας ήθελε να χρησιμοποιήσει μια λέξη παρόμοια με τον ήχο μιας πάπιας που κραυγάζει (kwork). Όμως στο μυθιστόρημα του Τζέιμς Τζόις Finnegans Wake, συνάντησα τη λέξη «κουάρκ» στη σειρά «Τρία κουάρκ για τον κύριο Μάρκο!», η σημασία της οποίας δεν είναι ακριβώς καθορισμένη και είναι πιθανό ο Τζόις να τη χρησιμοποιούσε απλώς για ομοιοκαταληξία. Ο Μάρεϊ αποφάσισε να ονομάσει τα σωματίδια με αυτή τη λέξη, αφού εκείνη την εποχή ήταν γνωστά μόνο τρία κουάρκ.
• Αν και τα φωτόνια, σωματίδια φωτός, είναι χωρίς μάζα, κοντά σε μια μαύρη τρύπα, φαίνεται να αλλάζουν την τροχιά τους, έλκονται από αυτήν με τη βοήθεια της βαρυτικής αλληλεπίδρασης. Στην πραγματικότητα, ένα υπερμεγέθη σώμα κάμπτει τον χωροχρόνο, λόγω του οποίου οποιαδήποτε σωματίδια, συμπεριλαμβανομένων αυτών χωρίς μάζα, αλλάζουν την τροχιά τους προς μια μαύρη τρύπα (βλ.).
• Ο Μεγάλος Επιταχυντής Αδρονίων είναι «αδρόνιο» ακριβώς επειδή συγκρούεται δύο κατευθυνόμενες δέσμες αδρονίων, σωματίδια με μεγέθη της τάξης του πυρήνα ενός ατόμου, τα οποία συμμετέχουν σε όλες τις αλληλεπιδράσεις.

ΣΩΜΑΤΙΔΙΑ ΔΗΜΟΤΙΚΟΥ, με τη στενή έννοια - σωματίδια, το to-rye δεν μπορεί να θεωρηθεί ότι αποτελείται από άλλα σωματίδια. Στο σύγχρονο Στη φυσική, ο όρος «στοιχειώδη σωματίδια» χρησιμοποιείται με μια ευρύτερη έννοια: το λεγόμενο. τα μικρότερα σωματίδια ύλης υπό την προϋπόθεση ότι δεν είναι και (η εξαίρεση είναι)· μερικές φορές για αυτό το λόγο τα στοιχειώδη σωματίδια ονομάζονται υποπυρηνικά σωματίδια. Τα περισσότερα από αυτά τα σωματίδια (περισσότερα από 350 είναι γνωστά) είναι σύνθετα συστήματα.
μι Τα στοιχειώδη σωματίδια συμμετέχουν σε ηλεκτρομαγνητικές, αδύναμες, ισχυρές και βαρυτικές αλληλεπιδράσεις. Λόγω των μικρών μαζών των στοιχειωδών σωματιδίων, η βαρυτική τους αλληλεπίδραση. συνήθως δεν λαμβάνεται υπόψη. Όλα τα στοιχειώδη σωματίδια χωρίζονται σε τρία κύρια. ομάδες. Το πρώτο είναι το λεγόμενο. μποζόνια-φορείς της ηλεκτροασθενούς αλληλεπίδρασης. Αυτό περιλαμβάνει το φωτόνιο, ή το κβάντο της ηλεκτρομαγνητικής ακτινοβολίας. Η μάζα ηρεμίας ενός φωτονίου είναι ίση με μηδέν, επομένως η ταχύτητα διάδοσης των ηλεκτρομαγνητικών κυμάτων μέσα (συμπεριλαμβανομένων των κυμάτων φωτός) είναι η οριακή ταχύτητα διάδοσης του φυσικού. αντίκτυπο και είναι ένα από τα θεμέλια. φυσικός μόνιμος; Υποτίθεται ότι c \u003d (299792458 1,2) m / s.
Η δεύτερη ομάδα στοιχειωδών σωματιδίων - λεπτόνια, που συμμετέχουν σε ηλεκτρομαγνητικές και ασθενείς αλληλεπιδράσεις. Υπάρχουν 6 γνωστά λεπτόνια: , ηλεκτρόνιο , μιόνιο , βαρύ λεπτόνιο και τα αντίστοιχα . (σύμβολο ε) θεωρείται το υλικό της μικρότερης μάζας στη φύση m c, ίση με 9,1 x 10 -28 g (σε μονάδες ενέργειας 0,511 MeV) και η μικρότερη αρνητική. ηλεκτρικός χρέωση e \u003d 1,6 x 10 -19 C. (σύμβολο) - σωματίδια με μάζα περίπου. 207 μάζες (105,7 MeV) και ηλεκτρ. χρέωση ίση με χρέωση ; ένα βαρύ λεπτόνιο έχει μάζα περίπου. 1,8 GeV. Οι τρεις τύποι που αντιστοιχούν σε αυτά τα σωματίδια - ηλεκτρόνιο (σύμβολο v c), μιόνιο (σύμβολο) και νετρίνο (σύμβολο) - είναι ελαφρά (πιθανώς χωρίς μάζα) ηλεκτρικά ουδέτερα σωματίδια.
Όλα τα λεπτόνια έχουν ( - ), δηλ. σύμφωνα με τη στατιστική. Αγ. είστε φερμιόνια (βλ.).
Καθένα από τα λεπτόνια αντιστοιχεί στο να έχει τις ίδιες τιμές μάζας και άλλα χαρακτηριστικά, αλλά να διαφέρει στο πρόσημο του ηλεκτρικού. χρέωση. Υπάρχουν (σύμβολο e +) - σε σχέση με, θετικά φορτισμένα (σύμβολο) και τρεις τύποι αντινετρίνων (σύμβολο), στα οποία αποδίδεται το αντίθετο πρόσημο ενός ειδικού κβαντικού αριθμού, που ονομάζεται. φορτίο λεπτονίων (βλ. παρακάτω).
Η τρίτη ομάδα στοιχειωδών σωματιδίων - αδρόνια, συμμετέχουν σε ισχυρές, ασθενείς και ηλεκτρομαγνητικές αλληλεπιδράσεις. Τα αδρόνια είναι «βαριά» σωματίδια με μάζα πολύ μεγαλύτερη από . Αυτός είναι ο Naib. πολυάριθμη ομάδα στοιχειωδών σωματιδίων. Τα αδρόνια χωρίζονται σε βαρυόνια - σωματίδια με μεσόνια - σωματίδια με ακέραιο αριθμό (0 ή 1). καθώς και τα λεγόμενα. συντονισμοί - βραχύβια αδρόνια. Τα βαρυόνια περιλαμβάνουν (σύμβολο p) - έναν πυρήνα με μάζα ~ 1836 φορές μεγαλύτερη από m c και ίση με 1,672648 x 10 -24 g (938,3 MeV), και βάλε. ηλεκτρικός με φορτίο ίσο με το φορτίο, και επίσης (σύμβολο n) - ένα ηλεκτρικά ουδέτερο σωματίδιο, η μάζα του οποίου είναι ελαφρώς μεγαλύτερη από τη μάζα. Τα πάντα χτίζονται από και, συγκεκριμένα, μια ισχυρή αλληλεπίδραση. καθορίζει τη σύνδεση αυτών των σωματιδίων μεταξύ τους. Σε ισχυρή αλληλεπίδραση και έχουν τα ίδια νησιά του Αγίου και θεωρούνται ως δύο από το ίδιο σωματίδιο - ένα νουκλεόνιο με ισότοπο. (Δες παρακάτω). Στα βαρυόνια περιλαμβάνονται επίσης τα υπερόνια - στοιχειώδη σωματίδια με μάζα μεγαλύτερη από το νουκλεόνιο: - το υπερώνιο έχει μάζα 1116 MeV, -υπερώνιο - 1190 MeV, -υπερώνιο -1320 MeV, -υπερώνιο - 1670 MeV. Τα μεσόνια έχουν μάζες ενδιάμεσες μεταξύ των μαζών και (-μεσόνιο, Κ-μεσόνιο). Υπάρχουν ουδέτερα και φορτισμένα μεσόνια (με θετικό και αρνητικό στοιχειώδες ηλεκτρικό φορτίο). Όλα τα μεσόνια με τον δικό τους τρόπο. Αγ. ανήκεις στα μποζόνια.

Βασικές ιδιότητες στοιχειωδών σωματιδίων.Κάθε στοιχειώδες σωματίδιο περιγράφεται από ένα σύνολο διακριτών φυσικών τιμών. ποσότητες (κβαντικοί αριθμοί). Γενικά χαρακτηριστικά όλων των στοιχειωδών σωματιδίων - μάζα, διάρκεια ζωής, ηλεκτρικά. χρέωση.
Ανάλογα με τη διάρκεια ζωής, τα στοιχειώδη σωματίδια χωρίζονται σε σταθερά, σχεδόν σταθερά και ασταθή (συντονισμοί). Σταθερά (μέσα στην ακρίβεια των σύγχρονων μετρήσεων) είναι: (διάρκεια ζωής άνω των 5 -10 21 ετών), (πάνω από 10 31 έτη), φωτόνιο και . Τα οιονεί σταθερά σωματίδια περιλαμβάνουν σωματίδια που διασπώνται λόγω ηλεκτρομαγνητικών και ασθενών αλληλεπιδράσεων, η διάρκεια ζωής τους είναι μεγαλύτερη από 10 -20 δευτερόλεπτα. Οι συντονισμοί εξασθενούν λόγω ισχυρής αλληλεπίδρασης, οι χαρακτηριστικοί χρόνοι ζωής τους είναι 10 -22 -10 -24 s.
Τα εσωτερικά χαρακτηριστικά (κβαντικοί αριθμοί) των στοιχειωδών σωματιδίων είναι φορτία λεπτονίου (σύμβολο L) και βαρυονίου (σύμβολο Β). Αυτοί οι αριθμοί θεωρούνται ότι είναι αυστηρά διατηρημένες τιμές για όλους τους τύπους βάσης. ΑΛΛΗΛΕΠΙΔΡΑΣΗ Για τα λεπτονικά και το L τους έχουν αντίθετα σημάδια. για βαρυόνια B = 1, για το αντίστοιχο B = -1.
Τα αδρόνια χαρακτηρίζονται από την παρουσία ειδικών κβαντικών αριθμών: «παράξενο», «γοητεία», «ομορφιά». Συνήθη (μη περίεργα) αδρόνια - μεσόνια. Μέσα σε διαφορετικές ομάδες αδρονίων, υπάρχουν οικογένειες σωματιδίων που είναι κοντά σε μάζα και με παρόμοιες ιδιότητες όσον αφορά την ισχυρή αλληλεπίδραση, αλλά με αποσύνθεση. ηλεκτρικές τιμές. χρέωση; το απλούστερο παράδειγμα είναι το πρωτόνιο και . Ο συνολικός κβαντικός αριθμός για τέτοια στοιχειώδη σωματίδια - το λεγόμενο. ισοτοπικό , το οποίο, όπως το συνηθισμένο , παίρνει ακέραιες και ημιακέραιες τιμές. Ανάμεσα στα ιδιαίτερα χαρακτηριστικά των αδρονίων είναι η εγγενής ισοτιμία, η οποία παίρνει τις τιμές1.
Μια σημαντική ιδιότητα των στοιχειωδών σωματιδίων είναι η ικανότητά τους να εναλλάσσονται ως αποτέλεσμα ηλεκτρομαγνητικών ή άλλων αλληλεπιδράσεων. Ένας από τους τύπους αμοιβαίων μετασχηματισμών είναι ο λεγόμενος. γέννηση, ή ο σχηματισμός και ενός σωματιδίου και (στη γενική περίπτωση, ο σχηματισμός στοιχειωδών σωματιδίων με αντίθετα φορτία λεπτονίου ή βαρυονίου). Πιθανές διεργασίες είναι η παραγωγή ηλεκτρονίου-ποζιτρονίου e - e + , μιονικών νέων βαρέων σωματιδίων σε συγκρούσεις λεπτονίων, ο σχηματισμός καταστάσεων cc και bb από κουάρκ (βλ. παρακάτω). Ένας άλλος τύπος αμοιβαίων μετασχηματισμών στοιχειωδών σωματιδίων είναι ο εκμηδενισμός κατά τη διάρκεια συγκρούσεων σωματιδίων με το σχηματισμό ενός πεπερασμένου αριθμού φωτονίων (κβάντα). Συνήθως, σχηματίζονται 2 φωτόνια με μηδενικά ολικά συγκρουόμενα σωματίδια και 3 φωτόνια - με σύνολο ίσο με 1 (εκδήλωση του νόμου διατήρησης της ισοτιμίας φορτίου).
Κάτω από ορισμένες συνθήκες, ιδιαίτερα σε χαμηλή ταχύτητα συγκρουόμενων σωματιδίων, είναι δυνατό να σχηματιστεί ένα δεσμευμένο σύστημα - e - e + και Αυτά τα ασταθή συστήματα, που συχνά αποκαλούνται. , η διάρκεια ζωής τους στο v-ve εξαρτάται σε μεγάλο βαθμό από το St-in in v-va, γεγονός που καθιστά δυνατή τη χρήση ενός συμπυκνωτή για τη μελέτη της δομής. in-va και κινητική της γρήγορης χημ. p-tions (βλ.,).

Μοντέλο κουάρκ αδρονίων.Μια λεπτομερής εξέταση των κβαντικών αριθμών των αδρονίων ενόψει αυτών οδήγησε στο συμπέρασμα ότι τα παράξενα αδρόνια και τα συνηθισμένα αδρόνια σχηματίζουν μαζί ενώσεις σωματιδίων με κοντινές ιδιότητες, που ονομάζονται μοναδιαία πολλαπλάσια. Ο αριθμός των σωματιδίων που περιλαμβάνονται σε αυτά είναι 8 (οκτάδα) και 10 (ντεκέτα). Τα σωματίδια που αποτελούν το μοναδιαίο πολλαπλάσιο έχουν το ίδιο και εξωτ. ισοτιμία, αλλά διαφέρουν σε ηλεκτρικές τιμές. φορτίο (σωματίδια του ισοτοπικού πολλαπλού) και παραξενιά. Τα νησιά του Σεντ συνδέονται με ενιαίες ομάδες, η ανακάλυψή τους αποτέλεσε τη βάση για το συμπέρασμα για την ύπαρξη ειδικών δομικών ενοτήτων, από τις οποίες κατασκευάζονται αδρόνια, κουάρκ. Πιστεύεται ότι τα αδρόνια είναι συνδυασμοί 3 βάθρων. σωματίδια με 1/2: i-κουάρκ, d-κουάρκ και s-κουάρκ. Έτσι, τα μεσόνια αποτελούνται από ένα κουάρκ και ένα αντικουάρκ, τα βαρυόνια αποτελούνται από 3 κουάρκ.
Η υπόθεση ότι τα αδρόνια αποτελούνται από 3 κουάρκ έγινε το 1964 (από τον J. Zweig και ανεξάρτητα από τον M. Gell-Mann). Αργότερα, στο μοντέλο της δομής των αδρονίων (ιδίως, για να αποφευχθούν αντιφάσεις με το ), συμπεριλήφθηκαν δύο ακόμη κουάρκ - "γοητευμένα" (γ) και "όμορφα" (β), και εισήχθησαν ειδικά χαρακτηριστικά των κουάρκ - "γεύση" και "χρώμα". Τα κουάρκ που δρουν ως συστατικά των αδρονίων δεν παρατηρήθηκαν σε ελεύθερη κατάσταση. Όλη η ποικιλία των αδρονίων οφείλεται στην αποσύνθεση. συνδυασμοί u-, d-, s-, c- και b-κουάρκ που σχηματίζουν δεσμευμένες καταστάσεις. Τα συνηθισμένα αδρόνια (,-μεσόνια) αντιστοιχούν σε δεσμευμένες καταστάσεις κατασκευασμένες από u- και d-κουάρκ. Η παρουσία σε ένα αδρόνιο ενός s-, c- ή b-κουάρκ μαζί με τα i- και d-κουάρκ σημαίνει ότι το αντίστοιχο αδρόνιο είναι "παράξενο", "μαγεμένο" ή "όμορφο".
Το μοντέλο κουάρκ της δομής των αδρονίων επιβεβαιώθηκε ως αποτέλεσμα πειραμάτων που πραγματοποιήθηκαν στο συν. Δεκαετία 60 - αρχές.
δεκαετία του '70 20ος αιώνας Τα κουάρκ στην πραγματικότητα άρχισαν να θεωρούνται ως νέα στοιχειώδη σωματίδια - πραγματικά στοιχειώδη σωματίδια για την αδρονική μορφή της ύλης. Η μη παρατηρησιμότητα των ελεύθερων κουάρκ, προφανώς, είναι θεμελιώδους φύσης και υποδηλώνει ότι είναι εκείνα τα στοιχειώδη σωματίδια που κλείνουν την αλυσίδα των δομικών συστατικών του νησιού. Υπάρχουν θεωρητικά και πειραματιστείτε. επιχειρήματα υπέρ του γεγονότος ότι οι δυνάμεις που δρουν μεταξύ των κουάρκ δεν εξασθενούν με την απόσταση, δηλ. απαιτείται μια απείρως μεγάλη ενέργεια για να διαχωριστούν τα κουάρκ μεταξύ τους ή, με άλλα λόγια, η εμφάνιση κουάρκ σε ελεύθερη κατάσταση είναι αδύνατη. Αυτό τους καθιστά έναν εντελώς νέο τύπο δομικών μονάδων στα νησιά. Είναι πιθανό τα κουάρκ να λειτουργούν ως το τελευταίο στάδιο της ύλης.

Σύντομες ιστορικές πληροφορίες.Το πρώτο στοιχειώδες σωματίδιο που ανακαλύφθηκε ήταν αρνητικό. ηλεκτρικός φορτίο και στα δύο ζώδια του ηλεκτρικού. φορτίο (K. Anderson and S. Neddermeyer, 1936) και K-μεσόνια (ομάδα S. Powell, 1947· η ύπαρξη τέτοιων σωματιδίων προτάθηκε από τον X. Yukawa το 1935). Σε συν. Δεκαετία 40 - νωρίς. δεκαετία του '50 Βρέθηκαν «περίεργα» σωματίδια. Τα πρώτα σωματίδια αυτής της ομάδας - K + - και K - μεσόνια, L-υπερόνια - καταγράφηκαν επίσης στο διάστημα. ακτίνες.
Από την αρχή δεκαετία του '50 οι επιταχυντές έχουν γίνει οι κύριοι. εργαλείο έρευνας στοιχειωδών σωματιδίων. Το αντιπρωτόνιο (1955), το αντινετρόνιο (1956), το αντι-υπερόνιο (1960) ανακαλύφθηκαν και το 1964 - το βαρύτερο W -υπερόν. Στη δεκαετία του 1960 ένας μεγάλος αριθμός εξαιρετικά ασταθών συντονισμών έχει βρεθεί στους επιταχυντές. Το 1962 έγινε σαφές ότι υπάρχουν δύο διαφορετικά: ηλεκτρόνιο και μιόνιο. Το 1974 ανακαλύφθηκαν ογκώδη (3-4 μάζες πρωτονίων) και ταυτόχρονα σχετικά σταθερά (σε σύγκριση με τους συνηθισμένους συντονισμούς) σωματίδια, τα οποία αποδείχθηκε ότι συνδέονταν στενά με μια νέα οικογένεια στοιχειωδών σωματιδίων - «μαγεμένα», τους πρώτους αντιπροσώπους τους ανακαλύφθηκαν το 1976 Το 1975 ανακαλύφθηκε ένα βαρύ ανάλογο του u-λεπτονίου, το 1977 - σωματίδια με μάζα περίπου δέκα μαζών πρωτονίων, το 1981 - "όμορφα" σωματίδια. Το 1983, ανακαλύφθηκαν τα βαρύτερα γνωστά στοιχειώδη σωματίδια, τα μποζόνια (μάζα 80 GeV) και το Z° (91 GeV).
Έτσι λοιπόν, με τα χρόνια που πέρασαν από την ανακάλυψη, έχει εντοπιστεί ένας τεράστιος αριθμός διαφόρων μικροσωματιδίων. Ο κόσμος των στοιχειωδών σωματιδίων αποδείχθηκε πολύπλοκος και οι ιδιότητές τους ήταν απροσδόκητες από πολλές απόψεις.

Λιτ .: Kokkede Ya., Theory of quarks, [μτφρ. from English], Μ., 1971; Markov M. A., On the nature of material, M., 1976; Okun L.B., Leptons and Quarks, 2η έκδ., Μ., 1990.

1. Οι πρώτες ιδέες για τη δομή της ύλης

Οι πρώτες θεωρίες για τη δομή της ύλης διατυπώθηκαν πριν από πολύ καιρό. Ο διάσημος Έλληνας επιστήμονας Θαλής, που έζησε πριν από 2600 χρόνια, προσπάθησε σε όλη του τη ζωή να εμβαθύνει στο πρόβλημα της δομής του κόσμου. Οι γνώσεις του στη γεωμετρία και την αστρονομία ήταν εκπληκτικές. Ήταν σε θέση να παρακολουθεί οποιονδήποτε σεληνιακό και ηλιακό κύκλο και μάλιστα προέβλεψε μια ολική έκλειψη Ηλίου. Μπορείτε να φανταστείτε τι ενθουσιασμό και φόβο προκάλεσε πριν από δυόμισι χιλιάδες χρόνια. Αλλά η κύρια αξία του Thales είναι ότι ήταν ο πρώτος που έθεσε το ζήτημα των αρχικών στοιχείων του κόσμου. Ήταν ο πρώτος που είδε τις σκάλες που οδηγούσαν βαθιά στην ουσία.

Ο Θαλής πίστευε ότι η βάση όλων των πραγμάτων είναι το νερό. Υποστήριξε ότι αν το νερό συμπυκνωθεί, τότε προκύπτουν στερεά σώματα, αν εξατμιστεί νερό, τότε προκύπτει αέρας, ενώ ακόμη και η Γη επιπλέει στο νερό, σαν ένα κομμάτι ξύλο.

Ο Εμπεδοκλής από τον Agrigent στα γραπτά του τεκμηρίωσε την ύπαρξη τεσσάρων στοιχείων: φωτιά, αέρας, νερό και γη. υποστηρίζοντας ότι όλα τα άλλα αποτελούνται από αυτά, και τα ίδια τα στοιχεία ενώνονται με δυνάμεις αλληλεπίδρασης («ενεργοποιητές της κίνησης»): η αγάπη που τα ενώνει και η εχθρότητα που τα χωρίζει.

Τον 5ο αιώνα ΠΡΟ ΧΡΙΣΤΟΥ. οι οπαδοί του Θαλή - Λεύκιππος και ο μαθητής του Δημόκριτος, εξέφρασαν την άποψη ότι τα πάντα αποτελούνται από τα μικρότερα σωματίδια - άτομα. Πήραν το βήμα των μορίων και αμέσως ανέβηκαν στο βήμα των συστατικών τους. Έτσι, βρήκαν το άτομο δύο χιλιάδες χρόνια πριν ανακαλυφθεί ως τέτοιο. «Άτομο» στα ελληνικά σημαίνει αδιαίρετο. Σύμφωνα με τον Λεύκιππο και τον Δημόκριτο, άτομα- ένας άπειρος αριθμός στερεών, αδιαίρετων περαιτέρω σωματιδίων. Όπως οι σπόροι φυτών, τα άτομα μπορούν να είναι διάφορα σχήματα- στρογγυλό, πυραμιδικό, επίπεδο και ούτω καθεξής. Επομένως, ο κόσμος που αποτελείται από αυτά είναι ανεξάντλητα πλούσιος στις ιδιότητες και τις ιδιότητές του. Προσκολλημένοι ο ένας στον άλλον αγκίστρια, τα άτομα σχηματίζουν στερεά. Τα άτομα του νερού, αντίθετα, είναι λεία και ολισθηρά, οπότε απλώνεται και δεν έχει σχήμα. Τα άτομα παχύρρευστων υγρών έχουν γρέζια, ο αέρας είναι ένα κενό με σπάνια ορμητικά άτομα, ενώ η φωτιά έχει αιχμηρά και ακανθώδη άτομα.

Στις αρχές του XVIII αιώνα. Η ατομικιστική θεωρία κερδίζει όλο και μεγαλύτερη δημοτικότητα. Μέχρι αυτή τη στιγμή, τα έργα του Γάλλου χημικού A. Lavoisier (1743-1794), του Ρώσου επιστήμονα M.V. Ο Lomonosov και ο Άγγλος χημικός και φυσικός D. Dalton (1766-1844) ήταν απέδειξε την πραγματικότητα της ύπαρξης ατόμων. Ο εξαιρετικός Ρώσος χημικός D.I. Mendeleev, ο οποίος το 1869 ανέπτυξε περιοδικός πίνακας στοιχείων, στο οποίο για πρώτη φορά σε επιστημονική βάση τέθηκε το ζήτημα της ενοποιημένης φύσης των ατόμων. Στο δεύτερο μισό του XIX αιώνα. Έχει αποδειχθεί πειραματικά ότι ηλεκτρόνιοείναι ένα από τα κύρια μέρη κάθε ουσίας. Αυτά τα συμπεράσματα, καθώς και πολυάριθμα πειραματικά δεδομένα, οδήγησαν στο γεγονός ότι στις αρχές του 20ού αι. προέκυψε ένα σοβαρό ερώτημα Κτίριοάτομο.

Η πρώτη έμμεση επιβεβαίωση της πολύπλοκης δομής των ατόμων ελήφθη στη μελέτη των καθοδικών ακτίνων που προκύπτουν από μια ηλεκτρική εκκένωση σε εξαιρετικά σπάνια αέρια. Η μελέτη των ιδιοτήτων αυτών των ακτίνων οδήγησε στο συμπέρασμα ότι πρόκειται για ένα ρεύμα μικροσκοπικών σωματιδίων που φέρουν αρνητικό ηλεκτρικό φορτίο και πετούν με ταχύτητα κοντά στην ταχύτητα του φωτός. Χρησιμοποιώντας ειδικές μεθόδους, κατέστη δυνατό να προσδιοριστεί η μάζα των σωματιδίων καθόδου και το μέγεθος του φορτίου τους, για να διαπιστωθεί ότι δεν εξαρτώνται ούτε από τη φύση του αερίου που παραμένει στον σωλήνα ούτε από την ουσία από την οποία προέρχονται τα ηλεκτρόδια. πραγματοποιηθεί ή υπό άλλες συνθήκες του πειράματος. Επιπλέον, τα καθοδικά σωματίδια είναι γνωστά μόνο σε φορτισμένη κατάσταση και δεν μπορούν να στερηθούν τα φορτία τους και να μετατραπούν σε ηλεκτρικά ουδέτερα σωματίδια: το ηλεκτρικό φορτίο είναι η ουσία της φύσης τους. Αυτά τα σωματίδια, που ονομάζονται ηλεκτρόνια, ανακαλύφθηκαν το 1897 από τον Άγγλο φυσικό J. Thomson. Το μοντέλο του ατόμου του Thomson δεν υπέθετε θετικά φορτισμένα σωματίδια μέσα στο άτομο. Πώς όμως εξηγείται τότε η εκπομπή θετικά φορτισμένων σωματιδίων άλφα από ραδιενεργές ουσίες; Το μοντέλο του ατόμου του Thomson δεν απάντησε ούτε σε κάποιες άλλες ερωτήσεις.

Το 1911, ο Άγγλος φυσικός E. Rutherford, μελετώντας την κίνηση των σωματιδίων άλφα σε αέρια και άλλες ουσίες, ανακάλυψε θετικά φορτισμένο μέρος άτομο. Περαιτέρω πιο εμπεριστατωμένες μελέτες έδειξαν ότι όταν μια δέσμη παράλληλων ακτίνων διέρχεται από στρώματα αερίου ή μια λεπτή μεταλλική πλάκα, δεν αναδύονται πλέον παράλληλες ακτίνες, αλλά κάπως αποκλίνουσες: τα σωματίδια άλφα διασκορπίζονται, δηλ. παρέκκλιση από την αρχική τους πορεία. Οι γωνίες εκτροπής είναι μικρές, αλλά υπάρχει πάντα ένας μικρός αριθμός σωματιδίων (περίπου ένα στις πολλές χιλιάδες) που παρεκκλίνουν πολύ. Μερικά σωματίδια πετιούνται πίσω, σαν να συναντάμε ένα αδιαπέραστο φράγμα στο δρόμο. Η εκτροπή μπορεί να συμβεί κατά τη σύγκρουση με θετικά σωματίδια των οποίων η μάζα είναι ίδιας τάξης με τη μάζα των σωματιδίων άλφα. Με βάση αυτές τις σκέψεις, ο Rutherford πρότεινε το ακόλουθο σχήμα για τη δομή του ατόμου. Στο κέντρο του ατόμου βρίσκεται πυρήνας, που αποτελείται από θετικά φορτισμένα σωματίδια - πρωτόνιαγύρω από τα οποία περιστρέφονται ηλεκτρόνια σε διαφορετικές τροχιές. Η φυγόκεντρος δύναμη που προκύπτει κατά την περιστροφή τους εξισορροπείται από την έλξη μεταξύ του πυρήνα και των ηλεκτρονίων, με αποτέλεσμα να παραμένουν σε ορισμένες αποστάσεις από τον πυρήνα. Επειδή η μάζα ενός ηλεκτρονίου αμελητέος, τότε σχεδόν όλη η μάζα ενός ατόμου συγκεντρώνεται στον πυρήνα του.

Στις αρχές της δεκαετίας του '30 του αιώνα μας, η σύγχρονη επιστήμη μπόρεσε να βρει μια πιο αποδεκτή περιγραφή της δομής της ύλης με βάση τέσσερις τύπους στοιχειωδών σωματιδίων - πρωτόνια, νετρόνια, ηλεκτρόνιακαι φωτόνια. Ήταν ένα εξαιρετικά απλό και ελκυστικό σχήμα: χρησιμοποιώντας μόνο τέσσερις τύπους στοιχειωδών σωματιδίων, ακολουθώντας τους νόμους της κβαντικής μηχανικής, ήταν δυνατό να εξηγηθεί η φύση των χημικών στοιχείων, οι ενώσεις τους και η ακτινοβολία που εκπέμπουν. Προσθέτοντας ένα πέμπτο σωματίδιο - νετρίνο- επέτρεψε να εξηγηθούν επίσης οι διαδικασίες ραδιενεργής διάσπασης. Φαινόταν ότι τα ονομαζόμενα στοιχειώδη σωματίδια είναι τελικά τα βασικά τούβλα του σύμπαντος.

Αλλά αυτή η φαινομενική απλότητα σύντομα εξαφανίστηκε. Λιγότερο από ένα χρόνο μετά την ανακάλυψη του νετρονίου, ανακαλύφθηκε θετικόν ηλεκτρόνιο. Το 1936, μεταξύ των προϊόντων της αλληλεπίδρασης των κοσμικών ακτίνων με την ύλη, το πρώτο μεσόνιο. Το 1947 ανακαλύφθηκε ένα μεσόνιο δεύτερου τύπου και λίγο μετά παρατηρήθηκαν μεσόνια διαφορετικής φύσης, καθώς και άλλα. ασυνήθιστα σωματίδια. Αυτά τα σωματίδια γεννήθηκαν κάτω από τη δράση των κοσμικών ακτίνων τόσο σπάνια που στην αρχή ήταν αδύνατο να διεξαχθούν λεπτομερείς μελέτες για τις ιδιότητες και τις αλληλεπιδράσεις τους. Ωστόσο, αφού χτίστηκαν επιταχυντές, καθιστώντας δυνατή την απόκτηση σωματιδίων ολοένα και υψηλότερων ενεργειών, ήταν δυνατό όχι μόνο να πραγματοποιηθεί ένας αριθμός τέτοιων μελετών, αλλά και να ανακαλυφθούν ταυτόχρονα πολλά νέα σωματίδια.

Περισσότερα από εκατό διαφορετικά μεσόνια και άλλα σωματίδια με περίεργες ιδιότητες είναι σήμερα γνωστά. Όλο αυτό το σύνολο σωματιδίων ονομάζεται "στοιχειώδη σωματίδια". Ένας τέτοιος όρος δεν σημαίνει ότι αυτά τα σωματίδια είναι τα δομικά στοιχεία του σύμπαντος με την έννοια ότι όλα σχηματίζουν άτομα: τα πρωτόνια, τα νετρόνια και τα ηλεκτρόνια αντιμετωπίζουν αυτό το έργο αρκετά ικανοποιητικά. Ωστόσο, αυτά τα σωματίδια προκύπτουν ως αποτέλεσμα βασικών αλληλεπιδράσεων σωματιδίων συνηθισμένη ύλη, και πολλοί από αυτούς συμμετέχουν άμεσα ή έμμεσα στις κύριες αλληλεπιδράσεις στη συνηθισμένη ύλη. Οι μάζες τους κυμαίνονται από 200 μάζες ηλεκτρονίων έως μάζες πολλές φορές τη μάζα ενός πρωτονίου. Η ύπαρξη όλων αυτών των νέων σωματιδίων είναι φευγαλέα, κανένα από αυτά δεν ζει περισσότερο από μερικά μικροδευτερόλεπτα και πολλά σωματίδια διασπώνται μετά από περίπου 10 στην -20η δύναμη των δευτερολέπτων μετά το σχηματισμό τους (λέγονται αντηχήσεις). Τα τελικά προϊόντα διάσπασης αυτών των σωματιδίων είναι τα συνήθη συστατικά της ύλης, δηλ. πρωτόνια, ηλεκτρόνια και φωτόνια, καθώς και νετρίνα.

2. Ταξινόμηση στοιχειωδών σωματιδίων

Όλη η αμέτρητη ποικιλομορφία του ζωικού κόσμου μπορεί να χωριστεί σε τέσσερα βασίλεια: ζώα, φυτά, μύκητες, βακτήρια. Όλες οι διεργασίες που παρατηρούνται σήμερα περιορίζονται σε τέσσερις μόνο τύπους αλληλεπιδράσεων: βαρυτικές, ηλεκτρομαγνητικές, ισχυρές και ασθενείς. Είναι επίσης δυνατό να ταξινομηθούν τα στοιχειώδη σωματίδια.

Λεπτόνια

Τα λεπτόνια είναι στοιχειώδη σωματίδια με σπιν 1/2 που δεν συμμετέχουν σε ισχυρές αλληλεπιδράσεις. Τρία φορτισμένα λεπτόνια είναι γνωστά: ηλεκτρόνιο, μιόνιο και ταυ λεπτόνιο - και τρία ουδέτερα: νετρίνο ηλεκτρονίων, νετρίνο μιονίου και νετρίνο ταυ. Κάθε ένα από αυτά τα σωματίδια έχει ένα αντίστοιχο αντισωματίδιο.

Ζεύγη φορτισμένων λεπτονίων παράγονται σε ηλεκτρομαγνητικές αλληλεπιδράσεις. Σε ασθενείς διασπάσεις, κάθε ένα από τα φορτισμένα λεπτόνια γεννιέται συνοδευόμενο από το «δικό του» αντινετρίνο. Υποτίθεται ότι όλα τα λεπτόνια έχουν κάποιο συγκεκριμένο κβαντικό αριθμό - αριθμό λεπτονίων ίσο με +1, και όλα τα αντιλεπτόνια - αριθμό λεπτονίων ίσο με -1. Αυτός ο αριθμός είναι ίδιος σε όλες τις διαδικασίες που έχουν παρατηρηθεί μέχρι τώρα. Διεργασίες που αναμένεται να δουν μη διατήρηση του αριθμού των λεπτονίων: διάσπαση πρωτονίων, διπλή ?-διάσπαση, ταλαντώσεις νετρίνων. Το μιόνιο και το t-λεπτόνιο διασπώνται λόγω της ασθενούς αλληλεπίδρασης. Το ηλεκτρόνιο είναι σταθερό.

Η λέξη "λεπτόν" προέρχεται από την ελληνική λέξη "λεπτός" - μικρό, στενό (συγκρίνετε: lepta - ένα μικρό ελληνικό νόμισμα).

Διακρίνω τρεις γενιές λεπτονίων: πρώτη γενιά: ηλεκτρόνιο, νετρίνο ηλεκτρονίων. δεύτερη γενιά: μιόνιο, νετρίνο μιονίου. τρίτη γενιά: ταυ λεπτόνιο, ταυ νετρίνο. Επιπλέον σχετικό αντισωματίδια. Έτσι, κάθε γενιά περιλαμβάνει ένα αρνητικά φορτισμένο (+1e) λεπτόνιο, ένα θετικά φορτισμένο (+1e φορτίο) αντιλεπτόνιο και ουδέτερα νετρίνα και αντινετρίνα. Όλα έχουν μη μηδενική μάζα, αν και η μάζα των νετρίνων είναι πολύ μικρή σε σύγκριση με τις μάζες άλλων στοιχειωδών σωματιδίων.

αδρόνια

Τα αδρόνια είναι σωματίδια που εμπλέκονται σε ισχυρές αλληλεπιδράσεις. Τα αδρόνια με ακέραιο σπιν ονομάζονται μεσόνια, με μισό ακέραιο - βαρυόνια. Είναι γνωστά αρκετές εκατοντάδες αδρόνια.

Τα περισσότερα αδρόνια είναι εξαιρετικά ασταθή - αυτοί είναι οι λεγόμενοι συντονισμοί: διασπώνται σε ελαφρύτερα αδρόνια μέσω της ισχυρής αλληλεπίδρασης. Η διάρκεια ζωής των συντονισμών είναι μικρότερη από 10 έως -21 δυνάμεις του δευτερολέπτου.

Τα οιονεί σταθερά αδρόνια ζουν πολύ περισσότερο και διασπώνται μέσω αδύναμων και ηλεκτρομαγνητικών αλληλεπιδράσεων. Τα τελικά προϊόντα της διάσπασης των οιονεί σταθερών μεσονίων είναι ελαφρύτερα μεσόνια, λεπτόνια και φωτόνια, και αν τα μεσόνια που διασπώνται είναι αρκετά βαριά, τότε ζεύγη βαρυονίου + αντιβαρυονίου.

Τα ελαφρύτερα βαρυόνια (πρωτόνιο και νετρόνιο) ονομάζονται νουκλεόνια. Τα βαρύτερα σχεδόν σταθερά βαρυόνια ονομάζονται υπερών. Τα τελικά προϊόντα της αποσύνθεσης του υπέρων είναι λεπτόνια, φωτόνια, μεσόνιακαι σίγουρα πρωτόνιο στον πυρήνα του ατόμου.

Οι ατομικοί πυρήνες αποτελούνται από πρωτόνια και νετρόνια. Τα υπόλοιπα αδρόνια στη σύνθεση της σταθερής ύλης που μας περιβάλλει Δεν περιλαμβάνονται, γεννιούνται σε συγκρούσεις σωματιδίων με υψηλές ενέργειες. Οι πηγές αυτών των σωματιδίων είναι επιταχυντές και κοσμικές ακτίνες. Σύμφωνα με τις σύγχρονες αντιλήψεις, τα αδρόνια δεν είναι πραγματικά στοιχειώδη σωματίδια: αποτελούνται από κουάρκ.

Η λέξη "άδρον" προέρχεται από την ελληνική λέξη "άδρος" - ογκώδης, ισχυρός, μεγάλος. Και αυτή τη στιγμή αδρόνια είναι η μεγαλύτερη τάξη

Κουάρκ

Περαιτέρω, οι ερωτήσεις γίνονται αρκετά συστηματικές: «Τι είναι κουάρκ? Και είναι το κουάρκ ένα αληθινό στοιχειώδες σωματίδιο; Έχει γραφτεί ένας τεράστιος αριθμός έργων γι' αυτά, μερικοί από τους πιο εξέχοντες επιστήμονες και ερευνητές τα μελετούν και, φυσικά, σε αυτό το δοκίμιο δεν έχω την ευκαιρία να περιγράψω ούτε το ένα χιλιοστό των πληροφοριών που είναι διαθέσιμες αυτήν τη στιγμή για τα κουάρκ. Αλλά και πάλι θα προσπαθήσω, αν και κατά προσέγγιση, αλλά και πάλι θα απαντήσω σε αυτές τις ερωτήσεις, αναφερόμενος στο έργο διαφόρων επιστημόνων και ερευνητικών ομάδων. Στη συνέχεια, θα παρουσιάσω αρκετές θεωρίες για τα κουάρκ, τις οποίες έχω αντλήσει από τις δημοσιεύσεις των πιο διάσημων επιστημόνων στον τομέα αυτό και τις έχω ταξινομήσει με χρονολογική σειρά.

«Ένα από τα περίεργα σχήματα για την περιγραφή στοιχειωδών σωματιδίων είναι το μοντέλο κουάρκ - ένα άλλο εφεύρεση του M. Gell-Mann.Αυτό το μοντέλο υποθέτει ότι όλα τα στοιχειώδη σωματίδια είναι συνδυασμοί τρία κύρια σωματίδια(που ονομάζονται κουάρκ) και τα αντισωματίδια τους. Τα κουάρκ έχουν ασυνήθιστες ιδιότητες: ηλεκτρικό φορτίο ίσο με ± 1/3e ή ± 2/3e και ένα φορτίο βαρυονίου ίσο με ± 1/3. Έτσι, οι βασικές ιδιότητες των κουάρκ δεν είναι παρόμοιες με εκείνες άλλων σωματιδίων. Ωστόσο, διάφοροι συνδυασμοί αυτών των υποθετικών σωματιδίων αναπαράγουν τις ιδιότητες όλων των γνωστών αδρονίων με εκπληκτική ακρίβεια.

Επιπλέον, το μοντέλο κουάρκ αναπαρήγαγε με επιτυχία τους ποιοτικά γνωστούς χρόνους ζωής, τις μαγνητικές ροπές και τους τύπους διάσπασης των στοιχειωδών σωματιδίων. Είναι πραγματικά τα κουάρκ ή το μοντέλο των κουάρκ χρησιμεύει μόνο ως βολικό μέσο για την περιγραφή των στοιχειωδών σωματιδίων, αλλά στερείται πραγματικής φυσικής σημασίας; Μέχρι στιγμής αυτό είναι άγνωστο.

Αν και το μοντέλο κουάρκ ήταν εξαιρετικά επιτυχημένο στην εξήγηση ορισμένων ιδιοτήτων των αδρονίων, εξακολουθεί να είναι σε πολύ μη ικανοποιητική κατάσταση. Ίσως τελικά να μπορέσουμε να περιγράψουμε όλες τις ισχυρές διεργασίες με τρία μόνο κουάρκ και τα αντισωματίδιά τους, αντί να ασχολούμαστε με μια «ζωολογική συλλογή» που περιέχει περίπου εκατό σωματίδια. Αλλά πριν αυτό είναι δυνατό, τα κουάρκ πρέπει να ανακαλυφθούν και να διερευνηθούν οι ιδιότητές τους. Πειράματα για τη σκέδαση γρήγορων ηλεκτρονίων από νουκλεόνια δείχνουν την ύπαρξη ενός συγκεκριμένου μήκους, μικρό σε σύγκριση με 10~14 cm, το οποίο πρέπει να παίζει σημαντικό ρόλο στη δομή των νουκλεονίων. Ίσως μέσα στο νουκλεόνιο να υπάρχουν μερικά μικρά αντικείμενα - ίσως κουάρκ.»

«Τα κουάρκ είναι σωματίδια με σπιν 1/2, τα οποία είναι τα συστατικά στοιχεία των αδρονίων. Γνωστά κουάρκ έξι ποικιλίες (γεύσεις), τρία από αυτά - κάτω, παράξενα, ομορφιά, έχουν ηλεκτρικό φορτίο -1/3, και τα υπόλοιπα πάνω, γοητεία, αληθινά - φορτίο -2/3.

Σύμφωνα με κβαντική χρωμοδυναμική, οι ισχυρές αλληλεπιδράσεις μεταξύ των κουάρκ οφείλονται στην παρουσία συγκεκριμένων χρωματικών φορτίων στα κουάρκ. Τα κουάρκ κάθε γεύσης υπάρχουν ως τρεις διαφορετικές χρωματικές ποικιλίες: "κίτρινο", "μπλε"και "το κόκκινο". Ένα κουάρκ ενός χρώματος μπορεί να μεταμορφωθεί σε κουάρκ άλλου χρώματος εκπέμποντας ένα χρώμα γκλουόν. Η αλληλεπίδραση μεταξύ των κουάρκ πραγματοποιείται από ανταλλαγή γκλουονίων. Τα κουάρκ βρίσκονται σε αδρόνια σε τέτοιες χρωματικές καταστάσεις που το συνολικό χρωματικό φορτίο του αδρονίου μηδέν. Επομένως, τα αδρόνια λέγεται ότι είναι άχρωμα ή λευκά.

Αν και η ομάδα του Πανεπιστημίου του Στάνφορντ έχει αναφέρει παρατηρήσεις ελεύθερων κλασματικά φορτισμένων σωματιδίων για αρκετά χρόνια, άλλες ομάδες ήταν αρνητικές στην αναζήτησή τους για ελεύθερα κουάρκ και οι περισσότεροι φυσικοί είναι δύσπιστοι στην ιδέα ότι υπάρχουν ελεύθερα κουάρκ. Στο πλαίσιο της κβαντικής χρωμοδυναμικής, υπάρχει μια υπόθεση για περιορισμός(η εγκυρότητά του δεν έχει ακόμη αποδειχθεί), σύμφωνα με την οποία τα έγχρωμα σωματίδια (κουάρκ και γλουόνια και οι έγχρωμοι συνδυασμοί τους) δεν μπορούν, κατ' αρχήν, να υπάρχουν σε ελεύθερη κατάσταση.

Η πρώτη, έμμεση, απόδειξη της ύπαρξης κουάρκ προέκυψε με βάση την ταξινόμηση των αδρονίων. Στη συνέχεια, σε πειράματα για βαθιά ανελαστικήΚαταγράφηκαν αλληλεπιδράσεις λεπτονίων με αδρόνια, άμεσες συγκρούσεις λεπτονίων με μεμονωμένα κουάρκ. Αυτές οι συγκρούσεις συμβαίνουν στα βάθη του αδρονίου και διαρκούν για πολύ μικρό χρονικό διάστημα, κατά το οποίο το κουάρκ δεν έχει χρόνο να ανταλλάξει ένα γκλουόνιο με άλλα κουάρκ και αλληλεπιδρά σχεδόν σαν ένα ελεύθερο σωματίδιο. Όσο περισσότερη ορμή μεταφέρεται, δηλ. παρά σε μικρότερες αποστάσεις συμβαίνει σύγκρουση λεπτονίου με κουάρκ, τόσο πιο ελεύθερο φαίνεται το κουάρκ. Αυτή η ιδιότητα, η οποία είναι συνέπεια της ασυμπτωτικής ελευθερίας, σημαίνει ότι τα κουάρκ δεν είναι οιονεί σωματίδια, δεν είναι κάποιο είδος συλλογικών διεγέρσεων της αδρονικής ύλης, αλλά, όπως τα λεπτόνια, είναι πραγματικά στοιχειώδη σωματίδια. Η πιθανή μη στοιχειωδία των κουάρκ, καθώς και των λεπτονίων, μπορεί να ανακαλυφθεί μόνο όταν βαθύτερη διείσδυσηαυτά τα σωματίδια, δηλ. για ακόμη μεγαλύτερες μεταφορές ορμής.

Ο όρος "κουάρκ" εισήχθη το 1964 από τον Gell-Mann και προήλθε από το μυθιστόρημα του Τζέιμς Τζόις Finnigan's Wake (ο ήρωας βλέπει ένα όνειρο στο οποίο οι γλάροι κλαίνε: "Τρία κουάρκ για τον Δάσκαλο Μαρκ"). Το Quark είναι γερμανικό για το τυρί cottage.

«Σύμφωνα με το τυπικό μοντέλο, την καλύτερη μέχρι σήμερα θεωρία για τη δομή της ύλης, τα κουάρκ, όταν συνδυάζονται, σχηματίζουν όλη την ποικιλία των αδρονίων. Η αλληλεπίδραση μεταξύ των κουάρκ περιγράφεται από τη θεωρία κβαντική χρωμοδυναμική (QCD για συντομία). Σύμφωνα με αυτή τη θεωρία, τα κουάρκ αλληλεπιδρούν μεταξύ τους, ανταλλάσσοντας ειδικά σωματίδια - γκλουόνια.

Το QCD αναπτύσσει τις ιδέες της πρώτης επιτυχημένης θεωρίας από μια σειρά μετρητών - κβαντική ηλεκτροδυναμική ή QED. Σύμφωνα με το QED, η ηλεκτρομαγνητική δύναμη μεταξύ ηλεκτρικά φορτισμένων σωματιδίων προκύπτει ως αποτέλεσμα της ανταλλαγής φωτόνια (κβάντα φωτός). Το QCD είναι παρόμοια διατεταγμένο, αλλά αντί για ηλεκτρικά φορτία, οι αλληλεπιδράσεις μεταξύ των κουάρκ οφείλονται σε ένα ειδικό είδος ιδιότητας, το οποίο οι επιστήμονες ονόμασαν χρώμα. Μπορεί να έχει τρεις έννοιες ή, αν θέλετε, τρεις αποχρώσεις. Οι επιστήμονες τα αποκαλούν συμβατικά κόκκινο, κίτρινο και μπλεαλλά αυτοί οι όροι δεν πρέπει να ληφθούν κυριολεκτικά. Το χρώμα είναι εγγενές μόνο στα κουάρκ, αλλά όχι στα βαρυόνια και τα μεσόνια, των οποίων αποτελούν μέρος. Τα βαρυόνια (τα οποία περιλαμβάνουν, συγκεκριμένα, το πρωτόνιο και το νετρόνιο) αποτελούνται από τρία κουάρκ - κόκκινο, κίτρινο και μπλε - των οποίων τα χρώματα αλληλοεξουδετερώνονται. Και τα μεσόνια είναι από το ζεύγος κουάρκ + αντικουάρκ, άρα είναι και άχρωμα. Γενικά, το QCD λειτουργεί με βάση την αρχή ότι τα κουάρκ στη φύση μπορούν να σχηματίσουν μόνο τέτοιους συνδυασμούς, το συνολικό χρώμα των οποίων αποδεικνύεται ουδέτερο.

Η αλληλεπίδραση μεταξύ των κουάρκ πραγματοποιείται μέσω οκτώ τύπων σωματιδίων που ονομάζονται γκλουόνια (από την αγγλική κόλλα - "κόλλα, κόλλα"· γκλουόνια, όπως ήταν, "κόλλα" κουάρκ μαζί). Είναι αυτοί που αποδίδουν μεσολαβητές στην ισχυρή αλληλεπίδραση. Ωστόσο, σε αντίθεση με τα φωτόνια στο QED, τα οποία δεν έχουν ηλεκτρικό φορτίο, τα γκλουόνια έχουν δική χρέωση χρώματοςκαι μπορεί αλλάξτε το χρώμα των κουάρκμε την οποία αλληλεπιδρούν. Για παράδειγμα, εάν ένα μπλε κουάρκ γίνει κόκκινο με την απορρόφηση ενός γκλουονίου, τότε το γκλουόνιο έφερε ένα θετικό φορτίο μονάδας κόκκινου και ένα αρνητικό φορτίο μονάδας μπλε. Δεδομένου ότι το συνολικό φορτίο χρώματος του κουάρκ δεν αλλάζει σε αυτή την περίπτωση, τέτοιες αλληλεπιδράσεις στο πλαίσιο του QCD είναι αποδεκτές και ακόμη και απαραίτητες.

Το KCD λειτουργεί από τις αρχές της δεκαετίας του 1980 και λειτουργεί πέρασε με επιτυχίαένας αριθμός πειραματικών ελέγχων - μέχρι στιγμής όλες οι προβλέψεις της σχετικά με τα αποτελέσματα των συγκρούσεων στοιχειωδών σωματιδίων υψηλής ενέργειας επιβεβαιώνονται από τα πραγματικά δεδομένα που λαμβάνονται στους επιταχυντές.

Έχοντας εξετάσει τους τύπους των στοιχειωδών σωματιδίων, θα ήταν λάθος να μην διερευνηθούν οι αλληλεπιδράσεις στις οποίες υπόκεινται αυτά τα σωματίδια. Υπάρχουν τέσσερις από αυτές στο πλαίσιο της Τυποποιημένης Θεωρίας, αλλά ακολουθώντας το θέμα αυτής της εργασίας, είναι απαραίτητο να εξεταστούν μόνο δύο από αυτές.

3. Αλληλεπιδράσεις σωματιδίων

στοιχειώδες κουάρκ ατόμου σωματιδίου

Το πιο σημαντικό ζήτημα της φυσικής είναι το ζήτημα των αλληλεπιδράσεων. Αν δεν υπήρχαν οι αλληλεπιδράσεις, τότε τα σωματίδια της ύλης θα κινούνταν ανεξάρτητα, αγνοώντας την ύπαρξη άλλων σωματιδίων. Χάρη στις αλληλεπιδράσεις, τα σωματίδια αποκτούν, λες, την ικανότητα να αναγνωρίζουν άλλα σωματίδια και να ανταποκρίνονται σε αυτά, εξαιτίας της οποίας γεννιέται η συλλογική συμπεριφορά. Γιατί όλα η ύλη αποτελείται από σωματίδια, για να εξηγήσουμε τη φύση των δυνάμεων, είναι απαραίτητο, τελικά, να στραφούμε στη φυσική των στοιχειωδών σωματιδίων. Κάνοντας αυτό, οι φυσικοί ανακάλυψαν ότι όλες οι αλληλεπιδράσεις, ανεξάρτητα από το πώς εκδηλώνονται σε μεγάλη κλίμακα, μπορούν να μειωθούν σε τέσσερις θεμελιώδεις τύπους: βαρυτικές, ηλεκτρομαγνητικές και δύο τύπους πυρηνικών.

Κυριάρχησε σε επίπεδο κουάρκ πυρηνικές αλληλεπιδράσεις. Ισχυρή αλληλεπίδραση συνδέειμετατρέπεται σε κουάρκ σε πρωτόνια και νετρόνια και εμποδίζει τους πυρήνες να διαλυθούν. κυριάρχησε σε ατομικό επίπεδο ηλεκτρομαγνητική αλληλεπίδρασηπου συνδέει άτομα και μόρια. Σε αστρονομική κλίμακα γίνεται κυρίαρχο βαρυτική αλληλεπίδραση.

Τα τελευταία χρόνια, οι φυσικοί έχουν αρχίσει να ενδιαφέρονται για τη σχέση μεταξύ των τεσσάρων θεμελιωδών δυνάμεων που κυβερνούν συλλογικά το σύμπαν. Υπάρχει κάποια σχέση μεταξύ τους; Δεν είναι απλώς διαφορετικές υποστάσεις του ενός θεμελιώδους υπερδυνάμεις? Εάν υπάρχει μια τέτοια υπερδύναμη, τότε είναι ακριβώς αυτή που αντιπροσωπεύει την ενεργό αρχή κάθε δραστηριότητας στο Σύμπαν - από τη γέννηση των υποατομικών σωματιδίων έως την κατάρρευση των άστρων. Η αποκάλυψη του μυστηρίου της υπερδύναμης θα αύξανε αφάνταστα τη δύναμή μας πάνω στη φύση και θα μας επέτρεπε ακόμη και να εξηγήσουμε την ίδια τη «δημιουργία» του κόσμου.

Γνωρίζουμε ήδη ότι τα στοιχειώδη σωματίδια αλληλεπιδρούν μεταξύ τους μέσω άλλων σωματιδίων, τα οποία εκπέμπουν και απορροφούν συνεχώς. Τα στρώματα αυτών των σωματιδίων θωρακίζουν τα φορτία, έτσι ένα σωματίδιο από διαφορετικά ύψη προς αυτό φαίνεται φορτισμένο με διαφορετικούς τρόπους. Έτσι βλέπουν το ένα το άλλο, πάντα διαφορετικά φορτισμένα, συγκρουόμενα σωματίδια. Όσο μεγαλύτερη είναι η ενέργειά τους, τόσο βαθύτερα διεισδύουν ο ένας στον άλλον και τόσο πιο καθαρά αισθάνονται την «αναπνοή» των κεντρικών τους αθωράκιστων φορτίων. Ως εκ τούτου, μπορεί να αναμένεται ότι με την αύξηση της ενέργειας, διαφορετικοί τύποι αλληλεπιδράσεων θα γίνονται όλο και πιο όμοιοι και σε υψηλές ενέργειες θα συγχωνεύονται σε μια ενιαία αλληλεπίδραση - υπερδύναμη. Θα υπάρξει «μεγάλη ενοποίηση» όλων των δυνάμεων της φύσης.

Η πραγματική κατάσταση των πραγμάτων είναι κάπως πιο περίπλοκη. Τα σύννεφα ελέγχου σχηματίζονται όχι μόνο γύρω από το φορτίο, αλλά και γύρω από κάθε σωματίδιο φορέα, με τα οποία τα συγκρουόμενα σωματίδια διερευνούν το ένα το άλλο. Εάν οι φορείς αλληλεπίδρασης είναι πολύ βαριές, τότε η αλληλεπίδραση μεταφέρεται σε εξαιρετικά μικρές αποστάσεις. Μακριά από το κέντρο, τέτοια σωματίδια δεν συναντώνται σχεδόν ποτέ και η αλληλεπίδραση που σχετίζεται με αυτά εκδηλώνεται πολύ αδύναμα. Σε άλλες περιπτώσεις, οι φορείς είναι φως (για παράδειγμα, φωτόνια), μπορούν να ταξιδέψουν μακριά από το φορτίο που τους εξέπεμψε και με τη βοήθειά τους, η αλληλεπίδραση συμβαίνει σε μεγάλες αποστάσεις.

Έτσι, όχι μόνο τα σωματίδια, αλλά και οι δυνάμεις που τα δεσμεύουν, αποδεικνύονται εξαιρετικά πολύπλοκα. Δεν μπορείτε να τα ονομάσετε τα πιο απλά σημεία! Και είναι δύσκολο να πιστέψουμε ότι η βαρυτική δύναμη δύο ηλεκτρονίων και η δισεκατομμύρια μεγαλύτερη δύναμη της ηλεκτρομαγνητικής απώθησής τους είναι κλάδοι του ίδιου δέντρου.

Οι φυσικοί ήρθαν στην ιδέα μιας «μεγάλης ενοποίησης» πολύ πρόσφατα - πριν από περίπου είκοσι ή τριάντα χρόνια, αν και το πρώτο βήμα έγινε από τους Faraday και Maxwell, οι οποίοι συνδύασαν τον ηλεκτρισμό και τον μαγνητισμό, τα οποία, όπως πίστευαν τότε, ήταν εντελώς διαφορετικές αλληλεπιδράσεις. Εισήγαγαν επίσης την έννοια του «χωράφι». Ο Faraday απέδειξε ότι ο ηλεκτρισμός και ο μαγνητισμός είναι δύο συστατικά του ίδιου ηλεκτρομαγνητικού πεδίου.

Το επόμενο βήμα προς τη «μεγάλη ενοποίηση» ήταν πολύ πιο δύσκολο. Κατασκευάστηκε μόλις στα μέσα της δεκαετίας του '60 του εικοστού αιώνα. Η προσοχή των φυσικών τράβηξε τότε η ασθενής αλληλεπίδραση. Είχε ένα περίεργο χαρακτηριστικό: για όλες τις άλλες δυνάμεις, μπορεί να υποδειχθεί ένα ενδιάμεσο πεδίο, τα κβάντα του οποίου χρησιμεύουν ως φορέας αλληλεπίδρασης, και στις διαδικασίες αποσύνθεσης, τα σωματίδια «μιλούν» έτσι να το πω, άμεσα, χωρίς κανέναν ενδιάμεσο, ωθώντας ο ένας τον άλλον σαν μπάλες μπιλιάρδου.

Είναι φυσικό να υποθέσουμε ότι σε αυτή την περίπτωση υπάρχει επίσης μια ανταλλαγή μεταξύ σωματιδίων, αλλά τόσο βαριά που η όλη διαδικασία συμβαίνει σε πολύ μικρές αποστάσεις, και από έξω φαίνεται σαν τα σωματίδια απλά να σπρώχνουν το ένα το άλλο.

Οι υπολογισμοί έδειξαν ότι αν δεν υπήρχε η μεγάλη μάζα των ενδιάμεσων σωματιδίων, τότε μια τέτοια αλληλεπίδραση στις ιδιότητές της θα ήταν πολύ παρόμοια με την ηλεκτρομαγνητική. Και εδώ είναι τρεις φυσικοί: ο Abdus Salam, ο Steve Weinberg και ο Sheldon Gleshow παραδέχτηκαν ότι το φωτόνιο και τα βαριά ενδιάμεσα σωματίδια ασθενούς αλληλεπίδρασης είναι το ίδιο σωματίδιο, μόνο σε διαφορετικά «γούνινα παλτά». Η θεωρία που αναπτύχθηκε από αυτούς άρχισε να αποκαλείται «ηλεκτροαδύναμη», αφού, ως ειδική περίπτωση, περιέχει την ηλεκτροδυναμική και την παλιά θεωρία των ασθενών αλληλεπιδράσεων. Σύντομα, βαριά κβάντα του ηλεκτροασθενούς πεδίου πιάστηκαν σε επιταχυντές - τρία αδέρφια μεσόνια με μάζα σχεδόν εκατό φορές μεγαλύτερη από ένα πρωτόνιο. Η δημιουργία της θεωρίας του ηλεκτροασθενούς πεδίου και η πειραματική ανακάλυψη των φορέων του απονεμήθηκαν δύο βραβεία Νόμπελ ταυτόχρονα.

Εμπνευσμένοι από την ανακάλυψη του ηλεκτροασθενούς πεδίου, οι φυσικοί παρασύρθηκαν από μια νέα ιδέα για περαιτέρω ενοποίηση - τη συγχώνευση της ισχυρής αλληλεπίδρασης με το ηλεκτροασθενές. Η ουσία αυτής της ιδέας είναι η εξής. Κάθε κουάρκ έχει ένα ανάλογο ηλεκτρικού φορτίου, που ονομάζεται χρώμα. Σε αντίθεση με το φορτίο, υπάρχουν τρία είδη χρωμάτων σε ένα κουάρκ. Επομένως, το πεδίο γλουονίου είναι πιο πολύπλοκο. Αποτελείται από οκτώ συστατικά πεδία δύναμης. Σε ένα τυπικό αδρόνιο - ένα πρωτόνιο ή ένα νετρόνιο - ο συνδυασμός τριών κουάρκ - κόκκινο, πράσινο και μπλε - έχει πάντα ένα "λευκό" χρώμα. Τα εκπεμπόμενα μεσόνια περιέχουν ζεύγη κουάρκ-αντικουάρκ, άρα είναι και «άχρωμα». Εφόσον γνωρίζουμε ότι όταν τα σωματίδια αλληλεπιδρούν, τα φορτία τους ελέγχονται, αυτό οδηγεί σε εκείνα τα αποτελέσματα των διαφορών στο εύρος των αλληλεπιδράσεων διαφορετικών τύπων σωματιδίων. Μια εκτίμηση της απόστασης στην οποία όλες οι αλληλεπιδράσεις γίνονται συγκρίσιμες σε μέγεθος είναι περίπου 10 έως -29 εκατοστά. Ο φορέας αλληλεπίδρασης - το σωματίδιο Χ - έχει μάζα ίση με περίπου 10 έως τη 14η δύναμη της μάζας του πρωτονίου. Κατά τη διάρκεια αυτής της ασήμαντης χρονικής περιόδου που υπάρχει το σωματίδιο Χ, η ενέργεια και η μάζα έχουν μια τεράστια αβεβαιότητα. Και από αυτή την άποψη είμαστε σαν τον Θαλή και άλλους Έλληνες φιλοσόφους που έκαναν εικασίες για τις ιδιότητες των ατόμων χωρίς την παραμικρή ελπίδα να τα δουν ποτέ.

Τα στοιχειώδη σωματίδια δεν μπορούν να χωριστούν σε απλούστερα μέρη (γι' αυτό ονομάστηκαν «στοιχειώδη»). Σε όποιες αντιδράσεις είναι γνωστές σήμερα, αυτά τα σωματίδια περνούν μόνο το ένα μέσα στο άλλο - αλληλομετατρέπονται. Επιπλέον, βαρύτερα σωματίδια μπορούν να γεννηθούν από τους πνεύμονες - εάν κινούνται με επαρκή ταχύτητα (η κινηματική ενέργεια μετατρέπεται σε μάζα)

Τα στοιχειώδη σωματίδια διαφέρουν ως προς το φορτίο, το σπιν, τη μάζα, τη διάρκεια ζωής και ούτω καθεξής. Για παράδειγμα, η διάρκεια ζωής ενός πρωτονίου είναι μεγαλύτερη από τη διάρκεια ζωής του Σύμπαντος και το ρομεσόνιο ζει 10 έως -23 μοίρες του δευτερολέπτου. Η μάζα των φωτονίων και των νετρίνων είναι ίση με μηδέν και η μάζα του μέγιστου (το βαρύτερο στοιχειώδες σωματίδιο που μπορεί να υπάρχει), το οποίο δεν έχει ανακαλυφθεί ακόμη, αλλά έχει προβλεφθεί από τους θεωρητικούς, είναι περίπου ένα μικρογραμμάριο - σαν μια μεγάλη κηλίδα σκόνης ορατή στο μάτι. Μπορούν να χωριστούν σε οικογένειες και τα μέλη της καθεμιάς μπορούν να θεωρηθούν ως διαφορετικές καταστάσεις του ίδιου σωματιδίου. Οι οικογένειες συνδυάζονται σε πιο σύνθετες ομάδες - φυλές ή πολλαπλές. Αλλά το κύριο πράγμα είναι ότι τα πολλαπλάσια συνδέονται με ορισμένους κανόνες συμμετρίας. Σε γενικές γραμμές, αποδεικνύεται κάτι σαν περιοδικός πίνακας στοιχειωδών σωματιδίων, όπως του Mendeleev. Μπορούμε να υποθέσουμε ότι οι φυσικοί έχουν ψάξει για την επόμενη βαθμίδα της δομής της ύλης.

Οι επιταχυντές στοιχειωδών σωματιδίων έχουν παίξει σημαντικό ρόλο στην ανάπτυξη της γνώσης. Η μετάδοση ηλεκτρονίων έδειξε ότι το πρωτόνιο δεν είναι πραγματικά ένα σημείο, αλλά μάλλον ένα μεγάλο αντικείμενο με ακτίνα περίπου 10 έως -13 εκατοστά. Αναλύοντας τα αποτελέσματα νέων πειραμάτων για τη σκέδαση ηλεκτρονίων, οι επιστήμονες κατέληξαν στο συμπέρασμα ότι τα νουκλεόνια είναι ένα σμήνος από πολύ μικρά σωματίδια, τα οποία, σε μικρότερη μεγέθυνση, μοιάζουν με ένα σωρό μεσόνια και άλλα στοιχειώδη σωματίδια που επικαλύπτονται και διαπερνούν το ένα το άλλο. Οι θεωρητικοί που ασχολήθηκαν με την ταξινόμηση των σωματιδίων ήταν ενθουσιασμένοι, καθώς υποπτεύονταν από καιρό την ύπαρξη τέτοιων σωματιδίων, τα ονόμασαν μόνο με τον δικό τους τρόπο: κουάρκ.

Όταν τα κουάρκ εμφανίστηκαν στις σελίδες των θεωρητικών άρθρων, πολλοί επιστήμονες τα θεωρούσαν απλώς κάποιο είδος περιέργειας, προσωρινή σκαλωσιά στο δρόμο προς μια πιο τέλεια θεωρία. Ωστόσο, οι φυσικοί δεν είχαν χρόνο να κοιτάξουν πίσω, καθώς αποδείχθηκε ότι με τη βοήθεια των κουάρκ εξηγούνται πολύ απλά και ξεκάθαρα μια ποικιλία πειραματικών γεγονότων και οι θεωρητικοί υπολογισμοί απλοποιούνται πολύ. Έγινε απλά αδύνατο να γίνει χωρίς κουάρκ, καθώς και χωρίς μόρια και άτομα.

Τα πειράματα ανίχνευσης νουκλεονίων απέδειξαν ότι τα κουάρκ στο κέντρο ενός στοιχειώδους σωματιδίου σχεδόν δεν συνδέονται με αλληλεπίδραση και συμπεριφέρονται σαν μπαλόνια που επιπλέουν στον αέρα. Αν προσπαθήσουν να διασκορπιστούν, τότε αμέσως υπάρχουν δυνάμεις που τους τραβούν μαζί. Στην περιφέρεια, τα κουάρκ μπορούν να έχουν μόνο τη μορφή δεσμευμένων δεσμών - για παράδειγμα, με τη μορφή πι-μεσονίων, κάτι που συνάδει με τη θεωρία της πυρηνικής αλληλεπίδρασης που βασίζεται στα μεσόνια. Πώς όμως αλληλεπιδρούν τα κουάρκ μεταξύ τους; Δεδομένου ότι η επιστήμη δεν γνωρίζει κανέναν άλλο τρόπο να οργανώσει την αλληλεπίδραση εκτός από τη μεταφορά του σωματιδίου-φορέα της αλληλεπίδρασης, προτάθηκαν τα γκλουόνια - σωματίδια που κολλούν τα κουάρκ μεταξύ τους. Τα γλουόνια είναι σαν φωτόνια, μόνο με φορτίο. Το φωτόνιο δεν δημιουργεί κανένα πεδίο γύρω από τον εαυτό του, επομένως το πεδίο έχει τη μεγαλύτερη ένταση κοντά στην πηγή του - το φορτίο, τότε σταδιακά διαλύεται και εξασθενεί. Το γλουόνιο, από την άλλη πλευρά, δημιουργεί νέα γλουόνια με το φορτίο του, τα οποία με τη σειρά τους δημιουργούν τα επόμενα και ούτω καθεξής, έτσι το πεδίο γλουονίου δεν εξασθενεί, αλλά, αντίθετα, αυξάνεται με την απόσταση. από το κουάρκ που το γέννησε. Το κουάρκ που υποχωρεί, όπως ο αφρός, είναι κατάφυτο με νέα γκλουόνια και ο δεσμός τους γίνεται ισχυρότερος.

Η σωματιδιακή φυσική είναι μια καταπληκτική συγχώνευση πειράματος και θεωρίας. Οι ιδιότητες των μικρότερων σωματιδίων της ύλης έχουν καθιερωθεί και εξακολουθούν να καθιερώνονται σε πειράματα που είναι απαράμιλλη σε πολυπλοκότητα σε άλλους τομείς της επιστήμης. Αυτά τα μοναδικά πειράματα συνδυάζουν μια πραγματικά βιομηχανική κλίμακα με την ακρίβεια ενός κοσμηματοπώλη. Στις περισσότερες περιπτώσεις, τα ίδια τα αντικείμενα μελέτης - σωματίδια - δημιουργούνται ακριβώς εκεί στο εργαστήριο με τη βοήθεια επιταχυντών και ζουν για τόσο ασήμαντες χρονικές περιόδους που, σε σύγκριση με αυτά, μια στιγμή μοιάζει με αιωνιότητα. Η περίπτωση κάποιας σπάνιας διάσπασης ενός σωματιδίου πρέπει να βρεθεί ανάμεσα σε δισεκατομμύρια «χωρίς ενδιαφέρουσες» διασπάσεις παρόμοια με αυτό. Όλες οι πληροφορίες σχετικά με τα στοιχειώδη σωματίδια λαμβάνονται ως αποτέλεσμα προσεκτικών μετρήσεων.

Ετικέτες: Στοιχειώδη σωματίδιαΑφηρημένη Χημεία

Τα στοιχειώδη σωματίδια, με την ακριβή έννοια αυτού του όρου, είναι τα πρωτεύοντα, περαιτέρω αδιάσπαστα σωματίδια, από τα οποία, κατά την υπόθεση, αποτελείται όλη η ύλη.

Τα στοιχειώδη σωματίδια της σύγχρονης φυσικής δεν ικανοποιούν τον αυστηρό ορισμό της στοιχειότητας, αφού τα περισσότερα από αυτά, σύμφωνα με τις σύγχρονες έννοιες, είναι σύνθετα συστήματα. Η κοινή ιδιότητα αυτών των συστημάτων είναι ότι Ότι δεν είναι άτομα ή πυρήνες (εκτός από το πρωτόνιο). Ως εκ τούτου, μερικές φορές ονομάζονται υποπυρηνικά σωματίδια.

Τα σωματίδια που ισχυρίζονται ότι είναι τα πρωταρχικά στοιχεία της ύλης αποκαλούνται μερικές φορές «πραγματικά στοιχειώδη σωματίδια».

Το πρώτο στοιχειώδες σωματίδιο που ανακαλύφθηκε ήταν το ηλεκτρόνιο. Ανακαλύφθηκε από τον Άγγλο φυσικό Thomson το 1897.

Το πρώτο αντισωματίδιο που ανακαλύφθηκε ήταν το ποζιτρόνιο - ένα σωματίδιο με μάζα ηλεκτρονίου, αλλά θετικό ηλεκτρικό φορτίο. Αυτό το αντισωματίδιο ανακαλύφθηκε στις κοσμικές ακτίνες από τον Αμερικανό φυσικό Άντερσον το 1932.

Στη σύγχρονη φυσική, η ομάδα των στοιχειωδών σωματιδίων περιλαμβάνει περισσότερα από 350 σωματίδια, κυρίως ασταθή, και ο αριθμός τους συνεχίζει να αυξάνεται.

Αν παλαιότερα στοιχειώδη σωματίδια βρίσκονταν συνήθως στις κοσμικές ακτίνες, τότε από τις αρχές της δεκαετίας του 1950 οι επιταχυντές έγιναν το κύριο εργαλείο για τη μελέτη των στοιχειωδών σωματιδίων.

Οι μικροσκοπικές μάζες και τα μεγέθη των στοιχειωδών σωματιδίων καθορίζουν την κβαντική ειδικότητα της συμπεριφοράς τους: οι κβαντικές κανονικότητες είναι καθοριστικές για τη συμπεριφορά των στοιχειωδών σωματιδίων.

Η πιο σημαντική κβαντική ιδιότητα όλων των στοιχειωδών σωματιδίων είναι η ικανότητα να γεννιούνται και να καταστρέφονται (εκπέμπονται και απορροφώνται) όταν αλληλεπιδρούν με άλλα σωματίδια. Όλες οι διεργασίες με στοιχειώδη σωματίδια προχωρούν μέσω μιας ακολουθίας πράξεων απορρόφησης και εκπομπής τους.

Οι διαφορετικές διεργασίες με στοιχειώδη σωματίδια διαφέρουν αισθητά ως προς την έντασή τους.

Σύμφωνα με τη διαφορετική ένταση της πορείας της αλληλεπίδρασης των στοιχειωδών σωματιδίων, χωρίζονται φαινομενολογικά σε διάφορες κατηγορίες: ισχυρά, ηλεκτρομαγνητικά και ασθενή. Επιπλέον, όλα τα στοιχειώδη σωματίδια έχουν βαρυτική αλληλεπίδραση.

Η ισχυρή αλληλεπίδραση στοιχειωδών σωματιδίων προκαλεί διεργασίες που προχωρούν με τη μεγαλύτερη ένταση σε σύγκριση με άλλες διεργασίες και οδηγεί στην ισχυρότερη σύνδεση στοιχειωδών σωματιδίων. Είναι αυτό που καθορίζει τον δεσμό μεταξύ πρωτονίων και νετρονίων στους πυρήνες των ατόμων.

Η ηλεκτρομαγνητική αλληλεπίδραση διαφέρει από τις άλλες λόγω της συμμετοχής ενός ηλεκτρομαγνητικού πεδίου. Ένα ηλεκτρομαγνητικό πεδίο (στην κβαντική φυσική - ένα φωτόνιο) είτε εκπέμπεται είτε απορροφάται κατά τη διάρκεια της αλληλεπίδρασης, είτε μεταφέρει την αλληλεπίδραση μεταξύ των σωμάτων.

Η ηλεκτρομαγνητική αλληλεπίδραση εξασφαλίζει τη σύνδεση πυρήνων και ηλεκτρονίων σε άτομα και μόρια ύλης και έτσι καθορίζει (με βάση τους νόμους της κβαντικής μηχανικής) τη δυνατότητα μιας σταθερής κατάστασης τέτοιων μικροσυστημάτων.

Η ασθενής αλληλεπίδραση στοιχειωδών σωματιδίων προκαλεί πολύ αργές διεργασίες με στοιχειώδη σωματίδια, συμπεριλαμβανομένης της διάσπασης οιονεί σταθερών σωματιδίων.

Η ασθενής αλληλεπίδραση είναι πολύ πιο αδύναμη όχι μόνο από την ισχυρή, αλλά και από την ηλεκτρομαγνητική αλληλεπίδραση, αλλά πολύ ισχυρότερη από τη βαρυτική.

Η βαρυτική αλληλεπίδραση των στοιχειωδών σωματιδίων είναι η πιο αδύναμη από όλες τις γνωστές. Η βαρυτική αλληλεπίδραση σε αποστάσεις χαρακτηριστικές των στοιχειωδών σωματιδίων δίνει εξαιρετικά μικρά αποτελέσματα λόγω της μικρότητας των μαζών των στοιχειωδών σωματιδίων.

Η ασθενής αλληλεπίδραση είναι πολύ ισχυρότερη από την βαρυτική, αλλά στην καθημερινή ζωή ο ρόλος της βαρυτικής αλληλεπίδρασης είναι πολύ πιο αισθητός από τον ρόλο της ασθενούς αλληλεπίδρασης. Αυτό συμβαίνει γιατί η βαρυτική αλληλεπίδραση (όπως και η ηλεκτρομαγνητική) έχει απείρως μεγάλη ακτίνα δράσης. Επομένως, για παράδειγμα, τα σώματα που βρίσκονται στην επιφάνεια της Γης επηρεάζονται από τη βαρυτική έλξη από όλα τα άτομα που αποτελούν τη Γη. Η ασθενής αλληλεπίδραση έχει τόσο μικρή ακτίνα δράσης που δεν έχει ακόμη μετρηθεί.

Στη σύγχρονη φυσική, θεμελιώδη ρόλο παίζει η σχετικιστική κβαντική θεωρία των φυσικών συστημάτων με άπειρους βαθμούς ελευθερίας - κβαντική θεωρία πεδίου. Αυτή η θεωρία έχει κατασκευαστεί για να περιγράψει μια από τις πιο γενικές ιδιότητες του μικροκόσμου - την καθολική αμοιβαία μετατρεψιμότητα των στοιχειωδών σωματιδίων. Για να περιγραφούν τέτοιες διεργασίες, απαιτήθηκε μια μετάβαση σε ένα πεδίο κβαντικών κυμάτων. Η κβαντική θεωρία πεδίου είναι αναγκαστικά σχετικιστική, γιατί αν το σύστημα αποτελείται από αργά κινούμενα σωματίδια, τότε η ενέργειά τους μπορεί να μην είναι αρκετή για να σχηματίσει νέα σωματίδια με μη μηδενική μάζα ηρεμίας. Τα σωματίδια με μηδενική μάζα ηρεμίας (φωτόνιο, πιθανώς νετρίνο) είναι πάντα σχετικιστικά, δηλ. κινείται πάντα με την ταχύτητα του φωτός.

Ο καθολικός τρόπος διεξαγωγής όλων των αλληλεπιδράσεων, με βάση τη συμμετρία του μετρητή, καθιστά δυνατό τον συνδυασμό τους.

Η κβαντική θεωρία πεδίου αποδείχθηκε ότι ήταν η πιο κατάλληλη συσκευή για την κατανόηση της φύσης της αλληλεπίδρασης των στοιχειωδών σωματιδίων και τον συνδυασμό όλων των τύπων αλληλεπιδράσεων.

Η κβαντική ηλεκτροδυναμική είναι εκείνο το μέρος της θεωρίας του κβαντικού πεδίου που ασχολείται με την αλληλεπίδραση ενός ηλεκτρομαγνητικού πεδίου και των φορτισμένων σωματιδίων (ή ενός πεδίου ηλεκτρονίων-ποζιτρονίων).

Επί του παρόντος, η κβαντική ηλεκτροδυναμική θεωρείται αναπόσπαστο μέρος της ενοποιημένης θεωρίας των ασθενών και ηλεκτρομαγνητικών αλληλεπιδράσεων.

Ανάλογα με τη συμμετοχή σε διάφορους τύπους αλληλεπίδρασης, όλα τα στοιχειώδη σωματίδια που μελετήθηκαν, με εξαίρεση το φωτόνιο, χωρίζονται σε δύο κύριες ομάδες - αδρόνια και λεπτόνια.

Αδρόνια (από τα ελληνικά - μεγάλα, ισχυρά) - μια κατηγορία στοιχειωδών σωματιδίων που εμπλέκονται σε ισχυρή αλληλεπίδραση (μαζί με ηλεκτρομαγνητικά και αδύναμα). Λεπτόνια (από τα ελληνικά - λεπτά, ελαφριά) - μια κατηγορία στοιχειωδών σωματιδίων που δεν έχουν ισχυρή αλληλεπίδραση, που συμμετέχουν μόνο σε ηλεκτρομαγνητική και ασθενή αλληλεπίδραση. (Υπονοείται η παρουσία βαρυτικής αλληλεπίδρασης σε όλα τα στοιχειώδη σωματίδια, συμπεριλαμβανομένου του φωτονίου).

Δεν υπάρχει ακόμη πλήρης θεωρία των αδρονίων, δεν υπάρχει ισχυρή αλληλεπίδραση μεταξύ τους, αλλά υπάρχει μια θεωρία που, όντας ούτε πλήρης ούτε παγκοσμίως αναγνωρισμένη, καθιστά δυνατή την εξήγηση των βασικών ιδιοτήτων τους. Αυτή η θεωρία είναι η κβαντική χρωμοδυναμική, σύμφωνα με την οποία τα αδρόνια αποτελούνται από κουάρκ και οι δυνάμεις μεταξύ των κουάρκ οφείλονται στην ανταλλαγή γκλουονίων. Όλα τα αδρόνια που ανακαλύφθηκαν αποτελούνται από κουάρκ πέντε διαφορετικών τύπων («γεύματα»). Το κουάρκ κάθε «γεύσης» μπορεί να βρίσκεται σε τρεις «χρωματικές» καταστάσεις, ή να έχει τρία διαφορετικά «χρωματικά φορτία».

Εάν οι νόμοι που καθορίζουν τη σχέση μεταξύ των μεγεθών που χαρακτηρίζουν ένα φυσικό σύστημα ή καθορίζουν τη μεταβολή αυτών των ποσοτήτων με την πάροδο του χρόνου, δεν αλλάζουν υπό ορισμένους μετασχηματισμούς στους οποίους μπορεί να υποβληθεί το σύστημα, τότε αυτοί οι νόμοι λέγονται συμμετρικοί (ή αμετάβλητο) σε σχέση με αυτούς τους μετασχηματισμούς. Μαθηματικά, οι μετασχηματισμοί συμμετρίας αποτελούν μια ομάδα.

Στη σύγχρονη θεωρία των στοιχειωδών σωματιδίων, η έννοια της συμμετρίας των νόμων σε σχέση με ορισμένους μετασχηματισμούς είναι η κορυφαία. Η συμμετρία θεωρείται ως παράγοντας που καθορίζει την ύπαρξη διαφόρων ομάδων και οικογενειών στοιχειωδών σωματιδίων.

Η ισχυρή αλληλεπίδραση είναι συμμετρική ως προς τις περιστροφές σε έναν ειδικό «ισοτοπικό χώρο». Από μαθηματική άποψη, η ισοτοπική συμμετρία αντιστοιχεί σε μετασχηματισμούς της ενιαίας ομάδας συμμετρίας SU(2). Η ισοτοπική συμμετρία δεν είναι ακριβής συμμετρία της φύσης, γιατί σπάει από την ηλεκτρομαγνητική αλληλεπίδραση και τη διαφορά στις μάζες του κουάρκ.

Η ισοτοπική συμμετρία είναι μέρος μιας ευρύτερης προσεγγιστικής συμμετρίας ισχυρής αλληλεπίδρασης, της ενιαίας συμμετρίας SU(3). Η ενιαία συμμετρία αποδεικνύεται ότι είναι πολύ πιο σπασμένη από την ισοτοπική. Ωστόσο, προτείνεται ότι αυτές οι συμμετρίες, οι οποίες παραβιάζονται πολύ έντονα στις επιτευχθείσες ενέργειες, θα αποκατασταθούν σε ενέργειες που αντιστοιχούν στη λεγόμενη «μεγάλη ενοποίηση».

Για την κατηγορία των εσωτερικών συμμετριών των εξισώσεων της θεωρίας πεδίου (δηλαδή, συμμετρίες που σχετίζονται με τις ιδιότητες των στοιχειωδών σωματιδίων και όχι με τις ιδιότητες του χωροχρόνου), χρησιμοποιείται ένα κοινό όνομα - συμμετρία μετρητή.

Η συμμετρία μετρητή οδηγεί στην ανάγκη ύπαρξης διανυσματικών πεδίων μετρητή, η ανταλλαγή των κβαντών των οποίων καθορίζει τις αλληλεπιδράσεις των σωματιδίων.

Η ιδέα της συμμετρίας του μετρητή αποδείχθηκε η πιο γόνιμη στην ενοποιημένη θεωρία των αδύναμων και ηλεκτρομαγνητικών αλληλεπιδράσεων.

Ένα ενδιαφέρον πρόβλημα της κβαντικής θεωρίας πεδίου είναι η συμπερίληψη της ισχυρής αλληλεπίδρασης ("μεγάλη ενοποίηση") σε ένα ενοποιημένο σχήμα μετρητή.

Μια άλλη πολλά υποσχόμενη κατεύθυνση ενοποίησης είναι η συμμετρία υπερμετρητή ή απλά η υπερσυμμετρία.

Στη δεκαετία του '60, οι Αμερικανοί φυσικοί S. Weinberg, S. Glashow, ο Πακιστανός φυσικός A. Salam και άλλοι δημιούργησαν μια ενοποιημένη θεωρία αδύναμων και ηλεκτρομαγνητικών αλληλεπιδράσεων, που αργότερα ονομάστηκε η τυπική θεωρία της ηλεκτροασθενούς αλληλεπίδρασης. Σε αυτή τη θεωρία, μαζί με το φωτόνιο, που πραγματοποιεί την ηλεκτρομαγνητική αλληλεπίδραση, εμφανίζονται και ενδιάμεσα διανυσματικά μποζόνια - σωματίδια που φέρουν την ασθενή αλληλεπίδραση. Αυτά τα σωματίδια ανακαλύφθηκαν πειραματικά το 1983 στο CERN.

Η πειραματική ανακάλυψη των ενδιάμεσων διανυσματικών μποζονίων επιβεβαιώνει την ορθότητα της βασικής ιδέας (μετρητή) της τυπικής θεωρίας της ηλεκτροασθενούς αλληλεπίδρασης.

Ωστόσο, για να δοκιμαστεί πλήρως η θεωρία, είναι επίσης απαραίτητο να μελετηθεί πειραματικά ο μηχανισμός της αυθόρμητης διακοπής της συμμετρίας. Εάν αυτός ο μηχανισμός εφαρμόζεται πραγματικά στη φύση, τότε πρέπει να υπάρχουν στοιχειώδη βαθμωτά μποζόνια - τα λεγόμενα μποζόνια Higgs. Η τυπική θεωρία των ηλεκτροασθενών προβλέπει την ύπαρξη τουλάχιστον ενός βαθμωτού μποζονίου.