Sammendrag: Elementærpartikler. Generell informasjon om elementærpartikler

Elementær partikler kalles, som (på det nåværende stadiet av utviklingen av fysikk) ingen indre struktur kan tilskrives.

Hovedpartiklene som utgjør atomet - elektroner, protoner og nøytroner - ble i utgangspunktet ansett som ute av stand til transformasjoner og endringer. Det er derfor de kalles elementære. Senere ble det imidlertid vist at begrepet "elementærpartikkel" er ganske betinget. Så, for eksempel, har et fritt nøytron en levetid på omtrent 15 minutter, og deretter forfaller det til et proton, et elektron og en antinøytrino:

Av alle de for øyeblikket oppdagede elementærpartiklene, ville bare fotonet, elektronet, protonet og nøytrinoet beholde sin invarians hvis hver av dem var alene i det omkringliggende rommet.

Elementærpartikler adlyder kvantefysikkens lover.

Den moderne klassifiseringen av elementærpartikler er basert på deres hovedegenskaper: masse, elektrisk ladning, spinn og levetid, samt lepton- og baryonladninger.

Tabell 23.1 viser noe informasjon om egenskapene til elementærpartikler med en levetid på mer enn 10 -20 s. Partiklene i tabellen er ordnet i stigende rekkefølge etter massen.

Tabellen over elementærpartikler inkluderer ikke alle kortlivede resonanspartikler, spesielt "sjarmerte" partikler. Bærerne av svake interaksjoner - vektorbosoner er heller ikke inkludert. Resultatet er 39 partikler.

Tabellen åpnes med et foton. Fotonet, som forblir alene, danner den første gruppen. Fotoner er kvanter av det elektromagnetiske feltet (lys, -stråling, etc.), har ikke tilsvarende antipartikler, dvs. er deres egne antipartikler.

Den neste gruppen er dannet av lette partikler - leptoner. Den inkluderer tolv partikler (inkludert antipartikler). Dette er elektronet, myonet (oppdaget i kosmiske stråler i 1937 - det er en tung analog av elektronet, som har en masse på omtrent 200 ganger massen til elektronet) og -lepton (taonet har en masse på omtrent 3500 ganger). massen til elektronet). Hver av disse tre partiklene har sin egen nøytrino, som følger sin egen ladede partikkel i ulike transformasjoner: en elektronnøytrino blir født sammen med elektroner, en myonnøytrino – sammen med myoner, en lepton – sammen med leptoner. Selv om -leptonet har en veldig stor masse, er det inkludert i gruppen leptoner, siden det er nært dem i alle andre egenskaper. Hovedegenskapen som gjør den relatert til andre leptoner er at denne partikkelen, som andre leptoner, ikke deltar i sterke interaksjoner.

Tabell 23.1

Etterfulgt av mesoner. Denne gruppen består av åtte partikler. Den letteste av dem er mesoner: positive, negative og nøytrale. Massene deres er 264,1 og 273,1 elektronmasser. Pioner er kvanter av kjernefeltet, akkurat som fotoner er kvanter av det elektromagnetiske feltet. Det er også fire -mesoner og en -meson.

Den siste gruppen - baryoner- den mest omfattende. Den inkluderer 18 partikler av 39. De letteste av baryonene er nukleoner - protoner og nøytroner. De blir fulgt av de såkalte hyperonene. Hele bordet er lukket av en (omega-minus) partikkel, oppdaget i 1964. Massen er 3273 ganger massen til et elektron.

Mesoner og baryoner er en klasse hadroner- partikler som deltar i sterke interaksjoner. Hadroner deles inn i "stabile" partikler med levetid c og i resonanser med levetid c, dvs. tilsvarer den sterke interaksjonstiden. Lengden på deres vei fra fødselsøyeblikket til øyeblikket av forfall er omtrent 10 -15 m, og disse partiklene etterlater ingen spor i detektorene. De vises som topper i plottene til de såkalte spredningstverrsnittene som funksjon av energi. Resonanser henfaller på grunn av sterk interaksjon, stabile partikler - på grunn av elektromagnetiske og svake interaksjoner.

Inndelingen av elementærpartikler i grupper bestemmes ikke bare av forskjellen i massene, men også av andre viktige egenskaper, som spinn.

Leptoner og baryoner har et spinn lik mesonspinnene er 0, og fotonspinnet er lik 1.

Det er fire typer interaksjoner mellom elementærpartikler - gravitasjon, elektromagnetisk, sterk og svak.

Sterk interaksjon karakteristisk for tunge partikler, som begynner med pionen. Dens mest kjente manifestasjon er kjernefysiske krefter som sikrer eksistensen av atomkjerner.

I elektromagnetisk interaksjon bare elektrisk ladede partikler og fotoner er direkte involvert. Dens mest kjente manifestasjon er Coulomb-kreftene som bestemmer eksistensen av atomer. Det er den elektromagnetiske interaksjonen som er ansvarlig for det store flertallet av materiens makroskopiske egenskaper. Det forårsaker også utslettelse av et elektron-positron-par og mange andre mikroskopiske prosesser.

Svak interaksjon karakteristisk for alle partikler unntatt fotoner. Dens mest kjente manifestasjon er forfallet av et nøytron og en rekke atomkjerner.

Gravitasjonsinteraksjon iboende i alle legemer i universet, og manifesterer seg i form av universelle gravitasjonskrefter. Disse kreftene sikrer eksistensen av stjerner, planetsystemer og så videre. Gravitasjonsinteraksjonen er ekstremt svak og spiller ikke noen vesentlig rolle i verden av elementærpartikler ved vanlige energier. I en verden av elementærpartikler blir tyngdekraften betydelig ved kolossale energier i størrelsesorden 10 22 MeV, som tilsvarer ultrasmå avstander i størrelsesorden 10 -35 m.

Det er mange elementærpartikler for tiden (mer enn 350). Derfor oppstår spørsmålet: er det noe til felles i strukturen til disse partiklene? Kan de betraktes som elementære?

I 1963 la M. Gell-Mann og J. Zweig frem en hypotese om eksistensen i naturen av flere partikler kalt kvarker. I følge denne hypotesen vil alle mesoner, baryoner og resonanser - dvs. hadroner, består av kvarker og antikvarker, hvis kombinasjoner er forskjellige.

Opprinnelig ble hypotesen om eksistensen av tre kvarker (og følgelig tre antikvarker) introdusert. Kvarker er merket med bokstaver u, d, s. De må ha brøkdeler elektriske ladninger. Den første er u-kvark - har en ladning - e, en d- og s- kvarker har samme ladninger lik hvor e- elektronladningsmodul. Eksistensen av en fjerde kvark ble spådd, c- kvark, kalt "sjarmert". Deretter ble partikler som inneholdt denne kvarken eksperimentelt oppdaget. Massen til c-kvarken overstiger massen s-kvark. Deretter ble enda mer alvorlige problemer spådd og deretter oppdaget. b- og t-kvarker.

Kvarker, sammen med leptoner, regnes som ekte elementærpartikler. Kvarker er ennå ikke funnet i den frie staten, og nå er det kommet forslag om umuligheten av å skille partikler til kvarker. Disse antakelsene er basert på påstanden om at kreftene til interaksjon mellom kvarker ikke avtar med avstanden, så det er umulig å trekke ut kvarker fra partikler.

Spørsmål for å konsolidere det studerte emnet

1 Definer nøytronmultiplikasjonsfaktoren.

2 Ved hvilke verdier av k vil kjernereaksjonen bli kontrollert? uhåndterlig?

3 Hva er kritisk masse? Hvordan kan det reduseres?

4 Hvordan fungerer en atomreaktor?

5 Hva er en elementær partikkel?

6 Hvilke grupper deles de kjente elementarpartiklene inn i?

I fysikk er elementærpartikler fysiske objekter på skalaen til kjernen til et atom, som ikke kan deles inn i bestanddeler. Men i dag klarte forskere fortsatt å splitte noen av dem. Strukturen og egenskapene til disse minste objektene studeres av elementær partikkelfysikk.

De minste partiklene som utgjør all materie har vært kjent siden antikken. Grunnleggerne av den såkalte "atomismen" anses imidlertid for å være filosofen til antikkens Hellas Leucippus og hans mer kjente student, Democritus. Det antas at sistnevnte introduserte begrepet "atom". Fra det gamle greske er "atomos" oversatt som "udelelig", som definerer synspunktene til gamle filosofer.

Senere ble det kjent at atomet fortsatt kan deles inn i to fysiske objekter - kjernen og elektronet. Sistnevnte ble senere den første elementarpartikkelen, da engelskmannen Joseph Thomson i 1897 gjennomførte et eksperiment med katodestråler og avslørte at de er en strøm av identiske partikler med samme masse og ladning.

Parallelt med arbeidet til Thomson, utfører Henri Becquerel, som er engasjert i studiet av røntgenstråling, eksperimenter med uran og oppdager en ny type stråling. I 1898 studerte et fransk fysikerpar, Marie og Pierre Curie, forskjellige radioaktive stoffer, og fant den samme radioaktive strålingen. Senere skal det slås fast at den består av alfa (2 protoner og 2 nøytroner) og beta-partikler (elektroner), og Becquerel og Curie får Nobelprisen. Marie Sklodowska-Curie utførte sin forskning med elementer som uran, radium og polonium, og tok ingen sikkerhetstiltak, inkludert ikke engang bruk av hansker. Som et resultat ble hun i 1934 innhentet av leukemi. Til minne om prestasjonene til den store vitenskapsmannen ble elementet oppdaget av Curie-paret, polonium, oppkalt etter Marys hjemland - Polonia, fra latin - Polen.

Foto fra den 5. Solvay-kongressen, 1927. Prøv å finne alle forskerne fra denne artikkelen på dette bildet.

Fra og med 1905 viet Albert Einstein publikasjonene sine til ufullkommenheten i bølgeteorien om lys, hvis postulater avvek fra resultatene av eksperimenter. Som senere førte den fremragende fysikeren til ideen om et "lyskvante" - en porsjon lys. Senere, i 1926, ble det kalt «foton», oversatt fra gresk «phos» («lys»), av den amerikanske fysiokjemikeren Gilbert N. Lewis.

I 1913 bemerket Ernest Rutherford, en britisk fysiker, basert på resultatene av eksperimenter som allerede ble utført på den tiden, at massene til kjernene til mange kjemiske elementer er multipler av massen til hydrogenkjernen. Derfor foreslo han at hydrogenkjernen er en komponent av kjernene til andre grunnstoffer. I sitt eksperiment bestrålt Rutherford et nitrogenatom med alfapartikler, som som et resultat sendte ut en viss partikkel, navngitt av Ernest som et "proton", fra andre greske "protos" (første, hoved). Senere ble det eksperimentelt bekreftet at protonet er hydrogenkjernen.

Det er klart at protonet ikke er den eneste komponenten i kjernene til kjemiske elementer. Denne ideen er ledet av det faktum at to protoner i kjernen ville frastøte hverandre, og atomet ville øyeblikkelig forfalle. Derfor la Rutherford frem en hypotese om tilstedeværelsen av en annen partikkel, som har en masse lik massen til et proton, men er uladet. Noen eksperimenter av forskere på samspillet mellom radioaktive og lettere elementer førte dem til oppdagelsen av en annen ny stråling. I 1932 bestemte James Chadwick at den besto av de samme nøytrale partiklene som han kalte nøytroner.

Dermed ble de mest kjente partiklene oppdaget: foton, elektron, proton og nøytron.

Videre ble oppdagelsen av nye subnukleære objekter en stadig hyppigere hendelse, og for øyeblikket er rundt 350 partikler kjent, som anses å være "elementære". De av dem som ennå ikke har klart å splitte regnes som strukturløse og kalles "fundamentale".

Hva er spinn?

Før du fortsetter med ytterligere innovasjoner innen fysikk, er det nødvendig å bestemme egenskapene til alle partikler. Den mest kjente, bortsett fra masse og elektrisk ladning, inkluderer også spinn. Denne verdien kalles ellers som "intrinsic angular momentum" og er på ingen måte relatert til forskyvningen av det subnukleære objektet som helhet. Forskere har vært i stand til å oppdage partikler med spinn 0, ½, 1, 3/2 og 2. For å visualisere, om enn forenklet, spinn som en egenskap ved et objekt, bør du vurdere følgende eksempel.

La objektet ha et spinn lik 1. Da vil et slikt objekt, når det roteres 360 grader, gå tilbake til sin opprinnelige posisjon. På et fly kan dette objektet være en blyant, som etter en 360-graders sving vil være i sin opprinnelige posisjon. Ved null spinn, med enhver rotasjon av objektet, vil det alltid se likt ut, for eksempel en enfarget ball.

For spin ½ trenger du en gjenstand som beholder utseendet når den dreies 180 grader. Det kan være samme blyant, bare symmetrisk slipt på begge sider. Et spinn på 2 vil kreve at formen opprettholdes gjennom en 720 graders rotasjon, mens 3/2 vil kreve 540.

Denne egenskapen er av stor betydning for elementærpartikkelfysikk.

Standard modell for partikler og interaksjoner

Etter å ha et imponerende sett med mikroobjekter som utgjør verden rundt oss, bestemte forskere seg for å strukturere dem, så en velkjent teoretisk konstruksjon kalt "Standardmodellen" ble dannet. Hun beskriver tre interaksjoner og 61 partikler ved å bruke 17 fundamentale, hvorav noen hun forutså lenge før oppdagelsen.

De tre interaksjonene er:

Elektromagnetisk. Det oppstår mellom elektrisk ladede partikler. I et enkelt tilfelle, kjent fra skolen, tiltrekker motsatt ladede gjenstander, og gjenstander med samme navn frastøter. Dette skjer gjennom den såkalte bæreren av elektromagnetisk interaksjon – et foton.
Sterk, ellers - kjernefysisk interaksjon. Som navnet tilsier, strekker dens handling seg til gjenstander av rekkefølgen til atomkjernen, den er ansvarlig for tiltrekningen av protoner, nøytroner og andre partikler, også bestående av kvarker. Den sterke kraften bæres av gluoner.
Svak. Fungerer i avstander som er tusen mindre enn størrelsen på kjernen. Denne interaksjonen involverer leptoner og kvarker, så vel som deres antipartikler. Dessuten, i tilfelle av svak interaksjon, kan de forvandle seg til hverandre. Bærerne er bosonene W+, W− og Z0.

Så standardmodellen ble dannet som følger. Den inkluderer seks kvarker som utgjør alle hadroner (partikler utsatt for sterk interaksjon):

Øvre (u);
Fortryllet (c);
sann(t);
lavere (d);
merkelig(e);
Bedårende (b).

Det kan sees at fysikere ikke har epitet. De andre 6 partiklene er leptoner. Dette er fundamentale partikler med spin ½ som ikke tar del i det sterke samspillet.

Elektron;
Elektronisk nøytrino;
Muon;
myonnøytrino;
Tau lepton;
Tau nøytrino.

Og den tredje gruppen av standardmodellen er gauge-bosonene, som har et spinn lik 1 og er representert som bærere av interaksjoner:

Gluon er sterk;
Foton - elektromagnetisk;
Z-boson er svak;
W-boson er svak.

De inkluderer også den nylig oppdagede partikkelen med spinn 0, som, for å si det enkelt, gir alle andre subnukleære objekter treghetsmasse.

Som et resultat, ifølge Standardmodellen, ser vår verden slik ut: all materie består av 6 kvarker som danner hadroner og 6 leptoner; alle disse partiklene kan delta i tre interaksjoner, hvis bærere er gauge bosoner.

Ulemper med standardmodellen

Selv før oppdagelsen av Higgs-bosonet, den siste partikkelen forutsagt av standardmodellen, hadde imidlertid forskere gått utover det. Et slående eksempel på dette er den såkalte. «gravitasjonsinteraksjon», som i dag er på nivå med andre. Antagelig er dens bærer en partikkel med spinn 2, som ikke har noen masse, og som fysikere ennå ikke har klart å oppdage - "gravitonen".

Dessuten beskriver standardmodellen 61 partikler, og i dag er mer enn 350 partikler kjent for menneskeheten. Dette betyr at teoretiske fysikeres arbeid ikke er over.

Partikkelklassifisering

For å gjøre livet lettere for seg selv, har fysikere gruppert alle partiklene i henhold til deres struktur og andre egenskaper. Klassifiseringen er basert på følgende funksjoner:

Livstid.
1. Stabil. Blant dem er proton og antiproton, elektron og positron, foton og også graviton. Eksistensen av stabile partikler er ikke begrenset av tid, så lenge de er i fri tilstand, dvs. ikke samhandle med noe.
2. Ustabil. Alle andre partikler forfaller etter en tid til sine bestanddeler, derfor kalles de ustabile. For eksempel lever en myon bare 2,2 mikrosekunder, og et proton lever 2,9 10*29 år, hvoretter den kan forfalle til en positron og en nøytral pion.
Vekt.
1. Masseløse elementærpartikler, hvorav det bare er tre: foton, gluon og graviton.
2. Massive partikler er alt annet.
Spinnverdi.
1. Helspinn, inkl. null, har partikler kalt bosoner.
2. Partikler med halvt heltallsspinn er fermioner.
Deltakelse i interaksjoner.
1. Hadroner (strukturelle partikler) er subnukleære objekter som deltar i alle fire typer interaksjoner. Det ble nevnt tidligere at de består av kvarker. Hadroner er delt inn i to undertyper: mesoner (heltallsspinn, er bosoner) og baryoner (halvtallsspinn - fermioner).
2. Fundamental (strukturløse partikler). Disse inkluderer leptoner, kvarker og gauge-bosoner (les tidligere - "Standardmodell ...").

Etter å ha blitt kjent med klassifiseringen av alle partikler, er det for eksempel mulig å nøyaktig bestemme noen av dem. Så nøytronet er en fermion, et hadron, eller rettere sagt en baryon, og et nukleon, det vil si at det har et halvt heltallsspinn, består av kvarker og deltar i 4 interaksjoner. Nukleon er det vanlige navnet på protoner og nøytroner.

Interessant nok uttalte motstanderne av atomismen til Democritus, som spådde eksistensen av atomer, at ethvert stoff i verden er delelig til uendelig. Til en viss grad kan de vise seg å ha rett, siden forskerne allerede har klart å dele atomet i en kjerne og et elektron, kjernen i et proton og et nøytron, og disse i sin tur til kvarker.
Democritus antok at atomene har en klar geometrisk form, og derfor brenner de "skarpe" ildatomene, de grove atomene til faste stoffer holdes godt sammen av deres fremspring, og de glatte vannatomene sklir under interaksjon, ellers flyter de.
Joseph Thomson laget sin egen modell av atomet, som han forestilte seg som et positivt ladet legeme, der elektroner liksom "sitter fast". Modellen hans ble kalt "pudding med rosiner" (Plum pudding modell).
Quarks har fått navnet sitt fra den amerikanske fysikeren Murray Gell-Mann. Forskeren ønsket å bruke et ord som ligner på lyden av en and som kvakker (kwork). Men i James Joyces roman Finnegans Wake møtte jeg ordet «quark» i linjen «Three quarks for Mr. Mark!», hvis betydning ikke er nøyaktig definert og det er mulig at Joyce bare brukte det for rim. Murray bestemte seg for å navngi partiklene med dette ordet, siden bare tre kvarker var kjent på den tiden.
Selv om fotoner, partikler av lys, er masseløse, nær et sort hull, ser det ut til at de endrer bane, og blir tiltrukket av det ved hjelp av gravitasjonsinteraksjon. Faktisk bøyer et supermassivt legeme rom-tid, på grunn av hvilket eventuelle partikler, inkludert de uten masse, endrer banen mot et svart hull (se).
Large Hadron Collider er "hadron" nettopp fordi den kolliderer med to rettede stråler av hadroner, partikler med størrelser i størrelsesorden av kjernen til et atom, som deltar i alle interaksjoner.

ELEMENTERE Partikler, i snever betydning - partikler, to-rye kan ikke anses som Bestående av andre partikler. I moderne I fysikk brukes begrepet "elementærpartikler" i en bredere forstand: den såkalte. de minste partiklene av materie underlagt betingelsen om at de ikke er det og (unntaket er); noen ganger av denne grunn kalles elementærpartikler subnukleære partikler. De fleste av disse partiklene (mer enn 350 er kjent) er komposittsystemer.
E elementærpartikler deltar i elektromagnetiske, svake, sterke og gravitasjonsinteraksjoner. På grunn av de små massene av elementærpartikler, deres gravitasjonsinteraksjon. vanligvis ikke tatt i betraktning. Alle elementærpartikler er delt inn i tre hovedpartikler. grupper. Den første er den såkalte. boson-bærere av den elektrosvake interaksjonen. Dette inkluderer fotonet, eller kvanten av elektromagnetisk stråling. Hvilemassen til et foton er lik null, derfor er forplantningshastigheten til elektromagnetiske bølger i (inkludert lysbølger) den begrensende forplantningshastigheten til det fysiske. innvirkning og er en av fundamentene. fysisk fast; det antas at c \u003d (299792458 1,2) m / s.
Den andre gruppen av elementære partikler - leptoner, som deltar i elektromagnetiske og svake interaksjoner. Det er 6 kjente leptoner: , elektron , myon , tung lepton og tilsvarende . (symbol e) regnes som materialet med den minste massen i naturen m c, lik 9,1 x 10 -28 g (i energienheter 0,511 MeV) og den minste negative. elektrisk ladning e \u003d 1,6 x 10 -19 C. (symbol) - partikler med en masse på ca. 207 masser (105,7 MeV) og elektrisk. ladning lik ladning ; en tung lepton har en masse på ca. 1,8 GeV. De tre typene som tilsvarer disse partiklene - elektron (symbol v c), myon (symbol) og nøytrino (symbol) - er lette (muligens masseløse) elektrisk nøytrale partikler.
Alle leptoner har ( - ), dvs. ifølge statistikken. St. du er fermioner (se).
Hver av leptonene tilsvarer å ha de samme masseverdiene, og andre egenskaper, men forskjellig i tegnet til det elektriske. lade. Det er (symbol e +) - i forhold til, positivt ladet (symbol) og tre typer antinøytrinoer (symbol), som det motsatte tegnet av et spesielt kvantenummer tilskrives, kalt. leptonladning (se nedenfor).
Den tredje gruppen av elementære partikler - hadroner, de deltar i sterke, svake og elektromagnetiske interaksjoner. Hadroner er "tunge" partikler med en masse mye større enn . Dette er Naib. en rekke elementærpartikler. Hadroner er delt inn i baryoner - partikler med mesoner - partikler med et heltall (0 eller 1); samt den såkalte. resonanser - kortvarige hadroner. Baryoner inkluderer (symbol p) - en kjerne med en masse ~ 1836 ganger større enn m c og lik 1,672648 x 10 -24 g (938,3 MeV), og sette. elektrisk med en ladning lik ladningen, og også (symbol n) - en elektrisk nøytral partikkel, hvis masse er litt større enn massen. Alt er bygget opp fra og nemlig et sterkt samspill. bestemmer forbindelsen til disse partiklene med hverandre. I sterk interaksjon og har samme St. Islands og regnes som to av samme partikkel - en nukleon med isotop. (se nedenfor). Baryoner inkluderer også hyperoner - elementærpartikler med en masse større enn nukleon: -hyperon har en masse på 1116 MeV, -hyperon - 1190 MeV, -hyperon -1320 MeV, -hyperon - 1670 MeV. Mesoner har masser mellom massene og (-meson, K-meson). Det er nøytrale og ladede mesoner (med positiv og negativ elementær elektrisk ladning). Alle mesoner på hver sin måte. St. du tilhører bosoner.

Grunnleggende egenskaper til elementærpartikler. Hver elementær partikkel er beskrevet av et sett med diskrete fysiske verdier. mengder (kvantetall). Generelle egenskaper for alle elementære partikler - masse, levetid, elektrisk. lade.
Avhengig av levetiden deles elementærpartikler inn i stabile, kvasistabile og ustabile (resonanser). Stabile (innenfor nøyaktigheten av moderne målinger) er: (levetid mer enn 5 -10 21 år), (mer enn 10 31 år), foton og . Kvasistabile partikler inkluderer partikler som forfaller på grunn av elektromagnetiske og svake interaksjoner, deres levetid er mer enn 10 -20 s. Resonanser forfaller på grunn av sterk interaksjon, deres karakteristiske levetid er 10 -22 -10 -24 s.
Interne egenskaper (kvantetall) til elementærpartikler er lepton (symbol L) og baryon (symbol B) ladninger; disse tallene anses å være strengt bevarte verdier for alle fundamtyper. interaksjon For leptonisk og deres L har motsatte tegn; for baryoner B = 1, for tilsvarende B = -1.
Hadroner er preget av tilstedeværelsen av spesielle kvantetall: "merkelighet", "sjarm", "skjønnhet". Vanlige (ikke-rare) hadroner - mesoner. Innenfor ulike grupper av hadroner er det familier av partikler som er nære i masse og med lignende egenskaper med hensyn til sterk interaksjon, men med dekomp. elektriske verdier. lade; det enkleste eksemplet er protonet og . Det totale kvantetallet for slike elementærpartikler - den såkalte. isotopisk , som, som den vanlige , tar heltalls- og halvheltallsverdier. Blant de spesielle egenskapene til hadroner er den indre pariteten, som tar på seg verdiene1.
En viktig egenskap ved elementærpartikler er deres evne til å utveksles som et resultat av elektromagnetiske eller andre interaksjoner. En av typene gjensidige transformasjoner er den såkalte. fødsel, eller dannelsen av både en partikkel og (i det generelle tilfellet, dannelsen av elementærpartikler med motsatte lepton- eller baryonladninger). Mulige prosesser er produksjon av elektron-positron e - e + , muoniske nye tunge partikler i kollisjoner av leptoner, dannelse av cc- og bb-tilstander fra kvarker (se nedenfor). En annen type gjensidige transformasjoner av elementærpartikler er utslettelse under kollisjoner av partikler med dannelse av et begrenset antall fotoner (kvanter). Vanligvis dannes 2 fotoner med null totalt kolliderende partikler og 3 fotoner - med totalt lik 1 (manifestasjon av ladningsparitetsbevaringsloven).
Under visse forhold, spesielt ved lav hastighet av kolliderende partikler, er det mulig å danne et bundet system - e - e + og Disse ustabile systemene, ofte kalt. , deres levetid i v-ve avhenger i stor grad av St-in i v-va, noe som gjør det mulig å bruke en kondensator for å studere strukturen. in-va og kinetikk av rask kjemi. p-sjoner (se,).

Quark-modell av hadroner. En detaljert undersøkelse av kvantetallet til hadroner med tanke på dem førte til konklusjonen at merkelige hadroner og vanlige hadroner sammen danner assosiasjoner av partikler med nære egenskaper, kalt unitære multipletter. Antall partikler inkludert i dem er 8 (oktett) og 10 (decuplet). Partiklene som utgjør den enhetlige multipletten har samme og ext. paritet, men varierer i elektriske verdier. ladning (partikler av den isotopiske multipletten) og merkelighet. St. Islands er assosiert med enhetlige grupper, deres oppdagelse var grunnlaget for konklusjonen om eksistensen av spesielle strukturelle enheter, hvorfra hadroner, kvarker er bygget. Det antas at hadroner er kombinasjoner av 3 fundam. partikler med 1/2: i-kvarker, d-kvarker og s-kvarker. Så mesoner består av en kvark og en antikvark, baryoner består av 3 kvarker.
Antagelsen om at hadroner er sammensatt av 3 kvarker ble gjort i 1964 (av J. Zweig og uavhengig av M. Gell-Mann). Senere, i modellen for strukturen til hadroner (spesielt for å unngå motsetninger med ), ble ytterligere to kvarker inkludert - "sjarmert" (c) og "vakker" (b), og spesielle egenskaper ved kvarker ble introdusert - "smak" og "farge". Kvarker som fungerer som komponenter av hadroner ble ikke observert i den frie staten. Hele utvalget av hadroner skyldes dekomp. kombinasjoner av u-, d-, s-, c- og b-kvarker som danner bundne tilstander. Vanlige hadroner (,-mesoner) tilsvarer bundne tilstander bygget fra u- og d-kvarker. Tilstedeværelsen i en hadron av én s-, c- eller b-kvark sammen med i- og d-kvarkene betyr at den tilsvarende hadronen er "rar", "fortryllet" eller "vakker".
Kvarkmodellen av strukturen til hadroner ble bekreftet som et resultat av eksperimenter utført i kon. 60-tallet - tidlig.
70 tallet Det 20. århundre Quarks begynte faktisk å bli betraktet som nye elementærpartikler - virkelig elementærpartikler for den hadroniske formen for materie. Uobserverbarheten til frie kvarker er tilsynelatende av fundamental karakter og antyder at de er de elementære partiklene som lukker kjeden av strukturelle komponenter på øya. Det er teoretiske og eksperimentere. argumenter for det faktum at kreftene som virker mellom kvarker ikke svekkes med avstand, det vil si at det kreves en uendelig stor energi for å skille kvarker fra hverandre, eller med andre ord, fremveksten av kvarker i en fri tilstand er umulig. Dette gjør dem til en helt ny type strukturelle enheter på øyene. Det er mulig at kvarker fungerer som det siste stadiet av materie.

Kort historisk informasjon. Den første oppdagede elementærpartikkelen var negativ. elektrisk ladning i begge tegn på elektrisk. ladning (K. Anderson og S. Neddermeyer, 1936), og K-mesons (S. Powells gruppe, 1947; eksistensen av slike partikler ble foreslått av X. Yukawa i 1935). I kon. 40-tallet - tidlig. 50-tallet "merkelige" partikler ble funnet. De første partiklene i denne gruppen - K + - og K - mesoner, L-hyperoner - ble også registrert i verdensrommet. stråler.
Fra begynnelsen 50-tallet akseleratorer har blitt det viktigste. elementært partikkelforskningsverktøy. Antiprotonet (1955), antinøytronet (1956), antihyperonet (1960) ble oppdaget, og i 1964 - det tyngste W - hyperon. På 1960-tallet et stort antall ekstremt ustabile resonanser er funnet ved akseleratorer. I 1962 ble det klart at det er to forskjellige: elektron og myon. I 1974 ble det oppdaget massive (3-4 protonmasser) og samtidig relativt stabile (sammenlignet med vanlige resonanser) partikler, som viste seg å være nært beslektet med en ny familie av elementærpartikler - "fortryllet", deres første representanter ble oppdaget i 1976 I 1975 ble en tung analog av u-leptonet oppdaget, i 1977 - partikler med en masse på rundt ti protonmasser, i 1981 - "vakre" partikler. I 1983 ble de tyngste kjente elementærpartiklene, bosoner (masse 80 GeV) og Z° (91 GeV), oppdaget.
Så arr., i løpet av årene som har gått siden oppdagelsen, har et stort antall forskjellige mikropartikler blitt identifisert. Verden av elementære partikler viste seg å være kompleks, og egenskapene deres var uventede på mange måter.

Lit .: Kokkede Ya., Theory of Quarks, [overs. fra engelsk], M., 1971; Markov M. A., On the nature of matter, M., 1976; Okun L.B., Leptons and Quarks, 2. utgave, M., 1990.

1. De første ideene om materiens struktur

De første teoriene om materiens struktur ble fremsatt for veldig lenge siden. Den berømte greske vitenskapsmannen Thales, som levde for 2600 år siden, prøvde hele livet å fordype seg i problemet med verdens struktur. Hans kunnskap om geometri og astronomi var fantastisk. Han var i stand til å spore alle måne- og solsykluser og spådde til og med en total solformørkelse. Du kan forestille deg hvilken spenning og frykt det forårsaket for to og et halvt tusen år siden. Men den viktigste fortjenesten til Thales er at han var den første som reiste spørsmålet om de første elementene i verden. Han var den første som så trappene som førte dypt inn i stoffet.

Thales mente at grunnlaget for alle ting er vann. Han hevdet at hvis vann kondenseres, oppnås faste legemer, hvis vann fordampes, oppnås luft, mens til og med jorden flyter i vann, som et trestykke.

Empedocles fra Agrigent underbygget i sine skrifter eksistensen av fire elementer: ild, luft, vann og jord; argumenterer for at alt annet består av dem, og selve elementene er forent av interaksjonskrefter («aktivatorer av bevegelse»): kjærlighet som forener dem, og fiendskap som skiller dem.

På 500-tallet f.Kr. tilhengerne av Thales - Leucippus og hans student Democritus, uttrykte synspunktet om at alt består av de minste partiklene - atomer. De hoppet over trinnet med molekyler og gikk umiddelbart inn på trinnet til bestanddelene deres. Dermed kom de opp med atomet to tusen år før det ble oppdaget som sådan. "Atom" på gresk betyr udelelig. I følge Leucippus og Demokrit, atomer- et uendelig antall faste, udelelige ytterligere partikler. Som plantefrø kan atomer være ulike former- rund, pyramideformet, flat og så videre. Derfor er verden som består av dem uuttømmelig rik på sine egenskaper og kvaliteter. Klynger seg til hverandre kroker, atomer danner faste stoffer. Vannatomene er tvert imot glatte og glatte, så det sprer seg og har ingen form. Atomer av viskøse væsker har grader, luft er et tomrom med sjeldne brusende atomer, mens ild har skarpe og stikkende atomer.

Ved begynnelsen av XVIII århundre. atomistisk teori blir stadig mer populær. På dette tidspunktet var verkene til den franske kjemikeren A. Lavoisier (1743-1794), den russiske vitenskapsmannen M.V. Lomonosov og den engelske kjemikeren og fysikeren D. Dalton (1766-1844) var beviste virkeligheten av eksistensen av atomer. Den fremragende russiske kjemikeren D.I. Mendeleev, som i 1869 utviklet periodisk system for grunnstoffer, der for første gang på vitenskapelig grunnlag ble spørsmålet om atomenes enhetlige natur reist. I andre halvdel av XIX århundre. Det er eksperimentelt bevist det elektroner en av hoveddelene av ethvert stoff. Disse konklusjonene, så vel som en rekke eksperimentelle data, førte til det faktum at på begynnelsen av det 20. århundre. et alvorlig spørsmål dukket opp bygning atom.

Den første indirekte bekreftelsen av den komplekse strukturen til atomer ble oppnådd i studiet av katodestråler som stammer fra en elektrisk utladning i svært sjeldne gasser. Studiet av egenskapene til disse strålene førte til konklusjonen at de er en strøm av bittesmå partikler som bærer en negativ elektrisk ladning og flyr med en hastighet nær lysets hastighet. Ved hjelp av spesielle metoder var det mulig å bestemme massen av katodepartikler og størrelsen på ladningen deres, for å finne ut at de ikke avhenger verken av arten av gassen som er igjen i røret, eller av stoffet som elektrodene er fra. laget, eller på andre betingelser for eksperimentet. Dessuten er katodiske partikler bare kjent i ladet tilstand og kan ikke fratas ladningene og omdannes til elektrisk nøytrale partikler: den elektriske ladningen er essensen av deres natur. Disse partiklene, kalt elektroner, ble oppdaget i 1897 av den engelske fysikeren J. Thomson. Thomsons modell av atomet antok ikke positivt ladede partikler inne i atomet. Men hvordan forklare da radioaktive stoffers utslipp av positivt ladede alfapartikler? Thomsons modell av atomet svarte heller ikke på noen andre spørsmål.

I 1911 oppdaget den engelske fysikeren E. Rutherford, mens han studerte bevegelsen til alfapartikler i gasser og andre stoffer, positivt ladet del atom. Ytterligere grundigere studier viste at når en stråle av parallelle stråler passerer gjennom lag med gass eller en tynn metallplate, er det ikke lenger parallelle stråler som kommer frem, men noe divergerende: alfapartikler spres, dvs. avvik fra deres opprinnelige vei. Avbøyningsvinklene er små, men det er alltid et lite antall partikler (omtrent én av flere tusen) som avvike veldig mye. Noen partikler kastes tilbake, som om man møter en ugjennomtrengelig barriere på veien. Avbøyning kan oppstå når man kolliderer med positive partikler hvis masse er av samme størrelsesorden som massen til alfapartikler. Basert på disse betraktningene foreslo Rutherford følgende skjema for strukturen til atomet. I sentrum av atomet er cellekjernen, bestående av positivt ladede partikler - protonersom elektroner kretser rundt i forskjellige baner. Sentrifugalkraften som oppstår under deres rotasjon balanseres av tiltrekningen mellom kjernen og elektronene, som et resultat av at de forblir i visse avstander fra kjernen. Fordi massen til et elektron ubetydelig, da er nesten all massen til et atom konsentrert i kjernen.

På begynnelsen av 30-tallet av vårt århundre var moderne vitenskap i stand til å finne en mer akseptabel beskrivelse av strukturen til materie basert på fire typer elementærpartikler - protoner, nøytroner, elektronerog fotoner. Det var et ekstremt enkelt og attraktivt opplegg: ved å bruke bare fire typer elementærpartikler, etter kvantemekanikkens lover, var det mulig å forklare naturen til kjemiske elementer, deres forbindelser og strålingen de sender ut. Legge til en femte partikkel - nøytrino- gjorde det mulig å forklare også prosessene med radioaktivt forfall. Det så ut til at de navngitte elementærpartiklene til syvende og sist er universets grunnleggende murstein.

Men denne tilsynelatende enkelheten forsvant snart. Mindre enn ett år etter oppdagelsen av nøytronet ble det oppdaget positron. I 1936, blant produktene av samspillet mellom kosmiske stråler og materie, den første meson. I 1947 ble en meson av den andre typen oppdaget, og kort tid etter ble det observert mesoner av en annen karakter, så vel som andre. uvanlige partikler. Disse partiklene ble født under påvirkning av kosmiske stråler så sjelden at det først var umulig å gjennomføre detaljerte studier av deres egenskaper og interaksjoner. Men etter at de ble bygget akseleratorer, som gjorde det mulig å oppnå partikler med stadig høyere energier, var det mulig ikke bare å utføre en rekke slike studier, men også å oppdage mange nye partikler samtidig.

Mer enn hundre forskjellige mesoner og andre partikler med merkelige egenskaper er for tiden kjent. Alt dette settet med partikler kalles "elementærpartikler". Et slikt begrep betyr ikke at disse partiklene er universets byggesteiner i den forstand at de alle danner atomer: protoner, nøytroner og elektroner takler denne oppgaven ganske tilfredsstillende. Imidlertid oppstår disse partiklene som et resultat av grunnleggende partikkelinteraksjoner vanlig sak, og mange av dem deltar direkte eller indirekte i hovedinteraksjonene i vanlig materie. Massene deres varierer fra 200 elektronmasser til masser flere ganger massen til et proton. Eksistensen av alle disse nye partiklene er flyktig, ingen av dem lever lenger enn noen få mikrosekunder, og mange partikler forfaller etter ca. til -20. potens av sekunder etter dannelsen (de kalles resonanser). De endelige nedbrytningsproduktene til disse partiklene er de vanlige bestanddelene i materie, dvs. protoner, elektroner og fotoner, samt nøytrinoer.

2. Klassifisering av elementærpartikler

Alt det utallige mangfoldet i dyreverdenen kan deles inn i fire riker: dyr, planter, sopp, bakterier. Alle prosessene som observeres i dag er redusert til bare fire typer interaksjoner: gravitasjon, elektromagnetisk, sterk og svak. Det er også mulig å klassifisere elementærpartikler.

Leptoner

Leptoner er elementærpartikler med spinn 1/2 som ikke deltar i sterke interaksjoner. Tre ladede leptoner er kjent: elektron, myon og tau lepton - og tre nøytrale: elektronnøytrino, myonnøytrino og tau nøytrino. Hver av disse partiklene har en tilsvarende antipartikkel.

Par med ladede leptoner produseres i elektromagnetiske interaksjoner. Ved svake forfall blir hver av de ladede leptonene født akkompagnert av "sin egen" antineutrino. Det antas at alle leptoner har et bestemt kvantenummer - leptonnummer lik +1, og alle antileptoner - leptontall lik -1. Dette tallet er det samme i alle prosessene som er observert så langt. Prosesser som forventes å se ikke-konservering av leptonnummer: protonnedbrytning, dobbel ?-forfall, nøytrinoscillasjoner. Myonen og t-leptonet forfaller på grunn av den svake interaksjonen. Elektronet er stabilt.

Ordet "lepton" kommer fra det greske ordet "leptos" - liten, smal (sammenlign: lepta - en liten gresk mynt).

Skille tre generasjoner leptoner: første generasjon: elektron, elektronnøytrino; andre generasjon: myon, myonnøytrino; tredje generasjon: tau lepton, tau neutrino. Pluss relevant antipartikler. Dermed inkluderer hver generasjon et negativt ladet (+1e) lepton, et positivt ladet (+1e ladning) antilepton og nøytrale nøytrinoer og antinøytrinoer. Alle av dem har en masse som ikke er null, selv om nøytrinomassen er veldig liten sammenlignet med massene til andre elementærpartikler.

hadroner

Hadroner er partikler involvert i sterke interaksjoner. Hadroner med heltallsspinn kalles mesoner, med et halvt heltall - baryoner. Flere hundre hadroner er kjent.

De fleste hadroner er ekstremt ustabile - dette er de såkalte resonansene: de forfaller til lettere hadroner gjennom den sterke interaksjonen. Levetiden til resonanser er mindre enn 10 til -21 potenser av et sekund.

Kvasistabile hadroner lever mye lenger og forfaller gjennom svake og elektromagnetiske interaksjoner. Sluttproduktene av nedbrytningen av kvasi-stabile mesoner er lettere mesoner, leptoner og fotoner, og hvis de forfallende mesonene er tunge nok, så baryon + antibaryon-par.

De letteste baryonene (proton og nøytron) kalles nukleoner. De tyngre kvasi-stabile baryonene kalles hyperoner. Sluttproduktene av hyperon-forfall er leptoner, fotoner, mesonerog definitivt nukleon.

Atomkjerner er bygd opp av protoner og nøytroner. De resterende hadronene i sammensetningen av stallstoffet som omgir oss ikke inkludert, de er født i kollisjoner av partikler med høy energi. Kildene til disse partiklene er akseleratorer og kosmiske stråler. I følge moderne konsepter er ikke hadroner virkelig elementære partikler: de består av kvarker.

Ordet "hadron" kommer fra det greske ordet "hadros" - massiv, sterk, stor. Og for øyeblikket er hadroner den største klassen

Quarks

Videre blir spørsmålene ganske systematiske: «Hva er kvark? Og er kvarken en ekte elementær partikkel? Et stort antall verk er skrevet om dem, noen av de mest fremtredende forskerne og forskerne studerer dem, og selvfølgelig har jeg i dette essayet ingen mulighet til å beskrive til og med en tusendel av informasjonen som for tiden er tilgjengelig om kvarker. Men fortsatt vil jeg prøve, om enn i en grov tilnærming, men likevel vil jeg svare på disse spørsmålene, med henvisning til arbeidet til forskjellige forskere og forskningsgrupper. Deretter vil jeg presentere flere teorier om kvarker, som jeg har hentet fra publikasjonene til de mest kjente vitenskapsmennene på dette feltet og ordnet i kronologisk rekkefølge.

"Et av de merkelige skjemaene for å beskrive elementærpartikler er kvarkmodellen - en annen oppfinnelsen av M. Gell-Mann.Denne modellen antar at alle elementærpartikler er kombinasjoner tre hovedpartikler(kalt kvarker) og deres antipartikler. Kvarker har uvanlige egenskaper: en elektrisk ladning lik ± 1/3e eller ± 2/3e, og en baryonladning lik ± 1/3. Dermed er ikke de grunnleggende egenskapene til kvarker lik de til andre partikler. Imidlertid gjengir ulike kombinasjoner av disse hypotetiske partiklene egenskapene til alle kjente hadroner med utrolig nøyaktighet.

I tillegg reproduserte kvarkmodellen med suksess de kvalitativt kjente levetidene, magnetiske øyeblikkene og forfallstypene til elementærpartikler. Er kvarker ekte, eller fungerer kvarkmodellen bare som et praktisk middel for å beskrive elementærpartikler, men er blottet for ekte fysisk betydning? Så langt er dette ukjent.

Selv om kvarkmodellen har vært bemerkelsesverdig vellykket i å forklare en rekke egenskaper til hadroner, er den fortsatt i en svært utilfredsstillende tilstand. Kanskje vil vi etter hvert kunne beskrive alle sterke prosesser med kun tre kvarker og deres antipartikler, i stedet for å forholde oss til en «zoologisk samling» som inneholder rundt hundre partikler. Men før det er mulig, må kvarker oppdages og egenskapene deres undersøkes. Eksperimenter på spredning av raske elektroner av nukleoner indikerer eksistensen av en viss lengde, liten sammenlignet med 10~14 cm, som må spille en viktig rolle i strukturen til nukleoner. Kanskje inne i nukleonet er det noen små gjenstander - kanskje kvarker.»

"Kvarker er partikler med et spinn på 1/2, som er bestanddelene i hadroner. Kjente kvarker seks varianter (smaker), tre av dem - ned, merkelig, skjønnhet, har en elektrisk ladning på -1/3, og resten opp, sjarm, sant - en ladning på -2/3.

I følge kvantekromodynamikk, sterke interaksjoner mellom kvarker skyldes tilstedeværelsen av spesifikke fargeladninger i kvarker. Quarks av hver smak eksisterer som tre forskjellige fargevarianter: "gul", "blå"og "rød". En kvark av én farge kan forvandle seg til en kvark av en annen farge ved å sende ut en farge gluon. Samspillet mellom kvarker utføres av gluonutveksling. Kvarker er i hadroner i slike fargetilstander at den totale fargeladningen til hadronen null. Derfor sies hadroner å være fargeløse eller hvite.

Selv om Stanford University-gruppen har rapportert observasjoner av frie fraksjonelt ladede partikler i en årrekke, har andre grupper vært negative i sin søken etter frie kvarker, og de fleste fysikere er skeptiske til ideen om at frie kvarker eksisterer. Innenfor rammen av kvantekromodynamikken er det en hypotese om innesperring(dets gyldighet er ennå ikke bevist), ifølge hvilke fargede partikler (kvarker og gluoner og deres fargekombinasjoner) i prinsippet ikke kan eksistere i en fri tilstand.

Det første, indirekte, beviset på eksistensen av kvarker ble oppnådd på grunnlag av klassifiseringen av hadroner. Deretter i eksperimenter på dyp uelastiskinteraksjon av leptoner med hadroner, ble direkte kollisjoner av leptoner med individuelle kvarker registrert. Disse kollisjonene skjer i dypet av hadronen og varer i svært kort tid, hvor kvarken ikke har tid til å utveksle en gluon med andre kvarker og samhandler nesten som en fri partikkel. Jo mer momentum overført, dvs. enn på mindre avstander oppstår en kollisjon av en lepton med en kvark, jo friere ser kvarken ut. Denne egenskapen, som er en konsekvens av asymptotisk frihet, betyr at kvarker ikke er kvasipartikler, ikke noen form for kollektive eksitasjoner av hadronisk materie, men, som leptoner, virkelig elementære partikler. Den mulige ikke-elementariteten til kvarker, så vel som leptoner, kan bare oppdages når dypere penetrasjondisse partiklene, dvs. for enda større momentumoverføringer.

Begrepet «quark» ble introdusert i 1964 av Gell-Mann og hentet fra James Joyces roman Finnigans Wake (helten har en drøm der måker roper: «Three quarks for Master Mark»). Quark er tysk for cottage cheese.

"I følge standardmodellen, den beste teorien om strukturen til materie til dags dato, danner kvarker, når de kombineres, hele utvalget av hadroner. Samspillet mellom kvarker er beskrevet av teorien kvantekromodynamikk (QCD for kort). I samsvar med denne teorien samhandler kvarker med hverandre og utveksler spesielle partikler - gluoner.

QCD utvikler ideene til den første vellykkede teorien fra en rekke målere - kvanteelektrodynamikk, eller QED. I følge QED oppstår den elektromagnetiske kraften mellom elektrisk ladede partikler som følge av utvekslingen fotoner (lysmengde). QCD er på samme måte arrangert, men i stedet for elektriske ladninger, skyldes interaksjoner mellom kvarker en spesiell type egenskap, som forskerne kalte farge. Det kan ha tre betydninger eller, om du vil, tre nyanser. Forskere kaller dem konvensjonelt rød, gul og blåmen disse begrepene skal ikke tas bokstavelig. Farge er bare iboende for kvarker, men ikke for baryoner og mesoner, som de er en del av. Baryoner (som spesielt inkluderer proton og nøytron) består av tre kvarker - rød, gul og blå - hvis farger opphever hverandre. Og mesoner er fra kvark + antikvark-paret, så de er også fargeløse. Generelt opererer QCD på prinsippet om at kvarker i naturen bare kan danne slike kombinasjoner, hvis totale farge viser seg å være nøytral.

Samspillet mellom kvarker utføres gjennom åtte typer partikler kalt gluoner (fra engelsk lim - "lim, lim"; gluoner, som det var, "lim" kvarker sammen). Det er de som opptrer formidlere i det sterke samspillet. I motsetning til fotoner i QED, som ikke har noen elektrisk ladning, har imidlertid gluoner egen fargeladingog kan endre fargen på kvarkersom de samhandler med. For eksempel, hvis en blå kvark blir rød ved absorpsjon av en gluon, hadde gluonen en enhets positiv ladning av rødt og en enhet negativ ladning av blå. Siden den totale fargeladningen til kvarken ikke endres i dette tilfellet, er slike interaksjoner innenfor rammen av QCD tillatte og til og med nødvendig.

KCD har vært i drift siden tidlig på 1980-tallet og har vært det beståtten rekke eksperimentelle kontroller - så langt er alle dens spådommer angående resultatene av kollisjoner av høyenergiske elementærpartikler bekreftet av de faktiske dataene innhentet på akseleratorer.

Etter å ha vurdert typene elementærpartikler, ville det være feil å ikke undersøke interaksjonene som disse partiklene er utsatt for. Det er fire av dem innenfor rammen av standardteorien, men etter temaet for dette arbeidet er det nødvendig å vurdere bare to av dem.

3. Interaksjoner av partikler

partikkel atom elementær kvark

Fysikkens viktigste spørsmål er spørsmålet om interaksjoner. Hvis det ikke var for interaksjonene, ville materiepartiklene beveget seg uavhengig, uvitende om eksistensen av andre partikler. Takket være interaksjoner får partikler, som det var, evnen til å gjenkjenne andre partikler og reagere på dem, på grunn av hvilken kollektiv atferd er født. Fordi alle materie består av partikler, for å forklare kreftenes natur, er det til syvende og sist nødvendig å vende seg til elementær partikkelfysikk. Ved å gjøre dette oppdaget fysikere at alle interaksjoner, uansett hvordan de manifesterer seg i stor skala, kan reduseres til fire grunnleggende typer: gravitasjons-, elektromagnetisk og to typer kjernekraft.

Dominert på kvarknivå kjernefysiske interaksjoner. Sterk interaksjon kobler tilkvarker til protoner og nøytroner og forhindrer at kjernene faller fra hverandre. dominert på atomnivå elektromagnetisk interaksjonforbinder atomer og molekyler. På en astronomisk skala blir den dominerende gravitasjonsinteraksjon.

De siste årene har fysikere blitt interessert i forholdet mellom de fire grunnleggende kreftene som til sammen styrer universet. Er det noen sammenheng mellom dem? Er de ikke bare forskjellige hypostaser av den ene fundamentale superkrefter? Hvis en slik supermakt eksisterer, så er det nettopp denne som representerer det aktive prinsippet for all aktivitet i universet - fra fødselen av subatomære partikler til sammenbruddet av stjerner. Å avdekke mysteriet om supermakt ville øke vår makt over naturen ufattelig og til og med tillate oss å forklare selve "skapelsen" av verden.

Vi vet allerede at elementærpartikler interagerer med hverandre gjennom andre partikler, som de kontinuerlig avgir og absorberer. Lagene av disse partiklene skjermer ladningene, så en partikkel fra forskjellige høyder til den ser ladet ut på forskjellige måter. Det er slik, alltid ulikt ladede, kolliderende partikler ser hverandre. Jo større energi de har, desto dypere trenger de inn i hverandre og jo tydeligere føler de "pusten" av deres sentrale uskjermede ladninger. Derfor kan det forventes at med økende energi vil ulike typer interaksjoner bli mer og mer like og ved høye energier smelte sammen til én enkelt interaksjon – superkraft. Det blir en «stor forening» av alle naturkreftene.

Den virkelige tilstanden er noe mer komplisert. Skjermskyer dannes ikke bare rundt ladningen, men også rundt hver bærerpartikkel, som kolliderende partikler sonderer hverandre med. Hvis interaksjonsbærerne er svært tunge, overføres interaksjonen til ultrasmå avstander. Langt fra sentrum påtreffer man nesten aldri slike partikler, og interaksjonen knyttet til dem manifesterer seg veldig svakt. I andre tilfeller er bærere lys (for eksempel fotoner), de er i stand til å reise langt fra ladningen som sendte dem ut, og med deres hjelp skjer interaksjon på store avstander.

Dermed viser ikke bare partikler, men også kreftene som binder dem, seg å være usedvanlig komplekse. Du kan ikke kalle dem de enkleste punktene! Og det er vanskelig å tro at gravitasjonskraften til to elektroner og den milliarder større kraften til deres elektromagnetiske frastøting er grener av samme tre.

Fysikere kom til ideen om en "stor forening" ganske nylig - for rundt tjue eller tretti år siden, selv om det første skrittet ble tatt av Faraday og Maxwell, som kombinerte elektrisitet og magnetisme, som, som det da ble antatt, var fullstendig ulike interaksjoner. De introduserte også begrepet «felt». Faraday beviste at elektrisitet og magnetisme er to komponenter i det samme elektromagnetiske feltet.

Det neste steget mot den «store foreningen» var mye vanskeligere. Den ble laget først på midten av 60-tallet av det tjuende århundre. Fysikernes oppmerksomhet ble deretter tiltrukket av det svake samspillet. Den hadde et merkelig trekk: for alle andre krefter kan et mellomfelt angis, hvis kvanta tjener som bærer av interaksjon, og i forfallsprosesser "snakker" partiklene så å si direkte, uten noen mellomledd, presser hverandre som biljardballer.

Det er naturlig å anta at det i dette tilfellet også skjer en utveksling mellom partikler, men bare så tung at hele prosessen skjer på svært små avstander, og fra utsiden ser det ut som om partiklene rett og slett presser hverandre.

Beregninger viste at hvis det ikke var for den store massen av mellompartikler, ville en slik interaksjon i egenskapene være veldig lik elektromagnetisk. Og her er tre fysikere: Abdus Salam, Steve Weinberg og Sheldon Gleshow innrømmet at fotonet og tunge mellompartiklene med svak interaksjon er den samme partikkelen, bare i forskjellige "pelsfrakker". Teorien utviklet av dem begynte å bli kalt "electroweak", siden den, som et spesielt tilfelle, inneholder elektrodynamikk og den gamle teorien om svake interaksjoner. Snart ble tunge kvanter av det elektrosvake feltet fanget på akseleratorer - tre mesonbrødre med en masse nesten hundre ganger mer enn et proton. Opprettelsen av teorien om det elektrosvake feltet og den eksperimentelle oppdagelsen av dets bærere ble tildelt to Nobelpriser på en gang.

Inspirert av oppdagelsen av det elektrosvake feltet, ble fysikere revet med av en ny idé for videre forening - sammenslåingen av det sterke samspillet med det elektrosvake. Essensen av denne ideen er som følger. Hver kvark har en analog av elektrisk ladning, kalt en farge. I motsetning til ladning er det tre typer farger i en kvark. Derfor er gluonfeltet mer komplekst. Den består av åtte komponentkraftfelt. I en typisk hadron - et proton eller et nøytron - har kombinasjonen av tre kvarker - rød, grønn og blå - alltid en "hvit" farge. De utsendte mesonene inneholder kvark-antikvark-par, så de er også "fargeløse". Siden vi vet at når partikler interagerer, blir ladningene deres skjermet, fører dette til effektene av forskjeller i interaksjonsspekteret mellom forskjellige typer partikler. Et estimat av avstanden som alle interaksjoner blir sammenlignbare i størrelsesorden er omtrent 10 til -29 centimeter. Interaksjonsbæreren - X-partikkelen - har en masse lik ca. 10 til 14. potens av protonmassen. I løpet av den ubetydelige tidsperioden X-partikkelen eksisterer, har energi og masse en enorm usikkerhet. Og i denne henseende er vi som Thales og andre greske filosofer som spekulerte om egenskapene til atomer uten det minste håp om noen gang å se dem.

Elementærpartikler kan ikke deles inn i enklere deler (det er derfor de ble kalt "elementære"). I alle reaksjoner som er kjent i dag, passerer disse partiklene bare inn i hverandre - de konverterer hverandre. Dessuten kan tyngre partikler bli født fra lungene - hvis de beveger seg med tilstrekkelig hastighet (kinematisk energi går til masse)

Elementærpartikler varierer i ladning, spinn, masse, levetid og så videre. For eksempel er levetiden til et proton lengre enn universets levetid, og rho-mesonen lever 10 til -23 grader av et sekund. Massen av fotoner og nøytrinoer er lik null, og massen til maksimonet (den tyngste elementærpartikkelen som bare kan eksistere), som ennå ikke er oppdaget, men spådd av teoretikere, er noe om et mikrogram - som en stor flekk av støv synlig for øyet. De kan deles inn i familier, og medlemmene av hver kan betraktes som forskjellige tilstander av samme partikkel. Familier er kombinert til mer komplekse grupper - klaner eller multipletter. Men det viktigste er at multiplettene er forbundet med visse symmetriregler. Generelt viser det seg noe som et periodisk system av elementærpartikler, som Mendeleevs. Det kan antas at fysikere har famlet etter neste lag av materiens struktur.

Akseleratorer av elementærpartikler har spilt en viktig rolle i utviklingen av kunnskap. Elektronoverføring viste at protonet egentlig ikke er et punkt, men snarere et stort objekt med en radius på rundt 10 til -13 centimeter. Ved å analysere resultatene av nye eksperimenter på elektronspredning, konkluderte forskerne at nukleoner er en sverm av noen veldig små partikler, som ved en lavere forstørrelse ser ut som en haug med mesoner og andre elementære partikler som overlapper og trenger gjennom hverandre. Teoretikere involvert i klassifiseringen av partikler var glade, siden de lenge hadde mistenkt eksistensen av slike partikler, kalte de dem bare på sin egen måte: kvarker.

Når kvarker dukket opp på sidene til teoretiske artikler, anså mange forskere at de bare var en slags nysgjerrighet, midlertidig stillas på vei til en mer perfekt teori. Fysikere hadde imidlertid ikke tid til å se tilbake, da det viste seg at ved hjelp av kvarker blir en rekke eksperimentelle fakta veldig enkelt og tydelig forklart, og teoretiske beregninger er sterkt forenklet. Det ble rett og slett umulig å klare seg uten kvarker, så vel som uten molekyler og atomer.

Nukleonsonderingseksperimenter viste at kvarker i midten av en elementær partikkel nesten ikke er forbundet med interaksjon og oppfører seg som ballonger som svever i luften. Hvis de prøver å spre seg, er det umiddelbart krefter som trekker dem sammen. I periferien kan kvarker bare være i form av bundne bunter - for eksempel i form av pi-mesoner, noe som stemmer overens med teorien om kjernefysisk interaksjon basert på mesoner. Men hvordan samhandler kvarker med hverandre? Siden vitenskapen ikke vet noen annen måte å organisere interaksjonen på enn å overføre partikkelbæreren til interaksjonen, ble gluoner foreslått - partikler som limer kvarker sammen. Gluoner er som fotoner, bare med en ladning. Fotonet lager ikke noe felt rundt seg selv, derfor har feltet størst intensitet nær kilden - ladningen, så forsvinner det gradvis og svekkes. Gluonet, derimot, gir opphav til nye gluoner med sin ladning, som igjen gir opphav til de neste, og så videre, slik at gluonfeltet ikke svekkes, men tvert imot øker med avstanden fra kvarken som ga opphav til den. Den vikende kvarken, som skum, er overgrodd med nye gluoner og bindingen deres blir sterkere.

Partikkelfysikk er en fantastisk blanding av eksperimenter og teori. Egenskapene til de minste materiepartiklene har blitt etablert og fortsetter å bli etablert i eksperimenter som er uten sidestykke i kompleksitet på andre områder av vitenskapen. Disse unike eksperimentene kombinerer en virkelig industriell skala med en juvelers presisjon. I de fleste tilfeller blir selve studieobjektene - partikler - skapt akkurat der i laboratoriet ved hjelp av akseleratorer og lever i så ubetydelige perioder at sammenlignet med dem virker et øyeblikk som en evighet. Tilfellet av et sjeldent forfall av en partikkel må finnes blant milliarder av "uinteressante" forfall som ligner på det. All informasjon om elementærpartikler er oppnådd som et resultat av nøye målinger.

Tagger: Elementærpartikler Abstrakt kjemi

Elementærpartikler, i den nøyaktige betydningen av dette begrepet, er de primære, videre uoppløselige partiklene, som etter antagelsen består av all materie.

Elementærpartikler i moderne fysikk tilfredsstiller ikke den strenge definisjonen av elementaritet, siden de fleste av dem, ifølge moderne konsepter, er sammensatte systemer. Felleseiendommen til disse systemene er at At de ikke er atomer eller kjerner (bortsett fra protonet). Derfor kalles de noen ganger subnukleære partikler.

Partikler som hevder å være de primære elementene i materie kalles noen ganger "virkelig elementære partikler".

Den første elementarpartikkelen som ble oppdaget var elektronet. Det ble oppdaget av den engelske fysikeren Thomson i 1897.

Den første antipartikkelen som ble oppdaget var positronet - en partikkel med massen til et elektron, men en positiv elektrisk ladning. Denne antipartikkelen ble oppdaget i kosmiske stråler av den amerikanske fysikeren Anderson i 1932.

I moderne fysikk inkluderer gruppen av elementærpartikler mer enn 350 partikler, for det meste ustabile, og antallet fortsetter å vokse.

Hvis tidligere elementærpartikler vanligvis ble funnet i kosmiske stråler, har akseleratorer siden begynnelsen av 1950-tallet blitt hovedverktøyet for å studere elementærpartikler.

Mikroskopiske masser og størrelser av elementærpartikler bestemmer kvantespesifisiteten til deres oppførsel: kvanteregulariteter er avgjørende for oppførselen til elementærpartikler.

Den viktigste kvanteegenskapen til alle elementærpartikler er evnen til å bli født og ødelagt (avgis og absorberes) når de interagerer med andre partikler. Alle prosesser med elementære partikler fortsetter gjennom en sekvens av handlinger av deres absorpsjon og emisjon.

Ulike prosesser med elementærpartikler er merkbart forskjellige i intensitet.

I samsvar med den forskjellige intensiteten i løpet av interaksjonen mellom elementære partikler, er de fenomenologisk delt inn i flere klasser: sterke, elektromagnetiske og svake. I tillegg har alle elementærpartikler gravitasjonsinteraksjon.

Det sterke samspillet mellom elementærpartikler forårsaker prosesser som går med størst intensitet sammenlignet med andre prosesser og fører til den sterkeste koblingen av elementærpartikler. Det er dette som bestemmer bindingen mellom protoner og nøytroner i atomkjernene.

Elektromagnetisk interaksjon skiller seg fra andre ved deltakelsen av et elektromagnetisk felt. Et elektromagnetisk felt (i kvantefysikk - et foton) enten sendes ut eller absorberes under interaksjonen, eller overfører interaksjonen mellom legemer.

Elektromagnetisk interaksjon sikrer koblingen av kjerner og elektroner i atomer og materiemolekyler, og bestemmer derved (basert på kvantemekanikkens lover) muligheten for en stabil tilstand for slike mikrosystemer.

Svak interaksjon av elementærpartikler forårsaker svært langsomme prosesser med elementærpartikler, inkludert nedbrytning av kvasistabile partikler.

Den svake interaksjonen er mye svakere enn ikke bare den sterke, men også den elektromagnetiske interaksjonen, men mye sterkere enn den gravitasjonsmessige.

Gravitasjonsvekselvirkningen mellom elementærpartikler er den svakeste av alle kjente. Gravitasjonsinteraksjon på avstander som er karakteristiske for elementærpartikler gir ekstremt små effekter på grunn av de små massene av elementarpartikler.

Den svake interaksjonen er mye sterkere enn den gravitasjonsmessige, men i hverdagen er rollen til gravitasjonsinteraksjonen mye mer merkbar enn rollen til den svake interaksjonen. Dette er fordi gravitasjonsinteraksjonen (så vel som den elektromagnetiske) har en uendelig stor aksjonsradius. Derfor påvirkes for eksempel kropper som befinner seg på jordens overflate av gravitasjonstiltrekning fra alle atomene som utgjør jorden. Den svake interaksjonen har så liten aksjonsradius at den ennå ikke er målt.

I moderne fysikk spilles en grunnleggende rolle av den relativistiske kvanteteorien om fysiske systemer med et uendelig antall frihetsgrader – kvantefeltteori. Denne teorien er bygget for å beskrive en av de mest generelle egenskapene til mikroverdenen - den universelle gjensidige konvertibiliteten til elementærpartikler. For å beskrive slike prosesser var det nødvendig med en overgang til et kvantebølgefelt. Kvantefeltteori er nødvendigvis relativistisk, fordi hvis systemet består av sakte bevegelige partikler, kan det hende at deres energi ikke er tilstrekkelig til å danne nye partikler med ikke-null hvilemasse. Partikler med null hvilemasse (foton, evt. nøytrino) er alltid relativistiske, dvs. beveger seg alltid med lysets hastighet.

Den universelle måten å utføre alle interaksjoner på, basert på målersymmetri, gjør det mulig å kombinere dem.

Kvantefeltteori viste seg å være det mest adekvate apparatet for å forstå arten av interaksjonen mellom elementærpartikler og kombinere alle typer interaksjoner.

Kvanteelektrodynamikk er den delen av kvantefeltteorien som omhandler samspillet mellom et elektromagnetisk felt og ladede partikler (eller et elektron-positronfelt).

For tiden anses kvanteelektrodynamikk som en integrert del av den enhetlige teorien om svake og elektromagnetiske interaksjoner.

Avhengig av deltakelse i ulike typer interaksjoner er alle studerte elementærpartikler, med unntak av fotonet, delt inn i to hovedgrupper - hadroner og leptoner.

Hadroner (fra gresk - store, sterke) - en klasse av elementære partikler involvert i sterk interaksjon (sammen med elektromagnetiske og svake). Leptoner (fra gresk - tynne, lette) - en klasse av elementære partikler som ikke har sterk interaksjon, som bare deltar i elektromagnetisk og svak interaksjon. (Tilstedeværelsen av gravitasjonsinteraksjon i alle elementærpartikler, inkludert fotonet, er underforstått).

Det er foreløpig ingen fullstendig teori om hadroner, ingen sterk interaksjon mellom dem, men det er en teori som, verken fullstendig eller universelt anerkjent, gjør det mulig å forklare deres grunnleggende egenskaper. Denne teorien er kvantekromodynamikk, ifølge hvilken hadroner består av kvarker, og kreftene mellom kvarker skyldes utveksling av gluoner. Alle oppdagede hadroner består av kvarker av fem forskjellige typer ("smaker"). Kvarken til hver "smak" kan være i tre "farge"-tilstander, eller ha tre forskjellige "fargeladninger".

Hvis lovene som etablerer forholdet mellom mengdene som karakteriserer et fysisk system, eller bestemmer endringen i disse mengdene over tid, ikke endres under visse transformasjoner som systemet kan utsettes for, så sies disse lovene å være symmetriske (eller invariant) med hensyn til disse transformasjonene. Matematisk utgjør symmetritransformasjoner en gruppe.

I den moderne teorien om elementærpartikler er konseptet om lovsymmetri med hensyn til visse transformasjoner det ledende. Symmetri betraktes som en faktor som bestemmer eksistensen av ulike grupper og familier av elementærpartikler.

Det sterke samspillet er symmetrisk med hensyn til rotasjoner i et spesielt "isotoprom". Fra et matematisk synspunkt tilsvarer isotopisk symmetri transformasjoner av den enhetlige symmetrigruppen SU(2). Isotopisk symmetri er ikke en eksakt symmetri av naturen, fordi den brytes av den elektromagnetiske interaksjonen og forskjellen i kvarkmasser.

Den isotopiske symmetrien er en del av en bredere tilnærmet sterk interaksjonssymmetri, den enhetlige SU(3)-symmetrien. Den enhetlige symmetrien viser seg å være mye mer ødelagt enn den isotopiske. Imidlertid antydes det at disse symmetriene, som er svært sterkt krenket ved de oppnådde energiene, vil bli gjenopprettet ved energier som tilsvarer den såkalte "store foreningen".

For klassen av interne symmetrier av feltteoretiske ligninger (dvs. symmetrier assosiert med egenskapene til elementærpartikler, og ikke med egenskapene til rom-tid), brukes et vanlig navn - gauge symmetri.

Målesymmetri fører til behovet for eksistensen av vektormålefelt, hvis utveksling av kvanter bestemmer interaksjonene mellom partikler.

Ideen om målersymmetri viste seg å være den mest fruktbare i den enhetlige teorien om de svake og elektromagnetiske interaksjonene.

Et interessant problem med kvantefeltteori er inkluderingen av den sterke interaksjonen ("grand unification") i et enhetlig måleskjema.

En annen lovende retning for forening er supergauge symmetri, eller ganske enkelt supersymmetri.

På 60-tallet skapte de amerikanske fysikerne S. Weinberg, S. Glashow, den pakistanske fysikeren A. Salam og andre en enhetlig teori om svake og elektromagnetiske interaksjoner, senere kalt standardteorien for elektrosvak interaksjon. I denne teorien, sammen med fotonet, som utfører den elektromagnetiske interaksjonen, vises mellomvektorbosoner - partikler som bærer den svake interaksjonen. Disse partiklene ble eksperimentelt oppdaget i 1983 ved CERN.

Den eksperimentelle oppdagelsen av mellomvektorbosoner bekrefter riktigheten av den grunnleggende (måle) ideen til standardteorien om den elektrosvake interaksjonen.

Men for å teste teorien i sin helhet, er det også nødvendig å eksperimentelt studere mekanismen for spontan symmetribrudd. Hvis denne mekanismen virkelig er implementert i naturen, må det være elementære skalarbosoner - de såkalte Higgs-bosonene. Standard elektrosvak teori forutsier eksistensen av minst ett skalarboson.