สรุป: อนุภาคมูลฐาน. ข้อมูลทั่วไปเกี่ยวกับอนุภาคมูลฐาน

ประถมศึกษาเรียกว่าอนุภาคซึ่ง (ในขั้นตอนปัจจุบันของการพัฒนาฟิสิกส์) ไม่สามารถระบุโครงสร้างภายในได้

อนุภาคหลักที่ประกอบกันเป็นอะตอม - อิเล็กตรอน โปรตอน และนิวตรอน - ในตอนแรกถือว่าไม่สามารถเปลี่ยนแปลงและเปลี่ยนแปลงใดๆ ได้ นั่นคือเหตุผลที่พวกเขาเรียกว่าประถมศึกษา อย่างไรก็ตาม ภายหลังพบว่าคำว่า "อนุภาคมูลฐาน" ค่อนข้างมีเงื่อนไข ตัวอย่างเช่น นิวตรอนอิสระมีอายุประมาณ 15 นาที จากนั้นจะสลายตัวเป็นโปรตอน อิเล็กตรอน และแอนตินิวตริโน:

ในบรรดาอนุภาคมูลฐานที่ค้นพบทั้งหมดในปัจจุบัน มีเพียงโฟตอน อิเล็กตรอน โปรตอน และนิวตริโนเท่านั้นที่จะรักษาค่าความไม่แปรเปลี่ยนของพวกมันได้หากแต่ละอนุภาคอยู่ตามลำพังในพื้นที่โดยรอบ

อนุภาคมูลฐานเป็นไปตามกฎของฟิสิกส์ควอนตัม

การจำแนกประเภทของอนุภาคมูลฐานในปัจจุบันขึ้นอยู่กับคุณสมบัติหลัก ได้แก่ มวล ประจุไฟฟ้า สปิน และอายุการใช้งาน ตลอดจนประจุเลปตันและแบริออน

ตารางที่ 23.1 แสดงข้อมูลบางอย่างเกี่ยวกับคุณสมบัติของอนุภาคมูลฐานที่มีอายุมากกว่า 10 -20 วินาที อนุภาคในตารางจัดเรียงตามลำดับมวลจากน้อยไปหามาก

ตารางของอนุภาคมูลฐานไม่รวมอนุภาคเรโซแนนซ์อายุสั้นทั้งหมด โดยเฉพาะอนุภาค "เสน่ห์" ยังไม่รวมพาหะของการโต้ตอบที่อ่อนแอ - เวกเตอร์โบซอน ผลลัพธ์คือ 39 อนุภาค

ตารางเปิดขึ้นพร้อมกับโฟตอน โฟตอนซึ่งเหลืออยู่ตามลำพังก่อตัวเป็นกลุ่มแรก โฟตอนเป็นควอนตัมของสนามแม่เหล็กไฟฟ้า (แสง การแผ่รังสี ฯลฯ) ไม่มีปฏิอนุภาคที่สอดคล้องกัน เช่น เป็นปฏิปักษ์ของมันเอง

กลุ่มถัดไปเกิดจากอนุภาคแสง - เลปตันประกอบด้วยอนุภาคสิบสองอนุภาค (รวมถึงปฏิอนุภาค) เหล่านี้คืออิเล็กตรอน, มิวออน (ค้นพบในรังสีคอสมิกในปี 1937 - เป็นอิเล็กตรอนแบบอะนาล็อกหนักซึ่งมีมวลประมาณ 200 เท่าของมวลอิเล็กตรอน) และ -lepton (taon มีมวลประมาณ 3,500 เท่า มวลของอิเล็กตรอน) แต่ละอนุภาคในสามอนุภาคนี้มีนิวตริโนของตัวเอง ซึ่งมาพร้อมกับอนุภาคที่มีประจุของมันเองในการเปลี่ยนแปลงต่างๆ: นิวตริโนอิเล็กตรอนเกิดมาพร้อมกับอิเล็กตรอน มิวออนนิวตริโน - ร่วมกับมิวออน และเลปตอน - ร่วมกับเลปตอน แม้ว่า -lepton จะมีมวลมาก แต่ก็รวมอยู่ในกลุ่มของ lepton เนื่องจากคุณสมบัติอื่นทั้งหมดใกล้เคียงกับพวกมัน คุณสมบัติหลักที่ทำให้เกี่ยวข้องกับเลปตอนอื่นๆ ก็คืออนุภาคนี้ เช่นเดียวกับเลปตอนอื่นๆ ไม่มีส่วนร่วมในอันตรกิริยาที่รุนแรง

ตารางที่ 23.1

ติดตามโดย มีซอนกลุ่มนี้ประกอบด้วยแปดอนุภาค สิ่งที่เบาที่สุดคือ mesons: บวก, ลบและเป็นกลาง มวลของมันคือ 264.1 และ 273.1 มวลอิเล็กตรอน พิออนเป็นปริมาณของสนามนิวเคลียร์ เช่นเดียวกับโฟตอนเป็นปริมาณของสนามแม่เหล็กไฟฟ้า นอกจากนี้ยังมีสี่ -meson และหนึ่ง -meson

กลุ่มสุดท้าย - บาร์ยอน- กว้างขวางที่สุด ประกอบด้วยอนุภาค 18 ชิ้นจาก 39 ชิ้น แบริออนที่เบาที่สุดคือนิวคลีออน - โปรตอนและนิวตรอน ตามด้วยสิ่งที่เรียกว่าไฮเปอร์ออน ตารางทั้งหมดปิดด้วยอนุภาค (โอเมก้า-ลบ) ซึ่งค้นพบในปี 1964 มีมวล 3273 เท่าของมวลอิเล็กตรอน

มีซอนและแบริออนเป็นชั้นๆ ฮาดรอน- อนุภาคที่เข้าร่วมในอันตรกิริยาที่รุนแรง Hadrons แบ่งออกเป็นอนุภาค "เสถียร" ที่มีอายุการใช้งาน c และแบ่งเป็นเสียงสะท้อนที่มีอายุการใช้งาน c เช่น สอดคล้องกับเวลาโต้ตอบที่แข็งแกร่ง ความยาวของเส้นทางจากช่วงเวลาเกิดจนถึงช่วงเวลาของการสลายตัวอยู่ที่ประมาณ 10 -15 ม. และอนุภาคเหล่านี้จะไม่ทิ้งร่องรอยใดๆ ไว้ในเครื่องตรวจจับ พวกมันปรากฏเป็นจุดสูงสุดในแผนของส่วนตัดขวางที่เรียกว่าการกระเจิงเป็นฟังก์ชันของพลังงาน เรโซแนนซ์จะสลายตัวเนื่องจากอันตรกิริยาที่รุนแรง อนุภาคที่เสถียร - เนื่องจากอันตรกิริยาทางแม่เหล็กไฟฟ้าและอิเล็กโทรไลต์

การแบ่งอนุภาคมูลฐานออกเป็นกลุ่มๆ ไม่เพียงแต่พิจารณาจากความแตกต่างของมวลเท่านั้น แต่ยังพิจารณาจากคุณสมบัติที่สำคัญอื่นๆ เช่น สปินอีกด้วย

เลปตันและแบริออนมีสปินเท่ากับมีซอนสปินเท่ากับ 0 และโฟตอนสปินเท่ากับ 1

มีปฏิสัมพันธ์สี่ประเภทระหว่างอนุภาคมูลฐาน - ความโน้มถ่วง แม่เหล็กไฟฟ้า รุนแรงและอ่อนแอ

ปฏิสัมพันธ์ที่แข็งแกร่งลักษณะของอนุภาคหนัก เริ่มต้นด้วย pion การสำแดงที่โด่งดังที่สุดของมันคือพลังนิวเคลียร์ที่รับประกันการมีอยู่ของนิวเคลียสของอะตอม

ในการโต้ตอบทางแม่เหล็กไฟฟ้ามีเพียงอนุภาคที่มีประจุไฟฟ้าและโฟตอนเท่านั้นที่เกี่ยวข้องโดยตรง การสำแดงที่โด่งดังที่สุดของมันคือพลังคูลอมบ์ที่กำหนดการมีอยู่ของอะตอม มันเป็นอันตรกิริยาทางแม่เหล็กไฟฟ้าที่รับผิดชอบต่อคุณสมบัติทางมหภาคส่วนใหญ่ของสสาร นอกจากนี้ยังทำให้เกิดการทำลายล้างของคู่อิเล็กตรอน-โพซิตรอนและกระบวนการทางจุลทรรศน์อื่นๆ อีกมากมาย

ปฏิสัมพันธ์ที่อ่อนแอลักษณะของอนุภาคทั้งหมดยกเว้นโฟตอน การสำแดงที่โด่งดังที่สุดคือการสลายตัวของนิวตรอนและจำนวนนิวเคลียสของอะตอม

ปฏิสัมพันธ์แรงโน้มถ่วงมีอยู่ในทุกส่วนของเอกภพ แสดงออกในรูปของแรงโน้มถ่วงสากล กองกำลังเหล่านี้รับประกันการมีอยู่ของดวงดาว ระบบดาวเคราะห์ และอื่นๆ อันตรกิริยาของความโน้มถ่วงนั้นอ่อนแอมากและไม่มีบทบาทสำคัญต่อโลกของอนุภาคมูลฐานที่พลังงานธรรมดา ในโลกของอนุภาคมูลฐาน แรงโน้มถ่วงมีความสำคัญที่พลังงานมหาศาลที่ลำดับ 10 22 MeV ซึ่งสอดคล้องกับระยะทางที่เล็กมากเป็นพิเศษที่ลำดับ 10 -35 ม.

ปัจจุบันมีอนุภาคมูลฐานจำนวนมาก (มากกว่า 350) ดังนั้นคำถามจึงเกิดขึ้น: มีอะไรเหมือนกันในโครงสร้างของอนุภาคเหล่านี้หรือไม่? พวกเขาถือว่าเป็นระดับประถมศึกษาได้หรือไม่?

ในปี 1963 M. Gell-Mann และ J. Zweig ได้ตั้งสมมติฐานเกี่ยวกับการมีอยู่ตามธรรมชาติของอนุภาคหลายชนิดที่เรียกว่าควาร์ก ตามสมมติฐานนี้ mesons, baryons และ resonances ทั้งหมด - เช่น แฮดรอนประกอบด้วยควาร์กและแอนติควาร์กซึ่งเป็นส่วนผสมที่แตกต่างกัน

ในขั้นต้นได้มีการแนะนำสมมติฐานของการมีอยู่ของควาร์กสามตัว (และตามด้วยแอนติควาร์กสามตัว) ควาร์กแสดงด้วยตัวอักษร คุณ, d, sพวกมันต้องมีประจุไฟฟ้าเป็นเศษส่วน คนแรกคือ ยู-quark - มีประจุ - อีก d-และ เอส-ควาร์กมีประจุเท่ากัน โดยที่ อี- โมดูลประจุอิเล็กตรอน มีการทำนายการมีอยู่ของควาร์กที่สี่ ค-ควาร์ก เรียกว่า "ชาร์ม" จากนั้นจึงทำการทดลองค้นพบอนุภาคที่มีควาร์กนี้ มวลของควาร์กเกินมวล ส-ควาร์ก ต่อจากนั้นมีการทำนายปัญหาที่รุนแรงยิ่งขึ้นและค้นพบ ข- และ ที-ควาร์ก

ควาร์กและเลปตอนถือเป็นอนุภาคมูลฐานที่แท้จริง ยังไม่พบควาร์กในสถานะอิสระ และขณะนี้มีข้อเสนอแนะเกี่ยวกับความเป็นไปไม่ได้ที่จะแยกอนุภาคออกเป็นควาร์ก สมมติฐานเหล่านี้ตั้งอยู่บนการยืนยันว่าแรงอันตรกิริยาระหว่างควาร์กไม่ลดลงตามระยะทาง ดังนั้นจึงเป็นไปไม่ได้ที่จะแยกควาร์กออกจากอนุภาค

คำถามเพื่อรวบรวมหัวข้อที่ศึกษา

1 กำหนดปัจจัยการคูณนิวตรอน

2 ปฏิกิริยานิวเคลียร์จะถูกควบคุมที่ค่า k เท่าใด จัดการไม่ได้?

3 มวลวิกฤตคืออะไร? ลดได้ยังไง?

4 เครื่องปฏิกรณ์นิวเคลียร์ทำงานอย่างไร

5 อนุภาคมูลฐานคืออะไร?

6 อนุภาคมูลฐานที่รู้จักแบ่งออกเป็นกลุ่มใดบ้าง

ในวิชาฟิสิกส์ อนุภาคมูลฐานคือวัตถุทางกายภาพในระดับนิวเคลียสของอะตอม ซึ่งไม่สามารถแบ่งออกเป็นส่วนต่างๆ ได้ อย่างไรก็ตาม ทุกวันนี้ นักวิทยาศาสตร์ยังคงสามารถแยกพวกมันบางส่วนได้ โครงสร้างและคุณสมบัติของวัตถุที่เล็กที่สุดเหล่านี้ได้รับการศึกษาโดยฟิสิกส์ของอนุภาคมูลฐาน

อนุภาคที่เล็กที่สุดที่ประกอบกันเป็นสสารเป็นที่รู้จักกันมาตั้งแต่สมัยโบราณ อย่างไรก็ตาม ผู้ก่อตั้งสิ่งที่เรียกว่า "ปรมาณูนิยม" ถือเป็นนักปรัชญาของกรีกโบราณ ลิวซิปปุส และเดโมคริตุส ลูกศิษย์ที่มีชื่อเสียงกว่าของเขา สันนิษฐานว่าหลังแนะนำคำว่า "อะตอม" จากภาษากรีกโบราณ "อะตอม" แปลว่า "แบ่งแยกไม่ได้" ซึ่งกำหนดมุมมองของนักปรัชญาโบราณ

ต่อมาเป็นที่ทราบกันดีว่าอะตอมยังสามารถแบ่งออกเป็นสองวัตถุทางกายภาพ - นิวเคลียสและอิเล็กตรอน ต่อมากลายเป็นอนุภาคมูลฐานตัวแรก เมื่อในปี พ.ศ. 2440 โจเซฟ ทอมสัน ชาวอังกฤษได้ทำการทดลองกับรังสีแคโทดและเปิดเผยว่าพวกมันเป็นกระแสของอนุภาคที่เหมือนกันซึ่งมีมวลและประจุเท่ากัน

ควบคู่ไปกับงานของทอมสัน Henri Becquerel ผู้ศึกษารังสีเอกซ์ทำการทดลองกับยูเรเนียมและค้นพบรังสีชนิดใหม่ ในปี พ.ศ. 2441 คู่รักนักฟิสิกส์ชาวฝรั่งเศส มารีและปิแอร์ คูรี ศึกษาสารกัมมันตภาพรังสีต่างๆ เพื่อหารังสีกัมมันตภาพรังสีชนิดเดียวกัน ต่อมาจะพบว่าประกอบด้วยอัลฟา (2 โปรตอนและ 2 นิวตรอน) และอนุภาคบีตา (อิเล็กตรอน) และ Becquerel และ Curie จะได้รับรางวัลโนเบล Marie Sklodowska-Curie ทำการวิจัยเกี่ยวกับองค์ประกอบต่างๆ เช่น ยูเรเนียม เรเดียม และพอโลเนียม โดยไม่ได้ใช้มาตรการด้านความปลอดภัยใดๆ รวมถึงไม่ใช้แม้แต่ถุงมือ เป็นผลให้ในปี 1934 เธอถูกครอบงำด้วยโรคมะเร็งเม็ดเลือดขาว ในความทรงจำถึงความสำเร็จของนักวิทยาศาสตร์ผู้ยิ่งใหญ่ ธาตุที่คู่คูรีค้นพบคือ พอโลเนียม ได้รับการตั้งชื่อตามบ้านเกิดของแมรี่ - โปโลเนีย จากภาษาละติน - โปแลนด์

ภาพถ่ายจากการประชุม Solvay Congress ครั้งที่ 5 พ.ศ. 2470 ลองค้นหานักวิทยาศาสตร์ทั้งหมดจากบทความนี้ในภาพนี้

เริ่มตั้งแต่ปี พ.ศ. 2448 อัลเบิร์ต ไอน์สไตน์อุทิศสิ่งพิมพ์ของเขาให้กับความไม่สมบูรณ์ของทฤษฎีคลื่นแสง ซึ่งเป็นสัจพจน์ที่แตกต่างจากผลการทดลอง ซึ่งต่อมาได้นำนักฟิสิกส์ที่โดดเด่นไปสู่แนวคิดของ "ควอนตัมแสง" - ส่วนหนึ่งของแสง ต่อมาในปี พ.ศ. 2469 มันถูกตั้งชื่อว่า "โฟตอน" ซึ่งแปลมาจากภาษากรีก "ฟอส" ("แสง") โดยกิลเบิร์ต เอ็น. ลูอิส นักฟิสิกส์เคมีชาวอเมริกัน

ในปี พ.ศ. 2456 เออร์เนสต์ รัทเทอร์ฟอร์ด นักฟิสิกส์ชาวอังกฤษ อ้างอิงจากผลการทดลองที่ได้ดำเนินการไปแล้วในขณะนั้น สังเกตว่ามวลของนิวเคลียสขององค์ประกอบทางเคมีหลายชนิดนั้นมีจำนวนมากกว่ามวลของนิวเคลียสไฮโดรเจนหลายเท่า ดังนั้นเขาจึงเสนอว่านิวเคลียสของไฮโดรเจนเป็นส่วนประกอบของนิวเคลียสของธาตุอื่นๆ ในการทดลองของเขา รัทเทอร์ฟอร์ดได้ฉายรังสีอะตอมของไนโตรเจนด้วยอนุภาคแอลฟา ซึ่งส่งผลให้ปล่อยอนุภาคชนิดหนึ่งออกมา ซึ่งเออร์เนสต์ตั้งชื่อว่า "โปรตอน" จาก "โปรโตส" ในภาษากรีกอื่นๆ (ตัวแรก หลัก) ต่อมาได้รับการยืนยันจากการทดลองว่าโปรตอนเป็นนิวเคลียสของไฮโดรเจน

เห็นได้ชัดว่าโปรตอนไม่ได้เป็นเพียงส่วนประกอบของนิวเคลียสขององค์ประกอบทางเคมี แนวคิดนี้นำโดยข้อเท็จจริงที่ว่าโปรตอนสองตัวในนิวเคลียสจะผลักกัน และอะตอมจะสลายตัวทันที ดังนั้นรัทเทอร์ฟอร์ดจึงตั้งสมมติฐานเกี่ยวกับการมีอยู่ของอนุภาคอื่นซึ่งมีมวลเท่ากับมวลของโปรตอนแต่ไม่มีประจุ การทดลองบางอย่างของนักวิทยาศาสตร์เกี่ยวกับปฏิสัมพันธ์ของธาตุกัมมันตภาพรังสีและธาตุที่เบากว่าทำให้พวกเขาค้นพบรังสีชนิดใหม่ ในปี พ.ศ. 2475 เจมส์ แชดวิคพิจารณาว่ามันประกอบด้วยอนุภาคที่เป็นกลางแบบเดียวกับที่เขาเรียกว่านิวตรอน

ดังนั้นจึงมีการค้นพบอนุภาคที่มีชื่อเสียงที่สุด ได้แก่ โฟตอน อิเล็กตรอน โปรตอน และนิวตรอน

นอกจากนี้ การค้นพบวัตถุนิวเคลียร์ย่อยใหม่กลายเป็นเหตุการณ์ที่เกิดขึ้นบ่อยครั้งมากขึ้น และในขณะนี้ทราบประมาณ 350 อนุภาคซึ่งถือว่าเป็น "เบื้องต้น" สิ่งที่ไม่สามารถแยกออกได้นั้นถือว่าไม่มีโครงสร้างและเรียกว่า "พื้นฐาน"

สปินคืออะไร?

ก่อนที่จะดำเนินการนวัตกรรมต่อไปในสาขาฟิสิกส์ จำเป็นต้องกำหนดคุณลักษณะของอนุภาคทั้งหมด ที่โด่งดังที่สุดนอกจากมวลและประจุไฟฟ้าแล้วยังรวมถึงสปินอีกด้วย ค่านี้เรียกเป็นอย่างอื่นว่า "โมเมนตัมเชิงมุมภายใน" และไม่เกี่ยวข้องกับการกระจัดของวัตถุย่อยนิวเคลียร์โดยรวมแต่อย่างใด นักวิทยาศาสตร์สามารถตรวจจับอนุภาคด้วยการหมุน 0, ½, 1, 3/2 และ 2 หากต้องการให้เห็นภาพ แม้ว่าจะทำให้เข้าใจง่ายขึ้น การหมุนเป็นคุณสมบัติของวัตถุ ลองพิจารณาตัวอย่างต่อไปนี้

ให้วัตถุมีการหมุนเท่ากับ 1 จากนั้นวัตถุดังกล่าวเมื่อหมุน 360 องศาจะกลับสู่ตำแหน่งเดิม บนเครื่องบิน วัตถุนี้สามารถเป็นดินสอได้ ซึ่งหลังจากหมุน 360 องศาแล้ว ก็จะอยู่ในตำแหน่งเดิม ในกรณีของการหมุนเป็นศูนย์ เมื่อวัตถุหมุนใดๆ วัตถุนั้นจะมีลักษณะเหมือนเดิมเสมอ ตัวอย่างเช่น ลูกบอลสีเดียว

สำหรับการหมุน ½ คุณจะต้องใช้สิ่งของที่คงรูปลักษณ์ไว้เมื่อหมุน 180 องศา มันสามารถเป็นดินสอเดียวกันได้ แต่ทั้งสองด้านมีความสมมาตรเท่านั้น การหมุนรอบ 2 จะต้องรักษารูปร่างผ่านการหมุน 720 องศา ในขณะที่ 3/2 จะต้องหมุน 540 องศา

คุณลักษณะนี้มีความสำคัญอย่างยิ่งต่อฟิสิกส์ของอนุภาคมูลฐาน

แบบจำลองมาตรฐานของอนุภาคและอันตรกิริยา

ด้วยชุดของวัตถุขนาดเล็กที่น่าประทับใจซึ่งประกอบกันเป็นโลกรอบตัวเรา นักวิทยาศาสตร์จึงตัดสินใจจัดโครงสร้างพวกมัน ดังนั้นโครงสร้างทางทฤษฎีที่รู้จักกันดีเรียกว่า "แบบจำลองมาตรฐาน" จึงก่อตัวขึ้น เธออธิบายปฏิสัมพันธ์ 3 รายการและอนุภาค 61 รายการโดยใช้อนุภาคมูลฐาน 17 รายการ ซึ่งบางรายการคาดการณ์ไว้นานก่อนที่จะค้นพบ

การโต้ตอบทั้งสามคือ:

• แม่เหล็กไฟฟ้า. เกิดขึ้นระหว่างอนุภาคที่มีประจุไฟฟ้า ในกรณีง่ายๆ ที่รู้จักกันในโรงเรียน วัตถุที่มีประจุตรงข้ามจะดึงดูด และวัตถุที่มีชื่อเดียวกันจะผลักกัน สิ่งนี้เกิดขึ้นผ่านสิ่งที่เรียกว่าพาหะของการโต้ตอบทางแม่เหล็กไฟฟ้า - โฟตอน
• แข็งแกร่งมิฉะนั้น - ปฏิกิริยานิวเคลียร์ ตามชื่อของมัน การกระทำของมันขยายไปถึงวัตถุในลำดับของนิวเคลียสของอะตอม มันมีหน้าที่ในการดึงดูดโปรตอน นิวตรอน และอนุภาคอื่น ๆ ซึ่งประกอบด้วยควาร์กด้วย กลูออนจะรับแรงที่แข็งแกร่ง
• อ่อนแอ. ทำงานในระยะทางน้อยกว่าขนาดของแกนหนึ่งพัน อันตรกิริยานี้เกี่ยวข้องกับเลปตอนและควาร์ก เช่นเดียวกับปฏิอนุภาคของพวกมัน ยิ่งไปกว่านั้น ในกรณีของการโต้ตอบที่อ่อนแอ พวกเขาสามารถแปลงร่างซึ่งกันและกันได้ พาหะคือโบซอน W+, W− และ Z0

ดังนั้นรูปแบบมาตรฐานจึงเกิดขึ้นดังนี้ ประกอบด้วยควาร์กหกตัวที่ประกอบกันเป็นฮาดรอนทั้งหมด (อนุภาคอาจมีอันตรกิริยารุนแรง):

• บน (คุณ);
• หลงเสน่ห์ (ค);
• จริง(t);
• ล่าง (d);
• แปลก (s);
• น่ารัก (ข).

จะเห็นได้ว่านักฟิสิกส์ไม่มีคำคุณศัพท์ อีก 6 อนุภาคคือเลปตอน อนุภาคเหล่านี้เป็นอนุภาคพื้นฐานที่มีสปิน ½ ซึ่งไม่ได้มีส่วนร่วมในอันตรกิริยาที่รุนแรง

• อิเล็กตรอน;
• นิวตริโนอิเล็กทรอนิกส์
• มึน;
• มูออน นิวตริโน;
• เทาเลปตัน;
• เทานิวตริโน

และกลุ่มที่สามของแบบจำลองมาตรฐานคือโบซอนเกจซึ่งมีการหมุนเท่ากับ 1 และแสดงเป็นพาหะของการโต้ตอบ:

• กลูออนมีความแข็งแรง
• โฟตอน - แม่เหล็กไฟฟ้า
• Z-boson อ่อนแอ
• W-boson อ่อนแอ

พวกมันยังรวมถึงอนุภาคที่เพิ่งค้นพบด้วยสปิน 0 ซึ่งทำให้วัตถุมวลเฉื่อยอื่นๆ ทั้งหมดมีมวลเฉื่อย

ผลจากแบบจำลองมาตรฐาน โลกของเรามีลักษณะดังนี้: สสารทั้งหมดประกอบด้วยควาร์ก 6 ตัวที่ก่อตัวเป็นฮาดรอนและเลปตอน 6 ตัว; อนุภาคทั้งหมดเหล่านี้สามารถมีส่วนร่วมในอันตรกิริยาได้สามครั้ง ซึ่งพาหะคือเกจโบซอน

ข้อเสียของรุ่นมาตรฐาน

อย่างไรก็ตาม แม้กระทั่งก่อนที่จะมีการค้นพบฮิกส์โบซอน ซึ่งเป็นอนุภาคสุดท้ายที่แบบจำลองมาตรฐานคาดการณ์ไว้ นักวิทยาศาสตร์ก็ไปไกลกว่านั้นแล้ว ตัวอย่างที่โดดเด่นของสิ่งนี้คือสิ่งที่เรียกว่า "อันตรกิริยาโน้มถ่วง" ซึ่งทุกวันนี้ก็ไล่เลี่ยกับคนอื่นๆ สันนิษฐานว่าพาหะของมันคืออนุภาคที่มีสปิน 2 ซึ่งไม่มีมวล ซึ่งนักฟิสิกส์ยังไม่สามารถตรวจจับได้ นั่นคือ "กราวิตอน"

นอกจากนี้ แบบจำลองมาตรฐานยังอธิบายถึงอนุภาค 61 ชนิด และในปัจจุบันมีอนุภาคมากกว่า 350 ชนิดที่มนุษย์รู้จัก ซึ่งหมายความว่างานของนักฟิสิกส์เชิงทฤษฎียังไม่สิ้นสุด

การจำแนกอนุภาค

เพื่อให้ชีวิตง่ายขึ้น นักฟิสิกส์ได้จัดกลุ่มอนุภาคทั้งหมดตามโครงสร้างและลักษณะอื่นๆ การจำแนกประเภทขึ้นอยู่กับคุณสมบัติดังต่อไปนี้:

• อายุการใช้งาน
  1. มั่นคง. ในหมู่พวกเขา ได้แก่ โปรตอนและแอนติโปรตอน อิเล็กตรอนและโพซิตรอน โฟตอน และกราวิตอน การมีอยู่ของอนุภาคที่เสถียรไม่ได้ถูกจำกัดด้วยเวลา ตราบใดที่พวกมันอยู่ในสถานะอิสระ นั่นคือ อย่าโต้ตอบกับสิ่งใด
  2. ไม่เสถียร อนุภาคอื่น ๆ ทั้งหมดหลังจากผ่านไประยะหนึ่งจะสลายตัวเป็นส่วนประกอบดังนั้นจึงเรียกว่าไม่เสถียร ตัวอย่างเช่น มิวออนมีอายุเพียง 2.2 ไมโครวินาที และโปรตอนมีอายุ 2.9 10*29 ปี หลังจากนั้นสามารถสลายตัวเป็นโพซิตรอนและไพออนที่เป็นกลาง
• น้ำหนัก.
  1. อนุภาคมูลฐานไร้มวลซึ่งมีเพียงสามอย่างคือ โฟตอน กลูออน และกราวิตอน
  2. อนุภาคขนาดใหญ่คือทุกสิ่งทุกอย่าง
• ค่าสปิน
  1. สปินทั้งหมดรวม ศูนย์ มีอนุภาคที่เรียกว่าโบซอน
  2. อนุภาคที่มีครึ่งจำนวนเต็มหมุนเป็นเฟอร์มิออน
• การมีส่วนร่วมในปฏิสัมพันธ์
  1. Hadrons (อนุภาคโครงสร้าง) เป็นวัตถุนิวเคลียร์ที่มีส่วนร่วมในปฏิสัมพันธ์ทั้งสี่ประเภท มีการกล่าวถึงก่อนหน้านี้ว่าพวกมันประกอบด้วยควาร์ก Hadrons แบ่งออกเป็นสองประเภทย่อย: mesons (การหมุนจำนวนเต็มคือ bosons) และ baryons (การหมุนจำนวนเต็มครึ่งหนึ่ง - fermions)
  2. มูลฐาน (อนุภาคไม่มีโครงสร้าง) ซึ่งรวมถึงเลปตัน ควาร์ก และเกจโบซอน (อ่านก่อนหน้า - "แบบจำลองมาตรฐาน ..")

เมื่อทำความคุ้นเคยกับการจำแนกประเภทของอนุภาคทั้งหมดแล้ว ก็เป็นไปได้ที่จะระบุบางส่วนได้อย่างแม่นยำ ดังนั้นนิวตรอนจึงเป็นเฟอร์มิออน แฮดรอน หรือค่อนข้างจะเป็นแบริออน และนิวคลีออน กล่าวคือ มีสปินจำนวนเต็มครึ่งหนึ่ง ประกอบด้วยควาร์กและมีส่วนร่วมในอันตรกิริยา 4 อัน นิวคลีออนเป็นชื่อสามัญของโปรตอนและนิวตรอน

• สิ่งที่น่าสนใจคือฝ่ายตรงข้ามของปรมาณูของ Democritus ซึ่งทำนายการมีอยู่ของปรมาณูระบุว่าสสารใด ๆ ในโลกนั้นหารด้วยค่าอนันต์ไม่ลงตัว ในระดับหนึ่ง พวกมันอาจกลายเป็นสิ่งที่ถูกต้อง เนื่องจากนักวิทยาศาสตร์ได้จัดการแบ่งอะตอมออกเป็นนิวเคลียสและอิเล็กตรอนแล้ว นิวเคลียสเป็นโปรตอนและนิวตรอน และสิ่งเหล่านี้ก็กลายเป็นควาร์ก
• เดโมคริตุสสันนิษฐานว่าอะตอมมีรูปทรงเรขาคณิตที่ชัดเจน ดังนั้นอะตอมของการเผาไหม้ที่ "แหลมคม" อะตอมของของแข็งที่ขรุขระจะถูกยึดเข้าด้วยกันอย่างแน่นหนาด้วยส่วนที่ยื่นออกมา และอะตอมของน้ำที่ลื่นไหลในระหว่างการโต้ตอบ มิฉะนั้นจะไหล
• โจเซฟ ทอมสันสร้างแบบจำลองอะตอมของเขาเอง ซึ่งเขาจินตนาการว่าเป็นวัตถุที่มีประจุบวก ซึ่งมีอิเล็กตรอน "ติดอยู่" เหมือนเดิม โมเดลของเขาถูกเรียกว่า "พุดดิ้งกับลูกเกด" (โมเดลพุดดิ้งบ๊วย)
• ควาร์กได้ชื่อมาจาก Murray Gell-Mann นักฟิสิกส์ชาวอเมริกัน นักวิทยาศาสตร์ต้องการใช้คำที่คล้ายกับเสียงเป็ดร้อง (kwork) แต่ในนวนิยายเรื่อง Finnegans Wake ของ James Joyce ฉันพบคำว่า "quark" ในบรรทัด "Three quarks for Mr. Mark!" ซึ่งความหมายไม่ได้กำหนดไว้อย่างชัดเจน และเป็นไปได้ว่า Joyce ใช้คำนี้เพียงเพื่อสัมผัส เมอร์เรย์ตัดสินใจตั้งชื่ออนุภาคด้วยคำนี้ เนื่องจากในเวลานั้นรู้จักควาร์กเพียงสามตัวเท่านั้น
• แม้ว่าโฟตอนซึ่งเป็นอนุภาคของแสงจะไร้มวลและอยู่ใกล้หลุมดำ แต่ดูเหมือนว่าพวกมันจะเปลี่ยนวิถีโคจรของมัน โดยถูกดึงดูดเข้าหามันด้วยความช่วยเหลือจากอันตรกิริยาโน้มถ่วง ในความเป็นจริง ร่างกายมวลมหาศาลจะโค้งงอกาลอวกาศ เนื่องจากอนุภาคใด ๆ รวมถึงอนุภาคที่ไม่มีมวล เปลี่ยนวิถีโคจรไปสู่หลุมดำ (ดู)
• เครื่องชนอนุภาคแฮดรอนขนาดใหญ่คือ "แฮดรอน" อย่างแน่นอน เพราะมันชนลำแสงแฮดรอนสองลำโดยตรง ซึ่งเป็นอนุภาคที่มีขนาดตามลำดับของนิวเคลียสของอะตอม ซึ่งมีส่วนร่วมในอันตรกิริยาทั้งหมด

อนุภาคมูลฐานในความหมายแคบ - อนุภาคไม่สามารถพิจารณาถึงไรย์ที่ประกอบด้วยอนุภาคอื่น ๆ ในสมัยใหม่ ในวิชาฟิสิกส์ คำว่า "อนุภาคมูลฐาน" ใช้ในความหมายที่กว้างขึ้น: สิ่งที่เรียกว่า อนุภาคที่เล็กที่สุดของสสารภายใต้เงื่อนไขที่ไม่เป็นเช่นนั้น และ (ข้อยกเว้นคือ) บางครั้งด้วยเหตุนี้จึงเรียกอนุภาคมูลฐานว่าอนุภาคย่อยนิวเคลียร์ อนุภาคเหล่านี้ส่วนใหญ่ (รู้จักมากกว่า 350 ชนิด) เป็นระบบคอมโพสิต
อี อนุภาคมูลฐานมีส่วนร่วมในอันตรกิริยาทางแม่เหล็กไฟฟ้า อ่อนแรง และแรงดึงดูด เนื่องจากอนุภาคมูลฐานมีมวลน้อย ปฏิสัมพันธ์ระหว่างแรงโน้มถ่วง มักจะไม่คำนึงถึง อนุภาคมูลฐานทั้งหมดแบ่งออกเป็นสามส่วนหลัก กลุ่ม ประการแรกคือสิ่งที่เรียกว่า ผู้ให้บริการโบซอนของปฏิกิริยาอิเล็กโทรวีค ซึ่งรวมถึงโฟตอนหรือควอนตัมของรังสีแม่เหล็กไฟฟ้า มวลส่วนที่เหลือของโฟตอนมีค่าเท่ากับศูนย์ ดังนั้น ความเร็วการแพร่กระจายของคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้าใน (รวมถึงคลื่นแสง) จึงเป็นการจำกัดความเร็วการแพร่กระจายของวัตถุ ผลกระทบและเป็นหนึ่งในปัจจัยพื้นฐาน ทางกายภาพ ถาวร; สันนิษฐานว่า c \u003d (299792458 1.2) m / s
อนุภาคมูลฐานกลุ่มที่สอง - เลปตอน มีส่วนร่วมในปฏิกิริยาทางแม่เหล็กไฟฟ้าและปฏิกิริยาที่อ่อนแอ มี 6 เลปตอนที่รู้จัก: , อิเล็กตรอน , มิวออน , เฮฟวี่เลปตอน และที่สอดคล้องกัน (สัญลักษณ์ e) ถือเป็นวัสดุที่มีมวลน้อยที่สุดในธรรมชาติ m c เท่ากับ 9.1 x 10 -28 g (ในหน่วยพลังงาน 0.511 MeV) และค่าลบที่เล็กที่สุด ไฟฟ้า ค่าใช้จ่าย e \u003d 1.6 x 10 -19 C. (สัญลักษณ์) - อนุภาคที่มีมวลประมาณ 207 มวล (105.7 MeV) และไฟฟ้า ชาร์จเท่ากับชาร์จ ; เลปตันหนักมีมวลประมาณ 1.8 GeV สามประเภทที่สอดคล้องกับอนุภาคเหล่านี้ - อิเล็กตรอน (สัญลักษณ์ v c), มิวออน (สัญลักษณ์) และนิวตริโน (สัญลักษณ์) - เป็นอนุภาคที่เป็นกลางทางไฟฟ้าที่เบา (อาจไม่มีมวล)
เลปตอนทั้งหมดมี ( - ) เช่น ตามสถิติ เซนต์ คุณคือเฟอร์มิออน (ดู)
เลปตันแต่ละอันสอดคล้องกับค่ามวลที่เท่ากันและลักษณะอื่นๆ แต่แตกต่างกันในเครื่องหมายของไฟฟ้า ค่าใช้จ่าย. มี (สัญลักษณ์ e +) - เกี่ยวกับประจุบวก (สัญลักษณ์) และ antineutrinos สามประเภท (สัญลักษณ์) ซึ่งมีเครื่องหมายตรงกันข้ามของหมายเลขควอนตัมพิเศษที่เรียกว่า ค่าเลปตัน (ดูด้านล่าง)
อนุภาคมูลฐานกลุ่มที่สาม - แฮดรอน พวกมันมีส่วนร่วมในปฏิสัมพันธ์ที่รุนแรง อ่อนแอ และแม่เหล็กไฟฟ้า Hadrons เป็นอนุภาค "หนัก" ที่มีมวลมากกว่า . นี่นาอิบ อนุภาคมูลฐานหลายกลุ่ม Hadrons แบ่งออกเป็น baryons - อนุภาคที่มี mesons - อนุภาคที่มีจำนวนเต็ม (0 หรือ 1); เช่นเดียวกับที่เรียกว่า เสียงสะท้อน - แฮดรอนอายุสั้น Baryons รวมถึง (สัญลักษณ์ p) - นิวเคลียสที่มีมวล ~ 1836 เท่ามากกว่า m c และเท่ากับ 1.672648 x 10 -24 g (938.3 MeV) และใส่ ไฟฟ้า มีประจุเท่ากับประจุและ (สัญลักษณ์ n) - อนุภาคที่เป็นกลางทางไฟฟ้าซึ่งมีมวลมากกว่ามวลเล็กน้อย ทุกสิ่งสร้างขึ้นจากปฏิสัมพันธ์ที่แข็งแกร่ง กำหนดการเชื่อมต่อของอนุภาคเหล่านี้ซึ่งกันและกัน มีปฏิสัมพันธ์ที่แข็งแกร่งและมีเกาะเซนต์เดียวกันและถือเป็นสองอนุภาคเดียวกัน - นิวคลีออนที่มีไอโซโทป (ดูด้านล่าง). Baryons ยังรวมถึงไฮเปอร์รอน - อนุภาคมูลฐานที่มีมวลมากกว่านิวคลีออน: -ไฮเปอร์รอนมีมวล 1116 MeV, -ไฮเปอร์รอน - 1190 MeV, -ไฮเปอร์รอน -1320 MeV, -ไฮเปอร์รอน - 1670 MeV Mesons มีมวลอยู่ตรงกลางระหว่างมวลและ (-meson, K-meson) มีซอนที่เป็นกลางและมีประจุ (มีประจุไฟฟ้าพื้นฐานเป็นบวกและลบ) มีซอนทั้งหมดในแบบของตัวเอง เซนต์ คุณเป็นของ bosons

คุณสมบัติพื้นฐานของอนุภาคมูลฐานอนุภาคมูลฐานแต่ละอนุภาคอธิบายด้วยชุดของค่าทางกายภาพที่ไม่ต่อเนื่อง ปริมาณ (เลขควอนตัม) ลักษณะทั่วไปของอนุภาคมูลฐานทั้งหมด - มวล อายุการใช้งาน ไฟฟ้า ค่าใช้จ่าย.
ขึ้นอยู่กับอายุการใช้งาน อนุภาคมูลฐานแบ่งออกเป็นเสถียร กึ่งเสถียร และไม่เสถียร (เรโซแนนซ์) ความเสถียร (ภายใต้ความแม่นยำของการวัดสมัยใหม่) คือ: (อายุการใช้งานมากกว่า 5 -10 21 ปี), (มากกว่า 10 31 ปี), โฟตอน และ . อนุภาคกึ่งเสถียรรวมถึงอนุภาคที่สลายตัวเนื่องจากปฏิกิริยาทางแม่เหล็กไฟฟ้าและปฏิกิริยาที่อ่อนแอ อายุการใช้งานของพวกมันมากกว่า 10 -20 วินาที เรโซแนนซ์จะสลายไปเนื่องจากการโต้ตอบที่รุนแรง อายุการใช้งานของพวกมันคือ 10 -22 -10 -24 วินาที
ลักษณะภายใน (เลขควอนตัม) ของอนุภาคมูลฐานคือประจุเลปตัน (สัญลักษณ์ L) และแบริออน (สัญลักษณ์ B) ตัวเลขเหล่านี้ถือเป็นค่าอนุรักษ์อย่างเคร่งครัดสำหรับกองทุนทุกประเภท ปฏิสัมพันธ์ สำหรับ leptonic และ L มีสัญญาณตรงกันข้าม สำหรับ baryons B = 1 สำหรับ B = -1 ที่สอดคล้องกัน
Hadrons โดดเด่นด้วยการมีเลขควอนตัมพิเศษ: "ความแปลก", "เสน่ห์", "ความงาม" Hadrons สามัญ (ไม่แปลก) - mesons ภายในกลุ่มต่างๆ ของแฮดรอน มีตระกูลของอนุภาคที่มีมวลใกล้เคียงกันและมีคุณสมบัติคล้ายกันในแง่ของปฏิสัมพันธ์ที่รุนแรง แต่มีการสลายตัว ค่าไฟฟ้า ค่าใช้จ่าย; ตัวอย่างที่ง่ายที่สุดคือ โปรตอน และ . จำนวนควอนตัมทั้งหมดสำหรับอนุภาคมูลฐานดังกล่าว - ที่เรียกว่า ไอโซโทป ซึ่งเหมือนกับปกติ คือรับค่าจำนวนเต็มและครึ่งจำนวนเต็ม ในบรรดาลักษณะพิเศษของฮาดรอนคือความเท่าเทียมกันที่แท้จริง ซึ่งรับเอาค่าต่างๆ1
คุณสมบัติที่สำคัญของอนุภาคมูลฐานคือความสามารถในการแลกเปลี่ยนอันเป็นผลมาจากปฏิสัมพันธ์ทางแม่เหล็กไฟฟ้าหรืออื่นๆ การเปลี่ยนแปลงร่วมกันประเภทหนึ่งคือสิ่งที่เรียกว่า การเกิด หรือการก่อตัวของทั้งอนุภาคและ (ในกรณีทั่วไป การก่อตัวของอนุภาคมูลฐานที่มีประจุเลปตันหรือแบริออนตรงข้ามกัน) กระบวนการที่เป็นไปได้คือการผลิตอิเล็กตรอน-โพซิตรอน e - e + , อนุภาคหนักชนิดใหม่แบบมิวโอนิกในการชนกันของเลปตอน, การก่อตัวของสถานะ cc- และ bb จากควาร์ก (ดูด้านล่าง) การเปลี่ยนแปลงซึ่งกันและกันของอนุภาคมูลฐานอีกประเภทหนึ่งคือการทำลายล้างระหว่างการชนกันของอนุภาคด้วยการก่อตัวของโฟตอนจำนวนจำกัด (ควอนตา) โดยปกติแล้ว โฟตอน 2 ตัวจะก่อตัวขึ้นโดยมีอนุภาคที่ชนกันทั้งหมดเป็นศูนย์และโฟตอน 3 ตัวที่มีทั้งหมดเท่ากับ 1 (การแสดงออกของกฎการอนุรักษ์ความเสมอภาคของประจุ)
ภายใต้เงื่อนไขบางประการ โดยเฉพาะอย่างยิ่งที่ความเร็วต่ำของการชนกันของอนุภาค เป็นไปได้ที่จะสร้างระบบที่ถูกผูกไว้ - e - e + และระบบที่ไม่เสถียรเหล่านี้ ซึ่งมักเรียกว่า อายุการใช้งานใน v-ve ขึ้นอยู่กับ St-in ใน v-va มาก ซึ่งทำให้สามารถใช้คอนเดนเซอร์เพื่อศึกษาโครงสร้างได้ in-va และจลนพลศาสตร์ของเคมีอย่างรวดเร็ว p-tions (ดู,)

แบบจำลองควาร์กของฮาดรอนการตรวจสอบจำนวนควอนตัมของแฮดรอนอย่างละเอียดด้วยมุมมองของพวกเขานำไปสู่ข้อสรุปว่าแฮดรอนที่แปลกประหลาดและแฮดรอนธรรมดาร่วมกันสร้างความสัมพันธ์ของอนุภาคที่มีคุณสมบัติใกล้เคียงกัน ซึ่งเรียกว่ายูนิทารีมัลติเพลต จำนวนอนุภาคที่รวมอยู่ในนั้นคือ 8 (ออกเตต) และ 10 (ดีคูเล็ต) อนุภาคที่ประกอบกันเป็นพหุคูณเอกภาพจะมีส่วนที่เหมือนกันและส่วนต่อขยาย ความเท่าเทียมกัน แต่ค่าไฟฟ้าต่างกัน ประจุ (อนุภาคของไอโซโทปทวีคูณ) และความแปลก หมู่เกาะเซนต์มีความเกี่ยวข้องกับกลุ่มที่รวมกันการค้นพบของพวกเขาเป็นพื้นฐานสำหรับการสรุปเกี่ยวกับการมีอยู่ของหน่วยโครงสร้างพิเศษซึ่งสร้างฮาดรอนควาร์ก มีความเชื่อกันว่าฮาดรอนเป็นการรวมกันของ 3 ฟันดัม อนุภาคที่มี 1/2: ไอ-ควาร์ก, ดี-ควาร์ก และ เอส-ควาร์ก ดังนั้น มีซอนประกอบด้วยควาร์กและแอนตีควาร์ก ส่วนแบริออนประกอบด้วยควาร์ก 3 ตัว
ข้อสันนิษฐานที่ว่าแฮดรอนประกอบด้วยควาร์ก 3 ตัวถูกสร้างขึ้นในปี 1964 (โดย J. Zweig และอิสระโดย M. Gell-Mann) ต่อมาในแบบจำลองโครงสร้างของแฮดรอน (โดยเฉพาะอย่างยิ่ง เพื่อหลีกเลี่ยงความขัดแย้งกับ ) ได้รวมควาร์กอีกสองตัว - "มีเสน่ห์" (c) และ "สวยงาม" (b) และแนะนำลักษณะพิเศษของควาร์ก - "รสชาติ" และ "สี" ควาร์กที่ทำหน้าที่เป็นส่วนประกอบของฮาดรอนไม่ถูกพบในสถานะอิสระ ความหลากหลายของฮาดรอนเกิดจากการย่อยสลาย การรวมกันของ u-, d-, s-, c- และ b-quarks สร้างสถานะที่ถูกผูกไว้ แฮดรอนสามัญ (,-mesons) สอดคล้องกับสถานะขอบเขตที่สร้างขึ้นจาก u- และ d-quarks การมี s-, c- หรือ b-quark หนึ่งตัวในแฮดรอนร่วมกับ i- และ d-quark หมายความว่าแฮดรอนที่สอดคล้องกันนั้น "แปลก" "มีเสน่ห์" หรือ "สวยงาม"
แบบจำลองควาร์กของโครงสร้างของฮาดรอนได้รับการยืนยันจากการทดลองที่ดำเนินการในคอน 60s - ต้น
ยุค 70 ศตวรรษที่ 20 ควาร์กเริ่มถูกพิจารณาว่าเป็นอนุภาคมูลฐานชนิดใหม่ ซึ่งเป็นอนุภาคมูลฐานอย่างแท้จริงสำหรับสสารในรูปแบบแฮดรอนิกส์ เห็นได้ชัดว่าการไม่สามารถสังเกตได้ของฟรีควาร์กนั้นเป็นลักษณะพื้นฐานและบ่งชี้ว่าพวกมันคืออนุภาคมูลฐานที่ปิดสายโซ่ของส่วนประกอบโครงสร้างของเกาะ มีทฤษฏี และการทดลอง ข้อโต้แย้งที่สนับสนุนข้อเท็จจริงที่ว่าแรงที่กระทำระหว่างควาร์กไม่ได้ลดลงตามระยะทาง กล่าวคือ ต้องใช้พลังงานมหาศาลมหาศาลเพื่อแยกควาร์กออกจากกัน หรืออีกนัยหนึ่ง การเกิดขึ้นของควาร์กในสถานะอิสระนั้นเป็นไปไม่ได้ สิ่งนี้ทำให้พวกเขากลายเป็นหน่วยโครงสร้างประเภทใหม่อย่างสมบูรณ์ในหมู่เกาะ เป็นไปได้ว่าควาร์กทำหน้าที่เป็นขั้นตอนสุดท้ายของสสาร

ข้อมูลทางประวัติศาสตร์โดยสังเขป.อนุภาคมูลฐานที่ค้นพบครั้งแรกมีค่าเป็นลบ ไฟฟ้า ชาร์จในสัญญาณไฟฟ้าทั้งสอง ประจุ (K. Anderson และ S. Neddermeyer, 1936) และ K-mesons (กลุ่มของ S. Powell, 1947; X. Yukawa แนะนำการมีอยู่ของอนุภาคดังกล่าวในปี 1935) ในคอน 40s - ต้น 50s พบอนุภาค "ประหลาด" อนุภาคแรกของกลุ่มนี้ - K + - และ K - mesons, L-hyperons - ถูกบันทึกไว้ในอวกาศด้วย รังสี
ตั้งแต่แรก 50s ตัวเร่งความเร็วได้กลายเป็นหลัก เครื่องมือวิจัยอนุภาคมูลฐาน. มีการค้นพบ antiproton (1955), antineutron (1956), anti-hyperon (1960) และในปี 1964 - หนักที่สุดว -ไฮเปอร์. ในปี 1960 พบเสียงสะท้อนที่ไม่เสถียรจำนวนมากที่ตัวเร่งความเร็ว ในปี พ.ศ. 2505 เห็นได้ชัดว่ามีสองสิ่งที่แตกต่างกัน: อิเล็กตรอนและมิวออน ในปี พ.ศ. 2517 มีการค้นพบอนุภาคขนาดใหญ่ (มวลโปรตอน 3-4 ตัว) และในขณะเดียวกันก็ค่อนข้างเสถียร (เมื่อเทียบกับการสั่นพ้องธรรมดา) ซึ่งกลายเป็นความสัมพันธ์อย่างใกล้ชิดกับกลุ่มอนุภาคมูลฐานกลุ่มใหม่ - "หลงเสน่ห์" ตัวแทนกลุ่มแรก ถูกค้นพบในปี 1976 ในปี 1975 มีการค้นพบอะนาล็อกหนักของ u-lepton ในปี 1977 ซึ่งเป็นอนุภาคที่มีมวลประมาณสิบมวลโปรตอน ในปี 1981 - อนุภาค "สวยงาม" ในปี พ.ศ. 2526 ได้มีการค้นพบอนุภาคมูลฐานที่หนักที่สุด โบซอน (มวล 80 GeV) และ Z° (91 GeV)
ดังนั้นในช่วงหลายปีที่ผ่านมานับตั้งแต่มีการค้นพบ มีการระบุอนุภาคขนาดเล็กต่างๆ จำนวนมาก โลกของอนุภาคมูลฐานกลายเป็นเรื่องซับซ้อน และคุณสมบัติหลายอย่างก็คาดไม่ถึง

ประเด็น: Kokkede Ya., ทฤษฎีควาร์ก, [แปล. จากภาษาอังกฤษ], M., 1971; Markov M. A. , เกี่ยวกับธรรมชาติของสสาร , M. , 1976; Okun L.B., Leptons and Quarks, 2nd ed., M., 1990

1. แนวคิดแรกเกี่ยวกับโครงสร้างของสสาร

ทฤษฎีแรกเกี่ยวกับโครงสร้างของสสารถูกนำเสนอเมื่อนานมาแล้ว Thales นักวิทยาศาสตร์ชาวกรีกผู้มีชื่อเสียงซึ่งมีชีวิตอยู่เมื่อ 2,600 ปีที่แล้วพยายามตลอดชีวิตเพื่อเจาะลึกปัญหาโครงสร้างของโลก ความรู้ด้านเรขาคณิตและดาราศาสตร์ของเขาน่าทึ่งมาก เขาสามารถติดตามรอบดวงจันทร์และสุริยะและทำนายสุริยุปราคาเต็มดวงได้ คุณสามารถจินตนาการถึงความตื่นเต้นและความกลัวเมื่อสองพันห้าพันปีที่แล้ว แต่ข้อดีหลักของ Thales คือเขาเป็นคนแรกที่ตั้งคำถามเกี่ยวกับองค์ประกอบเริ่มต้นของโลก เขาเป็นคนแรกที่มองเห็นบันไดที่ทอดลึกเข้าไปในเนื้อหา

ธาเลสเชื่อว่าพื้นฐานของทุกสิ่งคือน้ำ เขาโต้แย้งว่าหากน้ำควบแน่นก็จะได้วัตถุที่เป็นของแข็ง ถ้าน้ำระเหยก็จะได้อากาศ ในขณะที่โลกยังลอยอยู่ในน้ำได้เหมือนท่อนไม้

Empedocles จาก Agrigent ในงานเขียนของเขาได้ยืนยันการมีอยู่ของธาตุทั้งสี่: ไฟ อากาศ น้ำ และดิน; การโต้เถียงว่าสิ่งอื่นประกอบด้วยพวกเขา และองค์ประกอบต่างๆ เองก็รวมเป็นหนึ่งโดยพลังแห่งปฏิสัมพันธ์ ("ตัวกระตุ้นการเคลื่อนไหว"): ความรักที่รวมกันเป็นหนึ่ง และความเป็นปฏิปักษ์ที่แยกพวกเขาออกจากกัน

ในศตวรรษที่ 5 พ.ศ. ผู้ติดตามของ Thales - Leucippus และ Democritus ลูกศิษย์ของเขาแสดงมุมมองว่าทุกสิ่งประกอบด้วยอนุภาคที่เล็กที่สุด - อะตอม พวกเขาข้ามขั้นตอนของโมเลกุลและก้าวเข้าสู่ขั้นตอนขององค์ประกอบทันที ดังนั้นพวกเขาจึงคิดอะตอมขึ้นมาเมื่อสองพันปีก่อนที่จะถูกค้นพบเช่นนี้ "อะตอม" ในภาษากรีกแปลว่าแบ่งแยกไม่ได้ Leucippus และ Democritus กล่าวว่า อะตอม- อนุภาคของแข็งจำนวนไม่สิ้นสุดที่แบ่งแยกไม่ได้ เช่นเดียวกับเมล็ดพืช อะตอมสามารถเป็นได้ รูปร่างต่างๆ- กลม เสี้ยม แบน และอื่น ๆ ดังนั้นโลกที่ประกอบด้วยพวกมันจึงเต็มไปด้วยคุณสมบัติและคุณภาพอย่างไม่รู้จักหมดสิ้น ติดกันงอมแงม ตะขอ, อะตอมก่อตัวเป็นของแข็ง ตรงกันข้าม อะตอมของน้ำนั้นเรียบและลื่น ดังนั้นมันจึงกระจายออกไปและไม่มีรูปร่าง อะตอมของของเหลวหนืดมีเสี้ยน อากาศเป็นโมฆะที่มีอะตอมที่วิ่งได้ยาก ในขณะที่ไฟมีอะตอมที่แหลมคมและเต็มไปด้วยหนาม

เมื่อต้นศตวรรษที่สิบแปด ทฤษฎีปรมาณูกำลังได้รับความนิยมมากขึ้นเรื่อยๆ มาถึงตอนนี้ผลงานของนักเคมีชาวฝรั่งเศส A. Lavoisier (1743-1794) นักวิทยาศาสตร์ชาวรัสเซีย M.V. Lomonosov และนักเคมีและนักฟิสิกส์ชาวอังกฤษ D. Dalton (1766-1844) เป็น ได้พิสูจน์ความเป็นจริงของการมีอยู่ของอะตอม. นักเคมีชาวรัสเซียที่โดดเด่น D.I. Mendeleev ซึ่งในปี 1869 ได้พัฒนา ตารางธาตุซึ่งเป็นครั้งแรกบนพื้นฐานทางวิทยาศาสตร์ที่มีการตั้งคำถามเกี่ยวกับธรรมชาติที่เป็นหนึ่งเดียวของอะตอม ในช่วงครึ่งหลังของศตวรรษที่ XIX ได้รับการพิสูจน์จากการทดลองแล้วว่า อิเล็กตรอนเป็นหนึ่งในส่วนหลักของสารใด ๆ ข้อสรุปเหล่านี้รวมถึงข้อมูลการทดลองจำนวนมากนำไปสู่ความจริงที่ว่าในตอนต้นของศตวรรษที่ 20 เกิดคำถามร้ายแรงขึ้น อาคารอะตอม.

การยืนยันโดยอ้อมครั้งแรกเกี่ยวกับโครงสร้างที่ซับซ้อนของอะตอมได้มาจากการศึกษารังสีแคโทดที่เกิดขึ้นจากการปล่อยไฟฟ้าในก๊าซที่หายากมาก การศึกษาคุณสมบัติของรังสีเหล่านี้นำไปสู่ข้อสรุปว่าพวกมันเป็นกระแสของอนุภาคขนาดเล็กที่มีประจุไฟฟ้าลบและบินด้วยความเร็วใกล้เคียงกับความเร็วแสง โดยใช้วิธีการพิเศษ มันเป็นไปได้ที่จะกำหนดมวลของอนุภาคแคโทดและขนาดของประจุ เพื่อค้นหาว่าพวกมันไม่ได้ขึ้นอยู่กับธรรมชาติของก๊าซที่เหลืออยู่ในหลอดหรือสารที่อิเล็กโทรดอยู่ ทำขึ้นหรือในเงื่อนไขอื่น ๆ ของการทดลอง ยิ่งไปกว่านั้น อนุภาคแคโทดิกเป็นที่รู้จักเฉพาะในสถานะที่มีประจุเท่านั้น และไม่สามารถปราศจากประจุและเปลี่ยนเป็นอนุภาคที่เป็นกลางทางไฟฟ้าได้: ประจุไฟฟ้าเป็นแก่นแท้ของธรรมชาติ อนุภาคเหล่านี้เรียกว่า อิเล็กตรอนถูกค้นพบในปี พ.ศ. 2440 โดยนักฟิสิกส์ชาวอังกฤษ เจ. ทอมสัน แบบจำลองอะตอมของทอมสันไม่ได้ถือว่าอนุภาคที่มีประจุบวกอยู่ภายในอะตอม แต่จะอธิบายการปล่อยอนุภาคแอลฟาที่มีประจุบวกด้วยสารกัมมันตภาพรังสีได้อย่างไร แบบจำลองอะตอมของทอมสันไม่ได้ตอบคำถามอื่นเช่นกัน

ในปี 1911 นักฟิสิกส์ชาวอังกฤษ E. Rutherford ได้ค้นพบการเคลื่อนที่ของอนุภาคแอลฟาในก๊าซและสารอื่นๆ ส่วนที่มีประจุบวก อะตอม. การศึกษาอย่างละเอียดถี่ถ้วนเพิ่มเติมแสดงให้เห็นว่าเมื่อลำแสงของรังสีคู่ขนานผ่านชั้นของก๊าซหรือแผ่นโลหะบาง ๆ มันจะไม่ใช่รังสีคู่ขนานที่โผล่ออกมาอีกต่อไป แต่เป็นรังสีที่ค่อนข้างแตกต่างกัน: อนุภาคแอลฟาจะกระจัดกระจาย กล่าวคือ ผิดไปจากวิถีเดิม มุมโก่งมีขนาดเล็ก แต่มีอนุภาคจำนวนน้อยเสมอ (ประมาณหนึ่งในหลายพัน) เบี่ยงประเด็นมาก. อนุภาคบางส่วนถูกโยนกลับ ราวกับว่าพบสิ่งกีดขวางที่ผ่านเข้าไปไม่ได้ระหว่างทาง การเบี่ยงเบนสามารถเกิดขึ้นได้เมื่อชนกับอนุภาคบวกซึ่งมีมวลอยู่ในลำดับเดียวกับมวลของอนุภาคแอลฟา จากการพิจารณาเหล่านี้ รัทเทอร์ฟอร์ดเสนอโครงร่างต่อไปนี้สำหรับโครงสร้างของอะตอม ที่ศูนย์กลางของอะตอมคือ นิวเคลียสประกอบด้วยอนุภาคที่มีประจุบวก - โปรตอนซึ่งอิเล็กตรอนโคจรรอบวงโคจรต่างๆ แรงเหวี่ยงที่เกิดขึ้นระหว่างการหมุนมีความสมดุลโดยแรงดึงดูดระหว่างนิวเคลียสและอิเล็กตรอนซึ่งเป็นผลมาจากการที่พวกมันยังคงอยู่ในระยะทางที่แน่นอนจากนิวเคลียส เนื่องจากมวลของอิเล็กตรอน เล็กน้อยจากนั้นมวลเกือบทั้งหมดของอะตอมจะกระจุกตัวอยู่ในนิวเคลียส

ในช่วงต้นทศวรรษที่ 30 ของศตวรรษของเรา วิทยาศาสตร์สมัยใหม่สามารถค้นหาคำอธิบายที่ยอมรับได้มากขึ้นเกี่ยวกับโครงสร้างของสสารโดยพิจารณาจากอนุภาคมูลฐานสี่ประเภท ได้แก่ โปรตอน นิวตรอน อิเล็กตรอนและ โฟตอน. มันเป็นโครงร่างที่เรียบง่ายและน่าดึงดูดมาก: ใช้อนุภาคมูลฐานเพียงสี่ประเภทตามกฎของกลศาสตร์ควอนตัม มันเป็นไปได้ที่จะอธิบายธรรมชาติขององค์ประกอบทางเคมี สารประกอบของพวกมัน และรังสีที่พวกมันปล่อยออกมา เพิ่มอนุภาคที่ห้า - นิวตริโน- ทำให้สามารถอธิบายกระบวนการสลายตัวของสารกัมมันตภาพรังสีได้ ดูเหมือนว่าอนุภาคมูลฐานที่มีชื่อนี้จะเป็นก้อนอิฐพื้นฐานของเอกภพในท้ายที่สุด

แต่ความเรียบง่ายที่เห็นได้ชัดนี้ก็หายไปในไม่ช้า น้อยกว่าหนึ่งปีหลังจากการค้นพบนิวตรอน มันถูกค้นพบ โพซิตรอน. ในปี พ.ศ. 2479 เป็นผลจากการปฏิสัมพันธ์ของรังสีคอสมิกกับสสารเป็นครั้งแรก เมซอน. ในปี พ.ศ. 2490 มีการค้นพบมีซอนประเภทที่สอง และหลังจากนั้นไม่นานก็สังเกตเห็นมีซอนที่มีลักษณะแตกต่างกันเช่นเดียวกับชนิดอื่นๆ อนุภาคที่ผิดปกติ. อนุภาคเหล่านี้ถือกำเนิดขึ้นภายใต้การกระทำของรังสีคอสมิก ซึ่งแทบจะเป็นไปไม่ได้เลยที่ในตอนแรกจะทำการศึกษารายละเอียดเกี่ยวกับคุณสมบัติและปฏิสัมพันธ์ของพวกมัน อย่างไรก็ตาม หลังจากที่พวกเขาถูกสร้างขึ้น ตัวเร่งความเร็วทำให้สามารถรับอนุภาคที่มีพลังงานสูงขึ้นได้ ไม่เพียงแต่จะทำการศึกษาดังกล่าวจำนวนมากเท่านั้น แต่ยังรวมถึงการค้นพบอนุภาคใหม่จำนวนมากพร้อมกันด้วย

ปัจจุบันรู้จัก mesons และอนุภาคอื่น ๆ ที่มีคุณสมบัติแปลก ๆ มากกว่าร้อยชนิด อนุภาคทั้งหมดนี้เรียกว่า "อนุภาคมูลฐาน". คำดังกล่าวไม่ได้หมายความว่าอนุภาคเหล่านี้เป็นส่วนประกอบสำคัญของเอกภพ ในแง่ที่ว่าพวกมันทั้งหมดก่อตัวเป็นอะตอม: โปรตอน นิวตรอน และอิเล็กตรอน รับมือกับงานนี้ได้อย่างน่าพอใจทีเดียว อย่างไรก็ตาม อนุภาคเหล่านี้เกิดขึ้นจากปฏิกิริยาของอนุภาคพื้นฐาน เรื่องธรรมดาและหลายคนมีส่วนร่วมโดยตรงหรือโดยอ้อมในปฏิสัมพันธ์หลักในเรื่องธรรมดา มวลของพวกมันมีตั้งแต่มวล 200 อิเล็กตรอนไปจนถึงมวลหลายเท่าของมวลโปรตอน การมีอยู่ของอนุภาคใหม่เหล่านี้เกิดขึ้นชั่วขณะ ไม่มีอนุภาคใดมีชีวิตอยู่ได้นานกว่าไม่กี่ไมโครวินาที และอนุภาคจำนวนมากจะสลายตัวหลังจากผ่านไปประมาณ 10 ถึงกำลัง -20 ของวินาทีหลังจากการก่อตัว (เรียกว่า เสียงสะท้อน). ผลิตภัณฑ์จากการสลายตัวขั้นสุดท้ายของอนุภาคเหล่านี้เป็นส่วนประกอบตามปกติของสสาร เช่น โปรตอน อิเล็กตรอน และโฟตอน ตลอดจนนิวตริโน

2. การจำแนกประเภทของอนุภาคมูลฐาน

ความหลากหลายนับไม่ถ้วนของสัตว์โลกสามารถแบ่งออกเป็นสี่อาณาจักร: สัตว์, พืช, เชื้อรา, แบคทีเรีย กระบวนการทั้งหมดที่สังเกตได้ในปัจจุบันถูกลดทอนให้เหลือเพียงสี่ประเภทของอันตรกิริยา: ความโน้มถ่วง แม่เหล็กไฟฟ้า แข็งแกร่งและอ่อนแอ นอกจากนี้ยังสามารถจำแนกอนุภาคมูลฐานได้อีกด้วย

เลปตัน

Leptons เป็นอนุภาคมูลฐานที่มีสปิน 1/2 ซึ่งไม่มีส่วนร่วมในอันตรกิริยาที่รุนแรง รู้จักเลปตอนที่มีประจุสามตัว: อิเล็กตรอน มิวออน และเทาเลปตอน - และสามตัวที่เป็นกลาง: อิเล็กตรอนนิวตริโน มิวออนนิวตริโน และเทานิวตริโน แต่ละอนุภาคเหล่านี้มีปฏิอนุภาคที่สอดคล้องกัน

คู่ของเลปตอนที่มีประจุเกิดขึ้นจากปฏิกิริยาทางแม่เหล็กไฟฟ้า ในการสลายตัวที่อ่อนแอ เลปตอนที่มีประจุแต่ละตัวจะเกิดมาพร้อมกับแอนตินิวตริโน "ของมันเอง" สันนิษฐานว่าเลปตอนทั้งหมดมีจำนวนควอนตัมเฉพาะ - หมายเลขเลปตันเท่ากับ +1 และแอนติเลปตอนทั้งหมด - หมายเลขเลปตันเท่ากับ -1 ตัวเลขนี้เหมือนกันในทุกกระบวนการที่สังเกตได้จนถึงตอนนี้ กระบวนการที่คาดว่าจะเห็นจำนวนเลปตอนที่ไม่คงอยู่: การสลายตัวของโปรตอน, สองเท่า ?- การสลายตัว การสั่นของนิวตริโน มิวออนและทีเลปตอนสลายตัวเนื่องจากอันตรกิริยาที่อ่อนแอ อิเล็กตรอนจะเสถียร

คำว่า "lepton" มาจากคำภาษากรีก "leptos" - เล็กแคบ (เปรียบเทียบ: lepta - เหรียญกรีกขนาดเล็ก)

แยกแยะ เลปตันสามชั่วอายุคน: รุ่นแรก: อิเล็กตรอน, อิเล็กตรอนนิวตริโน; รุ่นที่สอง: มิวออน, มิวออนนิวตริโน; รุ่นที่สาม: เทาเลปตัน เทานิวตริโน บวกที่เกี่ยวข้อง ปฏิอนุภาค. ดังนั้น แต่ละรุ่นจึงประกอบด้วยเลปตอนที่มีประจุลบ (+1e) แอนติเลปตอนที่มีประจุบวก (+1e) และนิวตริโนและแอนตินิวตริโนที่เป็นกลาง พวกมันทั้งหมดมีมวลที่ไม่เป็นศูนย์ แม้ว่ามวลนิวตริโนจะมีขนาดเล็กมากเมื่อเทียบกับมวลของอนุภาคมูลฐานอื่นๆ

ฮาดรอน

Hadrons เป็นอนุภาคที่เกี่ยวข้องกับ ปฏิสัมพันธ์ที่แข็งแกร่ง. แฮดรอนที่มีการหมุนเป็นจำนวนเต็มเรียกว่า มีซอนด้วยจำนวนเต็มครึ่ง - บาร์ยอน. เป็นที่ทราบกันว่ามีแฮดรอนหลายร้อยตัว

ฮาดรอนส่วนใหญ่ไม่เสถียรอย่างยิ่ง - สิ่งเหล่านี้เรียกว่าเสียงสะท้อน: พวกมันสลายตัวเป็นฮาดรอนที่เบากว่าผ่านการโต้ตอบที่รุนแรง อายุการใช้งานของเรโซแนนซ์น้อยกว่า 10 ถึง -21 กำลังของวินาที

ฮาดรอนกึ่งเสถียรมีอายุยืนกว่ามากและสลายตัวผ่านปฏิกิริยาที่อ่อนแอและแม่เหล็กไฟฟ้า ผลิตภัณฑ์สุดท้ายจากการสลายตัวของมีซอนกึ่งเสถียรคือมีซอนที่เบากว่า เลปตอน และโฟตอน และถ้ามีซอนที่สลายตัวหนักพอ ก็จะจับคู่แบริออน + แอนติแบริออน

เรียกแบริออนที่เบาที่สุด (โปรตอนและนิวตรอน) นิวคลีออน. baryons กึ่งเสถียรที่หนักกว่าเรียกว่า ไฮเปอร์ออน. ผลิตภัณฑ์สุดท้ายของการสลายตัวของไฮเปอร์ออนคือ เลปตอน โฟตอน มีซอนและแน่นอน นิวคลีออน.

นิวเคลียสของอะตอมประกอบด้วยโปรตอนและนิวตรอน แฮดรอนที่เหลืออยู่ในองค์ประกอบของสสารเสถียรที่อยู่รอบตัวเรา ไม่รวมพวกมันเกิดจากการชนกันของอนุภาคที่มีพลังงานสูง แหล่งที่มาของอนุภาคเหล่านี้คือตัวเร่งปฏิกิริยาและรังสีคอสมิก ตามแนวคิดสมัยใหม่ แฮดรอนไม่ใช่อนุภาคมูลฐานอย่างแท้จริง พวกมันประกอบด้วยควาร์ก

คำว่า "hadron" มาจากคำภาษากรีก "hadros" - ใหญ่โต แข็งแรง ใหญ่โต และในขณะนี้มีฮาดรอน ชั้นที่ใหญ่ที่สุด

ควาร์ก

นอกจากนี้ คำถามยังค่อนข้างเป็นระบบ: "คืออะไร ควาร์ก? และควาร์กเป็นอนุภาคมูลฐานจริงหรือไม่? มีการเขียนผลงานจำนวนมากเกี่ยวกับพวกเขานักวิทยาศาสตร์และนักวิจัยที่โดดเด่นที่สุดบางคนกำลังศึกษาพวกเขาและแน่นอนว่าในบทความนี้ฉันไม่มีโอกาสอธิบายแม้แต่ข้อมูลหนึ่งในพันของควาร์กที่มีอยู่ในปัจจุบัน แต่ฉันจะพยายามแม้ว่าจะเป็นการประมาณคร่าว ๆ แต่ฉันก็ยังจะตอบคำถามเหล่านี้โดยอ้างถึงผลงานของนักวิทยาศาสตร์และกลุ่มวิจัยต่างๆ ต่อไป ฉันจะนำเสนอทฤษฎีต่างๆ เกี่ยวกับควาร์ก ซึ่งฉันได้ดึงมาจากสิ่งพิมพ์ของนักวิทยาศาสตร์ที่มีชื่อเสียงที่สุดในสาขานี้และจัดเรียงตามลำดับเวลา

“หนึ่งในโครงร่างที่น่าสงสัยในการอธิบายอนุภาคมูลฐานคือแบบจำลองควาร์ก ซึ่งเป็นอีกแบบหนึ่ง การประดิษฐ์ของ M. Gell-Mannแบบจำลองนี้อนุมานว่าอนุภาคมูลฐานทั้งหมดเป็นการรวมกัน สามอนุภาคหลัก(เรียกว่าควาร์ก) และปฏิอนุภาคของพวกมัน ควาร์กมีคุณสมบัติที่ผิดปกติ: ประจุไฟฟ้าเท่ากับ ± 1/3e หรือ ± 2/3e และประจุแบริออนเท่ากับ ± 1/3 ดังนั้น คุณสมบัติพื้นฐานของควาร์กจึงไม่เหมือนกับของอนุภาคอื่นๆ อย่างไรก็ตาม การรวมกันของอนุภาคสมมุติเหล่านี้สร้างคุณสมบัติของแฮดรอนที่รู้จักทั้งหมดด้วยความแม่นยำที่น่าทึ่ง

นอกจากนี้ แบบจำลองควาร์กยังประสบความสำเร็จในการจำลองอายุการใช้งานที่ทราบกันในเชิงคุณภาพ โมเมนต์แม่เหล็ก และประเภทการสลายตัวของอนุภาคมูลฐาน ควาร์กมีจริงหรือไม่ หรือแบบจำลองควาร์กใช้เป็นเพียงวิธีที่สะดวกในการอธิบายอนุภาคมูลฐาน แต่ไม่มีความหมายทางกายภาพที่แท้จริง จนถึงขณะนี้ไม่เป็นที่รู้จัก

แม้ว่าแบบจำลองควาร์กจะประสบความสำเร็จอย่างมากในการอธิบายคุณสมบัติหลายอย่างของแฮดรอน แต่ก็ยังอยู่ในสถานะที่ไม่น่าพอใจนัก บางทีในที่สุดเราอาจจะสามารถอธิบายกระบวนการที่แข็งแกร่งทั้งหมดด้วยควาร์กเพียงสามตัวและแอนติพาร์ตของพวกมัน แทนที่จะต้องจัดการกับ "คอลเลกชันทางสัตววิทยา" ที่มีอนุภาคประมาณร้อยอนุภาค แต่ก่อนที่จะเป็นไปได้ จะต้องมีการค้นพบควาร์กและตรวจสอบคุณสมบัติของมันเสียก่อน การทดลองเกี่ยวกับการกระเจิงของอิเล็กตรอนเร็วโดยนิวคลีออนบ่งชี้การมีอยู่ของความยาวจำนวนหนึ่ง ซึ่งมีขนาดเล็กเมื่อเปรียบเทียบกับ 10~14 ซม. ซึ่งจะต้องมีบทบาทสำคัญในโครงสร้างของนิวคลีออน บางทีอาจมีบางส่วนอยู่ภายในนิวคลีออน วัตถุขนาดเล็ก - อาจจะเป็นควาร์ก.»

“ควาร์กเป็นอนุภาคที่มีการหมุน 1/2 ซึ่งเป็นองค์ประกอบของฮาดรอน ควาร์กที่รู้จัก หกพันธุ์ (รสชาติ), สามอัน - ลง, แปลก, สวยงาม, มีประจุไฟฟ้า -1/3, และที่เหลือขึ้น, เสน่ห์, จริง - มีประจุไฟฟ้า -2/3

ตาม โครโมไดนามิกส์ควอนตัมปฏิสัมพันธ์ที่รุนแรงระหว่างควาร์กเกิดจากการมีประจุสีเฉพาะในควาร์ก ควาร์กของแต่ละรสชาติมีอยู่สามสีที่แตกต่างกัน: "สีเหลือง", "สีน้ำเงิน"และ "สีแดง". ควาร์กสีหนึ่งสามารถเปลี่ยนเป็นควาร์กของสีอื่นได้โดยการเปล่งสีออกมา กลูออน. ปฏิสัมพันธ์ระหว่างควาร์กดำเนินการโดย การแลกเปลี่ยนกลูออน. ควาร์กอยู่ในฮาดรอนในสถานะสีดังกล่าวซึ่งแสดงประจุรวมของฮาดรอน ศูนย์. ดังนั้นจึงกล่าวได้ว่าฮาดรอนไม่มีสีหรือสีขาว

แม้ว่ากลุ่มมหาวิทยาลัยสแตนฟอร์ดได้รายงานการสังเกตการณ์อนุภาคอิสระที่มีประจุเป็นเศษส่วนมาเป็นเวลาหลายปีแล้ว แต่กลุ่มอื่นๆ กลับมองในแง่ลบในการค้นหาควาร์กอิสระ และนักฟิสิกส์ส่วนใหญ่ไม่เชื่อในแนวคิดที่ว่าควาร์กอิสระมีอยู่จริง ภายในกรอบของควอนตัมโครโมไดนามิกส์ มีสมมติฐานเกี่ยวกับ การคุมขัง(ความถูกต้องยังไม่ได้รับการพิสูจน์) ซึ่งโดยหลักการแล้วอนุภาคสี (ควาร์กและกลูออนและการผสมสี) ไม่สามารถอยู่ในสถานะอิสระได้

หลักฐานทางอ้อมประการแรกเกี่ยวกับการมีอยู่ของควาร์กได้มาจากการจำแนกประเภทของฮาดรอน ต่อมาในการทดลองเกี่ยวกับ ไม่ยืดหยุ่นลึกปฏิสัมพันธ์ของเลปตอนกับแฮดรอน การชนกันโดยตรงของเลปตอนกับควาร์กแต่ละตัวได้รับการลงทะเบียน การชนกันเหล่านี้เกิดขึ้นในส่วนลึกของฮาดรอนและคงอยู่ในช่วงเวลาสั้นๆ ซึ่งในระหว่างนั้นควาร์กไม่มีเวลาแลกเปลี่ยนกลูออนกับควาร์กตัวอื่นและมีปฏิสัมพันธ์เกือบจะเหมือนอนุภาคอิสระ ยิ่งมีการถ่ายโอนโมเมนตัม, เช่น. การชนกันของเลปตันกับควาร์กจะเกิดขึ้นในระยะทางที่น้อยกว่า ควาร์กยิ่งดูอิสระ. คุณสมบัตินี้ซึ่งเป็นผลมาจากอิสระเชิงซีมโทติค หมายความว่าควาร์กไม่ใช่ quasiparticles ไม่ใช่การกระตุ้นแบบกลุ่มของสารแฮดรอนิก แต่เช่นเดียวกับเลปตอน คืออนุภาคมูลฐานอย่างแท้จริง ความเป็นไปได้ที่ไม่เป็นองค์ประกอบของควาร์ก เช่นเดียวกับเลปตอน จะถูกค้นพบได้ก็ต่อเมื่อ การเจาะลึกอนุภาคเหล่านี้ เช่น สำหรับการถ่ายโอนโมเมนตัมที่ใหญ่ขึ้น

คำว่า "ควาร์ก" ถูกนำมาใช้ในปี 1964 โดย Gell-Mann และนำมาจากนวนิยายเรื่อง Finnigan's Wake ของ James Joyce (พระเอกมีความฝันที่นกนางนวลร้องไห้: "ควาร์กสามตัวสำหรับมาสเตอร์มาร์ค") Quark เป็นภาษาเยอรมันสำหรับคอทเทจชีส

“ตามแบบจำลองมาตรฐาน ทฤษฎีที่ดีที่สุดเกี่ยวกับโครงสร้างของสสารในปัจจุบัน ควาร์ก เมื่อรวมกันแล้วจะก่อตัวเป็นฮาดรอนที่หลากหลาย ปฏิสัมพันธ์ระหว่างควาร์กอธิบายโดยทฤษฎี ควอนตัมโครโมไดนามิกส์ (เรียกสั้นๆ ว่า QCD). ตามทฤษฎีนี้ ควาร์กมีปฏิสัมพันธ์ซึ่งกันและกัน แลกเปลี่ยนอนุภาคพิเศษ - กลูออน.

QCD พัฒนาแนวคิดของทฤษฎีที่ประสบความสำเร็จเป็นครั้งแรกจากชุดมาตรวัด - อิเล็กโทรไดนามิกส์ควอนตัม หรือ QED. จากข้อมูลของ QED แรงแม่เหล็กไฟฟ้าระหว่างอนุภาคที่มีประจุไฟฟ้าเกิดขึ้นจากการแลกเปลี่ยน โฟตอน (ปริมาณแสง). QCD ถูกจัดเรียงในทำนองเดียวกัน แต่แทนที่จะเป็นประจุไฟฟ้า อันตรกิริยาระหว่างควาร์กเกิดจากคุณสมบัติพิเศษชนิดหนึ่ง ซึ่งนักวิทยาศาสตร์เรียกว่า สี. สามารถมีสามความหมายหรือสามเฉดสีถ้าคุณต้องการ นักวิทยาศาสตร์เรียกพวกเขาตามอัตภาพ สีแดง สีเหลือง และสีน้ำเงินแต่ไม่ควรนำข้อกำหนดเหล่านี้มาใช้ตามตัวอักษร สีมีอยู่ในควาร์กเท่านั้น แต่ไม่มีแบริออนและเมซอน ซึ่งพวกมันเป็นส่วนหนึ่ง แบริออน (ซึ่งรวมถึงโปรตอนและนิวตรอนโดยเฉพาะ) ประกอบด้วยควาร์กสามตัว - แดง เหลือง และน้ำเงิน ซึ่งสีจะตัดกัน และเมซอนมาจากคู่ควาร์ก + แอนติควาร์ก ดังนั้นพวกมันจึงไม่มีสีเช่นกัน โดยทั่วไปแล้ว QCD ทำงานบนหลักการที่ว่าควาร์กในธรรมชาติสามารถสร้างการผสมดังกล่าวได้เท่านั้น ซึ่งสีทั้งหมดจะกลายเป็นกลาง

ปฏิสัมพันธ์ระหว่างควาร์กนั้นเกิดจากอนุภาคแปดชนิดที่เรียกว่ากลูออน (จากกาวภาษาอังกฤษ - "กาวกาว"; กลูออนเหมือนเดิมคือ "กาว" ควาร์กด้วยกัน) พวกเขาคือผู้แสดง ผู้ไกล่เกลี่ยในการโต้ตอบที่แข็งแกร่ง. อย่างไรก็ตาม กลูออนมีไม่เหมือนกับโฟตอนใน QED ซึ่งไม่มีประจุไฟฟ้า ค่าทำสีเองและอาจ เปลี่ยนสีของควาร์กที่พวกเขามีปฏิสัมพันธ์ ตัวอย่างเช่น ถ้าควาร์กสีน้ำเงินเปลี่ยนเป็นสีแดงเมื่อดูดซับกลูออน กลูออนนั้นจะมีประจุบวกเป็นหน่วยสีแดงและประจุลบเป็นสีน้ำเงิน เนื่องจากประจุสีทั้งหมดของควาร์กไม่เปลี่ยนแปลงในกรณีนี้ การโต้ตอบดังกล่าวภายในกรอบของ QCD จึงเป็นสิ่งที่ยอมรับได้และจำเป็นด้วยซ้ำ

KCD เปิดดำเนินการมาตั้งแต่ต้นทศวรรษ 1980 และยังคงดำเนินต่อไป ผ่านไปเรียบร้อยแล้วการตรวจสอบเชิงทดลองจำนวนหนึ่ง - จนถึงตอนนี้การคาดการณ์ทั้งหมดเกี่ยวกับผลลัพธ์ของการชนกันของอนุภาคมูลฐานพลังงานสูงได้รับการยืนยันโดยข้อมูลจริงที่ได้รับจากเครื่องเร่งความเร็ว

เมื่อพิจารณาถึงประเภทของอนุภาคมูลฐานแล้ว การไม่ตรวจสอบอันตรกิริยาของอนุภาคเหล่านี้จึงไม่ใช่เรื่องผิด มีสี่รายการในกรอบของทฤษฎีมาตรฐาน แต่ตามหัวข้อของงานนี้จำเป็นต้องพิจารณาเพียงสองรายการเท่านั้น

3. ปฏิสัมพันธ์ของอนุภาค

อนุภาค อะตอม ควาร์กเบื้องต้น

คำถามที่สำคัญที่สุดของฟิสิกส์คือคำถามเกี่ยวกับอันตรกิริยา ถ้าไม่มีปฏิสัมพันธ์กัน อนุภาคของสสารก็จะเคลื่อนที่อย่างอิสระโดยไม่รู้ว่ามีอนุภาคอื่นอยู่ เนื่องจากการโต้ตอบทำให้อนุภาคได้รับความสามารถในการจดจำอนุภาคอื่น ๆ และตอบสนองต่อพวกมันซึ่งเป็นผลมาจากพฤติกรรมร่วมกัน เพราะทั้งหมด สสารประกอบด้วยอนุภาคเพื่ออธิบายธรรมชาติของแรง ในที่สุดจำเป็นต้องหันไปใช้ฟิสิกส์ของอนุภาคมูลฐาน ด้วยการทำเช่นนี้ นักฟิสิกส์ค้นพบว่าอันตรกิริยาทั้งหมด ไม่ว่าจะแสดงออกมาอย่างไรในระดับมาก ก็สามารถลดลงเหลือสี่ประเภทพื้นฐาน: ความโน้มถ่วง แม่เหล็กไฟฟ้า และนิวเคลียร์สองประเภท

ครอบงำในระดับควาร์ก ปฏิกิริยานิวเคลียร์. ปฏิสัมพันธ์ที่แข็งแกร่ง เชื่อมต่อควาร์กเป็นโปรตอนและนิวตรอนและป้องกันไม่ให้นิวเคลียสหลุดออกจากกัน ครอบงำในระดับอะตอม ปฏิสัมพันธ์ทางแม่เหล็กไฟฟ้าเชื่อมโยงอะตอมและโมเลกุล ในระดับดาราศาสตร์ มันกลายเป็นสิ่งที่โดดเด่น ปฏิสัมพันธ์แรงโน้มถ่วง.

ในช่วงไม่กี่ปีที่ผ่านมา นักฟิสิกส์เริ่มสนใจความสัมพันธ์ระหว่างแรงพื้นฐานทั้งสี่ที่ควบคุมจักรวาลโดยรวม มีความเชื่อมโยงระหว่างพวกเขาหรือไม่? พวกเขาไม่ใช่แค่ hypostases ที่แตกต่างกันของปัจจัยพื้นฐานเดียวหรือไม่ มหาอำนาจ? หากมหาอำนาจดังกล่าวมีอยู่จริง ก็เป็นสิ่งที่แสดงถึงหลักการที่แข็งขันของกิจกรรมทั้งหมดในจักรวาล ตั้งแต่การกำเนิดของอนุภาคย่อยของอะตอมไปจนถึงการล่มสลายของดวงดาว การไขปริศนาของมหาอำนาจจะเพิ่มพลังเหนือธรรมชาติอย่างเหลือเชื่อ และยังช่วยให้เราสามารถอธิบายถึง "การสร้าง" ของโลกได้

เรารู้อยู่แล้วว่าอนุภาคมูลฐานมีปฏิสัมพันธ์ซึ่งกันและกันผ่านอนุภาคอื่นๆ ซึ่งพวกมันจะปล่อยและดูดซับออกมาอย่างต่อเนื่อง ชั้นของอนุภาคเหล่านี้ป้องกันประจุ ดังนั้นอนุภาคจากความสูงต่างๆ กันจึงดูเหมือนมีประจุต่างกัน นั่นคือวิธีการที่อนุภาคที่ชนกันมีประจุแตกต่างกันเสมอมองเห็นกัน ยิ่งพลังงานของพวกมันมากเท่าไร พวกมันก็ยิ่งทะลุทะลวงซึ่งกันและกันมากขึ้นเท่านั้น และพวกมันก็ยิ่งรู้สึกถึงการ "หายใจ" ของประจุที่ไม่มีเกราะกำบังส่วนกลางได้ชัดเจนยิ่งขึ้น ดังนั้นจึงคาดได้ว่าด้วยพลังงานที่เพิ่มขึ้น การโต้ตอบประเภทต่างๆ จะมีความคล้ายคลึงกันมากขึ้นเรื่อยๆ และเมื่อพลังงานสูงจะรวมเป็นปฏิสัมพันธ์เดียว นั่นคือ superforce จะมี "การรวมพลังอันยิ่งใหญ่" ของพลังแห่งธรรมชาติทั้งหมด

สถานการณ์จริงค่อนข้างซับซ้อนกว่า เมฆคัดกรองไม่ได้ก่อตัวขึ้นรอบๆ ประจุเท่านั้น แต่ยังเกิดขึ้นรอบๆ อนุภาคพาหะแต่ละอนุภาคด้วย ซึ่งอนุภาคที่ชนกันจะตรวจสอบซึ่งกันและกัน หากพาหะของการโต้ตอบมีน้ำหนักมาก การโต้ตอบนั้นจะถูกถ่ายโอนไปยังระยะทางที่เล็กมาก ห่างไกลจากศูนย์กลาง อนุภาคดังกล่าวแทบจะไม่เคยพบเลย และการโต้ตอบที่เกี่ยวข้องกับพวกมันก็แสดงออกมาอย่างอ่อนแอมาก ในกรณีอื่น ๆ พาหะคือแสง (เช่น โฟตอน) พวกมันสามารถเดินทางได้ไกลจากประจุที่ปล่อยออกมา และด้วยความช่วยเหลือ พวกมันจึงเกิดการโต้ตอบในระยะทางไกล

ดังนั้น ไม่เพียงแต่อนุภาคเท่านั้น แต่ยังรวมถึงแรงที่ผูกมัดพวกมันด้วย จึงกลายเป็นสิ่งที่ซับซ้อนเป็นพิเศษ คุณไม่สามารถเรียกมันว่าจุดที่ง่ายที่สุด! และยากที่จะเชื่อได้ว่าแรงโน้มถ่วงของอิเล็กตรอนสองตัวและแรงผลักแม่เหล็กไฟฟ้าที่มากกว่าหลายพันล้านนั้นเป็นกิ่งก้านของต้นไม้ต้นเดียวกัน

นักฟิสิกส์มาถึงแนวคิดเรื่อง "การรวมเป็นหนึ่งเดียว" เมื่อไม่นานมานี้ - ประมาณยี่สิบหรือสามสิบปีที่แล้วแม้ว่าขั้นตอนแรกจะดำเนินไปโดย Faraday และ Maxwell ผู้ซึ่งรวมไฟฟ้าและแม่เหล็กเข้าด้วยกันซึ่งตามที่เชื่อกันในตอนนั้น ปฏิสัมพันธ์ที่แตกต่างกัน พวกเขายังแนะนำแนวคิดของ "ฟิลด์" ฟาราเดย์พิสูจน์ว่าไฟฟ้าและแม่เหล็กเป็นสองส่วนประกอบของสนามแม่เหล็กไฟฟ้าเดียวกัน

ก้าวต่อไปสู่ ​​"การรวมเป็นหนึ่ง" นั้นยากกว่ามาก มันถูกสร้างขึ้นในช่วงกลางทศวรรษที่ 60 ของศตวรรษที่ยี่สิบเท่านั้น ความสนใจของนักฟิสิกส์ถูกดึงดูดโดยปฏิสัมพันธ์ที่อ่อนแอ มันมีคุณลักษณะที่แปลก: สำหรับแรงอื่นๆ ทั้งหมด สามารถระบุสนามที่อยู่ตรงกลางได้ ซึ่งควอนตั้มทำหน้าที่เป็นพาหะของอันตรกิริยา และในกระบวนการสลายตัว อนุภาคจะ "พูด" โดยตรงโดยไม่ต้องใช้ตัวกลาง ผลัก ซึ่งกันและกันเหมือนลูกบิลเลียด

เป็นเรื่องปกติที่จะสันนิษฐานว่าในกรณีนี้มีการแลกเปลี่ยนระหว่างอนุภาคด้วย แต่มีเพียงหนักเท่านั้นที่กระบวนการทั้งหมดเกิดขึ้นในระยะทางที่น้อยมาก และจากภายนอกดูเหมือนว่าอนุภาคกำลังผลักกัน

การคำนวณแสดงให้เห็นว่าหากไม่ได้เกิดจากอนุภาคตัวกลางที่มีมวลมาก การโต้ตอบดังกล่าวในคุณสมบัติของมันจะคล้ายกับแม่เหล็กไฟฟ้ามาก และนี่คือนักฟิสิกส์ 3 คน: Abdus Salam, Steve Weinberg และ Sheldon Gleshow ยอมรับว่าโฟตอนและอนุภาคหนักระดับกลางที่มีอันตรกิริยาอย่างอ่อนเป็นอนุภาคเดียวกัน เพียงแต่มี "ชั้นขน" ที่แตกต่างกันเท่านั้น ทฤษฎีที่พัฒนาขึ้นโดยพวกเขาเริ่มถูกเรียกว่า "อิเล็กโทรวีค" เนื่องจากในกรณีพิเศษประกอบด้วยอิเล็กโทรไดนามิกส์และทฤษฎีเก่าของการโต้ตอบที่อ่อนแอ ในไม่ช้าควอนตัมขนาดใหญ่ของสนามอิเล็กโทรวีคก็ถูกจับที่ตัวเร่ง - พี่น้องเมสันสามตัวที่มีมวลมากกว่าโปรตอนเกือบร้อยเท่า การสร้างทฤษฎีของสนามไฟฟ้าและการค้นพบการทดลองของพาหะนั้นได้รับรางวัลโนเบลสองรางวัลในคราวเดียว

ด้วยแรงบันดาลใจจากการค้นพบสนามอิเล็กโทรวีค นักฟิสิกส์รู้สึกสนใจแนวคิดใหม่สำหรับการรวมเป็นหนึ่งต่อไป นั่นคือการผสานปฏิสัมพันธ์ที่แข็งแกร่งกับสนามอิเล็กโทรวีค สาระสำคัญของความคิดนี้มีดังนี้ ควาร์กแต่ละตัวมีประจุไฟฟ้าแบบอะนาล็อกเรียกว่าสี ควาร์กมีสีสามชนิดซึ่งแตกต่างจากประจุ ดังนั้นสนามกลูออนจึงซับซ้อนกว่า ประกอบด้วยสนามพลังแปดองค์ประกอบ ในฮาดรอนทั่วไป - โปรตอนหรือนิวตรอน - การรวมกันของควาร์กสามตัว - แดง เขียว และน้ำเงิน - จะมีสี "ขาว" เสมอ มีซอนที่ปล่อยออกมาประกอบด้วยคู่ของควาร์ก-แอนติควาร์ก ดังนั้นพวกมันจึง "ไม่มีสี" เนื่องจากเรารู้ว่าเมื่ออนุภาคทำปฏิกิริยากัน ประจุของพวกมันจะถูกกรอง สิ่งนี้นำไปสู่ผลกระทบของความแตกต่างในช่วงของปฏิสัมพันธ์ของอนุภาคประเภทต่างๆ ค่าประมาณของระยะทางที่อันตรกิริยาทั้งหมดมีขนาดใกล้เคียงกันคือประมาณ 10 ถึง -29 เซนติเมตร พาหะอันตรกิริยา - อนุภาค X - มีมวลเท่ากับประมาณ 10 ยกกำลัง 14 ของมวลโปรตอน ในช่วงระยะเวลาเล็กน้อยที่มีอนุภาค X อยู่นั้น พลังงานและมวลมีความไม่แน่นอนอย่างมาก และในแง่นี้ เราก็เป็นเหมือนธาเลสและนักปรัชญาชาวกรีกคนอื่นๆ ที่คาดเดาเกี่ยวกับคุณสมบัติของอะตอมโดยไม่มีความหวังแม้แต่น้อยว่าจะได้เห็นมัน

อนุภาคมูลฐานไม่สามารถแบ่งออกเป็นส่วนที่ง่ายกว่าได้ (ซึ่งเป็นสาเหตุว่าทำไมจึงเรียกว่า "มูลฐาน") ในปฏิกิริยาใด ๆ ที่รู้จักกันในปัจจุบัน อนุภาคเหล่านี้จะผ่านเข้าหากันเท่านั้น นอกจากนี้ อนุภาคที่หนักกว่าสามารถเกิดจากปอดได้ ถ้าพวกมันเคลื่อนที่ด้วยความเร็วที่เพียงพอ (พลังงานจลน์จะเข้าสู่มวล)

อนุภาคมูลฐานแตกต่างกันในด้านประจุ การหมุน มวล อายุการใช้งาน และอื่นๆ ตัวอย่างเช่น อายุการใช้งานของโปรตอนยาวนานกว่าอายุของเอกภพ และโรมีซอนมีชีวิตอยู่ได้ 10 ถึง -23 องศาต่อวินาที มวลของโฟตอนและนิวตริโนมีค่าเท่ากับ 0 และมวลของแมกซิมอน (อนุภาคมูลฐานที่หนักที่สุดที่มีอยู่เท่านั้น) ซึ่งยังไม่ถูกค้นพบ แต่นักทฤษฎีคาดการณ์ไว้คือบางสิ่งประมาณไมโครกรัม - เหมือนจุดขนาดใหญ่ ฝุ่นผงที่มองเห็นได้ด้วยตา พวกเขาสามารถแบ่งออกเป็นครอบครัวและสมาชิกของแต่ละสามารถถือเป็นสถานะที่แตกต่างกันของอนุภาคเดียวกัน ครอบครัวรวมกันเป็นกลุ่มที่ซับซ้อนมากขึ้น - เผ่าหรือทวีคูณ แต่สิ่งสำคัญคือทวีคูณเชื่อมต่อกันด้วยกฎสมมาตร โดยทั่วไปแล้วมันจะกลายเป็นตารางธาตุของอนุภาคมูลฐานเช่น Mendeleev's สันนิษฐานได้ว่านักฟิสิกส์คลำหาโครงสร้างของสสารในระดับถัดไป

เครื่องเร่งอนุภาคมูลฐานมีบทบาทสำคัญในการพัฒนาความรู้ การส่งผ่านอิเล็กตรอนแสดงให้เห็นว่าโปรตอนไม่ใช่จุดจริง แต่เป็นวัตถุขนาดใหญ่ที่มีรัศมีประมาณ 10 ถึง -13 เซนติเมตร จากการวิเคราะห์ผลการทดลองใหม่เกี่ยวกับการกระเจิงของอิเล็กตรอน นักวิทยาศาสตร์สรุปว่านิวคลีออนเป็นกลุ่มของอนุภาคขนาดเล็กมาก ซึ่งเมื่อขยายต่ำกว่า จะดูเหมือนกลุ่มของเมซอนและอนุภาคมูลฐานอื่นๆ ที่ทับซ้อนกันและทะลุทะลวงซึ่งกันและกัน นักทฤษฎีที่เกี่ยวข้องในการจำแนกประเภทของอนุภาครู้สึกยินดี เนื่องจากพวกเขาสงสัยมานานแล้วว่าอนุภาคดังกล่าวมีอยู่จริง พวกเขาจึงเรียกมันในแบบของตัวเองเท่านั้นว่า ควาร์ก

เมื่อควาร์กปรากฏบนหน้าบทความทางทฤษฎี นักวิทยาศาสตร์หลายคนถือว่าควาร์กเป็นเพียงความอยากรู้อยากเห็นบางอย่าง เป็นโครงชั่วคราวบนหนทางสู่ทฤษฎีที่สมบูรณ์แบบยิ่งขึ้น อย่างไรก็ตาม นักฟิสิกส์ไม่มีเวลามองย้อนกลับไปเนื่องจากความช่วยเหลือของควาร์ก ข้อเท็จจริงการทดลองที่หลากหลายนั้นอธิบายได้ง่ายและชัดเจนมาก และการคำนวณทางทฤษฎีก็ง่ายขึ้นอย่างมาก มันเป็นไปไม่ได้เลยที่จะทำโดยไม่มีควาร์กรวมถึงไม่มีโมเลกุลและอะตอม

การทดลองสำรวจนิวคลีออนพิสูจน์ให้เห็นว่าควาร์กที่อยู่ใจกลางของอนุภาคมูลฐานแทบไม่มีปฏิสัมพันธ์ต่อกันและทำตัวเหมือนลูกโป่งที่ลอยอยู่ในอากาศ หากพวกเขาพยายามที่จะแยกย้ายกันไป ก็มีกองกำลังที่ดึงพวกเขาเข้าด้วยกันทันที ที่รอบนอก ควาร์กจะอยู่ในรูปของก้อนที่ถูกผูกไว้เท่านั้น เช่น ในรูปของไพมีซอน ซึ่งสอดคล้องกับทฤษฎีอันตรกิริยานิวเคลียร์ที่มีพื้นฐานจากมีซอน แต่ควาร์กมีปฏิกิริยาต่อกันอย่างไร? เนื่องจากวิทยาศาสตร์ไม่ทราบวิธีอื่นในการจัดระเบียบอันตรกิริยานอกจากการถ่ายโอนอนุภาค-พาหะของอันตรกิริยา จึงเสนอกลูออน - อนุภาคที่เกาะควาร์กเข้าด้วยกัน กลูออนเป็นเหมือนโฟตอน มีประจุเท่านั้น โฟตอนไม่ได้สร้างสนามรอบๆ ตัวมันเอง ดังนั้นสนามจึงมีความเข้มมากที่สุดใกล้กับแหล่งกำเนิดของมัน นั่นคือประจุไฟฟ้า จากนั้นจะค่อยๆ สลายและอ่อนลง ในทางกลับกัน กลูออนก่อให้เกิดกลูออนใหม่ด้วยประจุของมัน ซึ่งในทางกลับกัน ก่อให้เกิดกลูออนถัดไป และอื่น ๆ ดังนั้นสนามกลูออนจึงไม่อ่อนตัวลง แต่ในทางกลับกัน จะเพิ่มขึ้นตามระยะทาง จากควาร์กที่ก่อให้เกิดมัน ควาร์กที่ถดถอย เช่น โฟม ถูกปกคลุมไปด้วยกลูออนใหม่ และพันธะของพวกมันจะแข็งแรงขึ้น

ฟิสิกส์ของอนุภาคเป็นการผสมผสานระหว่างการทดลองและทฤษฎีที่น่าทึ่ง คุณสมบัติของอนุภาคที่เล็กที่สุดของสสารได้ถูกสร้างขึ้นและยังคงถูกสร้างอย่างต่อเนื่องในการทดลองที่มีความซับซ้อนอย่างเหนือชั้นในด้านอื่นๆ ของวิทยาศาสตร์ การทดลองที่ไม่เหมือนใครเหล่านี้ผสมผสานมาตราส่วนระดับอุตสาหกรรมอย่างแท้จริงเข้ากับความเที่ยงตรงของช่างอัญมณี ในกรณีส่วนใหญ่ วัตถุของการศึกษาเอง - อนุภาค - ถูกสร้างขึ้นที่นั่นในห้องปฏิบัติการด้วยความช่วยเหลือของตัวเร่งปฏิกิริยาและมีชีวิตอยู่ในช่วงเวลาที่ไม่มีนัยสำคัญที่เมื่อเทียบกับพวกเขาแล้ว ช่วงเวลาหนึ่งดูเหมือนชั่วนิรันดร์ ต้องพบกรณีของการสลายตัวที่หาได้ยากของอนุภาคหนึ่งท่ามกลางการสลายตัวที่ "ไม่น่าสนใจ" จำนวนหลายพันล้านครั้งที่คล้ายกัน ข้อมูลทั้งหมดเกี่ยวกับอนุภาคมูลฐานได้มาจากการตรวจวัดอย่างระมัดระวัง

แท็ก: อนุภาคมูลฐานบทคัดย่อเคมี

อนุภาคมูลฐาน ตามความหมายที่ถูกต้องของคำนี้ คือ อนุภาคปฐมภูมิที่แยกสลายต่อไปไม่ได้ ซึ่งตามสมมติฐานแล้ว สสารทั้งหมดประกอบด้วย

อนุภาคมูลฐานของฟิสิกส์สมัยใหม่ไม่เป็นไปตามคำจำกัดความที่เข้มงวดของธาตุเนื่องจากส่วนใหญ่ตามแนวคิดสมัยใหม่เป็นระบบคอมโพสิต คุณสมบัติทั่วไปของระบบเหล่านี้ก็คือ ว่าพวกมันไม่ใช่อะตอมหรือนิวเคลียส (ยกเว้นโปรตอน) ดังนั้นบางครั้งจึงเรียกว่าอนุภาคนิวเคลียร์ย่อย

อนุภาคที่อ้างว่าเป็นองค์ประกอบหลักของสสาร บางครั้งเรียกว่า "อนุภาคมูลฐานอย่างแท้จริง"

อนุภาคมูลฐานตัวแรกที่ค้นพบคืออิเล็กตรอน มันถูกค้นพบโดยทอมสันนักฟิสิกส์ชาวอังกฤษในปี พ.ศ. 2440

อนุภาคต่อต้านที่ค้นพบครั้งแรกคือโพซิตรอน ซึ่งเป็นอนุภาคที่มีมวลเท่ากับอิเล็กตรอน แต่มีประจุไฟฟ้าเป็นบวก ปฏิอนุภาคนี้ถูกค้นพบในรังสีคอสมิกโดยนักฟิสิกส์ชาวอเมริกัน Anderson ในปี 1932

ในฟิสิกส์ยุคใหม่ กลุ่มของอนุภาคมูลฐานมีมากกว่า 350 อนุภาค ซึ่งส่วนใหญ่ไม่เสถียร และจำนวนของพวกมันยังคงเพิ่มขึ้นอย่างต่อเนื่อง

หากอนุภาคมูลฐานก่อนหน้านี้มักพบในรังสีคอสมิก ดังนั้นตั้งแต่ต้นทศวรรษ 1950 เครื่องเร่งความเร็วจึงกลายเป็นเครื่องมือหลักในการศึกษาอนุภาคมูลฐาน

มวลและขนาดของอนุภาคมูลฐานในระดับจุลภาคจะเป็นตัวกำหนดความจำเพาะเชิงควอนตัมของพฤติกรรมของพวกมัน ความสม่ำเสมอทางควอนตัมเป็นปัจจัยชี้ขาดพฤติกรรมของอนุภาคมูลฐาน

คุณสมบัติทางควอนตัมที่สำคัญที่สุดของอนุภาคมูลฐานทั้งหมดคือความสามารถในการเกิดและทำลาย (ปล่อยและดูดซับ) เมื่อมีปฏิสัมพันธ์กับอนุภาคอื่น กระบวนการทั้งหมดที่มีอนุภาคมูลฐานดำเนินไปตามลำดับของการดูดซึมและการปล่อยอนุภาคเหล่านั้น

กระบวนการต่างๆ ที่มีอนุภาคมูลฐานแตกต่างกันอย่างเห็นได้ชัดในความเข้มของอนุภาค

ตามความเข้มที่แตกต่างกันของปฏิสัมพันธ์ของอนุภาคมูลฐาน พวกมันถูกแบ่งออกเป็นหลายชั้นทางปรากฏการณ์วิทยา: แข็งแกร่ง, แม่เหล็กไฟฟ้าและอ่อนแอ นอกจากนี้ อนุภาคมูลฐานทั้งหมดยังมีอันตรกิริยาจากแรงดึงดูด

ปฏิสัมพันธ์ที่รุนแรงของอนุภาคมูลฐานทำให้เกิดกระบวนการที่มีความเข้มข้นมากที่สุดเมื่อเทียบกับกระบวนการอื่นๆ และนำไปสู่การเชื่อมต่อที่แข็งแกร่งที่สุดของอนุภาคมูลฐาน สิ่งนี้เป็นตัวกำหนดพันธะระหว่างโปรตอนและนิวตรอนในนิวเคลียสของอะตอม

ปฏิสัมพันธ์ทางแม่เหล็กไฟฟ้าแตกต่างจากสิ่งอื่นโดยการมีส่วนร่วมของสนามแม่เหล็กไฟฟ้า สนามแม่เหล็กไฟฟ้า (ในฟิสิกส์ควอนตัม - โฟตอน) จะถูกปล่อยออกมาหรือถูกดูดซับในระหว่างการโต้ตอบ หรือถ่ายโอนปฏิสัมพันธ์ระหว่างวัตถุ

ปฏิสัมพันธ์ทางแม่เหล็กไฟฟ้าช่วยให้มั่นใจได้ถึงการเชื่อมต่อของนิวเคลียสและอิเล็กตรอนในอะตอมและโมเลกุลของสสาร และด้วยเหตุนี้จึงกำหนด (ตามกฎของกลศาสตร์ควอนตัม) ความเป็นไปได้ของสถานะที่เสถียรของระบบไมโครดังกล่าว

อันตรกิริยาที่อ่อนแอของอนุภาคมูลฐานทำให้เกิดกระบวนการที่ช้ามากกับอนุภาคมูลฐาน รวมถึงการสลายตัวของอนุภาคกึ่งเสถียร

ปฏิสัมพันธ์ที่อ่อนแอนั้นอ่อนแอกว่าไม่เพียง แต่แข็งแกร่งเท่านั้น แต่ยังรวมถึงปฏิสัมพันธ์ทางแม่เหล็กไฟฟ้าด้วย แต่แข็งแกร่งกว่าแรงโน้มถ่วงมาก

อันตรกิริยาเชิงโน้มถ่วงของอนุภาคมูลฐานนั้นอ่อนที่สุดจากทั้งหมดเท่าที่ทราบ อันตรกิริยาความโน้มถ่วงที่ระยะทางซึ่งเป็นลักษณะเฉพาะของอนุภาคมูลฐานทำให้เกิดผลน้อยมากเนื่องจากมวลของอนุภาคมูลฐานมีขนาดเล็กมาก

ปฏิสัมพันธ์ที่อ่อนแอนั้นแข็งแกร่งกว่าแรงโน้มถ่วงมาก แต่ในชีวิตประจำวันบทบาทของปฏิสัมพันธ์ด้วยแรงโน้มถ่วงนั้นสังเกตได้ชัดเจนกว่าบทบาทของปฏิสัมพันธ์ที่อ่อนแอ นี่เป็นเพราะอันตรกิริยาของแรงโน้มถ่วง (เช่นเดียวกับแม่เหล็กไฟฟ้า) มีรัศมีของการกระทำที่กว้างใหญ่ไพศาล ตัวอย่างเช่น วัตถุที่ตั้งอยู่บนพื้นผิวโลกได้รับผลกระทบจากแรงดึงดูดจากอะตอมทั้งหมดที่ประกอบกันเป็นโลก การโต้ตอบที่อ่อนแอนั้นมีรัศมีของการกระทำเพียงเล็กน้อยที่ยังไม่ได้วัด

ในฟิสิกส์ยุคใหม่ ทฤษฎีควอนตัมสัมพัทธภาพของระบบฟิสิกส์มีบทบาทพื้นฐานโดยมีระดับอิสระเป็นจำนวนไม่สิ้นสุด นั่นคือทฤษฎีสนามควอนตัม ทฤษฎีนี้สร้างขึ้นเพื่ออธิบายคุณสมบัติทั่วไปที่สุดอย่างหนึ่งของไมโครเวิร์ล นั่นคือความสามารถในการเปลี่ยนสภาพซึ่งกันและกันแบบสากลของอนุภาคมูลฐาน เพื่ออธิบายกระบวนการดังกล่าว จำเป็นต้องมีการเปลี่ยนไปยังฟิลด์คลื่นควอนตัม ทฤษฎีสนามควอนตัมจำเป็นต้องมีสัมพัทธภาพ เพราะหากระบบประกอบด้วยอนุภาคที่เคลื่อนที่ช้าๆ พลังงานของพวกมันอาจไม่เพียงพอที่จะสร้างอนุภาคใหม่ที่มีมวลนิ่งไม่เป็นศูนย์ อนุภาคที่มีมวลนิ่งเป็นศูนย์ (โฟตอน อาจเป็นนิวตริโน) มีความสัมพันธ์กันเสมอ กล่าวคือ เคลื่อนที่ด้วยความเร็วแสงเสมอ

วิธีที่เป็นสากลในการดำเนินการโต้ตอบทั้งหมด โดยอิงตามความสมมาตรของมาตรวัด ทำให้สามารถรวมเข้าด้วยกันได้

ทฤษฎีสนามควอนตัมกลายเป็นเครื่องมือที่เพียงพอที่สุดสำหรับการทำความเข้าใจธรรมชาติของปฏิสัมพันธ์ของอนุภาคมูลฐานและรวมปฏิสัมพันธ์ทุกประเภท

ควอนตัมอิเล็กโทรไดนามิกส์เป็นส่วนหนึ่งของทฤษฎีสนามควอนตัมที่เกี่ยวข้องกับปฏิสัมพันธ์ของสนามแม่เหล็กไฟฟ้าและอนุภาคที่มีประจุไฟฟ้า (หรือสนามอิเล็กตรอน-โพซิตรอน)

ในปัจจุบัน ควอนตัมอิเล็กโทรไดนามิกส์ถือเป็นส่วนสำคัญของทฤษฎีเอกภาพของปฏิสัมพันธ์ที่อ่อนแอและแม่เหล็กไฟฟ้า

ขึ้นอยู่กับการมีส่วนร่วมในปฏิสัมพันธ์ประเภทต่างๆ อนุภาคมูลฐานที่ศึกษาทั้งหมดยกเว้นโฟตอนนั้นแบ่งออกเป็นสองกลุ่มหลักคือแฮดรอนและเลปตอน

Hadrons (จากภาษากรีก - ใหญ่และแข็งแรง) - คลาสของอนุภาคมูลฐานที่เกี่ยวข้องกับปฏิสัมพันธ์ที่รุนแรง (พร้อมกับแม่เหล็กไฟฟ้าและอ่อนแอ) Leptons (จากภาษากรีก - บางและเบา) - คลาสของอนุภาคมูลฐานที่ไม่มีปฏิสัมพันธ์รุนแรง มีส่วนร่วมในปฏิสัมพันธ์ทางแม่เหล็กไฟฟ้าและอ่อนแอเท่านั้น (การมีอยู่ของอันตรกิริยาโน้มถ่วงในอนุภาคมูลฐานทั้งหมด รวมทั้งโฟตอน เป็นการบอกเป็นนัย)

ยังไม่มีทฤษฎีที่สมบูรณ์ของฮาดรอน ไม่มีปฏิสัมพันธ์ที่ชัดเจนระหว่างทฤษฎีเหล่านี้ แต่มีทฤษฎีที่ไม่สมบูรณ์และไม่ได้รับการยอมรับในระดับสากล ทำให้สามารถอธิบายคุณสมบัติพื้นฐานของฮาดรอนได้ ทฤษฎีนี้เป็นควอนตัมโครโมไดนามิกส์ ซึ่งฮาดรอนประกอบด้วยควาร์ก และแรงระหว่างควาร์กเกิดจากการแลกเปลี่ยนกลูออน ฮาดรอนที่ค้นพบทั้งหมดประกอบด้วยควาร์กห้าชนิดที่แตกต่างกัน ("รสชาติ") ควาร์กของ "รสชาติ" แต่ละชนิดสามารถอยู่ในสถานะ "สี" สามสถานะ หรือมี "ประจุสี" ต่างกันสามสถานะ

หากกฎที่กำหนดความสัมพันธ์ระหว่างปริมาณที่เป็นลักษณะเฉพาะของระบบทางกายภาพ หรือกำหนดการเปลี่ยนแปลงของปริมาณเหล่านี้เมื่อเวลาผ่านไป ไม่เปลี่ยนแปลงภายใต้การเปลี่ยนแปลงบางอย่างที่ระบบสามารถอยู่ภายใต้ได้ ก็จะถือว่ากฎเหล่านี้มีความสมมาตร (หรือ ไม่แปรผัน) ที่เกี่ยวกับการแปลงเหล่านี้ ในทางคณิตศาสตร์ การแปลงสมมาตรประกอบด้วยกลุ่ม

ในทฤษฎีสมัยใหม่เกี่ยวกับอนุภาคมูลฐาน แนวคิดเรื่องความสมมาตรของกฎเกี่ยวกับการเปลี่ยนแปลงบางอย่างเป็นแนวคิดหลัก ความสมมาตรถือเป็นปัจจัยที่กำหนดการมีอยู่ของกลุ่มและตระกูลต่างๆ ของอนุภาคมูลฐาน

อันตรกิริยาที่รุนแรงนั้นสมมาตรเมื่อเทียบกับการหมุนใน "พื้นที่ไอโซโทป" พิเศษ จากมุมมองทางคณิตศาสตร์ สมมาตรแบบไอโซโทปสอดคล้องกับการแปลงของกลุ่มสมมาตรแบบรวม SU(2) สมมาตรแบบไอโซโทปไม่ใช่สมมาตรที่แน่นอนของธรรมชาติ เพราะ มันถูกทำลายโดยปฏิกิริยาแม่เหล็กไฟฟ้าและความแตกต่างของมวลควาร์ก

สมมาตรไอโซโทปเป็นส่วนหนึ่งของสมมาตรปฏิสัมพันธ์ที่แข็งแกร่งโดยประมาณที่กว้างกว่า สมมาตร SU(3) แบบรวม สมมาตรแบบรวมจะแตกหักมากกว่าไอโซโทป อย่างไรก็ตาม ขอแนะนำว่า สมมาตรเหล่านี้ ซึ่งถูกละเมิดอย่างมากจากพลังงานที่ได้รับ จะถูกฟื้นฟูด้วยพลังงานที่สอดคล้องกับสิ่งที่เรียกว่า "การรวมเป็นหนึ่งที่ยิ่งใหญ่"

สำหรับคลาสของสมการสมมาตรภายในของสมการทฤษฎีสนาม (เช่น สมมาตรที่เกี่ยวข้องกับคุณสมบัติของอนุภาคมูลฐาน ไม่ใช่กับคุณสมบัติของกาลอวกาศ) จะใช้ชื่อสามัญ - สมมาตรมาตรวัด

สมมาตรของมาตรวัดนำไปสู่ความจำเป็นในการมีอยู่ของฟิลด์มาตรวัดเวกเตอร์ การแลกเปลี่ยนควอนตาซึ่งกำหนดปฏิสัมพันธ์ของอนุภาค

แนวคิดเรื่องความสมมาตรของมาตรวัดกลายเป็นสิ่งที่มีผลมากที่สุดในทฤษฎีเอกภาพของปฏิสัมพันธ์ที่อ่อนแอและแม่เหล็กไฟฟ้า

ปัญหาที่น่าสนใจของทฤษฎีสนามควอนตัมคือการรวมปฏิสัมพันธ์ที่แข็งแกร่ง

ทิศทางของการรวมกันที่มีแนวโน้มอีกประการหนึ่งคือความสมมาตรแบบซูเปอร์เกจ หรือเรียกง่ายๆ ว่าความสมมาตรระดับซูเปอร์เกจ

ในช่วงทศวรรษที่ 60 นักฟิสิกส์ชาวอเมริกัน S. Weinberg, S. Glashow, นักฟิสิกส์ชาวปากีสถาน A. Salam และคนอื่นๆ ได้สร้างทฤษฎีอันเอกภาพของการอันตรกิริยาที่อ่อนแอและแม่เหล็กไฟฟ้า ซึ่งต่อมาเรียกว่าทฤษฎีมาตรฐานของการอันตรกิริยาของอิเล็กโทรวีก ในทฤษฎีนี้พร้อมกับโฟตอนซึ่งดำเนินการปฏิสัมพันธ์ทางแม่เหล็กไฟฟ้า โบซอนเวกเตอร์ระดับกลางปรากฏขึ้น - อนุภาคที่มีปฏิสัมพันธ์ที่อ่อนแอ อนุภาคเหล่านี้ถูกค้นพบโดยการทดลองในปี 1983 ที่ CERN

การค้นพบเชิงทดลองของโบซอนเวกเตอร์ระดับกลางเป็นการยืนยันความถูกต้องของแนวคิดพื้นฐาน (มาตรวัด) ของทฤษฎีมาตรฐานของการปฏิสัมพันธ์ด้วยไฟฟ้า

อย่างไรก็ตาม เพื่อทดสอบทฤษฎีทั้งหมด จำเป็นต้องทดลองศึกษากลไกการทำลายสมมาตรที่เกิดขึ้นเองด้วย หากกลไกนี้ถูกนำมาใช้ในธรรมชาติจริง ๆ จะต้องมีสเกลาร์โบซอนระดับประถมศึกษา - ที่เรียกว่าฮิกส์โบซอน ทฤษฎี electroweak มาตรฐานทำนายการมีอยู่ของสเกลาร์โบซอนอย่างน้อยหนึ่งตัว