Елементарні частинки. Загальні відомості про елементарні частки

Елементарниминазиваються частки, яким (на даному етапі розвитку фізики) не можна приписати жодної внутрішньої структури.

Основні частинки, що входять до складу атома, - електрони, протони та нейтрони - спочатку вважалися нездатними до перетворень та будь-яких змін. Тому їх назвали елементарними. Однак надалі було показано, що термін "елементарна частка" досить умовний. Так, наприклад, у вільного нейтрону час життя близько 15 хвилин, а потім він розпадається на протон, електрон та антинейтрино:

З усіх відкритих нині елементарних частинок лише фотон, електрон, протон і нейтрино зберігали свою незмінність, якби кожна їх була одна у навколишньому просторі.

Елементарні частки підпорядковуються законам квантової фізики.

В основу сучасної класифікації елементарних частинок покладено їх основні властивості: маса, електричний заряд, спин та час життя, а також лептонний та баріонний заряди.

У таблиці 23.1 наведено деякі відомості про властивості елементарних частинок з часом більш ніж 10 -20 с. Частинки у таблиці розташовані за зростанням їхньої маси.

У таблицю елементарних частинок не включені всі короткоживучі частинки-резонанси, зокрема "зачаровані" частинки. Не включені також переносники слабких взаємодій – векторні бозони. В результаті виходить 39 частинок.

Таблиця відкривається фотоном. Фотон, залишаючись на самоті, утворює першу групу. Фотони є кванти електромагнітного поля (світла, -випромінювання і т.д.), немає відповідних античастинок, тобто. є власними античастинками.

Наступну групу утворюють легкі частки - лептони.До неї входить дванадцять частинок (включаючи античастинки). Це електрон, мюон (відкритий у космічних променях в 1937 р. - це важкий аналог електрона, що має масу приблизно в 200 разів більшу масу електрона) і -лептон (таон має масу, що приблизно в 3500 разів перевищує масу електрона). Кожна з цих трьох частинок має своє нейтрино, яке супроводжує свою власну заряджену частинку в різноманітних взаємоперетвореннях: електронне нейтрино народжується разом з електронами, мюонне нейтрино - разом з мюонами, лептон - разом з лептонами. Хоча лептон має дуже велику масу, він включений до групи лептонів, оскільки за всіма іншими властивостями він близький до них. Головна властивість, яка його ріднить з іншими лептонами, полягає в тому, що ця частка, як і інші лептони, не бере участі в сильних взаємодіях

Таблиця 23.1

Далі йдуть мезони.Ця група складається із восьми частинок. Найбільш легкі з них-мезони: позитивні, негативні та нейтральні. Їх маси становлять 264,1 та 273,1 електронних мас. Півонії є квантами ядерного поля, подібно до того, як фотони - кванти електромагнітного поля. Ще є чотири-мезони і один-мезон.

Остання група - баріони- Найбільша. До неї входить 18 частинок із 39. Найлегшими з баріонів є нуклони - протони та нейтрони. За ними йдуть так звані гіперони. Вся таблиця замикається (омега-мінус)-частинкою, відкритою в 1964 р. Її маса в 3273 рази більша за масу електрона.

Мезони і баріони є класом адронів- Частинок, що беруть участь у сильних взаємодіях. Адрони поділяються на " стабільні " частинки згодом життя з і резонанси, час життя з, тобто. відповідають часу сильної взаємодії. Довжина їх пробігу з народження до моменту розпаду становить близько 10 -15 м. й у детекторах ці частки не залишають ніяких треків. Вони проявляються у вигляді піків на графіках залежності про перетинів розсіювання від енергії. Резонанси розпадаються за рахунок сильної взаємодії, стабільні частки - за рахунок електромагнітної та слабкої взаємодій.

Поділ елементарних частинок на групи визначається не тільки різницею в масах, а й іншими важливими властивостями, наприклад, спином.

Лептони і баріони мають спин, рівний спини мезонів дорівнюють 0, а спин фотона дорівнює 1.

Між елементарними частинками існує чотири типи взаємодій - гравітаційна, електромагнітна, сильна і слабка.

Сильна взаємодіявластиво важким часткам, починаючи з півонії. Найбільш відомий його прояв – ядерні сили, які забезпечують існування атомних ядер.

У електромагнітній взаємодіїбезпосередньо беруть участь лише електрично заряджені частинки та фотони. Найбільш відомий його прояв – кулонівські сили, що зумовлюють існування атомів. Саме електромагнітна взаємодія відповідальна за переважну більшість макроскопічних властивостей речовини. Воно ж викликає анігіляцію електронно-позитронної пари та багато інших мікроскопічних процесів.

Слабка взаємодіяхарактерно всім частинок, крім фотонів. Найбільш відомий його прояв - -розпад нейтрону та цілого ряду атомних ядер.

Гравітаційна взаємодіяпритаманне всім тілам Всесвіту, виявляючись у вигляді сил всесвітнього тяжіння. Ці сили забезпечують існування зірок, планетних систем тощо. Гравітаційна взаємодія є гранично слабкою і не відіграє істотної ролі у світі елементарних частинок при звичайних енергіях. У світі елементарних частинок гравітація стає суттєвою при колосальних енергіях порядку 1022 МеВ, які відповідають надмалим відстаням порядку 10-35 м.

Елементарних частинок нині налічується дуже багато (понад 350). Тому постає питання: чи є щось спільне у структурі цих частинок? Чи можна вважати їх елементарними?

У 1963 р. М. Гелл-Ман і Дж. Цвейг висунули гіпотезу про існування у природі кількох частинок, названих кварками. Згідно з цією гіпотезою, всі мезони, баріони та резонанси - тобто. адрони, складаються з кварків та антикварків, комбінації яких різні.

Спочатку було введено гіпотезу про існування трьох кварків (і відповідно трьох антикварків). Кварки позначаються літерами u, d, s.Вони повинні мати дрібні електричні заряди. Перший з них - u-Кварк - має заряд - e,а d-і s-кварки мають однакові заряди, рівні де e- модуль заряду електрона. Було передбачено існування четвертого кварку, c-кварка, названого "зачарованим". Потім експериментально було виявлено частинки, що містять цей кварк. Маса с-кварка перевищує масу s-Кварювання. Згодом були передбачені, а потім і відкриті ще важчі b- І t-Кварки.

Кварки поряд з лептонами вважаються елементарними частинками. У вільному стані кварки поки не знайдено, і зараз висловлено припущення про неможливість поділу частинок на кварки. В основі цих припущень лежить твердження про те, що сили взаємодії між кварками не зменшуються з відстанню, тому витягти кварки з часток не можна.

Запитання на закріплення вивченої теми

1 Дайте визначення коефіцієнта розмноження нейтронів.

2 За яких значень k ядерна реакція буде керованою? некерованої?

3 Що таке критична маса? Як її можна зменшити?

4 Як влаштований ядерний реактор?

5 Що таке елементарна частка?

6 На які групи поділяються відомі елементарні частки?

У фізиці елементарними частинками називали фізичні об'єкти масштабах ядра атома, які неможливо розділити на складові. Однак, на сьогодні, ученим все ж таки вдалося розщепити деякі з них. Структуру та властивості цих дрібних об'єктів вивчає фізика елементарних частинок.

Про найменші частинки, що становлять всю матерію, було відомо ще в давнину. Проте, основоположниками так званого «атомізму» прийнято вважати філософа Стародавню Грецію Левкіппа та її відомого учня — Демокрита. Передбачається, що другий і запровадив термін «атом». З давньогрецького «atomos» перекладається як «неподільний», що визначає погляди давніх філософів.

Пізніше стало відомо, що атом все ж таки можна розділити на два фізичні об'єкти – ядро ​​та електрон. Останній згодом і став першою елементарною часткою, коли в 1897-му році англієць Джозеф Томсон провів експеримент з катодними променями і виявив, що вони являють собою потік однакових частинок з однаковою масою та зарядом.

Паралельно з роботами Томсона, який займається дослідженням рентгенівського випромінювання, Анрі Беккерель проводить досліди з ураном і відкриває новий вид випромінювання. У 1898 році французька пара фізиків – Марія та П'єр Кюрі вивчають різні радіоактивні речовини, виявляючи те саме радіоактивне випромінювання. Пізніше буде встановлено, що воно складається з альфа (2 протони та 2 нейтрони) та бета-часток (електрони), а Беккерель та Кюрі отримають Нобелівську премію. Проводячи свої дослідження з такими елементами як уран, радій та полоній, Марія Склодовська-Кюрі не вживала жодних заходів безпеки, у тому числі не використовувала навіть рукавички. Як наслідок у 1934 році її наздогнала лейкемія. На згадку про досягнення великого вченого, відкритий парою Кюрі елемент, полоній, було названо на честь батьківщини Марії – Polonia, з латинського – Польща.

Фотографія з V Сольвіївського конгресу 1927 рік. Спробуйте знайти всіх вчених з цієї статті на даному фото.

Починаючи з 1905 року, Альберт Ейнштейн присвячує свої публікації недосконалості хвильової теорії світла, постулати якої розходилися з результатами експериментів. Що згодом привело видатного фізика до ідеї про «світловий квант» — порцію світла. Пізніше, 1926-го року, він був названий як «фотон», у перекладі з грецького «phos» («світло»), американським фізіохіміком — Гілбертом М. Льюїсом.

В 1913 Ернест Резерфорд, британський фізик, ґрунтуючись на результатах вже проведених на той час експериментів, зазначив, що маси ядер багатьох хімічних елементів кратні масі ядра водню. Тому він припустив, що ядро ​​водню є складовою ядер інших елементів. У своєму експерименті Резерфорд опромінював альфа-частинками атом азоту, який у результаті випромінював якусь частинку, названу Ернестом як «протон», з ін. грецького «протос» (перший, основний). Пізніше експериментально підтверджено, що протон – це ядро ​​водню.

Очевидно, протон не єдина складова частина ядер хімічних елементів. До такої думки наводить той факт, що два протони в ядрі відштовхувалися б, і атом миттєво розпадався. Тому Резерфорд висунув гіпотезу про наявність ще однієї частки, яка має масу, що дорівнює масі протона, але є незарядженою. Деякі досліди вчених щодо взаємодії радіоактивних і легших елементів призвели їх до відкриття ще одного нового випромінювання. У 1932 році Джеймс Чедвік визначив, що воно складається з тих самих нейтральних частинок, які назвав нейтронами.

Таким чином, були відкриті найвідоміші частки: фотон, електрон, протон та нейтрон.

Далі відкриття нових суб'ядерних об'єктів ставали дедалі частіше подією, і зараз відомо близько 350 частинок, які прийнято вважати «елементарними». Ті з них, які досі не вдалося розщепити, вважаються безструктурними та називаються «фундаментальними».

Що таке спін?

Перш ніж переходити до подальших інновацій у галузі фізики, слід визначитися з характеристиками всіх частинок. До найвідоміших, крім маси та електричного заряду, відноситься також і спин. Ця величина називається інакше як «власний момент імпульсу» і аж ніяк не пов'язана з переміщенням суб'ядерного об'єкта як цілого. Вченим вдалося виявити частинки зі спином 0, ½, 1, 3/2 та 2. Щоб уявити наочно, хоч і спрощено, спин, як властивість об'єкта, розглянемо наступний приклад.

Нехай предмет має спин рівний 1. Тоді такий об'єкт при повороті на 360 градусів повернеться у вихідне положення. На площині цим предметом може бути олівець, який після розвороту на 360 градусів опиниться у вихідному положенні. У випадку з нульовим спином, при будь-якому обертанні об'єкта він виглядатиме завжди однаково, наприклад, однокольоровий м'ячик.

Для спина ? потрібно предмет, що зберігає свій вигляд при розвороті на 180 градусів. Їм може бути той самий олівець, тільки симетрично нагострений з обох боків. Спин рівний 2 вимагатиме збереження форми при повороті на 720 градусів, а 3/2 - 540.

Ця характеристика має дуже велике значення для фізики елементарних частинок.

Стандартна модель частинок та взаємодій

Маючи значний набір мікрооб'єктів, що становлять навколишній світ, вчені вирішили їх структурувати, так утворилася відома всім теоретична конструкція під назвою «Стандартна модель». Вона описує три взаємодії та 61 частку за допомогою 17-ти фундаментальних, деякі з яких були нею передбачені задовго до відкриття.

Три взаємодії такі:

• Електромагнітний. Воно відбувається між електрично зарядженими частинками. У простому випадку, відомому зі школи — різноіменно заряджені об'єкти притягуються, а однойменно відштовхуються. Відбувається це за допомогою так званого переносника електромагнітної взаємодії - фотона.
• Сильна, інакше – ядерна взаємодія. Як зрозуміло з назви, його дія поширюється на об'єкти порядку ядра атома, він відповідає за тяжіння протонів, нейтронів та інших частинок, що також складаються з кварків. Сильне взаємодія переноситься з допомогою глюонів.
• Слабке. Діє на відстанях у тисячу менших за розмір ядра. У такій взаємодії беруть участь лептони та кварки, а також їх античастинки. У цьому разі слабкого взаємодії можуть перетворюватися друг в друга. Переносниками є бозони W+, W− та Z0.

Так Стандартна модель сформувалася в такий спосіб. Вона включає шість кварків, з яких складаються всі адрони (частки, схильні до сильної взаємодії):

• Верхній (u);
• Зачарований (c);
• Істинний (t);
• Нижній (d);
• Дивний (s);
• Чарівний (b).

Видно, що епітетів фізикам не позичати. Інші 6 частинок – лептони. Це фундаментальні частинки зі спином, які не беруть участь у сильній взаємодії.

• Електрон;
• Електронне нейтрино;
• Мюон;
• Мюонне нейтрино;
• Тау-лептон;
• Тау-нейтріно.

А третьою групою Стандартної моделі є калібрувальні бозони, які мають рівний спин 1 і видаються переносниками взаємодій:

• Глюон – сильне;
• Фотон – електромагнітне;
• Z-бозон – слабке;
• W-бозон – слабке.

До них також відноситься і недавно виявлений частинка зі спином 0, яка, спрощено кажучи, наділяє всі інші суб'ядерні об'єкти інертною масою.

В результаті, згідно зі Стандартною моделлю, наш світ виглядає таким чином: вся речовина складається з 6 кварків, що утворюють адрони, та 6 лептонів; всі ці частинки можуть брати участь у трьох взаємодіях, переносниками яких є калібрувальні бозони.

Недоліки Стандартної моделі

Проте, ще до відкриття бозона Хіггса – останньої частки, яку передбачала Стандартна модель, вчені вийшли за її межі. Яскравим прикладом є т.зв. «гравітаційна взаємодія», яка сьогодні перебуває нарівні з іншими. Імовірно, його переносником є ​​частка зі спином 2, яка не має маси, і яку фізикам ще не вдалося виявити — «гравітон».

Більш того, Стандартна модель описує 61 частинку, а на сьогоднішній день людству відомо вже понад 350 частинок. Це означає, що на досягнутому роботу фізиків-теоретиків не закінчено.

Класифікація частинок

Щоб спростити собі життя, фізики згрупували всі частки залежно від особливостей їхньої будови та інших характеристик. Класифікація буває за такими ознаками:

• Час життя.
  1. Стабільні. У тому числі протон і антипротон, електрон і позитрон, фотон, і навіть гравітон. Існування стабільних частинок не обмежена часом, доки вони перебувають у вільному стані, тобто. не взаємодіють із чимось.
  2. Нестабільні. Всі інші частки через деякий час розпадаються на свої складові, тому називаються нестабільними. Наприклад, мюон живе лише 2,2 мікросекунди, а протон — 2,9 10*29 років, після чого може розпастися на позитрон і нейтральний півонія.
• Маса.
  1. Безмасові елементарні частинки, яких лише три: фотон, глюон та гравітон.
  2. Масивні частинки – решта.
• Значення спини.
  1. Цілий спин, у т.ч. нульовий, мають частинки, які називаються бозонами.
  2. Частинки з напівцілим спином – ферміони.
• Участь у взаємодію.
  1. Адрони (структурні частки) – суб'ядерні об'єкти, що беруть участь у всіх чотирьох типах взаємодій. Раніше згадувалося, що вони складаються із кварків. Адрони поділяються на два підтипи: мезони (цілий спин, є бозонами) та баріони (напівцілий спин - ферміони).
  2. Фундаментальні (безструктурні частки). До них відносяться лептони, кварки та калібрувальні бозони (читайте раніше – «Стандартна модель…»).

Ознайомившись із класифікацією всіх частинок, можна, наприклад, точно визначити деякі з них. Так нейтрон є ферміоном, адроном, а точніше баріоном і нуклоном, тобто має напівцілий спин, складається з кварків і бере участь у 4-х взаємодіях. Нуклон же – це загальна назва для протонів та нейтронів.

• Цікаво, що противники атомізму Демокріта, який передбачав існування атомів, заявляли, що будь-яка речовина у світі ділиться нескінченно. Якоюсь мірою вони можуть виявитися правими, оскільки вченим вже вдалося поділити атом на ядро ​​та електрон, ядро ​​на протон і нейтрон, а їх у свою чергу на кварки.
• Демокріт припускав, що атоми мають чітку геометричну форму, і тому «гострі» атоми вогню – обпалюють, шорсткі атоми твердих тіл міцно скріплюються своїми виступами, а гладкі атоми води прослизають при взаємодії, інакше – течуть.
• Джозеф Томсон склав власну модель атома, який представлявся йому як позитивно заряджене тіло, в яке ніби «устромлені» електрони. Його модель отримала назву «пудинг із ізюмом» (Plum pudding model).
• Кварки отримали свою назву завдяки американському фізику Мюррею Гелл-Манну. Вчений хотів використати слово, схоже на звук крякання качки (kwork). Але в романі Джеймса Джойса «Поминки по Фіннегану» зустрів слово «quark», у рядку «Три кварки для містера Марка!», сенс якого точно не визначений і можливо, що Джойс використовував його просто для рими. Мюррей вирішив назвати частки цим словом, оскільки на той час було відомо лише три кварки.
• Хоча фотони, частинки світла є безмасовими, поблизу чорної дірки, здається, що вони змінюють свою траєкторію, притягуючись до неї за допомогою гравітаційної взаємодії. Насправді ж надмасивне тіло викривляє простір-час, через що будь-які частинки, у тому числі й не мають маси, змінюють свою траєкторію у бік чорної діри (див. ).
• Великий адронний колайдер саме тому «адронний», що стикає два спрямовані пучки адронів, частинок розмірами порядку ядра атома, які беруть участь у всіх взаємодіях.

ЕЛЕМЕНТАРНІ ЧАСТИНИ, у вузькому значенні - частинки, які не можна вважати Складаються з інших частинок. У совр. фізиці термін "елементарні частинки" використовують у ширшому значенні: так зв. дрібні частинки матерії, підпорядковані умові, що вони є і (виняток становить); іноді з цієї причини елементарні частинки називають суб'ядерними частинками. Більшість таких частинок (а їх відомо більше 350) є складовими системами.
Е лементарні частинки беруть участь в електромагнітному, слабкому, сильному та гравітаційному взаємодіях. Через малі маси елементарних частинок їх гравітаційний взаємод. зазвичай не враховується. Усі елементарні частинки поділяють на три осн. групи. Першу складають т. зв. бозони-переносники електрослабкої взаємодії. Сюди відноситься фотон або квант електромагнітного випромінювання. Маса спокою фотона дорівнює нулю, тому швидкість поширення електромагнітних хвиль (в т. ч. світлових хвиль) являє собою граничну швидкість поширення фіз. впливу і є одним із фундам. фіз. постійних; прийнято, що з = (299792458 1,2) м/с.
Друга група елементарних частинок - лептони, що у електромагнітних і слабких взаємодіях. Відомо 6 лептонів: , електронне, мюонне, важкий-лептон та відповідне. (Символ е) вважається матеріальним найменшої маси в природі m с, що дорівнює 9,1 x 10 -28 г (в енергетич. одиницях 0,511 МеВ) і найменшого заперечують. електрич. заряду е = 1,6 x 10-19 Кл. (Символ) - частинки з масою бл. 207 мас (105,7 МеВ) та електрич. зарядом, рівним заряду; важкий-лептон має масу прибл. 1,8 ГеВ. Відповідні цим часткам три типи - електронний (символ v c), мюонний (символ) і-нейтрино (символ) - легкі (можливо, безмасові) електрично нейтральні частинки.
Усі лептони мають (-), тобто за статистич. св-вам є ферміонами (див.).
Кожному з лептонів відповідає , Що має ті ж значення маси, та ін характеристик, але відрізняється знаком електрич. заряду. Існують (символ е +) - по відношенню до , позитивно заряджений (символ) і три типи антинейтрино (символ), яким приписують протилежний знак особливого квантового числа, зв. лептонним зарядом (див. нижче).
Третя група елементарних частинок, - адрони, вони беруть участь у сильному, слабкому та електромагнітному взаємодіях. Адрони є "важкі" частинки з масою, що значно перевищує масу . Це найб. чисельна група елементарних частинок. Адрони поділяються на баріони - частинки з мезони - частинки з цілим (О або 1); а також т. зв. резонанси - короткоживучі адрони. До баріонів відносять (символ р) - ядро ​​з масою, що ~ 1836 разів перевищує m с і дорівнює 1,672648 x 10 -24 г (938,3 МеВ), і покладе. електрич. зарядом, рівним заряду, а також (символ n) - електрично нейтральна частка, маса якої трохи перевищує масу. З і побудовано все, саме сильне взаємод. обумовлює зв'язок цих частинок між собою. У сильній взаємодії і мають однакові св-ва і розглядаються як дві частини - нуклону з ізотопіч. (див. нижче). Баріони включають і гіперони - елементарні частинки з масою більш нуклонною: -гіперон має масу 1116 МеВ,-гіперон-1190 МеВ,-гіперон-1320 МеВ,-гіперон-1670 МеВ. Мезони мають маси, проміжні між масами та (-мезон, K-мезон). Існують мезони нейтральні і заряджені (з поклад. і запереч. елементарним електричним зарядом). Всі мезони за своїми сгатистич. св-вам ставляться до бозонів.

Основні властивості елементарних частинок.Кожна елементарна частка описується набором дискретних значень фіз. величин (квантових чисел). Загальні властивості всіх елементарних частинок - маса, час життя, електрич. заряд.
Залежно від часу життя елементарні частинки поділяються на стабільні, квазістабільні та нестабільні (резонанси). Стабільними (в межах точності суч. вимірів) є: (час життя більше 5 -10 21 років), (більше 10 31 років), фотон і . До квазістабільних відносяться частинки, що розпадаються внаслідок електромагнітного та слабкого взаємод., їх часи життя понад 10 -20 с. Резонанси розпадаються за рахунок сильного взаємодії, їх характерні часи життя 10 -22 -10 -24 с.
Внутрішніми характеристиками (квантовими числами) елементарних частинок є лептонний (символ L) та баріонний (символ В) заряди; ці числа вважаються строго збереженими величинами всім типів фундам. взаємод. Для лептонних та їх L мають протилежні знаки; для баріонів = 1, для відповідних = -1.
Для адронів характерна наявність спеціальних квантових чисел: "дива", "чарівності", "краси". Звичайні (недивні) адрони - ,-мезони. Усередині різних груп адронів є сімейства часток, близьких за масою і з подібними св-вами по відношенню до сильного взаємод., але з разл. значеннями електрич. заряду; Найпростіший приклад -протон і . Загальне квантове число таких елементарних частинок - т. зв. ізотопіч. , що приймає, як і звичайний , цілі та напівцілі значення. До особливих характеристик адронів відноситься і внутрішня парність, що приймає значення1.
p align="justify"> Важливе св-во елементарних частинок - їх здатність до взаємоперетворень в результаті електромагнітних або ін. взаємодій. Один із видів взаємоперетворень - т. зв. народження або утворення одночасно частинки і (у загальному випадку - утворення елементарних частинок з протилежними лептонними або баріонними зарядами). Можливі процеси народження електрон-позитронних е-е+, мюонних нових важких частинок при зіткненнях лептонів, утворення з кварків cc- та bb-станів (див. нижче). Інший вид взаємоперетворень елементарних частинок – анігіляція при зіткненнях частинок з утворенням кінцевого числа фотонів (квантів). Зазвичай утворюються 2 фотони при нульовому сумарному стикаються частинок і 3 фотона - при сумарному, рівному 1 (прояв закону збереження зарядової парності).
За певних умов, зокрема при невисокій швидкості частинок, що стикаються, можливе утворення пов'язаної системи - е - е + і ці нестабільні системи, часто зв. , їх час життя у в-ві великою мірою залежить від св-в в-ва, що дозволяє використовувати вивчення структури конденсир. в-ва та кінетики швидких хім. р-цій (див. , ).

Кваркова модель адронів.Детальний розгляд квантових чисел адронів з їх дозволило зробити висновок у тому, що дивні адрони і звичайні адрони разом утворюють об'єднання частинок з близькими св-вами, названі унітарними мультиплетами. Числа частинок, що входять до них, дорівнюють 8 (октет) і 10 (декуплет). Частинки, що входять до складу унітарного мультиплет, мають однакові і всередину. парність, але різняться значеннями електрич. заряду (частки ізотопіч. мультиплету) та дивацтва. З унітарними групами пов'язані св-ва , їх виявлення стало основою висновку про існування спеціальних структурних одиниць, з яких брало побудовані адрони,-кварків. Вважають, що адрони є комбінації 3 фундам. частинок з 1/2: і-кварків, d-кварків та s-кварків. Так, мезони складені з кварку та антикварку, баріони – з 3 кварків.
Припущення, що адрони складені з 3 кварків, було зроблено в 1964 році (Дж. Цвейг і незалежно від нього М. Гелл-Ман). Надалі в модель будови адронів (зокрема, для того щоб не виникало протиріччя з) були включені ще 2 кварки - "зачарований" (с) і "красивий" (b), а також введені особливі характеристики кварків - "аромат" та " колір". Кварки, які виступають як складові адронів, у вільному стані не спостерігалися. Все різноманіття адронів обумовлено разл. поєднаннями і-, d-, s-, с-і b-кварків, що утворюють зв'язкові стани. Звичайним адронам (-мезонам) відповідають зв'язкові стани, побудовані з і-і d-кварків. Наявність в адроні поряд з і-і d-кварками одного s-, с- або b-кварка означає, що відповідний адрон - "дивний", "зачарований" або "красивий".
Кваркова модель будови адронів підтвердилася внаслідок експериментів, проведених у кін. 60-х – поч.
70-х pp. 20 ст. Кварки фактично почали розглядатися як нові елементарні частинки-істинно елементарні частки для адронної форми матерії. Ненаблюдаемость вільних кварків, очевидно, носить важливий характері і дає припускати, що вони є тими елементарними частками, які замикають ланцюг структурних складових в-ва. Існують теоретич. та експерим. доводи на користь того, що сили, що діють між кварками, не слабшають з відстанню, тобто для відокремлення кварків одна від одної потрібна нескінченно велика енергія або, інакше кажучи, виникнення кварків у вільному стані неможливе. Це робить їх новим типом структурних одиниць в-ва. Можливо, що кварки виступають як останній ступінь матерії.

Короткі історичні відомості.Першою відкритою елементарною частинкою був заперечений. електрич. заряду в обох знаків електрич. заряду (К. Андерсон та С. Неддермейєр, 1936), і К-мезони (група С. Пауелла, 1947; існування подібних частинок було припущено X. Юкавою у 1935). В кін. 40-х – поч. 50-х pp. було виявлено "дивні" частинки. Перші частинки цієї групи - К+ - і К-мезони, Л-гіперони - були зафіксовані також у косміч. променях.
З поч. 50-х pp. прискорювачі перетворилися на осн. Інструмент дослідження елементарних частинок. Були відкриті антипротон (1955), антинейтрон (1956), анти-гіперон (1960), а в 1964 - найважчий W -гіперон. У 1960-х роках. на прискорювачах виявили велику кількість вкрай нестійких резонансів. У 1962 з'ясувалося, що існують два різні: електронне та мюонне. У 1974 виявлені масивні (у 3-4 протонні маси) і в той же час відносно стійкі (порівняно зі звичайними резонансами) частинки, які виявилися тісно пов'язаними з новим сімейством елементарних частинок - "зачарованих", їх перші представники відкриті в 1976 У 1975 виявлено важкий аналог і - лептон, в 1977 - частинки з масою близько десяти протонних мас, в 1981 - "красиві" частинки. У 1983 відкриті найважчі з відомих елементарних частинок - бозони (маса 80 ГеВ) та Z ° (91 ГеВ).
Т. обр., за роки, що минули після відкриття, виявлено величезну кількість різноманітних мікрочастинок. Світ елементарних частинок виявився складно влаштованим, які св-ва у багатьох відношеннях несподіваними.

Коккеде Я., Теорія кварків, [пер. з англ.], М., 1971; Марков М. А., Про природу матерії, М., 1976; Окунь Л.Б., Лептони та кварки, 2 видавництва, М., 1990.

1. Перші уявлення про будову речовини

Перші теорії про будову речовини було покладено дуже давно. Знаменитий грецький вчений Фалес, який жив 2600 років тому, все життя намагався вникнути в проблему миру. Його знання з геометрії та астрономії вражали. Він умів відстежувати будь-які місячні та сонячні цикли і навіть передбачив повне сонячне затемнення. Можна уявити, яке хвилювання і страх викликало дві з половиною тисячі років тому. Але головна заслуга Фалеса в тому, що він першим поставив питання про вихідні елементи світу. Він раніше за всіх побачив сходи, що ведуть углиб речовини.

Фалес вважав, що в основі всього сущого лежить вода. Він стверджував, що якщо воду ущільнити, то виходять тверді тіла, якщо воду випарувати, то виходить повітря, при цьому навіть Земля плаває у воді, подібно до шматка дерева.

Емпедокл з Агрігента у своїх працях доводив існування чотирьох стихій: вогню, повітря, води та землі; стверджуючи, що решта складається з них, а самі стихії об'єднані силами взаємодії («збудники руху»): любов, що об'єднує, і ворожнеча, що їх поділяє.

У V ст. до н.е. послідовники Фалеса - Левкіпп та його учень Демокріт, висловлювали думку, що це складається з найдрібніших частинок - атомів. Вони пропустили сходинку молекул і відразу зробили крок на щабель їх складових. Таким чином, вони вигадали атом на дві тисячі років раніше, ніж він був відкритий як такий. «Атом» у перекладі з грецької означає неподільне. По Левкіпу та Демокриту, атоми- нескінченна кількість твердих, неподільних далі частинок. Подібно до насіння рослин, атоми можуть бути різної форми- круглою, пірамідальною, плоскою і так далі. Тому і світ, що складається з них, невичерпно багатий у своїх властивостях і якостях. Чіпляючись один за одного гачками, Атоми утворюють тверді тіла. Атоми води, навпаки, гладкі та слизькі, тому вона розтікається та не має форми. Атоми в'язких рідин мають задирки, повітря - порожнеча з рідкісними атомами, що носяться, у вогню ж гострі і колючі атоми.

На початку XVIII ст. атомістична теорія набуває все більшої популярності. На той час роботами французького хіміка А. Лавуазьє (1743-1794), російського вченого М.В. Ломоносова та англійського хіміка та фізика Д. Дальтона (1766-1844) була доведено реальність існування атомів. Велику роль розвитку атомістичної теорії зіграв і видатний російський хімік Д.І. Менделєєв, який розробив 1869 р. періодичну систему елементів, в якій вперше на науковій основі було поставлено питання про єдину природу атомів. У другій половині ХІХ ст. було експериментально доведено, що електронє однією з основних частин будь-якої речовини. Ці висновки, і навіть численні експериментальні дані призвели до того, що початку XX в. серйозно постало питання про будовуатома.

Перші непрямі підтвердження про складну структуру атомів були отримані щодо катодних променів, що виникають при електричному розряді в сильно розріджених газах. Вивчення властивостей цих променів привело до висновку, що вони є потіком найдрібніших частинок, що несуть негативний електричний заряд і летять зі швидкістю, близькою до швидкості світла. Особливими прийомами вдалося визначити масу катодних частинок і величину їх заряду, з'ясувати, що вони не залежать від природи газу, що залишається в трубці, ні від речовини, з якої зроблені електроди, ні від інших умов досвіду. Крім того, катодні частинки відомі тільки в зарядженому стані і не можуть бути позбавлені своїх зарядів і перетворені на електронейтральні частинки: електричний заряд становить сутність їхньої природи. Ці частинки, які отримали назву електронів, були відкриті 1897 р. англійським фізиком Дж. Томсоном. Позитивно заряджених частинок усередині атома модель атома Томсона не передбачала. Але як тоді пояснити випромінювання позитивно заряджених альфа-частинок радіоактивними речовинами? Модель атома Томсона не давала відповіді на деякі інші питання.

У 1911 р. англійським фізиком Е. Резерфордом при дослідженні руху альфа-часток у газах та інших речовинах було виявлено позитивно заряджена частина атома. Подальші ретельніші дослідження показали, що з проходженні пучка паралельних променів крізь верстви газу чи тонку металеву пластинку виходять не паралельні промені, а дещо розходяться: відбувається розсіяння альфа-частинок, тобто. відхилення їхнього від початкового шляху. Кути відхилення невеликі, але завжди є невелика кількість частинок (приблизно одна з кількох тисяч), які відхиляються дуже сильно. Деякі частинки відкидаються назад, неначе на шляху зустрілася непроникна перешкода. Відхилення може відбуватися при зіткненні з позитивними частинками, маса яких того ж порядку, що маса альфа-частинок. З цих міркувань, Резерфорд запропонував таку схему будови атома. У центрі атома знаходиться ядро, що складається з позитивно заряджених частинок - протонівнавколо якого по різних орбітах обертаються електрони. Відцентрова сила, що виникає при їх обертанні, врівноважується тяжінням між ядром і електронами, внаслідок чого вони залишаються на певних відстанях від ядра. Оскільки маса електрона нікчемна мала, то майже вся маса атома зосереджена у його ядрі.

На початку 30-х років нашого століття сучасна наука змогла знайти більш прийнятний опис будови речовини на основі чотирьох типів елементарних частинок. протонів, нейтронів, електроніві фотонів. Це була надзвичайно проста і приваблива схема: за допомогою всього чотирьох типів елементарних частинок, дотримуючись законів квантової механіки, вдалося пояснити природу хімічних елементів, їх сполук і випромінювань, що ними випускаються. Додавання п'ятої частки - нейтрино- дозволило пояснити також процеси радіоактивного розпаду. Здавалося, що названі елементарні частинки є зрештою основною цеглою світобудови.

Але ця простота, що здається, незабаром зникла. Не минуло й року після відкриття нейтрону, як було виявлено позитрон. У 1936 р. серед продуктів взаємодії космічних променів з речовиною було відкрито перший мезон. У 1947 р. було виявлено мезон другого типу, і незабаром після цього вдалося спостерігати мезони іншої природи, а також інші незвичайні частки. Ці частки народжувалися під впливом космічних променів настільки рідко, спочатку не можна було провести детальних досліджень їх властивостей і взаємодій. Однак після того, як були збудовані прискорювачі, що дозволяють отримувати частинки все більших енергій, вдалося не тільки виконати низку таких досліджень, але й одночасно відкрити безліч нових частинок.

В даний час відомо більше сотні різних мезонів та інших частинок із дивними властивостями. Все це безліч часток прийнято називати «елементарними частинками». Такий термін не означає, що ці частинки є цеглою світобудови в тому сенсі, що всі вони утворюють атоми: з цим завданням цілком задовільно справляються протони, нейтрони та електрони. Однак ці частинки виникають у результаті основних взаємодій частинок звичайної речовини, і багато з них прямим або опосередкованим чином беруть участь в основних взаємодіях у звичайній речовині. Їхні маси лежать у межах від 200 електронних мас до мас, що в кілька разів перевищують масу протона. Існування всіх цих нових частинок швидкоплинно, жодна з них не живе довше кількох мікросекунд, а багато частинок розпадаються приблизно через 10 в -20 ступеня секунд після своєї освіти (вони називаються резонансами). Кінцеві продукти розпадів цих частинок - звичайні складові речовини, тобто. протони, електрони та фотони, а також нейтрино.

2. Класифікація елементарних частинок

Все незліченне різноманіття тваринного світу можна розділити на чотири царства: тварини, рослини, гриби, бактерії. Всі процеси, що спостерігаються на сьогоднішній день, зводяться всього до чотирьох видів взаємодій: гравітаційна, електромагнітна, сильна і слабка. Також можна класифікувати і елементарні частинки.

Лептони

Лептони - елементарні частинки зі спином 1/2, які беруть участь у сильних взаємодіях. Відомі три заряджених лептонів: електрон, мюон і тау-лептон - і три нейтральних: електронне нейтрино мюонне нейтрино та тау-нейтрино. Кожна з цих частинок має відповідну античастинку.

У електромагнітних взаємодіях народжуються пари заряджених лептонів. У слабких розпадах кожен із заряджених лептонів народжується у супроводі «свого» антинейтрино. Передбачається, що всі лептони мають деяке специфічне квантове число - лептонне число, рівне +1, а всі антилептони - лептонне число, рівне -1. Дане число у всіх процесах, що спостерігалися досі, зберігається. Процеси, в яких очікують побачити не збереження лептонного числа: розпад протону, подвійний ?-Розпад, нейтринні осциляції. Мюон та т-лептон розпадаються за рахунок слабкої взаємодії. Електрон стабільний.

Слово «лептон» походить від грецького слова «лептос» – дрібний, вузький (порівняйте: лепта – дрібна грецька монета).

Розрізняють три покоління лептонів: перше покоління: електрон, електронне нейтрино; друге покоління: мюон, нейтрино мюон; третє покоління: тау-лептон, тау-нейтріно. Плюс відповідні античастинки. Таким чином, у кожне покоління входить негативно заряджений (з зарядом?1e) лептон, позитивно заряджений (із зарядом +1e) антилептон та нейтральні нейтрино та антинейтрино. Всі вони мають ненульову масу, хоча маса нейтрино дуже мала в порівнянні з масами інших елементарних частинок.

Адрони

Адрони - частки, що беруть участь у сильних взаємодіях. Адрони з цілим спином називають мезонами, з напівцілим - баріонами. Відомо кілька сотень адронів.

Більшість адронів вкрай нестабільні - це звані резонанси: вони розпадаються більш легені адрони у вигляді сильного взаємодії. Час життя резонансів менше 10 -21 ступеня секунди.

Квазістабільні адрони живуть набагато довше і розпадаються за допомогою слабкої та електромагнітної взаємодій. Кінцевими продуктами розпаду квазістабільних мезонів є легші мезони, лептони і фотони і, якщо мезони, що розпадаються, досить важкі, то пари баріон + антибаріон.

Найлегші баріони (протон та нейтрон) називають нуклонами. Більш важкі квазістабільні баріони називають гіперонами. Кінцевими продуктами розпаду гіперонів є лептони, фотони, мезониі обов'язково нуклон.

З протонів та нейтронів складаються атомні ядра. Інші адрони до складу навколишнього нас стабільного речовини не входять, вони народжуються у зіткненнях частинок, що володіють високими енергіями. Джерелами цих частинок є прискорювачі та космічні промені. Згідно з сучасними уявленнями, адрони не є істинно елементарними частинками: вони складаються з кварків.

Слово "адрон" походить від грецького слова "хадрос" - масивний, сильний, великий. І на даний момент адрони є найчисленнішим класом

Кварки

Далі цілком планомірними стають питання: «Що ж таке кварк? І чи є кварк істинно елементарною частинкою? Про них написано безліч робіт, їх вивченням займаються одні з найвидатніших вчених і дослідників, і, зрозуміло, у цьому рефераті я не маю можливості описати навіть тисячну частину тієї інформації, що є на даний момент про кварки. Але все ж таки я спробую, нехай і в грубому наближенні, але все ж таки відповім на ці питання, посилаючись на роботи різних вчених і дослідницьких груп. Далі будуть представлені кілька теорій про кварки, які я виписав із публікацій найвідоміших у цій галузі вчених і розташованих у хронологічному порядку.

«Однією з цікавих схем опису елементарних частинок є модель кварків – ще одне винахід М. Гелл-Манна.У цій моделі передбачається, що це елементарні частинки є комбінаціями трьох основних частинок(званих кварками) та їх античасток. Кварки мають незвичайні властивості: електричний заряд, що дорівнює ± 1/3е або ± 2/3е, та баріонний заряд, що дорівнює ± 1/3. Отже, основні властивості кварків не схожі властивості інших частинок. Однак різні комбінації цих гіпотетичних частинок відтворюють властивості всіх відомих адронів із вражаючою точністю.

Крім того, модель кварків успішно відтворила якісно відомі часи життя, магнітні моменти та типи розпаду елементарних частинок. Чи реальні кварки чи модель кварків є лише зручним засобом опису елементарних частинок, але позбавлена ​​реального фізичного сенсу? Поки що це невідомо.

Хоча модель кварків напрочуд успішно пояснила низку властивостей адронів, проте поки що вона перебуває у вельми незадовільному стані. Можливо, нам вдасться зрештою описати всі сильні процеси за допомогою лише трьох кварків та їхніх античасток, замість того, щоб мати справу із «зоологічною колекцією», що містить приблизно сотню екземплярів частинок. Але перш ніж це виявиться можливим, необхідно виявити кварки та дослідити їх властивості. Експерименти розсіювання швидких електронів на нуклонах вказують на існування деякої довжини, малої в порівнянні з 10-14 см, яка повинна відігравати важливу роль у структурі нуклонів. Можливо, всередині нуклону існують деякі малі об'єкти - можливо, і кварки.»

«Кварки – частинки зі спином 1/2, які є складовими елементами адронів. Відомі кварки шести сортів (ароматів), З них три - down, strange, beauty, мають електричний заряд -1/3, а решта up, charm, true - заряд -2/3.

Згідно квантової хромодинаміки, сильні взаємодії між кварками обумовлені наявністю у кварків специфічних зарядів кольорів. Кварки кожного аромату існують у вигляді трьох різних колірних різновидів: "жовтого", "синього"і «червоного». Кварк одного кольору може перейти в кварк іншого кольору, випустивши кольоровий глюон. Взаємодія між кварками здійснюється шляхом обміну глюонами. Кварки знаходяться в адроїях у таких колірних станах, що сумарний колірний заряд адрону дорівнює нулю. Тому про адрони кажуть, що вони безбарвні чи білі.

Хоча група Станфордського університету протягом ряду років повідомляла про спостереження вільних дробово-заряджених частинок, досліди інших груп з пошуків вільних кварків дають негативні результати, і більшість фізиків скептично ставиться до ідеї існування вільних кварків. У рамках квантової хромодинаміки існує гіпотеза про конфайнмент(справедливість її поки що не доведено), згідно з якою кольорові частинки (кварки та глюони та їх кольорові комбінації) у принципі не можуть існувати у вільному стані.

Перші, непрямі, свідчення існування кварків були отримані з урахуванням класифікації адронів. Надалі в експериментах з глибоко-непружномувзаємодії лептонів з адронами було зареєстровано прямі зіткнення лептонів з окремими кварками. Ці зіткнення відбуваються в глибині адрону і тривають дуже короткий час, протягом якого кварк не встигає обмінятися глюоном з іншими кварками та взаємодіє майже як вільна частка. Чим більший переданий імпульс, тобто. ніж на менших відстанях відбувається зіткнення лептону з кварком, тим вільніше виглядає кварк. Ця властивість, що є наслідком асимптотичної свободи, означає, що кварки є не квазічастинками, не якимись колективними збудженнями адронної матерії, а, подібно до лептонів, є істинно елементарними частинками. Можлива не елементарність кварків, як і лептонів, може бути виявлена ​​лише при ще глибшому проникненні всерединуцих частинок, тобто. при ще більших переданих імпульсах.

Термін «кварк» було запроваджено 1964 р. Гелл-Манном і його з роману Джеймса Джойса «Поминки по Фіннігану» (герою сниться сон, у якому чайки кричать: «Три кварки для майстра Марка»). Німецькою «кварк» - сир.»

«Згідно зі стандартною моделлю - найкращою на сьогоднішній день теорії будови матерії, - кварки, об'єднуючись, утворюють все різноманіття адронів. Взаємодія між кварками описує теорія квантової хромодинаміки (скорочено КХД). Відповідно до цієї теорії кварки взаємодіють один з одним, обмінюючись особливими частинками - глюонами.

КХД розвиває ідеї першої успішної теорії з ряду калібрувальних квантової електродинаміки, або КЕД. Згідно з КЕД, електромагнітна сила між електрично зарядженими частинками виникає в результаті обміну фотонами (квантами світла). Аналогічно влаштована і КХД, тільки замість електричних зарядів взаємодії між кварками обумовлені властивістю особливого роду, який вчені назвали кольором. Він може мати три значення або, якщо хочете, три відтінки. Вчені умовно називають їх червоний, жовтий та синійАле буквально ці терміни розуміти не слід. Колір властивий лише кваркам, але не баріонам та мезонам, до складу яких вони входять. Баріони (до яких належать, зокрема, протон і нейтрон) складаються з трьох кварків – червоного, жовтого та синього, – кольори яких взаємно гасяться. А мезони – із пари «кварк + антикварк», тому вони теж безбарвні. Взагалі, у КХД діє принцип, згідно з яким кварки в природі можуть утворювати лише такі комбінації, сумарний колір яких виявляється нейтральним.

Взаємодія між кварками здійснюється у вигляді восьми різновидів частинок, званих глюонами (від англійського glue - «клей, клеїти»; глюони як би «склеюють» кварки між собою). Саме вони виступають посередниками у сильній взаємодії. Однак, на відміну від фотонів у КЕД, які не мають електричного заряду, глюони мають власний колірний заряді можуть змінювати колір кварків, з якими взаємодіють Наприклад, якщо при поглинанні глюону синій кварк перетворюється на червоний, значить глюон ніс на собі одиничний позитивний заряд червоного кольору і одиничний негативний заряд синього. Оскільки сукупний колірний заряд кварку у своїй не змінюється, такі взаємодії у межах КХД допустимі і навіть необхідні.

КХД функціонує з початку 1980-х років і з того часу успішно пройшлаціла низка експериментальних перевірок - поки всі її прогнози щодо результатів зіткнень елементарних частинок високих енергій підтверджуються фактичними даними, отриманими на прискорювачах.»

Розглянувши види елементарних частинок, було б неправильним не досліджувати і взаємодії, яким ці частки схильні. У рамках «Стандартної теорії» їх чотири, але за темою даної роботи, розглядати необхідно лише з них.

3. Взаємодія частинок

частинка атом елементарний кварк

Найважливіше питання фізики - питання взаємодії. Якби не взаємодії, то частинки матерії рухалися б незалежно, не підозрюючи існування інших частинок. Завдяки взаємодіям частинки знаходять, як здатність розпізнавати інші частки і реагувати ними, завдяки чому народжується колективне поведінка. Оскільки вся матерія складається з частинокДля пояснення природи сил необхідно, зрештою, звернутися до фізики елементарних частинок. Зробивши це, фізики виявили, що всі взаємодії, незалежно від того, як вони виявляються у великих масштабах, можна звести до чотирьох фундаментальних типів: гравітаційного, електромагнітного та двох типів ядерних.

На рівні кварків домінують ядерні взаємодії. Сильна взаємодія пов'язуєкварки в протони та нейтрони і не дає ядрам розвалюватися. На рівні атомів переважає електромагнітна взаємодія, що зв'язує атоми та молекули. В астрономічних масштабах пануючим стає гравітаційна взаємодія.

Останніми роками фізики зацікавилися співвідношенням між чотирма фундаментальними взаємодіями, які разом управляють Всесвіту. Чи існує між ними якийсь зв'язок? Чи не є вони лише різними іпостасями єдиної основної суперсили? Якщо така суперсила існує, то саме вона являє собою початок будь-якої активності у Всесвіті - від народження субатомних частинок до колапсу зірок. Розгадка таємниці суперсили неймовірно збільшила нашу владу над природою і навіть дозволила б пояснити саме «створення» світу.

Ми вже знаємо, що елементарні частинки взаємодіють один з одним за допомогою інших частинок, які вони безперервно випромінює та поглинає. Шари цих частинок екранують заряди, тому частка з різних висот до неї виглядає зарядженою по-різному. Саме так, завжди по-різному зарядженими, бачать один одного частинки, що стикаються. Чим більша їх енергія, тим глибше вони проникають одна в одну і тим виразніше відчувають «дих» їх центральних неекранованих зарядів. Тому можна очікувати, що зі зростанням енергії різні типи взаємодій ставатимуть все більш схожими і при високих енергіях зіллються в одну-єдину взаємодію - суперсилу. Відбудеться «велике поєднання» всіх сил природи.

Реальний стан справ дещо складніший. Екрануючі хмари утворюються не тільки навколо заряду, але й навколо кожної частинки-переносника, якими промацують один одного частинки, що стикаються. Якщо переносники взаємодії дуже важкі, взаємодія переноситься на ультрамалі відстані. Вдалині від центру такі частинки майже не зустрічаються і пов'язана з ними взаємодія проявляється дуже слабко. В інших випадках переносники легкі (наприклад, фотони), вони здатні далеко піти від заряду, що їх випустив, і з їх допомогою відбувається взаємодія на великих відстанях.

Отже, як частинки, а й сили, пов'язують їх, виявляються надзвичайно складними. Найпростішими точками їх ніяк не назвеш! І важко повірити, що сила тяжіння двох електронів і в мільярди велика сила їхнього електромагнітного відштовхування - гілки одного дерева.

До ідеї «великого об'єднання» фізики дійшли зовсім недавно - якихось двадцять-тридцять років тому, хоча перший крок зробили ще Фарадей і Максвелл, які об'єднали електрику та магнетизм, які, як тоді вважалося, зовсім різні взаємодії. Вони ж запровадили і поняття «поля». Фарадей довів, що електрика та магнетизм - два компоненти одного й того ж електромагнітного поля.

Наступний крок на шляху до «великого об'єднання» був значно складнішим. Він був зроблений лише в середині 60-х років ХХ ст. Увагу фізиків привернула тоді слабка взаємодія. Воно мало дивною особливістю: для всіх інших сил можна вказати проміжне поле, кванти якого служать переносником взаємодії, а в розпадних процесах частки «розмовляють» так би мовити, без жодних посередників, штовхаючи один одного як більярдні кулі.

Природно припустити, що в цьому випадку теж відбувається обмін між частинками, але тільки такими важкими, що весь процес відбувається на дуже малих відстанях, і з боку це виглядає начебто частинки просто штовхають один одного.

Розрахунки показали: якби не велика маса проміжних частинок, то така взаємодія за своїми властивостями була б дуже схожою на електромагнітну. І ось троє фізиків: Абдус Салам, Стів Вайнберг та Шелдон Глешоу припустили, що фотон і важкі проміжні частинки слабкої взаємодії – це та сама частка, тільки в різних «шубах». Розроблену ними теорію стали називати «електрослобою», оскільки вона, як окремий випадок, містить електродинаміку і стару теорію слабких взаємодій. Незабаром на прискорювачах були виловлені важкі кванти електрослабкого поля - три брати-мезони з масою, майже в сто разів більшою за протонну. Створення теорії електрослабкого поля та експериментальне відкриття його переносників було відзначено одразу двома Нобелівськими преміями.

Натхненні відкриттям електрослабкого поля, фізики захопилися новою ідеєю подальшого поєднання - злиття сильної взаємодії з електрослабим. Суть цієї ідеї у наступному. Кожен кварк має аналог електричного заряду, названий кольором. На відміну від заряду, видів квітів у кварку – три. Тому глюонне поле складніше. Воно складається із восьми складових силових полів. У типовому адроні – протоні чи нейтроні – комбінація трьох кварків – червоного, зеленого та синього – завжди має «білий» колір. Мезони, що випускаються, містять пари кварк-антикварк, тому вони теж «безбарвні». Так як ми знаємо, що при взаємодіях частинок відбувається екранування їх зарядів, то це призводить до тих ефектів відмінності в дальності взаємодій різних видів частинок. Оцінка відстані, при якому всі взаємодії стають порівнянними за величиною, становить близько 10 -29 ступеня сантиметрів. Переносник взаємодії - Х-частка - має масу, що дорівнює приблизно 10 в 14 ступеня мас протону. Протягом того мізерного часу, який існує Х-частка, енергія і маса мають величезну невизначеність. І в цьому відношенні ми схожі на Фалеса та інших грецьких філософів, які міркували про властивості атомів, не маючи жодної надії хоч колись побачити їх.

Елементарні частинки не можна розділити на простіші частини (саме тому їх і назвали «елементарними»). У будь-яких відомих сьогодні реакціях ці частинки лише переходять одна в одну – взаємоперетворюються. Причому з легенів можуть народитися важчі частки - якщо вони рухаються із достатньою швидкістю (кінематична енергія переходить у масу)

Елементарні частинки розрізняються за зарядом, спиною, масою, часом життя і так далі. Наприклад, час життя протона більше часу життя Всесвіту, а ро-мезон живе 10 -23 ступеня секунди. Маса фотонів і нейтрино дорівнює нулю, а маса ще не відкритого, але передбачуваного теоретиками максимону (найважчої елементарної частинки, яка тільки може існувати) – щось біля мікрограма – як у великої, видимої оком порошинки. Їх можна розбити на сімейства, і членів кожного розглядати як різні стани однієї й тієї ж частки. Сімейства об'єднуються у складніші групи - клани, чи мультиплети. Але головне - мультиплет пов'язані певними правилами симетрії. Загалом виходить щось на зразок періодичної таблиці елементарних частинок, на кшталт Менделєєвської. Можна припускати, що фізики намацали наступний ярус будови матерії.

Велику роль розвитку знань зіграли прискорювачі елементарних частинок. Електронне просвічування показало, що протон насправді не крапка, а досить великий об'єкт радіусом близько 10-13 ступеня сантиметрів. Аналізуючи результати нових дослідів з розсіювання електронів, вчені зробили висновок, що нуклони є роєм якихось дуже дрібних частинок, які при меншому збільшенні виглядають як згусток мезонів та інших елементарних частинок, що накладаються і проникають один в одного. Теоретики, які займалися класифікацією частинок, зраділи, оскільки вже давно здогадувалися існування таких частинок, тільки називали їх по-своєму: кварки.

Коли кварки замиготіли на сторінках теоретичних статей, багато вчених вважали їх лише деяким курйозом, тимчасовими будівельними лісами на шляху до більш досконалої теорії. Однак не встигли фізики озирнутися, як виявилося, що за допомогою кварків дуже просто і наочно пояснюються різні експериментальні факти, а теоретичні обчислення сильно спрощуються. Без кварків стало просто неможливо обійтися, як і без молекул і атомів.

Досліди щодо зондування нуклону довели, що в центрі елементарної частинки кварки майже не пов'язані взаємодією і поводяться як повітряні кульки, що плавають у повітрі. Якщо ж вони спробують розійтися, то відразу ж виникають сили, що їх стягують. На периферії кварки можуть бути лише у формі пов'язаних згустків - наприклад, як пі-мезонов, що узгоджується з теорією ядерної взаємодії з урахуванням мезонів. Але як взаємодіють один з одним кварки? Оскільки іншого способу організувати взаємодію, ніж у вигляді передачі частки-носія взаємодії, наука не знає, було запропоновано глюони - склеивающие кварки частки. Глюони схожі на фотони, тільки із зарядом. Фотон ніякого поля навколо себе не створює, тому найбільшу інтенсивність має поле біля свого джерела - заряду, далі воно поступово розсіюється і слабшає. Глюон же своїм зарядом народжує нові глюони, ті в свою чергу - наступні і так далі, тому глюонне поле не слабшає, а навпаки, зростає при віддаленні від кварка, що його породив. Кварк, що віддаляється, як піною обростає новими глюонами і їх зв'язок стає сильнішим.

Фізика елементарних частинок є дивовижним сплавом експерименту і теорії. Властивості дрібних частинок речовини встановлені і продовжують встановлюватися в експериментах, які за складністю не мають собі рівних в інших галузях науки. Ці унікальні експерименти поєднують воістину індустріальний розмах із ювелірною точністю. Найчастіше самі об'єкти дослідження - частки - створюються відразу в лабораторії з допомогою прискорювачів і живуть настільки мізерні проміжки часу, що з ними мить здається вічністю. Випадок якогось рідкісного розпаду частки доводиться знаходити серед мільярдів схожих на нього «нецікавих» розпадів. Всі відомості про елементарні частки добуваються в результаті ретельних вимірювань.

Теги: Елементарні часткиРеферат Хімія

Елементарні частинки, у точному значенні цього терміна, - це первинні, далі нерозкладні частки, у тому числі, за припущенням, складається вся матерія.

Елементарні частки сучасної фізики не задовольняють суворого визначення елементарності, оскільки більшість із них за сучасними уявленнями є складовими системами. Загальна властивість цих систем у тому. Що вони є атомами чи ядрами (виняток становить протон). Тому іноді їх називають суб'ядерними частинками.

Частинки, які претендують на роль первинних елементів матерії, іноді називають "істинно елементарні частинки".

Першою відкритою елементарною часткою був електрон. Його відкрив англійський фізик Томсон у 1897 році.

Першою відкритою антицастицею був позитрон - частка з масою електрона, але позитивним електричним зарядом. Ця античастка була виявлена ​​у складі космічних променів американським фізиком Андерсоном у 1932 році.

У сучасному фізиці у групу елементарних відносяться понад 350 частинок, переважно нестабільних, та його число продовжує зростати.

Якщо раніше елементарні частинки зазвичай виявляли в космічних променях, то з початку 50-х років прискорювачі перетворилися на основний інструмент дослідження елементарних частинок.

Мікроскопічні маси та розміри елементарних частинок зумовлюють квантову специфіку їхньої поведінки: квантові закономірності є визначальними у поведінці елементарних частинок.

Найважливіша квантова властивість всіх елементарних частинок - це здатність народжуватися і знищуватися (випускатися та поглинатися) при взаємодії з іншими частинками. Всі процеси з елементарними частинками протікають через послідовність актів їх поглинання та випромінювання.

Різні процеси з елементарними частинками помітно відрізняються інтенсивністю протікання.

Відповідно до різної інтенсивності протікання взаємодії елементарних частинок феноменологічно ділять на кілька класів: сильне, електромагнітне та слабке. Крім того, всі елементарні частинки мають гравітаційну взаємодію.

Сильне взаємодія елементарних частинок викликає процеси, які з найбільшою проти іншими процесами інтенсивністю і призводить до найсильнішого зв'язку елементарних частинок. Саме воно обумовлює зв'язок протонів та нейтронів у ядрах атомів.

Електромагнітна взаємодія відрізняється від інших участю електромагнітного поля. Електромагнітне поле (у квантовій фізиці - фотон) або випромінюється, або поглинається під час взаємодії, або переносить взаємодію між тілами.

Електромагнітна взаємодія забезпечує зв'язок ядер та електронів в атомах та молекулах речовини, і тим самим визначає (на основі законів квантової механіки) можливість стійкого стану таких мікросистем.

Слабка взаємодія елементарних частинок викликає дуже повільні процеси з елементарними частинками, у тому числі розпади квазістабільних частинок.

Слабка взаємодія набагато слабкіша не тільки сильної, а й електромагнітної взаємодії, але набагато сильніша за гравітаційну.

Гравітаційна взаємодія елементарних частинок є найслабшою з усіх відомих. Гравітаційна взаємодія на характерних для елементарних частинок відстанях дає надзвичайно малі ефекти через небагато мас елементарних частинок.

Слабка взаємодія набагато сильніша за гравітаційну, але в повсякденному житті роль гравітаційної взаємодії набагато помітніша за роль слабкої взаємодії. Це тому, що гравітаційне взаємодія (як, втім, і електромагнітне) має нескінченно великий радіус дії. Тому, наприклад, на тіла, що знаходяться на поверхні Землі діє гравітаційне тяжіння з боку всіх атомів, з яких складається Земля. Слабка ж взаємодія має настільки малий радіус дії, що він досі не виміряний.

У сучасній фізиці фундаментальну роль грає релятивістська квантова теорія фізичних систем із нескінченним числом ступенів свободи – квантова теорія поля. Ця теорія побудована для опису однієї з загальних властивостей мікросвіту - універсальної взаємної перетворюваності елементарних частинок. Для опису такого роду процесів був потрібен перехід до квантового хвильового поля. Квантова теорія поля з необхідністю є релятивістською, оскільки якщо система складається з частинок, що повільно рухаються, то їх енергія може виявитися недостатньою для утворення нових частинок з ненульовою масою спокою. Частки ж із нульовою масою спокою (фотон, можливо нейтрино) завжди релятивістські, тобто. завжди рухаються зі швидкістю світла.

Універсальний спосіб ведення всіх взаємодій, заснований на калібрувальної симетрії, дає можливість їхнього об'єднання.

Квантова теорія поля виявилася найбільш адекватним апаратом для розуміння природи взаємодії елементарних частинок та поєднання всіх видів взаємодій.

Квантова електродинаміка - та частина квантової теорії поля, у якій розглядається взаємодія електромагнітного поля та заряджених частинок (або електронно-позитронного поля).

В даний час квантова електродинаміка розглядається як складова частина єдиної теорії слабкої та електромагнітної взаємодій.

Залежно від участі у тих чи інших видах взаємодії всі вивчені елементарні частинки, крім фотона, розбиваються на дві основні групи - адрони і лептони.

Адрони (від грец. - Великий, сильний) - клас елементарних частинок, що беруть участь у сильній взаємодії (поряд з електромагнітним і слабким). Лептони (від грец. - Тонкий, легкий) - клас елементарних частинок, що не володіють сильною взаємодією, що беруть участь тільки в електромагнітному і слабкому взаємодії. (Наявність гравітаційного взаємодії в усіх елементарних частинок, включаючи фотон, мається на увазі).

Закінчена теорія адронів, сильної взаємодії між ними поки що відсутня, проте є теорія, яка, не будучи ні закінченою, ні загальновизнаною, дозволяє пояснити їх основні властивості. Ця теорія - квантова хромодинаміка, за якою адрони складаються з кварків, а сили між кварками обумовлені обміном глюонами. Усі виявлені адрони складаються з кварків п'яти різних типів ("ароматів"). Кварк кожного "аромату" може перебувати в трьох "колірних" станах, або мати три різні "колірні заряди".

Якщо закони, що встановлюють співвідношення між величинами, що характеризують фізичну систему, або визначають зміну цих величин з часом, не змінюються при певних перетвореннях, яким може бути піддана система, то кажуть, що ці закони мають симетрію (або інваріантні) щодо даних перетворень. У математичному відношенні перетворення симетрії становлять групу.

У сучасній теорії елементарних частинок концепція симетрії законів щодо деяких перетворень є провідною. Симетрія сприймається як чинник, визначальний існування різних груп, і сімейств елементарних частинок.

Сильна взаємодія симетрична щодо поворотів в особливому "ізотопічному просторі". З математичної погляду ізотопічна симетрія відповідає перетворенням групи унітарної симетрії SU(2). Ізотопічна симетрія перестав бути точної симетрією природи, т.к. вона порушується електромагнітною взаємодією та різницею в масах кварків.

Ізотопічна симетрія є частиною ширшої наближеної симетрії сильної взаємодії - унітарної SU(3)- симетрії. Унітарна симетрія виявляється значно більшою, ніж ізотопічна. Проте висловлюється припущення, що ці симетрії, які дуже сильно порушені при досягнутих енергіях, будуть відновлюватися при енергіях, що відповідають так званому "великому об'єднанню".

Для класу внутрішніх симетрій рівнянь теорії поля (тобто симетрій, пов'язаних із властивостями елементарних частинок, а не з властивостями простору-часу), застосовується загальна назва – калібрувальна симетрія.

Калібрувальна симетрія призводить до необхідності існування векторних калібрувальних полів, обмін квантами яких зумовлює взаємодію частинок.

Ідея калібрувальної симетрії виявилася найбільш плідною в єдиній теорії слабкої та електромагнітної взаємодій.

Цікавою проблемою квантової теорії поля є включення в єдину калібрувальну схему та сильну взаємодію ("велике об'єднання").

Іншим перспективним напрямом об'єднання вважається суперкалібрована симетрія, або просто суперсиметрія.

У 60-х роках американськими фізиками С.Вайнбергом, Ш.Глешоу, пакистанським фізиком А.Саламом та ін. була створена єдина теорія слабкої та електромагнітної взаємодій, що пізніше отримала назву стандартної теорії електрослабкої взаємодії. У цій теорії поряд з фотоном, що здійснює електромагнітну взаємодію, з'являються проміжні векторні бозони - частки, що переносять слабку взаємодію. Ці частки були експериментально виявлені 1983 року в ЦЕРНі.

Відкриття на досвіді проміжних векторних бозонів підтверджує правильність основної ідеї калібрування стандартної теорії електрослабкої взаємодії.

Однак для перевірки теорії у повному обсязі необхідно також експериментально дослідити механізм спонтанного порушення симетрії. Якщо цей механізм справді здійснюється в природі, то мають існувати елементарні скалярні бозони – так звані хіггсові бозони. Стандартна теорія електрослабкої взаємодії передбачає існування, як мінімум, одного скалярного бозона.