Фундаментални частици на материята в наше време. Фундаментална частица

Фундаменталната подлост Съдбата постъпи с мен по такъв начин, че неволно се докоснах до най-фундаменталните явления на нашата социална система и успях да ги погледна без никакви воали или илюзии, които да ги скрият. Както ми се стори тогава, видях какво най-много

3. Фундаментално напрежение

3. Фундаментално напрежение В самата същност на християнството е присъщо, че то идва от юдаизма от първи век. Исус беше евреин. Първите християни са били изцяло евреи. Християнството започва от юдаизма, от месианска секта в юдаизма. То възприема

ФУНДАМЕНТАЛНА ИСТИНА

ФУНДАМЕНТАЛНА ИСТИНА В нашата притча Джалин е преобраз на Исус Христос, а кралят е Бащата? това е Всемогъщият Бог Отец. Дагон представлява!дявола; живот в Ендел? Това човешки животНа земята; Affabel представлява небесния град на Бог. Изоставената земя на Лон?

Тези три частици (както и други, описани по-долу) се привличат и отблъскват взаимно според техните обвинения, от които има само четири вида според броя на основните природни сили. Зарядите могат да бъдат подредени в низходящ ред на съответните сили, както следва: цветен заряд (сили на взаимодействие между кварките); електрически заряд (електрични и магнитни сили); слаб заряд (сили при някои радиоактивни процеси); накрая, маса (гравитационна сила или гравитационно взаимодействие). Думата "цвят" тук няма нищо общо с цвета Видима светлина; това е просто характеристика на силен заряд и най-големи сили.

Обвинения са запазени, т.е. зарядът, влизащ в системата, е равен на заряда, който излиза от нея. Ако общият електрически заряд на определен брой частици преди тяхното взаимодействие е равен, да речем, на 342 единици, то след взаимодействието, независимо от неговия резултат, той ще бъде равен на 342 единици. Това важи и за други заряди: цвят (силен заряд на взаимодействие), слаб и маса (маса). Частиците се различават по своите заряди: по същество те „са“ тези заряди. Обвиненията са като „сертификат“ за правото да се реагира на подходящата сила. По този начин само цветните частици се влияят от цветните сили, само електрически заредените частици се влияят от електрическите сили и т.н. Свойствата на една частица се определят от най-голямата сила, действаща върху нея. Само кварките са носители на всички заряди и следователно са обект на действието на всички сили, сред които доминиращата е цветът. Електроните имат всички заряди с изключение на цвета и доминиращата сила за тях е електромагнитната сила.

Най-стабилни в природата са, като правило, неутралните комбинации от частици, в които зарядът на частиците от един знак се компенсира от общия заряд на частиците от другия знак. Това съответства на минималната енергия на цялата система. (По същия начин два пръчковидни магнита са подредени в една линия, като северният полюс на единия е обърнат към южния полюс на другия, което съответства на минималната енергия на магнитното поле.) Гравитацията е изключение от това правило: отрицателна маса не съществува. Няма тела, които да падат нагоре.

ВИДОВЕ МАТЕРИЯ

Обикновената материя се образува от електрони и кварки, групирани в обекти, които са неутрални по цвят и след това по електрически заряд. Силата на цвета се неутрализира, както ще бъде обсъдено по-подробно по-долу, когато частиците се комбинират в триплети. (Оттук и самият термин „цвят“, взет от оптиката: три основни цвята, когато се смесват, произвеждат бяло.) Така кварките, за които силата на цвета е основна, образуват триплети. Но кварките и те се делят на u-кварки (от англ. up - отгоре) и д-кварки (от английски down - дъно), също имат електрически заряд равен на u-кварк и за д-кварк. две u-кварк и едно д-кварките придават електрически заряд +1 и образуват протон, и единица u-кварк и две д-кварките дават нулев електрически заряд и образуват неутрон.

Стабилните протони и неутрони, привлечени един към друг от остатъчните цветни сили на взаимодействие между съставните им кварки, образуват цветно неутрално атомно ядро. Но ядрата носят положителен електрически заряд и, привличайки отрицателни електрони, които обикалят около ядрото като планети, обикалящи около Слънцето, се стремят да образуват неутрален атом. Електроните в техните орбити се отстраняват от ядрото на разстояния десетки хиляди пъти по-големи от радиуса на ядрото - доказателство, че електрическите сили, които ги задържат, са много по-слаби от ядрените. Благодарение на силата на цветовото взаимодействие, 99,945% от масата на атома се съдържа в неговото ядро. Тегло u- И д-кварките са около 600 пъти по-големи от масата на електрона. Следователно електроните са много по-леки и по-подвижни от ядрата. Тяхното движение в материята се причинява от електрически явления.

Има няколкостотин естествени разновидности на атоми (включително изотопи), които се различават по броя на неутроните и протоните в ядрото и съответно по броя на електроните в техните орбити. Най-простият е водородният атом, състоящ се от ядро ​​под формата на протон и един въртящ се около него електрон. Цялата „видима“ материя в природата се състои от атоми и частично „разглобени“ атоми, които се наричат ​​йони. Йоните са атоми, които след като са загубили (или спечелили) няколко електрона, са се превърнали в заредени частици. Материята, състояща се почти изцяло от йони, се нарича плазма. Звездите, които изгарят поради термоядрени реакции, протичащи в центровете, се състоят главно от плазма и тъй като звездите са най-често срещаната форма на материя във Вселената, можем да кажем, че цялата Вселена се състои главно от плазма. По-точно, звездите са предимно напълно йонизиран водороден газ, т.е. смес от отделни протони и електрони и следователно почти цялата видима Вселена се състои от него.

Това е видима материя. Но във Вселената има и невидима материя. И има частици, които действат като носители на сила. Има античастици и възбудени състояния на някои частици. Всичко това води до явно прекомерно изобилие от „елементарни“ частици. В това изобилие може да се намери индикация за действителната, истинска природа на елементарните частици и силите, действащи между тях. Според най-новите теории, частиците могат да бъдат по същество разширени геометрични обекти - "струни" в десетизмерното пространство.

Невидимият свят.

Във Вселената има не само видима материя (но също черни дупки и „тъмна материя“, като студени планети, които стават видими, когато бъдат осветени). Има и наистина невидима материя, която прониква във всички нас и в цялата Вселена всяка секунда. Това е бързо движещ се газ от частици от един вид - електронни неутрино.

Електронното неутрино е партньор на електрона, но няма електрически заряд. Неутриното носят само така наречения слаб заряд. Тяхната маса на покой по всяка вероятност е нула. Но те взаимодействат с гравитационното поле, защото имат кинетична енергия д, което съответства на ефективната маса м, според формулата на Айнщайн д = mc 2 където ° С- скоростта на светлината.

Ключовата роля на неутриното е, че допринася за трансформацията И-кварки в д-кварки, в резултат на което протонът се превръща в неутрон. Неутриното действа като "игла на карбуратора" за реакции на синтез на звезди, при които четири протона (водородни ядра) се комбинират, за да образуват хелиево ядро. Но тъй като ядрото на хелия не се състои от четири протона, а от два протона и два неутрона, за такъв ядрен синтез е необходимо два И-кварки, превърнати в две д-кварк. Интензивността на трансформацията определя колко бързо ще изгорят звездите. А процесът на трансформация се определя от слаби заряди и слаби сили на взаимодействие между частиците. При което И-кварк (електрически заряд +2/3, слаб заряд +1/2), взаимодействащ с електрон (електрически заряд - 1, слаб заряд -1/2), образува д-кварк (електрически заряд –1/3, слаб заряд –1/2) и електронно неутрино (електричен заряд 0, слаб заряд +1/2). Цветните заряди (или само цветовете) на двата кварка се компенсират в този процес без неутриното. Ролята на неутриното е да отнесе некомпенсирания слаб заряд. Следователно скоростта на трансформация зависи от това колко слаби са слабите сили. Ако бяха по-слаби, отколкото са, тогава звездите изобщо нямаше да горят. Ако бяха по-силни, звездите отдавна да са изгорели.

Какво ще кажете за неутрино? Тъй като тези частици взаимодействат изключително слабо с друга материя, те почти веднага напускат звездите, в които са родени. Всички звезди блестят, излъчвайки неутрино, а неутрино блести през телата ни и цялата Земя ден и нощ. Така че те се скитат из Вселената, докато влязат, може би, в ново взаимодействие STAR).

Носители на взаимодействия.

Какво причинява силите, действащи между частиците на разстояние? Съвременната физика отговаря: поради обмена на други частици. Представете си двама състезатели по бързо кънки, които хвърлят топка наоколо. Чрез придаване на инерция на топката при хвърляне и получаване на инерция с получената топка, и двете получават тласък в посока далеч една от друга. Това може да обясни появата на отблъскващи сили. Но в квантовата механика, която разглежда явления в микросвета, се допуска необичайно разтягане и делокализация на събитията, което води до привидно невъзможното: един от скейтърите хвърля топката в посоката отразличен, но все пак този Може бихвани тази топка. Не е трудно да си представим, че ако това беше възможно (а в света на елементарните частици е възможно), между скейтърите би възникнало привличане.

Частиците, поради обмена на които възникват силите на взаимодействие между четирите разгледани по-горе „частици материя“, се наричат ​​калибровъчни частици. Всяко от четирите взаимодействия – силно, електромагнитно, слабо и гравитационно – има свой собствен набор от калибрирани частици. Носещите частици на силното взаимодействие са глуони (има само осем от тях). Фотонът е носител на електромагнитно взаимодействие (има само един и ние възприемаме фотоните като светлина). Частиците носители на слабото взаимодействие са междинни векторни бозони (те са открити през 1983 и 1984 г. У + -, У- -бозони и неутрални З-бозон). Носещата частица на гравитационното взаимодействие е все още хипотетичният гравитон (би трябвало да е само един). Всички тези частици, с изключение на фотона и гравитона, които могат да пътуват на безкрайно дълги разстояния, съществуват само в процеса на обмен между материалните частици. Фотоните изпълват Вселената със светлина, а гравитоните изпълват Вселената с гравитационни вълни (все още не са надеждно открити).

Казва се, че частица, способна да излъчва калибровъчни частици, е заобиколена от съответно поле от сили. По този начин електроните, способни да излъчват фотони, са заобиколени от електрически и магнитни полета, както и слаби и гравитационни полета. Кварките също са заобиколени от всички тези полета, но също и от полето на силно взаимодействие. Частиците с цветен заряд в полето на цветовите сили се влияят от цветовата сила. Същото важи и за другите природни сили. Следователно можем да кажем, че светът се състои от материя (материални частици) и поле (калибровъчни частици). Повече за това по-долу.

Антиматерия.

Всяка частица има античастица, с която частицата може взаимно да анихилира, т.е. „анихилират“, което води до освобождаване на енергия. „Чиста“ енергия сама по себе си обаче не съществува; В резултат на анихилация се появяват нови частици (например фотони), които отнемат тази енергия.

В повечето случаи античастицата има свойства, противоположни на съответната частица: ако една частица се движи наляво под въздействието на силни, слаби или електромагнитни полета, тогава нейната античастица ще се движи надясно. Накратко, античастицата има противоположни знаци на всички заряди (с изключение на масовия). Ако една частица е съставна, като например неутрон, тогава нейната античастица се състои от компоненти с противоположни знаци на заряди. Така антиелектронът има електрически заряд +1, слаб заряд +1/2 и се нарича позитрон. Антинеутронът се състои от И-антикварки с електрически заряд –2/3 и д-антикварки с електрически заряд +1/3. Истинските неутрални частици са свои собствени античастици: античастицата на фотона е фотон.

Според съвременните теоретични концепции всяка частица, съществуваща в природата, трябва да има своя собствена античастица. И много античастици, включително позитрони и антинеутрони, наистина са получени в лабораторията. Последствията от това са изключително важни и са в основата на цялата експериментална физика на елементарните частици. Според теорията на относителността масата и енергията са еквивалентни и при определени условия енергията може да се превърне в маса. Тъй като зарядът се запазва и зарядът на вакуума (празното пространство) е нула, всякакви двойки частици и античастици (с нулев нетен заряд) могат да излязат от вакуума, като зайци от шапката на магьосник, стига да има достатъчно енергия за създават тяхната маса.

Поколения на частици.

Експерименти на ускорители са показали, че квартет (квартет) материални частици се повтаря поне два пъти при повече високи стойностимаси. Във второто поколение мястото на електрона се заема от мюона (с маса приблизително 200 пъти по-голяма от масата на електрона, но със същите стойности на всички останали заряди), мястото на електронното неутрино е взето от мюона (който придружава мюона при слаби взаимодействия по същия начин, както електронът е придружен от електронното неутрино), място И-кварк заема с-кварк ( очарован), А д-кварк – с-кварк ( странно). В третото поколение квартетът се състои от тау лептон, тау неутрино, T-кварк и b-кварк.

Тегло T- един кварк е около 500 пъти по-голям от масата на най-лекия - д-кварк. Експериментално е установено, че има само три вида леки неутрино. Така че четвъртото поколение частици или изобщо не съществува, или съответните неутрино са много тежки. Това е в съответствие с космологичните данни, според които не могат да съществуват повече от четири вида леки неутрино.

При експерименти с високоенергийни частици електронът, мюонът, тау-лептонът и съответните неутрино действат като изолирани частици. Те не носят цветен заряд и влизат само в слаби и електромагнитни взаимодействия. Колективно те се наричат лептони.

Кварките, под въздействието на цветовите сили, се комбинират в силно взаимодействащи частици, които доминират в повечето експерименти във физиката на високи енергии. Такива частици се наричат адрони. Те включват два подкласа: бариони(като протон и неутрон), които са съставени от три кварка и мезони, състоящ се от кварк и антикварк. През 1947 г. първият мезон, наречен пион (или пи-мезон), е открит в космическите лъчи и известно време се смяташе, че обменът на тези частици е основната причина за ядрените сили. Омега-минус адрони, открити през 1964 г. в Националната лаборатория Брукхейвън (САЩ), и частицата JPS ( Дж/г-мезон), открит едновременно в Брукхейвън и в Станфордския център за линейни ускорители (също в САЩ) през 1974 г. Съществуването на омега минус частицата е предсказано от М. Гел-Ман в неговия т.нар. S.U. 3 теория" (друго име е "осемкратният път"), в която за първи път е предложена възможността за съществуване на кварки (и това име им е дадено). Десетилетие по-късно откриването на частицата Дж/гпотвърди съществуването с-кварк и накрая накара всички да повярват както в кварковия модел, така и в теорията, която обединява електромагнитни и слаби сили ( виж отдолу).

Частиците от второ и трето поколение са не по-малко реални от първото. Вярно е, че след като са възникнали, за милионни или милиардни от секундата те се разпадат на обикновени частици от първо поколение: електрон, електронно неутрино и също И- И д-кварки. Въпросът защо в природата има няколко поколения частици все още остава загадка.

Често се говори за различни поколения кварки и лептони (което, разбира се, е донякъде ексцентрично) като за различни „вкусове“ на частици. Необходимостта да ги обясним се нарича проблем с „вкуса“.

БОЗОНИ И ФЕРМИОНИ, ПОЛЕ И МАТЕРИЯ

Една от основните разлики между частиците е разликата между бозоните и фермионите. Всички частици са разделени на тези два основни класа. Идентичните бозони могат да се припокриват или припокриват, но идентичните фермиони не могат. Суперпозицията възниква (или не се случва) в дискретните енергийни състояния, на които квантовата механика разделя природата. Тези състояния са като отделни клетки, в които могат да се поставят частици. Така че можете да поставите колкото искате еднакви бозони в една клетка, но само един фермион.

Като пример, разгледайте такива клетки или „състояния“ за електрон, обикалящ около ядрото на атом. За разлика от планетите слънчева система, електронът, според законите на квантовата механика, не може да циркулира в никаква елиптична орбита, за него има само дискретна серия от разрешени „състояния на движение“. Набори от такива състояния, групирани според разстоянието от електрона до ядрото, се наричат орбитали. В първата орбитала има две състояния с различен ъглов момент и следователно две разрешени клетки, а в по-високите орбитали има осем или повече клетки.

Тъй като електронът е фермион, всяка клетка може да съдържа само един електрон. От това произтичат много важни последствия - цялата химия, тъй като химичните свойства на веществата се определят от взаимодействията между съответните атоми. Ако преминете през периодичната система от елементи от един атом към друг в реда на увеличаване с единица на броя на протоните в ядрото (броят на електроните също ще се увеличи съответно), тогава първите два електрона ще заемат първата орбитала, следващите осем ще бъдат разположени във втория и т.н. Тази последователна промяна в електронната структура на атомите от елемент на елемент определя моделите в тях химични свойства.

Ако електроните бяха бозони, тогава всички електрони в един атом биха могли да заемат една и съща орбитала, съответстваща на минималната енергия. В този случай свойствата на цялата материя във Вселената биха били напълно различни и Вселената във вида, в който я познаваме, би била невъзможна.

Всички лептони - електрон, мюон, тау лептон и съответните им неутрино - са фермиони. Същото може да се каже и за кварките. По този начин всички частици, които образуват "материята", основният пълнител на Вселената, както и невидимите неутрино, са фермиони. Това е доста важно: фермионите не могат да се комбинират, така че същото важи и за обектите в материалния свят.

В същото време всички „калибровъчни частици“, които се обменят между взаимодействащи материални частици и които създават поле от сили ( виж по-горе), са бозони, което също е много важно. Така например много фотони могат да бъдат в едно състояние, образувайки магнитно поле около магнит или електрическо полеоколо електрически заряд. Благодарение на това е възможен и лазер.

Завъртете.

Разликата между бозоните и фермионите е свързана с друга характеристика на елементарните частици - завъртане. Изненадващо, всички фундаментални частици имат собствен ъглов момент или, по-просто казано, се въртят около собствената си ос. Ъгълът на импулса е характеристика на въртеливото движение, точно както общият импулс на транслационното движение. При всяко взаимодействие ъгловият момент и импулсът се запазват.

В микрокосмоса ъгловият импулс е квантуван, т.е. приема дискретни стойности. В подходящи мерни единици лептоните и кварките имат спин 1/2, а калибровъчните частици имат спин 1 (с изключение на гравитона, който все още не е наблюдаван експериментално, но теоретично трябва да има спин 2). Тъй като лептоните и кварките са фермиони, а калибровъчните частици са бозони, можем да приемем, че „фермионността“ е свързана със спин 1/2, а „бозоничността“ е свързана със спин 1 (или 2). Всъщност както експериментът, така и теорията потвърждават, че ако една частица има полуцяло спин, тогава тя е фермион, а ако има цяло число, тогава е бозон.

ТЕОРИИ И ГЕОМЕТРИЯ НА ИЗМЕРИТЕЛИТЕ

Във всички случаи силите възникват поради обмена на бозони между фермиони. По този начин цветната сила на взаимодействие между два кварка (кварки - фермиони) възниква поради обмена на глуони. Подобен обмен се извършва постоянно в протони, неутрони и атомни ядра. По подобен начин фотоните, обменяни между електрони и кварки, създават електрическите сили на привличане, които задържат електрони в атома, а междинните векторни бозони, обменяни между лептони и кварки, създават слабите сили, отговорни за превръщането на протоните в неутрони при термоядрени реакции в звездите.

Теорията зад този обмен е елегантна, проста и вероятно правилна. Нарича се калибровъчна теория. Но в момента има само независими калибровъчни теории за силни, слаби и електромагнитни взаимодействия и подобна, макар и малко по-различна, калибровъчна теория за гравитацията. Един от най-важните физически проблеми е редуцирането на тези индивидуални теории в една единствена и в същото време проста теория, в която всички те биха се превърнали в различни аспекти на една единствена реалност - като лицата на кристал.

Най-простата и най-старата от калибровъчните теории е калибровъчната теория на електромагнитното взаимодействие. При него зарядът на един електрон се сравнява (калибрира) със заряда на друг отдалечен от него електрон. Как можете да сравните таксите? Можете например да приближите втория електрон до първия и да сравните техните сили на взаимодействие. Но не се ли променя зарядът на електрона, когато се премести в друга точка в пространството? Единственият начин да проверите е да изпратите сигнал от близък електрон до по-далечен и да видите как реагира той. Сигналът е калибрована частица – фотон. За да можете да тествате заряда на далечни частици, е необходим фотон.

Математически тази теория е изключително точна и красива. От описания по-горе „калибровъчен принцип“ следва цялата квантова електродинамика (квантовата теория на електромагнетизма), както и теорията електромагнитно полеМаксуел е едно от най-големите научни постижения на 19 век.

Защо толкова прост принцип е толкова плодотворен? Явно изразява някаква корелация различни частиВселена, което позволява да се правят измервания във Вселената. В математически термини полето се интерпретира геометрично като кривината на някакво мислимо „вътрешно“ пространство. Измерването на заряда е измерване на общата „вътрешна кривина“ около частицата. Калибровъчните теории за силните и слабите взаимодействия се различават от електромагнитната калибровъчна теория само по вътрешната геометрична „структура“ на съответния заряд. На въпроса къде точно се намира това вътрешно пространство се търси отговор чрез многомерни теории за обединено поле, които не се обсъждат тук.

Физиката на елементарните частици все още не е завършена. Все още далеч не е ясно дали наличните данни са достатъчни, за да разберем напълно природата на частиците и силите, както и истинската природа и измерение на пространството и времето. Имаме ли нужда от експерименти с енергии от 10 15 GeV за това или усилието на мисълта ще бъде достатъчно? Все още няма отговор. Но можем да кажем с увереност, че крайната картина ще бъде проста, елегантна и красива. Възможно е да няма толкова много фундаментални идеи: принципът на калибровката, пространствата с по-високи измерения, свиването и разширяването и преди всичко геометрията.

Вижте също

Напишете отзив за статията "Фундаментална частица"

Бележки

Връзки

• С. А. Славатински// Московски физико-технологичен институт (Долгопрудни, Московска област)
• Славатински С.А. // СОЖ, 2001, № 2, с. 62–68 архив web.archive.org/web/20060116134302/journal.issep.rssi.ru/annot.php?id=S1176
• //nuclphys.sinp.msu.ru
• // second-physics.ru
• //physics.ru
• // nature.web.ru
• // nature.web.ru
• // nature.web.ru

Откъс, характеризиращ фундаменталната частица

До сравнително наскоро няколкостотин частици и античастици се смятаха за елементарни. Подробното изследване на техните свойства и взаимодействия с други частици и развитието на теорията показаха, че повечето от тях всъщност не са елементарни, тъй като самите те се състоят от най-простите или, както сега се казва, фундаментални частици. Самите фундаментални частици вече не се състоят от нищо. Многобройни експерименти показват, че всички фундаментални частици се държат като безразмерни точкови обекти, които нямат вътрешна структура, поне до най-малките изследвани в момента разстояния от ~10 -16 cm.

Въведение

Сред безбройните и разнообразни процеси на взаимодействие между частиците има четири основни или фундаментални взаимодействия: силно (ядрено), електромагнитно и гравитационно. В света на частиците гравитационното взаимодействие е много слабо, ролята му все още е неясна и няма да говорим повече за това.

В природата има две групи частици: адрони, които участват във всички фундаментални взаимодействия, и лептони, които не участват само в силното взаимодействие.

Според съвременните концепции взаимодействията между частиците се осъществяват чрез излъчване и последващо поглъщане на кванти на съответното поле (силно, слабо, електромагнитно), заобикалящо частицата. Такива кванти са калибровъчни бозони, които също са фундаментални частици. За бозоните техният собствен ъглов момент, наречен спин, е равен на целочислената стойност на константата на Планк $h = 1,05 \cdot 10^(-27) erg \cdot s$. Квантите на полето и съответно носителите на силни взаимодействия са глуони, обозначени със символа g, квантите на електромагнитното поле са добре познатите кванти на светлината - фотони, обозначени с $\gamma $, и кванти на слабо поле и съответно носители на слаби взаимодействия са У± (двойно ve)- и З 0 (zet zero) бозони.

За разлика от бозоните, всички останали фундаментални частици са фермиони, т.е. частици с полуцяла стойност на спина, равна на ч/2.

В табл 1 са показани символите на фундаменталните фермиони - лептони и кварки.

Всяка частица, показана в табл. 1, съответства на античастица, която се различава от частицата само по знаците на електрическия заряд и други квантови числа (виж таблица 2) и посоката на въртене спрямо посоката на импулса на частицата. Ще означаваме античастиците със същите символи като частиците, но с вълнообразна линия над символа.

Частици в табл. 1 се обозначават с гръцки и латински букви, а именно: буквата $\nu$ - три различни неутрино, буквите e - електрон, $\mu$ - мюон, $\tau$ - таон, буквите u, c, t, d, s, b означава кварки; техните имена и характеристики са дадени в табл. 2.

Частици в табл. 1 са групирани в три поколения I, II и III според структурата на съвременната теория. Нашата Вселена е изградена от първо поколение частици - лептони и кварки и калибровъчни бозони, но, както е показано съвременна науказа развитието на Вселената, в началния етап от нейното развитие, частиците от всичките три поколения играят важна роля.

лептони

Първо, нека разгледаме по-подробно свойствата на лептоните. В горния ред на таблицата. 1 съдържа три различни неутрино: електрон $\nu_e$, мюон $\nu_m$ и тау неутрино $\nu_t$. Тяхната маса все още не е точно измерена, но горната й граница е определена например за ne равно на 10 -5 от масата на електрона (т.е. $\leq 10^(-32)$ g).

При гледане на масата. 1, неизбежно възниква въпросът защо природата има нужда да създаде три различни неутрино. Все още няма отговор на този въпрос, тъй като не е създадена толкова цялостна теория за фундаменталните частици, която да посочи необходимостта и достатъчността на всички такива частици и да опише основните им свойства. Може би този проблем ще бъде решен през 21 век (или по-късно).

Долен ред на таблицата. Глава 1 започва с частицата, която сме изучавали най-много, електрона. Електронът е открит в края на миналия век от английския физик Дж. Томсън. Ролята на електроните в нашия свят е огромна. Те са онези отрицателно заредени частици, които заедно с атомните ядра образуват всички атоми на елементите, познати ни в периодичната таблица на Менделеев. Във всеки атом броят на електроните е точно равен на броя на протоните в атомното ядро, което прави атома електрически неутрален.

Електронът е стабилен, основната възможност за унищожаване на електрона е неговата смърт при сблъсък с античастица - позитрон e+. Този процес се нарича анихилация:

$$e^- + e^+ \to \gamma + \gamma .$$

В резултат на анихилация се образуват два гама кванта (както се наричат ​​високоенергийните фотони), отнасящи както останалите енергии e + и e -, така и техните кинетични енергии. При високи енергии e + и e - се образуват адрони и кваркови двойки (вижте например (5) и фиг. 4).

Реакция (1) ясно илюстрира валидността на известната формула на А. Айнщайн за еквивалентността на масата и енергията: д = mc 2 .

Наистина, по време на анихилацията на позитрон, спрял в материята, и електрон в покой, цялата им маса на покой (равна на 1,22 MeV) се превръща в енергия на $\gamma$-кванти, които нямат маса на покой.

Във второто поколение на долния ред на таблицата. 1 е разположен >мюон - частица, която по всички свои свойства е аналог на електрона, но с аномално голяма маса. Масата на един мюон е 207 пъти по-голяма от масата на електрона. За разлика от електрона, мюонът е нестабилен. Времето на живота му T= 2,2 · 10 -6 s. Мюонът се разпада предимно на електрон и две неутрино според схемата

$$\mu^- \to e^- + \tilde \nu_e +\nu_(\mu)$$

Още по-тежък аналог на електрона е $\tau$-лептонът (таон). Масата му е повече от 3 хиляди пъти по-голяма от масата на електрона ($m_(\tau) = 1777$ MeV/c 2), т.е. той е по-тежък от протона и неутрона. Времето му на живот е 2,9 · 10 -13 s, а от повече от сто различни схеми (канали) на разпада му са възможни следните:

$$\tau^-\left\langle\begin(matrix) \to e^- + \tilde \nu_e +\nu_(\tau)\\ \to \mu^- + \tilde \nu_\mu +\nu_ (\tau)\end(matrix)\right.$$

Говорейки за лептони, интересно е да се сравнят слабите и електромагнитните сили на определено разстояние, напр. Р= 10 -13 см. На това разстояние електромагнитните сили са почти 10 милиарда пъти по-големи от слабите сили. Но това изобщо не означава, че ролята на слабите сили в природата е малка. Въобще не.

Слабите сили са отговорни за много взаимни трансформации различни частицив други частици, като например в реакции (2), (3), и такива преобразувания са една от най-характерните черти на физиката на елементарните частици. За разлика от реакциите (2), (3), в реакцията (1) действат електромагнитни сили.

Говорейки за лептоните, трябва да добавим, че съвременната теория описва електромагнитните и слабите взаимодействия с помощта на единна електрослаба теория. Разработен е от S. Weinberg, A. Salam и S. Glashow през 1967 г.

Кварки

Самата идея за кварките възниква от брилянтен опит да се класифицират голям брой частици, участващи в силни взаимодействия, наречени адрони. М. Гел-Ман и Г. Цвайг предполагат, че всички адрони се състоят от съответен набор от фундаментални частици - кварки, техните антикварки и носители на силното взаимодействие - глуони.

Общият брой на наблюдаваните в момента адрони е повече от сто частици (и същия брой античастици). Много десетки частици все още не са регистрирани. Всички адрони се делят на тежки частици, т.нар барионии посочените средни стойности мезони.

Барионите се характеризират с тяхното барионно число b= 1 за частици и b = -1 за антибариони. Тяхното раждане и унищожаване винаги се случва по двойки: барион и антибарион. Мезоните имат барионен заряд b = 0. Според идеята на Гел-Ман и Цвайг, всички бариони се състоят от три кварка, антибарионите - от три антикварка. Следователно, на всеки кварк беше присвоено барионно число от 1/3, така че като цяло барионът имаше b= 1 (или -1 за антибарион, състоящ се от три антикварка). Мезоните имат барионно число b= 0, така че те могат да бъдат съставени от всяка комбинация от двойки от всеки кварк и всеки антикварк. В допълнение към едни и същи квантови числа за всички кварки - спиново и барионно число - има и други важни характеристики за тях, като стойността на тяхната маса в покой м, големината на електрическия заряд Q/д(в части от заряда на електрона д= 1,6 · 10 -19 кулона) и определен набор от квантови числа, характеризиращи т.нар. вкус на кварк. Те включват:

1) големината на изотопния спин ази величината на третата му проекция, т.е аз 3. Така, u-кварк и д-кварк образуват изотопен дублет, на тях се приписва пълен изотопен спин аз= 1/2 с издатини аз 3 = +1/2 съответно u-кварк и аз 3 = -1/2, съответно д-кварк. И двата компонента на дублета имат подобни масови стойности и са идентични във всички други свойства, с изключение на електрическия заряд;

2) квантово число С- странността характеризира странното поведение на някои частици, които имат аномално дълъг живот (~10 -8 - 10 -13 s) в сравнение с характерното ядрено време (~10 -23 s). Самите частици са наречени странни, съдържащи един или повече странни кварки и странни антикварки. Раждането или изчезването на странни частици поради силни взаимодействия се случват по двойки, тоест при всяка ядрена реакция сумата от $\Sigma$S преди реакцията трябва да бъде равна на $\Sigma$S след реакцията. При слаби взаимодействия обаче законът за запазване на странността не важи.

При експерименти на ускорители са наблюдавани частици, които е невъзможно да се опишат u-, д- И с-кварки. По аналогия със странността беше необходимо да се въведат още три нови кварка с нови квантови числа СЪС = +1, IN= -1 и T= +1. Частиците, съставени от тези кварки, имат значително по-голяма маса (> 2 GeV/c 2). Те имат голямо разнообразие от модели на разпадане с продължителност на живота от ~10 -13 s. Обобщение на характеристиките на всички кварки е дадено в табл. 2.

Всяка кваркова таблица. 2 съответства на вашия антикварк. За антикварките всички квантови числа имат знак, противоположен на посочения за кварка. За големината на масата на кварка трябва да се каже следното. Дадено в табл. 2 стойности съответстват на масите на голите кварки, тоест самите кварки, без да се вземат предвид глуоните около тях. Масата на облечените кварки е по-голяма поради енергията, пренасяна от глуоните. Това е особено забележимо при най-леките u- И д-кварки, чиято глуонна обвивка има енергия около 300 MeV.

Кварките, които определят основните физични свойства на частиците, се наричат ​​валентни кварки. Освен валентни кварки, адроните съдържат виртуални двойки частици - кварки и антикварки, които се излъчват и поглъщат от глуоните за много кратко време

(Където д- енергията на виртуалната двойка), което се случва в нарушение на закона за запазване на енергията в съответствие с отношението на несигурност на Хайзенберг. Виртуални двойки кварки се наричат морски кваркиили морски кварки. Така структурата на адроните включва валентни и морски кварки и глуони.

Основната характеристика на всички кварки е, че имат съответни силни заряди. Силните полеви заряди имат три еднакви разновидности (вместо един електрически заряд в теорията на електричните сили). В историческата терминология тези три вида заряд се наричат ​​цветовете на кварките, а именно: условно червен, зелен и син. Така всеки кварк в таблицата. 1 и 2 може да бъде в три форми и е цветна частица. Смесването на трите цвята, точно както се случва в оптиката, дава бял цвят, тоест обезцветява частицата. Всички наблюдавани адрони са безцветни.

Кварковите взаимодействия се осъществяват от осем различни глуона. Терминът "глюон" означава на английскилепило, тоест тези полеви кванти са частици, които сякаш слепват кварките заедно. Подобно на кварките, глуоните са цветни частици, но тъй като всеки глуон променя цветовете на два кварка наведнъж (кварка, който излъчва глуона и кварка, който абсорбира глуона), глуонът е оцветен два пъти, носейки цвят и антицвят, обикновено различен от цвета.

Масата на покой на глуоните, като тази на фотон, е нула. Освен това глуоните са електрически неутрални и нямат слаб заряд.

Адроните също обикновено се разделят на стабилни частици и резонанси: барион и мезон.
Резонансите се характеризират с изключително кратък живот (~10 -20 -10 -24 s), тъй като затихването им се дължи на силно взаимодействие.

Десетки такива частици са открити от американския физик Л.В. Алварес. Тъй като пътят на такива частици до разпадане е толкова кратък, че не могат да бъдат наблюдавани в детектори, които записват следи от частици (като камера с мехурчета и т.н.), всички те са открити косвено чрез наличието на пикове в зависимост от вероятността за взаимодействие на различни частици една с друга по отношение на енергията. Фигура 1 обяснява това. Фигурата показва зависимостта на напречното сечение на взаимодействие (пропорционално на стойността на вероятността) на положителен пион $\pi^+$ с протон строт кинетичната енергия на пиона. При енергия от около 200 MeV се вижда пик по време на напречното сечение. Ширината му е $\Gamma = 110$ MeV, а общата маса на частицата $\Delta^(++)$ е равна на $T^(")_(max)+M_p c^2+M_\pi c ^2=1232$ MeV /с 2 , където $T^(")_(max)$ е кинетичната енергия на сблъсъка на частиците в системата на техния масов център. Повечето резонанси могат да се разглеждат като възбудено състояние на стабилни частици, тъй като имат същия кварков състав като техните стабилни двойници, въпреки че масата на резонансите е по-голяма поради енергията на възбуждане.

Кварков модел на адроните

Започваме да описваме кварковия модел на адроните с чертеж на полеви линии, излъчвани от източник - кварк с цветен заряд и завършващ на антикварк (фиг. 2, b). За сравнение, на фиг. 2 и ние показваме, че в случай на електромагнитно взаимодействие силовите линии се отклоняват от техния източник - електрическия заряд - като вентилатор, тъй като виртуалните фотони, излъчвани едновременно от източника, не взаимодействат помежду си. В резултат на това получаваме закона на Кулон.

За разлика от тази картина, самите глуони имат цветни заряди и взаимодействат силно един с друг. В резултат на това вместо вентилатор от електропроводи имаме сноп, показан на фиг. 2, b. Въжето е опънато между кварк и антикварк, но най-удивителното е, че самите глуони, имайки цветни заряди, стават източници на нови глуони, чийто брой се увеличава с отдалечаването им от кварка.
Тази картина на взаимодействие съответства на зависимостта на потенциалната енергия на взаимодействие между кварките от разстоянието между тях, показана на фиг. 3. А именно: до разстоянието Р> 10 -13 cm, U(R) зависимостта има фуниевиден характер и силата на цветния заряд в този диапазон на разстояние е относително малка, така че кварките при Р> 10 -15 cm, при първо приближение, могат да се считат за свободни, невзаимодействащи си частици. Това явление има специалното име асимптотична свобода на малки кварки Р. Въпреки това, когато Рпо-голяма от някаква критична $R_(cr) \приблизително 10^(-13)$ cm стойност на потенциалната енергия на взаимодействие U(Р) става право пропорционална на стойността Р. От това пряко следва, че силата Е = -dU/дР= const, тоест не зависи от разстоянието. Никое друго взаимодействие, което физиците са изследвали преди това, не е имало такова необичайно свойство.

Изчисленията показват, че силите, действащи между кварк и антикварк, наистина, започвайки от $R_(cr) \приблизително 10_(-13)$ cm, престават да зависят от разстоянието, оставайки на ниво с огромна величина, близо до 20 тона . От разстояние Р~ 10 -12 cm (равно на радиуса на средното атомно ядро) цветните сили са повече от 100 хиляди пъти по-големи от електромагнитните сили. Ако сравним силата на цвета с ядрените сили между протон и неутрон в атомно ядро, се оказва, че силата на цвета е хиляди пъти по-голяма! Така пред физиците се откри нова грандиозна картина на цветните сили в природата, много порядъци по-големи от известните в момента ядрени сили. Разбира се, веднага възниква въпросът дали такива сили могат да бъдат накарани да работят като източник на енергия. За съжаление отговорът на този въпрос е отрицателен.

Естествено възниква друг въпрос: до какви разстояния? Рмежду кварките, потенциалната енергия нараства линейно с нарастване Р?
Отговорът е прост: на големи разстояния снопът от силови линии се счупва, тъй като е енергийно по-изгодно да се образува скъсване с раждането на двойка частици кварк-антикварк. Това се случва, когато потенциалната енергия в мястото на прекъсване е по-голяма от масата на покой на кварка и антикварка. Процесът на прекъсване на снопа от силови линии на глуонното поле е показан на фиг. 2, V.

Такива качествени идеи за раждането на кварк-антикварк позволяват да се разбере защо единичните кварки изобщо не се наблюдават и не могат да бъдат наблюдавани в природата. Кварките остават завинаги в капан в адроните. Това явление на задържане на кварк се нарича задържане. При високи енергии може да е по-изгодно снопът да се счупи на много места едновременно, образувайки много $q\tilde q$-двойки. По този начин подхождаме към проблема с многоплодието двойки кварк-антикварки образуването на твърди кваркови струи.

Нека първо разгледаме структурата на леките адрони, тоест мезоните. Те се състоят, както вече казахме, от един кварк и един антикварк.

Изключително важно е и двамата партньори на двойката да имат еднакъв цветен заряд и еднакъв анти-заряд (например син кварк и анти-син антикварк), така че тяхната двойка, независимо от ароматите на кварките, да има без цвят (и наблюдаваме само безцветни частици).

Всички кварки и антикварки имат спин (в части от ч), равно на 1/2. Следователно общият спин на комбинация от кварк и антикварк е или 0, когато спиновете са антипаралелни, или 1, когато спиновете са успоредни един на друг. Но спинът на една частица може да бъде по-голям от 1, ако самите кварки се въртят в някои орбити вътре в частицата.

В табл Фигура 3 показва някои сдвоени и по-сложни комбинации от кварки, показващи на кои известни преди това адрони съответства тази комбинация от кварки.

От понастоящем най-добре проучените мезони и мезонни резонанси най-голямата група се състои от леки неароматни частици, чиито квантови числа С = ° С = б= 0. Тази група включва около 40 частици. Таблица 3 започва с пиони $\pi$ ±,0, открити от английския физик S.F. Пауъл през 1949 г. Заредените пиони живеят около 10 -8 s, разпадайки се на лептони по следните схеми:

$\pi^+ \to \mu + \nu_(\mu)$ и $\pi^- \to \mu^- + \tilde \nu_(\mu)$.

Техните "роднини" в таблицата. 3 - резонанси $\rho$ ±,0 (rho мезони), за разлика от пионите, имат спин Дж= 1, те са нестабилни и живеят само около 10 -23 s. Причината за разпадането на $\rho$ ±,0 е силно взаимодействие.

Причината за разпадането на заредените пиони се дължи на слабото взаимодействие, а именно на факта, че кварките, които изграждат частицата, могат да излъчват и поглъщат в резултат на слабо взаимодействие за кратко време Tв съответствие с релацията (4), виртуални калибровъчни бозони: $u \to d + W^+$ или $d \to u + W^-$ и, за разлика от лептоните, преходи на кварк от едно поколение към кварк от друго поколение също се извършва, например $u \to b + W^+$ или $u \to s + W^+$ и т.н., въпреки че такива преходи са значително по-редки от преходите в рамките на едно поколение. В същото време, по време на всички такива трансформации, електрическият заряд в реакцията се запазва.

Изследване на мезони включително с- И ° С-кварки, доведе до откриването на няколко десетки странни и очаровани частици. Техните изследвания сега се провеждат в много научни центровемир.

Изследване на мезони включително b- И T-кварки, започнаха интензивно на ускорителите и засега няма да говорим по-подробно за тях.

Нека да преминем към разглеждането на тежките адрони, тоест бариони. Всички те са съставени от три кварка, но тези, които имат и трите разновидности на цвят, тъй като, подобно на мезоните, всички бариони са безцветни. Кварките в барионите могат да имат орбитално движение. В този случай общият спин на частицата ще надвишава общия спин на кварките, равен на 1/2 или 3/2 (ако спиновете и на трите кварка са успоредни един на друг).

Барионът с минимална маса е протонът стр(виж таблица 3). Това са протоните и неутроните, които изграждат всички атомни ядра. химически елементи. Броят на протоните в едно ядро ​​определя общия му електрически заряд З.

Другата основна частица на атомните ядра е неутронът н. Неутронът е малко по-тежък от протона, нестабилен е и в свободно състояние, с време на живот около 900 s, се разпада на протон, електрон и неутрино. В табл Фигура 3 показва кварковото състояние на протона uudи неутрон udd. Но със завъртането на тази комбинация от кварки Дж= образуват се съответно 3/2 резонанса $\Delta^+$ и $D^0$. Всички други бариони, състоящи се от по-тежки кварки с, b, T, и имат значително по-голяма маса. Сред тях особен интерес беше У- -хиперон, състоящ се от три странни кварка. Открит е първо на хартия, тоест чрез изчисления, използвайки идеи за кварковата структура на барионите. Всички основни свойства на тази частица са предсказани и след това потвърдени от експерименти.

Много експериментално наблюдавани факти сега убедително показват съществуването на кварки. По-специално, става дума за откриването на нов процес в реакцията на сблъсък на електрони и позитрони, водещ до образуването на кварк-антикваркови струи. Диаграма на този процес е показана на фиг. 4. Експериментът е проведен в колайдери в Германия и САЩ. Фигурата показва посоката на лъчите със стрелки д+ и д- , а от точката на сблъсъка им излиза кварк ри антикварк $\tilde q$ при зенитен ъгъл $\Theta$ спрямо посоката на полета д+ и д- . Това раждане на двойка $q+\tilde q$ се случва в реакцията

$$e^+ + e^- \to \gamma_(virt) \to q + \tilde q$$

Както вече казахме, сноп от силови линии (по-често наричан низ), когато се разтегне достатъчно голям, се разпада на компоненти.
При висока енергия на кварка и антикварка, както споменахме по-рано, струната се къса на много места, в резултат на което се образуват два тесни снопа от вторични безцветни частици в двете посоки по линията на полета на q кварка и антикварка, както е показано на фиг. 4. Такива снопове от частици се наричат ​​струи. Доста често експериментално се наблюдава образуване на три, четири или повече струи от частици едновременно.

В експерименти, проведени при суперускорителни енергии в космическите лъчи, в които участва авторът на тази статия, бяха получени снимки на процеса на образуване на много струи. Факт е, че въжето или струната са едноизмерни и следователно центровете на образуване на три, четири или повече струи също са разположени по права линия.

Теорията, която описва силните взаимодействия, се нарича квантова хромодинамикаили за кратко КХД. Тя е много по-сложна от теорията за електрослабите взаимодействия. КХД е особено успешна при описването на така наречените твърди процеси, тоест процеси на взаимодействие на частици с голям трансфер на импулс между частиците. Въпреки че създаването на теорията все още не е завършено, много теоретични физици вече са заети със създаването на „голямото обединение“ - обединяването на квантовата хромодинамика и теорията за електрослабото взаимодействие в една теория.

В заключение, нека разгледаме накратко дали шест лептона и 18 разноцветни кварка (и техните античастици), както и кванти на фундаменталните полета - фотонът, У ± -, З 0 бозона, осем глуона и накрая кванти на гравитационното поле - гравитони - целият арсенал от наистина елементарни или по-точно фундаментални частици. Очевидно не. Най-вероятно описаните картини на частици и полета са отражение само на сегашните ни познания. Не напразно вече има много теоретични идеи, които включват голяма група от все още наблюдавани така наречени суперсиметрични частици, октет от свръхтежки кварки и много други.

очевидно, съвременна физикавсе още е далеч от изграждането на пълна теория на частиците. Може би великият физик Алберт Айнщайн е бил прав, когато е вярвал, че само вземането под внимание на гравитацията, въпреки сегашната й привидно малка роля в микросвета, ще направи възможно изграждането на строга теория на частиците. Но всичко това е вече в 21 век или дори по-късно.

Литература

1. Окун Л.Б. Физика на елементарните частици. М.: Наука, 1988.

2. Кобзарев И.Ю. Лауреати Нобелова награда 1979: S. Weinberg, S. Glashow, A. Salam // Nature. 1980. N 1. С. 84.

3. Зелдович Я.Б. Класификация на елементарни частици и кварки, представена за пешеходци // Успехи на физиката. Sci. 1965. Т. 8. С. 303.

4. Крайнов В.П. Отношение на несигурност за енергия и време // Сорос Образователен вестник. 1998. N 5. С. 77-82.

5. Намбу И. Защо няма свободни кварки // Успехи на физ. Sci. 1978. Т. 124. С. 146.

6. Жданов Г.Б., Максименко В.М., Славатински С.А. Експеримент "Памир" // Природа. 1984. N 11. С. 24

Рецензент на статиятаЛ.И. Саричева

С. А. СлаватинскиМосковски физико-технологичен институт, Долгопрудни, Московска област.