Dintre acestea pot apărea diverse particule fundamentale reale. Particulele sunt elementare. Un fragment care caracterizează particula fundamentală

Prezentat în Fig.1 fermioni fundamentale, cu spin ½, sunt „primele cărămizi” ale materiei. Ei sunt reprezentați leptoni(electroni e, neutrini etc.) - particule care nu participă la puternic interacțiuni nucleare și quarcuri, care sunt implicate în interacțiuni puternice. Particulele nucleare sunt formate din quarci hadronii(protoni, neutroni și mezoni). Fiecare dintre aceste particule are propria sa antiparticulă, care trebuie plasată în aceeași celulă. Denumirea unei antiparticule se distinge prin semnul tildei (~).

Din cele șase soiuri de quarci, sau șase parfumuri sarcină electrică 2/3 (în unități de sarcină elementară e) posedă superior ( u), Fermecat ( c) și adevărat ( t) quarci și cu sarcină –1/3 – mai mică ( d), ciudat ( s) si frumos ( b) quarci. Antiquarcii cu aceleași arome vor avea sarcini electrice de -2/3, respectiv 1/3.

particule fundamentale

Fermionii fundamentali (spin pe jumătate întreg)

bozoni fundamentali (spin întreg)

Leptoni

Quarci

n e

n m

n t

u

c

t

2/3

Puternic

El.-magnetic

Slab

gravitațională

e

m

t

–1

d

s

b

–1/3

8 g J = 1 m = 0

g J = 1 m = 0

W ± ,Z 0 J = 1 m@100

G J = 2 m = 0

eu

II

III

eu

II

III

Interacțiune electroslabă

marea unire

supraunificare

În cromodinamica cuantică (teoria interacțiunii puternice), trei tipuri de sarcini de interacțiune puternică sunt atribuite quarcilor și antiquarcilor: roșu R(anti-rosu); verde G(anti-verde); albastru B(anti albastru). Interacțiunea culorii (puternice) leagă quarcii în hadroni. Acestea din urmă sunt împărțite în barionii, format din trei quarci, și mezonii format din doi quarci. De exemplu, protonii și neutronii înrudiți cu barionii au următoarea compoziție de cuarci:

p = (uud) și , n = (ddu) și .

Ca exemplu, prezentăm compoziția tripletului pi-mezon:

, ,

Este ușor de observat din aceste formule că sarcina protonului este +1, în timp ce cea a antiprotonului este -1. Neutronul și antineutronul au sarcină zero. Spiriurile quarcilor din aceste particule sunt adăugate astfel încât spinurile lor totale să fie egale cu ½. Sunt posibile și astfel de combinații ale acelorași quarci, în care rotațiile totale sunt egale cu 3/2. Astfel de particule elementare (D ++ , D + , D 0 , D –) au fost descoperite și aparțin rezonanțelor, adică. hadroni de scurtă durată.

Procesul cunoscut de dezintegrare radioactivă b, care este reprezentat de schemă

n ® p + e + ,

din punctul de vedere al teoriei cuarcilor arată ca

(udd) ® ( uud) + e+ sau d ® u + e + .

În ciuda încercărilor repetate de a detecta quarci liberi în experimente, nu a fost posibil. Acest lucru sugerează că quarkurile, aparent, apar numai în compoziția unor particule mai complexe ( capcanarea quarcilor). O explicație completă a acestui fenomen nu a fost încă oferită.

Figura 1 arată că există o simetrie între leptoni și cuarci, numită simetrie cuarc-lepton. Particulele din rândul de sus au o încărcătură mai mult decât particulele din rândul de jos. Particulele primei coloane aparțin primei generații, a doua - a doua generație și a treia coloană - a treia generație. Cuarcuri adecvate c, bși t au fost prezise pe baza acestei simetrii. Materia din jurul nostru este formată din particule de prima generație. Care este rolul particulelor din a doua și a treia generație? Nu există încă un răspuns definitiv la această întrebare.

Unitățile de măsură ale mărimilor fizice în descrierea fenomenelor care au loc în microlume sunt împărțite în de bază și derivate, care sunt determinate prin notația matematică a legilor fizicii.
Datorită faptului că toate fenomenele fizice apar în spațiu și timp, unitățile de lungime și de timp sunt luate în primul rând ca unități de bază, iar la acestea se adaugă unitatea de masă. Unități de bază: lungimi l, timpul t, masa m − obține o anumită dimensiune. Dimensiunile unităților derivate sunt determinate de formule care exprimă anumite legi fizice.
Dimensiunile unităților fizice de bază sunt selectate astfel încât în ​​practică să fie convenabil să le folosiți.
În sistemul SI sunt acceptate următoarele dimensiuni: lungimi [ l] = m (metru), timpul [t] = s (secunda), masa [t] = kg (kilogram).
În sistemul CGS, următoarele dimensiuni sunt acceptate pentru unitățile de bază: lungime [/] \u003d cm (centimetru), timp [t] \u003d s (secunda) și masa [t] \u003d g (gram). Pentru a descrie fenomenele care au loc în microlume, pot fi folosite ambele sisteme de unități SI și CGS.
Să estimăm ordinele de mărime ale lungimii, timpului și masei în fenomenele microlumii.
Pe lângă cele general acceptate sisteme internaţionale Unitățile SI și CGS sunt, de asemenea, folosite „sisteme naturale de unități” bazate pe constante fizice universale. Aceste sisteme de unități sunt deosebit de relevante și utilizate în diferite teorii fizice. În sistemul natural de unități, constantele fundamentale sunt luate ca unități de bază: viteza luminii în vid - c, constanta lui Planck - ћ, constanta gravitațională G N , constanta lui Boltzmann - k: numărul lui Avogadro - N A , etc. În sistemul natural de unități Planck, c = ћ = G N = k = 1. Acest sistem de unități este folosit în cosmologie pentru a descrie procese în care atât efectele cuantice, cât și cele gravitaționale sunt semnificative (teoriile găurilor negre, teoriile universului timpuriu).
În sistemul natural de unități se rezolvă problema unității naturale de lungime. Aceasta poate fi considerată lungimea de undă Compton λ 0 , care este determinată de masa particulei M: λ 0 = ћ/Ms.
Lungime caracterizează dimensiunea obiectului. Deci, pentru un electron, raza clasică r 0 \u003d e 2 /m e c 2 \u003d 2,81794 10 -13 cm (e, m e sunt sarcina și masa electronului). Raza clasică a unui electron are semnificația razei unei bile încărcate cu sarcină e (distribuția este simetrică sferic), la care energia câmp electrostatic bila ε = γe 2 /r 0 este egală cu energia de repaus a electronului m e c 2 (utilizată când se consideră difuzarea luminii Thompson).
Se folosește și raza orbitei Bohr. Este definită ca distanța de la nucleu la care este cel mai probabil să se găsească un electron într-un atom de hidrogen neexcitat.
a 0 = ћ 2 /m e e 2 (în sistemul CGS) și a 0 = (α/4π)R = 0,529 10 -10 m (în sistemul SI), α = 1/137.
Dimensiunea nucleonului r ≈ 10 -13 cm (1 femtometru). Dimensiunile caracteristice ale sistemelor atomice sunt 10 -8 , sistemele nucleare - 10 -12 ÷ 10 -13 cm.
Timp variază într-o gamă largă și este definită ca raportul dintre distanța R și viteza obiectului v. Pentru microobiecte τ otravă = R/v = 5·10 -12 cm/10 9 cm/s ~ 5·10 -22 s;
τ element h \u003d 10 -13 cm / 3 10 10 cm / s \u003d 3 10 -24 s.
Masele obiectele variază de la 0 la M. Astfel, masa unui electron m e ≈ 10 -27 g, masa unui proton
pf ≈ 10 -24 g (sistem CGS). O unitate de masă atomică utilizată în fizica atomică și nucleară, 1 a.m.u. = M(C)/12 în unități din masa atomului de carbon.
Caracteristicile fundamentale ale micro-obiectelor includ o sarcină electrică, precum și caracteristicile necesare pentru identificarea unei particule elementare.
Incarcare electrica particulele Q se măsoară de obicei în unități de sarcină electronică. Sarcina electronilor e = 1,6 10 -19 pandantiv. Pentru particulele în stare liberă, Q/e = ±1, 0, iar pentru quarcii care formează hadronii, Q/e = ±2/3 și ±1/3.
În nuclee, sarcina este determinată de numărul de protoni Z conținuți în nucleu. Sarcina unui proton este egală în valoare absolută cu sarcina unui electron.
Pentru a identifica o particulă elementară, trebuie să știți:
I este spinul izotopic;
J - momentul intrinsec al impulsului - spin;
R - paritate spațială;
C este paritatea taxei;
G − G-paritate.
Această informație este scrisă ca o formulă I G (J PC).
A învârti este una dintre cele mai importante caracteristici ale unei particule, care este măsurată folosind constanta fundamentală a lui Planck h sau ћ = h/2π = 1,0544·10 -27 [erg-s]. Bosonii au un spin întreg în unități de ћ: (0,1, 2,...)ћ, fermionii au un semiîntreg (1/2, 3/2,... .)ћ. În clasa particulelor supersimetrice, valorile spinilor fermionilor și bosonilor sunt schimbate.

Orez. 4 ilustrează semnificația fizică a spinului J prin analogie cu ideea clasică a momentului unghiular al unei particule cu o masă m = 1 g care se deplasează cu o viteză v = 1 cm/s de-a lungul unui cerc cu raza r = 1. cm.În fizica clasică, momentul unghiular J = mvr = L (L este momentul orbital). În mecanica cuantică, J = 10 27 ћ = 1 erg·s pentru aceiași parametri ai unui obiect care se mișcă într-un cerc, unde ћ = 1,05·10 -27 erg·s.
Proiecția spinului unei particule elementare pe direcția impulsului său se numește helicitate. Elicitatea unei particule fără masă cu un spin arbitrar ia doar două valori: de-a lungul sau împotriva direcției impulsului particulei. Pentru un foton, valorile posibile ale helicității sunt egale cu ±1, pentru un neutrin fără masă, helicitatea este egală cu ±1/2.
Momentul de spin al impulsului unui nucleu atomic este definit ca suma vectorială a spinurilor particulelor elementare care formează un sistem cuantic și momentele orbitale ale acestor particule, datorită mișcării lor în cadrul sistemului. Momentul orbital || și momentul de rotație || dobândesc o valoare discretă. Momentul orbital || = ћ[ l(l+1)] 1/2 , unde l− număr cuantic orbital (poate lua valori 0, 1,2,...), moment intrinsec al impulsului || = ћ 1/2 unde s este numărul cuantic de spin (poate lua valori zero, întregi sau semiîntregi J, momentul unghiular total este egal cu suma + = .
Unitățile derivate ar trebui să includă: energia particulei, viteza care înlocuiește viteza particulelor relativiste, moment magnetic si etc.
Energie particulă în repaus: E = mc2; particulă în mișcare: E \u003d m 2 c 4 + p 2 c 2.
Pentru particule non-relativiste: E = mc 2 + p 2 /2m; pentru particule relativiste, cu masa m = 0: E = cf.
Unități de energie - eV, keV, MeV, GeV, TeV, ... 1 GeV = 10 9 eV, 1 TeV = 10 12 eV,
1 eV = 1,6 10 -12 erg.
Viteza particulelor β = v/c, unde c = 3 10 10 cm/s este viteza luminii. Viteza particulei determină o caracteristică atât de importantă precum factorul Lorentz al particulei γ = 1/(1-β 2) 1/2 = E/mc 2 . Întotdeauna γ > 1- Pentru particule non-relativiste 1< γ < 2, а для релятивистских частиц γ > 2.
În fizica energiei înalte, viteza particulelor β este aproape de 1 și este dificil de determinat pentru particulele relativiste. Prin urmare, în loc de viteză se folosește viteza y, care este legată de viteza prin relația y = (1/2)ln[(1+β)/(1-β)] = (1/2)ln[(E +p)/(E-p)]. Viteza se schimbă de la 0 la ∞.

Relația funcțională dintre viteza particulelor și viteza este prezentată în fig. 5. Pentru particule relativiste la β → 1, E → p, atunci în loc de viteză se poate folosi pseudo-rapiditatea η, care este determinată de unghiul de plecare al particulei θ, η = (1/2)ln tan(θ/2) . Spre deosebire de viteză, viteza este o cantitate aditivă, adică y 2 = y 0 + y 1 pentru orice cadru de referință și pentru orice particule relativiste și non-relativiste.
Moment magnetic μ = Iπr 2 /c, unde curentul I = ev/2πr, apare din cauza rotației sarcinii electrice. Astfel, orice particulă încărcată are un moment magnetic. Când se ia în considerare momentul magnetic al unui electron, se folosește magnetonul Bohr
μ B = eћ/2m e c = 0,5788·10 -14 MeV/Gs, moment magnetic electron = g·μ B ·. Coeficientul g se numește raport giromagnetic. Pentru un electron g = /μ B · = 2, deoarece J = ћ/2, = μ B cu condiția ca electronul să fie o particulă punctuală fără structură. Raportul giromagnetic g conține informații despre structura particulei. Mărimea (g - 2) este măsurată în experimente care vizează studierea structurii particulelor, altele decât leptonii. Pentru leptoni, această cantitate indică rolul corecțiilor electromagnetice mai mari (vezi secțiunea 7.1 de mai jos).
În fizica nucleară, se folosește magnetonul nuclear μ i = eћ/2m p c, unde m p este masa protonului.

2.1.1. Sistemul Heaviside și relația sa cu sistemul CGS

În sistemul Heaviside, viteza luminii c și constanta lui Planck ћ se presupune că sunt egale cu unitatea, adică. c = ћ = 1. Unitățile principale de măsură sunt unitățile de energie - MeV sau MeV -1, în timp ce în sistemul CGS unitățile principale de măsură sunt [g, cm, s]. Apoi, folosind relațiile: E \u003d mc 2 \u003d m \u003d MeV, l= ћ/mc = MeV -1 , t = ћ/mc 2 = MeV -1 , obținem relația dintre sistemul Heaviside și sistemul CGS sub forma:

• m(g) = m(MeV)210-27,
• l(cm) = l(MeV-1)210-11,
• t (c) \u003d t (MeV -1) b.b 10 -22.

Sistemul Heaviside este folosit în fizica energiilor înalte pentru a descrie fenomenele care au loc în microcosmos și se bazează pe utilizarea constantelor naturale с și ћ, care sunt decisive în mecanica relativistă și cuantică.
Valorile numerice ale cantităților corespunzătoare din sistemul CGS pentru electron și proton sunt date în tabel. 3 și poate fi folosit pentru a trece de la un sistem la altul.

Tabelul 3. Valorile numerice ale cantităților din sistemul CGS pentru electroni și protoni

2.1.2. Unități Planck (naturale).

Când se iau în considerare efectele gravitaționale, scara Planck este introdusă pentru a măsura energia, masa, lungimea și timpul. Dacă energia gravitațională a unui obiect este egală cu energia sa totală, adică.

apoi
lungime = 1,6 10 -33 cm,
masa = 2,2 10 -5 g = 1,2 10 19 GeV,
timp = 5,4 10 -44 s,
Unde \u003d 6,67 10 -8 cm 2 g -1 s -2.

Efectele gravitaționale sunt semnificative atunci când energia gravitațională a unui obiect este comparabilă cu energia sa totală.

2.2. Clasificarea particulelor elementare

Conceptul de „particulă elementară” s-a format odată cu stabilirea naturii discrete a structurii materiei la nivel microscopic.

Atomi → nuclei → nucleoni → partoni (quarci și gluoni)

În fizica modernă, termenul „particule elementare” este folosit pentru a denumi un grup mare de mici observat particule de materie. Acest grup de particule este foarte extins: p protoni, n neutroni, mezoni π și K, hiperoni, particule fermecate (J/ψ...) și multe rezonanțe (totale
~ 350 particule). Aceste particule sunt numite „hadroni”.
S-a dovedit că aceste particule nu sunt elementare, ci sunt sisteme compozite, ale căror componente sunt cu adevărat elementare sau, așa cum au început să fie numite, " fundamental „particule − partoni, descoperit în studiul structurii protonului. Studiul proprietăților partonilor a făcut posibilă identificarea acestora cu quarcuriși gluoni introdus în considerare de Gell-Mann și Zweig în clasificarea particulelor elementare observate. Cuarcii s-au dovedit a fi fermioni cu spin J = 1/2. Li s-au atribuit sarcini electrice fracționate și un număr barion B = 1/3, deoarece un barion cu B = 1 este format din trei quarci. În plus, pentru a explica proprietățile unor barioni, a devenit necesară introducerea unui nou număr cuantic - culoarea. Fiecare quarc are trei stări de culoare, notate prin indicii 1, 2, 3 sau cuvintele roșu (R), verde (G) și albastru (B). Culoarea nu se manifestă în niciun fel în hadronii observați și funcționează doar în interiorul acestora.
Până în prezent, au fost descoperite 6 arome (tipuri) de quarci.
În tabel. 4 prezintă proprietățile quarcilor pentru o stare de culoare.

Tabelul 4. Proprietățile quarcurilor

Aromă	Masa, MeV/s 2	eu	eu 3	Q q /e	s	Cu	b	t
tu sus	330; (5)	1/2	1/2	2/3	0	0	0	0
d jos	340; (7)	1/2	-1/2	-1/3	0	0	0	0
e ciudat	450; (150)	0	0	-1/3	-1	0	0	0
cu farmec	1500	0	0	2/3	0	1	0	0
b frumusețe	5000	0	0	-1/3	0	0	-1	0
t adevarul	174000	0	0	2/3	0	0	0	1

Pentru fiecare aromă a unui quarc se indică masa acestuia (se dau masele quarcilor constituenți, iar masele quarcilor actuali sunt date între paranteze), spin izotopic I și a treia proiecție a spin izotopic I 3 , sarcina cuarcului Q q /e și numerele cuantice s, c, b, t. Alături de aceste numere cuantice, este adesea folosit și numărul cuantic de hiperîncărcare Y = B + s + c + b + t. Există o legătură între proiecția spinului izotopic I 3 , sarcina electrică Q și hipersarcina Y: Q = I 3 + (1/2)Y.
Deoarece fiecare quarc are 3 culori, 18 quarci trebuie să fie implicați în considerare. Quarcii nu au structură.
În același timp, printre particulele elementare a existat o întreagă clasă de particule numite " leptoni". Sunt și particule fundamentale, adică nu au structură. Sunt șase dintre ele: trei încărcate e, μ, τ și trei neutre ν e, ν μ, ν τ. Leptonii participă doar la interacțiuni electromagnetice și slabe. Leptonii și quarcii cu spin semiîntreg J = (n+1/2)ћ, n = 0, 1,... .sunt fermioni fundamentali.Există o simetrie uimitoare între leptoni și quarci: șase leptoni și șase quarci.
În tabel. 5 prezintă proprietățile fermionilor fundamentali: sarcina electrică Q i în unități de sarcină a electronului și masa particulei m. Leptonii și quarcii se reunesc în trei generații (I, II și III). Pentru fiecare generație, suma sarcinilor electrice ∑Q i = 0, ținând cont de 3 sarcini de culoare pentru fiecare cuarc. Fiecare fermion are un antifermion.
Pe lângă caracteristicile particulelor enumerate în tabel, un rol important pentru leptoni îl joacă numerele de leptoni: electronic L e egal cu +1 pentru e - și ν e , muon L μ egal cu +1 pentru μ - și ν μ și taon L τ egal cu + 1 pentru τ - și ν τ , care corespund aromelor leptonilor implicați în reacții specifice și sunt cantități conservate. Pentru leptoni, numărul barionului B = 0.

Tabelul 5. Proprietățile fermionilor fundamentali

Materia din jurul nostru este formată din fermioni din prima generație de masă diferită de zero. Influența particulelor din a doua și a treia generație s-a manifestat în Universul timpuriu. Printre particulele fundamentale rol deosebit joacă bosoni gauge fundamentali având un număr cuantic intern întreg spin J = nћ, n = 0, 1, .... Bosonii gauge sunt responsabili pentru patru tipuri de interacțiuni fundamentale: puternice (gluon g), electromagnetic (foton γ), slab ( bosonii W ± , Z 0), gravitaționali (graviton G). Sunt, de asemenea, particule fără structură, fundamentale.
În tabel. 6 prezintă proprietățile bosonilor fundamentali, care sunt cuante de câmp în teoriile gauge.

Tabelul 6. Proprietățile bosonilor fundamentali

Nume	Încărca	Greutate	A învârti	Interacțiuni
Graviton, G	0	0	2	gravitațională
Foton, γ	0	< 3·10 -27 эВ	1	electromagnetic
Bosoni vectoriali încărcați, W ±	±1	80,419 GeV/s 2	1	Slab
Boson vector neutru, Z 0	0	91,188 GeV/s 2	1	Slab
Gluoni, g 1 , ... , g 8	0	0	0	Puternic
Higgs, H0, H ±	0	> 100 GeV/c 2	0

Pe lângă proprietățile bosonilor gauge descoperiți γ, W ± , Z 0 , g 1 ,... , g 8, tabelul prezintă proprietățile bosonilor care nu au fost încă descoperiți: gravitonul G și bosonii Higgs H 0, H ±.
Să luăm acum în considerare cel mai numeros grup de particule elementare care interacționează puternic - hadronii, pentru a explica structura căreia a fost introdus conceptul de quarci.
Hadronii sunt împărțiți în mezoni și barioni. Mezonii sunt construiți dintr-un cuarc și un antiquarc (q). Barionii constau din trei quarci (q 1 q 2 q 3).
În tabel. 7 enumeră proprietățile hadronilor de bază. (Pentru tabele detaliate, vezi The European Physical Journal C, Rev. of Particle Phys., v.15, nr. 1 - 4, 2000.)

Tabelul 7. Proprietăţile hadronilor

	Nume	Masa, MeV/s 2	Durata vieții, s	Mode de decădere	Compoziția cuarcilor
	Bujor π ± 1 - (0 -+) π 0	139.567 134.965	2,6 10 -8 0,83 10 -16	π ± → μ ± + ν π 0 → γ + γ	(u), (d) (u − d)/√2
	η mezon η 0 0 + (0 -+)	548.8	Г=1,18±0,11 keV	η 0 → γ + γ; 3π 0 →π + + π -0 + π --	c 1 (u + d) + c 2 (s)
				(u), (s) (d) (d)
	D ± D0	1869.3 1864.5	10,69 10 -13 4,28 10 -13	D ± → e ± + X D 0 → e + + X -	(c), (d) (c)
	F±=	1969.3	4,36 10 -13	→ ρ 0 + π ±	(c, s)
	B ± La 0	5277.6 5279.4	13,1 10 -13 13,1 10 -13	B ± → + π ± B 0 →+ π -0 +	(u), (b) (d), (b)
b	Proton p Neutron n	938.3 939.5	> 10 33 de ani 898±16	n → p + e - +	uud udd
	Λ		2,63 10 -10	Λ→p + π -	uds
	Σ + Σ 0 Σ -	1189.4 1192 1197	0,8 10 -10 5,8 10 -20 1,48 10 -10	Σ + →p + π 0 Σ 0 → Λ+ γ Σ - →n + π -	uus uds dds
	Ξ 0 Ξ -	1314.9 1321	2,9 10 -10 1,64 10 -10	Ξ 0 → Λ+ π 0 Ξ - → Λ + π -	uss dss
	Ω -	1672	0,8 10 -10	Ω - → Λ+ K -	sss
	Σ s		Σ c →+ π →Ξ - π + π + →l - l	ucs usc dsc udb

Structura cuarci a hadronilor face posibilă evidențierea în acest grup mare de particule hadroni non-strani, care constau din quarci non-strani (u, d), hadroni ciudați, care includ un quarc ciudat s, hadroni fermecați care conțin un c -quark, hadroni de farmec (hadronii de jos) cu quarcul b.
Tabelul arată proprietățile doar unei mici părți din hadroni: mezoni și barioni. Sunt prezentate masa lor, durata de viață, principalele moduri de dezintegrare și compoziția cuarcilor. Pentru mezoni, numărul de barion B \u003d O și numărul de lepton L \u003d 0. Pentru barioni, numărul de barion B \u003d 1, numărul de lepton L \u003d 0. Mezonii sunt bosoni (spin întreg), barionii sunt fermioni ( spin semiîntreg).
O analiză suplimentară a proprietăților hadronilor ne permite să le combinăm în multiplete izotopice constând din particule cu aceleași numere cuantice (număr barion, spin, paritate internă, ciudățenie) și mase similare, dar cu sarcini electrice diferite. Fiecare multiplet izotopic este caracterizat de un spin izotopic I, care determină numărul total de particule incluse în multiplet, egal cu 2I + 1. Isospin poate lua valorile 0, 1/2, 1, 3/2, 2, . .., adică este posibilă existenţa unor singlete izotopice, dublete, triplete, cvartete etc. Deci, un proton și un neutron alcătuiesc un dublet izotopic, π + -, π - -, π 0 -mezonii sunt considerați ca un triplet izotopic.
Obiectele mai complexe din microcosmos sunt nucleele atomice. Nucleul atomic este format din Z protoni și N neutroni. Suma Z + N = A este numărul de nucleoni dintr-un izotop dat. Adesea, tabelele oferă valoarea medie pentru toți izotopii, apoi devine fracționară. Sunt cunoscute nucleele pentru care valorile indicate sunt în: 1< А < 289, 1 < Z < 116.
Particulele enumerate mai sus sunt luate în considerare în cadrul modelului standard. Se presupune că în afara Modelului Standard poate exista un alt grup de particule fundamentale - particule supersimetrice (SUSY). Ele ar trebui să asigure simetria între fermioni și bozoni. În tabel. 8 prezintă presupusele proprietăți ale acestei simetrii.

2.3. Abordarea pe teren a problemei interacțiunilor

2.3.1 Proprietăți ale interacțiunilor fundamentale

Varietatea uriașă de fenomene fizice care apar în timpul ciocnirilor de particule elementare este determinată de doar patru tipuri de interacțiuni: electromagnetice, slabe, puternice și gravitaționale. În teoria cuantică, interacțiunea este descrisă în termeni de schimb de cuante specifice (bosoni) asociate unui anumit tip de interacțiune.
Pentru o reprezentare vizuală a interacțiunii particulelor, fizicianul american R. Feynman a sugerat folosirea diagramelor, care au primit numele său. Diagramele Feynman descriu orice proces de interacțiune atunci când două particule se ciocnesc. Fiecare particulă implicată în proces este reprezentată printr-o linie pe diagrama Feynman. Capătul liber din stânga sau din dreapta al liniei indică faptul că particula este în starea inițială sau, respectiv, finală. Liniile interne din diagrame (adică liniile care nu au capete libere) corespund așa-numitelor particule virtuale. Acestea sunt particule care se nasc și sunt absorbite în procesul de interacțiune. Ele nu pot fi înregistrate, spre deosebire de particulele reale. Interacțiunea particulelor din diagramă este reprezentată de noduri (sau vârfuri). Tipul de interacțiune este caracterizat de constanta de cuplare α, care poate fi scrisă ca: α = g 2 /ћc, unde g este sarcina sursei de interacțiune și este principala caracteristică cantitativă a forței care acționează între particule. În interacțiunea electromagnetică α e \u003d e 2 / ћc \u003d 1/137.

Fig.6. Diagrama Feynman.

Procesul a + b →с + d sub forma unei diagrame Feynman (Fig. 6) arată astfel: R este o particulă virtuală pe care particulele a și b se schimbă în timpul interacțiunii determinate de constanta de interacțiune α = g 2 /ћc , care caracterizează puterea interacțiunii la o distanță egală cu raza de interacțiune.
O particulă virtuală poate avea o masă M x, iar atunci când această particulă este schimbată, se transferă un impuls de 4 t = −q 2 = Q 2 .
În tabel. 9 prezintă caracteristicile tipuri diferite interacțiuni.

Interacțiuni electromagnetice . Interacțiunile electromagnetice la care sunt supuse toate particulele încărcate și fotonii sunt studiate cel mai complet și mai consistent. Purtătorul de interacțiune este un foton. Pentru forțele electromagnetice, constanta de interacțiune este numeric egală cu constanta de structură fină α e = e 2 /ћc = 1/137.
Exemple de procese electromagnetice cele mai simple sunt efectul fotoelectric, efectul Compton, formarea de perechi electron-pozitron, iar pentru particulele încărcate, împrăștierea ionizării și bremsstrahlung. Teoria acestor interacțiuni - electrodinamica cuantică - este cea mai precisă teorie fizică.

Interacțiuni slabe. Pentru prima dată, au fost observate interacțiuni slabe în timpul dezintegrarii β a nucleelor ​​atomice. Și, după cum sa dovedit, aceste dezintegrari sunt asociate cu transformările unui proton într-un neutron din nucleu și invers:
p → n + e + + ν e , n → p + e - + e . Sunt posibile și reacții inverse: captarea electronilor e - + p → n + ν e sau antineutrino e + p → e + + n. Interacțiunea slabă a fost descrisă de Enrico Fermi în 1934 în termenii unei interacțiuni de contact cu patru fermioni definite de constanta Fermi
G F \u003d 1,4 10 -49 erg cm 3.
La energii foarte mari, în locul interacțiunii de contact Fermi, interacțiunea slabă este descrisă ca o interacțiune de schimb, în ​​care are loc un schimb al unui cuantic dotat cu o sarcină slabă g w (prin analogie cu o sarcină electrică) și care acționează între fermioni. Astfel de cuante au fost descoperite pentru prima dată în 1983 la SppS Collider (CERN) de o echipă condusă de Karl Rubbia. Aceștia sunt bosoni încărcați - W ± și boson neutru - Z 0 , masele lor sunt, respectiv, egale: m W± = 80 GeV/c 2 și m Z = 90 GeV/c 2 . Constanta de interacțiune α W în acest caz este exprimată în termenii constantei Fermi:

Tabelul 9. Principalele tipuri de interacțiuni și caracteristicile acestora

Structuri ale microlumilor

Anterior, particulele elementare erau numite particule care alcătuiesc atomul și sunt indecompuse în componente mai elementare, și anume electroni și nuclee.

Ulterior s-a constatat că nucleele sunt compuse din mai multe particule simple – nucleonii(protoni și neutroni), care la rândul lor sunt formați din alte particule. De aceea particulele elementare au început să fie considerate cele mai mici particule de materie , excluzând atomii și nucleele acestora .

Până în prezent, au fost descoperite sute de particule elementare, ceea ce necesită clasificarea lor:

– după tipuri de interacțiuni

- după timpul vieții

- dimensiunea spatelui

Particulele elementare sunt împărțite în următoarele grupe:

Particule compozite și fundamentale (fără structură).

Particule compozite

Hadroni (grele)– particule care participă la toate tipurile de interacțiuni fundamentale. Sunt formați din quarci și se împart, la rândul lor, în: mezonii- hadroni cu spin întreg, adică fiind bozoni; barionii- hadroni cu spin semiîntreg, adică fermioni. Acestea includ, în special, particulele care alcătuiesc nucleul unui atom - protonul și neutronul, de exemplu. nucleonii.

Particule fundamentale (fără structură).

Leptoni (lumini)- fermionii, care au forma unor particule punctiforme (adică nu sunt formați din nimic) până la scări de ordinul 10 – 18 m. Nu participă la interacțiuni puternice. Participarea la interacțiuni electromagnetice a fost observată experimental numai pentru leptoni încărcați (electroni, muoni, tau-leptoni) și nu a fost observată pentru neutrini.

Quarci sunt particule încărcate fracțional care formează hadronii. Nu au fost observați în stare liberă.

Bosoni de măsurare- particule prin schimbul cărora se realizează interacțiuni:

– foton – o particulă care poartă interacțiune electromagnetică;

- opt gluoni - particule care poartă interacțiunea puternică;

sunt trei bosoni vectori intermediari W + , W− și Z 0, purtând interacțiune slabă;

– gravitonul este o particulă ipotetică care poartă interacțiune gravitațională. Existența gravitonilor, deși nu este încă demonstrată experimental din cauza slăbiciunii interacțiunii gravitaționale, este considerată destul de probabilă; cu toate acestea, gravitonul nu este inclus în modelul standard al particulelor elementare.

Conform conceptelor moderne, particulele fundamentale (sau particulele elementare „adevărate”) care nu au o structură internă și dimensiuni finite includ:

Quarci și leptoni

Particule care asigură interacțiuni fundamentale: gravitoni, fotoni, bosoni vectoriali, gluoni.

Clasificarea particulelor elementare după durata de viață:

- grajd: particule a căror durată de viață este foarte lungă (tinde spre infinit în limită). Acestea includ electroni , protoni , neutrini . Neutronii sunt, de asemenea, stabili în interiorul nucleelor, dar sunt instabili în afara nucleului.

- instabil (cvasi-stabile): particulele elementare sunt particule care se degradează din cauza interacțiunilor electromagnetice și slabe și a căror durată de viață este mai mare de 10-20 de secunde. Aceste particule includ neutron liber (adică un neutron în afara nucleului unui atom)

- rezonanțe (instabil, de scurtă durată). Rezonanțe includ particule elementare care se degradează datorită interacțiunii puternice. Durata de viață a acestora este mai mică de 10 -20 de secunde.

Clasificarea particulelor prin participarea la interacțiuni:

- leptoni : Neutronii sunt, de asemenea, printre ei. Toți nu participă la vârtejul interacțiunilor intranucleare, adică. nu este supus unei interacțiuni puternice. Ei participă la interacțiunea slabă, iar având o sarcină electrică participă la interacțiunea electromagnetică.

- hadronii : particule care există în interiorul nucleului atomic și participă la interacțiunea puternică. Cele mai cunoscute dintre ele sunt proton și neutroni .

Cunoscut în prezent șase leptoni :

Muonii și particulele tau, care sunt similare cu electronul, dar mai masive, aparțin aceleiași familii ca și electronul. Muonii și particulele tau sunt instabile și în cele din urmă se descompun în câteva alte particule, inclusiv un electron.

Trei particule neutre din punct de vedere electric cu masă zero (sau aproape de zero, oamenii de știință nu s-au hotărât încă asupra acestei chestiuni), numite neutrini . Fiecare dintre cei trei neutrini (neutrini electronici, neutrini muoni, neutrini tau) este asociat cu unul dintre cele trei tipuri de particule ale familiei de electroni.

Cel mai faimos hadronii , protoni și neutrini, există sute de rude, care se nasc în mulți și se descompun imediat în procesul diferitelor reacții nucleare. Cu excepția protonului, toate sunt instabile și pot fi clasificate în funcție de compoziția particulelor în care se descompun:

Dacă există un proton printre produsele finale de descompunere a particulelor, atunci se numește barion

Dacă nu există proton printre produșii de descompunere, atunci particula este numită mezon .

Tabloul haotic al lumii subatomice, care s-a complicat odată cu descoperirea fiecărui hadron nou, a făcut loc unei noi imagini, odată cu apariția conceptului de quarci. Conform modelului de quarci, toți hadronii (dar nu leptonii) constau din și mai multe particule elementare - quarci. Asa de barionii (în special protonul) sunt formați din trei quarci și mezonii dintr-o pereche quark-antiquarc.

Aceste trei particule (precum și altele descrise mai jos) se atrag și se resping reciproc în funcție de ele taxe, care sunt doar patru tipuri în funcție de numărul de forțe fundamentale ale naturii. Sarcinile pot fi aranjate în ordinea descrescătoare a forțelor corespunzătoare astfel: încărcătură de culoare (forțe de interacțiune între quarci); sarcină electrică (forțe electrice și magnetice); sarcină slabă (tăria în unele procese radioactive); în cele din urmă, masa (forța gravitațională sau interacțiunea gravitațională). Cuvântul „culoare” de aici nu are nimic de-a face cu culoarea luminii vizibile; este pur și simplu o caracteristică a celei mai puternice sarcini și a celor mai mari forțe.

Taxe persista, adică Taxa care intră în sistem este egală cu taxa care iese din acesta. Dacă sarcina electrică totală a unui anumit număr de particule înainte de interacțiunea lor este, să zicem, 342 de unități, atunci după interacțiune, indiferent de rezultatul acesteia, va fi egală cu 342 de unități. Acest lucru se aplică și altor sarcini: culoare (sarcină de interacțiune puternică), slabă și masă (masă). Particulele diferă în ceea ce privește încărcăturile lor: în esență, ele „sunt” aceste sarcini. Acuzațiile sunt, parcă, un „certificat” al dreptului de a răspunde la forța corespunzătoare. Astfel, numai particulele colorate sunt afectate de forțele de culoare, numai particulele încărcate electric sunt afectate de forțele electrice și așa mai departe. Proprietățile unei particule sunt determinate de cea mai mare forță care acționează asupra ei. Doar quarcii sunt purtători ai tuturor sarcinilor și, prin urmare, sunt supuși acțiunii tuturor forțelor, dintre care culoarea este dominantă. Electronii au toate sarcinile, cu excepția culorii, iar forța dominantă pentru ei este forța electromagnetică.

Cele mai stabile în natură sunt, de regulă, combinațiile neutre de particule în care sarcina particulelor de un semn este compensată de sarcina totală a particulelor de alt semn. Aceasta corespunde energiei minime a întregului sistem. (În mod similar, doi magneți de bară sunt plasați într-o linie, cu polul Nord unul dintre ei se confruntă polul Sud altul, care corespunde energiei minime a câmpului magnetic.) Gravitația este o excepție de la această regulă: nu există masă negativă. Nu există corpuri care să cadă.

TIPURI DE MATERIE

Materia obișnuită este formată din electroni și cuarci, grupate în obiecte care sunt neutre la culoare și apoi în sarcină electrică. Forța de culoare este neutralizată, ceea ce va fi discutat mai detaliat mai jos, atunci când particulele sunt combinate în tripleți. (De aici și termenul „culoare” însuși, luat din optică: cele trei culori primare, atunci când sunt amestecate, dau alb.) Astfel, quarcurile, pentru care puterea culorii este dominantă, formează triplete. Dar quarci și ei sunt subdivizați în u-quarci (din engleză sus - superior) și d-quarci (din engleza in jos - mai jos), au si o sarcina electrica egala cu u-quarc și pentru d-quarc. Două u-quarc și unul d-quarcul da o sarcina electrica +1 si formeaza un proton, iar unul u-quarc și doi d-cuarcii dau sarcina electrica zero si formeaza un neutron.

Protonii și neutronii stabili, atrași unul de celălalt de forțele de culoare reziduale ale interacțiunii dintre quarcii lor constituenți, formează un nucleu atomic neutru de culoare. Dar nucleele poartă o sarcină electrică pozitivă și, prin atragerea de electroni negativi care se învârt în jurul nucleului, precum planetele care se rotesc în jurul Soarelui, tind să formeze un atom neutru. Electronii de pe orbitele lor sunt îndepărtați din nucleu la distanțe de zeci de mii de ori mai mari decât raza nucleului - dovadă că forțele electrice care îi țin sunt mult mai slabe decât cele nucleare. Datorită puterii interacțiunii culorilor, 99,945% din masa unui atom este închisă în nucleul său. Greutate u- și d-cuarcii sunt de aproximativ 600 de ori masa unui electron. Prin urmare, electronii sunt mult mai ușori și mai mobili decât nucleele. Mișcarea lor în materie provoacă fenomene electrice.

Există câteva sute de soiuri naturale de atomi (inclusiv izotopi) care diferă în ceea ce privește numărul de neutroni și protoni din nucleu și, în consecință, în numărul de electroni de pe orbite. Cel mai simplu este atomul de hidrogen, format dintr-un nucleu sub formă de proton și un singur electron care se rotește în jurul lui. Toată materia „vizibilă” din natură constă din atomi și atomi parțial „dezasamblați”, care se numesc ioni. Ionii sunt atomi care, după ce au pierdut (sau câștigat) câțiva electroni, au devenit particule încărcate. Materia, constând aproape dintr-un ioni, se numește plasmă. Stelele care ard din cauza reacțiilor termonucleare care au loc în centre sunt compuse în principal din plasmă și, deoarece stelele sunt cea mai comună formă de materie din Univers, se poate spune că întregul Univers este format în principal din plasmă. Mai precis, stelele sunt predominant hidrogen gazos complet ionizat, adică. un amestec de protoni și electroni individuali și, prin urmare, aproape întregul univers vizibil este format din el.

Aceasta este materie vizibilă. Dar există încă materie invizibilă în Univers. Și există particule care acționează ca purtători de forțe. Există antiparticule și stări excitate ale unor particule. Toate acestea duc la o abundență în mod evident excesivă de particule „elementare”. În această abundență, se poate găsi o indicație a naturii reale, adevărate a particulelor elementare și a forțelor care acționează între ele. Conform celor mai recente teorii, particulele pot fi practic obiecte geometrice extinse - „șiruri” în spațiu zece-dimensional.

Lumea invizibilă.

Nu există doar materie vizibilă în univers (ci și găuri negre și „materie întunecată”, cum ar fi planetele reci care devin vizibile atunci când sunt iluminate). Există, de asemenea, o materie cu adevărat invizibilă care pătrunde pe noi toți și întregul Univers în fiecare secundă. Este un gaz cu mișcare rapidă de un fel de particule - neutrinii electronici.

Neutrinul electron este partenerul electronului, dar nu are sarcină electrică. Neutrinii poartă doar așa-numita sarcină slabă. Masa lor de repaus este, după toate probabilitățile, zero. Dar ele interacționează cu câmpul gravitațional, pentru că au energie cinetică E, care corespunde masei efective m, conform formulei Einstein E = mc 2, unde c este viteza luminii.

Rolul cheie al neutrinului este că contribuie la transformare și-cuarcuri în d cuarcuri, având ca rezultat transformarea unui proton într-un neutron. Neutrinul joacă rolul „acului de carburator” pentru reacțiile termonucleare stelare, în care patru protoni (nuclee de hidrogen) se combină pentru a forma un nucleu de heliu. Dar, deoarece nucleul de heliu este format nu din patru protoni, ci din doi protoni și doi neutroni, pentru o astfel de fuziune nucleară este necesar ca două și-quarcurile transformate în doi d-quarc. Intensitatea transformării determină cât de repede vor arde stelele. Și procesul de transformare este determinat de sarcini slabe și forțe de interacțiune slabă între particule. în care și-quarc (sarcină electrică +2/3, sarcină slabă +1/2), interacționând cu un electron (sarcină electrică - 1, sarcină slabă -1/2), formează d-quarc (sarcină electrică -1/3, sarcină slabă -1/2) și neutrin electronic (sarcină electrică 0, sarcină slabă +1/2). Încărcările de culoare (sau pur și simplu culorile) ale celor doi quarci se anulează în acest proces fără neutrin. Rolul neutrinului este de a transporta sarcina slabă necompensată. Prin urmare, rata de transformare depinde de cât de slabe sunt forțele slabe. Dacă ar fi mai slabe decât sunt, atunci stelele nu ar arde deloc. Dacă ar fi fost mai puternice, atunci stelele s-ar fi ars de mult.

Dar ce zici de neutrini? Deoarece aceste particule interacționează extrem de slab cu altă materie, ele părăsesc aproape imediat stelele în care s-au născut. Toate stelele strălucesc, emitând neutrini, iar neutrinii strălucesc prin corpurile noastre și pe întregul Pământ zi și noapte. Așa că ei rătăcesc prin Univers, până când intră, poate, într-o nouă interacțiune a Stelei).

Purtători de interacțiune.

Ce cauzează forțele care acționează între particule la distanță? Răspunsurile fizicii moderne: datorită schimbului de alte particule. Imaginează-ți doi patinatori care aruncă o minge. Dând impuls mingii atunci când aruncă și primind impuls cu mingea primită, ambele primesc o împingere în direcția unul față de celălalt. Acest lucru poate explica apariția forțelor de respingere. Dar în mecanica cuantică, care ia în considerare fenomenele din microlume, sunt permise întinderea și delocalizarea neobișnuite a evenimentelor, ceea ce duce, s-ar părea, la imposibil: unul dintre patinatori aruncă mingea în direcție. din celălalt, dar unul totuși poate prinde mingea asta. Nu este greu de imaginat că dacă acest lucru ar fi posibil (și în lumea particulelor elementare este posibil), ar exista atracție între patinatori.

Particulele, datorită schimbului cărora apar forțe de interacțiune între cele patru „particule de materie” discutate mai sus, se numesc particule gauge. Fiecare dintre cele patru interacțiuni - puternică, electromagnetică, slabă și gravitațională - are propriul său set de particule gauge. Particulele purtătoare puternice de interacțiune sunt gluoni (sunt doar opt dintre ei). Un foton este un purtător de interacțiune electromagnetică (este unul, iar noi percepem fotonii ca lumină). Particulele-purtători ai interacțiunii slabe sunt bosonii vectori intermediari (în 1983 și 1984 au fost descoperiți W + -, W- -bosoni și neutri Z-bozon). Purtătorul de particule al interacțiunii gravitaționale este încă un graviton ipotetic (trebuie să fie unul). Toate aceste particule, cu excepția fotonului și gravitonului, care pot călători pe distanțe infinit de lungi, există doar în procesul de schimb între particulele materiale. Fotonii umplu Universul cu lumină, iar gravitonii - cu unde gravitaționale (nedetectate încă cu certitudine).

Se spune că o particulă capabilă să emită particule de măsurare este înconjurată de un câmp de forță adecvat. Astfel, electronii capabili să emită fotoni sunt înconjurați de electrice și campuri magnetice, precum și câmpurile slabe și gravitaționale. Cuarcii sunt, de asemenea, înconjurați de toate aceste câmpuri, dar și de câmpul de interacțiune puternică. Particulele cu încărcătură de culoare în câmpul forțelor de culoare sunt afectate de forța de culoare. Același lucru este valabil și pentru alte forțe ale naturii. Prin urmare, putem spune că lumea este formată din materie (particule materiale) și câmp (particule de măsurare). Mai multe despre asta mai jos.

Antimaterie.

Fiecare particulă corespunde unei antiparticule, cu care particula se poate anihila reciproc, adică. „anihilați”, în urma căruia se eliberează energie. Energia „pură” în sine, însă, nu există; ca urmare a anihilării, apar noi particule (de exemplu, fotoni), care duc această energie.

O antiparticulă are în cele mai multe cazuri proprietăți opuse față de particula corespunzătoare: dacă o particulă se mișcă spre stânga sub acțiunea câmpurilor puternice, slabe sau electromagnetice, atunci antiparticula ei se va deplasa spre dreapta. Pe scurt, antiparticula are semne opuse tuturor sarcinilor (cu excepția sarcinii de masă). Dacă o particulă este compozită, cum ar fi, de exemplu, un neutron, atunci antiparticula sa constă din componente cu semne de sarcină opuse. Astfel, un antielectron are o sarcină electrică de +1, o sarcină slabă de +1/2 și se numește pozitron. Antineutronul este alcătuit din și-antiquarci cu sarcina electrica –2/3 si d-antiquarci cu sarcina electrica +1/3. Particulele cu adevărat neutre sunt propriile lor antiparticule: antiparticula fotonului este fotonul.

Conform conceptelor teoretice moderne, fiecare particulă care există în natură trebuie să aibă propria antiparticulă. Și multe antiparticule, inclusiv pozitroni și antineutroni, au fost într-adevăr obținute în laborator. Consecințele acestui lucru sunt excepțional de importante și stau la baza întregii fizice experimentale a particulelor elementare. Conform teoriei relativității, masa și energia sunt echivalente și, în anumite condiții, energia poate fi transformată în masă. Deoarece sarcina este conservată și sarcina vidului (spațiul gol) este zero, orice pereche de particule și antiparticule (cu sarcină netă zero) poate ieși din vid, ca iepurii din pălăria unui magician, atâta timp cât energia este suficientă pentru a-și crea. masa.

Generații de particule.

Experimentele cu accelerație au arătat că cvartetul (cvartetul) de particule de material se repetă de cel puțin două ori la valori de masă mai mari. În a doua generație, locul electronului este ocupat de muon (cu o masă de aproximativ 200 de ori mai mare decât masa electronului, dar cu aceleași valori ale tuturor celorlalte sarcini), locul neutrinului electronic este muonul (care însoțește muonul în interacțiuni slabe în același mod în care electronul însoțește neutrinul electronic), plasează și-cuarcul ocupă Cu-quarc ( Fermecat), A d-quarc - s-quarc ( ciudat). În a treia generație, cvartetul este format dintr-un lepton tau, un neutrin tau, t-quarc și b-quarc.

Greutate t-cuarcul este de aproximativ 500 de ori masa celui mai ușor - d-quarc. S-a stabilit experimental că există doar trei tipuri de neutrini ușori. Astfel, a patra generație de particule fie nu există deloc, fie neutrinii corespunzători sunt foarte grei. Acest lucru este în concordanță cu datele cosmologice, conform cărora nu pot exista mai mult de patru tipuri de neutrini ușori.

În experimentele cu particule de înaltă energie, electronul, muonul, tau-leptonul și neutrinii corespunzători acționează ca particule izolate. Ele nu poartă o încărcătură de culoare și intră doar în interacțiuni slabe și electromagnetice. În mod colectiv, se numesc leptoni.

Tabelul 2. GENERAȚII DE PARTICULE FUNDAMENTALE
Particulă	Masa de repaus, MeV/ Cu 2	Incarcare electrica	taxa de culoare	Încărcare slabă
A DOUA GENERAȚIE
Cu-quarc	1500	+2/3	Roșu, verde sau albastru	+1/2
s-quarc	500	–1/3	La fel	–1/2
Neutrinul muon		0	0	+1/2
Muon	106	0	0	–1/2
A TREIA GENERATIE
t-quarc	30000–174000	+2/3	Roșu, verde sau albastru	+1/2
b-quarc	4700	–1/3	La fel	–1/2
Neutrinul Tau		0	0	+1/2
Tau	1777	–1	0	–1/2

Cuarcii, pe de altă parte, sub influența forțelor de culoare, se combină în particule care interacționează puternic, care domină majoritatea experimentelor din fizica energiilor înalte. Astfel de particule sunt numite hadronii. Acestea includ două subclase: barionii(de exemplu, protoni și neutroni), care sunt formate din trei quarci și mezonii format dintr-un quarc și un antiquarc. În 1947, primul mezon, numit pion (sau pi-meson), a fost descoperit în razele cosmice, iar de ceva timp s-a crezut că schimbul acestor particule a fost cauza principală a forțelor nucleare. Hadronii omega-minus, descoperiți în 1964 la Brookhaven National Laboratory (SUA), și particula j-psy ( J/y-meson), descoperit simultan la Brookhaven și la Centrul Stanford pentru Acceleratoare Liniare (tot în SUA) în 1974. Existența particulei omega-minus a fost prezisă de M. Gell-Mann în așa-numitul său „ SU 3-teoria” (un alt nume este „modul de opt ori”), în care a fost sugerată mai întâi posibilitatea existenței quarcilor (și acest nume le-a fost dat). Un deceniu mai târziu, descoperirea particulei J/y a confirmat existența Cu-quark și în cele din urmă a făcut pe toată lumea să creadă atât în ​​modelul cuarcului, cât și în teoria care combina forțele electromagnetice și slabe ( vezi mai jos).

Particulele din a doua și a treia generație nu sunt mai puțin reale decât cele din prima. Adevărat, după ce au apărut, ele se descompun în milionatimi sau miliarde de secundă în particule obișnuite din prima generație: un electron, un neutrin electronic și, de asemenea, și- și d-cuarcuri. Întrebarea de ce există mai multe generații de particule în natură este încă un mister.

Se vorbește adesea despre diferite generații de quarci și leptoni (ceea ce, desigur, este oarecum excentric) ca fiind „arome” diferite de particule. Nevoia de a le explica se numește problema „aromei”.

BOSONI ȘI FERMIUNI, CÂMP ȘI SUBSTANTĂ

Una dintre diferențele fundamentale dintre particule este diferența dintre bozoni și fermioni. Toate particulele sunt împărțite în aceste două clase principale. Asemenea bosonilor se pot suprapune sau se suprapune, dar asemenea fermionilor nu se pot suprapune. Suprapunerea apare (sau nu are loc) în stările de energie discrete în care mecanica cuantică împarte natura. Aceste stări sunt, parcă, celule separate în care pot fi plasate particule. Deci, într-o celulă puteți pune orice număr de bozoni identici, dar doar un fermion.

Ca exemplu, luați în considerare astfel de celule, sau „stări”, pentru un electron care se rotește în jurul nucleului unui atom. Spre deosebire de planetele sistemului solar, conform legilor mecanicii cuantice, un electron nu poate circula pe nicio orbită eliptică, pentru el există doar un număr discret de „stări de mișcare” permise. Se numesc seturi de astfel de stări, grupate în funcție de distanța de la electron la nucleu orbitali. În primul orbital există două stări cu momente unghiulare diferite și, prin urmare, două celule permise, iar în orbitalii superiori sunt opt ​​sau mai multe celule.

Deoarece un electron este un fermion, fiecare celulă poate conține doar un electron. Din asta provin foarte implicatii importante- toată chimia, deoarece proprietățile chimice ale substanțelor sunt determinate de interacțiunile dintre atomii corespunzători. Dacă mergi împreună sistem periodic elemente de la un atom la altul în ordinea creșterii cu unu a numărului de protoni din nucleu (numărul de electroni va crește și el în consecință), apoi primii doi electroni vor ocupa primul orbital, următorii opt vor fi localizați în al doilea. , si asa mai departe. Această schimbare succesivă a structurii electronice a atomilor de la un element la altul determină regularitățile acestora proprietăți chimice.

Dacă electronii ar fi bosoni, atunci toți electronii unui atom ar putea ocupa același orbital corespunzător energiei minime. În acest caz, proprietățile întregii materie din Univers ar fi complet diferite, iar în forma în care o cunoaștem, Universul ar fi imposibil.

Toți leptonii - electroni, muoni, tau-leptoni și neutrinii corespunzători lor - sunt fermioni. Același lucru se poate spune despre quarci. Astfel, toate particulele care formează „materie”, principala umplutură a Universului, precum și neutrinii invizibili, sunt fermioni. Acest lucru este foarte semnificativ: fermionii nu se pot combina, așa că același lucru este valabil și pentru obiectele din lumea materială.

În același timp, toate „particulele de măsurare” sunt schimbate între particulele de material care interacționează și care creează un câmp de forțe ( Vezi deasupra), sunt bosoni, ceea ce este de asemenea foarte important. Deci, de exemplu, mulți fotoni pot fi în aceeași stare, formând un câmp magnetic în jurul unui magnet sau un câmp electric în jurul unei sarcini electrice. Datorită acestui fapt, este posibil și un laser.

A învârti.

Diferența dintre bozoni și fermioni este legată de o altă caracteristică a particulelor elementare - înapoi. Oricât de surprinzător ar părea, dar toate particulele fundamentale au propriul moment unghiular sau, cu alte cuvinte, se rotesc în jurul propriei axe. Momentul unghiular este o caracteristică a mișcării de rotație, la fel cum este momentul total al mișcării de translație. În orice interacțiune, momentul unghiular și momentul sunt conservate.

În microcosmos, momentul unghiular este cuantificat, adică. ia valori discrete. În unitățile adecvate, leptonii și quarcii au un spin de 1/2, iar particulele gauge au un spin de 1 (cu excepția gravitonului, care nu a fost încă observat experimental, dar teoretic ar trebui să aibă un spin de 2). Deoarece leptonii și quarcii sunt fermioni, iar particulele gauge sunt bosoni, se poate presupune că „fermionicitatea” este asociată cu spin 1/2, iar „bosonicitatea” este asociată cu spin 1 (sau 2). Într-adevăr, atât experimentul, cât și teoria confirmă că, dacă o particulă are un spin pe jumătate întreg, atunci este un fermion, iar dacă este întreg, atunci este un boson.

TEORII ȘI GEOMETRIE GAUGE

În toate cazurile, forțele apar din cauza schimbului de bosoni între fermioni. Astfel, forța de interacțiune a culorii dintre doi quarci (quarci - fermioni) apare din cauza schimbului de gluoni. Un astfel de schimb are loc constant în protoni, neutroni și nuclee atomice. În același mod, fotonii schimbați între electroni și quarci creează forțe electrice atractive care rețin electronii într-un atom, iar bosonii vectori intermediari schimbați între leptoni și quarci creează forțe de interacțiune slabe responsabile de conversia protonilor în neutroni în reacțiile de fuziune în stele.

Teoria unui astfel de schimb este elegantă, simplă și probabil corectă. Se numeste teoria gauge. Dar în prezent există doar teorii gauge independente ale interacțiunilor puternice, slabe și electromagnetice și o teorie gauge a gravitației similare cu acestea, deși diferite în anumite privințe. Una dintre cele mai importante probleme fizice este reducerea acestor teorii separate într-o teorie unică și, în același timp, simplă, în care toate ar deveni aspecte diferite ale unei singure realități - precum fațetele unui cristal.

Tabelul 3. UNELE HADRONI

Tabelul 3. UNELE HADRONI
Particulă	Simbol	Compoziția cuarcilor *	masa de odihna, MeV/ Cu 2	Incarcare electrica
BARIONI
Proton	p	uud	938	+1
Neutroni	n	udd	940	0
Omega minus	W-	sss	1672	–1
MESONS
Pi plus	p +	u	140	+1
Pi-minus	p –	du	140	–1
fi	f	sє	1020	0
JPS	J/y	cў	3100	0
Upsilon	Ў	b	9460	0
* Compoziția cuarcilor: u- superioară; d- inferior; s- ciudat; c- fermecat b- frumoasa. Linia de deasupra literei indică antiquarci.

Cea mai simplă și mai veche dintre teoriile gauge este teoria gauge a interacțiunii electromagnetice. În ea, sarcina unui electron este comparată (calibrată) cu sarcina altui electron aflat la distanță de acesta. Cum pot fi comparate tarifele? Puteți, de exemplu, să apropiați al doilea electron de primul și să comparați forțele de interacțiune ale acestora. Dar încărcătura unui electron nu se schimbă atunci când se deplasează în alt punct din spațiu? Singura modalitate de a verifica este să trimiteți un semnal de la electronul apropiat la cel îndepărtat și să vedeți cum reacționează. Semnalul este o particulă gauge - un foton. Pentru a putea verifica încărcarea particulelor îndepărtate, este necesar un foton.

Din punct de vedere matematic, această teorie se distinge prin precizie și frumusețe extremă. Întreaga electrodinamică cuantică decurge din „principiul gauge” descris mai sus ( teoria cuantica electromagnetism), precum și teoria câmp electromagnetic Maxwell este unul dintre cei mai mari realizările științifice secolul al 19-lea

De ce un principiu atât de simplu este atât de fructuos? Aparent, exprimă o oarecare corelație părți diferite Univers, permițând măsurători în Univers. În termeni matematici, câmpul este interpretat geometric ca curbura unui spațiu „intern” imaginabil. Măsurarea sarcinii este măsurarea „curburii interne” totale în jurul particulei. Teoriile gauge ale interacțiunilor puternice și slabe diferă de teoria gauge electromagnetică numai în „structura” geometrică internă a sarcinii corespunzătoare. Întrebarea unde se află exact acest spațiu interior i se răspunde prin teoriile câmpului unificat multidimensional, care nu sunt luate în considerare aici.

Tabelul 4. INTERACȚIUNI FUNDAMENTALE
Interacţiune	Intensitate relativă la o distanță de 10–13 cm	Raza de acțiune	Purtător de interacțiune	Masa de repaus purtător, MeV/ Cu 2	Rotire a transportatorului
Puternic	1		Gluon	0	1
electro- magnetic	0,01	Ґ	Foton	0	1
Slab	10 –13		W +	80400	1
			W –	80400	1
			Z 0	91190	1
Gravitatie- raţional	10 –38	Ґ	graviton	0	2

Fizica particulelor elementare nu este încă finalizată. Este încă departe de a fi clar dacă datele disponibile sunt suficiente pentru a înțelege pe deplin natura particulelor și forțelor, precum și adevărata natură și dimensiunile spațiului și timpului. Avem nevoie de experimente cu energii de 10 15 GeV pentru asta, sau efortul de gândire va fi suficient? Nu există încă un răspuns. Dar putem spune cu încredere că poza finală va fi simplă, elegantă și frumoasă. Este posibil să nu existe atât de multe idei fundamentale: principiul gabaritului, spații de dimensiuni mai mari, colaps și expansiune și, mai ales, geometrie.

±1 1 80,4 Interacțiune slabă Z0 0 1 91,2 Interacțiune slabă Gluon 0 1 0 Interacțiune puternică bosonul Higgs 0 0 ≈125,09±0,24 masa inerțială

Generaţie		Quarci cu sarcină (+2/3)				Quarci cu sarcină (−1/3)
			Simbol quark/antiquarc	Masa (MeV)		Numele/aroma cuarcului/antiquarcului	Simbol quark/antiquarc	Masa (MeV)
1		u-quark (up-quark) / anti-u-quark	$u\; /\; \backslash ,\; \backslash overline(u)$	de la 1,5 la 3		d-quark (down-quark) / anti-d-quark	$d\; /\; \backslash ,\; \backslash overline(d)$	4,79±0,07
2		c-quark (farmec-quark) / anti-c-quark	$c\; /\; \backslash ,\; \backslash overline(c)$	1250±90		s-quark (cuarc ciudat) / anti-s-quark	$s\; /\; \backslash ,\; \backslash overline(e)$	95±25
3		t-quark (top-quark) / anti-t-quark	$t\; /\; \backslash ,\; \backslash overline(t)$	174 200 ± 3300		b-quark (cuarc de jos) / anti-b-quark	$b\; /\; \backslash ,\; \backslash overline(b)$	4200±70

Vezi si

Scrieți o recenzie despre articolul „Particulă fundamentală”

Note

Legături

• S. A. Slavatinsky// Institutul de Fizică și Tehnologie din Moscova (Dolgoprudny, regiunea Moscova)
• Slavatinsky S.A. // SOZH, 2001, nr. 2, p. 62–68 arhiva web.archive.org/web/20060116134302/journal.issep.rssi.ru/annot.php?id=S1176
• // nuclphys.sinp.msu.ru
• // second-physics.ru
• // fizica.ru
• // nature.web.ru
• // nature.web.ru
• // nature.web.ru

Fundamental particule Compozit particule Conexiuni fundamentale și/sau particulele constitutive Comun Neobișnuit Alte clasificare particule

Un fragment care caracterizează particula fundamentală

A doua zi s-a trezit târziu. Reluând impresiile trecutului, și-a amintit, în primul rând, că azi trebuia să se prezinte împăratului Franz, și-a amintit de ministrul de război, de aripa politicoasă a adjutantului austriac, Bilibin, și de conversația din seara precedentă. Îmbrăcat în uniformă completă, pe care nu o mai purta de multă vreme, pentru o excursie la palat, el, proaspăt, vioi și chipeș, cu mâna bandajată, a intrat în biroul lui Bilibin. În birou erau patru domni ai corpului diplomatic. Cu prințul Ippolit Kuragin, care era secretarul ambasadei, Bolkonsky era familiar; Bilibin l-a prezentat altora.
Domnii care l-au vizitat pe Bilibin, oameni laici, tineri, bogați și veseli, atât la Viena, cât și aici, au alcătuit un cerc separat, pe care Bilibin, care era șeful acestui cerc, l-a numit al nostru, les nеtres. Acest cerc, format aproape exclusiv din diplomați, avea aparent interese proprii ale înaltei societăți, relații cu anumite femei și latura clericală a serviciului, care nu avea nimic de-a face cu războiul și cu politica. Acești domni, aparent, de bunăvoie, ca ai lor (o onoare pe care au făcut-o unora), l-au acceptat pe prințul Andrei în cercul lor. Din curtoazie și ca subiect de intrare în conversație, i-au fost puse câteva întrebări despre armată și bătălie, iar conversația s-a prăbușit din nou în glume și bârfe inconsistente, vesele.
„Dar este deosebit de bine”, a spus unul, spunând eșecul unui coleg diplomat, „este deosebit de bine că cancelarul i-a spus direct că numirea lui la Londra a fost o promovare și că ar trebui să privească așa. Îi vezi silueta în același timp?...
— Dar ce-i mai rău, domnilor, vă trădez pe Kuragin: un om este în nenorocire, iar acest Don Juan, acest om groaznic, profită de asta!
Prințul Hippolyte stătea întins pe un scaun Voltaire, cu picioarele peste mâner. El a râs.
- Parlez moi de ca, [Ei bine, bine, bine,] - spuse el.
O, Don Juan! O șarpe! s-au auzit voci.
„Nu știi, Bolkonsky”, se întoarse Bilibin către prințul Andrei, „că toate ororile armatei franceze (aproape că am spus armata rusă) nu sunt nimic în comparație cu ceea ce a făcut acest bărbat între femei.
- La femme est la compagne de l "homme, [O femeie este prietena unui bărbat,] - spuse prințul Hippolyte și începu să-și privească picioarele ridicate printr-o lorgnette.
Bilibin și ai noștri au izbucnit în râs, uitându-se în ochii lui Ippolit. Prințul Andrei a văzut că acest Ippolit, pe care el (a trebuit să-l mărturisească) era aproape gelos pe soția sa, era un bufon în această societate.
— Nu, trebuie să te tratez cu Kuragins, îi spuse Bilibin liniştit lui Bolkonsky. - Este fermecător când vorbește despre politică, trebuie să vezi această importanță.
S-a așezat lângă Hippolyte și, adunându-și pliurile pe frunte, a început o discuție cu el despre politică. Prințul Andrei și alții i-au înconjurat pe amândoi.
- Le cabinet de Berlin ne peut pas exprimer un sentiment d "alliance", a început Hippolyte, uitându-se semnificativ în jur la toată lumea, "sans exprimer ... comme dans sa derieniere note ... vous comprenez ... vous comprenez ... et puis si sa Majeste l "Empereur ne deroge pas au principe de notre alliance... [Cabinetul de la Berlin nu poate sa-si exprime opinia asupra aliantei fara sa-si exprime... ca in ultima sa nota... intelegeti... intelegeti... totusi, daca Majestatea Sa imparatul face nu schimba esența alianței noastre...]
- Attendez, je n "ai pas fini ... - i-a spus prințului Andrei, apucându-l de mână. - Je suppose que l" intervention sera plus forte que la non intervention. Et... Făcu o pauză. - On ne pourra pas imputer a la fin de non recevoir notre depeche du 28 Novembre. Voila comment tout cela finira. [Stai, nu am terminat. Cred că acea intervenție va fi mai puternică decât neintervenția... Și... Este imposibil să considerăm cazul ca finalizat prin neacceptarea depeței noastre din 28 noiembrie. Cum se vor termina toate acestea?]
Și i-a dat drumul la mâna lui Bolkonsky, arătând prin faptul că acum terminase complet.
- Demosthenes, je te reconnais au caillou que tu as cache dans ta bouche d "or! [Demosthenes, te recunosc după pietricica pe care o ascunzi în buzele tale aurii!] - spuse Bilibin, a cărui pălărie de păr se mișca pe cap cu placere .
Toată lumea râde. Hippolyte râse cel mai tare. Se pare că suferea, se sufoca, dar nu se putea abține să râdă sălbatic, întinzându-și fața mereu nemișcată.
- Ei bine, domnilor, - spuse Bilibin, - Bolkonsky este oaspetele meu în casă și aici, în Brunn, și vreau să-l tratez cât de mult pot cu toate bucuriile vieții de aici. Dacă am fi în Brunn, ar fi ușor; dar aici, dans ce vilain trou morave, este mai greu și vă cer ajutor tuturor. Il faut lui faire les honneurs de Brunn. [Trebuie să-i arăt Brunn.] Tu preiei teatrul, eu preiau societatea, tu, Hippolyte, desigur, preiei femeile.
- Trebuie să-i arătăm pe Amelie, dragă! spuse unul de-al nostru, sărutându-și vârful degetelor.
„În general, acest soldat însetat de sânge”, a spus Bilibin, „ar trebui să fie îndreptat către opinii mai filantropice.
— Cu greu pot profita de ospitalitatea dumneavoastră, domnilor, și acum este timpul să plec, spuse Bolkonsky privindu-și ceasul.
- Unde?
- Împăratului.
- O! despre! despre!
- Ei bine, la revedere, Bolkonsky! La revedere, prințe; vino la cină mai devreme, - urmară voci. - Avem grijă de tine.
„Încercați pe cât posibil să lăudați ordinea în livrarea proviziilor și a rutelor când vorbiți cu împăratul”, a spus Bilibin, escortându-l pe Bolkonsky pe front.
„Și aș vrea să laud, dar nu pot, din câte știu”, a răspuns Bolkonsky zâmbind.
Ei bine, vorbește cât poți de mult. Pasiunea lui este publicul; dar nu-i place să vorbească și nu știe cum, după cum veți vedea.