En av elementærpartiklene kryssord 5 bokstaver. Elementærpartikler. Elementærpartikler og kvantefeltteori

Alle elementærpartikler med fem bokstaver er listet opp nedenfor. En kort beskrivelse er gitt for hver definisjon.

Hvis du har noe å legge til, er et kommentarskjema nedenfor til tjeneste, der du kan uttrykke din mening eller legge til artikkelen.

Liste over elementærpartikler

Foton

Representerer et kvante elektromagnetisk stråling, for eksempel lys. Lys er på sin side et fenomen som består av lysstrømmer. Et foton er en elementær partikkel. Et foton har nøytral ladning og null masse. Fotonspinnet er lik enhet. Fotonet bærer den elektromagnetiske interaksjonen mellom ladede partikler. Begrepet foton kommer fra det greske phos, som betyr lys.

Phonon

Det er en kvasipartikkel, et kvantum av elastiske vibrasjoner og forskyvninger av atomer og molekyler i krystallgitteret fra en likevektsposisjon. I krystallgitter samhandler atomer og molekyler konstant og deler energi med hverandre. I denne forbindelse er det nesten umulig å studere fenomener som ligner på vibrasjoner av individuelle atomer i dem. Derfor blir tilfeldige vibrasjoner av atomer vanligvis vurdert i henhold til typen forplantning av lydbølger inne i et krystallgitter. Kvanten til disse bølgene er fononer. Begrepet fonon kommer fra den greske telefonen – lyd.

Phazon

Fluktuonfasen er en kvasipartikkel, som er en eksitasjon i legeringer eller i et annet heterofasesystem, som danner en potensiell brønn (ferromagnetisk region) rundt en ladet partikkel, for eksempel et elektron, og fanger den.

Roton

Det er en kvasipartikkel som tilsvarer elementær eksitasjon i superfluid helium, i området med høye impulser, assosiert med forekomsten av virvelbevegelse i en superfluid væske. Roton, oversatt fra latin betyr - spinning, spinning. Roton vises ved temperaturer høyere enn 0,6 K og bestemmer eksponentielt temperaturavhengige egenskaper for varmekapasitet, slik som normal tetthet entropi og andre.

Meson

Det er en ustabil ikke-elementær partikkel. En meson er et tungt elektron i kosmiske stråler.
Massen til en meson er større enn massen til et elektron og mindre enn massen til et proton.

Mesoner har et jevnt antall kvarker og antikvarker. Mesoner inkluderer Pioner, Kaoner og andre tunge mesoner.

Quark

Det er en elementær partikkel av materie, men foreløpig bare hypotetisk. Kvarker kalles vanligvis seks partikler og deres antipartikler (antikvarker), som igjen utgjør en gruppe spesielle elementarpartikler hadroner.

Det antas at partikler som deltar i sterke interaksjoner, som protoner, nevroner og noen andre, består av kvarker som er tett forbundet med hverandre. Quarks eksisterer hele tiden i forskjellige kombinasjoner. Det er en teori om at kvarker kunne eksistere i fri form i de første øyeblikkene etter det store smellet.

Gluon

Elementær partikkel. Ifølge en teori ser gluoner ut til å lime kvarker sammen, som igjen danner partikler som protoner og nevroner. Generelt er gluoner de minste partiklene som danner materie.

boson

Boson-kvasipartikkel eller Bose-partikkel. En boson har null eller heltallsspinn. Navnet er gitt til ære for fysikeren Shatyendranath Bose. Et boson er annerledes ved at et ubegrenset antall av dem kan ha samme kvantetilstand.

Hadron

En hadron er en elementær partikkel som ikke er virkelig elementær. Består av kvarker, antikvarker og gluoner. Hadronen har ingen fargeladning og deltar i sterke interaksjoner, inkludert kjernefysiske. Begrepet hadron, fra det greske adros, betyr stor, massiv.

Siden indekser jeg, k, l V strukturformler kjøreverdier 1, 2, 3, 4, antall mesoner Mik med et gitt spinn skal være lik 16. For baryoner Bikl maksimalt mulig antall tilstander for et gitt spinn (64) er ikke realisert, siden i kraft av Pauli-prinsippet, for et gitt totalt spinn, kun tre-kvark-tilstander er tillatt som har en veldefinert symmetri med hensyn til permutasjoner av indekser i, k, 1, nemlig: fullt symmetrisk for spinn 3/2 og blandet symmetri for spinn 1/2. Denne tilstanden er l = 0 velger 20 baryontilstander for spinn 3/2 og 20 for spinn 1/2.

En mer detaljert undersøkelse viser at verdien av kvarksammensetningen og symmetriegenskapene til kvarksystemet gjør det mulig å bestemme alle de grunnleggende kvantetallene til hadronen ( J, P, B, Q, I, Y, Ch), unntatt masse; å bestemme massen krever kunnskap om dynamikken i interaksjonen mellom kvarker og massen av kvarker, noe som ennå ikke er tilgjengelig.

Korrekt formidle spesifikasjonene til hadroner med de laveste massene og spinn ved gitte verdier Y Og Ch, Kvarkmodellen forklarer naturligvis også det totale store antallet hadroner og overvekten av resonanser blant dem. Det store antallet hadroner er en refleksjon av deres komplekse struktur og muligheten for eksistensen av forskjellige eksiterte tilstander av kvarksystemer. Det er mulig at antallet slike spente tilstander er ubegrenset. Alle eksiterte tilstander av kvarksystemer er ustabile med hensyn til raske overganger på grunn av sterke interaksjoner til underliggende tilstander. De utgjør hoveddelen av resonansene. En liten brøkdel av resonanser består også av kvarksystemer med parallelle spinnorienteringer (med unntak av W -). Quark-konfigurasjoner med antiparallell spinnorientering, relatert til det grunnleggende. tilstander, danner kvasi-stabile hadroner og et stabilt proton.

Eksitasjoner av kvarksystemer oppstår både på grunn av endringer rotasjonsbevegelse kvarker (orbitale eksitasjoner), og på grunn av endringer i deres rom. plassering (radiale eksitasjoner). I det første tilfellet er en økning i systemets masse ledsaget av en endring i det totale spinnet J og paritet R system, i det andre tilfellet skjer økningen i masse uten endring J P. For eksempel mesoner med J P= 2 + er den første orbitale eksitasjonen ( l = 1) mesoner med J P = 1 - . Korrespondansen mellom 2 + mesoner og 1 - mesoner med identiske kvarkstrukturer sees tydelig i eksemplet med mange partikkelpar:

Mesoner r" og y" er eksempler på radielle eksitasjoner av henholdsvis r- og y-mesoner (se.

Orbitale og radielle eksitasjoner genererer sekvenser av resonanser som tilsvarer den samme opprinnelige kvarkstrukturen. Mangelen på pålitelig informasjon om interaksjonen mellom kvarker tillater oss ennå ikke å gjøre kvantitative beregninger av eksitasjonsspektra og trekke noen konklusjoner om mulig antall slike eksiterte tilstander opp muligheten for en veldig praktisk beskrivelse av hadroner. Deretter ble det utført eksperimenter som lar oss snakke om kvarker som reelle materielle formasjoner inne i hadroner. De første var eksperimenter på spredning av elektroner med nukleoner i veldig store vinkler. Disse eksperimentene (1968), som minner om Rutherfords klassiske eksperimenter på spredning av alfapartikler på atomer, avslørte tilstedeværelsen av ladede punktformasjoner inne i nukleonet. Sammenligning av dataene fra disse eksperimentene med lignende data om nøytrinospredning på nukleoner (1973-75) tillot oss å konkludere med at gjennomsnitt kvadratet av den elektriske ladningen til disse punktformasjonene. Resultatet viste seg å være overraskende nær verdien 1/2 [(2/3). e) 2 +(1 / 3 e) 2 ]. Studiet av prosessen med hadronproduksjon under tilintetgjørelsen av et elektron og et positron, som visstnok går gjennom sekvensen av prosesser: ® hadroner, indikerte tilstedeværelsen av to grupper av hadroner genetisk assosiert med hver av de resulterende kvarkene, og gjorde det mulig å bestemme spinnene til kvarkene. Det viste seg å være lik 1/2. Det totale antallet hadroner født i denne prosessen indikerer også at kvarker av tre varianter vises i mellomtilstanden, dvs. kvarker er trefargede.

Kvantetallet til kvarker, introdusert på grunnlag av teoretiske betraktninger, er altså bekreftet i en rekke eksperimenter. Kvarker får gradvis status som nye elektronpartikler Hvis videre forskning bekrefter denne konklusjonen, er kvarker seriøse utfordrere til rollen som ekte elektronpartikler for den hadroniske formen av materie. Opp til lengder ~ 10 -15 cm kvarker fungerer som strukturløse punktformasjoner. Antallet kjente typer kvarker er lite. I fremtiden kan det selvfølgelig endre seg: man kan ikke garantere at ved høyere energier ikke vil bli oppdaget hadroner med nye kvantetall, på grunn av deres eksistens på grunn av nye typer kvarker. Gjenkjenning Y-mesons bekrefter dette synspunktet. Men det er godt mulig at økningen i antall kvarker blir liten, at generelle prinsipper setter grenser for det totale antallet kvarker, selv om disse grensene ikke er kjent ennå. Strukturløsheten til kvarker gjenspeiler kanskje også bare det oppnådde nivået av forskning på disse materielle formasjonene. Imidlertid gir en rekke spesifikke trekk ved kvarker noen grunn til å anta at kvarker er partikler som kompletterer kjeden av strukturelle komponenter i materie.

Kvarker skiller seg fra alle andre elektronpartikler ved at de ennå ikke har blitt observert i en fri tilstand, selv om det er bevis på deres eksistens i en bundet tilstand. En av grunnene til at kvarker ikke observeres kan være deres veldig store masse, som hindrer produksjonen deres ved energiene til moderne akseleratorer. Det er imidlertid mulig at kvarker fundamentalt sett, på grunn av den spesifikke karakteren av deres interaksjon, ikke kan være i en fri tilstand. Det er teoretiske og eksperimentelle argumenter som taler for at kreftene som virker mellom kvarker ikke svekkes med avstand. Dette betyr at det tar uendelig mye tid å skille kvarker fra hverandre. stor energi, eller på annen måte er fremveksten av kvarker i en fri stat umulig. Manglende evne til å isolere kvarker i en fri stat gjør dem til en helt ny type strukturelle enheter stoffer. Det er for eksempel uklart om det er mulig å reise spørsmålet om kvarkenes bestanddeler dersom kvarkene i seg selv ikke kan observeres i fri stat. Det er mulig at deler av kvarkene under disse forholdene ikke manifesterer seg fysisk i det hele tatt, og derfor fungerer kvarkene som det siste stadiet av fragmentering av hadronisk materie.

Elementærpartikler og kvantefeltteori.

For å beskrive egenskapene og interaksjonene til elektronpartikler i moderne teori Konseptet med fysisk er viktig. felt, som er tildelt hver partikkel. Et felt er en bestemt form for materie; det er beskrevet av en funksjon spesifisert på alle punkter ( X)rom-tid og har visse transformasjonsegenskaper i forhold til transformasjoner av Lorentz-gruppen (skalar, spinor, vektor, etc.) og grupper av "interne" symmetrier (isotopisk skalar, isotopisk spinor, etc.). Et elektromagnetisk felt med egenskapene til en firedimensjonal vektor Og m (x) (m = 1, 2, 3, 4) er historisk sett det første eksemplet på et fysisk felt. Feltene som sammenlignes med E.-partikler er av kvantenatur, det vil si at deres energi og momentum er sammensatt av mange deler. deler - kvanta, og energien E k og momentum p k av kvantumet er relatert av relasjonen spesiell teori relativitet: E k 2 = p k 2 c 2 + m 2 c 2. Hvert slikt kvantum er en elektronpartikkel med en gitt energi E k, momentum p k og masse so elektromagnetisk felt er fotoner, tilsvarer kvanter av andre felt alle andre kjente elektronpartikler. Feltet er derfor en fysisk refleksjon av eksistensen av en uendelig samling av partikler - kvanter. Det spesielle matematiske apparatet til kvantefeltteori gjør det mulig å beskrive fødselen og ødeleggelsen av en partikkel i hvert punkt x.

Transformasjonsegenskapene til feltet bestemmer alle kvantetall av E.-partikler. Transformasjonsegenskapene i forhold til rom-tid-transformasjoner (Lorentz-gruppen) bestemmer partiklers spinn. Dermed tilsvarer en skalar spinn 0, en spinor - spinn 1/2, en vektor - spinn 1 osv. Eksistensen av slike kvantetall som L, B, 1, Y, Ch og for kvarker og gluoner følger "farge" fra transformasjonsegenskaper til felt i forhold til transformasjoner av "indre rom" ("ladningsrom", "isotopisk rom", "enhetsrom", etc.). Eksistensen av "farge" i kvarker, spesielt, er assosiert med et spesielt "farget" enhetlig rom. Innføringen av "indre rom" i det teoretiske apparatet er fortsatt en rent formell innretning, som imidlertid kan tjene som en indikasjon på at dimensjonen av fysisk rom-tid, reflektert i egenskapene til E. Ch., faktisk er større enn fire - dimensjonen av rom-tid karakteristisk for alle makroskopiske fysiske prosesser. Massen til et elektron er ikke direkte relatert til transformasjonsegenskapene til felt; dette er deres tilleggsegenskaper.

For å beskrive prosessene som skjer med E. h., er det nødvendig å vite hvor forskjellige fysiske felt er forbundet med hverandre, dvs. kjenner dynamikken i feltene. I det moderne apparatet for kvantefeltteori er informasjon om dynamikken til felt inneholdt i en spesiell mengde uttrykt gjennom felt - den lagrangiske (mer presist, den lagrangiske tettheten) L. Kunnskap om L gjør det i prinsippet mulig å beregne sannsynlighetene for overganger fra ett sett med partikler til et annet under påvirkning av ulike interaksjoner. Disse sannsynlighetene er gitt av den såkalte. spredningsmatrise (W. Heisenberg, 1943), uttrykt gjennom L. Den lagrangiske L består av den lagrangiske L, som beskriver oppførselen til frie felt, og interaksjonen Lagrangian, L, konstruert fra feltene til forskjellige partikler og reflekterer muligheten for deres gjensidige transformasjoner. Kunnskap om Lz er avgjørende for å beskrive prosesser med E. h.

Vent til tidslinjewidgeten lastes inn.
JavaScript må være aktivert for å se.

Hvis sterke forfall ble gruppert i området yoktosekunder, elektromagnetiske - i nærheten av attosekunder, så "følger svake forfall alle" - de dekket like mye 27 størrelsesordener på tidsskalaen!

I de ytterste ender av dette ufattelig brede spekteret er to "ekstrem" tilfeller.

• Nedbryting av toppkvarken og partikler med svak kraft (W- og Z-bosoner) forekommer i ca. 0,3 er= 3·10 −25 s. Dette er de raskeste nedbrytningene blant alle elementærpartikler og generelt de raskeste prosessene som er pålitelig kjent moderne fysikk. Det blir slik fordi dette er forfallet med høyest energifrigjøring.
• Den lengstlevende elementærpartikkelen, nøytronet, lever i omtrent 15 minutter. En så enorm tid etter mikrokosmos standarder er forklart av det faktum at denne prosessen (beta-nedfallet av et nøytron til et proton, elektron og antinøytrino) har en veldig liten energifrigjøring. Denne energifrigjøringen er så svak at under passende forhold (for eksempel inne i en atomkjerne) kan dette forfallet allerede være energisk ugunstig, og da blir nøytronet helt stabilt. Atomkjerner, all materie rundt oss, og vi selv eksisterer bare takket være denne fantastiske svakheten ved beta-forfall.

Mellom disse ytterpunktene skjer også de fleste svake forfall mer eller mindre kompakt. De kan deles inn i to grupper, som vi grovt sett vil kalle: raske svake forfall og sakte svake forfall.

Raske er forfall som varer omtrent et pikosekund. Så det er overraskende hvordan tallene i vår verden har utviklet seg at levetiden til flere dusin elementærpartikler faller inn i et smalt område av verdier fra 0,4 til 2 ps. Dette er de såkalte sjarmerte og deilige hadronene - partikler som inneholder en tung kvark.

Picosekunder er fantastiske, de er rett og slett uvurderlige fra synspunktet til eksperimenter på kollidere! Faktum er at på 1 ps vil en partikkel ha tid til å fly en tredjedel av en millimeter, og en moderne detektor kan enkelt måle så store avstander. Takket være disse partiklene blir bildet av partikkelkollisjoner ved kollideren "lett å lese" - det er her kollisjonen og fødselen fant sted stort nummer hadroner, og der borte, litt lenger unna, skjedde sekundære forfall. Levetiden blir direkte målbar, noe som betyr at det blir mulig å finne ut hva slags partikkel det var, og først da bruke denne informasjonen til mer kompleks analyse.

Langsomme svake forfall er forfall som starter fra hundrevis av pikosekunder og strekker seg over hele nanosekundområdet. Dette inkluderer klassen av såkalte "merkelige partikler" - mange hadroner som inneholder en merkelig kvark. Til tross for navnet deres, for moderne eksperimenter er de ikke merkelige i det hele tatt, men tvert imot, de er de mest vanlige partiklene. De så bare merkelige ut på 50-tallet av forrige århundre, da fysikere plutselig begynte å oppdage dem etter hverandre og ikke helt forsto egenskapene deres. Forresten, det var overfloden av merkelige hadroner som presset fysikere for et halvt århundre siden til ideen om kvarker.

Fra synspunktet til moderne eksperimenter med elementærpartikler er nanosekunder mye. Dette er så mye at partikkelen som kastes ut fra akseleratoren rett og slett ikke har tid til å gå i oppløsning, men gjennomborer detektoren og etterlater sitt preg i den. Selvfølgelig vil den da sette seg fast et sted i detektormaterialet eller inn steiner rundt ham og der vil det gå i oppløsning. Men fysikere bryr seg ikke lenger om dette forfallet, de er bare interessert i sporet som denne partikkelen etterlot seg inne i detektoren. Så for moderne eksperimenter ser slike partikler nesten stabile ut; de kalles derfor "mellomleddet" - metastabile partikler.

Vel, den lengstlevende partikkelen, uten å telle nøytronet, er myonen - en slags "bror" til elektronet. Den deltar ikke i sterke interaksjoner, den forfaller ikke på grunn av elektromagnetiske krefter, så det gjenstår bare svake interaksjoner for den. Og siden den er ganske lett, lever den i 2 mikrosekunder – en hel epoke på skalaen til elementærpartikler.

På begynnelsen av 30-tallet av det tjuende århundre fant fysikken en akseptabel beskrivelse av materiens struktur basert på fire typer elementærpartikler - protoner, nøytroner, elektroner og fotoner. Tilsetningen av en femte partikkel, nøytrinoen, gjorde det også mulig å forklare prosessene med radioaktivt forfall. Det så ut til at de navngitte elementærpartiklene var de første mursteinene i universet.

Men denne tilsynelatende enkelheten forsvant snart. Snart ble positronen oppdaget. I 1936 ble den første mesonen oppdaget blant produktene av samspillet mellom kosmiske stråler og materie. Etter dette var det mulig å observere mesoner av en annen natur, så vel som andre uvanlige partikler. Disse partiklene ble født under påvirkning av kosmiske stråler ganske sjelden. Etter at det ble bygget akseleratorer som gjorde det mulig å produsere høyenergipartikler, ble imidlertid mer enn 300 nye partikler oppdaget.

Hva menes da med ordet " elementær"? "Elementær" er den logiske antipoden til "komplekse." Elementærpartikler betyr de primære, videre uoppløselige partiklene som utgjør all materie. På førtiårene var en rekke transformasjoner av "elementære" partikler kjent. Antallet partikler fortsetter å vokse De fleste av dem er ustabile Blant de dusinvis av kjente mikropartikler er det bare noen få som er stabile og ute av stand til spontane transformasjoner. Er ikke motstand mot spontane transformasjoner et tegn på elementaritet.

Deuteriumkjernen (deuteron) består av et proton og et nøytron. Som en partikkel er deuteronet fullstendig stabilt. På samme tid komponent deuteron, nøytron, radioaktivt, dvs. ustabil. Dette eksemplet viser at begrepene stabilitet og elementaritet ikke er identiske. I moderne fysikk begrepet "Elementærpartikler" brukes vanligvis for å navngi en stor gruppe ørsmå partikler av materie(som ikke er atomer eller atomkjerner).

Alle elementærpartikler har ekstremt små masser og størrelser. De fleste av dem har en masse i størrelsesorden den til et proton (bare massen til et elektron er merkbart mindre
). De mikroskopiske størrelsene og massene av elementærpartikler bestemmer kvantelovene for oppførselen deres. Den viktigste kvanteegenskapen til alle elementærpartikler er evnen til å bli født og ødelagt (avgis og absorberes) når de interagerer med andre partikler.

Det er fire kjente typer interaksjoner mellom partikler, forskjellige i naturen: gravitasjons-, elektromagnetisk, kjernefysisk, samt interaksjon i alle prosesser som involverer nøytrinoer. Hva kjennetegner de fire typene interaksjoner som er oppført?

Den sterkeste er samspillet mellom kjernefysiske partikler ("kjernekrefter"). Denne interaksjonen kalles vanligvis sterk. Det har allerede blitt bemerket at atomkrefter virker bare ved svært små avstander mellom partikler: aksjonsradiusen er omtrent 10 -13 cm.

Den nest største er elektromagnetisk interaksjon. Den er mindre enn sterk med to størrelsesordener. Men med avstand endres det langsommere, som 1/ r 2, så virkningsradiusen til elektromagnetiske krefter er uendelig.

Deretter kommer interaksjonen på grunn av deltakelsen av nøytrinoer i reaksjoner. I størrelsesorden er disse interaksjonene 10 14 ganger mindre enn sterke interaksjoner. Disse interaksjonene kalles vanligvis svak. Tilsynelatende er handlingsområdet her det samme som ved sterk interaksjon.

Den minste kjente interaksjonen er gravitasjonsmessig. Det er mindre enn den sterke med 39 størrelsesordener - 10 39 ganger! Med avstand avtar gravitasjonskreftene like sakte som elektromagnetiske krefter, så deres virkeområde er også uendelig.

I verdensrommet tilhører hovedrollen gravitasjonsinteraksjoner, fordi Handlingsområdet for sterke og svake interaksjoner er ubetydelig. Elektromagnetiske interaksjoner spiller en begrenset rolle fordi elektriske ladninger med motsatte fortegn har en tendens til å danne nøytrale systemer. Gravitasjonskrefter er alltid attraktive krefter. De kan ikke kompenseres av kraften til det motsatte tegnet, de kan ikke skjermes fra dem. Derav deres dominerende rolle i verdensrommet.

Størrelsen på interaksjonskreftene tilsvarer også tiden som kreves for å utføre reaksjonen forårsaket av denne interaksjonen. Dermed krever prosesser forårsaket av sterk interaksjon tid i størrelsesorden 10 -23 sekunder. (en reaksjon oppstår når høyenergipartikler kolliderer). Tiden som kreves for å utføre prosessen forårsaket av elektromagnetisk interaksjon krever ~10 -21 sek., svak interaksjon krever ~10 -9 sek. I reaksjoner forårsaket av partikkelinteraksjoner spiller gravitasjonskrefter praktisk talt ingen rolle.

De oppførte interaksjonene er tilsynelatende av en annen karakter, det vil si at de ikke kan reduseres til hverandre. For tiden er det ingen måte å bedømme om disse interaksjonene utmatter alle de som eksisterer i naturen.

Klassen av elementærpartikler som deltar i sterke interaksjoner kalles hadroner (proton, nøytron, etc.). En klasse av partikler som ikke har sterke interaksjoner kalles leptoner. Leptoner inkluderer elektron, myon, nøytrino, tung lepton og deres tilsvarende antipartikler. Antipartikler, en samling elementærpartikler som har samme masse og andre fysiske egenskaper som deres "tvillinger", men som skiller seg fra dem i tegnet på noen interaksjonsegenskaper(for eksempel elektrisk ladning, magnetisk moment): elektron og positron, nøytrino og antinøytrino. I følge moderne konsepter skiller nøytrinoer og antinøytrinoer seg fra hverandre i en av kvantekarakteristikkene - helisitet, definert som projeksjonen av spinnet til en partikkel på retningene av dens bevegelse (momentum). Nøytrinoer har et spinn S orientert antiparallell til pulsen R, dvs. veibeskrivelse R Og S danner en venstrehendt skrue og nøytrinoen har venstrehendt helicitet (fig. 6.2). For antinøytrinoer danner disse retningene en høyreskrue, dvs. antinøytrinoer har høyrehendt helicitet.

Når en partikkel og en antipartikkel kolliderer, kan de bli gjensidig ødelagt - "utslette". I fig. Figur 6.3 viser prosessen med utslettelse av et elektron og et positron med utseendet til to gammastråler. I dette tilfellet blir alle kjente bevaringslover observert - energi, momentum, vinkelmomentum og loven om bevaring av ladninger. For å lage et elektron-positron-par, er det nødvendig å bruke energi ikke mindre enn summen av de iboende energiene til disse partiklene, dvs. ~ 10 6 eV. Når et slikt par utslettes, frigjøres denne energien enten med strålingen som genereres under utslettelse, eller fordeles mellom andre partikler.

Fra loven om bevaring av ladning følger det at en ladet partikkel ikke kan oppstå uten utseendet til en annen med ladninger med motsatte fortegn (slik at den totale ladningen til hele partikkelsystemet ikke endres). Et eksempel på en slik reaksjon er reaksjonen av transformasjonen av et nøytron til et proton med samtidig dannelse av et elektron og utslipp av et nøytrino

. (6.9)

Den elektriske ladningen beholdes under denne transformasjonen. På samme måte blir det bevart når et foton forvandles til et elektron-positron-par eller når det samme paret blir født som et resultat av en kollisjon av to elektroner.

Det er en hypotese om at alle elementærpartikler er kombinasjoner av tre grunnleggende partikler kalt kvarker og deres antipartikler. Kvarker har ikke blitt oppdaget i fri tilstand (til tross for utallige søk etter dem ved høyenergiakseleratorer, i kosmiske stråler og i miljøet).

Det er umulig å beskrive egenskapene og transformasjonene til mikropartikler uten systematisering. Det er ingen systematisering basert på en streng teori.

De to hovedgruppene av elementærpartikler er sterkt i samspill ( hadroner) og svakt samhandlende ( leptoner) partikler. Hadroner er delt inn i mesoner Og baryoner. Baryoner er delt inn i nukleoner Og hyperoner. Leptoner inkluderer elektroner, myoner og nøytrinoer. Nedenfor er verdiene som mikropartikler klassifiseres etter.

1. Bulk eller baryonisk Antall EN. Tallrike fakta observert i prosessen med kjernefysisk fisjon og etableringen av et nukleon-antinukleon-par antyder at antallet nukleoner i enhver prosess forblir konstant. Alle baryoner tildeles nummeret EN= +1, til hver antipartikkel EN= –1. Loven om bevaring av baryonladning er oppfylt nøyaktig i alle kjernefysiske prosesser. Flere verdier av baryonnummeret har komplekse partikler. Alle mesoner og leptoner har et baryonnummer på null.

2. Elektrisk ladning q representerer antall enheter av elektrisk ladning (i enheter av den positive ladningen til et proton) som er iboende i partikkelen.

3. Isotopisk spinn(ikke relatert til det virkelige spinnet). Kreftene som virker mellom nukleoner i en kjerne er nesten uavhengige av typen nukleoner, dvs. kjernefysiske interaksjoner RR, Rn Og nn er det samme. Denne symmetrien av kjernefysiske krefter fører til bevaring av en mengde kalt isotopisk spinn. Isospin er konservert i sterke interaksjoner og er ikke konservert i prosesser forårsaket av elektromagnetiske og svake interaksjoner.

4. Rarthet. For å forklare hvorfor noen prosesser som involverer hadroner ikke forekommer, foreslo M. Gell-Mann og K. Nishijima i 1953 å introdusere et nytt kvantenummer, som de kalte merkelighet. Merkeligheten til stabile hadroner varierer fra –3 til +3 (heltall). Leptonenes merkelighet er ikke bestemt. I sterke interaksjoner vedvarer fremmedheten.

5. Spinn. Karakteriserer spinnvinkelmomentet.

6. Paritet. En indre egenskap til en partikkel assosiert med dens symmetri med hensyn til høyre og venstre. Inntil nylig trodde fysikere at det ikke var noen forskjell mellom høyre og venstre. Deretter viste det seg at de ikke er likeverdige for alle svake interaksjonsprosesser - som var en av de mest overraskende oppdagelsene i fysikk.

I klassisk fysikk var materie og det fysiske feltet motsetning til hverandre som to typer materie. Materie består av elementærpartikler det er en type materie som har hvilemasse. Strukturen til materie er diskret, mens feltets struktur er kontinuerlig. Men kvantefysikken førte til utjevning av denne ideen. I klassisk fysikk antas det at partikler påvirkes av kraftfelt - gravitasjons- og elektromagnetiske. Klassisk fysikk kjente ingen andre felt. I kvantefysikk, bak feltene ser de de sanne bærerne av interaksjon - kvantene til disse feltene, dvs. partikler. For klassiske felt er dette gravitoner og fotoner. Når feltene er sterke nok og det er mange kvanter, slutter vi å skille dem ut som individuelle partikler og oppfatter dem som et felt. Bærerne av sterke interaksjoner er gluoner. På den annen side har enhver mikropartikkel (stoffelement) en dobbel partikkelbølgenatur.

I fysikk var elementærpartikler fysiske objekter på skalaen til atomkjernen som ikke kan deles inn i deres komponentdeler. Men i dag har forskere klart å splitte noen av dem. Strukturen og egenskapene til disse bittesmå gjenstandene studeres av partikkelfysikk.

De minste partiklene som utgjør all materie har vært kjent siden antikken. Imidlertid anses grunnleggerne av den såkalte "atomismen" for å være filosofen Antikkens Hellas Leucippus og hans mer kjente student, Demokrit. Det antas at sistnevnte laget begrepet "atom". Fra det eldgamle greske er "atomos" oversatt som "udelelig", som bestemmer synspunktene til eldgamle filosofer.

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

Parallelt med Thomsons arbeid, forsker røntgenstråling Henri Becquerel utfører eksperimenter med uran og oppdager en ny type stråling. I 1898 studerte et par franske fysikere, Marie og Pierre Curie, forskjellige radioaktive stoffer, og oppdaget den samme radioaktive strålingen. Det vil senere bli bestemt at den består av alfa (2 protoner og 2 nøytroner) og beta partikler (elektroner), og Becquerel og Curie vil motta Nobel pris. Mens hun forsket med elementer som uran, radium og polonium, tok ikke Marie Sklodowska-Curie noen sikkerhetstiltak, inkludert ikke engang bruk av hansker. Som et resultat ble hun i 1934 innhentet av leukemi. Til minne om prestasjonene til den store vitenskapsmannen ble elementet oppdaget av Curie-paret, polonium, navngitt til ære for Marys hjemland - Polonia, fra latin - Polen.

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

Siden 1905 har Albert Einstein viet sine publikasjoner til ufullkommenheten av bølgeteorien om lys, hvis postulat var i strid med resultatene av eksperimenter. Som senere førte den fremragende fysikeren til ideen om et "lyskvante" - en porsjon lys. Senere, i 1926, ble det kalt «foton», oversatt fra gresk «phos» («lys»), av den amerikanske fysikalske kjemikeren Gilbert N. Lewis.

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

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

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

Videre ble oppdagelsen av nye subnukleære objekter en stadig hyppigere hendelse, og dette øyeblikket Omtrent 350 partikler er kjent, som generelt anses som "elementære". De av dem som ennå ikke er delt, anses som strukturløse og kalles "fundamentale".

Hva er spinn?

Før man går videre med ytterligere innovasjoner innen fysikk, må egenskapene til alle partikler bestemmes. Det mest kjente, bortsett fra masse og elektrisk ladning, inkluderer også spinn. Denne mengden kalles ellers som " eget øyeblikk impuls" og er på ingen måte relatert til bevegelsen til det subnukleære objektet som helhet. Forskere var i stand til å oppdage partikler med spinn 0, ½, 1, 3/2 og 2. For å visualisere, om enn forenklet, spinn som en egenskap ved et objekt, vurdere følgende eksempel.

La en gjenstand ha et spinn lik 1. Da vil en slik gjenstand, når den roteres 360 grader, gå tilbake til sin opprinnelige posisjon. På et fly kan dette objektet være en blyant, som etter en 360-graders sving vil havne i sin opprinnelige posisjon. Ved null spinn, uansett hvordan objektet roterer, vil det alltid se likt ut, for eksempel en ensfarget ball.

For et halvt spinn trenger du en gjenstand som beholder utseendet når den roteres 180 grader. Det kan være den samme blyanten, bare spisset symmetrisk på begge sider. Et spinn på 2 vil kreve at formen opprettholdes når den roteres 720 grader, og et spinn på 3/2 vil kreve 540.

Denne egenskapen er veldig veldig viktig for partikkelfysikk.

Standard modell for partikler og interaksjoner

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

De tre interaksjonene er:

• Elektromagnetisk. Det oppstår mellom elektrisk ladede partikler. I et enkelt tilfelle, kjent fra skolen, tiltrekker motsatt ladede gjenstander, og lignende ladede gjenstander frastøter. Dette skjer gjennom den såkalte bæreren av elektromagnetisk interaksjon – fotonet.
• Sterk, ellers kjent som kjernefysisk interaksjon. Som navnet tilsier, strekker det seg til gjenstander av atomkjernens rekkefølge, det er ansvarlig for tiltrekningen av protoner, nøytroner og andre partikler som også består av kvarker. Det sterke samspillet bæres av gluoner.
• Svak. Effektiv på avstander tusen mindre enn størrelsen på kjernen. Leptoner og kvarker, så vel som deres antipartikler, deltar i denne interaksjonen. Dessuten, i tilfelle av svak interaksjon, kan de forvandle seg til hverandre. Bærerne er W+, W− og Z0 bosonene.

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

• Øvre(u);
• Fortryllet (c);
• sann(t);
• Nedre (d);
• Merkelig(e);
• Bedårende (b).

Det er tydelig at fysikere har mange epitet. De andre 6 partiklene er leptoner. Dette er fundamentale partikler med spin ½ som ikke deltar i den sterke interaksjonen.

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

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

• Gluon - sterk;
• Foton – elektromagnetisk;
• Z-boson - svak;
• W-bosonet er svakt.

Disse inkluderer også den nylig oppdagede spin-0-partikkelen, som enkelt sagt gir inert masse til alle andre subnukleære objekter.

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

Ulemper med standardmodellen

Selv før oppdagelsen av Higgs-bosonet, den siste partikkelen som ble forutsagt av standardmodellen, hadde imidlertid forskere gått utover grensene. Et slående eksempel på dette er den såkalte. "gravitasjonsinteraksjon", som er på nivå med andre i dag. Antagelig er bæreren en partikkel med spinn 2, som ikke har noen masse, og som fysikere ennå ikke har vært i stand til å oppdage - "graviton".

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

Partikkelklassifisering

For å gjøre livet deres enklere, har fysikere gruppert alle partikler avhengig av deres strukturelle egenskaper og andre egenskaper. Klassifisering er basert på følgende kriterier:

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

Etter å ha gjort deg kjent med klassifiseringen av alle partikler, kan du for eksempel nøyaktig bestemme noen av dem. Så nøytronet er en fermion, et hadron, eller rettere sagt en baryon, og et nukleon, det vil si at det har et halvt heltallsspinn, består av kvarker og deltar i 4 interaksjoner. Nucleon er vanlig navn for protoner og nøytroner.

• Det er interessant at motstandere av atomismen til Democritus, som spådde eksistensen av atomer, uttalte at ethvert stoff i verden er delt på ubestemt tid. Til en viss grad kan de vise seg å ha rett, siden forskerne allerede har klart å dele atomet i en kjerne og et elektron, kjernen i et proton og et nøytron, og disse i sin tur til kvarker.
• Democritus antok at atomer har en klar geometrisk form, og derfor brenner "skarpe" ildatomer, grove atomer faste stoffer holdes godt sammen av fremspringene, og glatte vannatomer sklir under interaksjon, ellers flyter de.
• Joseph Thomson kompilerte sin egen modell av atomet, som han så på som et positivt ladet legeme der elektroner så ut til å sitte fast. Modellen hans ble kalt "Plum pudding-modellen."
• Quarks har fått navnet sitt fra Amerikansk fysiker Murray Gell-Mann. Forskeren ønsket å bruke et ord som ligner på lyden av en andekvaksalver (kwork). Men i James Joyces roman Finnegans Wake møtte han ordet «quark» i linjen «Three quarks for Mr. Mark!», hvis betydning ikke er nøyaktig definert, og det er mulig at Joyce bare brukte det for rim. Murray bestemte seg for å kalle partiklene dette ordet, siden bare tre kvarker var kjent på den tiden.
• Selv om fotoner, lyspartikler, er masseløse, ser det ut til at de nær et sort hull endrer banen, og blir tiltrukket av det av gravitasjonsinteraksjon. Faktisk bøyer et supermassivt legeme rom-tid, og det er grunnen til at alle partikler, inkludert de uten masse, endrer banen mot det sorte hullet (se).
• Large Hadron Collider er "hadronisk" nettopp fordi den kolliderer med to rettede stråler av hadroner, partikler med dimensjoner i størrelsesorden en atomkjerne som deltar i alle interaksjoner.