افزودن به علاقه مندی ها

همچنین ببینید

نظر خود را در مورد مقاله "ذره بنیادی" بنویسید

یادداشت

پیوندها

• S. A. Slavatinsky// موسسه فیزیک و فناوری مسکو (Dolgoprudny، منطقه مسکو)
• Slavatinsky S.A. // SOZH، 2001، شماره 2، ص. آرشیو 62–68 http://web.archive.org/web/20060116134302/http://journal.issep.rssi.ru/annot.php?id=S1176
• // nuclphys.sinp.msu.ru
• // second-physics.ru
• // physics.ru
• // nature.web.ru
• // nature.web.ru
• // nature.web.ru

تا همین اواخر، چند صد ذره و پادذره ابتدایی در نظر گرفته می شدند. مطالعه دقیق خواص و تعامل آنها با ذرات دیگر و توسعه نظریه نشان داد که بیشتر آنها در واقع ابتدایی نیستند، زیرا آنها خود از ساده ترین یا همانطور که اکنون می گویند ذرات اساسی تشکیل شده اند. خود ذرات بنیادی دیگر از چیزی تشکیل نمی شوند. آزمایش‌های متعدد نشان داده‌اند که همه ذرات بنیادی مانند اجسام نقطه‌ای بی‌بعد رفتار می‌کنند که ساختار داخلی ندارند، حداقل تا کمترین فواصل مورد مطالعه در حال حاضر ~10-16 سانتی‌متر.

مقدمه

در میان فرآیندهای بی شمار و متنوع برهمکنش بین ذرات، چهار برهمکنش اساسی یا اساسی وجود دارد: قوی (هسته ای)، الکترومغناطیسی و گرانشی. در دنیای ذرات، برهمکنش گرانشی بسیار ضعیف است، نقش آن هنوز نامشخص است و ما بیشتر در مورد آن صحبت نمی کنیم.

در طبیعت دو گروه از ذرات وجود دارد: هادرون ها که در تمام برهمکنش های اساسی شرکت می کنند و لپتون ها که فقط در برهمکنش قوی شرکت نمی کنند.

بر اساس مفاهیم مدرن، فعل و انفعالات بین ذرات از طریق انتشار و جذب متعاقب آن کوانتوم های میدان مربوطه (قوی، ضعیف، الکترومغناطیسی) اطراف ذره انجام می شود. این کوانتوم ها بوزون های گیج هستند که ذرات بنیادی نیز هستند. بوزون ها حرکت زاویه ای خود را دارند که اسپین نامیده می شود و برابر با مقدار صحیح ثابت پلانک $h = 1.05 \cdot 10^(-27) erg \cdot c$ است. کوانتوم های میدان و بر این اساس حامل های برهمکنش قوی گلوئون ها هستند که با نماد g نشان داده می شوند، کوانتوم های میدان الکترومغناطیسی کوانتوم های شناخته شده نور هستند - فوتون ها که با $\گاما $ نشان داده می شوند و کوانتوم های میدان ضعیف و بر این اساس حامل برهم کنش های ضعیف هستند دبلیو± (ve مضاعف) - و ز 0 (زت صفر) -بوزون.

برخلاف بوزون ها، تمام ذرات بنیادی دیگر فرمیون هستند، یعنی ذراتی که دارای اسپین نیم صحیح برابر با ساعت/2.

روی میز. 1 نمادهای فرمیون های اساسی - لپتون ها و کوارک ها را نشان می دهد.

هر ذره در جدول آورده شده است. 1 مربوط به یک پاد ذره است که تنها در نشانه های بار الکتریکی و سایر اعداد کوانتومی (به جدول 2 مراجعه کنید) و در جهت چرخش نسبت به جهت حرکت ذره با یک ذره تفاوت دارد. ما پادذرات را با نمادهای مشابه ذرات، اما با یک خط موجی بالای نماد نشان خواهیم داد.

ذرات موجود در جدول 1 با حروف یونانی و لاتین نشان داده می شود، یعنی: حرف $\nu$ - سه نوترینو مختلف، حروف e - الکترون، $\mu$ - muon، $\tau$ - taon، حروف u، c، t، d، s b نشان دهنده کوارک ها است. نام و مشخصات آنها در جدول آورده شده است. 2.

ذرات موجود در جدول 1 با توجه به ساختار نظریه مدرن به سه نسل I، II و III گروه بندی می شوند. جهان ما از ذرات نسل اول - لپتون ها و کوارک ها و بوزون های گیج ساخته شده است، اما همانطور که علم مدرن توسعه کیهان نشان می دهد، در مرحله اولیه رشد آن، ذرات هر سه نسل نقش مهمی داشتند.

لپتون ها

اجازه دهید ابتدا خواص لپتون ها را با جزئیات بیشتری در نظر بگیریم. در خط بالای جدول 1 شامل سه نوترینو مختلف است: الکترون $\nu_e$، میون $\nu_m$ و تاو نوترینو $\nu_t$. جرم آنها هنوز به طور دقیق اندازه گیری نشده است، اما حد بالایی آن تعیین شده است، به عنوان مثال، برای ne برابر با 10 -5 جرم الکترون (یعنی $\leq 10^(-32)$ g).

نگاه کردن به جدول 1 بی اختیار این سوال را مطرح می کند که چرا طبیعت به ایجاد سه نوترینو مختلف نیاز دارد. هنوز پاسخی برای این سوال وجود ندارد، زیرا چنین نظریه جامعی در مورد ذرات بنیادی ایجاد نشده است که بیانگر ضرورت و کفایت همه این ذرات باشد و خواص اصلی آنها را بیان کند. شاید این مشکل در قرن بیست و یکم (یا بعد از آن) حل شود.

خط پایین جدول. 1 با ذره ای که ما بیشتر مطالعه کرده ایم - الکترون - شروع می شود. این الکترون در پایان قرن گذشته توسط فیزیکدان انگلیسی جی تامسون کشف شد. نقش الکترون ها در دنیای ما بسیار زیاد است. آنها آن دسته از ذرات باردار منفی هستند که همراه با هسته های اتمی، تمام اتم های عناصر جدول تناوبی را که برای ما شناخته شده است، تشکیل می دهند. در هر اتم تعداد الکترون ها دقیقاً برابر با تعداد پروتون های هسته اتم است که باعث می شود اتم از نظر الکتریکی خنثی شود.

الکترون پایدار است، احتمال اصلی از بین بردن یک الکترون مرگ آن در برخورد با یک پادذره است - یک پوزیترون e + . این فرآیند نابودی نامیده می شود:

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

در نتیجه نابودی، دو کوانتا گاما (به اصطلاح فوتون‌های پرانرژی) تشکیل می‌شوند که هم انرژی‌های باقیمانده e + و e - و هم انرژی‌های جنبشی آنها را با خود می‌برند. در انرژی های بالا، هادرون های e + و e- و جفت کوارک تشکیل می شوند (به عنوان مثال، (5) و شکل 4 را ببینید).

واکنش (1) به وضوح اعتبار فرمول معروف A. انیشتین را در مورد هم ارزی جرم و انرژی نشان می دهد: E = mc 2 .

در واقع، در حین نابودی یک پوزیترون متوقف شده در یک ماده و یک الکترون در حال سکون، کل جرم سکون آنها (برابر 1.22 مگا ولت) به انرژی $\gamma$-qunta می رود که جرم سکون ندارند.

در نسل دوم ردیف پایین جدول. 1 قرار دارد > میون - ذره ای که با تمام ویژگی هایش آنالوگ یک الکترون است، اما با جرم غیرعادی بزرگ. جرم میون 207 برابر جرم الکترون است. برخلاف الکترون، میون ناپایدار است. زمان زندگی او تی= 2.2 10 -6 ثانیه. طبق این طرح، میون عمدتاً به یک الکترون و دو نوترینو تجزیه می شود

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

آنالوگ حتی سنگین‌تر از الکترون، لپتون $\tau$ (taon) است. جرم آن بیش از 3 هزار بار بیشتر از جرم یک الکترون است ($m_(\tau) = 1777$ MeV/c 2)، یعنی تاون از پروتون و نوترون سنگین‌تر است. طول عمر آن 2.9 10 -13 ثانیه است و از بیش از صد طرح (کانال) مختلف فروپاشی آن، موارد زیر ممکن است:

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

در مورد لپتون ها، مقایسه نیروهای ضعیف و الکترومغناطیسی در یک فاصله خاص، به عنوان مثال، جالب است. آر\u003d 10 -13 سانتی متر. در چنین فاصله ای، نیروهای الکترومغناطیسی تقریباً 10 میلیارد بار بیشتر از نیروهای ضعیف هستند. اما این به هیچ وجه به این معنا نیست که نقش نیروهای ضعیف در طبیعت کم است. دور از آن.

این نیروهای ضعیف هستند که مسئول بسیاری از تبدیل‌های متقابل ذرات مختلف به ذرات دیگر هستند، مثلاً در واکنش‌های (2)، (3)، و چنین تبدیل‌های متقابل یکی از مشخص‌ترین ویژگی‌های فیزیک ذرات است. بر خلاف واکنش های (2)، (3)، نیروهای الکترومغناطیسی در واکنش (1) عمل می کنند.

در مورد لپتون ها باید اضافه کرد که نظریه مدرن برهمکنش های الکترومغناطیسی و ضعیف را با کمک یک نظریه واحد الکتروضعیف توصیف می کند. این توسط S. Weinberg، A. Salam و S. Glashow در سال 1967 توسعه یافت.

کوارک ها

ایده کوارک ها در نتیجه تلاشی درخشان برای طبقه بندی تعداد زیادی از ذرات شرکت کننده در برهمکنش های قوی و به نام هادرون بوجود آمد. M.Gell-Man و G. Zweig پیشنهاد کردند که همه هادرون ها از مجموعه ای متناظر از ذرات بنیادی - کوارک ها، آنتی کوارک های آنها و حاملان برهم کنش قوی - گلوئون ها تشکیل شده اند.

تعداد کل هادرون های مشاهده شده در حال حاضر بیش از صد ذره (و همین تعداد پادذره) است. ده ها ذره هنوز ثبت نشده اند. همه هادرون ها به ذرات سنگینی تقسیم می شوند که به آنها می گویند باریون ها، و میانگین ها نام برد مزون ها.

باریون ها با عدد باریون مشخص می شوند ب= 1 برای ذرات و ب = -1 برای آنتی باریون ها. تولد و نابودی آنها همیشه به صورت جفت اتفاق می افتد: یک باریون و یک آنتی باریون. مزون ها باریونی دارند ب = 0. طبق ایده ژل مان و تسوایگ، همه باریون ها از سه کوارک، آنتی باریون ها - از سه آنتی کوارک تشکیل شده اند. بنابراین، به هر کوارک یک عدد باریون 1/3 اختصاص داده شد، به طوری که در مجموع باریون خواهد داشت. ب= 1 (یا -1 برای یک آنتی باریون متشکل از سه آنتی کوارک). مزون ها عدد باریونی دارند ب= 0، بنابراین آنها می توانند از هر ترکیبی از جفت های هر کوارک و هر آنتی کوارکی تشکیل شوند. علاوه بر اعداد کوانتومی که برای همه کوارک‌ها یکسان هستند - عدد اسپین و باریون، ویژگی‌های مهم دیگری نیز برای آنها وجود دارد، مانند بزرگی جرم ساکن آنها. متر، مقدار بار الکتریکی س/ه(در کسری از بار الکترون ه\u003d 1.6 و نقطه میانی 10 -19 کولن) و مجموعه خاصی از اعداد کوانتومی که به اصطلاح طعم کوارک. این شامل:

1) مقدار اسپین ایزوتوپی منو بزرگی برآمدگی سوم آن یعنی من 3 . بنابراین، تو-کوارک و د-کوارک یک دوتایی ایزوتوپی را تشکیل می دهند، به آنها یک اسپین ایزوتوپی کامل اختصاص داده می شود من= 1/2 با پیش بینی من 3 = +1/2 مربوطه تو-کوارک و من 3 = -1/2 مربوطه د-کوارک هر دو جزء دوتایی جرم های مشابهی دارند و در تمام ویژگی های دیگر به جز بار الکتریکی یکسان هستند.

2) عدد کوانتومی اس- عجیب بودن رفتار عجیب برخی از ذرات را مشخص می کند که طول عمر غیرعادی طولانی (~10-8-10-13s) در مقایسه با زمان مشخصه هسته ای (~10-23s) دارند. خود ذرات عجیب نامیده می شوند که حاوی یک یا چند کوارک عجیب و آنتی کوارک عجیب هستند. ایجاد یا ناپدید شدن ذرات عجیب در اثر فعل و انفعالات قوی به صورت جفت اتفاق می افتد، یعنی در هر واکنش هسته ای، مجموع $\Sigma$S قبل از واکنش باید برابر با $\Sigma$S بعد از واکنش باشد. با این حال، در فعل و انفعالات ضعیف، قانون حفظ غرابت برقرار نیست.

در آزمایشات روی شتاب دهنده ها، ذراتی مشاهده شد که نمی توان با استفاده از آنها توصیف کرد تو-, د- و س-کوارک ها با تشبیه عجیب بودن، لازم بود سه کوارک جدید دیگر با اعداد کوانتومی جدید معرفی شوند از جانب = +1, AT= -1 و تی= +1. ذرات متشکل از این کوارک ها دارای جرم بسیار بزرگ تری هستند (> 2 GeV/c2). آنها طیف گسترده ای از طرح های پوسیدگی با طول عمر ~10-13 ثانیه دارند. خلاصه ای از خصوصیات همه کوارک ها در جدول آورده شده است. 2.

هر کوارک در جدول 2 مربوط به آنتی کوارک آن است. برای آنتی کوارک ها، همه اعداد کوانتومی دارای علامتی مخالف با نشانه ای هستند که برای کوارک نشان داده شده است. در مورد بزرگی جرم کوارک ها باید موارد زیر را گفت. در جدول آورده شده است. 2 مقدار مربوط به جرم کوارک های خالی است، یعنی خود کوارک ها بدون در نظر گرفتن گلوئون های اطراف آنها. جرم کوارک های پوشیده شده به دلیل انرژی حمل شده توسط گلوئون ها بیشتر است. این به ویژه برای سبک ترین ها قابل توجه است تو- و د-کوارک‌هایی که پوشش گلوئونی آن‌ها انرژی حدود 300 مگا ولت دارد.

کوارک هایی که خواص فیزیکی اساسی ذرات را تعیین می کنند، کوارک های ظرفیتی نامیده می شوند. علاوه بر کوارک های ظرفیت، هادرون ها حاوی جفت های مجازی ذرات - کوارک ها و آنتی کوارک ها هستند که برای مدت بسیار کوتاهی توسط گلوئون ها ساطع و جذب می شوند.

(جایی که Eانرژی یک جفت مجازی است) که با نقض قانون بقای انرژی مطابق با رابطه عدم قطعیت هایزنبرگ رخ می دهد. جفت های مجازی کوارک ها نامیده می شوند کوارک های دریایییا کوارک های دریایی. بنابراین، ساختار هادرون ها شامل کوارک ها و گلوئون های ظرفیتی و دریایی است.

ویژگی اصلی همه کوارک ها این است که آنها صاحب بارهای قوی مربوطه هستند. بارهای میدان قوی سه نوع برابر دارند (به جای یک بار الکتریکی در تئوری نیروهای الکتریکی). در اصطلاح تاریخی به این سه نوع بار، رنگ کوارک ها می گویند: قرمز مشروط، سبز و آبی. بنابراین، هر کوارک در جدول. 1 و 2 می تواند به سه شکل باشد و یک ذره رنگی است. مخلوط کردن هر سه رنگ، همانطور که در اپتیک اتفاق می افتد، رنگ سفید می دهد، یعنی ذره را سفید می کند. همه هادرون های مشاهده شده بی رنگ هستند.

فعل و انفعالات کوارک توسط هشت گلوئون مختلف انجام می شود. اصطلاح "gluon" در ترجمه از انگلیسی به معنای چسب است، یعنی این کوانتوم های میدانی ذراتی هستند که، همانطور که بود، کوارک ها را به هم می چسبانند. مانند کوارک ها، گلوئون ها ذرات رنگی هستند، اما از آنجایی که هر گلوئون رنگ دو کوارک را به طور همزمان تغییر می دهد (کوارکی که گلوئون ساطع می کند و کوارکی که گلوئون را جذب می کند)، گلوئون دو بار رنگ می شود که حامل یک رنگ و یک ضد رنگ است، معمولا. متفاوت از رنگ .

جرم بقیه گلوئون ها، مانند فوتون، صفر است. علاوه بر این، گلوئون ها از نظر الکتریکی خنثی هستند و بار ضعیفی ندارند.

هادرون ها نیز معمولاً به ذرات و رزونانس های پایدار تقسیم می شوند: باریون و مزون.
رزونانس ها با طول عمر بسیار کوتاه (~10-20-10-24 ثانیه) مشخص می شوند، زیرا پوسیدگی آنها به دلیل تعامل قوی است.

ده ها مورد از این ذرات توسط فیزیکدان آمریکایی L.V. آلوارز از آنجایی که مسیر این ذرات به سمت فروپاشی آنقدر کوتاه است که نمی توان آنها را در آشکارسازهایی که آثار ذرات را ثبت می کنند (مانند اتاقک حباب و غیره) مشاهده کرد، همه آنها به طور غیر مستقیم و با وجود قله هایی در وابستگی به ذرات شناسایی شدند. احتمال برهمکنش ذرات مختلف با یکدیگر بر روی انرژی. شکل 1 آنچه گفته شد را توضیح می دهد. شکل وابستگی مقطع برهمکنش (متناسب با مقدار احتمال) یک پیون مثبت $\pi^+$ با یک پروتون را نشان می دهد. پاز انرژی جنبشی پایون. در انرژی حدود 200 مگا ولت، یک پیک در مسیر مقطع دیده می شود. عرض آن $\Gamma = 110$ MeV است و جرم کل ذرات $\Delta^(++)$ برابر با $T^(")_(max)+M_p c^2+M_\pi c^2 است. =1232$ MeV /с 2، که در آن $T^(")_(max)$ انرژی جنبشی برخورد ذرات در سیستم مرکز جرم آنها است. اکثر تشدیدها را می توان به عنوان حالت برانگیخته ذرات پایدار در نظر گرفت، زیرا آنها ترکیب کوارکی مشابهی با همتایان پایدار خود دارند، اگرچه جرم رزونانس ها به دلیل انرژی برانگیختگی بیشتر است.

مدل کوارکی هادرون ها

ما شروع به توصیف مدل کوارکی هادرون ها از رسم خطوط میدانی می کنیم که از یک منبع سرچشمه می گیرند - یک کوارک با بار رنگی که به یک آنتی کوارک ختم می شود (شکل 2، ب). برای مقایسه، در شکل. 2، و نشان می‌دهیم که در مورد برهمکنش الکترومغناطیسی، خطوط نیرو از منبع خود - یک بار الکتریکی مانند یک فن، واگرا می‌شوند، زیرا فوتون‌های مجازی که به طور همزمان از منبع ساطع می‌شوند، با یکدیگر تعامل ندارند. نتیجه قانون کولن است.

برخلاف این تصویر، خود گلوئون ها بارهای رنگی دارند و به شدت با یکدیگر برهم کنش دارند. در نتیجه، به جای فن خطوط نیرو، یک بسته نرم افزاری داریم که در شکل 1 نشان داده شده است. 2، ب. طناب بین کوارک و آنتی کوارک کشیده شده است، اما شگفت انگیزترین چیز این است که خود گلوئون ها، با داشتن بارهای رنگی، به منابع گلوئون های جدید تبدیل می شوند که با دور شدن از کوارک، تعداد آنها افزایش می یابد.
چنین الگوی برهمکنشی مربوط به وابستگی انرژی پتانسیل برهمکنش بین کوارک ها به فاصله بین آنها است که در شکل نشان داده شده است. 3. یعنی: تا فاصله آر> 10-13 سانتی متر، وابستگی U(R) دارای یک کاراکتر قیفی شکل است و قدرت بار رنگی در این محدوده از فواصل نسبتاً کم است، به طوری که کوارک ها در آر> 10-15 سانتی متر در تقریب اول را می توان به عنوان ذرات آزاد و غیر متقابل در نظر گرفت. این پدیده نام ویژه آزادی مجانبی کوارک ها در کوچکی دارد آر. با این حال، زمانی که آربیش از مقداری بحرانی $R_(cr) \تقریباً 10^(-13)$ سانتی متر U(آر) مستقیماً با مقدار متناسب می شود آر. مستقیماً از این نتیجه می شود که نیرو اف = -dU/دکتر= const، یعنی به فاصله بستگی ندارد. هیچ فعل و انفعال دیگری که فیزیکدانان قبلاً مطالعه کرده اند چنین خاصیت غیرعادی نداشته است.

محاسبات نشان می دهد که نیروهایی که بین یک کوارک و یک آنتی کوارک عمل می کنند، در واقع، از R_(cr) $/تقریباً 10_(-13) $ سانتی متر شروع می شوند، به فاصله بستگی ندارند و در سطحی با مقدار عظیمی نزدیک به 20 باقی می مانند. تن. در فاصله آر~ 10-12 سانتی متر (برابر شعاع متوسط ​​هسته های اتمی) نیروهای رنگی بیش از 100 هزار بار بیشتر از نیروهای الکترومغناطیسی است. اگر نیروی رنگ را با نیروهای هسته ای بین یک پروتون و یک نوترون در داخل هسته اتم مقایسه کنیم، معلوم می شود که نیروی رنگ هزاران بار بیشتر است! بنابراین، یک تصویر بزرگ جدید از نیروهای رنگی در طبیعت در برابر فیزیکدانان گشوده شده است که قدری بسیار بیشتر از نیروهای هسته ای شناخته شده کنونی است. البته بلافاصله این سوال مطرح می شود که آیا می توان چنین نیروهایی را به عنوان منبع انرژی به کار انداخت؟ متاسفانه، پاسخ به این سوال منفی است.

طبیعتاً سؤال دیگری مطرح می شود: به چه فاصله هایی آربین کوارک ها، انرژی پتانسیل با افزایش به صورت خطی افزایش می یابد آر?
پاسخ ساده است: در فواصل زیاد، دسته‌ای از خطوط میدان شکسته می‌شود، زیرا از نظر انرژی سودآورتر است که با تولد یک جفت ذرات کوارک-آنتی کوارک شکاف ایجاد شود. این زمانی اتفاق می افتد که انرژی پتانسیل در گسست بیشتر از جرم باقی کوارک و آنتی کوارک باشد. فرآیند شکستن دسته خطوط نیرو میدان گلوئون در شکل نشان داده شده است. 2، که در.

چنین ایده های کیفی در مورد تولد کوارک-آنتی کوارک این امکان را فراهم می کند که بفهمیم چرا تک کوارک ها اصلاً مشاهده نمی شوند و نمی توان آنها را در طبیعت مشاهده کرد. کوارک ها برای همیشه در داخل هادرون ها به دام می افتند. این پدیده عدم پرتاب کوارک ها نامیده می شود حصر. در انرژی های بالا، ممکن است برای بسته نرم افزاری به طور همزمان در بسیاری از مکان ها شکسته شود و مجموعه ای از $q \tilde q$-جفت ها را تشکیل دهد. به این ترتیب به مشکل چند قلو زایی نزدیک شده ایم. جفت کوارک-آنتی کوارکو تشکیل جت های کوارکی سخت.

اجازه دهید ابتدا ساختار هادرون های نور، یعنی مزون ها را در نظر بگیریم. همانطور که قبلاً گفتیم آنها از یک کوارک و یک آنتی کوارک تشکیل شده اند.

بسیار مهم است که هر دو شریک جفت دارای بار رنگی یکسان و ضد بار یکسان باشند (مثلاً یک کوارک آبی و یک آنتی کوارک ضد آبی) به طوری که جفت آنها، صرف نظر از طعم کوارک، هیچ رنگی نداشته باشد. (و ما فقط ذرات بی رنگ را مشاهده می کنیم).

همه کوارک ها و آنتی کوارک ها دارای چرخش هستند (در کسری از ساعت) برابر با 1/2. بنابراین، اسپین کل ترکیب یک کوارک با یک آنتی کوارک یا زمانی که اسپین ها ضد موازی هستند 0 است یا زمانی که اسپین ها موازی یکدیگر هستند، 1 است. اما اسپین یک ذره می تواند بزرگتر از 1 باشد اگر خود کوارک ها در امتداد برخی مدارهای درون ذره بچرخند.

روی میز. شکل 3 چند ترکیب جفت و پیچیده تر کوارک ها را نشان می دهد که نشان می دهد این ترکیب کوارک ها با کدام هادرون های شناخته شده قبلی مطابقت دارد.

از میان مزون‌ها و رزونانس‌های مزونی که در حال حاضر بهترین مطالعه شده‌اند، بزرگترین گروه از ذرات سبک غیر معطر تشکیل شده است که اعداد کوانتومی آنها اس = سی = ب= 0. این گروه شامل حدود 40 ذره است. جدول 3 با پیون $\pi$ ±,0 که توسط فیزیکدان انگلیسی S.F. پاول در سال 1949. پیون‌های باردار حدود 10 تا 8 ثانیه زنده می‌مانند و طبق طرح‌های زیر به لپتون‌ها تجزیه می‌شوند:

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

"بستگان" آنها در جدول. 3 - تشدید $\rho$ ±،0 (مزون های rho) بر خلاف پیون ها دارای اسپین هستند. جی= 1، آنها ناپایدار هستند و فقط حدود 10 -23 ثانیه زندگی می کنند. دلیل فروپاشی $\rho $ ±،0 تعامل قوی است.

دلیل پوسیدگی پیون های باردار به دلیل برهمکنش ضعیف است، یعنی این واقعیت است که کوارک های تشکیل دهنده ذره قادر به انتشار و جذب در نتیجه برهمکنش ضعیف برای مدت کوتاهی هستند. تیمطابق با رابطه (4)، بوزون‌های گیج مجازی: $u \به d + W^+$ یا $d \to u + W^-$، و برخلاف لپتون‌ها، انتقال کوارک یک نسل به یک کوارک از نسل دیگر، برای مثال $u \to b + W^+$ یا $u \to s + W^+$ و غیره، اگرچه چنین انتقال‌هایی بسیار نادرتر از انتقال‌های یک نسل هستند. در عین حال، در تمام این تبدیل ها، بار الکتریکی در واکنش حفظ می شود.

مطالعه مزون ها از جمله س- و ج-کوارک ها منجر به کشف چند ده ذره عجیب و جذاب شد. تحقیقات آنها اکنون در بسیاری از مراکز علمی جهان در حال انجام است.

مطالعه مزون ها از جمله ب- و تی-کوارک ها به شدت در شتاب دهنده ها شروع شدند و فعلاً در مورد آنها با جزئیات بیشتر صحبت نمی کنیم.

بیایید به بررسی هادرون های سنگین، یعنی باریون ها بپردازیم. همه آنها از سه کوارک تشکیل شده اند، اما آنهایی که هر سه رنگ را دارند، زیرا مانند مزونها، همه باریونها بی رنگ هستند. کوارک های درون باریون ها می توانند حرکت مداری داشته باشند. در این حالت، اسپین کل ذره از اسپین کل کوارک ها، برابر با 1/2 یا 3/2 (اگر اسپین های هر سه کوارک با یکدیگر موازی باشند) بیشتر خواهد شد.

باریون با حداقل جرم پروتون است پ(جدول 3 را ببینید). تمام هسته های اتمی عناصر شیمیایی از پروتون ها و نوترون ها تشکیل شده است. تعداد پروتون های هسته بار الکتریکی کل آن را تعیین می کند ز.

ذره اصلی دیگر در هسته اتم نوترون است. n. نوترون کمی سنگین تر از پروتون است، ناپایدار است و در حالت آزاد با طول عمر حدود 900 ثانیه به یک پروتون، یک الکترون و یک نوترینو تجزیه می شود. روی میز. 3 حالت کوارکی پروتون را نشان می دهد uudو نوترون udd. اما با چرخش این ترکیب کوارک ها جی= 3/2، رزونانس های $\Delta^+$ و $D^0$ به ترتیب تشکیل می شوند. همه باریون های دیگر از کوارک های سنگین تر تشکیل شده اند س, ب, تی، و جرم بسیار بزرگتری دارند. در میان آنها، از علاقه خاصی بود دبلیو- هایپرون، متشکل از سه کوارک عجیب. اولین بار روی کاغذ، یعنی با محاسبه، با استفاده از ایده های ساختار کوارکی باریون ها کشف شد. تمام خواص اصلی این ذره با آزمایشات پیش بینی و سپس تایید شد.

بسیاری از حقایق مشاهده شده تجربی اکنون به طور قانع کننده ای از وجود کوارک ها صحبت می کنند. به طور خاص، ما در مورد کشف یک فرآیند جدید در واکنش برخورد الکترون ها و پوزیترون ها صحبت می کنیم که منجر به تشکیل جت های کوارک-آنتی کوارک می شود. طرح این فرآیند در شکل نشان داده شده است. 4. این آزمایش بر روی برخورد دهنده ها در آلمان و آمریکا انجام شد. فلش ها جهت تیرها را در شکل نشان می دهند ه+ و ه- ، و یک کوارک از نقطه برخورد آنها ساطع می شود qو یک آنتی کوارک $\tilde q$ در زاویه اوج $\Theta$ نسبت به جهت پرواز ه+ و ه- . این جفت $q+\tilde q$ در واکنش تولید می‌شود

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

همانطور که قبلاً گفتیم ، یک تورنیکت از خطوط نیرو (اغلب آنها می گویند یک رشته) با کشش به اندازه کافی بزرگ به اجزای آن می شکند.
در انرژی های بالای کوارک و آنتی کوارک، همانطور که قبلا ذکر شد، رشته در بسیاری از نقاط می شکند، در نتیجه دو پرتو باریک از ذرات بی رنگ ثانویه در هر دو جهت در امتداد خط پرواز کوارک و آنتی کوارک تشکیل می شود. در شکل نشان داده شده است. 4. به این گونه پرتوهای ذرات، جت می گویند. تشکیل سه، چهار یا چند جت ذره به طور همزمان اغلب در آزمایش مشاهده می شود.

در آزمایش‌هایی که در انرژی‌های ابرشتاب در پرتوهای کیهانی انجام شد، که نویسنده این مقاله نیز در آن شرکت داشت، عکس‌هایی از روند تشکیل بسیاری از جت‌ها به دست آمد. واقعیت این است که یک طناب یا یک رشته یک بعدی است و بنابراین مراکز تشکیل سه، چهار یا چند جت نیز در امتداد یک خط مستقیم قرار دارند.

نظریه توصیف کنش متقابل قوی نامیده می شود کرومودینامیک کوانتومییا به اختصار QCD. این بسیار پیچیده تر از نظریه برهمکنش های الکتروضعیف است. QCD به ویژه در توصیف فرآیندهای به اصطلاح سخت، یعنی فرآیندهای برهمکنش ذرات با انتقال حرکت بزرگ بین ذرات، موفق است. اگرچه ایجاد این نظریه هنوز کامل نشده است، بسیاری از فیزیکدانان نظری در حال حاضر مشغول ایجاد "اتحاد بزرگ" هستند - اتحاد کرومودینامیک کوانتومی و نظریه برهمکنش ضعیف الکتریکی در یک نظریه واحد.

در پایان، اجازه دهید به طور خلاصه در مورد اینکه آیا شش لپتون و 18 کوارک چند رنگ (و پادذرات آنها)، و همچنین کوانتوم های میدان های بنیادی، فوتون را تخلیه می کنند، صحبت کنیم. دبلیو ± -, ز 0 - بوزون ها، هشت گلوون و در نهایت، کوانتوم های میدان گرانشی - گراویتون ها - کل زرادخانه ذرات واقعاً ابتدایی، دقیق تر، اساسی. ظاهرا نه. به احتمال زیاد، تصاویر توصیف شده از ذرات و میدان ها تنها بازتابی از دانش فعلی ما هستند. بی جهت نیست که در حال حاضر ایده های نظری زیادی وجود دارد که در آنها گروه بزرگی از ذرات به اصطلاح ابر متقارن، یک هشت کوارک فوق سنگین و بسیاری موارد دیگر معرفی شده اند.

بدیهی است که فیزیک مدرن هنوز تا ساختن یک نظریه کامل در مورد ذرات فاصله دارد. شاید حق با فیزیکدان بزرگ آلبرت انیشتین بود و معتقد بود که تنها در نظر گرفتن گرانش، علیرغم نقش کوچکی که اکنون در عالم کوچک به نظر می رسد، امکان ساخت یک نظریه دقیق از ذرات را فراهم می کند. اما همه اینها در قرن بیست و یکم یا حتی بعد از آن است.

ادبیات

1. Okun L.B. فیزیک ذرات بنیادی. مسکو: ناوکا، 1988.

2. Kobzarev I.Yu. برندگان جایزه نوبل در سال 1979: S. Weinberg، S. Glashow، A. Salam // Priroda. 1980. N 1. S. 84.

3. Zeldovich Ya.B. طبقه بندی ذرات بنیادی و کوارک ها در ارائه برای عابران پیاده // Uspekhi nat. علوم. 1965. T. 8. S. 303.

4. Krainov V.P. رابطه عدم قطعیت برای انرژی و زمان // مجله آموزشی سوروس. 1998. N 5. S. 77-82.

5. I. Nambu، "چرا کوارک های آزاد وجود ندارند"، Usp. Phys. علوم. 1978. V. 124. S. 146.

6. Zhdanov G.B., Maksimenko V.M., Slavatinsky S.A. آزمایش "پامیر" // طبیعت. 1984. شماره 11. S. 24

داور مقاله L.I. ساریچف

S. A. Slavatinskyموسسه فیزیک و فناوری مسکو، Dolgoprudny، منطقه مسکو

ساختارهای جهان خرد

قبلاً به ذرات بنیادی ذراتی گفته می شد که اتم را تشکیل می دهند و به اجزای بنیادی تر یعنی الکترون ها و هسته ها تجزیه ناپذیرند.

بعدها مشخص شد که هسته ها از ذرات ساده تری تشکیل شده اند - نوکلئون ها(پروتون و نوترون) که به نوبه خود از ذرات دیگر تشکیل شده اند. از همین رو ذرات بنیادی به عنوان کوچکترین ذرات ماده در نظر گرفته شدند , به استثنای اتم ها و هسته های آنها .

تا به امروز، صدها ذره بنیادی کشف شده است که نیاز به طبقه بندی آنها دارد:

- بر اساس انواع تعاملات

- بر اساس زمان زندگی

- اندازه پشت

ذرات اولیه به گروه های زیر تقسیم می شوند:

ذرات مرکب و بنیادی (بدون ساختار).

ذرات مرکب

هادرون (سنگین)- ذرات شرکت کننده در انواع برهمکنش های بنیادی. آنها از کوارک ها تشکیل شده اند و به نوبه خود به زیر تقسیم می شوند: مزون ها- هادرون با اسپین عدد صحیح، یعنی بوزون بودن. باریون ها- هادرون با اسپین نیمه صحیح، یعنی فرمیون ها. اینها به ویژه شامل ذرات تشکیل دهنده هسته یک اتم - پروتون و نوترون، یعنی. نوکلئون ها.

ذرات بنیادی (بدون ساختار).

لپتون (نور)- فرمیون‌ها که شکل ذرات نقطه‌ای دارند (یعنی از چیزی تشکیل نشده‌اند) تا مقیاس‌های 10 تا 18 متر. در برهمکنش‌های قوی شرکت نمی‌کنند. مشارکت در فعل و انفعالات الکترومغناطیسی تنها برای لپتون‌های باردار (الکترون‌ها، میون‌ها، تاو لپتون‌ها) به صورت تجربی مشاهده شد و برای نوترینوها مشاهده نشد.

کوارک هاذرات باردار کسری هستند که هادرون ها را می سازند. آنها در حالت آزاد مشاهده نشدند.

بوزون ها را اندازه گیری کنید- ذراتی که از طریق تبادل آنها فعل و انفعالات انجام می شود:

– فوتون – ذره ای حامل برهمکنش الکترومغناطیسی؛

- هشت گلوئون - ذراتی که برهمکنش قوی دارند.

سه بوزون بردار میانی هستند دبلیو + , دبلیو- و ز 0، حامل تعامل ضعیف.

- گراویتون یک ذره فرضی حامل برهمکنش گرانشی است. وجود گراویتون ها، اگرچه به دلیل ضعف برهم کنش گرانشی هنوز به طور تجربی ثابت نشده است، کاملاً محتمل در نظر گرفته می شود. با این حال، گراویتون در مدل استاندارد ذرات بنیادی گنجانده نشده است.

بر اساس مفاهیم مدرن، ذرات بنیادی (یا ذرات بنیادی "واقعی") که ساختار داخلی و اندازه های محدودی ندارند عبارتند از:

کوارک ها و لپتون ها

ذراتی که برهمکنش های اساسی دارند: گراویتون ها، فوتون ها، بوزون های برداری، گلوئون ها.

طبقه بندی ذرات بنیادی بر اساس طول عمر:

- پایدار: ذراتی که عمر آنها بسیار طولانی است (در حد به بی نهایت تمایل دارد). این شامل الکترون ها , پروتون ها , نوترینو . نوترون ها در داخل هسته نیز پایدار هستند، اما در خارج از هسته ناپایدار هستند.

- ناپایدار (شبه پایدار): ذرات بنیادی ذراتی هستند که در اثر فعل و انفعالات الکترومغناطیسی و ضعیف تجزیه می شوند و عمر آنها بیش از 10 تا 20 ثانیه است. این ذرات شامل نوترون آزاد (یعنی یک نوترون خارج از هسته یک اتم)

- رزونانس ها (ناپایدار، کوتاه مدت). رزونانس ها شامل ذرات بنیادی هستند که به دلیل برهمکنش قوی تجزیه می شوند. طول عمر آنها کمتر از 10-20 ثانیه است.

طبقه بندی ذرات بر اساس مشارکت در فعل و انفعالات:

- لپتون ها : نوترون ها نیز از جمله آنها هستند. همه آنها در گرداب فعل و انفعالات درون هسته ای شرکت نمی کنند، یعنی. در معرض تعامل قوی نیست. آنها در برهمکنش ضعیف شرکت می کنند و داشتن بار الکتریکی در برهمکنش الکترومغناطیسی شرکت می کنند.

- هادرون ها : ذراتی که در داخل هسته اتم وجود دارند و در برهمکنش قوی شرکت می کنند. معروف ترین آنها هستند پروتون و نوترون .

در حال حاضر شناخته شده است شش لپتون :

میون ها و ذرات تاو که شبیه به الکترون هستند اما جرم بیشتری دارند، از همان خانواده الکترون هستند. میون ها و ذرات تاو ناپایدار هستند و در نهایت به چندین ذره دیگر از جمله یک الکترون تجزیه می شوند.

سه ذره خنثی الکتریکی با جرم صفر (یا نزدیک به صفر، دانشمندان هنوز در مورد این موضوع تصمیم نگرفته اند) به نام نوترینو . هر یک از سه نوترینو (الکترون نوترینو، میون نوترینو، نوترینو تاو) با یکی از سه نوع ذره از خانواده الکترون ها جفت می شوند.

معروف ترین هادرون ها ، پروتون ها و نوترینوها، صدها خویشاوند وجود دارد که در بسیاری از آنها متولد می شوند و بلافاصله در فرآیند واکنش های هسته ای مختلف تجزیه می شوند. به استثنای پروتون، همه آنها ناپایدار هستند و می توان آنها را بر اساس ترکیب ذرات تجزیه شده به آنها طبقه بندی کرد:

اگر در بین محصولات فروپاشی نهایی ذرات یک پروتون وجود داشته باشد، آن را می نامند باریون

اگر در بین محصولات فروپاشی پروتون وجود نداشته باشد، ذره نامیده می شود مزون .

تصویر آشفته دنیای زیراتمی که با کشف هر هادرون جدید پیچیده تر می شد، با ظهور مفهوم کوارک ها جای خود را به تصویر جدیدی داد. با توجه به مدل کوارک، همه هادرون ها (اما نه لپتون ها) از ذرات بنیادی بیشتری تشکیل شده اند - کوارک ها. بنابراین باریون ها (به ویژه پروتون) از سه کوارک تشکیل شده است و مزون ها از یک جفت کوارک-آنتی کوارک.

مقالات محبوب

ده نشانه عشق مرد به زن - رفتار عاشق چهار مرحله زندگی و مرگ در آیورودا عاشقانه ترین و دوست داشتنی ترین نشانه های زودیاک چگونه بفهمیم که یک زن شما را دوست ندارد (نشانگر این است که وقت آن رسیده است که به دنبال یک مورد جدید بگردید)؟ «صدای سفید» و مذاکره با دنیای مردگان

2022 "kingad.ru" - بررسی سونوگرافی اندام های انسان

مخاطب نقشه سایت