Pridať k obľúbeným

pozri tiež

Napíšte recenziu na článok "Základná častica"

Poznámky

Odkazy

• S. A. Slavatinský// Moskovský inštitút fyziky a technológie (Dolgoprudny, Moskovský región)
• Slavatinský S.A. // SOZH, 2001, č. 2, s. 62–68 archív 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

Donedávna sa za elementárne považovalo niekoľko stoviek častíc a antičastíc. Podrobné štúdium ich vlastností a interakcií s inými časticami a vývoj teórie ukázali, že väčšina z nich v skutočnosti nie je elementárna, pretože samy o sebe pozostávajú z najjednoduchších alebo, ako sa dnes hovorí, základných častíc. Samotné fundamentálne častice sa už z ničoho neskladajú. Početné experimenty ukázali, že všetky základné častice sa správajú ako bezrozmerné bodové objekty, ktoré nemajú žiadnu vnútornú štruktúru, aspoň do najmenších v súčasnosti študovaných vzdialeností ~10 -16 cm.

Úvod

Medzi nespočetnými a rôznorodými procesmi interakcie medzi časticami existujú štyri základné alebo základné interakcie: silné (jadrové), elektromagnetické a gravitačné. Vo svete častíc je gravitačná interakcia veľmi slabá, jej úloha je stále nejasná a nebudeme sa o nej ďalej baviť.

V prírode existujú dve skupiny častíc: hadróny, ktoré sa podieľajú na všetkých základných interakciách, a leptóny, ktoré sa nezúčastňujú iba na silnej interakcii.

Podľa moderných koncepcií sa interakcie medzi časticami uskutočňujú prostredníctvom emisie a následnej absorpcie kvánt zodpovedajúceho poľa (silného, ​​slabého, elektromagnetického) obklopujúceho časticu. Takéto kvantá sú kalibračné bozóny, ktoré sú tiež základnými časticami. Pre bozóny je ich vlastný moment hybnosti, nazývaný spin, rovný celočíselnej hodnote Planckovej konštanty $h = 1,05 \cdot 10^(-27) erg \cdot s$. Poľné kvantá a teda aj nosiče silných interakcií sú gluóny, označené symbolom g, kvantá elektromagnetického poľa sú dobre známe svetelné kvantá - fotóny, označované $\gamma $, a kvantá slabého poľa a teda nositelia slabých interakcií. sú W± (dvojité ve)- a Z 0 (zet nula) bozónov.

Na rozdiel od bozónov sú všetky ostatné základné častice fermióny, teda častice s polovičnou hodnotou spinu rovnajúcou sa h/2.

V tabuľke 1 sú znázornené symboly základných fermiónov - leptónov a kvarkov.

Každá častica uvedená v tabuľke. 1, zodpovedá antičastici, ktorá sa od častice líši iba znakmi elektrického náboja a inými kvantovými číslami (pozri tabuľku 2) a smerom rotácie vzhľadom na smer hybnosti častice. Antičastice budeme označovať rovnakými symbolmi ako častice, ale vlnovkou nad symbolom.

Častice v tabuľke. 1 sú označené gréckymi a latinskými písmenami, a to: písmeno $\nu$ - tri rôzne neutrína, písmená e - elektrón, $\mu$ - mión, $\tau$ - taon, písmená u, c, t, d, s, b označujú kvarky; ich názvy a charakteristiky sú uvedené v tabuľke. 2.

Častice v tabuľke. 1 sú zoskupené do troch generácií I, II a III podľa štruktúry modernej teórie. Náš vesmír je vybudovaný z častíc prvej generácie - leptónov a kvarkov a kalibračných bozónov, ale ako ukazuje moderná veda o vývoji vesmíru, v počiatočnom štádiu jeho vývoja zohrávali dôležitú úlohu častice všetkých troch generácií.

Leptóny

Najprv sa pozrime na vlastnosti leptónov podrobnejšie. V hornom riadku tabuľky. 1 obsahuje tri rôzne neutrína: elektrón $\nu_e$, mión $\nu_m$ a tau neutríno $\nu_t$. Ich hmotnosť ešte nebola presne zmeraná, ale jej horná hranica bola určená napríklad pre ne rovnú 10 -5 hmotnosti elektrónu (tj $\leq 10^(-32)$ g).

Pri pohľade na tabuľku. 1 sa nevyhnutne vynára otázka, prečo príroda potrebovala vytvoriť tri rôzne neutrína. Na túto otázku zatiaľ neexistuje odpoveď, pretože nebola vytvorená taká ucelená teória fundamentálnych častíc, ktorá by naznačovala nevyhnutnosť a dostatočnosť všetkých takýchto častíc a popisovala ich základné vlastnosti. Možno sa tento problém vyrieši v 21. storočí (alebo neskôr).

Spodný riadok tabuľky. Kapitola 1 začína časticou, ktorú sme najviac študovali, elektrónom. Elektrón objavil koncom minulého storočia anglický fyzik J. Thomson. Úloha elektrónov v našom svete je obrovská. Sú to tie negatívne nabité častice, ktoré spolu s atómovými jadrami tvoria všetky atómy prvkov, ktoré sú nám známe v Mendelejevovej periodickej tabuľke. V každom atóme sa počet elektrónov presne rovná počtu protónov v atómovom jadre, vďaka čomu je atóm elektricky neutrálny.

Elektrón je stabilný, hlavnou možnosťou zničenia elektrónu je jeho smrť pri zrážke s antičasticou - pozitrónom e +. Tento proces sa nazýva anihilácia:

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

V dôsledku anihilácie vznikajú dve gama kvantá (ako sa nazývajú vysokoenergetické fotóny), ktoré odnášajú obe pokojové energie e + a e - a ich kinetické energie. Pri vysokých energiách e + a e - vznikajú hadróny a kvarkové páry (pozri napr. (5) a obr. 4).

Reakcia (1) jasne ilustruje platnosť slávneho vzorca A. Einsteina o ekvivalencii hmotnosti a energie: E = mc 2 .

Počas anihilácie pozitrónu zastaveného v hmote a elektrónu v pokoji sa totiž celá ich pokojová hmotnosť (rovnajúca sa 1,22 MeV) premení na energiu $\gama$-kvant, ktoré pokojovú hmotnosť nemajú.

V druhej generácii spodný riadok tabuľky. 1 sa nachádza >mión - častica, ktorá je vo všetkých svojich vlastnostiach analógom elektrónu, ale s anomálne veľkou hmotnosťou. Hmotnosť miónu je 207-krát väčšia ako hmotnosť elektrónu. Na rozdiel od elektrónu je mión nestabilný. Čas jeho života t= 2,2 · 10-6 s. Podľa schémy sa mión prednostne rozpadá na elektrón a dve neutrína

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

Ešte ťažším analógom elektrónu je $\tau$-leptón (taon). Jeho hmotnosť je viac ako 3 tisíckrát väčšia ako hmotnosť elektrónu ($m_(\tau) = 1777$ MeV/c 2), to znamená, že je ťažší ako protón a neutrón. Jeho životnosť je 2,9 · 10 -13 s a z viac ako stovky rôznych schém (kanálov) jeho rozpadu sú možné nasledovné:

$$\tau^-\left\langle\begin(matica) \to e^- + \tilde \nu_e +\nu_(\tau)\\ \to \mu^- + \tilde \nu_\mu +\nu_ (\tau)\koniec(matica)\vpravo.$$

Keď už hovoríme o leptónoch, je zaujímavé porovnať slabé a elektromagnetické sily v nejakej konkrétnej vzdialenosti, napr. R= 10 -13 cm V tejto vzdialenosti sú elektromagnetické sily takmer 10 miliárd krát väčšie ako slabé sily. To však vôbec neznamená, že úloha slabých síl v prírode je malá. Vôbec nie.

Práve slabé sily sú zodpovedné za mnohé vzájomné premeny rôznych častíc na iné častice, ako napríklad pri reakciách (2), (3), pričom takéto vzájomné premeny sú jednou z najcharakteristickejších vlastností časticovej fyziky. Na rozdiel od reakcií (2), (3) pôsobia v reakcii (1) elektromagnetické sily.

Keď už hovoríme o leptónoch, je potrebné dodať, že moderná teória popisuje elektromagnetické a slabé interakcie pomocou jednotnej elektroslabej teórie. Vyvinuli ho S. Weinberg, A. Salam a S. Glashow v roku 1967.

Kvarky

Samotná myšlienka kvarkov vznikla z brilantného pokusu klasifikovať veľké množstvo častíc zúčastňujúcich sa silných interakcií nazývaných hadróny. M. Gell-Mann a G. Zweig navrhli, že všetky hadróny pozostávajú zo zodpovedajúceho súboru základných častíc - kvarkov, ich antikvarkov a nosičov silnej interakcie - gluónov.

Celkový počet v súčasnosti pozorovaných hadrónov je viac ako sto častíc (a rovnaký počet antičastíc). Mnoho desiatok častíc ešte nebolo zaregistrovaných. Všetky hadróny sa delia na ťažké častice tzv baryóny a priemery, pomenované mezóny.

Baryóny sú charakteristické svojim baryónovým číslom b= 1 pre častice a b = -1 pre antibaryóny. Ich zrod a zničenie sa vždy vyskytujú v pároch: baryón a antibaryón. Mezóny majú baryónový náboj b = 0. Podľa myšlienky Gell-Manna a Zweiga sa všetky baryóny skladajú z troch kvarkov, antibaryóny - z troch antikvarkov. Preto bolo každému kvarku priradené baryónové číslo 1/3, takže celkovo mal baryón b= 1 (alebo -1 pre antibaryón pozostávajúci z troch antikvarkov). Mezóny majú baryónové číslo b= 0, takže môžu byť zložené z ľubovoľnej kombinácie párov akéhokoľvek kvarku a akéhokoľvek antikvarku. Okrem rovnakých kvantových čísel pre všetky kvarky – spin a baryónové číslo – existujú ich ďalšie dôležité charakteristiky, ako napríklad hodnota ich pokojovej hmotnosti. m, veľkosť elektrického náboja Q/e(vo zlomkoch elektrónového náboja e= 1,6 · 10 -19 coulombov) a určitý súbor kvantových čísel charakterizujúcich tzv. tvarohová príchuť. Tie obsahujú:

1) veľkosť izotopového spinu ja a veľkosť jeho tretej projekcie, tj ja 3. takže, u-kvark a d-kvark tvoria izotopový dublet, je im priradený úplný izotopový spin ja= 1/2 s výčnelkami ja 3 = +1/2 zodpovedajúce u-kvark a ja 3 = -1/2, zodpovedajúce d-kvark. Obe zložky dubletu majú podobné hodnoty hmotnosti a sú identické vo všetkých ostatných vlastnostiach, s výnimkou elektrického náboja;

2) kvantové číslo S- podivnosť charakterizuje zvláštne správanie niektorých častíc, ktoré majú anomálne dlhú životnosť (~10 -8 - 10 -13 s) v porovnaní s charakteristickým jadrovým časom (~10 -23 s). Samotné častice sa nazývajú podivné, obsahujú jeden alebo viac podivných kvarkov a podivných antikvarkov. Zrodenie alebo zánik zvláštnych častíc v dôsledku silných interakcií prebieha v pároch, to znamená, že pri akejkoľvek jadrovej reakcii sa súčet $\Sigma$S pred reakciou musí rovnať $\Sigma$S po reakcii. Pri slabých interakciách však zákon zachovania zvláštnosti neplatí.

Pri experimentoch na urýchľovačoch boli pozorované častice, ktoré nebolo možné opísať pomocou u-, d- A s- kvarky. Analogicky s podivnosťou bolo potrebné zaviesť ďalšie tri nové kvarky s novými kvantovými číslami S = +1, IN= -1 a T= +1. Častice zložené z týchto kvarkov majú výrazne väčšiu hmotnosť (> 2 GeV/c 2). Majú širokú škálu modelov rozpadu so životnosťou ~ 10 -13 s. Súhrn charakteristík všetkých kvarkov je uvedený v tabuľke. 2.

Každá tabuľka kvarkov. 2 zodpovedá vášmu antikvarku. V prípade antikvarkov majú všetky kvantové čísla opačné znamienko, ako je uvedené pre kvark. O veľkosti hmoty kvarku treba povedať nasledovné. Uvedené v tabuľke. 2 hodnoty zodpovedajú hmotnostiam nahých kvarkov, to znamená samotných kvarkov bez ohľadu na gluóny, ktoré ich obklopujú. Hmotnosť upravených kvarkov je väčšia vďaka energii prenášanej gluónmi. Vidno to najmä u tých najľahších u- A d-kvarky, ktorých gluónový obal má energiu asi 300 MeV.

Kvarky, ktoré určujú základné fyzikálne vlastnosti častíc, sa nazývajú valenčné kvarky. Okrem valenčných kvarkov obsahujú hadróny virtuálne dvojice častíc - kvarky a antikvarky, ktoré sú emitované a absorbované gluónmi na veľmi krátky čas.

(Kde E- energia virtuálneho páru), ktorá nastáva v rozpore so zákonom zachovania energie v súlade s Heisenbergovým vzťahom neurčitosti. Virtuálne dvojice kvarkov sa nazývajú morské kvarky alebo morské kvarky. Štruktúra hadrónov teda zahŕňa valenčné a morské kvarky a gluóny.

Hlavnou črtou všetkých kvarkov je, že majú zodpovedajúce silné náboje. Náboje silného poľa majú tri rovnaké varianty (namiesto jedného elektrického náboja v teórii elektrických síl). V historickej terminológii sa tieto tri typy náboja nazývajú farby kvarkov, a to: konvenčne červená, zelená a modrá. Teda každý kvark v tabuľke. 1 a 2 môže byť v troch formách a ide o farebnú časticu. Zmiešaním všetkých troch farieb, rovnako ako v optike, vznikne biela, to znamená, že častica sa vybieli. Všetky pozorované hadróny sú bezfarebné.

Interakcie kvarkov sú uskutočňované ôsmimi rôznymi gluónmi. Výraz „gluon“ znamená v angličtine lepidlo, to znamená, že tieto kvantá poľa sú častice, ktoré akoby lepili kvarky. Podobne ako kvarky, aj gluóny sú farebné častice, ale keďže každý gluón mení farby dvoch kvarkov naraz (kvarku, ktorý emituje gluón a kvarku, ktorý gluón absorbuje), gluón je zafarbený dvakrát a nesie farbu a antifarbu, zvyčajne odlišná od farby.

Zvyšná hmotnosť gluónov, podobne ako hmotnosť fotónu, je nulová. Okrem toho sú gluóny elektricky neutrálne a nemajú slabý náboj.

Hadróny sa tiež zvyčajne delia na stabilné častice a rezonancie: baryón a mezón.
Rezonancie sa vyznačujú extrémne krátkou životnosťou (~10 -20 -10 -24 s), pretože ich rozpad je spôsobený silnou interakciou.

Desiatky takýchto častíc objavil americký fyzik L.V. Alvarez. Keďže dráha rozpadu takýchto častíc je taká krátka, že ich nemožno pozorovať v detektoroch, ktoré zaznamenávajú stopy častíc (napríklad bublinková komora atď.), všetky boli detekované nepriamo, prítomnosťou vrcholov v závislosti od pravdepodobnosti vzájomné pôsobenie rôznych častíc na energiu. Obrázok 1 to vysvetľuje. Na obrázku je znázornená závislosť prierezu interakcie (úmerný hodnote pravdepodobnosti) kladného piónu $\pi^+$ s protónom p od kinetickej energie piónu. Pri energii asi 200 MeV je počas prierezu viditeľný vrchol. Jeho šírka je $\Gamma = 110 $ MeV a celková hmotnosť častice $\Delta^(++)$ sa rovná $T^(")_(max)+M_p c^2+M_\pi c ^2=1232$ MeV /с 2 , kde $T^(")_(max)$ je kinetická energia zrážky častíc v systéme ich ťažiska. Väčšinu rezonancií možno považovať za excitovaný stav stabilných častíc, pretože majú rovnaké kvarkové zloženie ako ich stabilné náprotivky, hoci hmotnosť rezonancií je väčšia v dôsledku excitačnej energie.

Kvarkový model hadrónov

Kvarkový model hadrónov začneme popisovať kresbou siločiar vychádzajúcich zo zdroja - kvarku s farebným nábojom a končiaceho v antikvarku (obr. 2, b). Pre porovnanie, na obr. 2 a ukazujeme, že v prípade elektromagnetickej interakcie sa siločiary rozchádzajú od svojho zdroja - elektrického náboja - ako vejár, pretože virtuálne fotóny emitované súčasne zdrojom neinteragujú navzájom. Výsledkom je, že dostaneme Coulombov zákon.

Na rozdiel od tohto obrázku majú gluóny samotné farebné náboje a navzájom silne interagujú. Výsledkom je, že namiesto ventilátora elektrického vedenia máme zväzok znázornený na obr. 2, b. Lano je natiahnuté medzi kvarkom a antikvarkom, ale najúžasnejšie je, že samotné gluóny, ktoré majú farebné náboje, sa stávajú zdrojmi nových gluónov, ktorých počet sa vzďaľuje od kvarku.
Tento obraz interakcie zodpovedá závislosti potenciálnej energie interakcie medzi kvarkami od vzdialenosti medzi nimi, znázornenej na obr. 3. Totiž: až do diaľky R> 10 -13 cm, závislosť U(R) má lievikovitý charakter a sila farebného náboja v tomto rozsahu vzdialeností je relatívne malá, takže kvarky pri R> 10 -15 cm, na prvú aproximáciu, možno považovať za voľné, neinteragujúce častice. Tento jav má špeciálny názov asymptotická sloboda kvarkov v malom R. Avšak, kedy R väčšia ako nejaká kritická $R_(cr) \cca 10^(-13)$ cm hodnota potenciálnej interakčnej energie U(R) sa stáva priamo úmernou hodnote R. Z toho priamo vyplýva, že sila F = -dU/DR= const, teda nezávisí od vzdialenosti. Žiadne iné interakcie, ktoré fyzici predtým študovali, nemali takú nezvyčajnú vlastnosť.

Výpočty ukazujú, že sily pôsobiace medzi kvarkom a antikvarkom skutočne, počnúc od $R_(cr) \cca 10_(-13)$ cm, prestávajú závisieť od vzdialenosti a zostávajú na úrovni obrovskej veľkosti, blízkej 20 tonám. Na diaľku R~ 10 -12 cm (rovnajúci sa polomeru priemerných atómových jadier) farebné sily sú viac ako 100 tisíc krát väčšie ako elektromagnetické sily. Ak porovnáme farebnú silu s jadrovými silami medzi protónom a neutrónom vo vnútri atómového jadra, ukáže sa, že farebná sila je tisíckrát väčšia! Fyzikom sa tak otvoril nový grandiózny obraz farebných síl v prírode, o mnoho rádov väčší ako v súčasnosti známe jadrové sily. Samozrejme, okamžite vyvstáva otázka, či sa takéto sily dajú prinútiť fungovať ako zdroj energie. Bohužiaľ, odpoveď na túto otázku je negatívna.

Prirodzene vyvstáva ďalšia otázka: na aké vzdialenosti? R medzi kvarkami sa potenciálna energia zvyšuje lineárne so zväčšovaním R?
Odpoveď je jednoduchá: na veľké vzdialenosti sa zväzok siločiar zlomí, pretože je energeticky výhodnejšie vytvoriť zlom so vznikom páru kvark-antikvark. K tomu dochádza, keď je potenciálna energia v mieste diskontinuity väčšia ako pokojová hmotnosť kvarku a antikvarku. Proces rozbitia zväzku siločiar gluónového poľa je znázornený na obr. 2, V.

Takéto kvalitatívne predstavy o zrode kvarku-antikvaru umožňujú pochopiť, prečo jednotlivé kvarky nie sú vôbec pozorované a nemožno ich pozorovať v prírode. Kvarky sú navždy uväznené v hadrónoch. Tento jav kvarkového obmedzenia sa nazýva uväznenie. Pri vysokých energiách môže byť výhodnejšie, aby sa zväzok zlomil na mnohých miestach naraz, čím sa vytvorí veľa $q\tilde q$-párov. Pristupujeme tak k problému viacrodičiek páry kvark-antikvark a vznik tvrdých kvarkových jetov.

Uvažujme najskôr o štruktúre svetelných hadrónov, teda mezónov. Pozostávajú, ako sme už povedali, z jedného kvarku a jedného antikvarku.

Je mimoriadne dôležité, aby obaja partneri páru mali rovnaký farebný náboj a rovnaký anti-náboj (napríklad modrý kvark a anti-modrý antikvark), aby ich pár, bez ohľadu na príchute kvarkov, mal žiadna farba (a pozorujeme len bezfarebné častice).

Všetky kvarky a antikvarky majú spin (v zlomkoch h), rovná 1/2. Preto je celkový spin kombinácie kvarku a antikvarku buď 0, keď sú spiny antiparalelné, alebo 1, keď sú spiny navzájom paralelné. Ale spin častice môže byť väčší ako 1, ak samotné kvarky rotujú po určitých dráhach vnútri častice.

V tabuľke Obrázok 3 ukazuje párové a zložitejšie kombinácie kvarkov, čo naznačuje, ktorým predtým známym hadrónom táto kombinácia kvarkov zodpovedá.

Z momentálne najlepšie prebádaných mezónov a mezónových rezonancií tvoria najväčšiu skupinu ľahké nearomatické častice, ktorých kvantové čísla S = C = B= 0. Táto skupina zahŕňa asi 40 častíc. Tabuľka 3 začína piónmi $\pi$ ±,0, ktoré objavil anglický fyzik S.F. Powell v roku 1949. Nabité pióny žijú asi 10 -8 s, pričom sa rozpadajú na leptóny podľa nasledujúcich schém:

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

Ich "príbuzní" v tabuľke. 3 - rezonancie $\rho$ ±,0 (mezóny rho), na rozdiel od pionov, majú spin J= 1, sú nestabilné a žijú len asi 10 -23 s. Dôvodom rozpadu $\rho$ ±,0 je silná interakcia.

Dôvodom rozpadu nabitých piónov je slabá interakcia, konkrétne skutočnosť, že kvarky, ktoré tvoria časticu, sú schopné emitovať a absorbovať v dôsledku slabej interakcie na krátky čas. t v súlade so vzťahom (4) virtuálne kalibračné bozóny: $u \to d + W^+$ alebo $d \to u + W^-$ a na rozdiel od leptónov prechody kvarku jednej generácie na kvark realizujú sa aj ďalšie generácie, napríklad $u \to b + W^+$ alebo $u \to s + W^+$ atď., hoci takéto prechody sú podstatne zriedkavejšie ako prechody v rámci jednej generácie. Zároveň sa počas všetkých takýchto premien elektrický náboj v reakcii zachováva.

Štúdium mezónov vrátane s- A c-kvarky, viedli k objavu niekoľkých desiatok zvláštnych a očarených častíc. Ich výskum teraz prebieha v mnohých vedeckých centrách po celom svete.

Štúdium mezónov vrátane b- A t-kvarky, začali intenzívne pri urýchľovačoch a nateraz sa o nich nebudeme podrobnejšie baviť.

Prejdime k úvahám o ťažkých hadrónoch, teda baryónoch. Všetky sú zložené z troch kvarkov, ale tie, ktoré majú všetky tri farebné variácie, keďže rovnako ako mezóny, všetky baryóny sú bezfarebné. Kvarky vo vnútri baryónov môžu mať orbitálny pohyb. V tomto prípade celkový spin častice presiahne celkový spin kvarkov, rovný 1/2 alebo 3/2 (ak sú spiny všetkých troch kvarkov navzájom paralelné).

Baryón s minimálnou hmotnosťou je protón p(pozri tabuľku 3). Práve protóny a neutróny tvoria všetky atómové jadrá chemických prvkov. Počet protónov v jadre určuje jeho celkový elektrický náboj Z.

Ďalšou hlavnou časticou atómových jadier je neutrón n. Neutrón je o niečo ťažší ako protón, je nestabilný a vo voľnom stave, so životnosťou asi 900 s, sa rozpadá na protón, elektrón a neutríno. V tabuľke Obrázok 3 ukazuje kvarkový stav protónu uud a neutrón udd. Ale s rotáciou tejto kombinácie kvarkov J= vznikajú 3/2 rezonancie $\Delta^+$ a $D^0$. Všetky ostatné baryóny pozostávajú z ťažších kvarkov s, b, t a majú výrazne väčšiu hmotnosť. Medzi nimi bol mimoriadny záujem W- -hyperón, pozostávajúci z troch podivných kvarkov. Bol objavený najskôr na papieri, teda výpočtom, s využitím predstáv o kvarkovej štruktúre baryónov. Všetky základné vlastnosti tejto častice boli predpovedané a následne potvrdené experimentmi.

Mnohé experimentálne pozorované fakty dnes presvedčivo naznačujú existenciu kvarkov. Hovoríme najmä o objave nového procesu v kolíznej reakcii elektrónov a pozitrónov, vedúceho k vzniku kvark-antikvarkových jetov. Schéma tohto procesu je znázornená na obr. 4. Experiment sa uskutočnil na zrážačoch v Nemecku a USA. Na obrázku je šípkami znázornený smer lúčov e+ a e- , a z bodu ich zrážky unikne kvark q a antikvark $\tilde q$ v zenitovom uhle $\Theta$ k smeru letu e+ a e- . Toto zrodenie páru $q+\tilde q$ nastáva v reakcii

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

Ako sme už povedali, zväzok elektrického vedenia (častejšie nazývaného struna) sa pri dostatočne veľkom natiahnutí rozbije na komponenty.
Pri vysokej energii kvarku a antikvarku, ako už bolo spomenuté, sa struna na mnohých miestach pretrhne, v dôsledku čoho sa vytvoria dva úzke zväzky sekundárnych bezfarebných častíc v oboch smeroch pozdĺž línie letu kvarku q a antikvarku, ako je znázornené na obr. 4. Takéto zväzky častíc sa nazývajú jety. Pomerne často sa experimentálne pozorovalo vytváranie troch, štyroch alebo viacerých prúdov častíc súčasne.

V experimentoch uskutočňovaných pri energiách superurýchľovačov v kozmickom žiarení, na ktorých sa podieľal autor tohto článku, boli získané fotografie procesu vzniku mnohých výtryskov. Faktom je, že lano alebo struna je jednorozmerná, a preto sú stredy tvorby troch, štyroch alebo viacerých prúdov tiež umiestnené pozdĺž priamky.

Teória, ktorá popisuje silné interakcie, je tzv kvantová chromodynamika alebo v skratke QCD. Je oveľa zložitejšia ako teória elektroslabých interakcií. QCD je obzvlášť úspešná pri popise takzvaných tvrdých procesov, teda procesov interakcie častíc s veľkým prenosom hybnosti medzi časticami. Hoci tvorba teórie ešte nie je dokončená, mnohí teoretickí fyzici sú už zaneprázdnení vytváraním „veľkého zjednotenia“ - zjednotenia kvantovej chromodynamiky a teórie elektroslabej interakcie do jednej teórie.

Na záver sa stručne zamyslime nad tým, či šesť leptónov a 18 viacfarebných kvarkov (a ich antičastíc), ako aj kvantá základných polí - fotónu, W ± -, Z 0 bozónov, osem gluónov a nakoniec kvantá gravitačného poľa - gravitóny - celý arzenál skutočne elementárnych, presnejšie fundamentálnych častíc. Zjavne nie. S najväčšou pravdepodobnosťou sú opísané obrázky častíc a polí len odrazom našich súčasných poznatkov. Nie nadarmo už existuje veľa teoretických myšlienok, ktoré zahŕňajú veľkú skupinu dodnes pozorovaných takzvaných supersymetrických častíc, oktet superťažkých kvarkov a mnoho ďalšieho.

Je zrejmé, že moderná fyzika je stále ďaleko od vytvorenia úplnej teórie častíc. Možno mal pravdu veľký fyzik Albert Einstein, keď veril, že iba zohľadnenie gravitácie, napriek jej teraz zdanlivo malej úlohe v mikrosvete, umožní zostaviť rigoróznu teóriu častíc. Ale to všetko je už v 21. storočí alebo ešte neskôr.

Literatúra

1. Okun L.B. Fyzika elementárnych častíc. M.: Nauka, 1988.

2. Kobzarev I.Yu. Laureáti Nobelovej ceny 1979: S. Weinberg, S. Glashow, A. Salam // Nature. 1980. N 1. P. 84.

3. Zeldovich Ya.B. Klasifikácia elementárnych častíc a kvarkov pre chodcov // Uspekhi fiz. Sci. 1965. T. 8. S. 303.

4. Krainov V.P. Vzťah neistoty pre energiu a čas // Soros Educational Journal. 1998. N 5. P. 77-82.

5. Nambu I. Prečo neexistujú voľné kvarky // Uspekhi fiz. Sci. 1978. T. 124. S. 146.

6. Zhdanov G.B., Maksimenko V.M., Slavatinsky S.A. Experiment "Pamir" // Príroda. 1984. N 11. S. 24

Recenzent článku L.I. Sarycheva

S. A. Slavatinský Moskovský inštitút fyziky a technológie, Dolgoprudny, Moskovský región.

Štruktúry mikrosveta

Predtým sa elementárne častice nazývali častice, ktoré sú súčasťou atómu a nemožno ich rozložiť na elementárnejšie zložky, konkrétne elektróny a jadrá.

Neskôr sa zistilo, že jadrá pozostávajú z jednoduchších častíc - nukleóny(protóny a neutróny), ktoré sa zase skladajú z iných častíc. Preto najmenšie častice hmoty sa začali považovať za elementárne častice , s výnimkou atómov a ich jadier .

K dnešnému dňu boli objavené stovky elementárnych častíc, čo si vyžaduje ich klasifikáciu:

– podľa typu interakcie

- podľa doby života

- najväčší chrbát

Elementárne častice sú rozdelené do nasledujúcich skupín:

Kompozitné a základné (bezštruktúrne) častice

Zložené častice

Hadróny (ťažké)– častice zúčastňujúce sa všetkých typov základných interakcií. Pozostávajú z kvarkov a delia sa na: mezóny– hadróny s celočíselným spinom, to znamená, že sú to bozóny; baryóny– hadróny s polovičným spinom, teda fermióny. Patria sem najmä častice, ktoré tvoria jadro atómu – protón a neutrón, t.j. nukleóny.

Základné (bezštruktúrne) častice

Leptóny (svetlo)– fermióny, ktoré majú tvar bodových častíc (t. j. z ničoho sa neskladajú) do mierok rádovo 10 − 18 m. Nezúčastňujú sa silných interakcií. Účasť na elektromagnetických interakciách bola experimentálne pozorovaná len pre nabité leptóny (elektróny, mióny, tau leptóny) a nebola pozorovaná pre neutrína.

Kvarky– čiastočne nabité častice, ktoré tvoria hadróny. Vo voľnom stave neboli pozorované.

Meracie bozóny- častice, ktorých výmenou dochádza k interakciám:

– fotón – častica, ktorá nesie elektromagnetickú interakciu;

– osem gluónov – častíc, ktoré nesú silnú interakciu;

– tri stredné vektorové bozóny W + , W− a Z 0, ktoré tolerujú slabé interakcie;

– gravitón je hypotetická častica, ktorá prenáša gravitačnú interakciu. Existencia gravitónov, aj keď ešte nebola experimentálne dokázaná pre slabosť gravitačnej interakcie, sa považuje za dosť pravdepodobnú; gravitón však nie je zahrnutý v štandardnom modeli elementárnych častíc.

Podľa moderných koncepcií medzi základné častice (alebo „skutočné“ elementárne častice), ktoré nemajú vnútornú štruktúru a konečné rozmery, patria:

Kvarky a leptóny

Častice, ktoré poskytujú základné interakcie: gravitóny, fotóny, vektorové bozóny, gluóny.

Klasifikácia elementárnych častíc podľa doby života:

- stabilný: častice, ktorých životnosť je veľmi dlhá (v limite má tendenciu k nekonečnu). Tie obsahujú elektróny , protóny , neutrína . Neutróny sú stabilné aj vo vnútri jadier, ale mimo jadra sú nestabilné.

- nestabilné (kvázi stabilné): elementárne častice sú tie častice, ktoré sa rozpadajú v dôsledku elektromagnetických a slabých interakcií a ktorých životnosť je viac ako 10–20 sekúnd. Takéto častice zahŕňajú voľný neutrón (t.j. neutrón mimo jadra atómu)

- rezonancie (nestabilná, krátkodobá). Rezonancie zahŕňajú elementárne častice, ktoré sa rozpadajú v dôsledku silných interakcií. Ich životnosť je menej ako 10 - 20 sekúnd.

Klasifikácia častíc podľa účasti na interakciách:

- leptóny : Patria sem neutróny. Všetky sa nezúčastňujú víru vnútrojadrových interakcií, t.j. nepodliehajú silným interakciám. Zúčastňujú sa slabej interakcie a tie s elektrickým nábojom sa podieľajú aj na elektromagnetickej interakcii

- hadróny : častice, ktoré existujú vo vnútri atómového jadra a podieľajú sa na silných interakciách. Najznámejšie z nich sú protón A neutrón .

Dnes známy šesť leptónov :

V rovnakej rodine ako elektrón sú mióny a častice tau, ktoré sú podobné elektrónu, ale sú masívnejšie. Mióny a častice tau sú nestabilné a nakoniec sa rozpadajú na niekoľko ďalších častíc, vrátane elektrónu

Tri elektricky neutrálne častice s nulovou (alebo blízkou nule, vedci sa zatiaľ v tomto bode nerozhodli) hmotnosťou, tzv neutrína . Každé z troch neutrín (elektrónové neutríno, miónové neutríno, tau neutríno) je spárované s jedným z troch typov častíc elektrónovej rodiny.

Najznámejší hadróny , protóny a neutrína existujú stovky príbuzných, ktorí sa rodia vo veľkom počte a okamžite sa rozpadajú v procese rôznych jadrových reakcií. S výnimkou protónu sú všetky nestabilné a možno ich klasifikovať podľa zloženia častíc, na ktoré sa rozpadajú:

Ak je medzi konečnými produktmi rozpadu častíc protón, potom sa nazýva baryón

Ak medzi produktmi rozpadu nie je žiadny protón, potom sa častica nazýva mezón .

Chaotický obraz subatomárneho sveta, ktorý sa stal komplexnejším s objavom každého nového hadrónu, ustúpil novému obrazu s príchodom konceptu kvarkov. Podľa kvarkového modelu sa všetky hadróny (nie leptóny) skladajú z ešte elementárnejších častíc – kvarkov. Takže baryóny (najmä protón) pozostávajú z troch kvarkov a mezóny - z dvojice kvark - antikvark.

POPULÁRNE ČLÁNKY

Negácia nie so slovesami (v osobnom tvare, v infinitíve, v tvare gerundia) sa píše samostatne: nebrať, nebol, nevedel, pomaly Prezentácia, správa o hlavných črtách filozofie obrodenia Štýl beletrie Deti zeme Prezentácia Sme deti zeme pre materskú školu Prezentácia na tému bariéry v komunikácii, prácu dokončili žiaci Bez komunikácie sa zomkneme do seba

2023 „kingad.ru“ - ultrazvukové vyšetrenie ľudských orgánov

Kontakty Mapa stránok