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 osebe pozostávajú z najjednoduchších alebo, ako sa teraz 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 vnútornú štruktúru, aspoň do najmenších teraz študovaných vzdialeností ~10 -16 cm.

Úvod

Medzi nespočetnými a rôznorodými procesmi interakcie medzi časticami sú štyri základné alebo základné interakcie: silná (jadrová), elektromagnetická a gravitačná. Vo svete častíc je gravitačná interakcia veľmi slabá, jej úloha je stále nejasná a ďalej sa o nej nebudeme 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. Bozóny majú svoj vlastný uhlový moment, nazývaný spin, rovný celočíselnej hodnote Planckovej konštanty $h = 1,05 \cdot 10^(-27) erg \cdot c$. Kvantám poľa a teda aj nositeľmi silnej interakcie sú gluóny, označené symbolom g, kvantá elektromagnetického poľa sú známe kvantá svetla - fotóny, označené $\gamma $, a kvantá slabého poľa a teda aj nositeľov slabých interakcií W± (dvojité ve) - a Z 0 (zet nula)-bozónov.

Na rozdiel od bozónov sú všetky ostatné základné častice fermióny, teda častice, ktoré majú polovičný spin rovný 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 len znamienkami 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 sa označujú 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 označuje 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

Pozrime sa najskôr 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 (to znamená $\leq 10^(-32)$ g).

Pohľad na tabuľku. 1 mimovoľne vyvoláva otázku, prečo príroda potrebovala vytvorenie troch rôznych neutrín. 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 by ich hlavné vlastnosti. Možno sa tento problém vyrieši v 21. storočí (alebo neskôr).

Spodný riadok tabuľky. 1 začína časticou, ktorú sme skúmali najviac – 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 nám známe atómy prvkov periodickej tabuľky. 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 (tzv. vysokoenergetické fotóny), ktoré odnášajú ako pokojové energie e + a e - tak aj 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 látke a elektrónu v pokoji totiž celá hmotnosť ich zvyšku (rovnajúca sa 1,22 MeV) prechádza do energie $\gama$-kvant, ktoré nemajú žiadnu pokojovú hmotnosť.

V druhej generácii spodného riadku 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 rozpadá hlavne 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 taón 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 tieto:

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

Keď už hovoríme o leptónoch, je zaujímavé porovnať slabé a elektromagnetické sily v určitej konkrétnej vzdialenosti, napr R\u003d 10 -13 cm. V takejto vzdialenosti sú elektromagnetické sily takmer 10 miliárd krát väčšie ako slabé sily. To však vôbec neznamená, že úloha slabých síl v prírode je malá. Ďaleko od toho.

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, treba 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 ako výsledok brilantného pokusu klasifikovať veľké množstvo častíc zúčastňujúcich sa silných interakcií a nazývaných hadróny. M. Gell-Man 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 sú rozdelené na ťažké častice tzv baryóny a priemery pomenované mezóny.

Baryóny sú charakterizované 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 by 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 kvantových čísel, ktoré sú rovnaké pre všetky kvarky – spinové a baryónové číslo, existujú ich ďalšie dôležité charakteristiky, ako napríklad veľkosť ich pokojovej hmotnosti. m, veľkosť elektrického náboja Q/e(vo zlomkoch elektrónového náboja e\u003d 1,6 · 10 -19 coulomb) a určitý súbor kvantových čísel charakterizujúcich tzv. tvarohová príchuť. Tie obsahujú:

1) hodnota 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 hmotnosti a sú identické vo všetkých ostatných vlastnostiach, okrem 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. K vzniku alebo zániku zvláštnych častíc v dôsledku silných interakcií dochádza 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 OD = +1, AT= -1 a T= +1. Častice zložené z týchto kvarkov majú oveľa väčšiu hmotnosť (> 2 GeV/c2). Majú širokú škálu schém rozpadu so životnosťou ~ 10 -13 s. Súhrn charakteristík všetkých kvarkov je uvedený v tabuľke. 2.

Každý kvark v tabuľke. 2 zodpovedá jeho antikvarku. V prípade antikvarkov majú všetky kvantové čísla opačné znamienko, ako je uvedené pre kvark. O veľkosti hmotnosti kvarkov treba povedať nasledovné. Uvedené v tabuľke. 2 hodnoty zodpovedajú hmotnostiam holých kvarkov, to znamená samotných kvarkov bez zohľadnenia gluónov, ktoré ich obklopujú. Hmotnosť upravených kvarkov v dôsledku energie prenášanej gluónmi je väčšia. 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. Hadróny okrem valenčných kvarkov obsahujú virtuálne dvojice častíc – kvarky a antikvarky, ktoré sú emitované a pohlcované gluónmi na veľmi krátky čas.

(kde E je energia virtuálneho páru), ku ktorému dochádza pri porušení zákona 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 sú vlastníkmi zodpovedajúcich silných nábojov. 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: podmienene červená, zelená a modrá. Teda každý kvark v tabuľke. 1 a 2 môže byť v troch formách a ide o farebnú časticu. Zmiešanie všetkých troch farieb, rovnako ako v optike, dáva bielu farbu, to znamená, že vybieli časticu. Všetky pozorované hadróny sú bezfarebné.

Interakcie kvarkov sú uskutočňované ôsmimi rôznymi gluónmi. Pojem „gluon“ znamená v preklade z angličtiny 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 (ako je bublinková komora atď.), všetky boli detekované nepriamo, prítomnosťou vrcholov v závislosti pravdepodobnosť vzájomnej interakcie rôznych častíc na energiu. Obrázok 1 vysvetľuje, čo bolo povedané. 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 vidieť vrchol v priebehu prierezu. Jeho šírka je $\Gamma = 110 $ MeV a celková hmotnosť častíc $\Delta^(++)$ 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 z nákresu siločiar vychádzajúcich zo zdroja - kvarku s farebným nábojom a končiaceho na antikvarku (obr. 2, b). Pre porovnanie, na obr. 2 a ukazujeme, že v prípade elektromagnetickej interakcie sa siločiary odkláňajú od svojho zdroja - elektrického náboja ako ventilátor, pretože virtuálne fotóny emitované súčasne zdrojom navzájom neinteragujú. Výsledkom je Coulombov zákon.

Na rozdiel od tohto obrázku majú gluóny samotné farebné náboje a navzájom silne interagujú. Výsledkom je, že namiesto vejára siločiar máme zväzok znázornený na obr. 2, b. Lano je natiahnuté medzi kvarkom a antikvarkom, no najprekvapujúcejšie je, že samotné gluóny, ktoré majú farebné náboje, sa stávajú zdrojmi nových gluónov, ktorých počet sa vzďaľuje od kvarku.
Takýto vzor interakcie zodpovedá závislosti potenciálnej energie interakcie medzi kvarkami od vzdialenosti medzi nimi, znázornenej na obr. 3. Totiž: 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 v prvej aproximácii možno považovať za voľné, neinteragujúce častice. Tento jav má špeciálny názov asymptotická sloboda kvarkov v malom R. Avšak, kedy R viac ako nejaká kritická hodnota $R_(cr) \cca 10^(-13)$ cm 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 hodnoty blízkej 20 ton.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 nie.

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 zrodom kvark-antikvarkového páru častíc. K tomu dochádza, keď je potenciálna energia pri zlome 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 vo vnútri hadrónov. Tento jav nevyhadzovania kvarkov sa nazýva uväznenie. Pri vysokých energiách môže byť výhodnejšie, aby sa zväzok na mnohých miestach rozbil naraz a vytvoril množinu $q \tilde q$-párov. Takto sme sa priblížili k problému viacnásobného pôrodu. 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 kvarku, nemal žiadnu farbu. (a pozorujeme len bezfarebné častice).

Všetky kvarky a antikvarky majú spin (v zlomkoch h) rovná 1/2. Preto je celkový spin kombinácie kvarku s antikvarkom 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 niektorých dráhach vnútri častice.

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

Z v súčasnosti najlepšie študovaných mezónov a mezónových rezonancií najväčšiu skupinu tvoria ľahké nearomatické častice, ktorých kvantové čísla S = C = B= 0. Táto skupina zahŕňa asi 40 častíc. Tabuľka 3 začína piónmi $\pi$ ±,0 objavenými anglickým fyzikom 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 rotáciu 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 existujú aj prechody kvarku jednej generácie na kvark inej generácie, napríklad $u \to b + W^+$ alebo $u \to s + W^+$ atď., hoci takéto prechody sú oveľa zriedkavejšie ako prechody v rámci jednej generácie. Zároveň sa pri všetkých takýchto transformáciách zachováva elektrický náboj v reakcii.

Štúdium mezónov, vrátane s- a c-kvarky, viedli k objavu niekoľkých desiatok zvláštnych a očarených častíc. Ich výskum sa teraz uskutočňuje v mnohých vedeckých centrách sveta.

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 sa skladajú z troch kvarkov, ale tie, ktoré majú všetky tri farby, 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). Všetky atómové jadrá chemických prvkov pozostávajú z protónov a neutrónov. Počet protónov v jadre určuje jeho celkový elektrický náboj Z.

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

Mnohé experimentálne pozorované fakty dnes už presvedčivo hovoria o existencii kvarkov. Hovoríme najmä o objave nového procesu v reakcii zrážky elektrónov a pozitrónov, ktorý vedie k vzniku kvark-antikvarkových jetov. Schéma tohto procesu je znázornená na obr. 4. Experiment bol vykonaný na urýchľovačoch v Nemecku a USA. Šípky ukazujú smery lúčov na obrázku e+ a e- , a z bodu ich zrážky je emitovaný kvark q a antikvark $\tilde q$ v zenitovom uhle $\Theta$ k smeru letu e+ a e- . Pri reakcii vzniká tento pár $q+\tilde q$

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

Ako sme už povedali, škrtidlo siločiar (častejšie hovoria struna) sa rozbije na svoje zložky s dostatočne veľkým napätím.
Pri vysokých energiách 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. znázornené na obr. 4. Takéto časticové lúče sa nazývajú prúdy. V experimente sa pomerne často pozoruje tvorba troch, štyroch alebo viacerých prúdov častíc súčasne.

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

Teória popisujúca silné interakcie je tzv kvantová chromodynamika alebo skrátené QCD. Je to oveľa komplikovanejšie ako teória elektroslabých interakcií. QCD je obzvlášť úspešná pri opise 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 krátko zastavme nad tým, či šesť leptónov a 18 viacfarebných kvarkov (a ich antičastíc), ako aj kvantá základných polí, vyčerpávajú fotón, W ± -, Z 0 -bozóny, 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, v ktorých je predstavená veľká skupina takzvaných supersymetrických častíc, oktet superťažkých kvarkov a mnohé ďalšie.

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

Literatúra

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

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

3. Zeldovich Ya.B. Klasifikácia elementárnych častíc a kvarkov v prezentácii pre chodcov // Uspekhi nat. vedy. 1965. T. 8. S. 303.

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

5. I. Nambu, „Prečo neexistujú žiadne voľné kvarky“, Usp. Phys. vedy. 1978. V. 124. S. 146.

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

Recenzent článku L.I. Sarychev

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

Štruktúry mikrosveta

Predtým sa elementárne častice nazývali častice, ktoré tvoria atóm a sú nerozložiteľné na elementárnejšie zložky, a to elektróny a jadrá.

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

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

– podľa typov interakcií

- podľa doby života

- veľkosť chrbta

Elementárne častice sú rozdelené do nasledujúcich skupín:

Kompozitné a základné (bezštruktúrne) častice

Kompozitné častice

Hadróny (ťažké)– častice zúčastňujúce sa všetkých typov základných interakcií. Pozostávajú z kvarkov a ďalej sa delia na: mezóny- hadróny s celočíselným spinom, teda 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 podobu bodových častíc (teda 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 sú čiastočne nabité častice, ktoré tvoria hadróny. Vo voľnom stave neboli pozorované.

Meracie bozóny- častice, prostredníctvom ktorých dochádza k interakciám:

– fotón – častica nesúca elektromagnetickú interakciu;

- osem gluónov - častíc, ktoré nesú silnú interakciu;

sú tri stredné vektorové bozóny W + , W− a Z 0, nesúci slabú interakciu;

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

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

Kvarky a leptóny

Častice zabezpečujúce 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.

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

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

Klasifikácia častíc podľa účasti na interakciách:

- leptóny : Patria medzi ne aj neutróny. Všetky sa nezúčastňujú víru vnútrojadrových interakcií, t.j. nepodlieha silnej interakcii. Podieľajú sa na slabej interakcii a s elektrickým nábojom sa podieľajú na elektromagnetickej interakcii.

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

V súčasnosti známe šesť leptónov :

Mióny a častice tau, ktoré sú podobné elektrónu, ale sú hmotnejšie, patria do rovnakej rodiny ako elektrón. 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 v tejto veci ešte 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 v mnohých rodia 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 medzi konečnými produktmi rozpadu častíc existuje protón, potom sa nazýva baryón

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

Chaotický obraz subatomárneho sveta, ktorý sa skomplikoval objavením 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) sa skladajú z troch kvarkov a mezóny z páru kvark-antikvark.

POPULÁRNE ČLÁNKY

Ako dlho trvá, kým dexametazón začne účinkovať? Mexidol tablety ako užívať pred jedlom alebo po jedle Postinor - návod na použitie Málo krvi v tele – príčiny, príznaky, liečba Spomaľte vstrebávanie železa Pont du Gard: najvyšší staroveký rímsky akvadukt na svete Pamätník architektúry a histórie Francúzska®

2022 "kingad.ru" - ultrazvukové vyšetrenie ľudských orgánov

Kontakty mapa stránky