Elementarna čestica križaljka od 5 slova koja počinju na a. Elementarne čestice. Standardni model čestica i interakcija

Od indeksa ja, k, l u strukturnim formulama vrijednosti prolaze kroz 1, 2, 3, 4, broj mezona Mik s danim spinom treba biti jednak 16. Za barione Bikl maksimalni mogući broj stanja za dati spin (64) nije realiziran, budući da su na temelju Paulijevog principa, za dati ukupni spin, dopuštena samo stanja tri kvarka koja imaju dobro definiranu simetriju s obzirom na permutacije indeksi i, k, 1, i to: puna simetrija za spin 3/2 i mješovita simetrija za spin 1/2. Ovo stanje je l = 0 odabire 20 barionskih stanja za spin 3/2 i 20 za spin 1/2.

Detaljnije ispitivanje pokazuje da vrijednost kvarkovog sastava i svojstava simetrije kvarkovog sustava omogućuje određivanje svih osnovnih kvantnih brojeva hadrona ( J, P, B, Q, I, Y, Ch), isključujući masu; određivanje mase zahtijeva poznavanje dinamike međudjelovanja kvarkova i mase kvarkova, što još nije dostupno.

Ispravno prenošenje specifičnosti hadrona s najmanjim masama i spinovima pri zadanim vrijednostima Y I CH, Kvarkov model također prirodno objašnjava sveukupni veliki broj hadrona i prevlast rezonancija među njima. Velik broj hadrona odraz je njihove složene strukture i mogućnosti postojanja raznih pobuđenih stanja kvarkovih sustava. Moguće je da je broj takvih pobuđenih stanja neograničen. Sva pobuđena stanja kvarkovih sustava nestabilna su u odnosu na brze prijelaze zbog jakih interakcija u temeljna stanja. Oni čine najveći dio rezonancija. Mali dio rezonancija također se sastoji od sustava kvarkova s ​​paralelnim usmjerenjima spina (s iznimkom W -). Kvarkove konfiguracije s antiparalelnom orijentacijom spina, vezane uz osnovnu. stanja, tvore kvazistabilne hadrone i stabilni proton.

Ekscitacije kvarkovih sustava nastaju kako zbog promjena u rotacijskom gibanju kvarkova (orbitalne ekscitacije), tako i zbog promjena u njihovim prostorima. mjesto (radijalne ekscitacije). U prvom slučaju povećanje mase sustava prati promjena ukupnog spina J i pariteta R sustava, u drugom slučaju povećanje mase događa se bez promjene J P . Na primjer, mezoni sa JP= 2 + su prva orbitalna ekscitacija ( l = 1) mezoni sa J P = 1 - . Podudarnost 2 + mezona i 1 - mezona identične strukture kvarka jasno se vidi na primjeru mnogih parova čestica:

Mezoni r" i y" su primjeri radijalnih ekscitacija r- odnosno y-mezona (vidi.

Orbitalne i radijalne ekscitacije generiraju nizove rezonancija koje odgovaraju istoj početnoj strukturi kvarka. Nedostatak pouzdanih informacija o međudjelovanju kvarkova još nam ne dopušta kvantitativne proračune ekscitacijskih spektara i izvođenje bilo kakvih zaključaka o mogućem broju takvih pobuđenih stanja.Kvarkovi su pri formuliranju modela kvarkova razmatrani kao hipotetski strukturni elementi koji otvaraju do mogućnosti vrlo prikladnog opisa hadrona. Nakon toga su provedeni eksperimenti koji nam omogućuju da govorimo o kvarkovima kao stvarnim materijalnim formacijama unutar hadrona. Prvi su bili pokusi raspršenja elektrona nukleonima pod vrlo velikim kutovima. Ovi pokusi (1968.), podsjećajući na Rutherfordove klasične pokuse o raspršenju alfa čestica na atomima, otkrili su prisutnost nabijenih točkastih formacija unutar nukleona. Usporedba podataka iz ovih eksperimenata sa sličnim podacima o raspršenju neutrina na nukleonima (1973.-75.) omogućila je zaključak o prosječnoj kvadratnoj vrijednosti električnog naboja ovih točkastih formacija. Pokazalo se da je rezultat iznenađujuće blizu vrijednosti 1/2 [(2/3 e) 2 +(1 / 3 e) 2 ]. Proučavanje procesa proizvodnje hadrona tijekom anihilacije elektrona i pozitrona, koji navodno prolazi kroz niz procesa: ® hadroni, ukazalo je na prisutnost dviju skupina hadrona genetski povezanih sa svakim od nastalih kvarkova, i učinilo ga moguće odrediti spin kvarkova. Ispostavilo se da je jednako 1/2. Ukupan broj hadrona rođenih u ovom procesu također ukazuje da se u međustanju pojavljuju tri varijante kvarkova, tj. kvarkovi su trobojni.

Dakle, kvantni brojevi kvarkova, uvedeni na temelju teorijskih razmatranja, potvrđeni su u brojnim eksperimentima. Kvarkovi postupno dobivaju status novih čestica elektrona, a ako daljnja istraživanja potvrde ovaj zaključak, kvarkovi su ozbiljni konkurenti za ulogu pravih čestica elektrona za hadronski oblik materije. Do duljine ~ 10 -15 cm kvarkovi djeluju kao točkaste formacije bez strukture. Broj poznatih tipova kvarkova je mali. U budućnosti se to, naravno, može promijeniti: ne može se jamčiti da pri višim energijama neće biti otkriveni hadroni s novim kvantnim brojevima, koji svoje postojanje zahvaljuju novim vrstama kvarkova. Otkrivanje Y-mezoni potvrđuju ovo gledište. Ali sasvim je moguće da će povećanje broja kvarkova biti malo, da opći principi nameću ograničenja ukupnog broja kvarkova, iako ta ograničenja još nisu poznata. Bestrukturnost kvarkova također možda odražava samo dostignuti stupanj istraživanja ovih materijalnih tvorevina. Međutim, niz specifičnih svojstava kvarkova daje razlog za pretpostavku da su kvarkovi čestice koje dovršavaju lanac strukturnih komponenti materije.

Kvarkovi se razlikuju od svih ostalih čestica elektrona po tome što još nisu uočeni u slobodnom stanju, iako postoje dokazi o njihovom postojanju u vezanom stanju. Jedan od razloga neopažanja kvarkova može biti njihova vrlo velika masa, koja onemogućuje njihovu proizvodnju na energijama modernih akceleratora. Moguće je, međutim, da kvarkovi temeljno, zbog specifične prirode njihove interakcije, ne mogu biti u slobodnom stanju. Postoje teorijski i eksperimentalni argumenti u prilog činjenici da sile koje djeluju između kvarkova ne slabe s udaljenošću. To znači da je potrebno beskrajno više energije za međusobno odvajanje kvarkova ili, u suprotnom, nastanak kvarkova u slobodnom stanju je nemoguć. Nemogućnost izolacije kvarkova u slobodnom stanju čini ih potpuno novom vrstom strukturnih jedinica materije. Nejasno je, primjerice, može li se postaviti pitanje sastavnih dijelova kvarkova ako se sami kvarkovi ne mogu promatrati u slobodnom stanju. Moguće je da se pod tim uvjetima dijelovi kvarkova uopće fizički ne očituju, pa stoga kvarkovi djeluju kao posljednji stupanj u fragmentaciji hadronske materije.

Elementarne čestice i kvantna teorija polja.

Za opisivanje svojstava i međudjelovanja čestica elektrona u modernoj teoriji bitan je koncept fizike. polje, koje je dodijeljeno svakoj čestici. Polje je specifičan oblik materije; opisana je funkcijom specificiranom u svim točkama ( x)prostor-vrijeme i posjeduju određena transformacijska svojstva u odnosu na transformacije Lorentzove grupe (skalar, spinor, vektor itd.) i grupe “unutarnjih” simetrija (izotopski skalar, izotopski spinor itd.). Elektromagnetsko polje sa svojstvima četverodimenzionalnog vektora A m (x) (m = 1, 2, 3, 4) je povijesno prvi primjer fizičkog polja. Polja koja se uspoređuju s E. česticama su kvantne prirode, odnosno njihova energija i zamah sastavljeni su od mnogo dijelova. dijelovi - kvanti, a energija E k i impuls p k kvanta povezani su relacijom specijalne teorije relativnosti: E k 2 = p k 2 c 2 + m 2 c 2 . Svaki takav kvant je čestica elektrona sa zadanom energijom E k , količinom gibanja p k i masom m. Kvanti elektromagnetskog polja su fotoni, kvanti ostalih polja odgovaraju svim drugim poznatim česticama elektrona. Polje je, dakle, fizikalna odraz postojanja beskonačne zbirke čestica – kvanta. Poseban matematički aparat kvantne teorije polja omogućuje opisivanje rađanja i uništenja čestice u svakoj točki x.

Svojstva transformacije polja određuju sve kvantne brojeve čestica E. Svojstva transformacije u odnosu na transformacije prostor-vrijeme (Lorentzova grupa) određuju spin čestica. Dakle, skalar odgovara spinu 0, spinor - spinu 1/2, vektor - spinu 1, itd. Postojanje takvih kvantnih brojeva kao što su L, B, 1, Y, Ch i za kvarkove i gluone "boja" slijedi od transformacijskih svojstava polja u odnosu na transformacije “unutarnjih prostora” (“prostor naboja”, “izotopski prostor”, “unitarni prostor” itd.). Postojanje "boje" u kvarkovima, posebice, povezano je s posebnim "obojenim" jedinstvenim prostorom. Uvođenje "unutarnjih prostora" u teorijski aparat još uvijek je čisto formalno sredstvo, koje, međutim, može poslužiti kao pokazatelj da je dimenzija fizičkog prostor-vremena, koja se odražava u svojstvima E. Ch., zapravo veća nego četiri - dimenzija prostor-vrijeme karakteristična za sve makroskopske fizičke procese. Masa elektrona nije izravno povezana s transformacijskim svojstvima polja; to je njihova dodatna karakteristika.

Za opis procesa koji se odvijaju s česticama elektrona potrebno je znati kako su različita fizikalna polja međusobno povezana, odnosno znati dinamiku polja. U suvremenom aparatu kvantne teorije polja informacije o dinamici polja sadržane su u posebnoj veličini izraženoj kroz polja - Lagrangianu (točnije, Lagrangianu gustoće) L. Poznavanje L omogućuje, u načelu, izračunavanje vjerojatnosti prelazi s jednog skupa čestica na drugi pod utjecajem različitih interakcija. Te su vjerojatnosti dane tzv. matrica raspršenja (W. Heisenberg, 1943.), izražena kroz L. Lagrangian L sastoji se od Lagrangiana L, koji opisuje ponašanje slobodnih polja, i interakcijskog Lagrangiana, L, konstruiranog od polja različitih čestica i odražava mogućnost njihove međusobne transformacije. Poznavanje Lz je odlučujuće za opisivanje procesa s E. h.

Pričekajte da se widget vremenske trake učita.
JavaScript mora biti omogućen za prikaz.

Ako su jaki raspadi grupirani u području joktosekundi, elektromagnetski - u blizini atosekundi, onda su slabi raspadi "pratili sve" - ​​pokrivali su isto toliko 27 reda veličine na vremenskoj skali!

Na krajnjim krajevima ovog nezamislivo širokog raspona nalaze se dva "ekstremna" slučaja.

• Raspadi top kvarka i čestica nositelja slabe sile (W i Z bozoni) događaju se otprilike u 0,3 je= 3·10 −25 s. To su najbrži raspadi među svim elementarnim česticama i općenito najbrži procesi pouzdano poznati suvremenoj fizici. Tako ispada jer su to raspadi s najvećim oslobađanjem energije.
• Najdugovječnija elementarna čestica, neutron, živi otprilike 15 minuta. Tako veliko vrijeme za standarde mikrokozmosa objašnjava se činjenicom da ovaj proces (beta raspad neutrona u proton, elektron i antineutrino) ima vrlo malo oslobađanje energije. To oslobađanje energije je toliko slabo da pod odgovarajućim uvjetima (npr. unutar atomske jezgre) taj raspad može već biti energetski nepovoljan, a tada neutron postaje potpuno stabilan. Atomske jezgre, sva tvar oko nas, pa i mi sami postojimo samo zahvaljujući ovoj nevjerojatnoj slabosti beta raspada.

Između ovih ekstrema, većina slabih raspada također se pojavljuje više ili manje kompaktno. Mogu se podijeliti u dvije skupine koje ćemo grubo nazvati: brzi slabi raspadi i spori slabi raspadi.

Brzi su raspadi koji traju oko pikosekunde. Dakle, iznenađujuće je kako su se brojke u našem svijetu razvile da životni vijek nekoliko desetaka elementarnih čestica pada u uzak raspon vrijednosti od 0,4 do 2 ps. To su takozvani čarobni i ljupki hadroni – čestice koje sadrže teški kvark.

Pikosekunde su divne, jednostavno neprocjenjive s gledišta eksperimenata na sudaračima! Činjenica je da će za 1 ps čestica imati vremena preletjeti trećinu milimetra, a moderni detektor može lako izmjeriti tako velike udaljenosti. Zahvaljujući tim česticama, slika sudara čestica na sudaraču postaje “lako čitljiva” - ovdje je došlo do sudara i stvaranja velikog broja hadrona, a tamo, malo dalje, do sekundarnih raspada. Životni vijek postaje izravno mjerljiv, što znači da postaje moguće saznati o kakvoj se čestici radi, a tek onda koristiti te informacije za složeniju analizu.

Spori slabi raspadi su raspadi koji počinju stotinama pikosekundi i protežu se cijelim rasponom nanosekundi. To uključuje klasu takozvanih "čudnih čestica" - brojne hadrone koji sadrže čudan kvark. Unatoč svom nazivu, za suvremene eksperimente one nisu nimalo čudne, već naprotiv, najobičnije su čestice. Jednostavno su izgledali čudno 50-ih godina prošlog stoljeća, kada su ih fizičari odjednom počeli otkrivati ​​jedan za drugim i nisu baš razumjeli njihova svojstva. Usput, upravo je obilje čudnih hadrona gurnulo fizičare prije pola stoljeća na ideju o kvarkovima.

Sa stajališta modernih eksperimenata s elementarnim česticama, nanosekunde su puno. To je toliko da čestica izbačena iz akceleratora jednostavno nema vremena da se raspadne, već probija detektor, ostavljajući svoj trag u njemu. Naravno, onda će zapeti negdje u materijalu detektora ili u stijenama oko njega i tamo se raspasti. Ali fizičare više ne zanima taj raspad, zanima ih samo trag koji je ta čestica ostavila unutar detektora. Dakle, za moderne eksperimente takve čestice izgledaju gotovo stabilno; stoga se nazivaju "među" pojmom - metastabilne čestice.

Pa, najdugovječnija čestica, ne računajući neutron, je mion - neka vrsta "brata" elektrona. Ne sudjeluje u jakim međudjelovanjima, ne raspada se pod utjecajem elektromagnetskih sila, pa mu ostaju samo slaba međudjelovanja. A budući da je prilično lagan, živi 2 mikrosekunde - cijelu epohu na ljestvici elementarnih čestica.

Svih pet slova elementarnih čestica su navedene u nastavku. Za svaku definiciju dat je kratak opis.

Ako imate nešto za dodati, dolje vam je na usluzi obrazac za komentare u kojem možete izraziti svoje mišljenje ili dodati članak.

Popis elementarnih čestica

Foton

To je kvant elektromagnetskog zračenja, na primjer svjetlosti. Svjetlost je pak pojava koja se sastoji od svjetlosnih tokova. Foton je elementarna čestica. Foton ima neutralan naboj i nultu masu. Spin fotona jednak je jedinici. Foton nosi elektromagnetsku interakciju između nabijenih čestica. Pojam foton dolazi od grčke riječi phos, što znači svjetlost.

Phonon

To je kvazičestica, kvant elastičnih titraja i pomaka atoma i molekula kristalne rešetke iz ravnotežnog položaja. U kristalnim rešetkama atomi i molekule neprestano međusobno djeluju, međusobno dijeleći energiju. S tim u vezi, gotovo je nemoguće proučavati pojave slične vibracijama pojedinih atoma u njima. Stoga se nasumične vibracije atoma obično razmatraju prema vrsti širenja zvučnih valova unutar kristalne rešetke. Kvanti ovih valova su fononi. Pojam fonon dolazi od grčke riječi phone - zvuk.

fazon

Fazon fluktuacije je kvazičestica, koja je ekscitacija u legurama ili u drugom heterofaznom sustavu, koja stvara potencijalnu jamu (feromagnetsko područje) oko nabijene čestice, recimo elektrona, i hvata je.

Roton

To je kvazičestica koja odgovara elementarnoj ekscitaciji u superfluidnom heliju, u području visokih impulsa, povezanom s pojavom vrtložnog gibanja u superfluidnoj tekućini. Roton, u prijevodu s latinskog znači - predenje, predenje. Roton se pojavljuje na temperaturama višim od 0,6 K i određuje eksponencijalno temperaturno ovisna svojstva toplinskog kapaciteta, kao što je normalna entropija gustoće i druga.

Mezon

To je nestabilna neelementarna čestica. Mezon je teški elektron u kozmičkom zračenju.
Masa mezona je veća od mase elektrona i manja od mase protona.

Mezoni imaju paran broj kvarkova i antikvarkova. Mezoni uključuju pione, kaone i druge teške mezone.

Quark

To je elementarna čestica materije, ali zasad samo hipotetski. Kvarkovima se obično nazivaju šest čestica i njihove antičestice (antikvarkovi), koje pak čine skupinu posebnih elementarnih čestica hadrona.

Vjeruje se da se čestice koje sudjeluju u jakim interakcijama, poput protona, neurona i nekih drugih, sastoje od međusobno čvrsto povezanih kvarkova. Kvarkovi stalno postoje u različitim kombinacijama. Postoji teorija da bi kvarkovi mogli postojati u slobodnom obliku u prvim trenucima nakon velikog praska.

Gluon

Elementarna čestica. Prema jednoj teoriji, čini se da gluoni spajaju kvarkove, koji zauzvrat tvore čestice poput protona i neurona. Općenito, gluoni su najmanje čestice koje tvore materiju.

Bozon

Bozon-kvazičestica ili Bose-čestica. Bozon ima nulti ili cijeli broj spina. Ime je dano u čast fizičara Shatyendranatha Bosea. Bozon je drugačiji po tome što neograničen broj njih može imati isto kvantno stanje.

hadron

Hadron je elementarna čestica koja nije istinski elementarna. Sastoji se od kvarkova, antikvarkova i gluona. Hadron nema naboj u boji i sudjeluje u jakim interakcijama, uključujući nuklearne. Pojam hadron, od grčke riječi adros, znači velik, masivan.

U fizici, elementarne čestice su fizički objekti na razini atomske jezgre koji se ne mogu podijeliti na sastavne dijelove. Međutim, danas su znanstvenici uspjeli razdvojiti neke od njih. Strukturu i svojstva ovih sićušnih objekata proučava fizika čestica.

Najmanje čestice koje čine svu materiju poznate su od davnina. Međutim, utemeljiteljima takozvanog “atomizma” smatraju se starogrčki filozof Leukip i njegov poznatiji učenik Demokrit. Pretpostavlja se da je potonji skovao termin "atom". Sa starogrčkog "atomos" se prevodi kao "nedjeljiv", što određuje poglede antičkih filozofa.

Kasnije je postalo poznato da se atom još uvijek može podijeliti na dva fizička objekta - jezgru i elektron. Potonja je kasnije postala prva elementarna čestica, kada je 1897. Englez Joseph Thomson proveo pokus s katodnim zrakama i otkrio da su to struja identičnih čestica iste mase i naboja.

Paralelno s Thomsonovim radom, Henri Becquerel, koji proučava x-zrake, provodi pokuse s uranom i otkriva novu vrstu zračenja. Godine 1898. francuski par fizičara, Marie i Pierre Curie, proučavali su različite radioaktivne tvari, otkrivši isto radioaktivno zračenje. Kasnije će se ustanoviti da se sastoji od alfa čestica (2 protona i 2 neutrona) i beta čestica (elektrona), a Becquerel i Curie će dobiti Nobelovu nagradu. Tijekom istraživanja s elementima kao što su uran, radij i polonij, Marie Sklodowska-Curie nije poduzela nikakve sigurnosne mjere, uključujući čak ni korištenje rukavica. Zbog toga ju je 1934. godine sustigla leukemija. U znak sjećanja na postignuća velikog znanstvenika, element koji je otkrio bračni par Curie, polonij, nazvan je u čast Marijine domovine - Polonia, od latinskog - Poljska.

Fotografija s V Solvay kongresa 1927. Pokušajte pronaći sve znanstvenike iz ovog članka na ovoj fotografiji.

Od 1905. Albert Einstein svoje je publikacije posvetio nesavršenosti valne teorije svjetlosti, čiji su postulati bili u suprotnosti s rezultatima eksperimenata. Što je kasnije dovelo izvanrednog fizičara do ideje o "kvantu svjetlosti" - dijelu svjetlosti. Kasnije, 1926. godine, američki fizikalni kemičar Gilbert N. Lewis nazvao ga je "foton", u prijevodu s grčkog "phos" ("svjetlost").

Godine 1913. Ernest Rutherford, britanski fizičar, na temelju rezultata tada već provedenih eksperimenata, primijetio je da su mase jezgri mnogih kemijskih elemenata višestruke mase jezgre vodika. Stoga je pretpostavio da je jezgra vodika sastavni dio jezgri drugih elemenata. Rutherford je u svom eksperimentu ozračio atom dušika alfa česticama, koje su kao rezultat emitirale određenu česticu, koju je Ernest nazvao "proton", od drugog grčkog "protos" (prvi, glavni). Kasnije je eksperimentalno potvrđeno da je proton jezgra vodika.

Očito, proton nije jedina komponenta jezgri kemijskih elemenata. Ova ideja je vođena činjenicom da bi se dva protona u jezgri međusobno odbijala, a atom bi se trenutno raspao. Stoga je Rutherford pretpostavio prisutnost druge čestice, koja ima masu jednaku masi protona, ali je nenabijena. Neki eksperimenti znanstvenika o interakciji radioaktivnih i lakših elemenata doveli su ih do otkrića još jednog novog zračenja. Godine 1932. James Chadwick je utvrdio da se sastoji od onih vrlo neutralnih čestica koje je nazvao neutroni.

Tako su otkrivene najpoznatije čestice: foton, elektron, proton i neutron.

Nadalje, otkriće novih subnuklearnih objekata postalo je sve češći događaj, a trenutno je poznato oko 350 čestica koje se općenito smatraju “elementarnim”. Oni od njih koji još nisu podijeljeni smatraju se besstrukturnim i nazivaju se "temeljni".

Što je spin?

Prije nego što se krene naprijed s daljnjim inovacijama u području fizike, moraju se odrediti karakteristike svih čestica. Najpoznatiji, osim mase i električnog naboja, uključuje i spin. Ta se veličina inače naziva "intrinzični kutni moment" i ni na koji način nije povezana s kretanjem subnuklearnog objekta kao cjeline. Znanstvenici su uspjeli otkriti čestice sa spinom 0, ½, 1, 3/2 i 2. Da biste vizualizirali, iako pojednostavljeno, vrtnju kao svojstvo objekta, razmotrite sljedeći primjer.

Neka objekt ima spin jednak 1. Tada će se takav objekt, kada se okrene za 360 stupnjeva, vratiti u prvobitni položaj. U avionu taj objekt može biti olovka, koja će nakon okretanja od 360 stupnjeva završiti u svom prvobitnom položaju. U slučaju nulte vrtnje, bez obzira kako se objekt okreće, uvijek će izgledati isto, na primjer, jednobojna kugla.

Za ½ vrtnje trebat će vam predmet koji zadržava svoj izgled kada se okrene za 180 stupnjeva. To može biti ista olovka, samo simetrično naoštrena s obje strane. Okretanje od 2 će zahtijevati održavanje oblika kada se okrene za 720 stupnjeva, a okretanje od 3/2 će zahtijevati 540.

Ova karakteristika je vrlo važna za fiziku čestica.

Standardni model čestica i interakcija

Imajući impresivan skup mikroobjekata koji čine svijet oko nas, znanstvenici su ih odlučili strukturirati i tako je nastala poznata teorijska struktura nazvana “Standardni model”. Ona opisuje tri interakcije i 61 česticu koristeći 17 fundamentalnih, od kojih je neke predvidjela davno prije otkrića.

Tri interakcije su:

• Elektromagnetski. Javlja se između električki nabijenih čestica. U jednostavnom slučaju, poznatom iz škole, suprotno nabijeni objekti se privlače, a slično nabijeni odbijaju. To se događa preko takozvanog nositelja elektromagnetske interakcije - fotona.
• Jaka, inače poznata kao nuklearna interakcija. Kao što naziv govori, njegovo djelovanje se proteže na objekte reda atomske jezgre; odgovoran je za privlačenje protona, neutrona i drugih čestica koje se također sastoje od kvarkova. Snažnu interakciju nose gluoni.
• Slab. Učinkovito na udaljenostima tisuću manjim od veličine jezgre. U toj interakciji sudjeluju leptoni i kvarkovi, kao i njihove antičestice. Štoviše, u slučaju slabe interakcije, oni se mogu transformirati jedni u druge. Nosioci su bozoni W+, W− i Z0.

Tako je standardni model formiran na sljedeći način. Uključuje šest kvarkova, od kojih se sastoje svi hadroni (čestice podložne snažnoj interakciji):

• Gornji(u);
• Začaran (c);
• istina(t);
• Donji (d);
• Čudno(s);
• Preslatka (b).

Jasno je da fizičari imaju mnogo epiteta. Ostalih 6 čestica su leptoni. To su fundamentalne čestice sa spinom ½ koje ne sudjeluju u jakoj interakciji.

• Elektron;
• Elektronski neutrino;
• mion;
• mionski neutrino;
• Tau lepton;
• Tau neutrino.

I treća skupina Standardnog modela su mjerni bozoni, koji imaju spin jednak 1 i predstavljeni su kao nositelji interakcija:

• Gluon – jak;
• Foton – elektromagnetski;
• Z-bozon - slab;
• W bozon je slab.

To također uključuje nedavno otkrivenu česticu spina 0, koja, jednostavno rečeno, daje inertnu masu svim ostalim subnuklearnim objektima.

Kao rezultat toga, prema standardnom modelu, naš svijet izgleda ovako: sva se materija sastoji od 6 kvarkova koji tvore hadrone i 6 leptona; sve te čestice mogu sudjelovati u tri interakcije, čiji su nositelji baždarni bozoni.

Nedostaci standardnog modela

Međutim, čak i prije otkrića Higgsovog bozona, posljednje čestice predviđene Standardnim modelom, znanstvenici su otišli izvan njegovih granica. Eklatantan primjer za to je tzv. “gravitacijske interakcije”, koja je danas ravnopravna s drugima. Pretpostavlja se da je njegov nositelj čestica sa spinom 2, koja nema masu, a koju fizičari još nisu uspjeli detektirati - "graviton".

Štoviše, Standardni model opisuje 61 česticu, a danas je čovječanstvu već poznato više od 350 čestica. To znači da posao teorijskih fizičara nije gotov.

Klasifikacija čestica

Kako bi im olakšali život, fizičari su grupirali sve čestice ovisno o njihovim strukturnim značajkama i drugim karakteristikama. Razvrstavanje se temelji na sljedećim kriterijima:

• Doživotno.
  1. Stabilan. To uključuje proton i antiproton, elektron i pozitron, foton i graviton. Postojanje stabilnih čestica nije vremenski ograničeno, sve dok su u slobodnom stanju, tj. nemoj komunicirati ni s čim.
  2. Nestabilan. Sve ostale čestice se nakon nekog vremena raspadnu na svoje sastavne dijelove, zbog čega se nazivaju nestabilnim. Na primjer, mion živi samo 2,2 mikrosekunde, a proton - 2,9 10 * 29 godina, nakon čega se može raspasti u pozitron i neutralni pion.
• Težina.
  1. Bezmasene elementarne čestice, kojih ima samo tri: foton, gluon i graviton.
  2. Masivne čestice su sve ostalo.
• Spin značenje.
  1. Cijeli spin, uklj. nula, imaju čestice koje se nazivaju bozoni.
  2. Čestice s polucijelim spinom su fermioni.
• Sudjelovanje u interakcijama.
  1. Hadroni (strukturne čestice) su subnuklearni objekti koji sudjeluju u sve četiri vrste interakcija. Ranije je spomenuto da se sastoje od kvarkova. Hadroni se dijele na dvije podvrste: mezoni (cijeli spin, bozoni) i barioni (polucijeli spin, fermioni).
  2. Fundamentalni (čestice bez strukture). To uključuje leptone, kvarkove i mjerne bozone (pročitajte ranije - “Standardni model..”).

Nakon što ste se upoznali s klasifikacijom svih čestica, možete, primjerice, točno odrediti neke od njih. Dakle neutron je fermion, hadron, bolje rečeno barion i nukleon, odnosno ima polucijeli spin, sastoji se od kvarkova i sudjeluje u 4 interakcije. Nukleon je zajednički naziv za protone i neutrone.

• Zanimljivo je da su Demokritovi protivnici atomizma, koji je predvidio postojanje atoma, tvrdili da je svaka tvar na svijetu podijeljena na neodređeno vrijeme. Donekle bi se moglo pokazati da su u pravu, jer su znanstvenici atom već uspjeli podijeliti na jezgru i elektron, jezgru na proton i neutron, a ove pak na kvarkove.
• Demokrit je pretpostavio da atomi imaju jasan geometrijski oblik, pa stoga "oštri" atomi vatre gore, hrapavi atomi čvrstih tijela čvrsto se drže zajedno svojim izbočinama, a glatki atomi vode klize tijekom interakcije, inače teku.
• Joseph Thomson sastavio je vlastiti model atoma, koji je vidio kao pozitivno nabijeno tijelo u koje se činilo da su elektroni "zaglavljeni". Njegov model je nazvan "Model pudinga od šljiva".
• Kvarkovi su svoje ime dobili zahvaljujući američkom fizičaru Murrayu Gell-Mannu. Znanstvenik je htio upotrijebiti riječ sličnu zvuku pačjeg kvakanja (kwork). No, u romanu Finnegans Wake Jamesa Joycea naišao je na riječ “quark” u stihu “Tri quarks for Mr. Mark!”, čije značenje nije točno definirano i moguće je da ju je Joyce upotrijebio samo radi rime. Murray je odlučio nazvati čestice ovom riječju, budući da su u to vrijeme bila poznata samo tri kvarka.
• Iako su fotoni, čestice svjetlosti, bez mase, čini se da u blizini crne rupe mijenjaju svoju putanju jer ih privlače gravitacijske sile. Zapravo, supermasivno tijelo savija prostor-vrijeme, zbog čega sve čestice, uključujući i one bez mase, mijenjaju putanju prema crnoj rupi (vidi).
• Veliki hadronski sudarač je “hadronski” upravo zato što sudara dva usmjerena snopa hadrona, čestica dimenzija veličine atomske jezgre koje sudjeluju u svim interakcijama.

Početkom 30-ih godina dvadesetog stoljeća fizika je pronašla prihvatljiv opis strukture materije na temelju četiri vrste elementarnih čestica – protona, neutrona, elektrona i fotona. Dodatak pete čestice, neutrina, također je omogućio objašnjenje procesa radioaktivnog raspada. Činilo se da su imenovane elementarne čestice prve cigle svemira.

Ali ova prividna jednostavnost ubrzo je nestala. Ubrzo je otkriven pozitron. Godine 1936. otkriven je prvi mezon među produktima međudjelovanja kozmičkih zraka s materijom. Nakon toga je bilo moguće promatrati mezone drugačije prirode, kao i druge neobične čestice. Ove čestice su vrlo rijetko rođene pod utjecajem kozmičkih zraka. Međutim, nakon što su izgrađeni akceleratori koji su omogućili proizvodnju visokoenergetskih čestica, otkriveno je više od 300 novih čestica.

Što se onda misli pod riječju " elementarni"? "Elementarno" je logičan antipod "kompleksa". Elementarne čestice označavaju primarne, dalje nerazgradive čestice koje čine svu materiju. Do četrdesetih godina već je bio poznat niz transformacija "elementarnih" čestica. Broj čestica nastavlja rasti. Većina ih je nestabilna. Među desecima poznatih mikročestica samo je nekoliko stabilnih i nesposobnih za spontane transformacije. Nije li stabilnost u odnosu na spontane transformacije znak elementarnosti?

Jezgra deuterija (deuteron) sastoji se od protona i neutrona. Kao čestica, deuteron je potpuno stabilan. Pritom je komponenta deuterona, neutron, radioaktivna, tj. nestabilan. Ovaj primjer pokazuje da pojmovi stabilnosti i elementarnosti nisu identični. U modernoj fizici pojam "Elementarne čestice" obično se koriste za imenovanje velike skupine sićušnih čestica materije(koji nisu atomi ili atomske jezgre).

Sve elementarne čestice imaju izuzetno male mase i veličine. Većina njih ima masu reda mase protona (samo je masa elektrona osjetno manja
). Mikroskopske veličine i mase elementarnih čestica određuju kvantne zakone njihova ponašanja. Najvažnije kvantno svojstvo svih elementarnih čestica je sposobnost rađanja i uništavanja (emitiranja i apsorbiranja) u interakciji s drugim česticama.

Poznata su četiri tipa međudjelovanja među česticama, različitih po prirodi: gravitacijski, elektromagnetski, nuklearni, kao i međudjelovanje u svim procesima koji uključuju neutrine. Koje su karakteristike navedene četiri vrste interakcija?

Najjača je interakcija između nuklearnih čestica ("nuklearne sile"). Ova interakcija se obično naziva snažna. Već je navedeno da nuklearne sile djeluju samo na vrlo malim udaljenostima između čestica: radijus djelovanja je oko 10 -13 cm.

Sljedeći najveći je elektromagnetski interakcija. Manje je od snage za dva reda veličine. Ali s udaljenošću se mijenja sporije, poput 1/ r 2, pa je radijus djelovanja elektromagnetskih sila beskonačan.

Slijedi interakcija zbog sudjelovanja neutrina u reakcijama. Po redu veličine, te su interakcije 10 14 puta manje od jakih interakcija. Te se interakcije obično nazivaju slab. Očigledno, raspon djelovanja ovdje je isti kao u slučaju jake interakcije.

Najmanja poznata interakcija je gravitacijski. Manji je od jakog za 39 redova veličine - 10 39 puta! S udaljenošću gravitacijske sile opadaju jednako sporo kao i elektromagnetske sile, pa je i njihov raspon djelovanja beskonačan.

U svemiru glavnu ulogu imaju gravitacijske interakcije jer Raspon djelovanja jakih i slabih interakcija je zanemariv. Elektromagnetske interakcije imaju ograničenu ulogu jer električni naboji suprotnih predznaka teže stvaranju neutralnih sustava. Gravitacijske sile su uvijek privlačne sile. Ne mogu se kompenzirati silom suprotnog znaka, ne mogu se od njih zaštititi. Otuda njihova dominantna uloga u prostoru.

Veličina međudjelovanja također odgovara vremenu potrebnom za izvođenje reakcije izazvane tim međudjelovanjem. Dakle, procesi uzrokovani jakom interakcijom zahtijevaju vrijeme reda veličine 10 -23 sekunde. (reakcija nastaje kada se čestice visoke energije sudare). Vrijeme potrebno za provođenje procesa uzrokovanog elektromagnetskom interakcijom je ~10 -21 sek., slaba interakcija zahtijeva ~10 -9 sek. U reakcijama uzrokovanim interakcijama čestica, gravitacijske sile ne igraju gotovo nikakvu ulogu.

Navedene interakcije su naizgled različite prirode, tj. ne mogu se svesti jedna na drugu. Trenutačno se ne može procijeniti iscrpljuju li te interakcije sve one koje postoje u prirodi.

Klasa elementarnih čestica koje sudjeluju u jakim međudjelovanjima naziva se hadroni (proton, neutron itd.). Klasa čestica koje nemaju jake interakcije nazivaju se leptoni. Leptoni uključuju elektron, mion, neutrino, teški lepton i njihove odgovarajuće antičestice. Antičestice, skup elementarnih čestica koje imaju iste mase i druga fizikalna svojstva kao njihovi “blizanci”, ali se od njih razlikuju po predznaku nekih karakteristika interakcije.(na primjer, električni naboj, magnetski moment): elektron i pozitron, neutrino i antineutrino. Prema suvremenim konceptima, neutrini i antineutrini međusobno se razlikuju po jednoj od kvantnih karakteristika - helicitetu, definiranom kao projekcija spina čestice na smjerove njezina kretanja (momentum). Neutrini imaju spin S orijentiran antiparalelno s pulsom R, tj. pravcima R I S tvore lijevi vijak i neutrino ima lijevu spiralu (slika 6.2). Za antineutrine ovi pravci tvore desni vijak, tj. antineutrini imaju desnokretni helicitet.

Kada se čestica i antičestica sudare, mogu se međusobno uništiti - "uništiti". Na sl. Slika 6.3 prikazuje proces anihilacije elektrona i pozitrona uz pojavu dviju gama zraka. U ovom slučaju poštuju se svi poznati zakoni očuvanja - energije, količine gibanja, kutne količine gibanja i zakona očuvanja naboja. Da bi se stvorio par elektron-pozitron, potrebno je potrošiti energiju ne manju od zbroja vlastitih energija ovih čestica, tj. ~ 10 6 eV. Kada takav par anihilira, ta se energija oslobađa ili sa zračenjem generiranim tijekom anihilacije, ili se raspoređuje među drugim česticama.

Iz zakona očuvanja naboja proizlazi da nabijena čestica ne može nastati bez pojave druge s nabojima suprotnih predznaka (tako da se ukupni naboj cijelog sustava čestica ne mijenja). Primjer takve reakcije je reakcija pretvorbe neutrona u proton uz istovremeni nastanak elektrona i emisiju neutrina.

. (6.9)

Električni naboj se zadržava tijekom ove transformacije. Na isti način se čuva kada se foton transformira u par elektron-pozitron ili kada se isti par rađa kao rezultat sudara dvaju elektrona.

Postoji hipoteza da su sve elementarne čestice kombinacije tri osnovne čestice tzv kvarkovi, i njihove antičestice. Kvarkovi nisu otkriveni u slobodnom stanju (unatoč brojnim potragama za njima na visokoenergetskim akceleratorima, u kozmičkim zrakama iu okolišu).

Nemoguće je opisati svojstva i transformacije mikročestica bez ikakve sistematizacije. Ne postoji sistematizacija zasnovana na strogoj teoriji.

Dvije glavne skupine elementarnih čestica su u snažnoj interakciji ( hadroni) i slabo međusobno djeluju ( leptoni) čestice. Hadroni se dijele na mezoni I barioni. Barioni se dijele na nukleoni I hiperoni. Leptoni uključuju elektrone, mione i neutrine. Ispod su vrijednosti po kojima se klasificiraju mikročestice.

1. Skupno ili barionski broj A. Brojne činjenice opažene u procesu nuklearne fisije i stvaranja para nukleon-antinukleon govore da u svakom procesu broj nukleona ostaje konstantan. Svim barionima je dodijeljen broj A= +1, svakoj antičestici A= –1. Zakon održanja barionskog naboja točno je zadovoljen u svim nuklearnim procesima. Složene čestice imaju višestruke vrijednosti barionskog broja. Svi mezoni i leptoni imaju barionski broj nula.

2. Električni naboj q predstavlja broj jedinica električnog naboja (u jedinicama pozitivnog naboja protona) svojstven čestici.

3. Izotopski spin(nije povezano sa pravim spinom). Sile koje djeluju između nukleona u jezgri gotovo su neovisne o vrsti nukleona, tj. nuklearne interakcije RR, Rn I nn isti su. Ova simetrija nuklearnih sila dovodi do očuvanja veličine koja se naziva izotopski spin. Isospin je očuvan u jakim međudjelovanjima i nije očuvan u procesima uzrokovanim elektromagnetskim i slabim međudjelovanjima.

4. čudnovatost. Kako bi objasnili zašto se neki procesi koji uključuju hadrone ne događaju, M. Gell-Mann i K. Nishijima su 1953. godine predložili uvođenje novog kvantnog broja, koji su nazvali neobičnost. Neobičnost stabilnih hadrona kreće se od –3 do +3 (cijeli brojevi). Neobičnost leptona nije utvrđena. U jakim interakcijama, neobičnost ostaje prisutna.

5. Vrti se. Karakterizira kutni moment spina.

6. Paritet. Unutarnje svojstvo čestice povezano s njezinom simetrijom s obzirom na desnu i lijevu stranu. Donedavno su fizičari vjerovali da nema razlike između desne i lijeve strane. Naknadno se pokazalo da oni nisu ekvivalentni za sve procese slabe interakcije - što je bilo jedno od najiznenađujućih otkrića u fizici.

U klasičnoj fizici materija i fizičko polje bili su suprotstavljeni kao dvije vrste materije. Materija se sastoji od elementarnih čestica; to je vrsta materije koja ima masu mirovanja. Struktura materije je diskretna, dok je struktura polja kontinuirana. Ali kvantna fizika je dovela do niveliranja ove ideje. U klasičnoj fizici smatra se da na čestice djeluju polja sila – gravitacijska i elektromagnetska. Klasična fizika nije poznavala druga područja. U kvantnoj fizici iza polja vide prave nositelje međudjelovanja - kvante tih polja, tj. čestice. Za klasična polja to su gravitoni i fotoni. Kada su polja dovoljno jaka i ima puno kvanta, prestajemo ih razlikovati kao pojedinačne čestice i percipiramo ih kao polje. Nosioci jakih međudjelovanja su gluoni. S druge strane, svaka mikročestica (element materije) ima dualnu čestično-valnu prirodu.