Krzyżówka cząstek elementarnych składająca się z 5 liter rozpoczynających się na literę a. Cząstki elementarne. Standardowy model cząstek i oddziaływań

Ponieważ indeksy ja, k, l we wzorach strukturalnych wartości przebiegają przez 1, 2, 3, 4, liczbę mezonów Mik przy danym spinie powinno być równe 16. Dla barionów Rower maksymalna możliwa liczba stanów dla danego spinu (64) nie jest realizowana, gdyż na mocy zasady Pauliego dla danego spinu całkowitego dopuszczalne są tylko stany trójkwarkowe, które mają dobrze określoną symetrię względem permutacji indeksy ja, k, 1, mianowicie: w pełni symetryczna dla spinu 3/2 i mieszana symetria dla spinu 1/2. Ten warunek jest l = 0 wybiera 20 stanów barionowych dla spinu 3/2 i 20 dla spinu 1/2.

Bardziej szczegółowe badania pokazują, że wartość składu kwarkowego i właściwości symetrii układu kwarkowego pozwala wyznaczyć wszystkie podstawowe liczby kwantowe hadronu ( J, P, B, Q, I, Y, Ch), z wyłączeniem masy; określenie masy wymaga wiedzy o dynamice oddziaływania kwarków i masie kwarków, która nie jest jeszcze dostępna.

Prawidłowe oddanie specyfiki hadronów o najniższych masach i spinach przy zadanych wartościach Y I Ch, Model kwarkowy w naturalny sposób wyjaśnia także ogólną dużą liczbę hadronów i przewagę między nimi rezonansów. Duża liczba hadronów jest odzwierciedleniem ich złożonej budowy i możliwości istnienia różnych stanów wzbudzonych układów kwarkowych. Możliwe jest, że liczba takich stanów wzbudzonych jest nieograniczona. Wszystkie stany wzbudzone układów kwarkowych są niestabilne pod względem szybkich przejść z powodu silnych interakcji ze stanami podstawowymi. Stanowią większość rezonansów. Niewielki ułamek rezonansów składa się również z układów kwarkowych o równoległych orientacjach spinów (z wyjątkiem W -). Konfiguracje kwarków o antyrównoległej orientacji spinu, powiązane z konfiguracją podstawową. stany, tworzą quasi-stabilne hadrony i stabilny proton.

Wzbudzenia układów kwarkowych zachodzą zarówno na skutek zmian ruchu obrotowego kwarków (wzbudzenia orbitalne), jak i na skutek zmian w ich przestrzeniach. lokalizacja (wzbudzenia promieniowe). W pierwszym przypadku wzrostowi masy układu towarzyszy zmiana całkowitego spinu J i parytet R układu, w drugim przypadku przyrost masy następuje bez zmian JP. Na przykład mezony z JP= 2 + to pierwsze wzbudzenie orbitalne ( l = 1) mezony z JP = 1 - . Zgodność mezonów 2 + i 1 - mezonów o identycznych strukturach kwarkowych widać wyraźnie na przykładzie wielu par cząstek:

Mezony r” i y” są przykładami promieniowych wzbudzeń odpowiednio mezonów r i y (patrz.

Wzbudzenia orbitalne i radialne generują sekwencje rezonansów odpowiadające tej samej początkowej strukturze kwarku. Brak wiarygodnych informacji o oddziaływaniu kwarków nie pozwala na razie na ilościowe obliczenia widm wzbudzenia i wyciąganie wniosków na temat możliwej liczby takich stanów wzbudzonych.Formułując model kwarków, kwarki traktowano jako hipotetyczne elementy strukturalne, które otwierają się daje możliwość bardzo wygodnego opisu hadronów. Następnie przeprowadzono eksperymenty, które pozwalają mówić o kwarkach jako o rzeczywistych formacjach materialnych wewnątrz hadronów. Pierwszą z nich były eksperymenty dotyczące rozpraszania elektronów przez nukleony pod bardzo dużymi kątami. Eksperymenty te (1968), przypominające klasyczne eksperymenty Rutherforda dotyczące rozpraszania cząstek alfa na atomach, ujawniły obecność wewnątrz nukleonu formacji naładowanych punktowo. Porównanie danych z tych eksperymentów z podobnymi danymi dotyczącymi rozpraszania neutrin na nukleonach (1973-75) pozwoliło wyciągnąć wniosek na temat średniej kwadratowej wartości ładunku elektrycznego tych formacji punktowych. Wynik okazał się zaskakująco bliski wartości 1/2 [(2/3 mi) 2 +(1 / 3 mi) 2 ]. Badanie procesu powstawania hadronów podczas anihilacji elektronu i pozytonu, który rzekomo przebiega przez sekwencję procesów: ® hadronów, wskazało na obecność dwóch grup hadronów genetycznie związanych z każdym z powstałych kwarków i sprawiło, że możliwe jest określenie spinu kwarków. Okazało się, że jest to 1/2. Całkowita liczba hadronów powstałych w tym procesie wskazuje również, że kwarki trzech odmian pojawiają się w stanie pośrednim, czyli są trójkolorowe.

Tym samym wprowadzone na podstawie rozważań teoretycznych liczby kwantowe kwarków zostały potwierdzone w szeregu eksperymentów. Kwarki stopniowo zyskują status nowych cząstek elektronowych.Jeśli dalsze badania potwierdzą ten wniosek, to kwarki są poważnymi pretendentami do roli prawdziwych cząstek elektronowych dla hadronowej formy materii. Do długości ~ 10 -15 cm kwarki działają jak bezstrukturalne formacje punktowe. Liczba znanych typów kwarków jest niewielka. W przyszłości może to się oczywiście zmienić: nie można zagwarantować, że przy wyższych energiach hadrony o nowych liczbach kwantowych, wynikające z istnienia nowych typów kwarków, nie zostaną odkryte. Wykrycie Y-mezony potwierdzają ten punkt widzenia. Jest jednak całkiem możliwe, że wzrost liczby kwarków będzie niewielki i że ogólne zasady narzucają ograniczenia na całkowitą liczbę kwarków, chociaż te ograniczenia nie są jeszcze znane. Być może brak struktury kwarków odzwierciedla jedynie osiągnięty poziom badań nad tymi formacjami materialnymi. Jednakże szereg specyficznych cech kwarków daje pewne podstawy do przyjęcia, że kwarki są cząstkami, które uzupełniają łańcuch składników strukturalnych materii.

Kwarki różnią się od wszystkich innych cząstek elektronów tym, że nie zaobserwowano ich jeszcze w stanie wolnym, chociaż istnieją dowody na ich istnienie w stanie związanym. Jedną z przyczyn braku obserwacji kwarków może być ich bardzo duża masa, która uniemożliwia ich wytwarzanie przy energiach współczesnych akceleratorów. Możliwe jest jednak, że kwarki zasadniczo, ze względu na specyfikę swojego oddziaływania, nie mogą znajdować się w stanie swobodnym. Istnieją argumenty teoretyczne i eksperymentalne przemawiające za tym, że siły działające pomiędzy kwarkami nie słabną wraz z odległością. Oznacza to, że do oddzielenia kwarków od siebie potrzeba nieskończenie więcej energii, w przeciwnym razie pojawienie się kwarków w stanie swobodnym jest niemożliwe. Brak możliwości wyodrębnienia kwarków w stanie swobodnym czyni z nich zupełnie nowy rodzaj jednostek strukturalnych materii. Nie jest jasne na przykład, czy można podnosić kwestię części składowych kwarków, jeśli samych kwarków nie można obserwować w stanie swobodnym. Możliwe, że w tych warunkach części kwarków w ogóle nie manifestują się fizycznie, dlatego kwarki pełnią rolę ostatniego etapu fragmentacji materii hadronowej.

Cząstki elementarne i kwantowa teoria pola.

Aby opisać właściwości i interakcje cząstek elektronów we współczesnej teorii, niezbędne jest pojęcie fizyki. pole, które jest przypisane do każdej cząstki. Pole jest specyficzną formą materii; jest on opisany funkcją określoną we wszystkich punktach ( X)przestrzeni i posiadające pewne właściwości transformacyjne w odniesieniu do transformacji grupy Lorentza (skalar, spinor, wektor itp.) oraz grup o „wewnętrznych” symetrii (skalar izotopowy, spinor izotopowy itp.). Pole elektromagnetyczne o właściwościach wektora czterowymiarowego A m (x) (m = 1, 2, 3, 4) jest historycznie pierwszym przykładem pola fizycznego. Pola porównywane z cząstkami E. mają charakter kwantowy, to znaczy ich energia i pęd składają się z wielu części. części - kwanty, a energia E k i pęd p k kwantu powiązane są zależnością szczególnej teorii względności: E k 2 = p k 2 do 2 + m 2 do 2 . Każdy taki kwant jest cząstką elektronu o danej energii E k, pędzie p k i masie m. Kwanty pola elektromagnetycznego to fotony, kwanty pozostałych pól odpowiadają wszystkim innym znanym cząstkom elektronów. Pole jest zatem ciałem fizycznym odzwierciedlenie istnienia nieskończonych zbiorów cząstek – kwantów. Specjalny aparat matematyczny kwantowej teorii pola umożliwia opisanie narodzin i zniszczenia cząstki w każdym punkcie x.

Właściwości transformacyjne pola determinują wszystkie liczby kwantowe cząstek E. Właściwości transformacyjne w odniesieniu do transformacji czasoprzestrzennych (grupa Lorentza) determinują spin cząstek. Zatem skalar odpowiada spinowi 0, spinorowi - spinowi 1/2, wektorowi - spinowi 1 itd. Istnienie takich liczb kwantowych jak L, B, 1, Y, Ch oraz dla kwarków i gluonów wynika z "koloru" z właściwości transformacyjnych pól w odniesieniu do transformacji „przestrzeni wewnętrznych” („przestrzeni ładunkowej”, „przestrzeni izotopowej”, „przestrzeni unitarnej” itp.). W szczególności istnienie „koloru” w kwarkach wiąże się ze specjalną „kolorową” przestrzenią jednostkową. Wprowadzenie „przestrzeni wewnętrznych” do aparatu teoretycznego jest w dalszym ciągu zabiegiem czysto formalnym, co jednak może służyć jako wskazówka, że wymiar czasoprzestrzeni fizycznej, odzwierciedlony we właściwościach E. Ch., jest w rzeczywistości większy niż cztery - wymiar czasoprzestrzeni charakterystyczny dla wszystkich makroskopowych procesów fizycznych. Masa elektronu nie jest bezpośrednio związana z właściwościami transformacyjnymi pól; to jest ich dodatkowa cecha.

Aby opisać procesy zachodzące z cząstkami elektronów, należy wiedzieć, w jaki sposób różne pola fizyczne są ze sobą powiązane, czyli znać dynamikę pól. We współczesnym aparacie kwantowej teorii pola informacja o dynamice pól zawarta jest w specjalnej wielkości wyrażonej poprzez pola - Lagrangianu (a dokładniej gęstości Lagrangianu) L. Znajomość L pozwala w zasadzie obliczyć prawdopodobieństwa przejścia z jednego zestawu cząstek do drugiego pod wpływem różnych oddziaływań. Prawdopodobieństwa te dane są przez tzw. macierz rozpraszania (W. Heisenberg, 1943), wyrażona za pomocą L. Lagrangianu L składa się z Lagrangianu L, który opisuje zachowanie wolnych pól, oraz Lagrangianu interakcji, L, zbudowanego z pól różnych cząstek i odzwierciedlającego możliwość ich wzajemne przemiany. Znajomość Lz jest decydująca dla opisu procesów za pomocą E. h.

Poczekaj na załadowanie widżetu osi czasu.
Aby obejrzeć, musi być włączona obsługa JavaScript.

Jeśli silne rozpady grupowano w rejonie joktosekund, elektromagnetyczne w okolicach attosekund, to słabe rozpady „odpowiadały wszystkim” – obejmowały tyle samo 27 rzędów wielkości na skali czasu!

Na skrajnych krańcach tego niewyobrażalnie szerokiego zakresu znajdują się dwa „ekstremalne” przypadki.

Rozpady kwarku górnego i cząstek nośników oddziaływań słabych (bozonów W i Z) występują ok 0,3 jest= 3·10 −25 s. Są to najszybsze rozpady spośród wszystkich cząstek elementarnych i w ogóle najszybsze procesy znane współczesnej fizyce. Okazuje się, że jest tak, ponieważ są to rozpady, w których uwalniana jest największa energia.
Najdłużej żyjąca cząstka elementarna, neutron, żyje około 15 minut. Tak ogromny czas według standardów mikrokosmosu tłumaczy się faktem, że w tym procesie (rozpad beta neutronu na proton, elektron i antyneutrino) następuje bardzo małe uwolnienie energii. To uwolnienie energii jest na tyle słabe, że w odpowiednich warunkach (na przykład wewnątrz jądra atomowego) rozpad ten może już być energetycznie niekorzystny, a wtedy neutron stanie się całkowicie stabilny. Jądra atomowe, cała materia wokół nas i my sami istniejemy tylko dzięki tej niesamowitej słabości rozpadu beta.

Pomiędzy tymi skrajnościami większość słabych rozpadów występuje również mniej więcej zwięźle. Można je podzielić na dwie grupy, które z grubsza nazwiemy: szybkie słabe rozpady i powolne słabe rozpady.

Szybkie to rozpady trwające około pikosekundy. Zaskakujące jest więc, jak rozwinęły się liczby w naszym świecie, że czasy życia kilkudziesięciu cząstek elementarnych mieszczą się w wąskim przedziale wartości od 0,4 do 2 ps. Są to tak zwane urocze i urocze hadrony – cząstki zawierające ciężki kwark.

Pikosekundy są cudowne, są po prostu bezcenne z punktu widzenia eksperymentów na zderzaczach! Faktem jest, że w ciągu 1 ps cząstka będzie miała czas na przebycie jednej trzeciej milimetra, a nowoczesny detektor może z łatwością zmierzyć tak duże odległości. Dzięki tym cząstkom obraz zderzeń cząstek w zderzaczu staje się „łatwy do odczytania” - tutaj doszło do zderzenia i powstania dużej liczby hadronów, a tam, nieco dalej, nastąpiły rozpady wtórne. Czas życia staje się bezpośrednio mierzalny, co oznacza, że możliwe staje się ustalenie, jakiego rodzaju była to cząstka, i dopiero wtedy wykorzystanie tej informacji do bardziej złożonej analizy.

Powolne, słabe rozpady to rozpady rozpoczynające się od setek pikosekund i rozciągające się na cały zakres nanosekund. Obejmuje to klasę tak zwanych „cząstek dziwnych” - licznych hadronów zawierających dziwny kwark. Pomimo swojej nazwy, dla współczesnych eksperymentów wcale nie są one dziwne, a wręcz przeciwnie, są najzwyklejszymi cząsteczkami. Po prostu dziwnie wyglądały w latach 50. ubiegłego wieku, kiedy fizycy nagle zaczęli je odkrywać jedna po drugiej i nie do końca rozumieli ich właściwości. Nawiasem mówiąc, to właśnie obfitość dziwnych hadronów popchnęła fizyków pół wieku temu do idei kwarków.

Z punktu widzenia współczesnych eksperymentów z cząstkami elementarnymi nanosekund to dużo. To tyle, że wyrzucona z akceleratora cząstka po prostu nie ma czasu na rozpad, lecz przebija detektor, zostawiając w nim swój ślad. Oczywiście utknie wówczas gdzieś w materiale detektora lub w otaczających go skałach i tam się rozpadnie. Ale fizyków nie interesuje już ten rozpad; interesuje ich jedynie ślad, jaki ta cząstka pozostawiła wewnątrz detektora. Zatem w przypadku współczesnych eksperymentów takie cząstki wyglądają na prawie stabilne; dlatego nazywa się je terminem „pośrednim” – cząstkami metastabilnymi.

Otóż cząstką najdłużej żyjącą, nie licząc neutronów, jest mion – swego rodzaju „brat” elektronu. Nie uczestniczy w oddziaływaniach silnych, nie ulega rozpadowi pod wpływem sił elektromagnetycznych, zatem pozostają dla niego jedynie oddziaływania słabe. A ponieważ jest dość lekki, żyje przez 2 mikrosekundy – czyli całą epokę w skali cząstek elementarnych.

Wszystkie pięcioliterowe cząstki elementarne są wymienione poniżej. Dla każdej definicji podany jest krótki opis.

Jeśli masz coś do dodania, poniżej znajduje się do Twojej dyspozycji formularz komentarza, w którym możesz wyrazić swoją opinię lub dodać coś do artykułu.

Lista cząstek elementarnych

Foton

Jest to kwant promieniowania elektromagnetycznego, na przykład światła. Światło z kolei jest zjawiskiem, na które składają się strumienie światła. Foton jest cząstką elementarną. Foton ma ładunek neutralny i masę zerową. Spin fotonu jest równy jedności. Foton przenosi oddziaływanie elektromagnetyczne pomiędzy naładowanymi cząstkami. Termin foton pochodzi od greckiego słowa phos, oznaczającego światło.

Phonon

Jest to kwazicząstka, kwant drgań sprężystych oraz przemieszczeń atomów i cząsteczek sieci krystalicznej z położenia równowagi. W sieciach krystalicznych atomy i cząsteczki nieustannie oddziałują, dzieląc się między sobą energią. Pod tym względem prawie niemożliwe jest badanie w nich zjawisk podobnych do wibracji poszczególnych atomów. Dlatego losowe drgania atomów są zwykle rozpatrywane w zależności od rodzaju propagacji fal dźwiękowych wewnątrz sieci krystalicznej. Kwantami tych fal są fonony. Termin phonon pochodzi od greckiego słowa głoska – dźwięk.

Fazon

Fazon fluktuacyjny to kwazicząstka, która jest wzbudzeniem w stopach lub w innym układzie heterofazowym, tworząc studnię potencjału (obszar ferromagnetyczny) wokół naładowanej cząstki, powiedzmy elektronu, i wychwytując ją.

Roton

Jest to kwazicząstka odpowiadająca elementarnemu wzbudzeniu w nadciekłym helu, w obszarze dużych impulsów, związanych z występowaniem ruchu wirowego w nadciekłej cieczy. Roton, przetłumaczony z łaciny, oznacza - wirowanie, wirowanie. Roton pojawia się w temperaturach większych niż 0,6 K i określa wykładniczo zależne od temperatury właściwości pojemności cieplnej, takie jak entropia normalnej gęstości i inne.

Mezon

Jest to niestabilna cząstka nieelementarna. Mezon to ciężki elektron w promieniowaniu kosmicznym.
Masa mezonu jest większa od masy elektronu i mniejsza od masy protonu.

Mezony mają parzystą liczbę kwarków i antykwarków. Do mezonów zaliczają się piony, kaony i inne ciężkie mezony.

twaróg

Jest to elementarna cząstka materii, ale na razie tylko hipotetycznie. Kwarki nazywane są zwykle sześcioma cząstkami i ich antycząstkami (antykwarkami), które z kolei tworzą grupę specjalnych hadronów cząstek elementarnych.

Uważa się, że cząstki biorące udział w oddziaływaniach silnych, takie jak protony, neurony i inne, składają się z ściśle ze sobą powiązanych kwarków. Kwarki stale istnieją w różnych kombinacjach. Istnieje teoria, że kwarki mogły istnieć w formie swobodnej w pierwszych chwilach po Wielkim Wybuchu.

Gluon

Cząstka elementarna. Według jednej z teorii gluony zdają się sklejać ze sobą kwarki, które z kolei tworzą cząstki, takie jak protony i neurony. Ogólnie rzecz biorąc, gluony to najmniejsze cząstki tworzące materię.

Bozon

Bozon-kwazicząstka lub cząstka Bosego. Bozon ma spin zerowy lub całkowity. Nazwa została nadana na cześć fizyka Shatyendranatha Bose. Bozon różni się tym, że nieograniczona liczba może mieć ten sam stan kwantowy.

Hadron

Hadron to cząstka elementarna, która nie jest tak naprawdę elementarna. Składa się z kwarków, antykwarków i gluonów. Hadron nie posiada ładunku barwnego i uczestniczy w oddziaływaniach silnych, w tym także jądrowych. Termin hadron pochodzi od greckiego słowa adros i oznacza duży, masywny.

W fizyce cząstki elementarne były obiektami fizycznymi w skali jądra atomowego, których nie można podzielić na części składowe. Jednak dzisiaj naukowcom udało się rozdzielić część z nich. Strukturę i właściwości tych maleńkich obiektów bada fizyka cząstek elementarnych.

Najmniejsze cząsteczki tworzące całą materię znane są od czasów starożytnych. Za twórców tzw. „atomizmu” uważa się jednak starożytnego greckiego filozofa Leukipposa i jego bardziej znanego ucznia Demokryta. Zakłada się, że to on ukuł termin „atom”. Ze starożytnego greckiego „atomos” tłumaczone jest jako „niepodzielny”, co determinuje poglądy starożytnych filozofów.

Później okazało się, że atom nadal można podzielić na dwa obiekty fizyczne - jądro i elektron. Ta ostatnia stała się później pierwszą cząstką elementarną, gdy w 1897 roku Anglik Joseph Thomson przeprowadził eksperyment z promieniami katodowymi i odkrył, że są one strumieniem identycznych cząstek o tej samej masie i ładunku.

Równolegle z pracą Thomsona Henri Becquerel, który bada promieniowanie rentgenowskie, prowadzi eksperymenty z uranem i odkrywa nowy rodzaj promieniowania. W 1898 roku francuska para fizyków, Maria i Pierre Curie, badała różne substancje radioaktywne, odkrywając to samo promieniowanie radioaktywne. Później odkryto, że składa się z cząstek alfa (2 protony i 2 neutrony) i cząstek beta (elektrony), a Becquerel i Curie otrzymali Nagrodę Nobla. Prowadząc badania z pierwiastkami takimi jak uran, rad i polon, Maria Skłodowska-Curie nie zachowała żadnych środków bezpieczeństwa, w tym nawet nie używała rękawiczek. W rezultacie w 1934 roku zachorowała na białaczkę. Na pamiątkę dokonań wielkiego naukowca odkryty przez parę Curie pierwiastek, polon, został nazwany na cześć ojczyzny Maryi – Polonii, z łac. – Polska.

Zdjęcie z V Kongresu Solvaya 1927. Spróbuj znaleźć na tym zdjęciu wszystkich naukowców z tego artykułu.

Od 1905 roku Albert Einstein poświęcił swoje publikacje niedoskonałości falowej teorii światła, której postulaty pozostawały w sprzeczności z wynikami eksperymentów. Co później doprowadziło wybitnego fizyka do idei „kwantu światła” – porcji światła. Później, w 1926 roku, został nazwany „fotonem”, co przetłumaczono z greckiego „phos” („światło”) przez amerykańskiego chemika fizycznego Gilberta N. Lewisa.

W 1913 roku brytyjski fizyk Ernest Rutherford na podstawie wyników przeprowadzonych już wówczas eksperymentów zauważył, że masy jąder wielu pierwiastków chemicznych są wielokrotnościami masy jądra wodoru. Dlatego przyjął, że jądro wodoru jest składnikiem jąder innych pierwiastków. W swoim eksperymencie Rutherford napromieniował atom azotu cząsteczkami alfa, co w rezultacie wyemitowało pewną cząstkę, nazwaną przez Ernesta „protonem”, spośród innych greckich „protos” (pierwsza, główna). Później potwierdzono eksperymentalnie, że proton jest jądrem wodoru.

Oczywiście proton nie jest jedynym składnikiem jąder pierwiastków chemicznych. Pomysł ten wynika z faktu, że dwa protony w jądrze odpychałyby się nawzajem, a atom natychmiast by się rozpadł. Dlatego Rutherford postawił hipotezę o obecności innej cząstki, która ma masę równą masie protonu, ale nie jest naładowana. Niektóre eksperymenty naukowców dotyczące interakcji pierwiastków radioaktywnych i lżejszych doprowadziły ich do odkrycia kolejnego nowego promieniowania. W 1932 roku James Chadwick ustalił, że składa się on z bardzo neutralnych cząstek, które nazwał neutronami.

W ten sposób odkryto najsłynniejsze cząstki: foton, elektron, proton i neutron.

Co więcej, odkrycie nowych obiektów subjądrowych stało się zjawiskiem coraz częstszym i obecnie znanych jest około 350 cząstek, które są powszechnie uważane za „elementarne”. Te z nich, które nie zostały jeszcze podzielone, są uważane za pozbawione struktury i nazywane są „fundamentalnymi”.

Co to jest spin?

Przed przystąpieniem do dalszych innowacji w dziedzinie fizyki należy określić cechy wszystkich cząstek. Do najbardziej znanych, oprócz masy i ładunku elektrycznego, zalicza się także spin. Wielkość ta nazywana jest inaczej „wewnętrznym momentem pędu” i nie jest w żaden sposób powiązana z ruchem obiektu subjądrowego jako całości. Naukowcom udało się wykryć cząstki o spinie 0, ½, 1, 3/2 i 2. Aby zwizualizować, choć w uproszczeniu, spin jako właściwość obiektu, rozważ następujący przykład.

Niech obiekt będzie miał spin równy 1. Wtedy taki obiekt, obrócony o 360 stopni, powróci do swojego pierwotnego położenia. W samolocie obiektem tym może być ołówek, który po obrocie o 360 stopni znajdzie się w swoim pierwotnym położeniu. W przypadku zerowego obrotu, niezależnie od tego jak obiekt się obróci, zawsze będzie on wyglądał tak samo, np. jednokolorowa kula.

Do ½ obrotu potrzebny będzie przedmiot, który zachowa swój wygląd po obróceniu o 180 stopni. Może to być ten sam ołówek, tylko zaostrzony symetrycznie po obu stronach. Obrót o 2 będzie wymagał zachowania kształtu po obróceniu o 720 stopni, a obrót o 3/2 będzie wymagał 540.

Ta cecha jest bardzo ważna dla fizyki cząstek elementarnych.

Standardowy model cząstek i oddziaływań

Mając imponujący zestaw mikroobiektów składających się na otaczający nas świat, naukowcy postanowili je ustrukturyzować i w ten sposób powstała dobrze znana struktura teoretyczna zwana „Modelem Standardowym”. Opisuje trzy interakcje i 61 cząstek, korzystając z 17 podstawowych, z których część przewidziała na długo przed odkryciem.

Trzy interakcje to:

Elektromagnetyczny. Zachodzi pomiędzy cząstkami naładowanymi elektrycznie. W prostym, znanym ze szkoły przypadku, obiekty naładowane przeciwnie przyciągają się, a obiekty naładowane podobnie odpychają. Dzieje się to poprzez tzw. nośnik oddziaływania elektromagnetycznego – foton.
Silne, inaczej zwane oddziaływaniem jądrowym. Jak sama nazwa wskazuje, swoim działaniem rozciąga się na obiekty rzędu jądra atomowego, odpowiada za przyciąganie protonów, neutronów i innych cząstek, również składających się z kwarków. Oddziaływanie silne przenoszone jest przez gluony.
Słaby. Skuteczny na dystansach o tysiąc mniejszych od rozmiaru rdzenia. W tej interakcji biorą udział leptony i kwarki, a także ich antycząstki. Co więcej, w przypadku słabego oddziaływania, mogą one przechodzić w siebie. Nośnikami są bozony W+, W− i Z0.

Zatem Model Standardowy powstał w następujący sposób. Zawiera sześć kwarków, z których zbudowane są wszystkie hadrony (cząstki podlegające silnemu oddziaływaniu):

Górny (u);
Zaczarowany (c);
prawda(t);
Niższy (d);
Dziwne;
Urocze (b).

Jest oczywiste, że fizycy mają mnóstwo epitetów. Pozostałe 6 cząstek to leptony. Są to cząstki elementarne o spinie ½, które nie biorą udziału w oddziaływaniach silnych.

Elektron;
Neutrino elektronowe;
mion;
Neutrino mionowe;
lepton Tau;
Neutrino Tau.

Trzecią grupą Modelu Standardowego są bozony cechowania, które mają spin równy 1 i są reprezentowane jako nośniki oddziaływań:

Gluon – mocny;
Foton – elektromagnetyczny;
Bozon Z - słaby;
Bozon W jest słaby.

Należą do nich także niedawno odkryta cząstka o spinie 0, która, mówiąc najprościej, nadaje masę obojętną wszystkim innym obiektom subjądrowym.

W rezultacie, zgodnie z Modelem Standardowym, nasz świat wygląda tak: cała materia składa się z 6 kwarków tworzących hadrony i 6 leptonów; wszystkie te cząstki mogą brać udział w trzech oddziaływaniach, których nośnikami są bozony cechowania.

Wady modelu standardowego

Jednak jeszcze przed odkryciem bozonu Higgsa, ostatniej cząstki przewidywanej przez Model Standardowy, naukowcy przekroczyli jego granice. Jaskrawym tego przykładem jest tzw. „interakcja grawitacyjna”, która dzisiaj jest na równi z innymi. Prawdopodobnie jego nośnikiem jest cząstka o spinie 2, która nie posiada masy, a której fizycy nie byli jeszcze w stanie wykryć – „grawiton”.

Co więcej, Model Standardowy opisuje 61 cząstek, a dziś ludzkości znanych jest już ponad 350 cząstek. Oznacza to, że praca fizyków teoretyków się nie skończyła.

Klasyfikacja cząstek

Aby ułatwić im życie, fizycy pogrupowali wszystkie cząstki w zależności od ich cech strukturalnych i innych cech. Klasyfikacja opiera się na następujących kryteriach:

Dożywotni.
1. Stabilny. Należą do nich proton i antyproton, elektron i pozyton, foton i grawiton. Istnienie cząstek stabilnych nie jest ograniczone czasem, o ile znajdują się one w stanie wolnym, tj. nie wchodź z niczym w interakcję.
2. Nietrwały. Wszystkie inne cząstki po pewnym czasie rozpadają się na swoje części składowe, dlatego nazywane są niestabilnymi. Na przykład mion żyje tylko 2,2 mikrosekundy, a proton - 2,9 · 10 * 29 lat, po czym może rozpaść się na pozyton i neutralny pion.
Waga.
1. Bezmasowe cząstki elementarne, których są tylko trzy: foton, gluon i grawiton.
2. Masywne cząstki to cała reszta.
Znaczenie wirowania.
1. Cały obrót, łącznie z zero, mają cząstki zwane bozonami.
2. Cząstki o spinie półcałkowitym to fermiony.
Udział w interakcjach.
1. Hadrony (cząstki strukturalne) to obiekty subjądrowe, które biorą udział we wszystkich czterech typach interakcji. Wspomniano wcześniej, że zbudowane są z kwarków. Hadrony dzielą się na dwa podtypy: mezony (spin całkowity, bozony) i bariony (spin półcałkowity, fermiony).
2. Podstawowy (cząstki bez struktury). Należą do nich leptony, kwarki i bozony cechowania (czytaj wcześniej – „Model Standardowy…”).

Po zapoznaniu się z klasyfikacją wszystkich cząstek można np. dokładnie zidentyfikować niektóre z nich. Zatem neutron jest fermionem, hadronem, a raczej barionem i nukleonem, czyli ma spin półcałkowity, składa się z kwarków i uczestniczy w 4 oddziaływaniach. Nukleon to powszechna nazwa protonów i neutronów.

Co ciekawe, przeciwnicy atomizmu Demokryta, który przewidywał istnienie atomów, twierdzili, że każda substancja na świecie jest podzielona w nieskończoność. W pewnym stopniu mogą okazać się słuszne, skoro naukowcom udało się już podzielić atom na jądro i elektron, jądro na proton i neutron, a te z kolei na kwarki.
Demokryt zakładał, że atomy mają wyraźny kształt geometryczny, dlatego palą się „ostre” atomy ognia, szorstkie atomy ciał stałych są mocno trzymane razem przez swoje występy, a gładkie atomy wody ślizgają się podczas interakcji, w przeciwnym razie płyną.
Joseph Thomson stworzył własny model atomu, który postrzegał jako ciało naładowane dodatnio, w którym wydawało się, że „utknęły” elektrony. Jego model nazwano „modelem puddingu śliwkowego”.
Kwarki zyskały swoją nazwę dzięki amerykańskiemu fizykowi Murrayowi Gell-Mannowi. Naukowiec chciał użyć słowa podobnego do dźwięku kaczego szarlatana (kwork). Jednak w powieści Jamesa Joyce’a Finnegans Wake zetknął się ze słowem „kwark” w wersie „Trzy kwarki dla pana Marka!”, którego znaczenie nie jest dokładnie określone i możliwe, że Joyce użył go po prostu do rymowania. Murray postanowił nazwać cząstki tym słowem, ponieważ w tamtym czasie znane były tylko trzy kwarki.
Chociaż fotony, cząstki światła, są bezmasowe, w pobliżu czarnej dziury wydaje się zmieniać swoją trajektorię, gdy są do niej przyciągane przez siły grawitacyjne. W rzeczywistości supermasywne ciało zagina czasoprzestrzeń, dlatego wszelkie cząstki, w tym te bez masy, zmieniają swoją trajektorię w kierunku czarnej dziury (patrz).
Wielki Zderzacz Hadronów jest „hadronowy” właśnie dlatego, że zderza dwie skierowane wiązki hadronów, cząstek o wymiarach rzędu jądra atomowego, które biorą udział we wszystkich interakcjach.

Na początku lat 30. XX wieku fizyka znalazła akceptowalny opis budowy materii oparty na czterech rodzajach cząstek elementarnych – protonach, neutronach, elektronach i fotonach. Dodanie piątej cząstki, neutrina, umożliwiło również wyjaśnienie procesów rozpadu radioaktywnego. Wydawało się, że nazwane cząstki elementarne były pierwszymi cegiełkami wszechświata.

Jednak ta pozorna prostota szybko zniknęła. Wkrótce odkryto pozyton. W 1936 roku wśród produktów oddziaływania promieni kosmicznych z materią odkryto pierwszy mezon. Następnie można było zaobserwować mezony o różnym charakterze, a także inne niezwykłe cząstki. Cząstki te rodziły się pod wpływem promieni kosmicznych dość rzadko. Jednak po zbudowaniu akceleratorów, które umożliwiły produkcję cząstek o wysokiej energii, odkryto ponad 300 nowych cząstek.

Co w takim razie oznacza słowo „ podstawowy„? „Elementarny” jest logiczną antypodą „złożonego”. Cząstki elementarne oznaczają pierwotne, dalsze nierozkładalne cząstki, z których składa się cała materia. W latach czterdziestych znano już szereg transformacji cząstek „elementarnych”. Liczba cząstek stale rośnie.Większość z nich jest niestabilna Spośród kilkudziesięciu znanych mikrocząstek tylko kilka jest stabilnych i niezdolnych do samoistnych przemian.Czy stabilność w odniesieniu do samoistnych przemian nie jest oznaką elementarności?

Jądro deuteru (deuteron) składa się z protonu i neutronu. Jako cząstka deuteron jest całkowicie stabilny. Jednocześnie składnik deuteronu, neutron, jest radioaktywny, tj. nietrwały. Przykład ten pokazuje, że pojęcia stabilności i elementarności nie są tożsame. We współczesnej fizyce termin Terminu „cząstki elementarne” zwykle używa się do określenia dużej grupy drobnych cząstek materii(które nie są atomami ani jądrami atomowymi).

Wszystkie cząstki elementarne mają wyjątkowo małe masy i rozmiary. Większość z nich ma masę rzędu masy protonu (tylko masa elektronu jest zauważalnie mniejsza
). Mikroskopijne rozmiary i masy cząstek elementarnych determinują kwantowe prawa ich zachowania. Najważniejszą właściwością kwantową wszystkich cząstek elementarnych jest zdolność do narodzin i zniszczenia (emitacji i absorpcji) podczas interakcji z innymi cząstkami.

Znane są cztery rodzaje oddziaływań pomiędzy cząstkami o różnym charakterze: grawitacyjne, elektromagnetyczne, jądrowe oraz oddziaływania we wszystkich procesach z udziałem neutrin. Jakie są cechy czterech wymienionych typów interakcji?

Najsilniejsze jest oddziaływanie między cząsteczkami jądrowymi („siły jądrowe”). Ta interakcja jest zwykle nazywana mocny. Zauważono już, że siły jądrowe działają tylko przy bardzo małych odległościach między cząstkami: promień działania wynosi około 10 -13 cm.

Następnym co do wielkości jest elektromagnetyczny interakcja. Jest mniej niż silny o dwa rzędy wielkości. Ale wraz z odległością zmienia się wolniej, jak 1/ R 2, więc promień działania sił elektromagnetycznych jest nieskończony.

Następnie następuje interakcja wynikająca z udziału neutrin w reakcjach. Jeśli chodzi o wielkość, te interakcje są 10 14 razy rzadsze niż oddziaływania silne. Te interakcje są zwykle nazywane słaby. Najwyraźniej zakres działania jest tutaj taki sam, jak w przypadku silnego oddziaływania.

Najmniejsza znana interakcja to grawitacyjny. Jest mniejszy od silnego o 39 rzędów wielkości - 10 39 razy! Wraz z odległością siły grawitacyjne maleją tak wolno jak siły elektromagnetyczne, więc zasięg ich działania jest również nieskończony.

W kosmosie główną rolę odgrywają oddziaływania grawitacyjne, ponieważ Zasięg działania oddziaływań silnych i słabych jest znikomy. Oddziaływania elektromagnetyczne odgrywają ograniczoną rolę, ponieważ ładunki elektryczne o przeciwnych znakach mają tendencję do tworzenia układów neutralnych. Siły grawitacyjne są zawsze siłami przyciągającymi. Nie można ich zrekompensować siłą przeciwnego znaku, nie można ich przed nimi osłonić. Stąd ich dominująca rola w przestrzeni.

Wielkość sił oddziaływania odpowiada także czasowi potrzebnemu do przeprowadzenia reakcji wywołanej tym oddziaływaniem. Zatem procesy wywołane silnym oddziaływaniem wymagają czasu rzędu 10 -23 sekund. (reakcja zachodzi, gdy zderzają się cząstki o wysokiej energii). Czas potrzebny do przeprowadzenia procesu wywołanego oddziaływaniem elektromagnetycznym wynosi ~10 -21 sek., oddziaływanie słabe ~10 -9 sek. W reakcjach wywołanych oddziaływaniami cząstek siły grawitacyjne nie odgrywają praktycznie żadnej roli.

Wymienione interakcje mają najwyraźniej odmienny charakter, tzn. nie da się ich do siebie redukować. Nie ma obecnie możliwości oceny, czy interakcje te wyczerpują wszystkie te, które występują w przyrodzie.

Klasa cząstek elementarnych uczestniczących w oddziaływaniach silnych nazywa się hadronami (proton, neutron itp.). Klasa cząstek, które nie wykazują silnych oddziaływań, nazywana jest leptonami. Do leptonów zalicza się elektron, mion, neutrino, ciężki lepton i odpowiadające im antycząstki. Antycząstki, zbiór cząstek elementarnych, które mają takie same masy i inne cechy fizyczne jak ich „bliźniaki”, ale różnią się od nich znakiem niektórych cech interakcji(na przykład ładunek elektryczny, moment magnetyczny): elektron i pozyton, neutrino i antyneutrino. Według współczesnych koncepcji neutrina i antyneutrina różnią się od siebie jedną z cech kwantowych – helitycznością, definiowaną jako rzut spinu cząstki na kierunki jej ruchu (pęd). Neutrina mają rotację S zorientowane przeciwnie do impulsu R, tj. wskazówki R I S tworzą lewoskrętną śrubę, a neutrino ma lewoskrętną śrubę (ryc. 6.2). W przypadku antyneutrin kierunki te tworzą śrubę prawoskrętną, tj. antyneutrina mają prawoskrętną helikalność.

Kiedy cząstka i antycząstka zderzają się, mogą zostać wzajemnie zniszczone - "zniszczyć". Na ryc. Rysunek 6.3 przedstawia proces anihilacji elektronu i pozytonu z pojawieniem się dwóch promieni gamma. W tym przypadku przestrzegane są wszystkie znane prawa zachowania - energia, pęd, moment pędu i prawo zachowania ładunków. Aby utworzyć parę elektron-pozyton, konieczne jest wydatkowanie energii nie mniejszej niż suma energii wewnętrznych tych cząstek, tj. ~ 10 6 eV. Kiedy taka para anihiluje, energia ta jest uwalniana albo wraz z promieniowaniem powstałym podczas anihilacji, albo jest rozprowadzana pomiędzy innymi cząstkami.

Z prawa zachowania ładunku wynika, że naładowana cząstka nie może powstać bez pojawienia się innej o ładunkach o przeciwnych znakach (tak, że całkowity ładunek całego układu cząstek nie ulegnie zmianie). Przykładem takiej reakcji jest reakcja przemiany neutronu w proton z jednoczesnym utworzeniem elektronu i emisją neutrina

. (6.9)

Podczas tej transformacji ładunek elektryczny zostaje zachowany. W ten sam sposób zostaje ona zachowana, gdy foton przekształca się w parę elektron-pozyton lub gdy ta sama para rodzi się w wyniku zderzenia dwóch elektronów.

Istnieje hipoteza, że wszystkie cząstki elementarne są kombinacjami trzech cząstek podstawowych, tzw kwarki i ich antycząstki. Nie odkryto kwarków w stanie swobodnym (mimo licznych poszukiwań ich w wysokoenergetycznych akceleratorach, w promieniowaniu kosmicznym i w środowisku).

Nie da się opisać właściwości i przemian mikrocząstek bez jakiejkolwiek systematyzacji. Nie ma systematyzacji opartej na ścisłej teorii.

Dwie główne grupy cząstek elementarnych silnie oddziałują ( hadrony) i słabo oddziałujące ( leptony) cząstki. Hadrony dzielą się na mezony I bariony. Bariony dzielą się na nukleony I hiperony. Do leptonów zaliczają się elektrony, miony i neutrina. Poniżej znajdują się wartości, według których klasyfikowane są mikrocząstki.

1. Luzem lub barionowy numer A. Liczne fakty zaobserwowane w procesie rozszczepienia jądra i powstania pary nukleon-antynukleon sugerują, że w każdym procesie liczba nukleonów pozostaje stała. Wszystkim barionom przypisany jest numer A= +1, do każdej antycząstki A= –1. Prawo zachowania ładunku barionowego jest dokładnie spełnione we wszystkich procesach jądrowych. Cząstki złożone mają wiele wartości liczby barionowej. Wszystkie mezony i leptony mają liczbę barionową równą zero.

2. Ładunek elektryczny Q reprezentuje liczbę jednostek ładunku elektrycznego (w jednostkach ładunku dodatniego protonu) występującego w cząstce.

3. Spin izotopowy(niezwiązane z prawdziwym obrotem). Siły działające pomiędzy nukleonami w jądrze są prawie niezależne od rodzaju nukleonów, tj. oddziaływania jądrowe RR, RN I NN są takie same. Ta symetria sił jądrowych prowadzi do zachowania wielkości zwanej spinem izotopowym. Izospina jest zachowana w oddziaływaniach silnych i nie jest zachowana w procesach wywołanych oddziaływaniami elektromagnetycznymi i słabymi.

4. Niesamowitość. Aby wyjaśnić, dlaczego niektóre procesy z udziałem hadronów nie zachodzą, M. Gell-Mann i K. Nishijima w 1953 roku zaproponowali wprowadzenie nowej liczby kwantowej, którą nazwali dziwnością. Dziwność stabilnych hadronów waha się od –3 do +3 (liczby całkowite). Nie ustalono dziwności leptonów. W silnych interakcjach obcość utrzymuje się.

5. Zakręć. Charakteryzuje spinowy moment pędu.

6. Parytet. Wewnętrzna właściwość cząstki związana z jej symetrią względem prawej i lewej strony. Do niedawna fizycy uważali, że nie ma różnicy między prawą i lewą stroną. Następnie okazało się, że nie są one równoważne dla wszystkich procesów oddziaływań słabych – co było jednym z najbardziej zaskakujących odkryć w fizyce.

W fizyce klasycznej materia i pole fizyczne były sobie przeciwne jako dwa rodzaje materii. Materia składa się z cząstek elementarnych i jest rodzajem materii o masie spoczynkowej. Struktura materii jest dyskretna, natomiast pola jest ciągła. Ale fizyka kwantowa doprowadziła do zniwelowania tego pomysłu. W fizyce klasycznej uważa się, że na cząstki działają pola siłowe – grawitacyjne i elektromagnetyczne. Fizyka klasyczna nie znała innych dziedzin. W fizyce kwantowej za polami widzą prawdziwe nośniki interakcji – kwanty tych pól, czyli tzw. cząsteczki. W przypadku pól klasycznych są to grawitony i fotony. Kiedy pola są wystarczająco silne i kwantów jest dużo, przestajemy rozróżniać je jako pojedyncze cząstki i postrzegamy je jako pole. Nośnikami oddziaływań silnych są gluony. Z drugiej strony każda mikrocząstka (element materii) ma podwójną naturę cząsteczkowo-falową.