Elementarna čestica: što je to? Pojam elementarnih čestica

Elementarne čestice su čestice koje imaju ovaj trenutak nije pronađena unutarnja struktura. Još u prošlom stoljeću atomi su smatrani elementarnim česticama. Njihova unutarnja struktura - jezgre i elektroni - otkrivena je početkom 20. stoljeća. u pokusima E. Rutherforda. Veličina atoma je oko 10 -8 cm, jezgre su desetke tisuća puta manje, a veličina elektrona je vrlo mala. Manje je od 10 -16 cm, kako proizlazi iz modernih teorija i eksperimenata.

Dakle, sada je elektron elementarna čestica. Što se tiče jezgri, njihova unutarnja struktura otkrivena je ubrzo nakon otkrića. Sastoje se od nukleona – protona i neutrona. Jezgre su prilično guste: prosječna udaljenost između nukleona samo je nekoliko puta veća od njihove vlastite veličine. Bilo je potrebno oko pola stoljeća da se otkrije od čega se sastoje nukleoni, iako su se u isto vrijeme pojavile i riješile druge misterije prirode.

Nukleoni se sastoje od tri kvarka, koji su jednako precizni kao i elektron, tj. njihov radijus je manji od 10 -16 cm. Radijus nukleona - veličina područja koje zauzimaju kvarkovi - je oko 10 -13 cm pripadaju velikoj obitelji čestica - bariona, sastavljenih od tri različita (ili identična) kvarka. Kvarkovi se mogu vezati u triplete na različite načine, a to određuje razlike u svojstvima bariona, na primjer, može imati drugačiji spin.

Osim toga, kvarkovi se mogu kombinirati u parove - mezone, koji se sastoje od kvarka i antikvarka. Spin mezona ima cjelobrojne vrijednosti, dok kod bariona ima polucijele vrijednosti. Zajedno se barioni i mezoni nazivaju hadroni.

Kvarkovi nisu pronađeni u slobodnom obliku, a prema trenutno prihvaćenim idejama mogu postojati samo u obliku hadrona. Prije otkrića kvarkova, hadroni su se neko vrijeme smatrali elementarnim česticama (i taj se naziv još uvijek često susreće u literaturi).

Prva eksperimentalna indikacija kompozitne strukture hadrona bili su pokusi raspršenja elektrona na protonima na linearnom akceleratoru u Stanfordu (SAD), što se moglo objasniti samo pretpostavkom prisutnosti nekih točkastih objekata unutar protona.

Ubrzo je postalo jasno da se radi o kvarkovima čije su postojanje teoretičari pretpostavljali još ranije.

Evo tablice modernih elementarnih čestica. Osim šest vrsta kvarkova (samo pet se do sada pojavilo u eksperimentima, ali teoretičari sugeriraju da postoji i šesti), ova tablica prikazuje leptone - čestice kojima pripada elektron. Mion i (u novije vrijeme) t-lepton također su otkriveni u ovoj obitelji. Svaki od njih ima svoj neutrino, pa se leptoni prirodno dijele u tri para e, n e; m, n m ;t, n t .

Svaki od ovih parova kombinira se s odgovarajućim parom kvarkova u četvorku, koja se naziva generacija. Svojstva čestica se ponavljaju iz generacije u generaciju, što je vidljivo iz tablice. Razlikuju se samo mase. Druga generacija je teža od prve, a treća generacija je teža od druge.

Većinom se čestice prve generacije nalaze u prirodi, dok ostale nastaju umjetno na akceleratorima nabijenih čestica ili međudjelovanjem kozmičkih zraka u atmosferi.

Osim kvarkova i leptona sa spinom 1/2, zajednički nazvanih česticama materije, u tablici su prikazane čestice sa spinom 1. To su kvanti polja koje stvaraju čestice materije. Od njih je najpoznatija čestica foton, kvant elektromagnetsko polje.

Takozvani intermedijarni bozoni W+ i W-, koji imaju vrlo velike mase, nedavno su otkriveni u eksperimentima na sudaranju R-zrake na energijama od nekoliko stotina GeV. To su nositelji slabih interakcija između kvarkova i leptona. I konačno, gluoni su nositelji snažnih interakcija između kvarkova. Kao i sami kvarkovi, gluoni se ne nalaze u slobodnom obliku, već se pojavljuju u srednjim fazama reakcija stvaranja i anihilacije hadrona. Nedavno su detektirani hadronski mlazovi koje stvaraju gluoni. Budući da se sva predviđanja teorije kvarkova i gluona - kvantne kromodinamike - slažu s iskustvom, malo je sumnje u postojanje gluona.

Čestica sa spinom 2 je graviton. Njegovo postojanje proizlazi iz Einsteinove teorije gravitacije, principa kvantne mehanike i teorije relativnosti. Eksperimentalno će biti izuzetno teško detektirati graviton, jer on vrlo slabo djeluje s materijom.

Na kraju, tablica s upitnikom prikazuje čestice sa spinom 0 (H-mezoni) i 3/2 (gravitino); nisu eksperimentalno otkriveni, ali se njihovo postojanje pretpostavlja u mnogim modernim teorijskim modelima.

Elementarne čestice

vrtjeti	0?	1/2				1				3/2	2?
Ime	Higgsove čestice	Čestice materije				Kvanti polja
		kvarkovi		leptoni		foton	vektorski bozoni		gluon	gravitino	graviton
simbol	H	u	d	n e	e	g	Z	W	g
(težina)	(?)	(?)	(0,5)	(0)	(~95 GeV)	(~80 GeV)	(?)	(?)
simbol	S	s	n m	m
(težina)	(0?)	(106)
simbol	t	b	n t	t
(težina)	(0?)	(1784)
Barionski naboj	0	1/3	1/3	0	0	0	0	0	0	0	0
Električno punjenje	0, ±1	2/3	1/3	0	-1	0	0	±1	0	0	0
boja	-	3	3	-	-	-	-	-	8	-	-

hadroni - uobičajeno ime za čestice koje sudjeluju u jakim interakcijama . Ime dolazi od grčke riječi koja znači "jak, velik". Svi hadroni se dijele u dvije velike skupine - mezone i barione.

Barioni(od grčke riječi koja znači "teški") su hadroni s polucijelim spinom . Najpoznatiji barioni su proton i neutron . Barioni također uključuju niz čestica s jednom imenovanim kvantnim brojem neobičnost. Lambda barion (L°) i porodica sigma bariona (S - , S+ i S°) imaju jedinicu neobičnosti. Indeksi +, -, 0 označavaju predznak električnog naboja ili neutralnost čestice. Xi barioni (X - i X°) imaju dvije jedinice neobičnosti. Baryon W - ima neobičnost jednaku tri. Mase navedenih bariona su otprilike jedan i pol puta veće od mase protona, a njihovo karakteristično vrijeme života je oko 10 -10 s. Podsjetimo, proton je praktički stabilan, a neutron živi više od 15 minuta. Čini se da su teži barioni vrlo kratkog vijeka, ali na razini mikrokozmosa to nije slučaj. Takva čestica, čak i krećući se relativno sporo, brzinom od recimo 10% brzine svjetlosti, uspije prijeći udaljenost od nekoliko milimetara i ostaviti trag u detektoru čestica. Jedno od svojstava bariona koje ih razlikuje od drugih vrsta čestica je prisutnost očuvanog barionskog naboja. Ova je veličina uvedena kako bi se opisala eksperimentalna činjenica postojanosti u svim poznatim procesima razlike između broja bariona i antibariona.

Proton- stabilna čestica iz klase hadrona, jezgra atoma vodika. Teško je reći koji događaj treba smatrati otkrićem protona: uostalom, kao vodikov ion, poznat je već dugo vremena. Stvaranje planetarnog modela atoma E. Rutherforda (1911.), otkriće izotopa (F. Soddy, J. Thomson, F. Aston, 1906.-1919.) i promatranje jezgri vodika izbačenih alfa česticama. iz jezgri dušika odigrao je ulogu u otkriću protona (E. Rutherford, 1919). Godine 1925. P. Blackett je dobio prve fotografije tragova protona u komori oblaka (vidi Detektori nuklearnog zračenja), potvrđujući otkriće umjetne transformacije elemenata. U tim pokusima, alfa česticu uhvatila je jezgra dušika, koja je emitirala proton i pretvorila se u izotop kisika.

Zajedno s neutronima, protoni čine atomske jezgre svih kemijski elementi, a broj protona u jezgri određuje atomski broj danog elementa. Proton ima pozitivan električni naboj jednak elementarnom naboju, tj. apsolutnoj vrijednosti naboja elektrona. Ovo je eksperimentalno potvrđeno s točnošću od 10 -21. Masa protona m p = (938,2796 ± 0,0027) MeV ili ~ 1,6-10 -24 g, tj. proton je 1836 puta teži od elektrona! S moderne točke gledišta, proton nije istinski elementarna čestica: sastoji se od dvoje u-kvarkovi s električnim nabojem +2/3 (u jedinicama elementarni naboj) i jedan d-kvark s električnim nabojem -1/3. Kvarkovi su međusobno povezani izmjenom drugih hipotetskih čestica – gluona, kvanta polja koje nosi jake interakcije. Podaci iz eksperimenata u kojima su razmatrani procesi raspršenja elektrona na protonima doista ukazuju na prisutnost točkastih centara raspršenja unutar protona. Ti su pokusi u određenom smislu vrlo slični Rutherfordovim pokusima koji su doveli do otkrića atomske jezgre. Biće kompozitna čestica, proton ima konačnu veličinu od ~ 10 -13 cm, iako se, naravno, ne može prikazati kao čvrsta lopta. Umjesto toga, proton nalikuje oblaku s nejasnim granicama, koji se sastoji od stvorenih i uništenih virtualnih čestica.

Proton, kao i svi hadroni, sudjeluje u svakoj od temeljnih interakcija. Tako. jake interakcije vežu protone i neutrone u jezgri, elektromagnetske interakcije vežu protone i elektrone u atomima. Primjeri slabih međudjelovanja su beta raspad neutrona ili unutarnuklearna transformacija protona u neutron uz emisiju pozitrona i neutrina (za slobodni proton takav proces je nemoguć zbog zakona održanja i transformacije energije, budući da neutron ima nešto veću masu). Spin protona je 1/2. Hadroni s polucijelim spinom nazivaju se barioni (od grčke riječi koja znači "teški"). Barioni uključuju proton, neutron, različite hiperone (L, S, X, W) i brojne čestice s novim kvantnim brojevima, od kojih većina još nije otkrivena. Za karakterizaciju bariona uveden je poseban broj - barionski naboj, jednak 1 za barione, - 1 - za antibarione i O - za sve ostale čestice. Barionski naboj nije izvor barionskog polja; uveden je samo da bi se opisali uzorci uočeni u reakcijama s česticama. Ovi obrasci su izraženi u obliku zakona o očuvanju barionskog naboja: razlika između broja bariona i antibariona u sustavu je očuvana u bilo kojoj reakciji. Očuvanje barionskog naboja onemogućuje raspad protona, jer je on najlakši od svih bariona. Ovaj je zakon empirijske prirode i, naravno, mora se eksperimentalno ispitati. Točnost zakona očuvanja naboja bariona karakterizira stabilnost protona, čija eksperimentalna procjena životnog vijeka daje vrijednost ne manju od 1032 godine.

1. Prve predodžbe o građi tvari

Prve teorije o strukturi materije postavljene su jako davno. Slavni grčki znanstvenik Thales, koji je živio prije 2600 godina, cijeli je život pokušavao shvatiti problem strukture svijeta. Njegovo znanje o geometriji i astronomiji bilo je nevjerojatno. Mogao je pratiti sve lunarne i solarne cikluse i čak ih je predvidio pomrčina Sunca. Može se zamisliti kakvo je uzbuđenje i strah izazvalo prije dvije i pol tisuće godina. Ali glavna je Talesova zasluga što je prvi postavio pitanje praelemenata svijeta. On je prvi ugledao stubište koje vodi u dubinu tvari.

Tales je vjerovao da je voda osnova svih stvari. Tvrdio je da ako kondenzirate vodu, dobit ćete krutine, ako isparite vodu, dobit ćete zrak, pa čak i Zemlja pluta u vodi, poput komada drveta

Empedoklo iz Agrigenta u svojim je spisima potkrijepio postojanje četiri elementa: vatre, zraka, vode i zemlje; tvrdeći da se sve ostalo sastoji od njih, a sami elementi su ujedinjeni silama međudjelovanja (“stimulansima kretanja”): ljubavlju koja spaja, i neprijateljstvom koje ih razdvaja.

U 5. stoljeću PRIJE KRISTA. Sljedbenici Talesa - Leukip i njegov učenik Demokrit, izrazili su gledište da se sve sastoji od najmanjih čestica - atoma. Preskočili su korak molekula i odmah zakoračili na korak njihovih komponenti. Tako su došli do atoma dvije tisuće godina prije nego što je kao takav otkriven. "Atom" na grčkom znači nedjeljiv. Prema Leukipu i Demokritu, atomi- beskonačan broj čvrstih, nedjeljivih čestica. Poput sjemena biljaka, atomi mogu biti raznih oblika - okrugli, piramidalni, ravni i tako dalje. Stoga je svijet koji se od njih sastoji neiscrpno bogat svojim svojstvima i kvalitetama. Pripijeni jedno uz drugo kuke, atomi tvore čvrste tvari. S druge strane, atomi vode su glatki i skliski, pa se širi i nema oblik. Atomi viskoznih tekućina imaju neravnine, zrak je praznina s rijetkim jurećim atomima, dok vatra ima oštre i bodljikave atome.

Do početka 18.st. atomska teorija dobiva sve veću popularnost. Do tog vremena, radovi francuskog kemičara A. Lavoisiera (1743-1794), ruskog znanstvenika M.V. Lomonosov i engleski kemičar i fizičar D. Dalton (1766.-1844.) bio je dokazana je realnost postojanja atoma. Izvanredni ruski kemičar D.I. također je odigrao veliku ulogu u razvoju atomske teorije. Mendeljejev, koji je razvio 1869 periodni sustav elemenata, u kojem je prvi put na znanstvenoj osnovi postavljeno pitanje jedinstvene prirode atoma. U drugoj polovici 19.st. eksperimentalno je dokazano da elektronjedan je od glavnih dijelova svake tvari. Ovi zaključci, kao i brojni eksperimentalni podaci, doveli su do toga da je početkom 20.st. ozbiljno se postavilo pitanje o struktura atom.

Prvi posredni dokaz složene strukture atoma dobiven je proučavanjem katodnih zraka koje nastaju tijekom električnog izboja u visoko razrijeđenim plinovima. Proučavanje svojstava ovih zraka dovelo je do zaključka da se radi o struji sićušnih čestica koje nose negativan električni naboj i lete brzinom bliskom brzini svjetlosti. Specijalne tehnike Bilo je moguće odrediti masu katodnih čestica i veličinu njihova naboja, te ustanoviti da oni ne ovise ni o prirodi plina koji ostaje u cijevi, ni o tvari od koje su elektrode načinjene, ni u drugim eksperimentalnim uvjetima. Štoviše, čestice katode poznate su samo u nabijenom stanju i ne mogu im se oduzeti naboji i pretvoriti u električki neutralne čestice: električni naboj je bit njihove prirode. Ove čestice, tzv elektroni, otkrio je 1897. engleski fizičar J. Thomson. Thomsonov model atoma nije pretpostavljao pozitivno nabijene čestice unutar atoma. Ali kako onda možemo objasniti emisiju pozitivno nabijenih alfa čestica od strane radioaktivnih tvari? Thomsonov atomski model nije odgovorio na neka druga pitanja.

Godine 1911. engleski fizičar E. Rutherford, proučavajući kretanje alfa čestica u plinovima i drugim tvarima, otkrio je pozitivno nabijeni dio atom. Daljnja temeljitija istraživanja pokazala su da kada snop paralelnih zraka prolazi kroz slojeve plina ili tanku metalnu ploču, više ne izlaze paralelne zrake, već donekle divergentne: dolazi do raspršenja alfa čestica, tj. njihovo odstupanje od prvobitnog puta. Kutovi otklona su mali, ali uvijek postoji mali broj čestica (otprilike jedna u nekoliko tisuća) koje odstupaju vrlo jako. Neke se čestice odbacuju kao da su naišle na neprobojnu barijeru. Otklon se može dogoditi pri sudaru s pozitivnim česticama čija je masa istog reda kao i masa alfa čestica. Na temelju ovih razmatranja Rutherford je predložio sljedeći dijagram strukture atoma. U središtu atoma je jezgra, koji se sastoji od pozitivno nabijenih čestica - protoni, oko koje elektroni rotiraju u različitim orbitama. Centrifugalna sila koja nastaje tijekom njihove rotacije uravnotežuje se privlačenjem između jezgre i elektrona, zbog čega oni ostaju na određenim udaljenostima od jezgre. Budući da masa elektrona beznačajno malen, tada je gotovo sva masa atoma koncentrirana u njegovoj jezgri.

Početkom 30-ih godina našeg stoljeća moderna znanost uspio pronaći prihvatljiviji opis strukture materije na temelju četiri vrste elementarnih čestica - protoni, neutroni, elektroniI fotoni. Bila je to iznimno jednostavna i atraktivna shema: pomoću samo četiri vrste elementarnih čestica, slijedeći zakone kvantne mehanike, bilo je moguće objasniti prirodu kemijskih elemenata, njihovih spojeva i zračenja koje emitiraju. Dodavanje pete čestice - neutrino- također omogućio objašnjenje procesa radioaktivnog raspada. Činilo se da su imenovane elementarne čestice u konačnici glavne cigle svemira.

Ali ova prividna jednostavnost ubrzo je nestala. Manje od godinu dana nakon otkrića neutrona, on je otkriven pozitron. Godine 1936. među produktima interakcije kozmičkih zraka s materijom otkriven je prvi mezon. Godine 1947. otkrivena je druga vrsta mezona, a ubrzo nakon toga bilo je moguće promatrati mezone drugačije prirode, kao i druge neobične čestice. Te su se čestice rađale pod utjecajem kozmičkih zraka tako rijetko da je u početku bilo nemoguće provesti detaljna istraživanja njihovih svojstava i međudjelovanja. Međutim, nakon što su izgrađeni akceleratorima, što je omogućilo dobivanje čestica sve viših energija, bilo je moguće ne samo provesti niz takvih istraživanja, već i istovremeno otkriti mnoge nove čestice.

Trenutno je poznato više od stotinu različitih mezona i drugih čestica čudnih svojstava. Cijeli ovaj skup čestica obično se naziva "elementarne čestice". Ovaj izraz ne znači da su te čestice cigle svemira u smislu da sve tvore atome: protoni, neutroni i elektroni sasvim se zadovoljavajuće nose s tim zadatkom. Međutim, te čestice proizlaze iz međudjelovanja osnovnih čestica obična tvar, a mnogi od njih su izravno ili neizravno uključeni u temeljne interakcije u običnoj materiji. Njihove mase kreću se od 200 masa elektrona do masa nekoliko puta većih od mase protona. Postojanje svih ovih novih čestica je kratkotrajno, nijedna od njih ne traje dulje od nekoliko mikrosekundi, a mnoge se čestice raspadnu nakon otprilike 10 na -20-tu potenciju sekunde nakon formiranja (oni se nazivaju rezonancije). Krajnji produkti raspada ovih čestica su obični sastojci materije, tj. protona, elektrona i fotona, kao i neutrina.

2. Klasifikacija elementarnih čestica

Sva bezbrojna raznolikost životinjskog svijeta može se podijeliti u četiri carstva: životinje, biljke, gljive, bakterije. Svi procesi koji se danas promatraju svode se na samo četiri vrste interakcija: gravitacijsku, elektromagnetsku, jaku i slabu. Na isti način mogu se klasificirati i elementarne čestice.

Leptoni

Leptoni su elementarne čestice sa spinom 1/2 koje ne sudjeluju u jakim međudjelovanjima. Poznata su tri nabijena leptona: elektron, mion i tau-lepton - i tri neutralna: elektronski neutrino, mion neutrino i tau-neutrino. Svaka od ovih čestica ima odgovarajuću antičesticu.

Elektromagnetske interakcije proizvode parove nabijenih leptona. U slabim raspadima, svaki od nabijenih leptona rađa se u pratnji "vlastitog" antineutrina. Pretpostavlja se da svi leptoni imaju određeni specifični kvantni broj - leptonski broj jednak +1, a svi antileptoni - leptonski broj jednak -1. Ovaj broj ostaje ista u svim do sada promatranim procesima. Procesi u kojima se očekuje neodržavanje leptonskog broja: raspad protona, dvostruko ?-raspad, oscilacije neutrina. Mion i t-lepton se raspadaju zbog slabe interakcije. Elektron je stabilan.

Riječ "lepton" dolazi od grčke riječi "leptos" - mali, uzak (usporedite: grinja - mali grčki novčić).

razlikovati tri generacije leptona: prva generacija: elektron, elektronski neutrino; druga generacija: mion, mionski neutrino; treća generacija: tau lepton, tau neutrino. Plus podudaranje antičestice. Dakle, svaka generacija uključuje negativno nabijen (s nabojem?1e) lepton, pozitivno nabijen (s nabojem +1e) antilepton i neutralne neutrine i antineutrine. Svi oni imaju masu različitu od nule, iako je masa neutrina vrlo mala u usporedbi s masama drugih elementarnih čestica.

Hadroni

Hadroni su čestice uključene u jake interakcije. Hadroni s cijelim brojem spina nazivaju se mezoni, s polucijelim brojem - barioni. Poznato je nekoliko stotina hadrona.

Većina hadrona je izrazito nestabilna - to su takozvane rezonancije: raspadaju se u lakše hadrone kroz jake interakcije. Životni vijek rezonancija je manji od 10 do -21 sekunde.

Kvazistabilni hadroni žive puno duže i raspadaju se kroz slabe i elektromagnetske interakcije. Konačni produkti raspada kvazistabilnih mezona su lakši mezoni, leptoni i fotoni te, ako su mezoni u raspadu dovoljno teški, parovi barion + antibarion.

Najlakši barioni (proton i neutron) nazivaju se nukleoni. Teži kvazistabilni barioni nazivaju se hiperoni. Krajnji produkti raspada hiperona su leptoni, fotoni, mezonii definitivno nukleon.

Atomske jezgre sastoje se od protona i neutrona. Ostali hadroni su dio stabilne materije koja nas okružuje nije uključeno, rađaju se u sudarima čestica visokih energija. Izvori ovih čestica su akceleratori i kozmičke zrake. Prema modernim konceptima, hadroni nisu istinski elementarne čestice: oni se sastoje od kvarkova.

Riječ "hadron" dolazi od grčke riječi "hadros" - masivan, jak, velik. A u ovom trenutku hadroni jesu najbrojniji razred

Kvarkovi

Dalje, pitanja postaju prilično sustavna: “Što je kvark? I je li kvark uistinu elementarna čestica?” O njima je napisan ogroman broj radova, njima se bave neki od najistaknutijih znanstvenika i istraživača, a naravno da u ovom eseju nemam priliku opisati ni tisućiti dio trenutno dostupnih informacija. o kvarkovima. Ali ipak ću pokušati, iako u gruboj aproksimaciji, ali ipak ću odgovoriti na ova pitanja, pozivajući se na rad različitih znanstvenika i istraživačkih grupa. Zatim će biti predstavljeno nekoliko teorija o kvarkovima koje sam izdvojio iz publikacija najpoznatijih znanstvenika u ovom području i poredao ih kronološkim redom.

“Jedna od zanimljivih shema za opisivanje elementarnih čestica je model kvarka - još jedan izum M. Gell-Mann.Ovaj model pretpostavlja da su sve elementarne čestice kombinacije tri glavne čestice(nazvani kvarkovi) i njihove antičestice. Kvarkovi imaju neobična svojstva: električni naboj jednak ± 1/3e ili ± 2/3e i barionski naboj jednak ± 1/3. Dakle, osnovna svojstva kvarkova nisu slična svojstvima drugih čestica. Međutim, različite kombinacije ovih hipotetskih čestica reproduciraju svojstva svih poznatih hadrona s nevjerojatnom točnošću.

Osim toga, model kvarkova uspješno je reproducirao kvalitativno poznata vremena života, magnetske momente i tipove raspada elementarnih čestica. Jesu li kvarkovi stvarni ili model kvarkova služi samo kao prikladno sredstvo za opisivanje elementarnih čestica, ali je lišen stvarnosti? fizičko značenje? Ovo je za sada nepoznato.

Iako je kvarkov model bio iznimno uspješan u objašnjenju niza svojstava hadrona, još uvijek je u vrlo nezadovoljavajućem stanju. Možda ćemo na kraju moći opisati sve snažne procese koristeći samo tri kvarka i njihove antičestice, umjesto da se moramo baviti "zoološkom zbirkom" koja sadrži oko stotinu primjeraka čestica. Ali prije nego što to bude moguće, moraju se otkriti kvarkovi i proučiti njihova svojstva. Eksperimenti o raspršenju brzih elektrona na nukleonima ukazuju na postojanje određene duljine, male u usporedbi s 10~14 cm, koja bi trebala igrati važnu ulogu u strukturi nukleona. Možda ih ima unutar nukleona mali objekti – možda kvarkovi.»

“Kvarkovi su čestice sa spinom 1/2 koje su sastavni elementi hadrona. Poznati kvarkovi šest varijanti (okusa), njih tri - dolje, čudno, ljepotica, imaju električni naboj -1/3, a ostale, gore, šarm, istina, imaju naboj -2/3.

Prema kvantna kromodinamika, jake interakcije između kvarkova posljedica su prisutnosti specifičnih naboja u boji u kvarkovima. Kvarkovi svakog okusa postoje u tri različite varijante boja: "žuta", "plava"I "Crvena". Kvark jedne boje može se transformirati u kvark druge boje, emitirajući obojeni gluon. Interakciju između kvarkova provodi gluonska izmjena. Kvarkovi se nalaze u hadronima u takvim stanjima boje da ukupni naboj boje hadrona jednaka nuli. Stoga se za hadrone kaže da su bezbojni ili bijeli.

Iako je grupa Sveučilišta Stanford izvjestila o opažanjima slobodnih frakcijski nabijenih čestica niz godina, eksperimenti drugih grupa u potrazi za slobodnim kvarkovima dali su negativne rezultate, a većina fizičara je skeptična prema ideji da slobodni kvarkovi postoje. U okviru kvantne kromodinamike postoji hipoteza o zatvorenost(njegova valjanost još nije dokazana), prema kojoj obojene čestice (kvarkovi i gluoni i njihove kombinacije boja) u načelu ne mogu postojati u slobodnom stanju.

Prvi, neizravni, dokaz o postojanju kvarkova dobiven je na temelju klasifikacije hadrona. Nakon toga, u eksperimentima na duboko neelastičnoU interakciji leptona s hadronima zabilježeni su izravni sudari leptona s pojedinačnim kvarkovima. Ovi se sudari događaju duboko u hadronu i traju vrlo kratko vrijeme, tijekom kojeg kvark nema vremena za razmjenu gluona s drugim kvarkovima i međudjeluje gotovo kao slobodna čestica. Što je veći preneseni impuls, tj. manje su udaljenosti na kojima se lepton sudara s kvarkom, što kvark izgleda slobodnije. Ovo svojstvo, koje je posljedica asimptotske slobode, znači da kvarkovi nisu kvazičestice, niti nekakva kolektivna pobuđenja hadronske materije, već su, poput leptona, uistinu elementarne čestice. Moguća neelementarna priroda kvarkova, poput leptona, može se otkriti samo s daljnjim radom dublji prodor unutraove čestice, tj. s još većim prenesenim impulsima.

Pojam "kvark" uveo je 1964. Gell-Mann i preuzet je iz romana "Finniganovo bdjenje" Jamesa Joycea (junak ima san u kojem galebovi viču: "Tri kvarka za učitelja Marka"). Na njemačkom "quark" znači svježi sir."

“Prema standardnom modelu - najboljoj teoriji o strukturi materije danas - kvarkovi se kombiniraju i tvore čitav niz hadrona. Interakcija između kvarkova opisana je teorijom kvantna kromodinamika (skraćeno QCD). Prema ovoj teoriji, kvarkovi međusobno djeluju, razmjenjujući posebne čestice - gluoni.

QCD razvija ideje prve uspješne teorije iz niza mjernih teorija - kvantna elektrodinamika ili QED. Prema QED-u, elektromagnetska sila između električki nabijenih čestica nastaje kao rezultat izmjene fotoni (kvanti svjetlosti). QCD je strukturiran na sličan način, samo umjesto električnih naboja, interakcije između kvarkova uzrokovane su posebnom vrstom svojstva, koje znanstvenici nazivaju boja. Može imati tri značenja ili, ako želite, tri nijanse. Znanstvenici ih konvencionalno nazivaju crvena, žuta i plava, ali ove izraze ne treba shvatiti doslovno. Boja je svojstvena samo kvarkovima, ali ne i barionima i mezonima koji ih sadrže. Barioni (koji uključuju, posebice, proton i neutron) sastoje se od tri kvarka - crvenog, žutog i plavog - čije se boje međusobno poništavaju. A mezoni su iz para “kvark + antikvark” pa su i bezbojni. Općenito, u QCD-u postoji princip prema kojem kvarkovi u prirodi mogu tvoriti samo takve kombinacije, čija je ukupna boja neutralna.

Interakcija između kvarkova odvija se preko osam vrsta čestica koje se nazivaju gluoni (od engleskog glue - "ljepilo, ljepilo"; čini se da gluoni "lijepe" kvarkove zajedno). Oni su ti koji izvode posrednici u jakim interakcijama. Međutim, za razliku od fotona u QED-u, koji nemaju električni naboj, gluoni ga imaju vlastiti naboj bojea oni mogu promijeniti boju kvarkovas kojima su u interakciji. Na primjer, ako se pri apsorpciji gluona plavi kvark pretvori u crveni, to znači da je gluon nosio jedinični pozitivni naboj crvene boje i jedinični negativni naboj plava. Budući da se ukupni naboj boje kvarka ne mijenja, takve interakcije u okviru QCD-a su dopuštene, pa čak i potrebne.

QCD djeluje od ranih 1980-ih i od tada uspješno prošaocijeli niz eksperimentalnih testova - do sada su sva njezina predviđanja o rezultatima sudara visokoenergetskih elementarnih čestica potvrđena stvarnim podacima dobivenim na akceleratorima.”

Nakon što smo razmotrili vrste elementarnih čestica, bilo bi pogrešno ne istražiti interakcije kojima su te čestice podložne. U okviru “Standardne teorije” postoje ih četiri, ali prateći temu ovog rada potrebno je razmotriti samo njih dvije.

3. Interakcije čestica

čestica atom elementary quark

Najvažnije pitanje u fizici je pitanje međudjelovanja. Kad ne bi bilo međudjelovanja, tada bi se čestice materije kretale neovisno, nesvjesne postojanja drugih čestica. Zahvaljujući interakcijama, čestice stječu sposobnost prepoznavanja drugih čestica i reagiranja na njih, što dovodi do kolektivnog ponašanja. Jer svi materija se sastoji od čestica, za objašnjenje prirode sila potrebno je, u konačnici, okrenuti se fizici elementarnih čestica. Učinivši to, fizičari su otkrili da se sve interakcije, bez obzira na to kako se manifestiraju u velikim razmjerima, mogu svesti na četiri temeljna tipa: gravitacijski, elektromagnetski i dva nuklearna tipa.

Na razini kvarkova oni dominiraju nuklearne interakcije. Jaka interakcija povezujekvarkove u protone i neutrone i sprječava raspadanje jezgri. Na atomskoj razini prevladava elektromagnetska interakcija, povezivanje atoma i molekula. U astronomskim razmjerima postaje dominantan gravitacijska interakcija.

U posljednjih godina fizičari su se zainteresirali za odnos između četiri temeljne sile koje zajedno upravljaju Svemirom. Postoji li neka veza između njih? Nisu li samo različite hipostaze jedinog temeljnog velemoći? Ako takva supermoć postoji, onda je to ova aktivni princip bilo koje aktivnosti u svemiru - od rođenja subatomskih čestica do kolapsa zvijezda. Razotkrivanje misterija supermoći nezamislivo bi povećalo našu moć nad prirodom i čak objasnilo samo "stvaranje" svijeta.

Već znamo da elementarne čestice međusobno djeluju preko drugih čestica koje kontinuirano emitiraju i apsorbiraju. Slojevi ovih čestica štite naboje, tako da čestica izgleda drugačije nabijeno s različitih visina. Upravo tako vide se čestice koje se sudaraju, uvijek različito nabijene. Što je njihova energija veća, to dublje prodiru jedno u drugo i jasnije osjećaju "dah" svojih središnjih nezaštićenih naboja. Stoga možemo očekivati ​​da će s povećanjem energije različite vrste međudjelovanja postajati sve sličnije i pri visokim energijama spajati se u jedinstveno međudjelovanje – supersilu. Doći će do "velikog ujedinjenja" svih sila prirode.

Prava situacija je nešto kompliciranija. Zaštitni oblaci se ne formiraju samo oko naboja, već i oko svake čestice nositelja, s kojima čestice koje se sudaraju ispituju jedna drugu. Ako su nositelji interakcije vrlo teški, tada se interakcija prenosi na ultra male udaljenosti. Daleko od središta, takve se čestice gotovo nikada ne nalaze i interakcija povezana s njima vrlo je slaba. U drugim slučajevima, nositelji su svjetlost (na primjer, fotoni), sposobni su putovati daleko od naboja koji ih je emitirao, a uz njihovu pomoć dolazi do interakcije na velikim udaljenostima.

Tako se ne samo čestice, nego i sile koje ih vežu pokazuju iznimno složenima. Ne možete ih čak ni nazvati najjednostavnijim točkama! I teško je povjerovati da su gravitacijska sila dva elektrona i milijarde veća sila njihovog elektromagnetskog odbijanja grane istog stabla.

Na ideju o “velikom ujedinjenju” fizičari su došli sasvim nedavno - prije dvadesetak do tridesetak godina, iako su prvi korak napravili Faraday i Maxwell, spojivši elektricitet i magnetizam, koji su tada smatrani potpuno različitim interakcijama. Također su uveli koncept "polja". Faraday je dokazao da su elektricitet i magnetizam dvije komponente istog elektromagnetskog polja.

Sljedeći korak na putu prema “velikom ujedinjenju” bio je puno teži. Napravljena je tek sredinom 60-ih godina dvadesetog stoljeća. Pozornost fizičara tada je privukla slaba interakcija. Imala je čudnu osobinu: za sve druge sile može se odrediti posredno polje, čiji kvanti služe kao nositelji interakcije, au procesima raspadanja čestice "razgovaraju", da tako kažemo, izravno, bez ikakvih posrednika, gurajući svaku drugi kao biljarske kugle.

Prirodno je pretpostaviti da i u ovom slučaju postoji izmjena među česticama, ali samo toliko jaka da se cijeli proces odvija na vrlo malim udaljenostima, a izvana izgleda kao da se čestice jednostavno guraju.

Izračuni su pokazali da bi takva interakcija po svojstvima bila vrlo slična elektromagnetskim, da nije bilo velike mase međučestica. I tako su tri fizičara: Abdus Salam, Steve Weinberg i Sheldon Glashow priznali da su foton i teške međučestice slabe interakcije ista čestica, samo u različitim "kaputima". Teoriju koju su razvili počeli su nazivati ​​“elektroslabom”, budući da ona kao poseban slučaj sadrži elektrodinamiku i staru teoriju slabih međudjelovanja. Ubrzo su na akceleratorima uhvaćeni teški kvanti elektroslabog polja - tri bratska mezona s masom gotovo stotinu puta većom od mase protona. Stvaranje teorije o elektroslabom polju i eksperimentalno otkriće njegovih nositelja nagrađeno je s dvije Nobelove nagrade.

Potaknuti otkrićem elektroslabog polja, fizičari su se zainteresirali za novu ideju daljnjeg objedinjavanja - spajanje jake interakcije s elektroslabom. Suština ove ideje je sljedeća. Svaki kvark ima analogni električni naboj koji se naziva boja. Za razliku od naboja, kvark ima tri vrste boja. Stoga je gluonsko polje složenije. Sastoji se od osam komponenata polja sile. U tipičnom hadronu - protonu ili neutronu - kombinacija tri kvarka - crvenog, zelenog i plavog - uvijek je "bijele" boje. Emitirani mezoni sadrže parove kvark-antikvark, tako da su također "bezbojni". Budući da znamo da se tijekom međudjelovanja čestica ekraniziraju njihovi naboji, to dovodi do učinaka razlika u rasponu međudjelovanja različite vrstečestice. Procjena udaljenosti na kojoj sve interakcije postaju usporedive u veličini je oko 10 do -29 centimetara. Nositelj interakcije - X-čestica - ima masu jednaku približno 10 na 14. potenciju mase protona. Tijekom sićušnog vremenskog razdoblja u kojem postoji X čestica, energija i masa imaju ogromnu nesigurnost. I po tome smo slični Talesu i drugim grčkim filozofima, koji su razmišljali o svojstvima atoma, a da nisu imali ni najmanje nade da će ih ikada vidjeti.

Elementarne čestice se ne mogu podijeliti na jednostavnije dijelove (zato su i nazvane “elementarne”). U svim danas poznatim reakcijama, te se čestice samo pretvaraju jedna u drugu - međusobno se pretvaraju. Štoviše, teže čestice se mogu roditi iz pluća - ako se kreću dovoljnom brzinom (kinematička energija se pretvara u masu)

Elementarne čestice razlikuju se po naboju, spinu, masi, životnom vijeku i tako dalje. Na primjer, životni vijek protona duži je od životnog vijeka Svemira, a ro mezon živi 10 do -23 sekunde. Masa fotona i neutrina jednaka je nuli, a masa još neotkrivenog, ali od teoretičara predviđenog maximona (najteže elementarne čestice koja može postojati) je nešto oko mikrograma - kao velika mrvica prašine vidljiva oku. Mogu se podijeliti u obitelji, a članovi svake mogu se smatrati različitim stanjima iste čestice. Obitelji su ujedinjene u složenije grupe - klanove ili multiplete. Ali glavno je da su multipleti povezani određena pravila simetrija. Općenito, dobivamo nešto poput periodnog sustava elementarnih čestica, slično Mendeljejevom. Može se pretpostaviti da su fizičari pronašli sljedeću razinu strukture materije.

Akceleratori čestica odigrali su veliku ulogu u razvoju znanja. Elektronsko skeniranje pokazalo je da proton zapravo nije točka, već prilično velik objekt polumjera od oko 10 do -13 centimetara. Analizirajući rezultate novih eksperimenata o raspršenju elektrona, znanstvenici su zaključili da su nukleoni roj nekih vrlo malih čestica, koje pri manjem povećanju izgledaju kao hrpa mezona i drugih elementarnih čestica koje se preklapaju i prodiru jedna u drugu. Teoretičari koji su se bavili klasifikacijom čestica bili su oduševljeni, budući da su dugo sumnjali u postojanje takvih čestica, samo su ih nazvali na svoj način: kvarkovi.

Kad su se kvarkovi pojavili na stranicama teorijskih radova, mnogi su ih znanstvenici smatrali tek svojevrsnim kuriozitetom, privremenim skelama na putu do savršenije teorije. Međutim, prije nego što su fizičari imali vremena osvrnuti se, pokazalo se da se uz pomoć kvarkova vrlo jednostavno i jasno može objasniti široka lepeza eksperimentalnih činjenica, a teorijski izračuni uvelike pojednostavljeni. Postalo je jednostavno nemoguće bez kvarkova, baš kao i bez molekula i atoma.

Eksperimenti nukleonskog sondiranja dokazali su da u središtu elementarne čestice kvarkovi gotovo nisu međusobno povezani i da se ponašaju poput balona koji lebde u zraku. Ako se pokušaju raspršiti, odmah se pojavljuju sile koje ih vuku zajedno. Na periferiji kvarkovi mogu biti samo u obliku vezanih nakupina – npr. u obliku pi-mezona, što je u skladu s teorijom nuklearnog međudjelovanja temeljenom na mezonima. Ali kako kvarkovi međusobno djeluju? Budući da znanost ne poznaje drugi način organiziranja interakcije osim putem prijenosa čestice-nositelja interakcije, predloženi su gluoni - čestice koje međusobno lijepe kvarkove. Gluoni su slični fotonima, samo s nabojem. Foton oko sebe ne stvara nikakvo polje, stoga polje ima najveći intenzitet u blizini svog izvora - naboja, zatim se postupno rasipa i slabi. Gluon svojim nabojem rađa nove gluone, koji pak rađaju sljedeće, i tako dalje, tako da gluonsko polje ne slabi, već, naprotiv, raste s udaljenošću od kvarka koji ga je stvorio . Kvark koji se povlači, poput pjene, postaje obrastao novim gluonima i njihova veza postaje jača.

Fizika čestica nevjerojatan je spoj eksperimenta i teorije. Svojstva najmanjih čestica materije utvrđena su i nastavljaju se utvrđivati ​​u eksperimentima koji po složenosti nemaju premca u drugim područjima znanosti. Ovi jedinstveni eksperimenti kombiniraju istinski industrijske razmjere s preciznošću nakita. U većini slučajeva sami predmeti istraživanja - čestice - nastaju upravo u laboratoriju uz pomoć akceleratora i žive tako beznačajna vremena da se u usporedbi s njima trenutak čini kao vječnost. Među milijardama sličnih “nezanimljivih” raspada treba pronaći slučaj nekog rijetkog raspada čestice. Sve informacije o elementarnim česticama dobivaju se pomnim mjerenjima.

Oznake: Elementarne čestice Apstraktna kemija

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 tzv. “atomizma” smatraju se filozofi Drevna grčka 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. godine Englez Joseph Thomson proveo eksperiment s katodnim zrakama i otkrio da su to tok identičnih čestica iste mase i naboja.

Paralelno s Thomsonovim radom istražujući rendgensko zračenje Henri Becquerel eksperimentira s uranom i otkriva nova vrsta radijacija. Godine 1898. francuski par fizičara, Marie i Pierre Curie, proučavali su različite radioaktivne tvari, otkrivši isto radioaktivno zračenje. Kasnije će se utvrditi da se sastoji od alfa (2 protona i 2 neutrona) i beta čestica (elektrona), a Becquerel i Curie će dobiti Nobelova nagrada. Tijekom istraživanja s elementima kao što su uran, radij i polonij, Marie Sklodowska-Curie nije poduzela nikakve sigurnosne mjere, uključujući čak ni korištenje rukavica. Kao rezultat toga, 1934. godine ju je 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 eksperimenata koji su već bili provedeni u to vrijeme, 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 veliki značaj za fiziku čestica.

Standardni model čestica i interakcija

Imajući impresivan skup mikro-objekata koji čine svijet, 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 implicira, 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 postoji 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.
• Vrijednost vrtnje.
  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 identificirati 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 u 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 uzorak geometrijski oblik, pa stoga “oštri” atomi vatre izgaraju, 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.

Elementarne čestice

Fizičari su otkrili postojanje elementarnih čestica proučavajući nuklearne procese, pa je sve do sredine 20. stoljeća fizika elementarnih čestica bila grana nuklearne fizike. Trenutno, fizika čestica i nuklearna fizika su bliske, ali neovisne grane fizike, ujedinjene zajedništvom mnogih razmatranih problema i korištenih istraživačkih metoda. Glavna zadaća fizike elementarnih čestica je proučavanje prirode, svojstava i međusobnih transformacija elementarnih čestica.

Ideja da se svijet sastoji od temeljnih čestica ima duga povijest. Po prvi put ideju o postojanju najmanjih nevidljivih čestica koje čine sve okolne objekte izrazio je 400 godina prije Krista grčki filozof Demokrit. Te je čestice nazvao atomima, odnosno nedjeljivim česticama. Znanost je počela koristiti ideju atoma tek početkom 19. stoljeća, kada je na temelju toga bilo moguće objasniti niz kemijskih pojava. U 30-im godinama 19. stoljeća u teoriji elektrolize koju je razvio M. Faraday pojavio se pojam iona i izmjeren je elementarni naboj. Kraj 19. stoljeća obilježen je otkrićem fenomena radioaktivnosti (A. Becquerel, 1896.), kao i otkrićima elektrona (J. Thomson, 1897.) i alfa-čestica (E. Rutherford, 1899.). Godine 1905. u fizici se pojavila ideja o kvantima elektromagnetskog polja - fotonima (A. Einstein).

Otvorena je 1911 atomska jezgra(E. Rutherford) i konačno je dokazano da atomi imaju složenu strukturu. Godine 1919. Rutherford je otkrio protone u produktima fisije atomskih jezgri brojnih elemenata. Godine 1932. J. Chadwick otkrio je neutron. Postalo je jasno da jezgre atoma, kao i sami atomi, imaju složenu strukturu. Nastala je protonsko-neutronska teorija strukture jezgri (D. D. Ivanenko i V. Heisenberg). Iste 1932. otkriven je pozitron u kozmičkim zrakama (K. Anderson). Pozitron je pozitivno nabijena čestica koja ima istu masu i isti (modulo) naboj kao elektron. Postojanje pozitrona predvidio je P. Dirac 1928. godine. Tijekom tih godina otkrivene su i proučavane međusobne transformacije protona i neutrona, te je postalo jasno da ni te čestice nisu nepromjenjivi elementarni “građevinski blokovi” prirode. Godine 1937. u kozmičkim zrakama otkrivene su čestice s masom od 207 masa elektrona, nazvane mioni (μ-mezoni). Zatim su 1947. – 1950. otkriveni pioni (tj. π mezoni) koji, prema suvremenim shvaćanjima, međusobno djeluju između nukleona u jezgri. Sljedećih je godina broj novootkrivenih čestica počeo brzo rasti. Tome su pridonijela istraživanja kozmičkih zraka, razvoj tehnologije akceleratora i proučavanje nuklearne reakcije.

Trenutno je poznato oko 400 subnuklearnih čestica, koje se obično nazivaju elementarnim. Velika većina ovih čestica je nestabilna. Jedina iznimka su foton, elektron, proton i neutrino. Sve ostale čestice spontano se transformiraju u druge čestice u određenim intervalima. Nestabilne elementarne čestice jako se razlikuju u vremenu života. Najdugovječnija čestica je neutron. Životni vijek neutrona je oko 15 minuta. Ostale čestice “žive” mnogo kraće. Na primjer, prosječno vrijeme života μ mezona je 2,2 10–6 s, a neutralnog π mezona 0,87 10–16 s. Mnoge masivne čestice - hiperoni - imaju prosječni životni vijek reda veličine 10-10 s.
Postoji nekoliko desetaka čestica čiji životni vijek prelazi 10–17 s. Na ljestvici mikrokozmosa, ovo je značajno vrijeme. Takve se čestice nazivaju relativno stabilnim. Većina kratkoživućih elementarnih čestica ima životni vijek reda veličine 10–22–10–23 s.

Sposobnost međusobnih transformacija je najvažnije svojstvo svih elementarnih čestica. Elementarne čestice se mogu stvarati i uništavati (emitirati i apsorbirati). To vrijedi i za stabilne čestice, s jedinom razlikom što se transformacije stabilnih čestica ne događaju spontano, već interakcijom s drugim česticama. Primjer je anihilacija (tj. nestanak) elektrona i pozitrona, praćena rađanjem fotona visoke energije. Može se dogoditi i obrnuti proces - rađanje para elektron-pozitron, na primjer, kada se foton s dovoljno velikom energijom sudari s jezgrom. Proton također ima tako opasnog blizanca kao što je pozitron za elektron. Zove se antiproton. Električni naboj antiprotona je negativan. Trenutno su antičestice pronađene u svim česticama. Antičestice su suprotstavljene česticama jer pri susretu bilo koje čestice sa svojom antičesticom dolazi do njihove anihilacije, tj. obje čestice nestaju pretvarajući se u kvante zračenja ili druge čestice.

Antičestica je čak pronađena u neutronu. Neutron i antineutron razlikuju se samo u predznacima magnetskog momenta i takozvanog barionskog naboja. Moguće je postojanje atoma antimaterije čije se jezgre sastoje od antinukleona, a ljuske od pozitrona. Kada se antimaterija anihilira s materijom, energija ostatka se pretvara u energiju kvanti zračenja. To je golema energija, koja znatno premašuje onu koja se oslobađa tijekom nuklearnih i termonuklearnih reakcija.

U raznolikosti do danas poznatih elementarnih čestica pronađen je više ili manje skladan sustav klasifikacije. Tablica daje neke podatke o svojstvima elementarnih čestica s životnim vijekom većim od 10–20 s. Od mnogih svojstava koja karakteriziraju elementarnu česticu, tablica prikazuje samo masu čestice (u masama elektrona), električni naboj (u jedinicama elementarnog naboja) i kutni moment (tzv. spin) u jedinicama Planckove konstante ħ = h / 2π. Tablica također prikazuje prosječni životni vijek čestica.

	Ime čestice		Masa (u elektronskim masama)	Električno punjenje		Životno vrijeme (s)
	Antičestica
				Stabilan
	Neutrinski elektron				Stabilan
Neutrino mion				Stabilan
Elektron						Stabilan
		Pi mezoni
				≈ 10–10 –10–8
Eta-nul-mezon
							Stabilan
Lambda hiperon
Sigma hiperoni
Xi-hiperoni
Omega-minus-hiperon

Elementarne čestice objedinjuju se u tri skupine: fotoni, leptoni i hadroni.
Skupina fotona uključuje jednu česticu - foton, koji je nositelj elektromagnetske interakcije.

Sljedeća grupa sastoji se od lakih čestica leptona. Ova skupina uključuje dvije vrste neutrina (elektron i mion), elektron i μ-mezon. Leptoni također uključuju niz čestica koje nisu navedene u tablici. Svi leptoni imaju spin 1/2.

Treći velika grupa sastavljen od teških čestica zvanih hadroni. Ova skupina je podijeljena u dvije podskupine. Lakše čestice čine podskupinu mezona. Najlakši od njih su pozitivno i negativno nabijeni, kao i neutralni π-mezoni s masama reda veličine 250 masa elektrona. Pioni su kvanti nuklearnog polja, kao što su fotoni kvanti elektromagnetskog polja. Ova podskupina također uključuje četiri K mezona i jedan η0 mezon. Svi mezoni imaju spin jednak nuli.
Druga podskupina - barioni - uključuje teže čestice. Najobimniji je. Najlakši barioni su nukleoni — protoni i neutroni. Slijede ih takozvani hiperoni. Tablicu zatvara omega-minus hiperon, otkriven 1964. To je teška čestica s masom od 3273 mase elektrona. Svi barioni imaju spin 1/2.

Obilje otkrivenih i novootkrivenih hadrona navelo je znanstvenike na vjerovanje da su svi izgrađeni od nekih drugih fundamentalnijih čestica. Godine 1964. američki fizičar M. Gell-Man iznio je hipotezu, potvrđenu kasnijim istraživanjima, da su sve teške fundamentalne čestice – hadroni – građene od fundamentalnijih čestica koje nazivamo kvarkovima. Na temelju hipoteze o kvarku nije shvaćena samo struktura već poznatih hadrona, već je i predviđeno postojanje novih. Gell-Mannova teorija pretpostavila je postojanje tri kvarka i tri antikvarka, koji se međusobno povezuju u različitim kombinacijama. Dakle, svaki barion se sastoji od tri kvarka, a svaki antibarion sastoji se od tri antikvarka. Mezoni se sastoje od parova kvark-antikvark.

Prihvaćanjem hipoteze o kvarku bilo je moguće stvoriti skladan sustav elementarnih čestica. Međutim, predviđena svojstva ovih hipotetskih čestica pokazala su se prilično neočekivana. Električni naboj kvarkova mora se izraziti u razlomcima koji su jednaki 2/3 i 1/3 elementarnog naboja.
Brojne potrage za kvarkovima u slobodnom stanju, provedene na visokoenergetskim akceleratorima iu kozmičkim zrakama, bile su neuspješne. Znanstvenici smatraju da je jedan od razloga neopažljivosti slobodnih kvarkova možda njihova vrlo velika masa. Time se sprječava rađanje kvarkova pri energijama koje se postižu u modernim akceleratorima. Međutim, većina stručnjaka sada je uvjerena da kvarkovi postoje unutar teških čestica - hadrona. Osim leptonskih i barionskih naboja poznati su i:

Začudnost s. Kvantni broj s može poprimiti vrijednosti -3, -2, -1, 0, +1, +2, +3 i određen je sastavom kvarkova hadrona. Na primjer, hiperoni Λ, Σ imaju s = -l; K+, K- mezoni imaju s = +l.

Šarm sa. Kvantni broj c može poprimiti vrijednosti -3, -2, -1, 0, +1, +2, +3. Trenutno su otkrivene čestice koje imaju c = 0, +1 i -1. Na primjer, Λ+c barion ima c = +1.

Dno b. Kvantni broj b može imati vrijednosti -3, -2, -1, 0, +1, +2, +3. Trenutno su otkrivene čestice koje imaju b = 0, +1, -1. Na primjer, B+ mezon ima b = +1.

Vrhunska t. Kvantni broj t može poprimiti vrijednosti -3, -2, -1, 0, +1, +2, +3. Trenutno je otkriveno samo jedno stanje s t = +1.

Isospin I.Čestice s jakom interakcijom mogu se podijeliti u skupine čestica koje imaju slična svojstva (ista vrijednost spina, paritet, barionski broj, neobičnost i drugi kvantni brojevi koji su očuvani u jakim interakcijama) - izotopski multipleti. Vrijednost izospina I određuje broj čestica uključenih u jedan izotopski multiplet. n i p tvore izotopski dublet I=1/2; Σ+ ,Σ- ,Σ0 dio su izotopskog tripleta I = 1, Λ je izotopski singlet I = 0, broj čestica uključenih u jedan izotopski multiplet 2I + 1.

G-paritet je kvantni broj koji odgovara simetriji s obzirom na istodobnu operaciju konjugacije naboja i promjenu predznaka treće komponente Iz izospina. G paritet je očuvan samo u jakim interakcijama.

Temeljne interakcije. Procesi u kojima sudjeluju različite elementarne čestice vrlo su različiti karakteristična vremena njihov protok i energije. Prema suvremenim pojmovima, u prirodi postoje četiri vrste interakcija koje se ne mogu svesti na druge, više jednostavne vrste interakcije: jake, elektromagnetske, slabe i gravitacijske. Ove vrste interakcija nazivaju se temeljnim.

Jaka (ili nuklearna) interakcija je najintenzivnija od svih vrsta interakcija. Oni stvaraju iznimno jaku vezu između protona i neutrona u jezgrama atoma. Samo teške čestice - hadroni (mezoni i barioni) - mogu sudjelovati u jakim međudjelovanjima. Jaka interakcija se očituje na udaljenostima manjim od 10-15 m, stoga se naziva kratkodometna.

Elektromagnetska interakcija. U ovoj vrsti interakcije mogu sudjelovati sve električki nabijene čestice, kao i fotoni - kvanti elektromagnetskog polja. Elektromagnetska interakcija odgovorna je, posebice, za postojanje atoma i molekula. Određuje mnoga svojstva tvari u krutom, tekućem i plinovitom stanju. Kulonovo odbijanje protona dovodi do nestabilnosti jezgri s velikim masenim brojevima. Elektromagnetsko međudjelovanje određuje procese apsorpcije i emisije fotona od strane atoma i molekula tvari te mnoge druge procese u fizici mikro i makrosvijeta.

Slaba interakcija je najsporija od svih interakcija koje se javljaju u mikrokozmosu. U njemu mogu sudjelovati sve elementarne čestice osim fotona. Slaba interakcija odgovorna je za pojavu procesa koji uključuju neutrine ili antineutrine, na primjer, β-raspad neutrona:

Kao i procesi raspada čestica bez neutrina s dugim životnim vijekom (τ ≥ 10–10 s).

Gravitacijska interakcija svojstvena je svim česticama bez iznimke, međutim, zbog male mase elementarnih čestica, sile gravitacijske interakcije između njih su zanemarive, a njihova uloga u procesima mikrosvijeta je beznačajna. Gravitacijske sile igraju odlučujuću ulogu u međudjelovanju kozmičkih objekata (zvijezda, planeta itd.) s njihovim golemim masama.

30-ih godina 20. stoljeća pojavila se hipoteza da se u svijetu elementarnih čestica međudjelovanja odvijaju izmjenom kvanta nekog polja. Ovu su hipotezu izvorno iznijeli naši sunarodnjaci I. E. Tamm i D. D. Ivanenko. Predložili su da temeljne interakcije proizlaze iz izmjene čestica, baš kao što kovalentna kemijska veza atoma proizlazi iz izmjene valentnih elektrona koji se spajaju na nepopunjenim elektronskim ljuskama.
Međudjelovanje koje se ostvaruje izmjenom čestica u fizici se naziva međudjelovanje razmjene. Na primjer, elektromagnetska interakcija između nabijenih čestica nastaje zbog izmjene fotona - kvanta elektromagnetskog polja.

Teorija interakcije razmjene dobila je priznanje nakon što je japanski fizičar H. Yukawa 1935. godine teorijski pokazao da se snažna interakcija između nukleona u jezgrama atoma može objasniti ako se pretpostavi da nukleoni izmjenjuju hipotetske čestice zvane mezoni. Yukawa je izračunao masu tih čestica, koja se pokazala otprilike jednakom 300 masa elektrona. Čestice s takvom masom naknadno su stvarno otkrivene. Te se čestice nazivaju π-mezoni (pioni). Trenutno su poznate tri vrste piona: π+, π– i π0.

Godine 1957. teoretski je predviđeno postojanje teških čestica, takozvanih vektorskih bozona W+, W– i Z0, koje uzrokuju razmjenski mehanizam slabe interakcije. Te su čestice otkrivene 1983. godine u eksperimentima s akceleratorima koji su koristili sudarajuće zrake protona i antiprotona visoke energije. Otkriće vektorskih bozona bilo je vrlo važno postignuće u fizici čestica. Ovo otkriće označilo je uspjeh teorije, koja je spojila elektromagnetske i slabe sile u jednu takozvanu elektroslabu silu. Ovaj nova teorija smatra elektromagnetsko polje i polje slabe interakcije različitim komponentama jednog polja u kojem uz kvant elektromagnetskog polja sudjeluju i vektorski bozoni.

Nakon ovog otkrića u modernoj fizici značajno je poraslo uvjerenje da su sve vrste međudjelovanja blisko povezane jedna s drugom i da su u biti različite manifestacije jednog polja. Međutim, objedinjavanje svih interakcija ostaje samo privlačno znanstvena hipoteza.

Teorijski fizičari ulažu značajne napore u pokušajima da na jedinstvenoj osnovi razmotre ne samo elektromagnetsku i slabu, već i jaku interakciju. Ova teorija je nazvana Veliko ujedinjenje. Znanstvenici sugeriraju da bi gravitacijska interakcija također trebala imati svog nositelja - hipotetsku česticu zvanu graviton. Međutim, ova čestica još nije otkrivena.

Danas se smatra dokazanim da jedino polje koje objedinjuje sve vrste međudjelovanja može postojati samo pri ekstremno visokim energijama čestica, nedostižnim modernim akceleratorima. Čestice su mogle imati tako visoke energije samo u vrlo ranim fazama postojanja Svemira, koje su nastale kao rezultat tzv. veliki prasak(Veliki prasak). Kozmologija - proučavanje evolucije svemira - sugerira da se Veliki prasak dogodio prije 18 milijardi godina. U standardnom modelu evolucije Svemira pretpostavlja se da bi u prvom razdoblju nakon eksplozije temperatura mogla doseći 1032 K, a energija čestice E = kT 1019 GeV. Tijekom tog razdoblja materija je postojala u obliku kvarkova i neutrina, a sve vrste interakcija bile su spojene u jedno polje sila. Postupno, kako se Svemir širio, energija čestica je opadala, a iz jedinstvenog polja međudjelovanja najprije je nastala gravitacijska interakcija (pri energijama čestica ≤ 1019 GeV), a zatim se jaka interakcija odvojila od elektroslabe interakcije (pri energijama reda od 1014 GeV). Na energijama reda 103 GeV pokazalo se da su sva četiri tipa fundamentalnih međudjelovanja razdvojena. Istovremeno s tim procesima nastajali su složeniji oblici materije - nukleoni, lake jezgre, ioni, atomi itd. Kozmologija u svom modelu pokušava pratiti evoluciju Svemira u različitim fazama njegova razvoja od Velikog praska do danas dana, oslanjajući se na zakone fizike elementarnih čestica, kao i nuklearne i atomske fizike.

Elementarne čestice, u točnom značenju pojma, su primarne, dalje nerazgradive čestice od kojih bi se sva materija trebala sastojati.

Elementarne čestice moderne fizike ne zadovoljavaju strogu definiciju elementarnosti, budući da su većina njih, prema suvremenim konceptima, kompozitni sustavi. Zajedničko svojstvo ovih sustava je sljedeće: Da nisu atomi ili jezgre (iznimka je proton). Stoga se ponekad nazivaju subnuklearnim česticama.

Čestice koje tvrde da su primarni elementi materije ponekad se nazivaju "prave elementarne čestice".

Prva otkrivena elementarna čestica bio je elektron. Otkrio ga je engleski fizičar Thomson 1897. godine.

Prvi otkriveni anticistit bio je pozitron - čestica mase elektrona, ali pozitivnog električnog naboja. Ovu antičesticu u kozmičkim zrakama otkrio je američki fizičar Anderson 1932. godine.

U suvremenoj fizici skupina elementarnih čestica uključuje više od 350 čestica, uglavnom nestabilnih, a njihov broj i dalje raste.

Ako su se ranije elementarne čestice obično detektirale u kozmičkim zrakama, onda su od ranih 50-ih godina akceleratori postali glavni alat za proučavanje elementarnih čestica.

Mikroskopske mase i veličine elementarnih čestica određuju kvantnu specifičnost njihova ponašanja: u ponašanju elementarnih čestica odlučujući su kvantni zakoni.

Najvažnije kvantno svojstvo svih elementarnih čestica je sposobnost rađanja i uništavanja (emitiranja i apsorbiranja) u interakciji s drugim česticama. Svi procesi s elementarnim česticama odvijaju se nizom akata apsorpcije i emisije.

Različiti procesi s elementarnim česticama izrazito se razlikuju po intenzitetu zbivanja.

Sukladno različitom intenzitetu međudjelovanja elementarne čestice, one se fenomenološki dijele u nekoliko klasa: jake, elektromagnetske i slabe. Osim toga, sve elementarne čestice imaju gravitacijsku interakciju.

Jaka interakcija elementarnih čestica uzrokuje procese koji se odvijaju najvećim intenzitetom u odnosu na druge procese i dovodi do najjače povezanosti elementarnih čestica. To je ono što određuje vezu između protona i neutrona u jezgrama atoma.

Elektromagnetsko međudjelovanje razlikuje se od ostalih sudjelovanjem elektromagnetskog polja. Elektromagnetsko polje (u kvantnoj fizici, foton) se ili emitira, apsorbira tijekom interakcije ili prenosi interakciju između tijela.

Elektromagnetsko međudjelovanje osigurava povezanost jezgri i elektrona u atomima i molekulama tvari, te time određuje (na temelju zakona kvantne mehanike) mogućnost stabilnog stanja takvih mikrosustava.

Slaba interakcija elementarnih čestica uzrokuje vrlo spore procese s elementarnim česticama, uključujući i raspade kvazistabilnih čestica.

Slaba interakcija je puno slabija ne samo od jake interakcije, nego i elektromagnetske interakcije, ali puno jača od gravitacijske interakcije.

Gravitacijska interakcija elementarnih čestica najslabija je od svih poznatih. Gravitacijska interakcija na udaljenostima karakterističnim za elementarne čestice proizvodi izrazito male učinke zbog malih masa elementarnih čestica.

Slaba interakcija mnogo je jača od gravitacijske interakcije, ali u Svakidašnjica uloga gravitacijske interakcije mnogo je uočljivija od uloge slabe interakcije. To se događa jer gravitacijska interakcija (kao i elektromagnetska interakcija) ima beskonačno velik radijus djelovanja. Stoga su, primjerice, tijela koja se nalaze na površini Zemlje podložna gravitacijskom privlačenju svih atoma koji čine Zemlju. Slaba interakcija ima tako mali raspon djelovanja da još nije izmjeren.

U suvremenoj fizici temeljnu ulogu ima relativistička kvantna teorija fizikalnih sustava s beskonačnim brojem stupnjeva slobode – kvantna teorija polja. Ova teorija izgrađena je kako bi opisala jedno od najopćenitijih svojstava mikrosvijeta - univerzalnu međusobnu konvertibilnost elementarnih čestica. Za opisivanje procesa ove vrste bio je potreban prijelaz na kvantno valno polje. Kvantna teorija polja nužno je relativistička, jer ako se sustav sastoji od čestica koje se sporo kreću, tada njihova energija možda neće biti dovoljna za formiranje novih čestica s masom mirovanja različitom od nule. Čestice s nultom masom mirovanja (foton, eventualno neutrino) uvijek su relativističke, tj. uvijek se kreću brzinom svjetlosti.

Univerzalni način postupanja sa svim interakcijama, temeljen na mjernoj simetriji, omogućuje njihovo kombiniranje.

Kvantna teorija polja pokazala se najadekvatnijim aparatom za razumijevanje prirode međudjelovanja elementarnih čestica i objedinjavanje svih vrsta međudjelovanja.

Kvantna elektrodinamika je onaj dio kvantne teorije polja koji se bavi međudjelovanjem elektromagnetskog polja i nabijenih čestica (ili polja elektron-pozitron).

Trenutno se kvantna elektrodinamika smatra sastavnim dijelom jedinstvene teorije slabih i elektromagnetskih interakcija.

Ovisno o njihovom sudjelovanju u određenim vrstama međudjelovanja, sve proučavane elementarne čestice, s izuzetkom fotona, dijele se u dvije glavne skupine - hadrone i leptone.

Hadroni (od grčkog - veliki, jaki) su klasa elementarnih čestica koje sudjeluju u jakim interakcijama (zajedno s elektromagnetskim i slabim). Leptoni (od grčkog - tanak, lagan) su klasa elementarnih čestica koje nemaju jake interakcije, sudjeluju samo u elektromagnetskim i slabim interakcijama. (Implicira se prisutnost gravitacijske interakcije za sve elementarne čestice, uključujući i foton).

Još ne postoji potpuna teorija o hadronima ili snažnoj interakciji među njima, ali postoji teorija koja nam, iako nije ni potpuna ni općeprihvaćena, omogućuje objašnjenje njihovih osnovnih svojstava. Ova teorija je kvantna kromodinamika, prema kojoj su hadroni sastavljeni od kvarkova, a sile između kvarkova nastaju zbog izmjene gluona. Svi detektirani hadroni sastoje se od pet različitih tipova kvarkova ("okusa"). Svaki kvark "okusa" može biti u tri stanja "boje" ili imati tri različita "naboja boje".

Ako zakoni koji uspostavljaju odnos između veličina koje karakteriziraju fizički sustav, ili koji određuju promjenu tih veličina tijekom vremena, ne mijenjaju se pod određenim transformacijama kojima sustav može biti podvrgnut, tada se kaže da ti zakoni imaju simetriju (ili invarijantnost) u odnosu na te transformacije. Matematički, transformacije simetrije tvore grupu.

U moderna teorija Kod elementarnih čestica vodeći je koncept simetrije zakona u pogledu određenih transformacija. Simetrija se smatra čimbenikom koji određuje postojanje različitih skupina i obitelji elementarnih čestica.

Jaka interakcija je simetrična u odnosu na rotacije u posebnom "izotopskom prostoru". S matematičkog gledišta, izotopska simetrija odgovara transformacijama unitarne grupe simetrije SU(2). Izotopska simetrija nije egzaktna simetrija prirode, jer poremećena je elektromagnetskom interakcijom i razlikama u masama kvarkova.

Izotopska simetrija dio je šire aproksimativne simetrije jake interakcije - unitarne SU(3) simetrije. Pokazalo se da je unitarna simetrija mnogo poremećenija od izotopske simetrije. Međutim, predlaže se da će se ove simetrije, koje su vrlo snažno narušene na postignutim energijama, obnoviti na energijama koje odgovaraju takozvanom "velikom ujedinjenju".

Za klasu unutarnjih simetrija jednadžbi teorije polja (tj. simetrija povezanih sa svojstvima elementarnih čestica, a ne sa svojstvima prostor-vremena) koristi se zajednički naziv - mjerna simetrija.

Kalibarna simetrija dovodi do potrebe za postojanjem vektorskih kalibriranih polja, čija izmjena kvanta određuje interakcije čestica.

Ideja mjerne simetrije pokazala se najplodnijom u jedinstvenoj teoriji slabih i elektromagnetskih interakcija.

Zanimljiv problem u kvantnoj teoriji polja je uključivanje jake interakcije ("veliko ujedinjenje") u jedinstvenu mjernu shemu.

Još jedan obećavajući smjer unifikacije smatra se supergauge simetrijom ili jednostavno supersimetrijom.

Šezdesetih godina prošlog stoljeća američki fizičari S. Weinberg, S. Glashow, pakistanski fizičar A. Salam i drugi stvorili su jedinstvenu teoriju slabih i elektromagnetskih interakcija, koja je kasnije postala poznata kao standardna teorija elektroslabe interakcije. U ovoj teoriji, uz foton koji provodi elektromagnetsku interakciju, pojavljuju se intermedijarni vektorski bozoni - čestice koje nose slabu interakciju. Te su čestice eksperimentalno otkrivene 1983. u CERN-u.

Eksperimentalno otkriće srednjih vektorskih bozona potvrđuje ispravnost osnovne (mjerne) ideje standardne teorije elektroslabe interakcije.

Međutim, da bi se teorija u potpunosti provjerila, također je potrebno eksperimentalno proučiti mehanizam spontanog narušavanja simetrije. Ako se ovaj mehanizam stvarno pojavljuje u prirodi, onda bi trebali postojati elementarni skalarni bozoni - takozvani Higgsovi bozoni. Standardna teorija elektroslabe interakcije predviđa postojanje barem jednog skalarnog bozona.