Particulă elementară: ce este? Conceptul de particule elementare

Particulele elementare sunt particule care au acest moment nu a fost găsită nicio structură internă. Chiar și în ultimul secol, atomii erau considerați particule elementare. Structura lor internă - nuclee și electroni - a fost descoperită la începutul secolului al XX-lea. în experimentele lui E. Rutherford. Dimensiunea atomilor este de aproximativ 10 -8 cm, nucleele sunt de zeci de mii de ori mai mici, iar dimensiunea electronilor este foarte mică. Are mai puțin de 10 -16 cm, după cum reiese din teoriile și experimentele moderne.

Astfel, acum electronul este o particulă elementară. În ceea ce privește nucleele, structura lor internă a fost descoperită la scurt timp după descoperirea lor. Sunt formați din nucleoni - protoni și neutroni. Nucleele sunt destul de dense: distanța medie dintre nucleoni este doar de câteva ori mai mare decât dimensiunea proprie. A fost nevoie de aproximativ o jumătate de secol pentru a afla din ce sunt alcătuiți nucleonii, deși în același timp au apărut și au fost rezolvate și alte mistere ale naturii.

Nucleonii constau din trei quarci, care sunt elementari cu aceeași precizie ca un electron, adică raza lor este mai mică de 10 -16 cm. Raza nucleonilor - dimensiunea regiunii ocupate de quarci - este de aproximativ 10 -13 cm. Nucleonii aparțin unei familii mari de particule - barioni, compuse din trei quarci diferiți (sau identici). Quarcii se pot lega în tripleți în moduri diferite, iar acest lucru determină diferențe în proprietățile barionului, de exemplu, acesta poate avea o rotație diferită.

În plus, quarcii se pot combina în perechi - mezoni, constând dintr-un quarc și un antiquarc. Spinul mezonilor ia valori întregi, în timp ce pentru barioni ia valori pe jumătate întregi. Împreună, barionii și mezonii sunt numiți hadroni.

Quarcii nu au fost găsiți în formă liberă și, conform ideilor acceptate în prezent, ei pot exista doar sub formă de hadroni. Înainte de descoperirea quarcilor, hadronii erau considerați particule elementare de ceva timp (și acest nume se găsește încă destul de des în literatură).

Prima indicație experimentală a structurii compozite a hadronilor au fost experimentele privind împrăștierea electronilor de către protoni la un accelerator liniar la Stanford (SUA), care nu putea fi explicată decât presupunând prezența unor obiecte punctiforme în interiorul protonului.

Curând a devenit clar că aceștia erau quarci, a căror existență fusese presupusă chiar mai devreme de teoreticieni.

Iată un tabel cu particule elementare moderne. Pe lângă șase tipuri de quarci (doar cinci au apărut până acum în experimente, dar teoreticienii sugerează că există un al șaselea), acest tabel arată leptoni - particule cărora le aparține electronul. În această familie au fost descoperite și muonul și (mai recent) t-leptonul. Fiecare dintre ele are propriul său neutrin, astfel încât leptonii se împart în mod natural în trei perechi e, n e; m, n m ;t, n t .

Fiecare dintre aceste perechi se combină cu o pereche corespunzătoare de quarci pentru a forma un cvadruplu, care se numește generație. Proprietățile particulelor se repetă de la o generație la alta, așa cum se poate observa din tabel. Doar masele diferă. A doua generație este mai grea decât prima, iar a treia generație este mai grea decât a doua.

Majoritatea particulelor de prima generație se găsesc în natură, în timp ce restul sunt create artificial la acceleratori de particule încărcate sau prin interacțiunea razelor cosmice din atmosferă.

Pe lângă quarci și leptoni cu spin 1/2, numite colectiv particule de materie, tabelul prezintă particule cu spin 1. Acestea sunt cuante de câmpuri create de particule de materie. Dintre acestea, cea mai cunoscută particulă este fotonul, cuantic câmp electromagnetic.

Așa-numiții bosoni intermediari W+ și W-, care au mase foarte mari, au fost descoperite recent în experimente de ciocnire R-fasciuri la energii de câteva sute de GeV. Aceștia sunt purtători de interacțiuni slabe între quarci și leptoni. Și, în sfârșit, gluonii sunt purtători de interacțiuni puternice între quarci. La fel ca quarcii înșiși, gluonii nu se găsesc în formă liberă, ci apar în stadii intermediare ale reacțiilor de creare și anihilare a hadronilor. Recent au fost detectate jeturi de hadron generate de gluoni. Deoarece toate predicțiile teoriei quarcilor și gluonilor - cromodinamica cuantică - sunt de acord cu experiența, există puține îndoieli cu privire la existența gluonilor.

O particulă cu spin 2 este un graviton. Existența sa rezultă din teoria gravitației a lui Einstein, principiile mecanicii cuantice și teoria relativității. Va fi extrem de dificil să detectezi un graviton experimental, deoarece interacționează foarte slab cu materia.

În cele din urmă, tabelul cu un semn de întrebare arată particule cu spin 0 (H-mezoni) și 3/2 (gravitino); nu au fost descoperite experimental, dar existența lor este presupusă în multe modele teoretice moderne.

Particule elementare

a învârti	0?	1/2				1				3/2	2?
Nume	Particule Higgs	Particule de materie				Cuante de câmp
Nume	Particule Higgs	quarcuri		leptoni		foton	bozoni vectoriali		gluon	gravitino	graviton
simbol	H	u	d	n e	e	g	Z	W	g
(greutate)	(?)	(?)	(0,5)	(0)	(~95 GeV)	(~80 GeV)	(?)	(?)
simbol	Cu	s	n m	m
(greutate)	(0?)	(106)
simbol	t	b	n t	t
(greutate)	(0?)	(1784)
Sarcina barionică	0	1/3	1/3	0	0	0	0	0	0	0	0
Incarcare electrica	0, ±1	2/3	1/3	0	-1	0	0	±1	0	0	0
culoare	-	3	3	-	-	-	-	-	8	-	-

Hadrone - denumirea comună pentru particulele care participă la interacțiuni puternice . Numele provine dintr-un cuvânt grecesc care înseamnă „puternic, mare”. Toți hadronii sunt împărțiți în două grupuri mari - mezoni și barioni.

Barioni(din cuvântul grecesc care înseamnă „greu”) sunt hadronii cu spin semiîntreg . Cei mai faimoși barioni sunt protonii și neutronii . Barionii includ, de asemenea, un număr de particule cu un număr cuantic numit odată ciudățenie. Barionul lambda (L°) și familia barionului sigma (S - , S+ și S°) au unitatea de ciudățenie. Indicii +, -, 0 indică semnul sarcinii electrice sau neutralitatea particulei. Barionii xi (X - și X°) au două unități de ciudățenie. Baryon W - are o ciudățenie egală cu trei. Masele barionilor enumerați sunt de aproximativ o dată și jumătate mai mari decât masa protonului, iar durata lor de viață caracteristică este de aproximativ 10 -10 s. Să ne amintim că un proton este practic stabil, iar un neutron trăiește mai mult de 15 minute. S-ar părea că barionii mai grei au o durată foarte scurtă, dar la scara microcosmosului nu este cazul. O astfel de particulă, chiar mișcându-se relativ lent, cu o viteză de, să zicem, 10% din viteza luminii, reușește să parcurgă o distanță de câțiva milimetri și să-și lase amprenta într-un detector de particule. Una dintre proprietățile barionilor care îi diferențiază de alte tipuri de particule este prezența unei sarcini barionice conservate. Această cantitate a fost introdusă pentru a descrie faptul experimental al constanței în toate procesele cunoscute a diferenței dintre numărul de barioni și antibarioni.

Proton- o particulă stabilă din clasa hadronilor, nucleul unui atom de hidrogen. Este greu de spus ce eveniment ar trebui considerat descoperirea protonului: la urma urmei, ca ion de hidrogen, este cunoscut de mult timp. Crearea unui model planetar al atomului de către E. Rutherford (1911), descoperirea izotopilor (F. Soddy, J. Thomson, F. Aston, 1906-1919) și observarea nucleelor de hidrogen eliminate de particulele alfa din nucleele de azot au jucat un rol în descoperirea protonului (E. Rutherford, 1919). În 1925, P. Blackett a primit primele fotografii cu urme de protoni într-o cameră cu nori (vezi Detectoare de radiații nucleare), confirmând descoperirea transformării artificiale a elementelor. În aceste experimente, o particulă alfa a fost capturată de un nucleu de azot, care a emis un proton și s-a transformat într-un izotop de oxigen.

Împreună cu neutronii, protonii formează nucleele atomice ale tuturor elemente chimice, iar numărul de protoni din nucleu determină numărul atomic al unui element dat. Un proton are o sarcină electrică pozitivă egală cu sarcina elementară, adică valoarea absolută a sarcinii electronului. Acest lucru a fost verificat experimental cu o precizie de 10 -21. Masa protonilor m p = (938,2796 ± 0,0027) MeV sau ~ 1,6-10 -24 g, adică un proton este de 1836 de ori mai greu decât un electron! Din punct de vedere modern, protonul nu este o particulă cu adevărat elementară: este format din două u-quarci cu sarcini electrice +2/3 (în unități sarcina elementara) și unul d-quarc cu sarcina electrica -1/3. Quarcii sunt interconectați prin schimbul de alte particule ipotetice - gluoni, cuante ale câmpului care poartă interacțiuni puternice. Datele din experimente în care procesele de împrăștiere a electronilor pe protoni au fost luate în considerare într-adevăr indică prezența centrelor de împrăștiere punctuale în interiorul protonilor. Aceste experimente sunt într-un anumit sens foarte asemănătoare cu experimentele lui Rutherford care au dus la descoperirea nucleului atomic. Fiind particulă compozită, protonul are o dimensiune finală de ~ 10 -13 cm, deși, desigur, nu poate fi reprezentat ca o bilă solidă. Mai degrabă, protonul seamănă cu un nor cu o limită neclară, constând din particule virtuale create și anihilate.

Protonul, ca toți hadronii, participă la fiecare dintre interacțiunile fundamentale. Asa de. interacțiunile puternice leagă protonii și neutronii în nuclee, interacțiunile electromagnetice leagă protonii și electronii în atomi. Exemple de interacțiuni slabe sunt dezintegrarea beta a unui neutron sau transformarea intranucleară a unui proton într-un neutron cu emisia unui pozitron și neutrin (pentru un proton liber un astfel de proces este imposibil datorită legii conservării și transformării energiei, întrucât neutronul are o masă ceva mai mare). Spinul protonului este 1/2. Hadronii cu spin pe jumătate întreg se numesc barioni (din cuvântul grecesc care înseamnă „greu”). Barionii includ protonii, neutronii, diverși hiperoni (L, S, X, W) și o serie de particule cu numere cuantice noi, dintre care majoritatea nu au fost încă descoperite. Pentru a caracteriza barionii, a fost introdus un număr special - sarcina barionică, egală cu 1 pentru barioni, - 1 - pentru antibarioni și O - pentru toate celelalte particule. Sarcina barionică nu este o sursă a câmpului barionic; a fost introdusă doar pentru a descrie modelele observate în reacțiile cu particule. Aceste modele sunt exprimate sub forma legii conservării sarcinii barionului: diferența dintre numărul de barioni și antibarioni din sistem se păstrează în orice reacție. Conservarea sarcinii barionului face imposibilă descompunerea protonului, deoarece este cel mai ușor dintre barioni. Această lege este de natură empirică și, desigur, trebuie testată experimental. Precizia legii conservării sarcinii barionului este caracterizată de stabilitatea protonului, estimarea experimentală a cărei durată de viață dă o valoare de nu mai puțin de 1032 de ani.

1. Primele idei despre structura materiei

Primele teorii despre structura materiei au fost formulate cu foarte mult timp în urmă. Celebrul om de știință grec Thales, care a trăit acum 2600 de ani, și-a petrecut întreaga viață încercând să înțeleagă problema structurii lumii. Cunoștințele sale de geometrie și astronomie erau uimitoare. El a fost capabil să urmărească orice ciclu lunar și solar și chiar a prezis complet eclipsă de soare. Ne putem imagina emoția și teama pe care le-a provocat acum două mii și jumătate de ani. Dar principalul merit al lui Thales este că a fost primul care a pus problema elementelor originale ale lumii. A fost primul care a văzut o scară care ducea în adâncurile substanței.

Thales credea că apa este baza tuturor lucrurilor. El a susținut că, dacă condensați apă, obțineți solide, dacă evaporați apa, obțineți aer și chiar și Pământul plutește în apă, ca o bucată de lemn.

Empedocle din Agrigentum a fundamentat în scrierile sale existența a patru elemente: focul, aerul, apa și pământul; susținând că orice altceva constă din ele, iar elementele însele sunt unite prin forțe de interacțiune („stimulatori ale mișcării”): iubirea care unește și dușmănia care le separă.

În secolul al V-lea î.Hr. Adepții lui Thales - Leucip și studentul său Democrit, au exprimat punctul de vedere conform căruia totul constă din cele mai mici particule - atomi. Au sărit peste treapta moleculelor și au pășit imediat pe treapta componentelor lor. Astfel, au venit cu atomul cu două mii de ani înainte de a fi descoperit ca atare. „Atom” în greacă înseamnă indivizibil. Potrivit lui Leucip și Democrit, atomi- un număr infinit de particule solide, indivizibile. La fel ca semințele de plante, atomii pot fi diverse forme - rotund, piramidal, plat și așa mai departe. Prin urmare, lumea formată din ele este nesecat de bogată în proprietăți și calități. Agățați unul de celălalt cârlige, atomii formează solide. Atomii de apă, pe de altă parte, sunt netezi și alunecoși, așa că se răspândește și nu are formă. Atomii lichidelor vâscoase au bavuri, aerul este gol cu atomi rari, în timp ce focul are atomi ascuțiți și înțepător.

Până la începutul secolului al XVIII-lea. teoria atomică câștigă o popularitate din ce în ce mai mare. În acest moment, lucrările chimistului francez A. Lavoisier (1743-1794), savantul rus M.V. Lomonosov și chimistul și fizicianul englez D. Dalton (1766-1844) a fost s-a dovedit realitatea existenţei atomilor. Remarcabilul chimist rus D.I. a jucat, de asemenea, un rol major în dezvoltarea teoriei atomice. Mendeleev, care s-a dezvoltat în 1869 tabel periodic al elementelor, în care pentru prima dată s-a pus problema naturii unificate a atomilor pe baze științifice. În a doua jumătate a secolului al XIX-lea. s-a dovedit experimental că electroneste una dintre părțile principale ale oricărei substanțe. Aceste concluzii, precum și numeroase date experimentale, au condus la faptul că la începutul secolului XX. s-a pus serios întrebarea despre structura atom.

Prima dovadă indirectă a structurii complexe a atomilor a fost obținută din studiul razelor catodice generate în timpul unei descărcări electrice în gaze foarte rarefiate. Studiul proprietăților acestor raze a condus la concluzia că ele sunt un flux de particule minuscule care poartă o sarcină electrică negativă și zboară cu o viteză apropiată de viteza luminii. Tehnici speciale A fost posibil să se determine masa particulelor catodice și mărimea încărcăturii lor și să se afle că acestea nu depind nici de natura gazului rămas în tub, nici de substanța din care sunt fabricați electrozii, sau în alte condiţii experimentale. Mai mult decât atât, particulele catodice sunt cunoscute doar în stare încărcată și nu pot fi îndepărtate de sarcina lor și transformate în particule neutre din punct de vedere electric: sarcina electrică este esența naturii lor. Aceste particule, numite electroni, au fost descoperite în 1897 de către fizicianul englez J. Thomson. Modelul lui Thomson al atomului nu presupunea particule încărcate pozitiv în interiorul unui atom. Dar cum putem explica atunci emisia de particule alfa încărcate pozitiv de către substanțele radioactive? Modelul atomic al lui Thomson nu a răspuns la alte întrebări.

În 1911, fizicianul englez E. Rutherford, în timp ce studia mișcarea particulelor alfa în gaze și alte substanțe, a descoperit parte încărcată pozitiv atom. Alte studii mai amănunțite au arătat că atunci când un fascicul de raze paralele trece prin straturi de gaz sau o placă metalică subțire, nu mai apar raze paralele, ci oarecum divergente: are loc împrăștierea particulelor alfa, de ex. abaterea lor de la calea inițială. Unghiurile de deviere sunt mici, dar există întotdeauna un număr mic de particule (aproximativ una din câteva mii) care deviază foarte puternic. Unele particule sunt aruncate înapoi ca și cum ar fi întâlnit o barieră impenetrabilă. Deviația poate apărea la ciocnirea cu particule pozitive a căror masă este de același ordin cu masa particulelor alfa. Pe baza acestor considerații, Rutherford a propus următoarea diagramă a structurii atomului. În centrul atomului se află miez, constând din particule încărcate pozitiv - protoni, în jurul căruia electronii se rotesc pe diferite orbite. Forța centrifugă care apare în timpul rotației lor este echilibrată de atracția dintre nucleu și electroni, drept urmare aceștia rămân la anumite distanțe de nucleu. Deoarece masa electronilor nesemnificativ de mic, atunci aproape întreaga masă a unui atom este concentrată în nucleul său.

La începutul anilor 30 ai secolului nostru stiinta moderna a putut găsi o descriere mai acceptabilă a structurii materiei bazată pe patru tipuri de particule elementare - protoni, neutroni, electroniȘi fotonii. Era o schemă extrem de simplă și atractivă: folosind doar patru tipuri de particule elementare, urmând legile mecanicii cuantice, s-a putut explica natura elementelor chimice, compușii acestora și radiațiile pe care le emit. Adăugarea unei a cincea particule - neutrini- a făcut posibilă, de asemenea, explicarea proceselor de dezintegrare radioactivă. Se părea că particulele elementare numite erau în cele din urmă principalele cărămizi ale universului.

Dar această simplitate aparentă a dispărut curând. La mai puțin de un an de la descoperirea neutronului, acesta a fost descoperit Pozitron. În 1936, dintre produsele interacțiunii razelor cosmice cu materia, a fost descoperit primul mezon. În 1947, a fost descoperit al doilea tip de mezon, iar la scurt timp după aceasta a fost posibil să se observe mezoni de altă natură, precum și alți particule neobișnuite. Aceste particule s-au născut atât de rar sub influența razelor cosmice, încât la început a fost imposibil să se efectueze studii detaliate ale proprietăților și interacțiunilor lor. Cu toate acestea, după ce au fost construite acceleratoare, făcând posibilă obținerea de particule cu energii din ce în ce mai mari, a fost posibilă nu numai realizarea unui număr de astfel de studii, ci și descoperirea simultană a multor particule noi.

În prezent, se cunosc mai mult de o sută de mezoni diferiți și alte particule cu proprietăți ciudate. Acest întreg set de particule este de obicei numit "particule elementare". Acest termen nu înseamnă că aceste particule sunt cărămizile universului în sensul că toate formează atomi: protonii, neutronii și electronii fac față acestei sarcini destul de satisfăcător. Cu toate acestea, aceste particule provin din interacțiuni fundamentale ale particulelor substanță obișnuităși mulți dintre ei sunt implicați direct sau indirect în interacțiunile fundamentale din materia obișnuită. Masele lor variază de la 200 de mase de electroni la mase de câteva ori mai mari decât masa unui proton. Existența tuturor acestor noi particule este trecătoare, niciuna dintre ele nu durează mai mult de câteva microsecunde și multe particule se descompun după aproximativ 10 la puterea -20 de secunde după formarea lor (se numesc rezonanțe). Produșii finali ai dezintegrarii acestor particule sunt componente obișnuite ale materiei, de exemplu. protoni, electroni și fotoni, precum și neutrini.

2. Clasificarea particulelor elementare

Toată diversitatea nenumărată a lumii animale poate fi împărțită în patru regate: animale, plante, ciuperci, bacterii. Toate procesele observate astăzi sunt reduse la doar patru tipuri de interacțiuni: gravitaționale, electromagnetice, puternice și slabe. Particulele elementare pot fi clasificate în același mod.

Leptoni

Leptonii sunt particule elementare cu spin 1/2 care nu participă la interacțiuni puternice. Există trei leptoni încărcați cunoscuți: electron, muon și tau-lepton - și trei neutri: neutrin electronic, neutrin muon și tau-neutrin. Fiecare dintre aceste particule are o antiparticulă corespunzătoare.

Interacțiunile electromagnetice produc perechi de leptoni încărcați. În dezintegrarea slabă, fiecare dintre leptonii încărcați se naște însoțit de „propriul” antineutrin. Se presupune că toți leptonii au un anumit număr cuantic specific - un număr lepton egal cu +1, iar toți antileptonii - un număr lepton egal cu -1. Acest număr rămâne la fel în toate procesele observate până acum. Procese în care se așteaptă să se vadă neconservarea numărului de leptoni: dezintegrarea protonilor, dublu ?-dezintegrare, oscilații de neutrini. Muonul și t-leptonul se descompun din cauza interacțiunii slabe. Electronul este stabil.

Cuvântul „lepton” provine din cuvântul grecesc „leptos” - mic, îngust (comparați: mite - o mică monedă grecească).

Distinge trei generații de leptoni: prima generație: electron, electron neutrin; a doua generație: muon, muon neutrin; a treia generație: tau lepton, tau neutrino. Plus potrivire antiparticule. Astfel, fiecare generație include un lepton încărcat negativ (cu sarcină? 1e), un antilepton încărcat pozitiv (cu sarcină +1e) și neutrini și antineutrini neutri. Toate au o masă diferită de zero, deși masa neutrinilor este foarte mică în comparație cu masele altor particule elementare.

Hadronii

Hadronii sunt particule implicate în interacțiuni puternice. Se numesc hadronii cu spin întreg mezonii, cu un număr întreg - barionii. Sunt cunoscute câteva sute de hadroni.

Majoritatea hadronilor sunt extrem de instabili - acestea sunt așa-numitele rezonanțe: se degradează în hadroni mai ușori prin interacțiuni puternice. Durata de viață a rezonanțelor este mai mică de 10 până la -21 de secunde.

Hadronii aproape aproape trăiesc mult mai mult și se degradează prin interacțiuni slabe și electromagnetice. Produșii finali ai dezintegrarii mesonilor cvasistabili sunt mezonii, leptonii și fotonii mai ușori și, dacă mezonii în descompunere sunt suficient de grei, atunci perechile barion + antibarion.

Cei mai ușori barioni (protoni și neutroni) se numesc nucleonii. Se numesc barioni cvasistabili mai grei hiperonii. Produsele finale ale dezintegrarii hiperonilor sunt leptoni, fotoni, mezonisi cu siguranta nucleon.

Nucleele atomice sunt formate din protoni și neutroni. Hadronii rămași fac parte din materia stabilă din jurul nostru nu este inclus, se nasc în ciocniri de particule cu energii mari. Sursele acestor particule sunt acceleratorii și razele cosmice. Conform conceptelor moderne, hadronii nu sunt cu adevărat particule elementare: sunt formați din quarci.

Cuvântul „hadron” provine din cuvântul grecesc „hadros” – masiv, puternic, mare. Și în acest moment hadronii sunt cea mai numeroasă clasă

Quarci

În plus, întrebările devin destul de sistematice: „Ce este cuarc? Și este un quark o particulă cu adevărat elementară?” Despre ele au fost scrise un număr imens de lucrări, unii dintre cei mai remarcabili oameni de știință și cercetători le studiază și, desigur, în acest eseu nu am ocazia să descriu nici măcar o miime parte din informațiile disponibile în prezent. despre quarci. Dar totuși, voi încerca, deși într-o aproximare aproximativă, dar voi răspunde în continuare la aceste întrebări, referindu-mă la munca diverșilor oameni de știință și grupuri de cercetare. În continuare, vor fi prezentate câteva teorii despre quarci, pe care le-am extras din publicațiile celor mai cunoscuți oameni de știință din acest domeniu și aranjate în ordine cronologică.

„Una dintre schemele interesante pentru descrierea particulelor elementare este modelul cuarcului - altul invenţia lui M. Gell-Mann.Acest model presupune că toate particulele elementare sunt combinații trei particule principale(numiți quarci) și antiparticulele lor. Quarcii au proprietăți neobișnuite: o sarcină electrică egală cu ± 1/3e sau ± 2/3e și o sarcină barionică egală cu ± 1/3. Astfel, proprietățile de bază ale quarcilor nu sunt similare cu proprietățile altor particule. Cu toate acestea, diferite combinații ale acestor particule ipotetice reproduc proprietățile tuturor hadronilor cunoscuți cu o acuratețe uimitoare.

În plus, modelul de cuarci a reprodus cu succes duratele de viață, momentele magnetice și tipurile de dezintegrare cunoscute calitativ ale particulelor elementare. Cuarcii sunt reali sau modelul cuarcilor servește doar ca mijloc convenabil de descriere a particulelor elementare, dar este lipsit de realitate? sens fizic? Acest lucru este necunoscut pentru moment.

Deși modelul cuarcului a avut un succes remarcabil în explicarea unui număr de proprietăți ale hadronilor, este încă într-o stare foarte nesatisfăcătoare. Poate că în cele din urmă vom putea descrie toate procesele puternice folosind doar trei quarci și antiparticulele lor, în loc să avem de-a face cu o „colecție zoologică” care conține aproximativ o sută de instanțe de particule. Dar înainte ca acest lucru să fie posibil, quarcii trebuie să fie descoperiți și proprietățile lor studiate. Experimentele privind împrăștierea electronilor rapizi de către nucleoni indică existența unei anumite lungimi, mică față de 10~14 cm, care ar trebui să joace un rol important în structura nucleonilor. Poate că în interiorul nucleonului există unele obiecte mici – poate quarci.»

„Quarcii sunt particule cu spin 1/2 care sunt elemente constitutive ale hadronilor. Cuarcuri cunoscute șase soiuri (arome), trei dintre ele - jos, ciudat, frumusețe, au o sarcină electrică de -1/3, iar restul, sus, farmec, adevărat, au o sarcină de -2/3.

Conform cromodinamica cuantică, interacțiunile puternice dintre quarci se datorează prezenței unor sarcini de culoare specifice în quarci. Quarcii din fiecare aromă există în trei varietăți de culori diferite: „galben”, „albastru”Și "roșu". Un quarc de o culoare se poate transforma intr-un quarc de alta culoare, emitand un colorat gluon. Interacțiunea dintre quarci este realizată de schimbul de gluoni. Quarcii se găsesc în hadroni în astfel de stări de culoare încât încărcătura totală de culoare a hadronului egal cu zero. Prin urmare, se spune că hadronii sunt incolori sau albi.

Deși grupul de la Universitatea Stanford a raportat observații ale particulelor libere încărcate fracțional de câțiva ani, experimentele altor grupuri care caută quarci liberi au dat rezultate negative, iar majoritatea fizicienilor sunt sceptici cu privire la ideea că quarcii liberi există. În cadrul cromodinamicii cuantice, există o ipoteză despre izolarea(validitatea sa nu a fost încă dovedită), conform căreia particulele colorate (quarci și gluoni și combinațiile lor de culori) nu pot exista în principiu în stare liberă.

Prima dovadă, indirectă, a existenței quarcilor a fost obținută pe baza clasificării hadronilor. Ulterior, în experimente pe profund inelasticÎn interacțiunea leptonilor cu hadronii s-au înregistrat ciocniri directe ale leptonilor cu quarci individuali. Aceste ciocniri au loc adânc în hadron și durează foarte puțin timp, timp în care quarcul nu are timp să schimbe un gluon cu alți quarci și interacționează aproape ca o particulă liberă. Cu cât impulsul transmis este mai mare, adică cu cât distanțele la care un lepton se ciocnește cu un quarc sunt mai mici, cu atât quarcul arată mai liber. Această proprietate, care este o consecință a libertății asimptotice, înseamnă că quarcii nu sunt cvasiparticule, nu sunt un fel de excitații colective ale materiei hadronice, ci, ca și leptonii, sunt cu adevărat particule elementare. Posibila natură non-elementară a quarcilor, cum ar fi leptonii, poate fi descoperită doar cu mai multe pătrundere mai profundă în interioraceste particule, adică cu impulsuri transmise şi mai mari.

Termenul „quark” a fost introdus în 1964 de Gell-Mann și preluat din romanul lui James Joyce „Finnigan’s Wake” (eroul are un vis în care pescărușii strigă: „Trei cuarcuri pentru maestrul Mark”). În germană, „quark” înseamnă brânză de vaci.”

„Conform modelului standard - cea mai bună teorie a structurii materiei de astăzi - quarcii se combină pentru a forma întreaga varietate de hadroni. Interacțiunea dintre quarci este descrisă de teorie cromodinamică cuantică (abreviată ca QCD). Conform acestei teorii, quarcii interacționează între ei, schimbând particule speciale - gluoni.

QCD dezvoltă ideile primei teorii de succes dintr-o serie de teorii gauge - electrodinamică cuantică sau QED. Potrivit QED, forța electromagnetică dintre particulele încărcate electric apare ca urmare a schimbului fotoni (cuante de lumină). QCD este structurat în mod similar, doar că în locul sarcinilor electrice, interacțiunile dintre quarci sunt cauzate de un tip special de proprietate, pe care oamenii de știință o numesc culoare. Poate avea trei semnificații sau, dacă doriți, trei nuanțe. Oamenii de știință le numesc în mod convențional roșu, galben și albastru, dar acești termeni nu trebuie luați la propriu. Culoarea este inerentă numai quarcilor, dar nu și barionilor și mezonilor care îi conțin. Barionii (care includ, în special, protonul și neutronul) sunt formați din trei quarci - roșu, galben și albastru - ale căror culori se anulează reciproc. Și mezonii sunt din perechea „quark + antiquark”, deci sunt și incolori. În general, în QCD există un principiu conform căruia quarkurile din natură pot forma numai astfel de combinații, a căror culoare totală se dovedește a fi neutră.

Interacțiunea dintre quarci se realizează prin intermediul a opt tipuri de particule numite gluoni (din limba engleză glue - „glue, glue”; gluonii par să „lipească” quarcii împreună). Ei sunt cei care performează mediatori în interacțiuni puternice. Cu toate acestea, spre deosebire de fotonii din QED, care nu au o sarcină electrică, gluonii au propria taxă de culoareși pot schimba culoarea quarcilorcu care interacționează. De exemplu, dacă, atunci când un gluon este absorbit, un cuarc albastru se transformă într-unul roșu, înseamnă că gluonul poartă o sarcină pozitivă unitară de culoare roșie și o unitate sarcina negativa albastru. Deoarece încărcătura totală de culoare a quarcului nu se modifică, astfel de interacțiuni în cadrul QCD sunt permise și chiar necesare.

QCD funcționează de la începutul anilor 1980 și de atunci trecut cu succeso serie întreagă de teste experimentale - până acum toate predicțiile ei cu privire la rezultatele ciocnirilor de particule elementare de înaltă energie au fost confirmate de datele reale obținute la acceleratoare.”

Având în vedere tipurile de particule elementare, ar fi greșit să nu se exploreze interacțiunile la care sunt supuse aceste particule. În cadrul „Teoriei standard” există patru dintre ele, dar urmând tema acestei lucrări, doar două dintre ele trebuie luate în considerare.

3. Interacțiunile particulelor

cuarc elementar atom de particule

Cea mai importantă întrebare în fizică este problema interacțiunilor. Dacă nu ar fi interacțiuni, atunci particulele de materie s-ar mișca independent, neștiind existența altor particule. Datorită interacțiunilor, particulele dobândesc capacitatea de a recunoaște alte particule și de a răspunde la acestea, ceea ce dă naștere unui comportament colectiv. Pentru că toate materia este formată din particule, pentru a explica natura forțelor este necesar, în cele din urmă, să ne întoarcem la fizica particulelor elementare. Făcând acest lucru, fizicienii au descoperit că toate interacțiunile, indiferent de modul în care se manifestă la scară largă, pot fi reduse la patru tipuri fundamentale: gravitaționale, electromagnetice și două tipuri nucleare.

La nivel de quarc ei domină interacțiuni nucleare. Interacțiune puternică conecteazăcuarcuri în protoni și neutroni și împiedică destrămarea nucleelor. La nivel atomic predomină interacțiune electromagnetică, care leagă atomi și molecule. La scară astronomică, devine dominantă interacțiune gravitațională.

ÎN anul trecut fizicienii au devenit interesați de relația dintre cele patru forțe fundamentale care guvernează împreună Universul. Există vreo legătură între ei? Nu sunt ele doar ipostaze diferite ale singurului fundamental super puteri? Dacă o astfel de superputere există, atunci aceasta este principiu activ orice activitate din Univers - de la nașterea particulelor subatomice până la prăbușirea stelelor. Dezvăluirea misterului superputerii ar crește în mod inimaginabil puterea noastră asupra naturii și chiar ar explica însăși „creația” lumii.

Știm deja că particulele elementare interacționează între ele prin alte particule, pe care le emit și le absorb continuu. Straturile acestor particule protejează sarcinile, astfel încât o particulă arată încărcată diferit de la diferite înălțimi. Exact așa se văd particulele care se ciocnesc, întotdeauna încărcate diferit. Cu cât energia lor este mai mare, cu atât se pătrund mai adânc unul în celălalt și cu atât mai clar simt „respirația” încărcăturilor lor centrale neprotejate. Prin urmare, ne putem aștepta ca, odată cu creșterea energiei, diferitele tipuri de interacțiuni să devină din ce în ce mai asemănătoare și la energii mari să se contopească într-o singură interacțiune - o superforță. Va avea loc o „mare unificare” a tuturor forțelor naturii.

Situația reală este ceva mai complicată. Norii de ecranare se formează nu numai în jurul sarcinii, ci și în jurul fiecărei particule purtătoare, cu care particulele care se ciocnesc se sondează reciproc. Dacă purtătorii de interacțiune sunt foarte grei, atunci interacțiunea este transferată pe distanțe ultra-scurte. Departe de centru, astfel de particule nu se găsesc aproape niciodată, iar interacțiunea asociată cu ele este foarte slabă. În alte cazuri, purtătorii sunt ușoare (de exemplu, fotonii), sunt capabili să călătorească departe de sarcina care i-a emis și, cu ajutorul lor, interacțiunea are loc pe distanțe lungi.

Astfel, nu numai particulele, ci și forțele care le leagă se dovedesc a fi extraordinar de complexe. Nici măcar nu le poți numi cele mai simple puncte! Și este greu de crezut că forța gravitațională a doi electroni și forța de miliarde mai mare a respingerii lor electromagnetice sunt ramuri ale aceluiași copac.

Fizicienii au venit la ideea unei „mare unificări” destul de recent - în urmă cu aproximativ douăzeci până la treizeci de ani, deși primul pas a fost făcut de Faraday și Maxwell, care au combinat electricitatea și magnetismul, care atunci erau considerate a fi interacțiuni complet diferite. Ei au introdus și conceptul de „câmp”. Faraday a demonstrat că electricitatea și magnetismul sunt două componente ale aceluiași câmp electromagnetic.

Următorul pas pe calea către „marea unire” a fost mult mai dificil. A fost realizat abia la mijlocul anilor 60 ai secolului XX. Atenția fizicienilor a fost apoi atrasă de interacțiunea slabă. Avea o caracteristică ciudată: pentru toate celelalte forțe se poate specifica un câmp intermediar, ale cărui cuante servesc ca purtător de interacțiune, iar în procesele de dezintegrare particulele „vorbesc”, ca să spunem așa, direct, fără intermediari, împingând fiecare altele ca mingi de biliard.

Este firesc să presupunem că în acest caz există și un schimb între particule, dar atât de greu încât întregul proces are loc la distanțe foarte scurte, iar din exterior pare ca și cum particulele se împing pur și simplu unele pe altele.

Calculele au arătat că, dacă nu ar fi masa mare de particule intermediare, atunci o astfel de interacțiune ar fi foarte asemănătoare ca proprietăți cu cele electromagnetice. Așadar, trei fizicieni: Abdus Salam, Steve Weinberg și Sheldon Glashow au recunoscut că fotonul și particulele intermediare grele ale interacțiunii slabe sunt aceeași particulă, doar în „învelișuri” diferite. Teoria dezvoltată de ei a început să fie numită „electroslabă”, deoarece, ca caz special, conține electrodinamica și vechea teorie a interacțiunilor slabe. Curând, cuante grele din câmpul electroslab au fost prinse de acceleratoare - trei mezoni frați cu o masă de aproape o sută de ori mai mare decât cea a unui proton. Crearea teoriei câmpului electroslab și descoperirea experimentală a purtătorilor acestuia au fost distinse cu două premii Nobel.

Inspirați de descoperirea câmpului electroslab, fizicienii au devenit interesați de o nouă idee de unificare ulterioară - fuziunea interacțiunii puternice cu cea electroslabă. Esența acestei idei este următoarea. Fiecare quarc are un analog al sarcinii electrice numit culoare. Spre deosebire de încărcare, un quarc are trei tipuri de culori. Prin urmare, câmpul gluon este mai complex. Este format din opt câmpuri de forță componente. Într-un hadron tipic - proton sau neutron - combinația a trei quarci - roșu, verde și albastru - este întotdeauna de culoare „albă”. Mezonii emiși conțin perechi quark-antiquark, deci sunt și „incolori”. Deoarece știm că în timpul interacțiunilor particulelor, sarcinile lor sunt ecranate, acest lucru duce la efectele diferențelor în gama de interacțiuni. tipuri variate particule. O estimare a distanței la care toate interacțiunile devin comparabile ca magnitudine este de aproximativ 10 până la -29 de centimetri. Purtătorul de interacțiune - particula X - are o masă egală cu aproximativ 10 până la puterea a 14-a a masei unui proton. În perioada mică de timp în care există particulele X, energia și masa au o incertitudine enormă. Și în acest sens, ne asemănăm cu Thales și cu alți filozofi greci, care s-au gândit la proprietățile atomilor, fără a avea nici cea mai mică speranță de a le vedea vreodată.

Particulele elementare nu pot fi împărțite în părți mai simple (de aceea au fost numite „elementare”). În orice reacție cunoscută astăzi, aceste particule se transformă doar unele în altele - se interconversează. Mai mult decât atât, din plămâni se pot naște particule mai grele - dacă se mișcă cu o viteză suficientă (energia cinematică se transformă în masă)

Particulele elementare diferă în ceea ce privește sarcina, spinul, masa, durata de viață și așa mai departe. De exemplu, durata de viață a unui proton este mai lungă decât durata de viață a Universului, iar mezonul rho trăiește între 10 și -23 de secunde. Masa fotonilor și neutrinilor este zero, iar masa maximonului nedescoperită încă, dar prezisă de teoreticieni (cea mai grea particulă elementară care poate exista) este ceva despre un microgram - ca o bucată mare de praf vizibilă pentru ochi. Ele pot fi împărțite în familii, iar membrii fiecăruia pot fi considerați stări diferite ale aceleiași particule. Familiile sunt unite în grupuri mai complexe - clanuri sau multiplete. Dar principalul lucru este că multipleții sunt conectați anumite reguli simetrie. În general, se dovedește ceva ca un tabel periodic al particulelor elementare, similar cu cel al lui Mendeleev. Se poate presupune că fizicienii au găsit următorul nivel al structurii materiei.

Acceleratorii de particule au jucat un rol major în dezvoltarea cunoștințelor. Scanarea electronilor a arătat că protonul nu este de fapt un punct, ci un obiect destul de mare, cu o rază de aproximativ 10 până la -13 centimetri. Analizând rezultatele noilor experimente privind împrăștierea electronilor, oamenii de știință au concluzionat că nucleonii sunt un roi de particule foarte mici, care la o mărire mai mică arată ca o grămadă de mezoni și alte particule elementare care se suprapun și pătrund unele pe altele. Teoreticienii care au fost implicați în clasificarea particulelor au fost încântați, deoarece bănuiseră de mult existența unor astfel de particule, le-au numit doar în felul lor: quarci.

Când quarcurile au apărut pe paginile lucrărilor teoretice, mulți oameni de știință i-au considerat doar un fel de curiozitate, o schelă temporară în drumul către o teorie mai perfectă. Cu toate acestea, înainte ca fizicienii să aibă timp să privească înapoi, s-a dovedit că, cu ajutorul quarcilor, o mare varietate de fapte experimentale pot fi explicate foarte simplu și clar, iar calculele teoretice sunt mult simplificate. A devenit pur și simplu imposibil să faci fără quarci, la fel ca și fără molecule și atomi.

Experimentele de sondare a nucleilor au demonstrat că, în centrul unei particule elementare, quarcii aproape că nu sunt legați de interacțiune și se comportă ca baloanele care plutesc în aer. Dacă încearcă să se împrăștie, atunci apar imediat forțele care le unesc. La periferie, quarkurile pot fi doar sub formă de aglomerări legate - de exemplu, sub formă de pi-mezoni, ceea ce este în concordanță cu teoria interacțiunii nucleare bazată pe mezoni. Dar cum interacționează quarkurile între ei? Deoarece știința nu cunoaște nicio altă modalitate de a organiza interacțiunea decât prin transferul unei particule-purtător de interacțiune, au fost propuși gluoni - particule care lipesc quarcii. Gluonii sunt asemănători fotonilor, doar cu încărcare. Fotonul nu creează niciun câmp în jurul său, prin urmare câmpul are cea mai mare intensitate în apropierea sursei sale - sarcina, apoi se disipează treptat și se slăbește. Gluonul, cu sarcina sa, dă naștere unor noi gluoni, care la rândul lor dau naștere celor următori, și așa mai departe, astfel că câmpul de gluoni nu slăbește, ci, dimpotrivă, crește odată cu distanța față de quarcul care l-a generat. . Cuarcul care se retrage, ca și spuma, devine acoperit cu noi gluoni și conexiunea lor devine mai puternică.

Fizica particulelor este o fuziune uimitoare de experiment și teorie. Proprietățile celor mai mici particule de materie au fost stabilite și continuă să fie stabilite în experimente care sunt de neegalat ca complexitate în alte domenii ale științei. Aceste experimente unice combină o scară cu adevărat industrială cu precizia bijuteriilor. În cele mai multe cazuri, obiectele de cercetare în sine - particulele - sunt create chiar acolo în laborator cu ajutorul acceleratoarelor și trăiesc perioade atât de nesemnificative, încât în comparație cu ele un moment pare o eternitate. Un caz de degradare rară a unei particule trebuie găsit printre miliarde de dezintegrari similare „neinteresante”. Toate informațiile despre particulele elementare sunt obținute prin măsurători atente.

Etichete: Particule elementare Chimie abstractă

În fizică, particulele elementare erau obiecte fizice la scara nucleului atomic care nu pot fi împărțite în părțile lor componente. Cu toate acestea, astăzi, oamenii de știință au reușit să împartă unele dintre ele. Structura și proprietățile acestor obiecte minuscule sunt studiate de fizica particulelor.

Cele mai mici particule care alcătuiesc toată materia sunt cunoscute încă din cele mai vechi timpuri. Cu toate acestea, fondatorii așa-numitului „atomism” sunt considerați a fi filozof Grecia antică Leucip și cel mai faimos elev al său, Democrit. Se presupune că acesta din urmă a inventat termenul „atom”. Din greaca veche „atomos” este tradus ca „indivizibil”, ceea ce determină părerile filozofilor antici.

Mai târziu s-a cunoscut că atomul poate fi încă împărțit în două obiecte fizice - nucleul și electronul. Ulterior, aceasta din urmă a devenit prima particulă elementară, când în 1897 englezul Joseph Thomson a efectuat un experiment cu raze catodice și a descoperit că acestea erau un flux de particule identice cu aceeași masă și sarcină.

În paralel cu munca lui Thomson, cercetarea radiații cu raze X Henri Becquerel experimentează cu uraniu și descoperă noul fel radiatii. În 1898, o pereche de fizicieni francezi, Marie și Pierre Curie, au studiat diferite substanțe radioactive, descoperind aceeași radiație radioactivă. Ulterior se va stabili că este format din particule alfa (2 protoni și 2 neutroni) și beta (electroni), iar Becquerel și Curie vor primi Premiul Nobel. În timpul cercetărilor sale cu elemente precum uraniu, radiu și poloniu, Marie Sklodowska-Curie nu a luat nicio măsură de siguranță, inclusiv nici măcar nu a folosit mănuși. Drept urmare, în 1934 a fost depășită de leucemie. În amintirea realizărilor marelui om de știință, elementul descoperit de cuplul Curie, poloniul, a fost numit în onoarea patriei Mariei - Polonia, din latină - Polonia.

Fotografie de la al V-lea Congres Solvay 1927. Încercați să găsiți toți oamenii de știință din acest articol în această fotografie.

Din 1905, Albert Einstein și-a dedicat publicațiile imperfecțiunii teoriei ondulatorii a luminii, ale cărei postulate erau în contradicție cu rezultatele experimentelor. Ceea ce l-a condus ulterior pe remarcabilul fizician la ideea unui „cuantum de lumină” - o porțiune de lumină. Mai târziu, în 1926, a fost numit „foton”, tradus din grecescul „phos” („lumină”), de către fizicianul american Gilbert N. Lewis.

În 1913, Ernest Rutherford, fizician britanic, pe baza rezultatelor experimentelor deja efectuate la acel moment, a remarcat că masele nucleelor multor elemente chimice sunt multipli ai masei nucleului de hidrogen. Prin urmare, el a presupus că nucleul de hidrogen este o componentă a nucleelor altor elemente. În experimentul său, Rutherford a iradiat un atom de azot cu particule alfa, care, ca urmare, a emis o anumită particulă, numită de Ernest drept „proton”, din celelalte „protos” grecești (primul, principal). Mai târziu s-a confirmat experimental că protonul este un nucleu de hidrogen.

Evident, protonul nu este singurul component al nucleelor elementelor chimice. Această idee este condusă de faptul că doi protoni din nucleu s-ar respinge unul pe altul, iar atomul s-ar dezintegra instantaneu. Prin urmare, Rutherford a emis ipoteza prezenței unei alte particule, care are o masă egală cu masa unui proton, dar este neîncărcată. Unele experimente ale oamenilor de știință privind interacțiunea elementelor radioactive și mai ușoare i-au condus la descoperirea unei alte radiații noi. În 1932, James Chadwick a stabilit că este format din acele particule foarte neutre pe care le-a numit neutroni.

Astfel, au fost descoperite cele mai cunoscute particule: foton, electron, proton și neutron.

Mai mult, descoperirea de noi obiecte subnucleare a devenit un eveniment din ce în ce mai frecvent, iar în prezent sunt cunoscute aproximativ 350 de particule, care sunt în general considerate „elementare”. Acele dintre ele care nu au fost încă divizate sunt considerate lipsite de structură și sunt numite „fundamentale”.

Ce este spin?

Înainte de a continua cu noi inovații în domeniul fizicii, trebuie determinate caracteristicile tuturor particulelor. Cel mai cunoscut, în afară de masă și sarcină electrică, include și spin. Această cantitate este altfel numită „moment unghiular intrinsec” și nu are nicio legătură cu mișcarea obiectului subnuclear în ansamblu. Oamenii de știință au reușit să detecteze particule cu spin 0, ½, 1, 3/2 și 2. Pentru a vizualiza, deși simplificat, spinul ca proprietate a unui obiect, luați în considerare următorul exemplu.

Fie ca un obiect să aibă o rotație egală cu 1. Apoi, un astfel de obiect, atunci când este rotit la 360 de grade, se va întoarce la poziția inițială. Într-un avion, acest obiect poate fi un creion, care, după o întoarcere la 360 de grade, va ajunge în poziția inițială. În cazul rotației zero, indiferent de modul în care se rotește obiectul, acesta va arăta întotdeauna la fel, de exemplu, o minge de o singură culoare.

Pentru o jumătate de rotire, veți avea nevoie de un obiect care își păstrează aspectul atunci când este rotit la 180 de grade. Poate fi același creion, doar ascuțit simetric pe ambele părți. O rotire de 2 va necesita menținerea formei atunci când este rotită la 720 de grade, iar o rotire de 3/2 va necesita 540.

Această caracteristică este foarte mare importanță pentru fizica particulelor.

Model standard de particule și interacțiuni

Având un set impresionant de micro-obiecte care alcătuiesc lumea, oamenii de știință au decis să le structureze și astfel s-a format o structură teoretică binecunoscută numită „Modelul Standard”. Ea descrie trei interacțiuni și 61 de particule folosind 17 fundamentale, dintre care unele le-a prezis cu mult înainte de descoperire.

Cele trei interacțiuni sunt:

Electromagnetic. Are loc între particulele încărcate electric. Într-un caz simplu, cunoscut de la școală, obiectele încărcate opus se atrag, iar obiectele încărcate similar se resping. Acest lucru se întâmplă prin așa-numitul purtător al interacțiunii electromagnetice - fotonul.
Puternic, altfel cunoscut sub numele de interacțiune nucleară. După cum sugerează și numele, acțiunea sa se extinde la obiecte de ordinul nucleului atomic; este responsabil pentru atragerea protonilor, neutronilor și a altor particule formate, de asemenea, din quarci. Interacțiunea puternică este purtată de gluoni.
Slab. Eficient la distanțe cu o mie mai mici decât dimensiunea miezului. Leptonii și quarcii, precum și antiparticulele lor, participă la această interacțiune. Mai mult, în cazul unei interacțiuni slabe, se pot transforma unul în celălalt. Purtătorii sunt bosonii W+, W− și Z0.

Deci, Modelul Standard a fost format după cum urmează. Acesta include șase quarci, din care toți hadronii (particulele supuse unei interacțiuni puternice) sunt compuși:

Superior (u);
Fermecat (c);
adevărat(t);
Inferioară (d);
Ciudat(e);
Adorabil (b).

Este clar că fizicienii au o mulțime de epitete. Celelalte 6 particule sunt leptoni. Acestea sunt particule fundamentale cu spin ½ care nu participă la interacțiunea puternică.

electron;
Neutrinul electronic;
Muon;
neutrin muon;
Tau lepton;
Neutrinul Tau.

Iar al treilea grup al modelului standard sunt bosonii gauge, care au un spin egal cu 1 și sunt reprezentați ca purtători de interacțiuni:

Gluon – puternic;
Foton – electromagnetic;
Z-boson - slab;
Bosonul W este slab.

Acestea includ și particula spin-0 recent descoperită, care, pur și simplu, conferă masă inertă tuturor celorlalte obiecte subnucleare.

Drept urmare, conform Modelului Standard, lumea noastră arată astfel: toată materia este formată din 6 quarci, formând hadroni și 6 leptoni; toate aceste particule pot participa la trei interacțiuni, ai căror purtători sunt bosoni gauge.

Dezavantajele modelului standard

Cu toate acestea, chiar înainte de descoperirea bosonului Higgs, ultima particulă prezisă de Modelul Standard, oamenii de știință depășiseră limitele acestuia. Un exemplu izbitor există un așa-zis „interacțiune gravitațională”, care este la egalitate cu ceilalți astăzi. Probabil că purtătorul său este o particulă cu spin 2, care nu are masă și pe care fizicienii nu au reușit încă să o detecteze - „gravitonul”.

Mai mult, modelul standard descrie 61 de particule, iar astăzi peste 350 de particule sunt deja cunoscute de omenire. Aceasta înseamnă că munca fizicienilor teoreticieni nu s-a încheiat.

Clasificarea particulelor

Pentru a le ușura viața, fizicienii au grupat toate particulele în funcție de caracteristicile lor structurale și de alte caracteristici. Clasificarea se bazează pe următoarele criterii:

Durata de viață.
1. Grajd. Acestea includ protoni și antiprotoni, electroni și pozitroni, fotoni și gravitoni. Existența particulelor stabile nu este limitată de timp, atâta timp cât acestea sunt în stare liberă, adică. nu interacționați cu nimic.
2. Instabil. Toate celelalte particule după un timp se dezintegrează în părțile lor componente, motiv pentru care sunt numite instabile. De exemplu, un muon trăiește doar 2,2 microsecunde, iar un proton - 2,9 10 * 29 de ani, după care se poate descompune într-un pozitron și un pion neutru.
Greutate.
1. Particule elementare fără masă, dintre care există doar trei: foton, gluon și graviton.
2. Particulele masive sunt restul.
Învârtire sens.
1. Învârtire întreagă, incl. zero, au particule numite bosoni.
2. Particulele cu spin semiîntreg sunt fermioni.
Participarea la interacțiuni.
1. Hadronii (particulele structurale) sunt obiecte subnucleare care iau parte la toate cele patru tipuri de interacțiuni. S-a menționat mai devreme că sunt compuse din quarci. Hadronii sunt împărțiți în două subtipuri: mezoni (spin întreg, bozoni) și barioni (spin pe jumătate întreg, fermioni).
2. Fundamental (particule fără structură). Acestea includ leptoni, quarci și bosoni gauge (citiți mai devreme - „Modelul standard..”).

După ce v-ați familiarizat cu clasificarea tuturor particulelor, puteți, de exemplu, să identificați cu precizie unele dintre ele. Deci neutronul este un fermion, un hadron sau mai degrabă un barion și un nucleon, adică are un spin semiîntreg, este format din quarci și participă la 4 interacțiuni. Nucleon este un nume comun pentru protoni și neutroni.

Este interesant că oponenții atomismului lui Democrit, care au prezis existența atomilor, au afirmat că orice substanță din lume este împărțită la infinit. Într-o oarecare măsură, se pot dovedi a fi corecte, deoarece oamenii de știință au reușit deja să împartă atomul într-un nucleu și un electron, nucleul într-un proton și un neutron, iar aceștia, la rândul lor, în quarci.
Democrit a presupus că atomii au un model clar formă geometrică, și, prin urmare, atomii „ascuțiți” ai focului ard, atomii aspri ai solidelor sunt ținuți ferm împreună prin proeminențele lor, iar atomii netezi ai apei alunecă în timpul interacțiunii, altfel curg.
Joseph Thomson și-a compilat propriul model al atomului, pe care l-a văzut ca pe un corp încărcat pozitiv în care electronii păreau să fie „blocați”. Modelul său a fost numit „modelul de budincă de prune”.
Quarcii și-au primit numele datorită fizicianului american Murray Gell-Mann. Omul de știință a vrut să folosească un cuvânt similar cu sunetul unui șarlatan de rață (kwork). Dar în romanul lui James Joyce, Finnegans Wake, el a întâlnit cuvântul „quark” în rândul „Trei cuarci pentru domnul Mark!”, al cărui sens nu este definit cu precizie și este posibil ca Joyce să-l fi folosit pur și simplu pentru rimă. Murray a decis să numească particulele acest cuvânt, deoarece în acel moment se cunoșteau doar trei quarci.
Deși fotonii, particulele de lumină, sunt fără masă, în apropierea unei găuri negre par să își schimbe traiectoria pe măsură ce sunt atrași de forțele gravitaționale. De fapt, un corp supermasiv îndoaie spațiu-timp, motiv pentru care orice particule, inclusiv cele fără masă, își schimbă traiectoria către gaura neagră (vezi).
Large Hadron Collider este „hadronic” tocmai pentru că ciocnește două fascicule direcționate de hadroni, particule cu dimensiuni de ordinul unui nucleu atomic care participă la toate interacțiunile.

Particule elementare

Fizicienii au descoperit existența particulelor elementare atunci când studiau procesele nucleare, așa că până la mijlocul secolului al XX-lea, fizica particulelor elementare a fost o ramură a fizicii nucleare. În prezent, fizica particulelor și fizica nucleara sunt ramuri apropiate, dar independente ale fizicii, unite prin comunitatea multor probleme luate în considerare și prin metodele de cercetare utilizate. Sarcina principală a fizicii particulelor elementare este studiul naturii, proprietăților și transformărilor reciproce ale particulelor elementare.

Ideea că lumea este formată din particule fundamentale are poveste lungă. Pentru prima dată, ideea existenței celor mai mici particule invizibile care alcătuiesc toate obiectele din jur a fost exprimată la 400 de ani î.Hr. de filozoful grec Democrit. El a numit aceste particule atomi, adică particule indivizibile. Știința a început să folosească ideea de atomi abia la începutul secolului al XIX-lea, când pe această bază a fost posibil să se explice o serie de fenomene chimice. În anii 30 ai secolului al XIX-lea, în teoria electrolizei dezvoltată de M. Faraday, a apărut conceptul de ion și s-a măsurat sarcina elementară. Sfârșitul secolului al XIX-lea a fost marcat de descoperirea fenomenului radioactivității (A. Becquerel, 1896), precum și de descoperirea electronilor (J. Thomson, 1897) și a particulelor alfa (E. Rutherford, 1899). În 1905, în fizică a apărut ideea cuantelor de câmp electromagnetic - fotoni (A. Einstein).

În 1911 a fost deschis nucleul atomic(E. Rutherford) și s-a dovedit în cele din urmă că atomii au o structură complexă. În 1919, Rutherford a descoperit protoni în produsele de fisiune ale nucleelor atomice ale unui număr de elemente. În 1932, J. Chadwick a descoperit neutronul. A devenit clar că nucleele atomilor, ca și atomii înșiși, au o structură complexă. A apărut teoria proton-neutron a structurii nucleelor (D. D. Ivanenko și V. Heisenberg). În același 1932, în razele cosmice a fost descoperit un pozitron (K. Anderson). Un pozitron este o particulă încărcată pozitiv care are aceeași masă și aceeași sarcină (modulo) ca un electron. Existența pozitronului a fost prezisă de P. Dirac în 1928. În acești ani, transformările reciproce ale protonilor și neutronilor au fost descoperite și studiate și a devenit clar că aceste particule nu sunt, de asemenea, „blocurile de construcție” elementare neschimbate ale naturii. În 1937, în razele cosmice au fost descoperite particule cu o masă de 207 mase de electroni, numite muoni (μ-mezoni). Apoi, în 1947–1950, au fost descoperiți pioni (adică mezoni π), care, conform conceptelor moderne, realizează interacțiunea dintre nucleonii din nucleu. În anii următori, numărul de particule nou descoperite a început să crească rapid. Acest lucru a fost facilitat de cercetarea razelor cosmice, dezvoltarea tehnologiei acceleratoarelor și studiul reactii nucleare.

În prezent, sunt cunoscute aproximativ 400 de particule subnucleare, care sunt denumite în mod obișnuit elementare. Marea majoritate a acestor particule sunt instabile. Singurele excepții sunt fotonii, electronii, protonii și neutrinii. Toate celelalte particule suferă transformări spontane în alte particule la anumite intervale. Particulele elementare instabile diferă foarte mult în timpul lor de viață. Particula cu cea mai lungă viață este neutronul. Durata de viață a neutronilor este de aproximativ 15 minute. Alte particule „trăiesc” pentru un timp mult mai scurt. De exemplu, durata medie de viață a unui mezon μ este de 2,2 10–6 s, iar cea a unui mezon π neutru este de 0,87 10–16 s. Multe particule masive - hiperonii - au o durată medie de viață de ordinul a 10-10 s.
Există câteva zeci de particule cu o durată de viață care depășește 10-17 s. La scara microcosmosului, acesta este un moment semnificativ. Astfel de particule sunt numite relativ stabile. Majoritatea particulelor elementare cu viață scurtă au durate de viață de ordinul 10–22–10–23 s.

Capacitatea de a suferi transformări reciproce este cea mai importantă proprietate a tuturor particulelor elementare. Particulele elementare sunt capabile să se nască și să fie distruse (emise și absorbite). Acest lucru se aplică și particulelor stabile, singura diferență fiind că transformările particulelor stabile nu au loc spontan, ci prin interacțiunea cu alte particule. Un exemplu este anihilarea (adică, dispariția) unui electron și a unui pozitron, însoțită de nașterea fotonilor de înaltă energie. Procesul invers poate apărea și - nașterea unei perechi electron-pozitron, de exemplu, atunci când un foton cu o energie suficient de mare se ciocnește cu un nucleu. Protonul are, de asemenea, un geamăn atât de periculos precum pozitronul pentru electron. Se numește antiproton. Sarcina electrică a antiprotonului este negativă. În prezent, antiparticulele au fost găsite în toate particulele. Antiparticulele sunt opuse particulelor, deoarece atunci când orice particulă își întâlnește antiparticula, are loc anihilarea lor, adică ambele particule dispar, transformându-se în cuante de radiație sau alte particule.

Antiparticula a fost găsită chiar și în neutron. Neutronul și antineutronul diferă doar prin semnele momentului magnetic și prin așa-numita sarcină barionică. Existența atomilor de antimaterie este posibilă, ale căror nuclei constau din antinucleoni, iar învelișul de pozitroni. Când antimateria se anihilează cu materie, energia de repaus este transformată în energia cuantelor de radiație. Aceasta este o energie enormă, depășind semnificativ pe cea eliberată în timpul reacțiilor nucleare și termonucleare.

În varietatea particulelor elementare cunoscute până în prezent, se găsește un sistem de clasificare mai mult sau mai puțin armonios. Tabelul oferă câteva informații despre proprietățile particulelor elementare cu o durată de viață mai mare de 10-20 s. Dintre numeroasele proprietăți care caracterizează o particulă elementară, tabelul arată doar masa particulei (în mase de electroni), sarcina electrică (în unități de sarcină elementară) și momentul unghiular (așa-numitul spin) în unități ale constantei lui Planck ħ = h / 2π. Tabelul arată, de asemenea, durata medie de viață a particulelor.

	Numele particulei		Masa (în mase electronice)	Incarcare electrica		Durata (e) de viață
	Antiparticulă
				Grajd
	Electron neutrin				Grajd
Neutrino muon				Grajd
Electron						Grajd

		mezoni Pi

				≈ 10–10 –10–8

Eta-null-mezon
							Grajd

Lambda hiperon
hiperonii Sigma


Xi-hiperonii

Omega-minus-hiperon

Particulele elementare sunt combinate în trei grupe: fotoni, leptoni și hadroni.
Grupul de fotoni include o singură particulă - un foton, care este purtătorul interacțiunii electromagnetice.

Următorul grup constă din particule uşoare de leptoni. Acest grup include două tipuri de neutrini (electron și muon), electroni și μ-mezon. Leptonii includ, de asemenea, un număr de particule care nu sunt enumerate în tabel. Toți leptonii au spin 1/2.

al treilea grup mare format din particule grele numite hadroni. Acest grup este împărțit în două subgrupe. Particulele mai ușoare formează un subgrup de mezoni. Cei mai ușori dintre ei sunt încărcați pozitiv și negativ, precum și mezonii π neutri cu mase de ordinul a 250 de mase de electroni. Pionii sunt cuante ale câmpului nuclear, la fel cum fotonii sunt cuante ale câmpului electromagnetic. Acest subgrup include, de asemenea, patru K mezoni și un mezon η0. Toți mezonii au un spin egal cu zero.
Al doilea subgrup - barionii - include particule mai grele. Este cel mai extins. Cei mai ușori barioni sunt nucleonii - protonii și neutronii. Ele sunt urmate de așa-numiții hiperoni. Închide tabelul hiperonul omega-minus, descoperit în 1964. Este o particulă grea cu o masă de 3273 de mase de electroni. Toți barionii au spin 1/2.

Abundența de hadroni descoperiți și recent descoperiți i-a determinat pe oamenii de știință să creadă că toți au fost construiți din alte particule mai fundamentale. În 1964, fizicianul american M. Gell-Man a prezentat o ipoteză, confirmată de cercetările ulterioare, că toate particulele fundamentale grele - hadronii - sunt construite din mai multe particule fundamentale numite quarci. Pe baza ipotezei cuarcilor, nu numai că a fost înțeleasă structura hadronilor deja cunoscuți, dar a fost prezisă și existența altora noi. Teoria lui Gell-Mann presupunea existența a trei cuarci și trei antiquarci, conectându-se între ele în diverse combinații. Astfel, fiecare barion este format din trei cuarci, iar fiecare antibarion este format din trei antiquarci. Mezonii constau din perechi quarc-antiquarc.

Odată cu acceptarea ipotezei cuarcului, a fost posibil să se creeze un sistem armonios de particule elementare. Cu toate acestea, proprietățile prezise ale acestor particule ipotetice s-au dovedit a fi destul de neașteptate. Sarcina electrică a quarcilor trebuie exprimată în numere fracționale egale cu 2/3 și 1/3 din sarcina elementară.
Numeroase căutări de quarci în stare liberă, efectuate la acceleratoare de energie înaltă și în raze cosmice, au fost fără succes. Oamenii de știință cred că unul dintre motivele inobservabilității quarcilor liberi este, probabil, masele lor foarte mari. Acest lucru previne nașterea quarcilor la energiile care sunt realizate în acceleratoarele moderne. Cu toate acestea, majoritatea experților sunt acum încrezători că quarcii există în interiorul particulelor grele - hadronii. Pe lângă încărcăturile de lepton și barion, sunt cunoscute și următoarele:

ciudățenie s. Numărul cuantic s poate lua valori -3, -2, -1, 0, +1, +2, +3 și este determinat de compoziția de cuarci a hadronilor. De exemplu, hiperonii Λ, Σ au s = -l; Mezonii K+, K- au s = +l.

Farmec cu. Numărul cuantic c poate lua valori -3, -2, -1, 0, +1, +2, +3. În prezent, au fost descoperite particule care au c = 0, +1 și -1. De exemplu, barionul Λ+c are c = +1.

fundul b. Numărul cuantic b poate lua valori -3, -2, -1, 0, +1, +2, +3. În prezent, au fost descoperite particule care au b = 0, +1, -1. De exemplu, mezonul B+ are b = +1.

Topness t. Numărul cuantic t poate lua valori -3, -2, -1, 0, +1, +2, +3. În prezent, a fost descoperită o singură stare cu t = +1.

Isospin I. Particulele care interacționează puternic pot fi împărțite în grupuri de particule care au proprietăți similare (aceeași valoare a spinului, a parității, a numărului barion, a ciudățeniei și a altor numere cuantice care sunt conservate în interacțiuni puternice) - multiplete izotopice. Valoarea isospinului I determină numărul de particule incluse într-un multiplet izotopic. n şi p formează un dublet izotopic I=1/2; Σ+ ,Σ- ,Σ0 fac parte din tripletul izotopic I = 1, Λ este singletul izotopic I = 0, numărul de particule incluse într-un multiplet izotopic 2I + 1.

G-paritate este un număr cuantic corespunzător simetriei în raport cu operația simultană de conjugare a sarcinii și o modificare a semnului celei de-a treia componente Iz a isospinului. Paritatea G este conservată numai în interacțiuni puternice.

Interacțiuni fundamentale. Procesele la care participă diferite particule elementare variază foarte mult timpuri caracteristice fluxul și energiile lor. Conform conceptelor moderne, există patru tipuri de interacțiuni în natură care nu pot fi reduse la altele, mai mult tipuri simple interacțiuni: puternice, electromagnetice, slabe și gravitaționale. Aceste tipuri de interacțiuni sunt numite fundamentale.

Interacțiunea puternică (sau nucleară) este cea mai intensă dintre toate tipurile de interacțiuni. Ele provoacă o legătură excepțional de puternică între protoni și neutroni din nucleele atomilor. Doar particulele grele - hadronii (mezoni și barionii) - pot lua parte la interacțiuni puternice. Interacțiunea puternică se manifestă la distanțe de ordinul mai mici de 10–15 m. Prin urmare, se numește distanță scurtă.

Interacțiune electromagnetică. Orice particule încărcate electric, precum și fotonii - cuante ale câmpului electromagnetic, pot lua parte la acest tip de interacțiune. Interacțiunea electromagnetică este responsabilă, în special, de existența atomilor și a moleculelor. Determină multe proprietăți ale substanțelor în stare solidă, lichidă și gazoasă. Repulsia coulombiană a protonilor duce la instabilitatea nucleelor cu numere de masă mari. Interacțiunea electromagnetică determină procesele de absorbție și emisie de fotoni de către atomi și molecule de materie și multe alte procese din fizica micro și macrolumilor.

Interacțiunea slabă este cea mai lentă dintre toate interacțiunile care au loc în microcosmos. Orice particule elementare, cu excepția fotonilor, pot lua parte la ea. Interacțiunea slabă este responsabilă pentru apariția proceselor care implică neutrini sau antineutrini, de exemplu, dezintegrarea β a neutronilor:

Precum și procesele de dezintegrare a particulelor fără neutrini cu o durată de viață lungă (τ ≥ 10–10 s).

Interacțiunea gravitațională este inerentă tuturor particulelor fără excepție, totuși, datorită maselor mici de particule elementare, forțele de interacțiune gravitațională dintre ele sunt neglijabile, iar rolul lor în procesele microlumii este nesemnificativ. Forțele gravitaționale joacă un rol decisiv în interacțiunea obiectelor cosmice (stele, planete etc.) cu mase lor enorme.

În anii 30 ai secolului XX, a apărut o ipoteză că în lumea particulelor elementare, interacțiunile se realizează prin schimbul de quante ale unui câmp. Această ipoteză a fost propusă inițial de compatrioții noștri I. E. Tamm și D. D. Ivanenko. Ei au propus că interacțiunile fundamentale apar din schimbul de particule, la fel cum legătura chimică covalentă a atomilor apare din schimbul de electroni de valență care se combină pe învelișuri de electroni neumplute.
Interacțiunea realizată prin schimbul de particule se numește interacțiune de schimb în fizică. De exemplu, interacțiunea electromagnetică între particulele încărcate apare din cauza schimbului de fotoni - cuante ale câmpului electromagnetic.

Teoria interacțiunii schimbului a câștigat recunoaștere după ce fizicianul japonez H. Yukawa a arătat teoretic în 1935 că interacțiunea puternică dintre nucleoni din nucleele atomilor poate fi explicată dacă presupunem că nucleonii fac schimb de particule ipotetice numite mezoni. Yukawa a calculat masa acestor particule, care s-a dovedit a fi aproximativ egală cu 300 de mase de electroni. Particulele cu o astfel de masă au fost ulterior descoperite efectiv. Aceste particule sunt numite π-mezoni (pioni). În prezent, se cunosc trei tipuri de pioni: π+, π– și π0.

În 1957, a fost prezisă teoretic existența particulelor grele, așa-numiții bosoni vectoriali W+, W– și Z0, determinând mecanismul de schimb al interacțiunii slabe. Aceste particule au fost descoperite în 1983 în experimente cu accelerator folosind fascicule de protoni și antiprotoni de înaltă energie. Descoperirea bosonilor vectoriali a fost o realizare foarte importantă în fizica particulelor. Această descoperire a marcat succesul teoriei, care a combinat forțele electromagnetice și cele slabe într-o singură așa-numită forță electroslabă. Acest noua teorie consideră câmpul electromagnetic și câmpul de interacțiune slab ca componente diferite ale unui câmp, la care bosonii vectoriali participă împreună cu cuantica câmpului electromagnetic.

După această descoperire în fizica modernă, încrederea că toate tipurile de interacțiune sunt strâns legate între ele și, în esență, sunt manifestări diferite ale unui singur domeniu a crescut semnificativ. Cu toate acestea, unificarea tuturor interacțiunilor rămâne doar atractivă ipoteza stiintifica.

Fizicienii teoreticieni fac eforturi semnificative în încercările de a lua în considerare pe o bază unificată nu numai interacțiunea electromagnetică și slabă, ci și interacțiunea puternică. Această teorie a fost numită Marea Unire. Oamenii de știință sugerează că interacțiunea gravitațională ar trebui să aibă și propriul purtător - o particulă ipotetică numită graviton. Cu toate acestea, această particulă nu a fost încă descoperită.

Acum se consideră dovedit că un singur câmp care unește toate tipurile de interacțiune poate exista doar la energii extrem de mari ale particulelor, de neatins cu acceleratoarele moderne. Particulele ar putea avea energii atât de înalte doar în stadiile foarte timpurii ale existenței Universului, care au apărut ca urmare a așa-numitelor big bang(Big bang). Cosmologia - studiul evoluției Universului - sugerează că Big Bang-ul a avut loc acum 18 miliarde de ani. În modelul standard al evoluției Universului se presupune că în prima perioadă după explozie temperatura ar putea atinge 1032 K, iar energia particulelor E = kT ar putea ajunge la 1019 GeV. În această perioadă, materia a existat sub formă de quarci și neutrini și toate tipurile de interacțiuni au fost combinate într-un singur câmp de forță. Treptat, pe măsură ce Universul s-a extins, energia particulelor a scăzut, iar din câmpul unificat de interacțiuni a apărut mai întâi interacțiunea gravitațională (la energii ale particulelor ≤ 1019 GeV), iar apoi interacțiunea puternică s-a separat de interacțiunea electroslabă (la energii de ordinul de 1014 GeV). La energii de ordinul a 103 GeV, toate cele patru tipuri de interacțiuni fundamentale s-au dovedit a fi separate. Concomitent cu aceste procese, se formau forme mai complexe de materie - nucleoni, nuclei ușoare, ioni, atomi etc. Cosmologia în modelul său încearcă să urmărească evoluția Universului în diferite etape ale dezvoltării sale de la Big Bang până în prezent. zi, bazându-se pe legile fizicii particulelor elementare, precum și pe fizica nucleară și atomică.

Particulele elementare, în sensul precis al termenului, sunt particulele primare, în continuare indecompuse, din care ar trebui să fie formată toată materia.

Particulele elementare ale fizicii moderne nu satisfac definiția strictă a elementarității, deoarece majoritatea dintre ele, conform conceptelor moderne, sunt sisteme compozite. Proprietatea comună a acestor sisteme este că: Că nu sunt atomi sau nuclee (excepția este protonul). Prin urmare, ele sunt uneori numite particule subnucleare.

Particulele care pretind a fi elementele primare ale materiei sunt uneori numite „adevărate particule elementare”.

Prima particulă elementară descoperită a fost electronul. A fost descoperit de fizicianul englez Thomson în 1897.

Primul anti-cistit descoperit a fost pozitronul - o particulă cu masa unui electron, dar cu sarcină electrică pozitivă. Această antiparticulă a fost descoperită în razele cosmice de către fizicianul american Anderson în 1932.

În fizica modernă, grupul de particule elementare include mai mult de 350 de particule, majoritatea instabile, iar numărul lor continuă să crească.

Dacă particulele elementare anterior erau de obicei detectate în razele cosmice, atunci de la începutul anilor 50, acceleratorii au devenit instrumentul principal pentru studierea particulelor elementare.

Masele și dimensiunile microscopice ale particulelor elementare determină specificitatea cuantică a comportamentului lor: legile cuantice sunt decisive în comportamentul particulelor elementare.

Cea mai importantă proprietate cuantică a tuturor particulelor elementare este capacitatea de a fi născut și distrus (emis și absorbit) atunci când interacționează cu alte particule. Toate procesele cu particule elementare decurg printr-o succesiune de acte de absorbție și emisie.

Diverse procese cu particule elementare diferă semnificativ în intensitatea apariției lor.

În conformitate cu intensitatea diferită a interacțiunii particulelor elementare, acestea sunt împărțite fenomenologic în mai multe clase: puternice, electromagnetice și slabe. În plus, toate particulele elementare au interacțiune gravitațională.

Interacțiunea puternică a particulelor elementare determină procese care au loc cu cea mai mare intensitate în comparație cu alte procese și duce la cea mai puternică conexiune a particulelor elementare. Acesta este cel care determină legătura dintre protoni și neutroni din nucleele atomilor.

Interacțiunea electromagnetică diferă de altele prin participarea unui câmp electromagnetic. Un câmp electromagnetic (în fizica cuantică, un foton) fie este emis, fie absorbit în timpul interacțiunii, fie transferă interacțiunea între corpuri.

Interacțiunea electromagnetică asigură conectarea nucleelor și electronilor în atomii și moleculele materiei și, prin urmare, determină (pe baza legilor mecanicii cuantice) posibilitatea unei stări stabile a unor astfel de microsisteme.

Interacțiunea slabă a particulelor elementare determină procese foarte lente cu particulele elementare, inclusiv dezintegrari ale particulelor cvasi-stabile.

Interacțiunea slabă este mult mai slabă nu numai decât interacțiunea puternică, ci și interacțiunea electromagnetică, dar mult mai puternică decât interacțiunea gravitațională.

Interacțiunea gravitațională a particulelor elementare este cea mai slabă dintre toate cunoscute. Interacțiunea gravitațională la distanțe caracteristice particulelor elementare produce efecte extrem de mici datorită maselor mici de particule elementare.

Interacțiunea slabă este mult mai puternică decât interacțiunea gravitațională, dar în Viata de zi cu zi rolul interacțiunii gravitaționale este mult mai vizibil decât rolul interacțiunii slabe. Acest lucru se întâmplă deoarece interacțiunea gravitațională (precum și interacțiunea electromagnetică) are o rază de acțiune infinit de mare. Prin urmare, de exemplu, corpurile situate pe suprafața Pământului sunt supuse atracției gravitaționale din partea tuturor atomilor care alcătuiesc Pământul. Interacțiunea slabă are o gamă atât de mică de acțiune încât nu a fost încă măsurată.

În fizica modernă, un rol fundamental îl joacă teoria cuantică relativistă a sistemelor fizice cu un număr infinit de grade de libertate – teoria cuantică a câmpului. Această teorie a fost construită pentru a descrie una dintre cele mai generale proprietăți ale microlumii - convertibilitatea reciprocă universală a particulelor elementare. Pentru a descrie procese de acest fel, a fost necesară o tranziție la un câmp de unde cuantice. Teoria cuantică a câmpului este în mod necesar relativistă, deoarece dacă un sistem constă din particule care se mișcă lent, atunci energia lor poate să nu fie suficientă pentru a forma noi particule cu masă de repaus diferită de zero. Particulele cu masă de repaus zero (foton, posibil neutrin) sunt întotdeauna relativiste, adică. mereu în mișcare cu viteza luminii.

Un mod universal de a trata toate interacțiunile, bazat pe simetria gabaritului, face posibilă combinarea acestora.

Teoria cuantică a câmpului s-a dovedit a fi cel mai adecvat aparat pentru înțelegerea naturii interacțiunii particulelor elementare și unificarea tuturor tipurilor de interacțiuni.

Electrodinamica cuantică este acea parte a teoriei câmpului cuantic care se ocupă cu interacțiunea câmpului electromagnetic și a particulelor încărcate (sau câmpul electron-pozitron).

În prezent, electrodinamica cuantică este considerată o parte integrantă a unei teorii unificate a interacțiunilor slabe și electromagnetice.

În funcție de participarea lor la anumite tipuri de interacțiuni, toate particulele elementare studiate, cu excepția fotonului, sunt împărțite în două grupuri principale - hadroni și leptoni.

Hadronii (din greacă - mare, puternic) sunt o clasă de particule elementare care participă la interacțiuni puternice (împreună cu cele electromagnetice și slabe). Leptonii (din greacă - subțire, ușor) sunt o clasă de particule elementare care nu au interacțiuni puternice, participând doar la interacțiuni electromagnetice și slabe. (Este implicată prezența interacțiunii gravitaționale pentru toate particulele elementare, inclusiv fotonul).

Nu există încă o teorie completă a hadronilor sau o interacțiune puternică între ei, dar există o teorie care, deși nici completă, nici general acceptată, ne permite să explicăm proprietățile lor de bază. Această teorie este cromodinamica cuantică, conform căreia hadronii sunt formați din quarci, iar forțele dintre quarci se datorează schimbului de gluoni. Toți hadronii detectați constau din cinci tipuri diferite de quarci („arome”). Fiecare quark „aromă” poate fi în trei stări „culoare” sau poate avea trei „încărcări de culoare” diferite.

Dacă legile care stabilesc relaţia dintre cantităţi caracterizand sistem fizic, sau care determină modificarea acestor mărimi în timp, nu se modifică sub anumite transformări la care poate fi supus sistemul, atunci se spune că aceste legi au simetrie (sau invarianță) față de aceste transformări. Din punct de vedere matematic, transformările de simetrie formează un grup.

ÎN teoria modernăÎn particulele elementare, conceptul de simetrie a legilor privind anumite transformări este de frunte. Simetria este considerată ca un factor care determină existența diferitelor grupuri și familii de particule elementare.

Interacțiunea puternică este simetrică în raport cu rotațiile într-un „spațiu izotopic” special. Din punct de vedere matematic, simetria izotopică corespunde transformărilor grupului unitar de simetrie SU(2). Simetria izotopică nu este o simetrie exactă a naturii, deoarece este perturbat de interacțiunea electromagnetică și de diferențele de masă ale cuarcilor.

Simetria izotopică face parte dintr-o simetrie aproximativă mai largă a interacțiunii puternice - simetria unitară SU(3). Simetria unitară se dovedește a fi mult mai ruptă decât simetria izotopică. Cu toate acestea, se sugerează că aceste simetrii, care sunt foarte puternic rupte la energiile atinse, vor fi restaurate la energiile corespunzătoare așa-numitei „mare unificare”.

Pentru clasa de simetrii interne ale ecuațiilor teoriei câmpurilor (adică simetrii asociate cu proprietățile particulelor elementare și nu cu proprietățile spațiu-timpului), se folosește un nume comun - simetria gauge.

Simetria gauge duce la necesitatea existenței unor câmpuri gauge vectoriale, schimbul de cuante ale cărora determină interacțiunile particulelor.

Ideea simetriei gabaritului s-a dovedit a fi cea mai fructuoasă în teoria unificată a interacțiunilor slabe și electromagnetice.

O problemă interesantă în teoria câmpului cuantic este includerea interacțiunii puternice („marea unificare”) într-o schemă de măsurare unificată.

O altă direcție promițătoare de unificare este considerată a fi simetria supergauge, sau pur și simplu supersimetria.

În anii ’60, fizicienii americani S. Weinberg, S. Glashow, fizicianul pakistanez A. Salam și alții au creat o teorie unificată a interacțiunilor slabe și electromagnetice, care mai târziu a devenit cunoscută ca teoria standard a interacțiunii electroslabe. În această teorie, alături de fotonul care realizează interacțiunea electromagnetică, apar bosonii vectori intermediari - particule care poartă interacțiunea slabă. Aceste particule au fost descoperite experimental în 1983 la CERN.

Descoperirea experimentală a bosonilor vectori intermediari confirmă corectitudinea ideii de bază (gauge) a teoriei standard a interacțiunii electroslăbite.

Cu toate acestea, pentru a testa teoria în întregime, este, de asemenea, necesar să se studieze experimental mecanismul ruperii spontane a simetriei. Dacă acest mecanism apare cu adevărat în natură, atunci ar trebui să existe bosoni scalari elementari - așa-numiții bosoni Higgs. Teoria standard a interacțiunii electroslabe prezice existența a cel puțin unui boson scalar.