Ove tri čestice (kao i druge opisane u nastavku) međusobno se privlače i odbijaju u skladu sa svojim optužbe, koji su samo četiri tipa prema broju fundamentalnih sila prirode. Naboji se mogu rasporediti prema opadanju odgovarajućih sila na sljedeći način: naboj u boji (sile interakcije između kvarkova); električni naboj (električne i magnetske sile); slab naboj (snaga u nekim radioaktivnim procesima); konačno, masa (gravitaciona sila, ili gravitaciona interakcija). Riječ "boja" ovdje nema nikakve veze sa bojom vidljive svjetlosti; to je jednostavno karakteristika najjačeg naboja i najvećih sila.
Naplate uporno, tj. Naboj koji ulazi u sistem jednak je naboju koji ga napušta. Ako je ukupan električni naboj određenog broja čestica prije njihove interakcije, recimo, 342 jedinice, onda će nakon interakcije, bez obzira na njen rezultat, biti jednak 342 jedinice. Ovo se odnosi i na druga naelektrisanja: boja (jako interakcijsko naelektrisanje), slaba i masa (masa). Čestice se razlikuju po svom naboju: u suštini, one "jesu" ti naboji. Optužbe su, takoreći, „potvrda“ o pravu na odgovor odgovarajućoj sili. Dakle, samo obojene čestice su pod utjecajem sila boja, samo su električno nabijene čestice pod utjecajem električnih sila, itd. Svojstva čestice određuju najveća sila koja na nju djeluje. Samo su kvarkovi nosioci svih naboja i stoga su podložni dejstvu svih sila, među kojima je boja dominantna. Elektroni imaju sve naboje osim boje, a dominantna sila za njih je elektromagnetna sila.
Najstabilnije u prirodi su po pravilu neutralne kombinacije čestica u kojima se naboj čestica jednog znaka kompenzira ukupnim nabojem čestica drugog znaka. Ovo odgovara minimalnoj energiji cijelog sistema. (Slično, dva šipka magneta su u liniji, pri čemu je sjeverni pol jednog okrenut prema južnom polu drugog, što odgovara minimumu energije magnetskog polja.) Gravitacija je izuzetak od ovog pravila: negativna masa ne postoji. Nema tijela koja bi pala.
VRSTE MATERIJA
Obična materija je formirana od elektrona i kvarkova, grupiranih u objekte neutralne boje, a zatim i električnog naboja. Sila boje se neutrališe, o čemu će biti više reči u nastavku, kada se čestice kombinuju u trojke. (Odavde i sam izraz "boja", preuzet iz optike: tri osnovne boje, kada se pomiješaju, daju bijelu.) Dakle, kvarkovi, za koje je snaga boje glavna, formiraju trojke. Ali kvarkovi, i oni se dijele na u-kvarkovi (od engleskog gore - gornji) i d-kvarkovi (od engleskog dolje - niži), oni također imaju električni naboj jednak u-kvark i za d-kvark. Dva u-kvark i jedan d-kvark daje električni naboj +1 i formira proton, i jedan u-kvark i dva d-kvarkovi daju nulti električni naboj i formiraju neutron.
Stabilni protoni i neutroni, privučeni jedni drugima rezidualnim silama boja interakcije između njihovih sastavnih kvarkova, formiraju atomsko jezgro neutralno u boji. Ali jezgre nose pozitivan električni naboj i, privlačeći negativne elektrone koji kruže oko jezgre poput planeta koje se okreću oko Sunca, teže formiranju neutralnog atoma. Elektroni u svojim orbitama udaljeni su od jezgra na udaljenostima desetinama hiljada puta većim od radijusa jezgra - dokaz da su električne sile koje ih drže mnogo slabije od nuklearnih. Zbog moći interakcije boja, 99,945% mase atoma je zatvoreno u njegovom jezgru. Težina u- i d-kvarkovi su oko 600 puta veći od mase elektrona. Stoga su elektroni mnogo lakši i pokretljiviji od jezgara. Njihovo kretanje u materiji uzrokuje električne fenomene.
Postoji nekoliko stotina prirodnih varijanti atoma (uključujući izotope) koji se razlikuju po broju neutrona i protona u jezgri i, shodno tome, po broju elektrona u orbitama. Najjednostavniji je atom vodika, koji se sastoji od jezgre u obliku protona i jednog elektrona koji se okreće oko njega. Sva "vidljiva" materija u prirodi sastoji se od atoma i djelimično "rastavljenih" atoma, koji se nazivaju joni. Joni su atomi koji su, izgubivši (ili stekli) nekoliko elektrona, postali nabijene čestice. Materija, koja se sastoji skoro od jednog jona, naziva se plazma. Zvijezde koje gore zbog termonuklearnih reakcija koje se odvijaju u centrima sastavljene su uglavnom od plazme, a kako su zvijezde najčešći oblik materije u Univerzumu, može se reći da se cijeli Univerzum uglavnom sastoji od plazme. Tačnije, zvijezde su pretežno potpuno jonizirani plinoviti vodonik, tj. mješavina pojedinačnih protona i elektrona, pa se stoga gotovo cijeli vidljivi svemir sastoji od nje.
Ovo je vidljiva materija. Ali još uvijek postoji nevidljiva materija u Univerzumu. A postoje i čestice koje se ponašaju kao nosioci sila. Postoje antičestice i pobuđena stanja nekih čestica. Sve to dovodi do očigledno prevelikog obilja "elementarnih" čestica. U ovom obilju može se pronaći pokazatelj stvarne, prave prirode elementarnih čestica i sila koje djeluju između njih. Prema najnovijim teorijama, čestice u osnovi mogu biti prošireni geometrijski objekti - "žice" u desetodimenzionalnom prostoru.
Nevidljivi svijet.
U univerzumu ne postoji samo vidljiva materija (već i crne rupe i "tamna materija" kao što su hladne planete koje postaju vidljive kada se osvetle). Postoji i jedna zaista nevidljiva materija koja svake sekunde prožima sve nas i cijeli Univerzum. To je gas koji se brzo kreće od jedne vrste čestica - elektronskih neutrina.
Elektronski neutrino je partner elektrona, ali nema električni naboj. Neutrini nose samo takozvani slab naboj. Njihova masa mirovanja je, po svoj prilici, nula. Ali oni su u interakciji sa gravitacionim poljem, jer imaju kinetičku energiju E, što odgovara efektivnoj masi m, prema Einstein formuli E = mc 2, gdje c je brzina svjetlosti.
Ključna uloga neutrina je da doprinosi transformaciji i-kvarkovi unutra d kvarkova, što rezultira transformacijom protona u neutron. Neutrino igra ulogu "igle karburatora" za zvjezdane termonuklearne reakcije, u kojima se četiri protona (jezgra vodika) kombinuju i formiraju jezgro helijuma. Ali pošto se jezgro helija ne sastoji od četiri protona, već od dva protona i dva neutrona, za takvu nuklearnu fuziju potrebno je da dva i-kvarkovi su se pretvorili u dva d-kvark. Intenzitet transformacije određuje koliko će brzo zvijezde gorjeti. A proces transformacije je određen slabim nabojem i silama slabe interakcije između čestica. Gde i-kvark (električni naboj +2/3, slab naboj +1/2), u interakciji sa elektronom (električni naboj - 1, slab naboj -1/2), formira se d-kvark (električni naboj -1/3, slab naboj -1/2) i elektronski neutrino (električni naboj 0, slab naboj +1/2). Naboji u boji (ili jednostavno boje) dva kvarka se u ovom procesu poništavaju bez neutrina. Uloga neutrina je da odnese nekompenzirani slab naboj. Stoga, brzina transformacije zavisi od toga koliko su slabe sile slabe. Da su slabije nego što jesu, zvijezde uopće ne bi gorjele. Da su jače, zvijezde bi odavno izgorjele.
Ali šta je sa neutrinima? Pošto ove čestice izuzetno slabo komuniciraju sa drugim materijama, one skoro odmah napuštaju zvezde u kojima su rođene. Sve zvijezde sijaju, emituju neutrine, a neutrini sijaju kroz naša tijela i cijelu Zemlju danju i noću. Tako lutaju Univerzumom, sve dok ne uđu, možda, u novu interakciju ZVIJEZDE).
Nosioci interakcije.
Što uzrokuje sile koje djeluju između čestica na udaljenosti? Moderna fizika odgovara: zbog razmjene drugih čestica. Zamislite dva klizača koji bacaju loptu unaokolo. Dajući lopti zamah prilikom bacanja i primajući zamah primljenom loptom, oboje dobijaju potisak u pravcu jedan od drugog. Ovo može objasniti pojavu odbojnih sila. Ali u kvantnoj mehanici, koja razmatra pojave u mikrosvijetu, dozvoljeno je neobično rastezanje i delokalizacija događaja, što vodi, čini se, do nemogućeg: jedan od klizača baca loptu u smjeru od drugi, ali jedan ipak možda uhvati ovu loptu. Nije teško zamisliti da bi, kada bi to bilo moguće (a u svijetu elementarnih čestica moguće), došlo do privlačnosti među klizačima.
Čestice, zbog čije razmjene nastaju sile interakcije između četiri "čestice materije" o kojima smo gore govorili, nazivaju se mjernim česticama. Svaka od četiri interakcije - jaka, elektromagnetna, slaba i gravitaciona - ima svoj skup mjernih čestica. Čestice nosioci jake interakcije su gluoni (ima ih samo osam). Foton je nosilac elektromagnetne interakcije (jedan je, a fotone doživljavamo kao svjetlost). Čestice-nosioci slabe interakcije su srednji vektorski bozoni (otkriveni su 1983. i 1984. W + -, W- -bozoni i neutralni Z-bozon). Čestica-nosač gravitacijske interakcije je još uvijek hipotetički graviton (mora biti jedan). Sve ove čestice, osim fotona i gravitona, koji mogu putovati na beskonačno velike udaljenosti, postoje samo u procesu razmjene između materijalnih čestica. Fotoni ispunjavaju svemir svjetlošću, a gravitoni - gravitacijskim valovima (još nisu sa sigurnošću otkriveni).
Za česticu sposobnu da emituje merne čestice se kaže da je okružena odgovarajućim poljem sile. Tako su elektroni sposobni da emituju fotone okruženi električnim i magnetskim poljima, kao i slabim i gravitacionim poljima. Kvarkovi su takođe okruženi svim tim poljima, ali i poljem jake interakcije. Na čestice sa nabojem boje u polju sila boja utiče sila boje. Isto važi i za druge sile prirode. Stoga možemo reći da se svijet sastoji od materije (materijalne čestice) i polja (mjerne čestice). Više o tome u nastavku.
Antimaterija.
Svaka čestica odgovara antičestici, sa kojom se čestica može međusobno anihilirati, tj. "poništiti", usled čega se oslobađa energija. "Čista" energija sama po sebi, međutim, ne postoji; kao rezultat anihilacije pojavljuju se nove čestice (na primjer, fotoni) koje odnose ovu energiju.
Antičestica u većini slučajeva ima suprotna svojstva u odnosu na odgovarajuću česticu: ako se čestica pomakne ulijevo pod djelovanjem jakih, slabih ili elektromagnetnih polja, tada će se njena antičestica pomaknuti udesno. Ukratko, antičestica ima suprotne predznake svih naelektrisanja (osim naelektrisanja mase). Ako je čestica kompozitna, kao, na primjer, neutron, tada se njena antičestica sastoji od komponenti sa suprotnim predznacima naboja. Dakle, antielektron ima električni naboj od +1, slab naboj od +1/2 i naziva se pozitron. Antineutron se sastoji od i-antikvarkovi sa električnim nabojem –2/3 i d-antikvarkovi sa električnim nabojem +1/3. Istinski neutralne čestice su sopstvene antičestice: antičestica fotona je foton.
Prema savremenim teorijskim konceptima, svaka čestica koja postoji u prirodi mora imati svoju antičesticu. I mnoge antičestice, uključujući pozitrone i antineutrone, zaista su dobijene u laboratoriji. Posljedice ovoga su izuzetno važne i leže u osnovi cjelokupne eksperimentalne fizike elementarnih čestica. Prema teoriji relativnosti, masa i energija su ekvivalentne, a pod određenim uslovima energija se može pretvoriti u masu. Budući da je naboj očuvan, a naboj vakuuma (prazan prostor) jednak nuli, bilo koji par čestica i antičestica (sa nultim neto nabojem) može izaći iz vakuuma, kao zečevi iz mađioničarskog šešira, sve dok je energija dovoljna da stvori njihov masa.
Generacije čestica.
Eksperimenti na akceleratorima su pokazali da se četvorka (kvartet) materijalnih čestica ponavlja najmanje dva puta pri većim vrijednostima mase. U drugoj generaciji, mjesto elektrona zauzima mion (sa masom oko 200 puta većom od mase elektrona, ali sa istim vrijednostima svih ostalih naboja), mjesto elektronskog neutrina je mion (koji prati mion u slabim interakcijama na isti način na koji elektron prati elektronski neutrino), mjesto i-kvark zauzima sa-kvark ( očarani), a d-kvark - s-kvark ( čudno). U trećoj generaciji, kvartet se sastoji od tau leptona, tau neutrina, t-kvark i b-kvark.
Težina t-kvark je oko 500 puta veći od mase najlakšeg - d-kvark. Eksperimentalno je utvrđeno da postoje samo tri vrste lakih neutrina. Dakle, četvrta generacija čestica ili uopšte ne postoji, ili su odgovarajući neutrini veoma teški. Ovo je u skladu sa kosmološkim podacima, prema kojima ne može postojati više od četiri tipa lakih neutrina.
U eksperimentima s česticama visoke energije, elektron, mion, tau-lepton i odgovarajući neutrini djeluju kao zasebne čestice. Ne nose naboj u boji i samo ulaze u slabe i elektromagnetne interakcije. Zajedno se zovu leptons.
| Tabela 2. GENERACIJE FUNDAMENTALNIH ČESTICA | ||||
| Particle | Masa mirovanja, MeV/ sa 2 | Električno punjenje | naboj u boji | Slabo punjenje |
| DRUGA GENERACIJA | ||||
| sa-kvark | 1500 | +2/3 | Crvena, zelena ili plava | +1/2 |
| s-kvark | 500 | –1/3 | Isto | –1/2 |
| Muonski neutrino | 0 | 0 | +1/2 | |
| Muon | 106 | 0 | 0 | –1/2 |
| TREĆA GENERACIJA | ||||
| t-kvark | 30000–174000 | +2/3 | Crvena, zelena ili plava | +1/2 |
| b-kvark | 4700 | –1/3 | Isto | –1/2 |
| Tau neutrino | 0 | 0 | +1/2 | |
| Tau | 1777 | –1 | 0 | –1/2 |
Kvarkovi se, s druge strane, pod uticajem sila boja, kombinuju u čestice koje su u jakoj interakciji koje dominiraju većinom eksperimenata u fizici visokih energija. Takve čestice se nazivaju hadrona. Oni uključuju dvije podklase: barioni(npr. proton i neutron), koji se sastoje od tri kvarka, i mezoni koji se sastoji od kvarka i antikvarka. Godine 1947. otkriven je prvi mezon, nazvan pion (ili pi-mezon), u kosmičkim zracima, a neko vrijeme se vjerovalo da je izmjena ovih čestica glavni uzrok nuklearnih sila. Omega-minus hadroni, otkriveni 1964. u Brookhaven National Laboratory (SAD), i j-psy čestica ( J/y-meson), otkriven istovremeno u Brookhavenu i u Stanfordskom centru za linearne akceleratore (također u SAD) 1974. Postojanje omega-minus čestice predvidio je M. Gell-Mann u svojoj tzv. SU 3-teorija” (drugi naziv je “osmostruki put”), u kojoj je prvi put sugerisana mogućnost postojanja kvarkova (i ovo ime im je dato). Deceniju kasnije, otkriće čestice J/y potvrdili postojanje sa-kvark i konačno natjerao sve da povjeruju i u model kvarka i u teoriju koja kombinuje elektromagnetne i slabe sile ( vidi ispod).
Čestice druge i treće generacije nisu ništa manje stvarne od onih prve. Istina, nakon što su nastali, raspadaju se u milionitim ili milijardnim dionicama sekunde na obične čestice prve generacije: elektron, elektronski neutrino, a također i- i d-kvarkovi. Pitanje zašto u prirodi postoji nekoliko generacija čestica još uvijek je misterija.
O različitim generacijama kvarkova i leptona često se govori (što je, naravno, pomalo ekscentrično) kao o različitim "ukusima" čestica. Potreba da se oni objasne naziva se problemom "ukusa".
BOZONI I FERMIONI, POLJE I SUPSTANCA
Jedna od fundamentalnih razlika između čestica je razlika između bozona i fermiona. Sve čestice su podijeljene u ove dvije glavne klase. Kao što se bozoni mogu preklapati ili preklapati, ali kao što fermioni ne mogu. Superpozicija se javlja (ili se ne događa) u diskretnim energetskim stanjima na koja kvantna mehanika dijeli prirodu. Ova stanja su, takoreći, odvojene ćelije u koje se čestice mogu smjestiti. Dakle, u jednu ćeliju možete staviti bilo koji broj identičnih bozona, ali samo jedan fermion.
Kao primjer, razmotrite takve ćelije, ili "stanja", za elektron koji se okreće oko jezgra atoma. Za razliku od planeta Solarni sistem, elektron, prema zakonima kvantne mehanike, ne može kružiti ni po jednoj eliptičnoj orbiti, jer za njega postoji samo diskretni broj dozvoljenih "stanja kretanja". Skupovi takvih stanja, grupirani prema udaljenosti od elektrona do jezgra, nazivaju se orbitale. U prvoj orbitali postoje dva stanja sa različitim ugaonim momentima i, prema tome, dvije dozvoljene ćelije, a u višim orbitalama osam ili više ćelija.
Pošto je elektron fermion, svaka ćelija može sadržavati samo jedan elektron. Iz ovoga slijede vrlo važne posljedice - čitava hemija, budući da su hemijska svojstva supstanci određena interakcijama između odgovarajućih atoma. Ako prođete kroz periodični sistem elemenata od jednog atoma do drugog po jedinici povećanja broja protona u jezgru (shodno tome će se povećati i broj elektrona), tada će prva dva elektrona zauzeti prvu orbitalu, sljedećih osam će se nalaziti u drugom, itd. Ova uzastopna promena elektronske strukture atoma od elementa do elementa određuje pravilnosti u njihovim hemijskim svojstvima.
Ako bi elektroni bili bozoni, tada bi svi elektroni atoma mogli zauzeti istu orbitalu koja odgovara minimalnoj energiji. U ovom slučaju, svojstva sve materije u Univerzumu bila bi potpuno drugačija, a u obliku u kojem je poznajemo, Univerzum bi bio nemoguć.
Svi leptoni - elektron, mion, tau-lepton i njima odgovarajući neutrino - su fermioni. Isto se može reći i za kvarkove. Dakle, sve čestice koje formiraju "materiju", glavni punilac Univerzuma, kao i nevidljivi neutrini, su fermioni. Ovo je veoma značajno: fermioni se ne mogu kombinovati, pa se isto odnosi i na objekte u materijalnom svetu.
U isto vrijeme, sve "mjerne čestice" koje se razmjenjuju između čestica materijala u interakciji i koje stvaraju polje sila ( vidi gore), su bozoni, što je takođe veoma važno. Tako, na primjer, mnogi fotoni mogu biti u istom stanju, formirajući magnetsko polje oko magneta ili električno polje oko električnog naboja. Zahvaljujući tome, moguć je i laser.
Spin.
Razlika između bozona i fermiona povezana je sa još jednom karakteristikom elementarnih čestica - nazad. Koliko god to izgledalo iznenađujuće, ali sve fundamentalne čestice imaju svoj ugaoni moment ili, jednostavnije, rotiraju oko svoje ose. Ugaoni moment je karakteristika rotacijskog kretanja, baš kao što je ukupni impuls translacijskog kretanja. U bilo kojoj interakciji, ugaoni moment i zamah su očuvani.
U mikrokosmosu, ugaoni moment je kvantizovan, tj. uzima diskretne vrijednosti. U odgovarajućim jedinicama leptoni i kvarkovi imaju spin od 1/2, a merne čestice imaju spin od 1 (osim gravitona, koji još nije eksperimentalno uočen, ali bi teoretski trebao imati spin od 2). Pošto su leptoni i kvarkovi fermioni, a merne čestice bozoni, može se pretpostaviti da je "fermioničnost" povezana sa spinom 1/2, a "bozoničnost" sa spinom 1 (ili 2). Zaista, i eksperiment i teorija potvrđuju da ako čestica ima polucijeli spin, onda je to fermion, a ako je cijeli broj, onda je to bozon.
TEORIJE I GEOMETRIJA GAUGE
U svim slučajevima, sile nastaju zbog razmjene bozona između fermiona. Dakle, sila boje interakcije između dva kvarka (kvarkova - fermiona) nastaje zbog razmjene gluona. Takva razmjena se stalno odvija u protonima, neutronima i atomskim jezgrama. Na isti način, fotoni koji se razmjenjuju između elektrona i kvarkova stvaraju električne privlačne sile koje drže elektrone u atomu, a srednji vektorski bozoni koji se razmjenjuju između leptona i kvarkova stvaraju slabe interakcijske sile odgovorne za pretvaranje protona u neutrone u reakcijama fuzije u zvijezdama.
Teorija takve razmjene je elegantna, jednostavna i vjerovatno tačna. To se zove teorija merača. Ali u ovom trenutku postoje samo nezavisne mjerne teorije jakih, slabih i elektromagnetnih interakcija i mjerna teorija gravitacije slična njima, iako na neki način drugačija. Jedan od najvažnijih fizičkih problema je svođenje ovih odvojenih teorija u jedinstvenu i istovremeno jednostavnu teoriju, u kojoj bi sve one postale različiti aspekti jedne stvarnosti – poput aspekata kristala.
| Tabela 3. NEKI HADRONI | ||||
| Particle | Simbol | Sastav kvarka * | masa odmora, MeV/ sa 2 | Električno punjenje |
| BARYONS | ||||
| Proton | str | uud | 938 | +1 |
| Neutron | n | udd | 940 | 0 |
| Omega minus | W- | sss | 1672 | –1 |
| MESONS | ||||
| Pi plus | str + | u | 140 | +1 |
| Pi-minus | str – | du | 140 | –1 |
| fi | f | sê | 1020 | 0 |
| JPS | J/y | cŭ | 3100 | 0 |
| Upsilon | Ў | b | 9460 | 0 |
| * Sastav kvarka: u- gornji; d- niže; s- čudno; c- očarana b- predivno. Linija iznad slova označava antikvarke. | ||||
Najjednostavnija i najstarija mjerna teorija je mjerna teorija elektromagnetne interakcije. U njemu se naboj jednog elektrona upoređuje (kalibrira) sa nabojem drugog elektrona koji je udaljen od njega. Kako se troškovi mogu porediti? Možete, na primjer, približiti drugi elektron prvom i uporediti njihove interakcijske sile. Ali zar se naboj elektrona ne mijenja kada se pomakne u drugu tačku u svemiru? Jedini način da provjerite je da pošaljete signal od bliskog elektrona do udaljenog i vidite kako će reagirati. Signal je mjerna čestica - foton. Da bismo mogli provjeriti naboj na udaljenim česticama, potreban je foton.
Matematički, ova teorija se odlikuje izuzetnom preciznošću i ljepotom. Iz gore opisanog "principa mjerača" proizilazi sva kvantna elektrodinamika (kvantna teorija elektromagnetizma), kao i Maksvelova teorija elektromagnetnog polja, jedno od najvećih naučnih dostignuća 19. veka.
Zašto je tako jednostavan princip tako plodonosan? Očigledno, izražava određenu korelaciju različitih dijelova Univerzuma, omogućavajući mjerenja u Univerzumu. U matematičkom smislu, polje se tumači geometrijski kao zakrivljenost nekog zamislivog "unutrašnjeg" prostora. Mjerenje naboja je mjerenje ukupne "unutrašnje zakrivljenosti" oko čestice. Mjerne teorije jakih i slabih interakcija razlikuju se od teorije elektromagnetnih mjerača samo po unutrašnjoj geometrijskoj "strukturi" odgovarajućeg naboja. Na pitanje gdje se tačno nalazi ovaj unutrašnji prostor daju odgovor multidimenzionalne objedinjene teorije polja, koje se ovdje ne razmatraju.
| Tabela 4. FUNDAMENTALNE INTERAKCIJE | |||||
| Interakcija | Relativni intenzitet na udaljenosti od 10–13 cm | Radijus djelovanja | Nositelj interakcije | Masa mirovanja nosioca, MeV/ sa 2 | Carrier spin |
| Jaka | 1 | Gluon | 0 | 1 | |
| elektro- magnetna |
0,01 | Ґ | Photon | 0 | 1 |
| Slabo | 10 –13 | W + | 80400 | 1 | |
| W – | 80400 | 1 | |||
| Z 0 | 91190 | 1 | |||
| gravitacija- racionalno |
10 –38 | Ґ | graviton | 0 | 2 |
Fizika elementarnih čestica još nije završena. Još uvijek je daleko od jasnog da li su dostupni podaci dovoljni za potpuno razumijevanje prirode čestica i sila, kao i prave prirode i dimenzija prostora i vremena. Da li su nam za ovo potrebni eksperimenti sa energijama od 10 15 GeV ili će napor misli biti dovoljan? Još nema odgovora. Ali možemo s povjerenjem reći da će konačna slika biti jednostavna, elegantna i lijepa. Moguće je da neće biti toliko fundamentalnih ideja: princip kalibra, prostori viših dimenzija, kolaps i ekspanzija i, prije svega, geometrija.
Jedinice mjerenja fizičkih veličina u opisu pojava koje se dešavaju u mikrosvijetu dijele se na osnovne i derivate, koje se određuju putem matematičke notacije zakona fizike.
Zbog činjenice da se sve fizičke pojave dešavaju u prostoru i vremenu, kao osnovne jedinice se prvenstveno uzimaju jedinice dužine i vremena, a njima se dodaje jedinica mase. Osnovne jedinice: dužine l, vrijeme t, masa m − dobijemo određenu dimenziju. Dimenzije izvedenih jedinica određene su formulama koje izražavaju određene fizičke zakone.
Dimenzije osnovnih fizičkih jedinica odabrane su tako da ih je u praksi zgodno koristiti.
U SI sistemu su prihvaćene sledeće dimenzije: dužine [ l] = m (metar), vrijeme [t] = s (sekunda), masa [t] = kg (kilogram).
U CGS sistemu za osnovne jedinice su prihvaćene sljedeće dimenzije: dužina [/] = cm (centimetar), vrijeme [t] = s (sekunda) i masa [t] = g (gram). Za opisivanje fenomena koji se dešavaju u mikrokosmosu mogu se koristiti oba sistema jedinica SI i CGS.
Procijenimo redove veličine dužine, vremena i mase u fenomenima mikrosvijeta.
Pored opšteprihvaćenih međunarodnih sistema jedinica SI i CGS, koriste se i „prirodni sistemi jedinica“ zasnovani na univerzalnim fizičkim konstantama. Ovi sistemi jedinica su posebno relevantni i koriste se u raznim fizikalnim teorijama. U prirodnom sistemu jedinica kao osnovne jedinice uzimaju se osnovne konstante: brzina svetlosti u vakuumu - c, Plankova konstanta - ć, gravitaciona konstanta G N , Bolcmanova konstanta - k: Avogadrov broj - N A , itd. U prirodnom sistemu Planckovih jedinica, c = ć = G N = k = 1. Ovaj sistem jedinica se koristi u kosmologiji za opisivanje procesa u kojima su značajni i kvantni i gravitacijski efekti (teorije crnih rupa, teorije ranog svemira).
U prirodnom sistemu jedinica rješava se problem prirodne jedinice dužine. Ovo se može smatrati Comptonovom talasnom dužinom λ 0 , koja je određena masom čestice M: λ 0 = ć/Ms.
Dužina karakteriše veličinu objekta. Dakle, za elektron, klasični polumjer r 0 \u003d e 2 /m e c 2 = 2,81794 10 -13 cm (e, m e su naboj i masa elektrona). Klasični poluprečnik elektrona ima značenje poluprečnika nabijene lopte sa nabojem e (distribucija je sferno simetrična), pri čemu je energija elektrostatičkog polja kuglice ε = γe 2 /r 0 jednaka ostatku energija elektrona m e c 2 (koristi se kada se razmatra Thompsonovo raspršivanje svjetlosti).
Koristi se i radijus Borove orbite. Definira se kao udaljenost od jezgra na kojoj će se najvjerovatnije naći elektron u nepobuđenom atomu vodika.
a 0 = ć 2 /m e e 2 (u CGS sistemu) i a 0 = (α/4π)R = 0,529 10 -10 m (u SI sistemu), α = 1/137.
Veličina nukleona r ≈ 10 -13 cm (1 femtometar). Karakteristične dimenzije atomskih sistema su 10 -8 , nuklearnih sistema - 10 -12 ÷ 10 -13 cm.
Vrijeme varira u širokom rasponu i definira se kao omjer udaljenosti R i brzine objekta v. Za mikro-objekte τ otrov = R/v = 5·10 -12 cm/10 9 cm/s ~ 5·10 -22 s;
τ element h \u003d 10 -13 cm / 3 10 10 cm / s = 3 10 -24 s.
mise objekata variraju od 0 do M. Dakle, masa elektrona m e ≈ 10 -27 g, masa protona
m p ≈ 10 -24 g (CGS sistem). Jedna jedinica atomske mase koja se koristi u atomskoj i nuklearnoj fizici, 1 a.m.u. = M(C)/12 u jedinicama mase atoma ugljika.
Osnovne karakteristike mikro-objekata uključuju električni naboj, kao i karakteristike neophodne za identifikaciju elementarne čestice.
Električno punjenje
čestice Q se obično mjeri u jedinicama naelektrisanja elektrona. Naboj elektrona e = 1,6 10 -19 privjesak. Za čestice u slobodnom stanju, Q/e = ±1, 0, a za kvarkove koji čine hadrone, Q/e = ±2/3 i ±1/3.
U jezgrima, naboj je određen brojem protona Z sadržanih u jezgru. Naboj protona je po apsolutnoj vrijednosti jednak naboju elektrona.
Da biste identificirali elementarnu česticu, morate znati:
I je izotopski spin;
J - unutrašnji moment momenta - spin;
R - prostorni paritet;
C je paritet naboja;
G − G-paritet.
Ova informacija je zapisana kao formula I G (J PC).
Spin je jedna od najvažnijih karakteristika čestice, koja se mjeri korištenjem Planckove fundamentalne konstante h ili ć = h/2π = 1,0544·10 -27 [erg-s]. Bozoni imaju cjelobrojni spin u jedinicama ć: (0,1, 2,...)ć, fermioni imaju polucijeli (1/2, 3/2,... .)ć. U klasi supersimetričnih čestica zamjenjuju se vrijednosti spinova fermiona i bozona.
Rice. 4 ilustruje fizičko značenje spina J po analogiji sa klasičnom idejom ugaonog momenta čestice mase m = 1 g koja se kreće brzinom v = 1 cm/s duž kružnice poluprečnika r = 1 cm U klasičnoj fizici, ugaoni moment J = mvr = L (L je orbitalni moment). U kvantnoj mehanici, J = 10 27 ć = 1 erg·s za iste parametre objekta koji se kreće u krugu, gdje je ć = 1,05·10 -27 erg·s.
Projekcija spina elementarne čestice na smjer njenog momenta naziva se spiralnost. Heličnost čestice bez mase sa proizvoljnim spinom uzima samo dvije vrijednosti: duž ili protiv smjera impulsa čestice. Za foton, moguće vrijednosti spiralnosti su jednake ±1, za neutrino bez mase heličnost je jednaka ±1/2.
Moment momenta momenta atomskog jezgra definisan je kao vektorski zbir spinova elementarnih čestica koje formiraju kvantni sistem i orbitalnih momenata ovih čestica, usled njihovog kretanja unutar sistema. Orbitalni moment || i spin moment || dobijaju diskretnu vrednost. Orbitalni moment || = ć[ l(l+1)] 1/2 , gdje l− orbitalni kvantni broj (može imati vrijednosti 0, 1,2,...), unutrašnji moment momenta || = ć 1/2 gdje je s spin kvantni broj (može uzeti nulte, cjelobrojne ili polucijele vrijednosti J, ukupni ugaoni moment je jednak zbiru + = .
Izvedene jedinice uključuju: energiju čestice, brzinu koja zamjenjuje brzinu za relativističke čestice, magnetni moment, itd.
Energijačestica u mirovanju: E = mc 2 ; pokretna čestica: E \u003d m 2 c 4 + p 2 c 2.
Za nerelativističke čestice: E = mc 2 + p 2 /2m; za relativističke čestice, mase m = 0: E = up.
Energetske jedinice - eV, keV, MeV, GeV, TeV, ... 1 GeV = 10 9 eV, 1 TeV = 10 12 eV,
1 eV = 1,6 10 -12 erg.
Brzina čestica
β = v/c, gdje je c = 3 10 10 cm/s brzina svjetlosti. Brzina čestice određuje najvažnija karakteristika kao Lorentz faktor čestice γ = 1/(1-β 2) 1/2 = E/mc 2 . Uvijek γ > 1- Za nerelativističke čestice 1< γ < 2, а для релятивистских частиц γ > 2.
U fizici visokih energija, brzina čestice β je blizu 1 i teško je odrediti za relativističke čestice. Stoga se umjesto brzine koristi brzina y, koja je povezana sa brzinom relacijom y = (1/2)ln[(1+β)/(1-β)] = (1/2)ln[(E +p)/(E-p) ]. Brzina se mijenja od 0 do ∞.
Funkcionalni odnos između brzine čestice i brzine prikazan je na sl. 5. Za relativističke čestice pri β → 1, E → r, tada se umjesto brzine može koristiti pseudo-brzina η, koja je određena uglom izlaska čestice θ, η = (1/2)ln tan(θ/2) . Za razliku od brzine, brzina je aditivna veličina, tj. y 2 = y 0 + y 1 za bilo koji referentni okvir i za bilo koje relativističke i nerelativističke čestice.
Magnetski trenutak
μ = Iπr 2 /c, gdje je struja I = ev/2πr, nastaje zbog rotacije električnog naboja. Dakle, svaka nabijena čestica ima magnetni moment. Kada se razmatra magnetni moment elektrona, koristi se Borov magneton
μ B = eć/2m e c = 0,5788·10 -14 MeV/Gs, magnetni moment elektrona = g·μ B ·. Koeficijent g naziva se žiromagnetski omjer. Za elektron g = /μ B · = 2, jer J = ć/2, = μ B pod uslovom da je elektron tačkasta čestica bez strukture. Giromagnetski odnos g sadrži informacije o strukturi čestice. Količina (g − 2) se mjeri u eksperimentima koji imaju za cilj proučavanje strukture čestica osim leptona. Za leptone, ova količina ukazuje na ulogu viših elektromagnetnih korekcija (vidi Odjeljak 7.1 u nastavku).
U nuklearnoj fizici koristi se nuklearni magneton μ i = eć/2m p c, gdje je m p masa protona.
2.1.1. Hevisajd sistem i njegov odnos sa CGS sistemom
U Hevisajdovom sistemu se pretpostavlja da su brzina svjetlosti c i Plankova konstanta ć jednake jedinici, tj. c = ć = 1. Glavne mjerne jedinice su jedinice energije - MeV ili MeV -1, dok su u CGS sistemu glavne mjerne jedinice [g, cm, s]. Zatim, koristeći relacije: E = mc 2 = m = MeV, l= ć/mc = MeV -1 , t = ć/mc 2 = MeV -1 , dobijamo odnos između Heaviside sistema i CGS sistema u obliku:- m(g) = m(MeV) 2 10 -27 ,
- l(cm) = l(MeV -1) 2 10 -11 ,
- t (c) \u003d t (MeV -1) b.b 10 -22.
Hevisajdov sistem se koristi u fizici visokih energija za opisivanje pojava koje se dešavaju u mikrokosmosu, a zasniva se na upotrebi prirodnih konstanti s i ć, koje su odlučujuće u relativističkoj i kvantnoj mehanici.
Numeričke vrijednosti odgovarajućih veličina u CGS sistemu za elektron i proton date su u tabeli. 3 i može se koristiti za prelazak s jednog sistema na drugi.
Tabela 3. Numeričke vrijednosti veličina u CGS sistemu za elektron i proton
2.1.2. Planck (prirodne) jedinice
Kada se razmatraju gravitacioni efekti, uvodi se Plankova skala za merenje energije, mase, dužine i vremena. Ako je gravitaciona energija nekog objekta jednaka njegovoj ukupnoj energiji, tj.
onda
dužina = 1,6 10 -33 cm,
masa = 2,2 10 -5 g = 1,2 10 19 GeV,
vrijeme = 5,4 10 -44 s,
gdje 
\u003d 6,67 10 -8 cm 2 g -1 s -2.
Gravitacioni efekti su značajni kada je gravitaciona energija objekta uporediva sa njegovom ukupnom energijom.
2.2. Klasifikacija elementarnih čestica
Koncept "elementarne čestice" formiran je uspostavljanjem diskretne prirode strukture materije na mikroskopskom nivou.
Atomi → jezgra → nukleoni → partoni (kvarkovi i gluoni)
U modernoj fizici, izraz "elementarne čestice" se koristi za imenovanje velike grupe sićušnih posmatranočestice materije. Ova grupa čestica je veoma opsežna: p protoni, n neutroni, π- i K-mezoni, hiperoni, šarmirane čestice (J/ψ...) i mnoge rezonancije (ukupno
~ 350 čestica). Ove čestice se nazivaju "hadroni".
Pokazalo se da te čestice nisu elementarne, već su kompozitni sistemi, čiji su sastojci zaista elementarni ili, kako su počeli da se nazivaju, " fundamentalno
"čestice − partons, otkriven u proučavanju strukture protona. Proučavanje svojstava partona omogućilo je njihovu identifikaciju kvarkovi i gluoni koju su Gell-Mann i Zweig uveli u razmatranje u klasifikaciji posmatranih elementarnih čestica. Ispostavilo se da su kvarkovi fermioni sa spinom J = 1/2. Njima su dodeljeni delimični električni naboji i barionski broj B = 1/3, pošto se barion sa B = 1 sastoji od tri kvarka. Osim toga, da bi se objasnila svojstva nekih bariona, postalo je neophodno uvesti novi kvantni broj - boju. Svaki kvark ima tri stanja boja, označena indeksima 1, 2, 3 ili riječima crveno (R), zeleno (G) i plavo (B). Boja se ni na koji način ne manifestira u posmatranim hadronima i djeluje samo unutar njih.
Do danas je otkriveno 6 aroma (tipova) kvarkova.
U tabeli. 4 prikazuje svojstva kvarkova za jedno stanje boje.
Tabela 4. Svojstva kvarkova
| Aroma | Masa, MeV/s 2 | I | I 3 | Q q /e | s | sa | b | t |
| u gore | 330; (5) | 1/2 | 1/2 | 2/3 | 0 | 0 | 0 | 0 |
| d dolje | 340; (7) | 1/2 | -1/2 | -1/3 | 0 | 0 | 0 | 0 |
| s čudno | 450; (150) | 0 | 0 | -1/3 | -1 | 0 | 0 | 0 |
| sa šarmom | 1500 | 0 | 0 | 2/3 | 0 | 1 | 0 | 0 |
| b lepota | 5000 | 0 | 0 | -1/3 | 0 | 0 | -1 | 0 |
| t istina | 174000 | 0 | 0 | 2/3 | 0 | 0 | 0 | 1 |
Za svaku aromu kvarka data je njegova masa (date su mase sastavnih kvarkova i mase trenutnih kvarkova u zagradama), izotopski spin I i 3. projekcija izotopskog spina I 3 , naboj kvarka Q q /e i kvantne brojeve s, c, b, t. Uz ove kvantne brojeve, često se koristi kvantni broj hipernaboja Y = B + s + c + b + t. Postoji veza između projekcije izotopskog spina I 3 , električnog naboja Q i hipernaboja Y: Q = I 3 + (1/2)Y.
Pošto svaki kvark ima 3 boje, 18 kvarkova mora biti uključeno u razmatranje. Kvarkovi nemaju strukturu.
Istovremeno, među elementarnim česticama postojala je čitava klasa čestica zvanih " leptons". Oni su takođe fundamentalne čestice, odnosno nemaju strukturu. Ima ih šest: tri naelektrisane e, μ, τ i tri neutralne ν e, ν μ, ν τ. Leptoni učestvuju samo u elektromagnetnim i slabim interakcijama Leptoni i kvarkovi sa polucelobrojnim spinom J = (n+1/2)ć, n = 0, 1,... . su fundamentalni fermioni. Postoji neverovatna simetrija između leptona i kvarkova: šest leptona i šest kvarkova.
U tabeli. Slika 5 prikazuje svojstva osnovnih fermiona: električni naboj Q i u jedinicama naboja elektrona i mase čestice m. Leptoni i kvarkovi se spajaju u tri generacije (I, II i III). Za svaku generaciju, zbir električnih naboja ∑Q i = 0, uzimajući u obzir 3 naboja u boji za svaki kvark. Svaki fermion ima antifermion.
Pored karakteristika čestica navedenih u tabeli, važnu ulogu za leptone igraju leptonski brojevi: elektronski L e jednak +1 za e - i ν e , mion L μ jednak +1 za μ - i ν μ i taon L τ jednak +1 za τ - i ν τ , što odgovaraju okusima leptona uključenih u specifične reakcije i očuvane su količine. Za leptone, barionski broj B = 0.
Tabela 5. Svojstva fundamentalnih fermiona
Materija koja nas okružuje sastoji se od fermiona prve generacije mase različite od nule. Uticaj čestica druge i treće generacije manifestovao se u ranom Univerzumu. Među fundamentalnim česticama posebnu ulogu imaju fundamentalni gauge bozoni, koji imaju cijeli unutrašnji kvantni broj spin J = nć, n = 0, 1, .... Gauge bozoni su odgovorni za četiri tipa fundamentalnih interakcija: jake (gluonske g), elektromagnetski (foton γ), slab (bozoni W±, Z 0), gravitacioni (graviton G). Oni su takođe bezstrukturne, fundamentalne čestice.
U tabeli. 6 pokazuje svojstva fundamentalnih bozona, koji su kvanti polja u kalibracijskim teorijama.
Tabela 6. Svojstva fundamentalnih bozona
| Ime | Napunite | Težina | Spin | Interakcije |
| Graviton, G | 0 | 0 | 2 | gravitacioni |
| Foton, γ | 0 | < 3·10 -27 эВ | 1 | elektromagnetna |
| Nabijeni vektorski bozoni, W ± | ±1 | 80,419 GeV/s 2 | 1 | Slabo |
| Neutralni vektorski bozon, Z 0 | 0 | 91,188 GeV/s 2 | 1 | Slabo |
| Gluoni, g 1 , ... , g 8 | 0 | 0 | 0 | Jaka |
| Higgs, H 0 , H ± | 0 | > 100 GeV/c 2 | 0 |
Pored osobina otkrivenih kalibracijskih bozona γ, W ± , Z 0 , g 1 ,... , g 8, u tabeli su prikazana svojstva bozona koji još nisu otkriveni: G gravitona i Higsovih bozona H 0 , H ± .
Razmotrimo sada najbrojniju grupu elementarnih čestica u jakoj interakciji - hadrone, da bismo objasnili čiju strukturu je uveden pojam kvarkova.
Hadroni se dijele na mezone i barione. Mezoni su građeni od kvarka i antikvarka (q). Barioni se sastoje od tri kvarka (q 1 q 2 q 3).
U tabeli. 7 navodi svojstva osnovnih hadrona. (Za detaljne tabele pogledajte The European Physical Journal C, Rev. of Particle Phys., v.15, br. 1 - 4, 2000.)
Tabela 7. Svojstva hadrona
| Ime | Masa, MeV/s 2 | Životni vijek, s | Propadanje mode | Sastav kvarka | |||||||||||
| Božur π ± 1 - (0 -+) π 0 |
139.567 134.965 |
2,6 10 -8 |
π ± → μ ± + ν π 0 → γ + γ |
(u), (d) (u − d)/√2 |
|||||||||||
| η mezon η 0 0 + (0 -+) |
548.8 | G=1,18±0,11 keV | η 0 → γ + γ; 3π 0 →π + + π -0 + π -- |
c 1 (u + d) + c 2 (s) | |||||||||||
|
|||||||||||||||
| D ± D0 |
1869.3 1864.5 |
10,69 10 -13 4,28 10 -13 |
D ± → e ± + X |
(c), (d) (c) |
|||||||||||
| F±= | 1969.3 | 4,36 10 -13 | → ρ 0 + π ± | (c, s) | |||||||||||
| B ± U 0 |
5277.6 5279.4 | 13.1 10 -13 13.1 10 -13 |
B ± → + π ± B 0 →+ π -0 + |
(u), (b) (d), (b) |
|||||||||||
| b | Proton p Neutron n |
938.3 939.5 |
> 10 33 godine 898±16 |
n → p + e - + |
uud udd |
||||||||||
| Λ | 2,63 10 -10 | Λ→p + π - | uds | ||||||||||||
|
Σ + Σ 0 Σ - |
1189.4 1192 1197 |
0,8 10 -10 5,8 10 -20 1,48 10 -10 |
Σ + →p + π 0 Σ 0 → Λ+ γ Σ - →n + π - |
uus uds dds |
|||||||||||
|
Ξ 0 Ξ - |
1314.9 1321 |
2,9 10 -10 1,64 10 -10 |
Ξ 0 → Λ+ π 0 Ξ - → Λ + π - |
uss dss |
|||||||||||
| Ω - | 1672 | 0,8 10 -10 | Ω - → Λ+ K - | sss | |||||||||||
|
|
|
Kvark struktura hadrona omogućava da se u ovoj velikoj grupi čestica izdvajaju nečudni hadroni, koji se sastoje od nečudnih kvarkova (u, d), čudnih hadrona, koji uključuju čudan kvark s, šarmiranih hadrona koji sadrže c -kvark, šarm hadrone (donji hadroni) sa b kvarkom.
U tabeli su prikazana svojstva samo malog dijela adrona: mezona i bariona. Prikazani su njihova masa, životni vijek, glavni modovi raspada i sastav kvarka. Za mezone, barionski broj B = O i leptonski broj L = 0. Za barione, barionski broj B = 1, leptonski broj L = 0. Mezoni su bozoni (cijelobrojni spin), barioni su fermioni ( polucijeli spin).
Dalje razmatranje svojstava hadrona omogućava nam da ih kombinujemo u izotopske multiplete koji se sastoje od čestica sa istim kvantnim brojevima (barionski broj, spin, unutrašnji paritet, čudnost) i sličnim masama, ali sa različitim električnim nabojem. Svaki izotopski multiplet karakterizira izotopski spin I, koji određuje ukupan broj čestica u multipletu, jednak 2I + 1. Izospin može poprimiti vrijednosti 0, 1/2, 1, 3/2, 2 , . .., tj. moguće je postojanje izotopskih singleta, dubleta, tripleta, kvarteta itd. Dakle, proton i neutron čine izotopski dublet, π + -, π - -, π 0 -mezoni se smatraju izotopskim tripletom.
Složeniji objekti u mikrokosmosu su atomska jezgra. Atomsko jezgro se sastoji od Z protona i N neutrona. Zbir Z + N = A je broj nukleona u datom izotopu. Često tabele daju prosječnu vrijednost za sve izotope, a onda ona postaje razlomka. Poznate su jezgre za koje su navedene vrijednosti unutar: 1< А < 289, 1 < Z < 116.
Gore navedene čestice razmatraju se u okviru Standardnog modela. Pretpostavlja se da izvan Standardnog modela može postojati još jedna grupa fundamentalnih čestica - supersimetrične čestice (SUSY). Oni bi trebali osigurati simetriju između fermiona i bozona. U tabeli. 8 prikazuje pretpostavljena svojstva ove simetrije.
2.3. Terenski pristup problemu interakcija
2.3.1 Svojstva fundamentalnih interakcija
Ogromna raznolikost fizičkih pojava koje se javljaju prilikom sudara elementarnih čestica određuju samo četiri tipa interakcija: elektromagnetna, slaba, jaka i gravitacijska. U kvantnoj teoriji, interakcija je opisana u terminima razmjene specifičnih kvanta (bozona) povezanih sa datom vrstom interakcije.
Za vizuelni prikaz interakcije čestica, američki fizičar R. Feynman predložio je korištenje dijagrama, koji su dobili njegovo ime. Feynmanovi dijagrami opisuju svaki proces interakcije kada se dvije čestice sudaraju. Svaka čestica uključena u proces je predstavljena linijom na Feynmanovom dijagramu. Slobodni lijevi ili desni kraj linije označavaju da je čestica u početnom ili konačnom stanju, respektivno. Unutrašnje linije na dijagramima (odnosno linije koje nemaju slobodne krajeve) odgovaraju takozvanim virtuelnim česticama. To su čestice koje se rađaju i apsorbiraju u procesu interakcije. Ne mogu se registrovati, za razliku od pravih čestica. Interakcija čestica u dijagramu je predstavljena čvorovima (ili vrhovima). Tip interakcije karakteriše konstanta spajanja α, koja se može napisati kao: α = g 2 /ćc, gde je g naelektrisanje izvora interakcije, i glavna je kvantitativna karakteristika sile koja deluje između čestica. U elektromagnetskoj interakciji α e \u003d e 2 / ćc \u003d 1/137.
 Fig.6. Feynmanov dijagram. |
Proces a + b →s + d u obliku Feynmanovog dijagrama (slika 6) izgleda ovako: R je virtuelna čestica koja se čestice a i b razmjenjuju tokom interakcije određene interakcijskom konstantom α = g 2 /ćc , koji karakterizira jačinu interakcije na udaljenosti , jednakoj radijusu interakcije.
Virtuelna čestica može imati masu M x, a kada se ta čestica razmjenjuje, prenosi se 4-impuls t = −q 2 = Q 2 .
U tabeli. 9 prikazuje karakteristike različitih tipova interakcija.
Elektromagnetne interakcije
. Elektromagnetske interakcije kojima su podložne sve nabijene čestice i fotoni su najpotpunije i najdosljednije proučavane. Nositelj interakcije je foton. Za elektromagnetne sile, konstanta interakcije je numerički jednaka konstanti fine strukture α e = e 2 /ćc = 1/137.
Primjeri najjednostavnijih elektromagnetnih procesa su fotoelektrični efekat, Comptonov efekat, formiranje parova elektron-pozitron, a za nabijene čestice jonizacijsko raspršivanje i kočno svjetlo. Teorija ovih interakcija - kvantna elektrodinamika - je najtačnija fizička teorija.
Slabe interakcije.
Po prvi put su uočene slabe interakcije u β-raspadu atomskih jezgara. I, kako se ispostavilo, ovi raspadi su povezani s transformacijama protona u neutron u jezgri i obrnuto:
p → n + e + + ν e , n → p + e - + e . Moguće su i obrnute reakcije: hvatanje elektrona e - + p → n + ν e ili antineutrino e + p → e + + n. Slabu interakciju opisao je Enrico Fermi 1934. u terminima kontaktne interakcije četiri fermiona definirane Fermijevom konstantom
G F \u003d 1,4 10 -49 erg cm 3.
Pri vrlo visokim energijama, umjesto interakcije Fermijevog kontakta, slaba interakcija se opisuje kao razmjenska interakcija, u kojoj dolazi do izmjene kvanta sa slabim nabojem g w (po analogiji s električnim nabojem) i koji djeluje između fermiona. Takvi kvanti su prvi put otkriveni 1983. godine na SppS sudaraču (CERN) od strane tima koji je predvodio Karl Rubbia. To su nabijeni bozoni - W ± i neutralni bozon - Z 0, njihove mase su respektivno jednake: m W± = 80 GeV/c 2 i m Z = 90 GeV/c 2 . Konstanta interakcije α W u ovom slučaju je izražena u terminima Fermijeve konstante:
Tabela 9. Glavne vrste interakcija i njihove karakteristike
| Generacija | Kvarkovi sa nabojem (+2/3) | Kvarkovi s nabojem (−1/3) | ||||||
| Kvark/antikvark simbol | masa (MeV) | Naziv/okus kvarka/antikvarka | Kvark/antikvark simbol | masa (MeV) | ||||
|---|---|---|---|---|---|---|---|---|
| 1 | u-kvark (up-kvark) / anti-u-kvark | texvc nije pronađeno; Pogledajte math/README za pomoć pri postavljanju.): u / \, \overline(u)
|
od 1,5 do 3 | d-kvark (down-kvark) / anti-d-kvark | Nije moguće raščlaniti izraz (izvršna datoteka texvc nije pronađeno; Pogledajte math/README za pomoć pri postavljanju.): d / \, \overline(d)
|
4,79±0,07 | ||
| 2 | c-kvark (čar-kvark) / anti-c-kvark | Nije moguće raščlaniti izraz (izvršna datoteka texvc nije pronađeno; Pogledajte math/README za pomoć pri postavljanju.): c / \, \overline(c)
|
1250±90 | s-kvark (čudni kvark) / anti-s-kvark | Nije moguće raščlaniti izraz (izvršna datoteka texvc nije pronađeno; Pogledajte math/README za pomoć pri postavljanju.): s / \, \overline(s)
|
95±25 | ||
| 3 | t-kvark (top-kvark) / anti-t-kvark | Nije moguće raščlaniti izraz (izvršna datoteka texvc nije pronađeno; Pogledajte math/README za pomoć pri postavljanju.): t / \, \overline(t)
|
174 200 ± 3300 | b-kvark (donji kvark) / anti-b-kvark | Nije moguće raščlaniti izraz (izvršna datoteka texvc nije pronađeno; Pogledajte math/README za pomoć pri postavljanju.): b / \, \overline(b)
|
4200±70 | ||
vidi takođe
Napišite recenziju na članak "Fundamentalna čestica"
Bilješke
Linkovi
- S. A. Slavatinsky// Moskovski institut za fiziku i tehnologiju (Dolgoprudny, Moskovska oblast)
- Slavatinsky S.A. // SOZH, 2001, br. 2, str. 62–68 arhiva http://web.archive.org/web/20060116134302/http://journal.issep.rssi.ru/annot.php?id=S1176
- // nuclphys.sinp.msu.ru
- // second-physics.ru
- // physics.ru
- // nature.web.ru
- // nature.web.ru
- // nature.web.ru
| Najpoznatija formula iz opšte teorije relativnosti je zakon održanja energije i mase | Ovaj članak iz fizike je stub. Možete pomoći projektu dodavanjem. |
| |||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
Predstavljen na sl.1 fundamentalni fermioni, sa spinom ½, su "prve cigle" materije. Oni su zastupljeni leptons(elektroni e, neutrino, itd.) - čestice koje ne učestvuju u jaka nuklearne interakcije, i kvarkovi, koji su uključeni u snažne interakcije. Nuklearne čestice se sastoje od kvarkova hadrona(protoni, neutroni i mezoni). Svaka od ovih čestica ima svoju antičesticu, koja se mora smjestiti u istu ćeliju. Oznaka antičestice se razlikuje znakom tilde (~).
Od šest varijanti kvarkova, ili šest mirisi električni naboj 2/3 (u jedinicama elementarnog naboja e) posjeduju gornji ( u), šarmantan ( c) i istina ( t) kvarkovi, a sa nabojem –1/3 – manjim ( d), čudno ( s) i lijepa ( b) kvarkovi. Antikvarkovi sa istim ukusom će imati električni naboj od -2/3 i 1/3, respektivno.
| fundamentalne čestice | |||||||||||||||||||
| Fundamentalni fermioni (polucijeli spin) | Fundamentalni bozoni (celobrojni spin) | ||||||||||||||||||
| Leptoni | Kvarkovi | ||||||||||||||||||
| n e | nm | n t | u | c | t | 2/3 | Jaka | El.-magnetna | Slabo | gravitacioni | |||||||||
| e | m | t | –1 | d | s | b | –1/3 | 8 g J = 1 m = 0 | g J = 1 m = 0 | W ± ,Z 0 J = 1 m@100 | G J = 2 m = 0 | ||||||||
| I | II | III | I | II | III | ||||||||||||||
| Elektroslaba interakcija | |||||||||||||||||||
| veliko ujedinjenje | |||||||||||||||||||
| superunifikacija | |||||||||||||||||||
U kvantnoj hromodinamici (teorija jake interakcije), tri tipa jakih interakcijskih naboja se pripisuju kvarkovima i antikvarkovima: crveni R(anti-crvena); zeleno G(anti-zeleni); plava B(anti plava). Boja (jaka) interakcija vezuje kvarkove u hadronima. Potonji se dijele na barioni, koji se sastoji od tri kvarka, i mezoni koji se sastoji od dva kvarka. Na primjer, protoni i neutroni povezani s barionima imaju sljedeći sastav kvarkova:
str = (uud) i , n = (ddu) i .
Kao primjer predstavljamo sastav tripleta pi-mezona:
, , 
Iz ovih formula je lako vidjeti da je naboj protona +1, dok je naboj antiprotona -1. Neutron i antineutron imaju nulti naboj. Spinovi kvarkova u ovim česticama se sabiraju tako da su njihovi ukupni spinovi jednaki ½. Moguće su i takve kombinacije istih kvarkova u kojima su ukupni spinovi jednaki 3/2. Takve elementarne čestice (D ++ , D + , D 0 , D –) su otkrivene i pripadaju rezonancijama, tj. kratkotrajni hadroni.
Poznati proces radioaktivnog b-raspada, koji je predstavljen shemom
n ® str + e + ,
sa stanovišta teorije kvarkova izgleda tako
(udd) ® ( uud) + e+ ili d ® u + e + .
Uprkos ponovljenim pokušajima da se otkriju slobodni kvarkovi u eksperimentima, to nije bilo moguće. Ovo sugerira da se kvarkovi, očigledno, pojavljuju samo u sastavu složenijih čestica ( hvatanje kvarkova). Potpuno objašnjenje ovog fenomena još nije dato.
Slika 1 pokazuje da postoji simetrija između leptona i kvarkova, koja se naziva kvark-leptonska simetrija. Čestice u gornjem redu imaju jedan naboj više od čestica u donjem redu. Čestice prve kolone pripadaju prvoj generaciji, druge - drugoj generaciji, a treće kolone - trećoj generaciji. Pravi kvarkovi c, b i t bile su predviđene na osnovu ove simetrije. Materija koja nas okružuje sastoji se od čestica prve generacije. Koja je uloga čestica druge i treće generacije? Još uvijek nema definitivnog odgovora na ovo pitanje.
Zanimljiv članak
Nedavno su fizičari koji su gledali još jedan eksperiment na Velikom hadronskom sudaraču konačno uspjeli pronaći tragove Higsovog bozona, ili, kako ga mnogi novinari nazivaju, "božanske čestice". To znači da se konstrukcija sudarača u potpunosti opravdala – uostalom, napravljena je upravo da bi se uhvatio ovaj neuhvatljivi bozon.
Fizičari koji rade na Velikom hadronskom sudaraču koristeći CMS detektor po prvi put su zabilježili rođenje dva Z-bozona - jedan od tipova događaja koji bi mogao biti dokaz postojanja "teške" verzije Higsovog bozona. Tačnije, 10. oktobra CMS detektor je prvi put detektovao pojavu četiri miona. Preliminarni rezultati rekonstrukcije omogućili su naučnicima da tumače ovaj događaj kao kandidata za proizvodnju dva neutralna Z-bozona.
Mislim da bi sada trebalo malo odstupiti i razgovarati o tome šta su ti mioni, bozoni i druge elementarne čestice. Prema standardnom modelu kvantne mehanike, cijeli svijet se sastoji od raznih elementarnih čestica, koje u dodiru jedna s drugom stvaraju sve poznate vrste mase i energije.
Sva materija se, na primjer, sastoji od 12 osnovnih fermionskih čestica: 6 leptona, kao što su elektron, mion, tau lepton i tri vrste neutrina i 6 kvarkova (u, d, s, c, b, t), koji mogu kombinovati tri generacije fermiona. Fermioni su čestice koje mogu biti u slobodnom stanju, ali kvarkovi nisu, oni su dio drugih čestica, na primjer, dobro poznatih protona i neutrona.
Štaviše, svaka od čestica učestvuje u određenoj vrsti interakcije, kojih, kao što se sjećamo, postoje samo četiri: elektromagnetna, slaba (interakcija čestica tokom β-raspada jezgra atoma), jaka (izgleda da se drži atomsko jezgro zajedno) i gravitacioni. Ovo posljednje, čiji je rezultat, na primjer, gravitacija, standardni model ne razmatra, budući da graviton (čestica koja ga osigurava) još nije pronađen.
Kod ostalih tipova sve je jednostavnije - čestice koje u njima učestvuju fizičari znaju "iz viđenja". Tako, na primjer, kvarkovi učestvuju u jakim, slabim i elektromagnetnim interakcijama; nabijeni leptoni (elektron, mion, tau-lepton) - u slabim i elektromagnetnim; neutrina - samo u slabim interakcijama.
Međutim, pored ovih "masenih" čestica, postoje i takozvane virtuelne čestice od kojih neke (na primjer, foton) uopće nemaju masu. Iskreno govoreći, virtuelne čestice su više matematički fenomen nego fizička stvarnost, jer ih do sada niko nikada nije "video". Međutim, u raznim eksperimentima, fizičari mogu uočiti tragove njihovog postojanja, jer je, nažalost, vrlo kratkog vijeka.
Šta su ovo zanimljivi komadi? Oni se rađaju samo u trenutku neke interakcije (od gore opisanih), nakon čega se ili raspadaju ili ih apsorbiraju neke od osnovnih čestica. Vjeruje se da oni "prenose" interakciju, odnosno dodirujući fundamentalne čestice mijenjaju svoje karakteristike, zbog čega do interakcije, zapravo, dolazi.
Tako, na primjer, u elektromagnetnim interakcijama, koje su najbolje proučavane, elektroni neprestano apsorbiraju i emituju fotone, virtualne čestice bez mase, zbog čega se svojstva samih elektrona donekle mijenjaju i postaju sposobni za takve poduhvate kao što su npr. kretanje (tj. električna struja), ili "skakanje" na drugi energetski nivo (kao što se događa u fotosintezi u biljkama). Virtuelne čestice rade na isti način za druge vrste interakcija.
Osim fotona, moderna fizika poznaje još dvije vrste virtualnih čestica, koje se nazivaju bozoni i gluoni. Za nas su bozoni sada od posebnog interesa - vjeruje se da ih u svim interakcijama fundamentalne čestice neprestano razmjenjuju i time utiču jedna na drugu. Sami bozoni se smatraju česticama bez mase, iako neki eksperimenti pokazuju da to nije sasvim tačno - W- i Z-bozoni mogu dobiti masu za kratko vrijeme.
Jedan od najmisterioznijih bozona je isti Higgsov bozon, za čije otkrivanje tragova je, zapravo, izgrađen Veliki hadronski sudarač. Vjeruje se da je ova misteriozna čestica jedan od najčešćih i najvažnijih bozona u svemiru.
Još 1960-ih, engleski profesor Peter Higgs predložio je hipotezu prema kojoj je sva materija u svemiru nastala interakcijom različitih čestica s nekim početnim fundamentalnim principom (nastalim iz Velikog praska), koji je kasnije dobio ime po njemu. On je sugerisao da je Univerzum prožet nevidljivim poljem, prolazeći kroz koje neke elementarne čestice "rastu" neke bozone, čime dobijaju na masi, dok druge, poput fotona, ostaju neopterećene težinom.
Naučnici sada razmatraju dvije mogućnosti - postojanje "lakih" i "teških" opcija. "Lagani" Higgs s masom od 135 do 200 gigaelektronvolti trebao bi se raspasti na parove W-bozona, a ako je masa bozona 200 gigaelektronvolti ili više, onda na parove Z-bozona, koji zauzvrat stvaraju na parove elektrona ili miona.
Ispostavilo se da je misteriozni Higsov bozon, takoreći, "tvorac" svega u Univerzumu. Možda ga je zato nobelovac Leon Lederman jednom nazvao "bogom čestica". Ali u medijima se ova izjava donekle iskrivila i počela je zvučati kao "čestica Boga" ili "božanska čestica".
Kako se mogu dobiti tragovi prisustva "boga-čestice"? Vjeruje se da Higsov bozon može nastati u toku sudara protona sa neutrinima u ubrzavajućem prstenu sudarača. U ovom slučaju, kao što se sjećamo, on bi se odmah trebao raspasti na brojne druge čestice (posebno Z-bozone), koje se mogu registrovati.
Istina, sami detektori ne mogu detektovati Z-bozone zbog izuzetno kratkog životnog vijeka ovih elementarnih čestica (oko 3 × 10-25 sekundi), ali mogu "hvatati" mione u koje se Z-bozoni pretvaraju.
Da vas podsjetim da je mion nestabilna elementarna čestica s negativnim električnim nabojem i spinom ½. Ne javlja se u običnim atomima, prije toga se nalazio samo u kosmičkim zracima s brzinama bliskim brzini svjetlosti. Životni vijek miona je vrlo kratak – postoji samo 2,2 mikrosekunde, a zatim se raspada na elektron, elektronski antineutrino i mionski neutrino.
Mioni se mogu dobiti umjetnim putem sudaranjem protona i neutrina pri velikim brzinama. Međutim, dugo vremena nije bilo moguće postići takve brzine. To je urađeno samo tokom izgradnje Velikog hadronskog sudarača.
I konačno, dobijeni su prvi rezultati. Tokom eksperimenta, koji je održan 10. oktobra ove godine, kao rezultat sudara protona sa neutrinom, zabilježeno je rođenje četiri miona. To dokazuje da je došlo do pojave dva neutralna kalibarska Z-bozona (u ovakvim događajima se uvijek pojavljuju). Dakle, postojanje Higsovog bozona nije mit, već stvarnost.
Istina, naučnici primjećuju da ovaj događaj sam po sebi ne znači nužno rođenje Higgsovog bozona, jer drugi događaji mogu dovesti do pojave četiri miona. Međutim, ovo je prvi od ovih tipova događaja koji na kraju mogu proizvesti Higgsovu česticu. Da bi se sa sigurnošću govorilo o postojanju Higgsovog bozona u određenom rasponu masa, potrebno je akumulirati značajan broj takvih događaja i analizirati kako su mase proizvedenih čestica raspoređene.
Međutim, šta god da kažete, prvi korak ka dokazivanju postojanja "boga-čestice" je već napravljen. Možda će dalji eksperimenti moći pružiti još više informacija o misterioznom Higsovom bozonu. Ako ga naučnici konačno "uhvate", onda će moći da ponovo stvore uslove koji su postojali prije 13 milijardi godina nakon Velikog praska, odnosno one pod kojima je rođen naš Univerzum.
