fundamentalna čestica. Fundamentalne (bezstrukturne) čestice. Klasifikacija elementarnih čestica

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.

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.

O RAZUMIJEVANJU KRETANJA MATERIJE, NJENE SPOSOBNOSTI ZA SAMORAZVOJ, KAO I POVEZIVANJA I INTERAKCIJE MATERIJALNIH OBJEKATA U SAVREMENIM PRIRODNIM NAUKAMA

Tsyupka V.P.

Savezna državna autonomna obrazovna ustanova visokog obrazovanja stručno obrazovanje Belgorod State National istraživački univerzitet"(NRU "BelGU")

1. Kretanje materije

„Integralno svojstvo materije je kretanje“ 1 , koje je oblik postojanja materije i manifestuje se u svakoj njenoj promeni. Iz neuništivosti i neuništivosti materije i njenih atributa, uključujući i kretanje, proizilazi da kretanje materije postoji zauvek i da je beskonačno raznoliko u obliku svojih manifestacija.

Postojanje bilo kojeg materijalnog objekta očituje se u njegovom kretanju, odnosno u svakoj promjeni koja se s njim dogodi. U toku promjene uvijek se mijenjaju neka svojstva materijalnog objekta. Budući da ukupnost svih svojstava materijalnog objekta, koja karakterizira njegovu sigurnost, individualnost, osobinu u određenom trenutku, odgovara njegovom stanju, ispada da je kretanje materijalnog objekta praćeno promjenom njegovih stanja. . Promjena svojstava može ići toliko daleko da jedan materijalni objekt može postati drugi materijalni objekt. “Ali materijalni predmet se nikada ne može pretvoriti u svojstvo” (na primjer, masa, energija), a “svojstvo - u materijalni objekt” 2, jer samo pokretna materija može biti promjenjiva supstanca. U prirodnoj nauci kretanje materije se naziva i prirodni fenomen (prirodni fenomen).

Poznato je da „bez kretanja nema materije“ 3 kao što bez materije ne može biti ni kretanja.

Kretanje materije se može izraziti kvantitativno. Univerzalna kvantitativna mjera kretanja materije, kao i svakog materijalnog objekta, je energija, koja izražava vlastitu aktivnost materije i svakog materijalnog objekta. Dakle, energija je jedno od svojstava pokretne materije, a energija ne može biti izvan materije, odvojena od nje. Energija je u ekvivalentnom odnosu sa masom. Stoga masa može karakterizirati ne samo količinu tvari, već i stupanj njene aktivnosti. Iz činjenice da kretanje materije postoji zauvek i da je beskonačno raznoliko u obliku svojih manifestacija, neumoljivo sledi da energija koja karakteriše kretanje materije kvantitativno takođe postoji večno (nestvorena i neuništiva) i beskonačno raznolika u obliku svojih manifestacija. . „Dakle, energija nikada ne nestaje i ne pojavljuje se ponovo, već samo prelazi iz jednog oblika u drugi“ 1 u skladu sa promjenom tipova kretanja.

Posmatrano različite vrste(oblici) kretanja materije. Mogu se klasificirati uzimajući u obzir promjene u svojstvima materijalnih objekata i karakteristike njihovog utjecaja jedni na druge.

Kretanje fizičkog vakuuma (slobodna fundamentalna polja u normalnom stanju) svodi se na činjenicu da on cijelo vrijeme lagano odstupa u različitim smjerovima od svoje ravnoteže, kao da "drhti". Kao rezultat takvih spontanih niskoenergetskih pobuda (devijacije, perturbacije, fluktuacije), nastaju virtualne čestice koje se odmah rastvaraju u fizičkom vakuumu. Ovo je najniže (osnovno) energetsko stanje pokretnog fizičkog vakuuma, njegova energija je blizu nule. Ali fizički vakuum može neko vrijeme na nekom mjestu prijeći u uzbuđeno stanje, koje karakterizira određeni višak energije. Sa tako značajnim, visokoenergetskim pobudama (devijacijama, perturbacijama, fluktuacijama) fizičkog vakuuma, virtuelne čestice mogu zaokružiti svoj izgled i tada iz fizičkog vakuuma izbijaju prave fundamentalne čestice različitih tipova, i to po pravilu u parovima ( koji imaju električni naboj u obliku čestice i antičesticu sa električnim nabojima suprotnih predznaka, na primjer, u obliku para elektron-pozitron).

Pojedinačne kvantne pobude različitih slobodnih fundamentalnih polja su fundamentalne čestice.

Fermionska (spinorska) fundamentalna polja mogu dovesti do 24 fermiona (6 kvarkova i 6 antikvarkova, kao i 6 leptona i 6 antileptona), podijeljenih u tri generacije (familije). U prvoj generaciji, gornji i donji kvarkovi (i antikvarkovi), kao i leptoni, elektron i elektronski neutrino (i pozitron sa elektronskim antineutrinom), formiraju običnu materiju (i rijetko otkrivenu antimateriju). U drugoj generaciji, sa većom masom (veći gravitacioni naboj), šarmirani i čudni kvarkovi (i antikvarkovi), kao i leptoni mionski i mionski neutrino (i antimuon sa mionskim antineutrinom). U trećoj generaciji pravi i ljupki kvarkovi (i antikvarkovi), kao i leptoni taon i taon neutrino (i antitaon sa taon antineutrinom). Fermioni druge i treće generacije ne učestvuju u formiranju obične materije, nestabilni su i raspadaju se formiranjem fermiona prve generacije.

Bosonska (kalibarska) fundamentalna polja mogu generirati 18 vrsta bozona: gravitacijsko polje - gravitoni, elektromagnetno polje - fotoni, polje slabe interakcije - 3 vrste "viona" 1, gluonsko polje - 8 vrsta gluona, Higgsovo polje - 5 tipova Higgsovih bozoni.

Fizički vakuum u dovoljno visokoenergetskom (pobuđenom) stanju je sposoban da generiše mnoge fundamentalne čestice sa značajnom energijom, u obliku mini-svemira.

Za supstancu mikrokosmosa, kretanje je smanjeno:

da se šire, sudaraju i transformišu jedno u drugo elementarne čestice;

formiranje atomskih jezgara od protona i neutrona, njihovo kretanje, sudaranje i promjena;

formiranje atoma iz atomskih jezgri i elektrona, njihovo kretanje, sudar i promjena, uključujući skakanje elektrona s jedne atomske orbitale na drugu i njihovo odvajanje od atoma, dodavanje viška elektrona;

formiranje molekula iz atoma, njihovo kretanje, sudar i promjena, uključujući dodavanje novih atoma, oslobađanje atoma, zamjenu jednih atoma drugim, promjenu rasporeda atoma u odnosu jedan prema drugom u molekuli.

Za supstancu makrokosmosa i megasveta, kretanje se svodi na pomeranje, sudar, deformaciju, destrukciju, ujedinjenje raznih tela, kao i na njihove najrazličitije promene.

Ako je kretanje materijalnog objekta (kvantiziranog polja ili materijalnog objekta) praćeno promjenom samo njegovih fizičkih svojstava, na primjer, frekvencije ili valne dužine za kvantizirano polje, trenutne brzine, temperature, električnog naboja za materijalni objekt, onda se takav pokret naziva fizički oblik. Ako je kretanje materijalnog objekta praćeno promjenom njegovih kemijskih svojstava, na primjer, rastvorljivosti, zapaljivosti, kiselosti, onda se takvo kretanje naziva hemijskim oblikom. Ako se kretanje odnosi na promjenu objekata mega svijeta ( svemirski objekti), tada se takvo kretanje naziva astronomskim oblikom. Ako se kretanje odnosi na promjenu objekata dubokih zemaljskih školjki (zemljine unutrašnjosti), onda se takvo kretanje naziva geološki oblik. Ako se kretanje odnosi na promjenu objekata geografske ljuske koja objedinjuje sve površinske zemaljske ljuske, tada se takvo kretanje naziva geografskom formom. Kretanje živih tijela i njihovih sistema u obliku različitih vitalnih manifestacija naziva se biološkim oblikom. Kretanje materijalnih objekata, praćeno promjenom društveno značajnih svojstava uz obavezno učešće osobe, na primjer, vađenje željezne rude i proizvodnja željeza i čelika, uzgoj šećerne repe i proizvodnja šećera, je nazivaju društveno determinisanim oblikom kretanja.

Kretanje bilo kojeg materijalnog objekta ne može se uvijek pripisati jednom obliku. Složen je i raznolik. Čak i fizičko kretanje svojstveno materijalnim objektima od kvantiziranog polja do tijela može uključivati ​​nekoliko oblika. Na primjer, elastični sudar (sudar) dva čvrsta tijela u obliku bilijarskih lopti uključuje i promjenu položaja loptica jedna u odnosu na drugu i sto tokom vremena, i rotaciju loptica i trenje loptice na površini stola i vazduha, i kretanje čestica svake kugle, i praktično reverzibilna promena oblika loptica tokom elastičnog sudara, i razmena kinetičke energije uz njenu delimičnu konverziju u unutrašnju energiju kuglice pri elastičnom sudaru, i prijenos topline između kuglica, zraka i površine stola, te mogući radioaktivni raspad jezgara nestabilnih izotopa sadržanih u kuglicama, te prodor neutrina kosmičkih zraka kroz kuglice itd. Razvojem materije i pojavom hemijskih, astronomskih, geoloških, geografskih, bioloških i društveno uslovljenih materijalnih objekata, oblici kretanja postaju složeniji i raznovrsniji. Dakle, u hemijskom kretanju se mogu videti i fizički oblici kretanja i kvalitativno novi, nesvodivi na fizičke, hemijski oblici. U kretanju astronomskih, geoloških, geografskih, bioloških i društveno uslovljenih objekata mogu se uočiti i fizički i hemijski oblici kretanja, kao i kvalitativno novi, nesvodivi na fizičke i hemijske, odnosno astronomske, geološke, geografske, biološke ili društveno uslovljeni oblici kretanja. Gde niži oblici kretanja materije se ne razlikuju u materijalnim objektima različitog stepena složenosti. Na primjer, fizičko kretanje elementarnih čestica, atomskih jezgri i atoma ne razlikuje se u astronomskim, geološkim, geografskim, biološkim ili društveno uslovljenim materijalnim objektima.

U proučavanju složenih oblika kretanja moraju se izbjegavati dvije krajnosti. Prvo, proučavanje složenog oblika kretanja ne može se svesti na jednostavne oblike kretanja; složeni oblik kretanja ne može se izvesti iz jednostavnih. Na primjer, biološko kretanje ne može biti izvedeno samo iz fizičkih i kemijskih oblika kretanja, zanemarujući same biološke oblike kretanja. I drugo, ne možete se ograničiti na proučavanje samo složenih oblika kretanja, zanemarujući jednostavne. Na primjer, proučavanje biološkog kretanja je dobra dopuna proučavanju fizičkih i hemijskih oblika kretanja koji se manifestuju u ovom slučaju.

2. Sposobnost materije za samorazvoj

Kao što je poznato, samorazvoj materije, a materija je sposobna za samorazvoj, karakteriše spontano, usmereno i nepovratno postepeno usložnjavanje oblika pokretne materije.

Spontani samorazvoj materije znači da se proces postepenog usložnjavanja oblika pokretne materije odvija sam od sebe, prirodno, bez učešća bilo kakvih neprirodnih ili natprirodnih sila, Stvoritelja, zbog unutrašnjih, prirodnih uzroka.

Smjer samorazvoja materije znači svojevrsno kanaliziranje procesa postupnog usložnjavanja oblika kretanja materije iz jednog od njegovih oblika koji je postojao ranije u drugi oblik koji se pojavio kasnije: za svaki novi oblik pokretne materije, može pronaći prethodni oblik pokretne materije koji mu je dao početak, i obrnuto, za bilo koji prethodni oblik pokretne materije, možete pronaći novi oblik pokretne materije koji je iz njega proizašao. U isto vrijeme, prethodni oblik pokretne materije uvijek je postojao prije novog oblika pokretne materije koji je iz njega proizašao, prethodni oblik je uvijek stariji od novog oblika koji je iz njega proizašao. Kanalizacijom samorazvoja pokretne materije nastaje svojevrsni niz postupnog usložnjavanja njenih oblika, koji pokazuje u kom pravcu, kao i kroz koje među- (prijelazne) forme, istorijski razvoj jednog ili drugog oblika pokretna stvar se nastavila.

Nepovratnost samorazvoja materije znači da proces postepenog usložnjavanja oblika pokretne materije ne može ići u suprotnom smjeru, unatrag: novi oblik pokretne materije ne može proizvesti oblik pokretne materije koji mu je prethodio, iz koje je nastao, ali može postati prethodni oblik za nove oblike. A ako se odjednom pokaže da je bilo koji novi oblik pokretne materije vrlo sličan jednom od oblika koji su mu prethodili, onda to neće značiti da se pokretna materija počela samorazvijati u suprotnom smjeru: pojavio se prethodni oblik pokretne materije. mnogo ranije, a novi oblik pokretne materije, čak i veoma sličan njemu, pojavio se mnogo kasnije i jeste, iako sličan, ali suštinski drugačiji oblik pokretne materije.

3. Komunikacija i interakcija materijalnih objekata

Integralna svojstva materije su komunikacija i interakcija, koji su uzrok njenog kretanja. Budući da su veza i interakcija uzrok kretanja materije, stoga su veza i interakcija, kao i kretanje, univerzalni, tj. svojstveni svim materijalnim objektima, bez obzira na njihovu prirodu, porijeklo i složenost. Sve pojave u materijalnom svijetu određene su (u smislu da su uslovljene) prirodnim materijalnim vezama i interakcijama, kao i objektivnim zakonima prirode, odražavajući zakone povezanosti i interakcije. “U tom smislu, na svijetu ne postoji ništa natprirodno i apsolutno suprotno materiji.” 1 Interakcija je, kao i kretanje, oblik postojanja (egzistencije) materije.

Postojanje svih materijalnih objekata manifestuje se u interakciji. Za svaki materijalni „objekt, postojati znači nekako se manifestirati u odnosu na druge materijalne objekte, u interakciji s njima, biti u objektivnim vezama i odnosima s njima. Ako hipotetički materijalni „predmet koji se ni na koji način ne bi manifestirao u odnosu na neke druge materijalne objekte, ne bi bio povezan s njima na bilo koji način, ne bi bio u interakciji s njima, onda ne bi postojao za te druge materijalne objekte. “Ali naša pretpostavka o njemu također nije mogla biti zasnovana ni na čemu, jer zbog nedostatka interakcije ne bismo imali nikakve informacije o njemu.” 2

Interakcija je proces međusobnog utjecaja jednih materijalnih objekata na druge uz razmjenu energije. Interakcija stvarnih objekata može biti direktna, na primjer, u obliku sudara (sudara) dva čvrsta tijela. A to se može dogoditi na daljinu. U ovom slučaju, interakciju stvarnih objekata obezbjeđuju bosonska (mjerna) fundamentalna polja povezana s njima. Promjena u jednom materijalnom objektu uzrokuje ekscitaciju (devijaciju, perturbaciju, fluktuaciju) odgovarajućeg bozonskog (kalibarskog) fundamentalnog polja povezanog s njim, a ova pobuda se širi u obliku vala s konačnom brzinom koja ne prelazi brzinu svjetlosti u vakuumu. (skoro 300 hiljada km / sa). Interakcija stvarnih objekata na udaljenosti, prema kvantno-poljskom mehanizmu prijenosa interakcije, je razmjenjivačke prirode, budući da se interakcija prenosi česticama nosača u obliku kvanta odgovarajućeg bozonskog (kalibarskog) fundamentalnog polja. Različiti bozoni kao čestice nosioca interakcije su ekscitacije (devijacije, perturbacije, fluktuacije) odgovarajućih bozonskih (kalibarskih) fundamentalnih polja: pri emisiji i apsorpciji materijalnog objekta oni su stvarni, a pri prostiranju su virtuelni.

Ispada da je u svakom slučaju interakcija materijalnih objekata, čak i na udaljenosti, akcija kratkog dometa, jer se provodi bez ikakvih praznina, praznina.

Interakcija čestice sa antičesticom materije je praćena njihovom anihilacijom, odnosno transformacijom u odgovarajuće fermionsko (spinorno) fundamentalno polje. U ovom slučaju, njihova masa (gravitaciona energija) se pretvara u energiju odgovarajućeg fermionskog (spinorskog) fundamentalnog polja.

Virtuelne čestice pobuđenog (odbijajućeg, uznemiravajućeg, „treperećeg”) fizičkog vakuuma mogu da stupaju u interakciju sa stvarnim česticama, kao da ih obavijaju, prateći ih u obliku takozvane kvantne pene. Na primjer, kao rezultat interakcije elektrona atoma s virtualnim česticama fizičkog vakuuma, dolazi do određenog pomaka njihovih energetskih nivoa u atomima, dok sami elektroni vrše oscilatorna kretanja s malom amplitudom.

Postoje četiri vrste fundamentalnih interakcija: gravitaciona, elektromagnetna, slaba i jaka.

"Gravitaciona interakcija se manifestuje u međusobnom privlačenju ... materijalnih objekata koji imaju masu" 1 mirovanja, tj. materijalnih objekata, na bilo kojoj velikoj udaljenosti. Pretpostavlja se da je pobuđeni fizički vakuum, koji generiše mnoge fundamentalne čestice, sposoban da manifestuje gravitaciono odbijanje. Gravitacionu interakciju nose gravitoni gravitacionog polja. Gravitaciono polje povezuje tela i čestice sa masom mirovanja. Za širenje gravitacionog polja u obliku gravitacionih talasa (virtuelni gravitoni) nije potreban medij. Gravitaciona interakcija je najslabija po svojoj snazi, pa je u mikrosvijetu beznačajna zbog neznatnosti masa čestica, u makrokosmosu je njena manifestacija uočljiva i uzrokuje npr. pad tijela na Zemlju, a u megasvetu igra vodeću ulogu zbog ogromnih masa tela megasveta i obezbeđuje, na primer, rotaciju Meseca i veštačkih satelita oko Zemlje; formiranje i kretanje planeta, planetoida, kometa i drugih tijela u Sunčevom sistemu i njegov integritet; formiranje i kretanje zvijezda u galaksijama - džinovski zvjezdani sistemi, uključujući i do stotine milijardi zvijezda, povezanih međusobnom gravitacijom i zajedničkim porijeklom, kao i njihov integritet; integritet klastera galaksija - sistema relativno blisko raspoređenih galaksija povezanih gravitacionim silama; integritet Metagalaksije - sistem svih poznatih klastera galaksija, povezanih gravitacionim silama, kao proučavani deo Univerzuma, celovitost celog Univerzuma. Gravitaciona interakcija određuje koncentraciju materije rasute u svemiru i njeno uključivanje u nove cikluse razvoja.

"Elektromagnetna interakcija je posljedica električnih naboja i prenosi se" 1 fotonima elektromagnetnog polja na bilo koje velike udaljenosti. Elektromagnetno polje povezuje tijela i čestice koje imaju električni naboj. Štaviše, stacionarni električni naboji su povezani samo električnom komponentom elektromagnetnog polja u obliku električnog polja, a pokretni električni naboji povezani su i električnom i magnetskom komponentom elektromagnetnog polja. Za širenje elektromagnetnog polja u obliku elektromagnetnih valova nije potreban nikakav dodatni medij, jer "promjenjivo magnetsko polje stvara naizmjenično električno polje, koje je, pak, izvor naizmjeničnog magnetnog polja" 2 . “Elektromagnetna interakcija se može manifestirati i kao privlačenje (između suprotnih naboja) i kao odbijanje (između” 3 slična naboja). Elektromagnetna interakcija je mnogo jača od gravitacione. Ona se manifestuje kako u mikrokosmosu, tako iu makrokosmosu i megasvetu, ali mu vodeća uloga pripada u makrokosmosu. Elektromagnetna interakcija osigurava interakciju elektrona sa jezgrima. Interatomska i međumolekularna interakcija je elektromagnetna, zahvaljujući njoj, na primjer, postoje molekule i odvija se hemijski oblik kretanja materije, postoje tijela i određuju se njihova agregirana stanja, elastičnost, trenje, površinski napon tekućine, vid funkcije. Dakle, elektromagnetna interakcija osigurava stabilnost atoma, molekula i makroskopskih tijela.

Slaba interakcija uključuje elementarne čestice koje imaju masu mirovanja, nose je "vioni" polja 4 kalibra. Polja slabe interakcije vezuju različite elementarne čestice sa masom mirovanja. Slaba interakcija je mnogo slabija od elektromagnetne, ali jača od gravitacione. Zbog svog kratkog djelovanja manifestira se samo u mikrokosmosu, uzrokujući, na primjer, većinu samoraspada elementarnih čestica (na primjer, slobodni neutron se samoraspada uz sudjelovanje negativno nabijenog kalibracijskog bozona u proton). , elektron i elektronski antineutrino, ponekad se formira još jedan foton), interakcija neutrina sa ostatkom supstance.

Snažna interakcija se očituje u međusobnom privlačenju hadrona, koji uključuju kvarkove strukture, na primjer, dvokvark mezone i trokvark nukleone. Prenosi se gluonima gluonskih polja. Gluonska polja vezuju hadrone. Ovo je najjača interakcija, ali se zbog svog kratkog djelovanja manifestira samo u mikrokosmosu, osiguravajući, na primjer, vezu kvarkova u nukleonima, vezivanje nukleona u atomskim jezgrama, osiguravajući njihovu stabilnost. Jaka interakcija je 1000 puta jača od elektromagnetne i ne dozvoljava slično nabijenim protonima ujedinjenim u jezgru da se rasprše. Termonuklearne reakcije, u kojima se više jezgara spaja u jedno, također su moguće zbog jake interakcije. Prirodni termonuklearni reaktori su zvijezde koje stvaraju sve kemijske elemente teže od vodonika. Teška multinukleonska jezgra postaju nestabilna i cijepaju se, jer njihove dimenzije već premašuju udaljenost na kojoj se manifestira jaka interakcija.

"Kao rezultat eksperimentalnih studija interakcija elementarnih čestica ... ustanovljeno je da se pri visokim energijama sudara protona - oko 100 GeV - ... slaba i elektromagnetna interakcija ne razlikuju - mogu se smatrati jednom elektroslabom interakcija." 1 Pretpostavlja se da im se “pri energiji od 10 15 GeV pridružuje jaka interakcija, a pri” 2 čak i “većim energijama interakcije čestica (do 10 19 GeV) ili pri ekstremno visokoj temperaturi materije, sve četiri fundamentalne interakcije se odlikuju istom snagom, odnosno predstavljaju jednu interakciju” 3 u obliku “supermoći”. Možda su takvi visokoenergetski uslovi postojali na početku razvoja Univerzuma koji je nastao iz fizičkog vakuuma. U procesu daljeg širenja Univerzuma, praćenog naglim hlađenjem formirane materije, integralna interakcija je prvo podijeljena na elektroslabu, gravitacijsku i jaku, a zatim je elektroslaba interakcija podijeljena na elektromagnetnu i slabu, odnosno na četiri fundamentalno različite interakcije.

BIBLIOGRAFIJA:

Karpenkov, S. Kh. Osnovni pojmovi prirodnih nauka [Tekst]: udžbenik. dodatak za univerzitete / S. Kh. Karpenkov. - 2. izd., revidirano. i dodatne - M. : Academic Project, 2002. - 368 str.

Koncepti savremene prirodne nauke [Tekst]: udžbenik. za univerzitete / Ed. V. N. Lavrinenko, V. P. Ratnikova. - 3. izd., revidirano. i dodatne - M. : UNITI-DANA, 2005. - 317 str.

Filozofski problemi prirodnih nauka [Tekst]: udžbenik. dodatak za diplomirane studente i studente filozofije. i prirode. fak. un-tov / Ed. S. T. Melyukhina. - M. : Viša škola, 1985. - 400 str.

Tsyupka, V.P. Prirodnonaučna slika svijeta: koncepti moderne prirodne nauke [Tekst]: udžbenik. dodatak / V. P. Tsyupka. - Belgorod: IPK NRU "BelGU", 2012. - 144 str.

Tsyupka, V.P. Koncepti moderne fizike koji čine modernu fizičku sliku svijeta [Elektronski izvor] // Naučni elektronski arhiv Ruska akademija Prirodne nauke: vanredno. elektron. naučnim konf. "Koncepti moderne prirodne nauke ili prirodnonaučna slika svijeta" URL: http://site/article/6315(objavljeno: 31.10.2011.)

Yandex. Rječnici. [Elektronski izvor] URL: http://slovari.yandex.ru/

1Karpenkov S. Kh. Osnovni pojmovi prirodnih nauka. M. Akademski projekat. 2002, str.

2Filozofski problemi prirodnih nauka. M. Viša škola. 1985. S. 181.

3Karpenkov S. Kh. Osnovni pojmovi prirodnih nauka ... S. 60.

1Karpenkov S. Kh. Osnovni pojmovi prirodnih nauka ... S. 79.

1Karpenkov S. Kh.

1Filozofski problemi prirodnih nauka ... S. 178.

2Ibid. S. 191.

1Karpenkov S. Kh. Osnovni pojmovi prirodnih nauka ... S. 67.

1Karpenkov S. Kh. Osnovni pojmovi prirodnih nauka ... S. 68.

3Filozofski problemi prirodnih nauka ... S. 195.

4Karpenkov S. Kh. Osnovni pojmovi prirodnih nauka ... S. 69.

1Karpenkov S. Kh. Osnovni pojmovi prirodnih nauka ... S. 70.

2Koncepti savremene prirodne nauke. M. JEDINSTVO-DANA. 2005. S. 119.

3Karpenkov S. Kh. Osnovni pojmovi prirodnih nauka ... S. 71.

Tsyupka V.P. O RAZUMIJEVANJU KRETANJA MATERIJE, NJENE SPOSOBNOSTI ZA SAMORAZVOJ, KAO I POVEZIVANJU I INTERAKCIJI MATERIJALNIH OBJEKATA U SAVREMENOM PRIRODNOJ NAUCI // Naučni elektronski arhiv.
URL: (datum pristupa: 17.03.2020.).

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 magneta sa šipkama su u liniji, pri čemu je sjeverni pol jednog okrenut prema južnom polu drugog, što odgovara minimumu energije magnetnog 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 primarne boje, kada se pomiješaju, daju bijelu.) Dakle, kvarkovi, kod kojih je snaga boje dominantna, 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 sastoji uglavnom 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 svemiru ne postoji samo vidljiva materija (već i crne rupe i "tamna materija", kao što su hladne planete, koje postaju vidljive kada su osvijetljene). 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 suprotnih znakova optužbe. 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.

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, sve fundamentalne čestice imaju svoj ugaoni moment ili, drugim riječima, 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 jednak 1/2, a gauge čestice imaju spin jednak 1 (osim gravitona, koji još nije eksperimentalno uočen, ali bi teoretski trebao imati spin jednak 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 međuvektorski 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 trenutno 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.

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.

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.

Do relativno nedavno, nekoliko stotina čestica i antičestica se smatralo elementarnim. Detaljno proučavanje njihovih svojstava i interakcija s drugim česticama i razvoj teorije pokazalo je da većina njih zapravo nije elementarna, jer se i same sastoje od najjednostavnijih ili, kako se sada kaže, fundamentalnih čestica. Same fundamentalne čestice se više ne sastoje ni od čega. Brojni eksperimenti su pokazali da se sve fundamentalne čestice ponašaju kao bezdimenzionalni točkasti objekti koji nemaju unutrašnju strukturu, barem do najmanjih udaljenosti koje se sada proučavaju ~10 -16 cm.

Uvod

Među bezbrojnim i raznovrsnim procesima interakcije između čestica, postoje četiri osnovne ili fundamentalne interakcije: jaka (nuklearna), elektromagnetna i gravitaciona. U svetu čestica gravitaciona interakcija je veoma slaba, njena uloga je još uvek nejasna i nećemo dalje o tome.

U prirodi postoje dvije grupe čestica: hadroni, koji učestvuju u svim fundamentalnim interakcijama, i leptoni, koji ne učestvuju samo u jakoj interakciji.

Prema moderne ideje, interakcije između čestica se provode kroz emisiju i naknadnu apsorpciju kvanta odgovarajućeg polja (jakog, slabog, elektromagnetnog) koji okružuje česticu. Takvi kvanti su gauge bozoni, koji su takođe fundamentalne čestice. Bozoni imaju svoj vlastiti ugaoni moment, koji se naziva spin, jednak cjelobrojnoj vrijednosti Planckove konstante $h = 1,05 \cdot 10^(-27) erg \cdot c$. Kvanti polja i, shodno tome, nosioci jake interakcije su gluoni, označeni simbolom g, kvanti elektromagnetnog polja su dobro poznati kvanti svjetlosti - fotoni, označeni sa $\gamma $, i kvanti slabog polja i, shodno tome, nosioci slabih interakcija su W± (dvostruko ve) - i Z 0 (zet nula)-bozoni.

Za razliku od bozona, sve ostale fundamentalne čestice su fermioni, odnosno čestice koje imaju polucijeli spin jednak h/2.

U tabeli. 1 prikazani su simboli osnovnih fermiona - leptona i kvarkova.

Svaka čestica data u tabeli. 1 odgovara antičestici, koja se od čestice razlikuje samo po predznacima električnog naboja i drugim kvantnim brojevima (vidi tabelu 2) i po smjeru spina u odnosu na smjer impulsa čestice. Antičestice ćemo označavati istim simbolima kao i čestice, ali valovitom linijom iznad simbola.

Čestice u tabeli. 1 se označavaju grčkim i latinskim slovima, i to: slovo $\nu$ - tri različita neutrina, slova e - elektron, $\mu$ - mion, $\tau$ - taon, slova u, c, t, d, s , b označava kvarkove; njihova imena i karakteristike dati su u tabeli. 2.

Čestice u tabeli. 1 su grupisani u tri generacije I, II i III prema strukturi moderne teorije. Naš univerzum je izgrađen od čestica prve generacije - leptona i kvarkova i gauge bozona, ali kao moderna nauka o razvoju Univerzuma, u početnoj fazi njegovog razvoja važnu ulogu igrale su se čestice sve tri generacije.

Leptoni

Razmotrimo prvo detaljnije svojstva leptona. U gornjem redu tabele 1 sadrži tri različita neutrina: elektron $\nu_e$, mion $\nu_m$ i tau neutrino $\nu_t$. Njihova masa još nije precizno izmjerena, ali je određena njena gornja granica, na primjer, za ne jednaku 10 -5 mase elektrona (odnosno $\leq 10^(-32)$ g).

Gledajući u tabelu. 1 nehotice postavlja pitanje zašto je prirodi bilo potrebno stvaranje tri različita neutrina. Na ovo pitanje još nema odgovora, jer nije stvorena tako sveobuhvatna teorija osnovnih čestica koja bi ukazala na neophodnost i dovoljnost svih takvih čestica i opisala njihova glavna svojstva. Možda će ovaj problem biti riješen u 21. vijeku (ili kasnije).

Donja linija tabele. 1 počinje česticom koju smo najviše proučavali - elektronom. Elektron je krajem prošlog veka otkrio engleski fizičar J. Thomson. Uloga elektrona u našem svijetu je ogromna. To su one negativno nabijene čestice koje zajedno sa atomskim jezgrama formiraju sve nama poznate atome elemenata Periodnog sistema. U svakom atomu, broj elektrona je tačno jednak broju protona u atomskom jezgru, što atom čini električno neutralnim.

Elektron je stabilan, glavna mogućnost uništenja elektrona je njegova smrt u sudaru sa antičesticom - pozitron e +. Ovaj proces se zove anihilacija:

$$e^- + e^+ \to \gamma + \gamma .$$

Kao rezultat anihilacije, formiraju se dva gama kvanta (tzv. visokoenergetski fotoni), koji odnose i energije mirovanja e + i e - i njihove kinetičke energije. Pri visokim energijama e + i e - nastaju parovi adrona i kvarkova (vidi, na primjer, (5) i sl. 4).

Reakcija (1) jasno ilustruje valjanost poznate formule A. Einsteina o ekvivalenciji mase i energije: E = mc 2 .

Zaista, tokom anihilacije pozitrona zaustavljenog u materiji i elektrona u mirovanju, cjelokupna masa njihovog mirovanja (jednaka 1,22 MeV) prelazi u energiju $\gamma$-kvanta, koji nemaju masu mirovanja.

U drugoj generaciji donjeg reda tabele. 1 nalazi se > mion - čestica, koja je po svim svojim svojstvima analog elektrona, ali anomalno velike mase. Masa miona je 207 puta veća od mase elektrona. Za razliku od elektrona, mion je nestabilan. Vrijeme njegovog života t= 2,2 10 -6 s. Mion se uglavnom raspada na elektron i dva neutrina prema šemi

$$\mu^- \to e^- + \tilde \nu_e +\nu_(\mu)$$

Još teži analog elektrona je $\tau$-lepton (taon). Njegova masa je više od 3 hiljade puta veća od mase elektrona ($m_(\tau) = 1777$ MeV/c 2), odnosno taon je teži od protona i neutrona. Njegov životni vijek je 2,9 10 -13 s, a od više od stotinu različitih shema (kanala) njegovog raspada moguće su sljedeće:

$$\tau^-\left\langle\begin(matrix) \to e^- + \tilde \nu_e +\nu_(\tau)\\ \to \mu^- + \tilde \nu_\mu +\nu_ (\tau)\end(matrica)\right.$$

Kad smo već kod leptona, zanimljivo je uporediti slabe i elektromagnetne sile na nekoj određenoj udaljenosti, npr. R\u003d 10 -13 cm Na takvoj udaljenosti, elektromagnetne sile su gotovo 10 milijardi puta veće od slabih sila. Ali to uopće ne znači da je uloga slabih sila u prirodi mala. Daleko od toga.

Slabe sile su odgovorne za mnoge međusobne transformacije različitih čestica u druge čestice, kao na primjer u reakcijama (2), (3), a takve međusobne transformacije su jedna od najkarakterističnijih karakteristika fizike čestica. Za razliku od reakcija (2), (3), u reakciji (1) djeluju elektromagnetne sile.

Govoreći o leptonima, moramo to dodati moderna teorija opisuje elektromagnetne i slabe interakcije koristeći jedinstvenu elektroslabu teoriju. Razvili su ga S. Weinberg, A. Salam i S. Glashow 1967. godine.

Kvarkovi

Sama ideja o kvarkovima nastala je kao rezultat briljantnog pokušaja da se klasifikuje veliki broj čestica koje sudjeluju u jakim interakcijama i koje se nazivaju hadroni. M. Gell-Man i G. Zweig su sugerirali da se svi hadroni sastoje od odgovarajućeg skupa osnovnih čestica - kvarkova, njihovih antikvarkova i nosilaca snažne interakcije - gluona.

Ukupan broj adrona koji se trenutno posmatra je preko stotinu čestica (i isto toliko antičestica). Mnogo desetina čestica još nije registrovano. Svi hadroni se dijele na teške čestice tzv barioni, i prosjeci imenovani mezoni.

Barione karakteriše barionski broj b= 1 za čestice i b = -1 za antibarione. Njihovo rođenje i uništenje se uvijek dešavaju u parovima: barion i antibarion. Mezoni imaju barionski naboj b = 0. Prema ideji Gell-Mann-a i Zweiga, svi barioni se sastoje od tri kvarka, antibarioni - od tri antikvarka. Stoga je svakom kvarku dodijeljen barionski broj 1/3, tako da bi barion ukupno imao b= 1 (ili -1 za antibarion koji se sastoji od tri antikvarka). Mezoni imaju barionski broj b= 0, tako da mogu biti sastavljene od bilo koje kombinacije parova bilo kojeg kvarka i bilo kojeg antikvarka. Pored kvantnih brojeva koji su isti za sve kvarkove - spin i barionski broj, postoje i druge važne karakteristike njih, kao što je veličina njihove mase mirovanja m, veličina električnog naboja Q/e(u dijelovima naboja elektrona e\u003d 1,6 · 10 -19 kulona) i određeni skup kvantnih brojeva koji karakteriziraju tzv. ukus kvarka. To uključuje:

1) vrijednost izotopskog spina I i veličinu njegove treće projekcije, tj I 3 . dakle, u-kvark i d-kvark formira izotopski dublet, pripisuje im se puni izotopski spin I= 1/2 sa projekcijama I 3 = +1/2 odgovara u-kvark, i I 3 = -1/2 odgovara d-kvark. Obje komponente dubleta imaju slične mase i identične su po svim ostalim svojstvima, osim električnog naboja;

2) kvantni broj S- neobičnost karakterizira čudno ponašanje nekih čestica koje imaju anomalno dug životni vijek (~10 -8 - 10 -13 s) u poređenju sa karakterističnim nuklearnim vremenom (~10 -23 s). Same čestice su nazvane čudnim, koje sadrže jedan ili više čudnih kvarkova i čudnih antikvarkova. Stvaranje ili nestanak čudnih čestica uslijed jakih interakcija događa se u parovima, odnosno u bilo kojoj nuklearnoj reakciji zbroj $\Sigma$S prije reakcije mora biti jednak $\Sigma$S nakon reakcije. Međutim, u slabim interakcijama zakon održanja neobičnosti ne vrijedi.

U eksperimentima na akceleratorima uočene su čestice koje se ne mogu opisati korištenjem u-, d- i s-kvarkovi. Po analogiji sa čudnošću, bilo je potrebno uvesti još tri nova kvarka sa novim kvantnim brojevima With = +1, AT= -1 i T= +1. Čestice sastavljene od ovih kvarkova imaju mnogo veću masu (> 2 GeV/c2). Imaju široku paletu shema raspadanja sa životnim vijekom od ~10 -13 s. Sažetak karakteristika svih kvarkova dat je u tabeli. 2.

Svaki kvark u tabeli. 2 odgovara njegovom antikvarku. Za antikvarkove, svi kvantni brojevi imaju predznak suprotan onome koji je naznačen za kvark. O veličini mase kvarkova mora se reći sljedeće. Dato u tabeli. 2 vrijednosti odgovaraju masama golih kvarkova, odnosno samih kvarkova bez uzimanja u obzir gluona koji ih okružuju. Masa obučenih kvarkova zbog energije koju nose gluoni je veća. Ovo je posebno uočljivo kod najlakših u- i d-kvarkovi, čiji gluonski omotač ima energiju od oko 300 MeV.

Kvarkovi koji definiraju osnovnu fizička svojstvačestice se zovu valentni kvarkovi. Pored valentnih kvarkova, hadroni sadrže virtuelne parove čestica – kvarkove i antikvarkove, koje gluoni emituju i apsorbuju veoma dugo. kratko vrijeme

(gde E je energija virtuelnog para), što se dešava uz kršenje zakona održanja energije u skladu sa Hajzenbergovom relacijom nesigurnosti. Virtuelni parovi kvarkova se nazivaju morski kvarkovi ili morski kvarkovi. Dakle, struktura adrona uključuje valentne i morske kvarkove i gluone.

Glavna karakteristika svih kvarkova je da su oni vlasnici odgovarajućih jakih naboja. Naboji jakog polja imaju tri jednake varijante (umjesto jednog električnog naboja u teoriji električnih sila). U istorijskoj terminologiji, ove tri vrste naboja nazivaju se bojama kvarkova, i to: uslovno crvena, zelena i plava. Dakle, svaki kvark u tabeli. 1 i 2 mogu biti u tri oblika i obojena je čestica. Mešanje sve tri boje, baš kao što se to dešava u optici, daje belu boju, odnosno izbeljuje česticu. Svi posmatrani hadroni su bezbojni.

Interakcije kvarkova vrše osam različitih gluona. Izraz "gluon" znači, prevedeno sa na engleskom ljepilo, odnosno ovi kvanti polja su čestice koje, takoreći, spajaju kvarkove. Kao i kvarkovi, gluoni su obojene čestice, ali budući da svaki gluon mijenja boje dva kvarka odjednom (kvark koji emituje gluon i kvark koji je apsorbirao gluon), gluon je obojen dvaput, noseći boju i antiboju, obično razlikuje se od boje.

Masa mirovanja gluona, kao i fotona, je nula. Osim toga, gluoni su električno neutralni i nemaju slab naboj.

Hadroni se također obično dijele na stabilne čestice i rezonancije: barion i mezon.
Rezonancije se odlikuju izuzetno kratkim životnim vijekom (~10 -20 -10 -24 s), budući da je njihovo raspadanje posljedica jake interakcije.

Desetine takvih čestica otkrio je američki fizičar L.V. Alvarez. Budući da je put takvih čestica do raspadanja toliko kratak da se ne mogu uočiti u detektorima koji registruju tragove čestica (kao što je komora s mjehurićima, itd.), sve su one otkrivene indirektno, prisustvom pikova u zavisnosti od vjerovatnoća interakcije različitih čestica jedna s drugom na energiju. Slika 1 objašnjava ono što je rečeno. Na slici je prikazana zavisnost poprečnog presjeka interakcije (proporcionalna vrijednosti vjerovatnoće) pozitivnog piona $\pi^+$ sa protonom str od kinetičke energije piona. Pri energiji od oko 200 MeV, u toku poprečnog presjeka se vidi pik. Njegova širina je $\Gamma = 110$ MeV, a ukupna masa čestica $\Delta^(++)$ jednaka je $T^(")_(max)+M_p c^2+M_\pi c^2 =1232$ MeV /s 2 , gdje je $T^(")_(max)$ kinetička energija sudara čestica u sistemu njihovog centra mase. Većina rezonancija se može smatrati pobuđenim stanjem stabilnih čestica, budući da imaju isti sastav kvarka kao i njihove stabilne kolege, iako je masa rezonancija veća zbog energije pobude.

Kvarkov model hadrona

Kvarkov model adrona počet ćemo opisivati ​​iz crtanja linija polja koje izlaze iz izvora - kvarka sa nabojem u boji i koji završava na antikvarku (slika 2, b). Za poređenje, na sl. 2, i pokazujemo da u slučaju elektromagnetne interakcije, linije sile odstupaju od svog izvora - električnog naboja poput lepeze, jer virtuelni fotoni koje istovremeno emituje izvor ne stupaju u interakciju jedni s drugima. Rezultat je Coulombov zakon.

Za razliku od ove slike, sami gluoni imaju naboje u boji i snažno stupaju u interakciju jedni s drugima. Kao rezultat toga, umjesto lepeze linija sile, imamo snop, prikazan na Sl. 2, b. Uže je zategnuto između kvarka i antikvarka, ali najviše iznenađuje to što sami gluoni, koji imaju obojene naboje, postaju izvori novih gluona, čiji se broj povećava kako se udaljavaju od kvarka.
Takav obrazac interakcije odgovara zavisnosti potencijalne energije interakcije između kvarkova o udaljenosti između njih, prikazanoj na Sl. 3. Naime: do udaljenosti R> 10 -13 cm, zavisnost U(R) ima levkasti karakter, a jačina naboja boje u ovom opsegu udaljenosti je relativno mala, tako da kvarkovi na R> 10 -15 cm u prvoj aproksimaciji mogu se smatrati slobodnim česticama koje ne interaguju. Ovaj fenomen ima poseban naziv asimptotske slobode kvarkova pri malom R. Međutim, kada R više od neke kritične vrijednosti $R_(cr) \približno 10^(-13)$ cm U(R) postaje direktno proporcionalna vrijednosti R. Iz ovoga direktno slijedi da je sila F = -dU/dR= const, odnosno ne zavisi od udaljenosti. Nijedna druga interakcija koju su fizičari prethodno proučavali nije imala tako neobično svojstvo.

Proračuni pokazuju da sile koje djeluju između kvarka i antikvarka, zaista, počevši od $R_(cr) \oko 10_(-13)$ cm, prestaju da zavise od udaljenosti, ostajući na nivou ogromne vrijednosti blizu 20 tona, na daljinu R~ 10 -12 cm (jednako poluprečniku prosečnih atomskih jezgara) sile boje su više od 100 hiljada puta veće od elektromagnetnih sila. Ako uporedimo silu boje sa nuklearnim silama između protona i neutrona unutar atomskog jezgra, ispada da je sila boje hiljade puta veća! Tako se pred fizičarima otvorila nova grandiozna slika obojenih sila u prirodi, mnogo redova veličine veće od trenutno poznatih nuklearnih sila. Naravno, odmah se postavlja pitanje da li se takve sile mogu natjerati da rade kao izvor energije. Nažalost, odgovor na ovo pitanje je ne.

Naravno, postavlja se još jedno pitanje: na koje udaljenosti R između kvarkova, potencijalna energija raste linearno sa povećanjem R?
Odgovor je jednostavan: na velikim udaljenostima, snop linija polja puca, jer je energetski isplativije formirati prekid sa rođenjem kvark-antikvark para čestica. To se događa kada je potencijalna energija na prekidu veća od mase mirovanja kvarka i antikvarka. Proces razbijanja snopa linija sila gluonskog polja prikazan je na sl. 2, in.

Takve kvalitativne ideje o rođenju kvark-antikvarka omogućavaju razumijevanje zašto se pojedinačni kvarkovi uopće ne primjećuju i ne mogu se promatrati u prirodi. Kvarkovi su zauvijek zarobljeni unutar hadrona. Ovaj fenomen neizbacivanja kvarkova naziva se zatvaranje. Pri visokim energijama, može biti korisnije da se snop raspadne odjednom na više mjesta, formirajući skup $q \tilde q$-parova. Na ovaj način pristupili smo problemu višeporođaja. kvark-antikvark parovi i formiranje tvrdih mlazova kvarka.

Razmotrimo prvo strukturu svjetlosnih hadrona, odnosno mezona. Sastoje se, kao što smo već rekli, od jednog kvarka i jednog antikvarka.

Izuzetno je važno da oba partnera u paru imaju isti naboj u boji i isti anti-naboj (na primjer, plavi kvark i anti-plavi antikvark), tako da njihov par, bez obzira na okus kvarka, nema boju (a posmatramo samo bezbojne čestice).

Svi kvarkovi i antikvarkovi imaju spin (u dijelovima h) jednako 1/2. Stoga je ukupan spin kombinacije kvarka i antikvarka ili 0 kada su spinovi antiparalelni, ili 1 kada su spinovi međusobno paralelni. Ali spin čestice može biti veći od 1 ako se sami kvarkovi rotiraju duž nekih orbita unutar čestice.

U tabeli. Na slici 3 prikazane su neke uparene i složenije kombinacije kvarkova sa naznakom kojim prethodno poznatim hadronima ova kombinacija kvarkova odgovara.

Od trenutno najbolje proučavanih mezona i mezonskih rezonancija, najveću grupu čine lake nearomatične čestice, čiji kvantni brojevi S = C = B= 0. Ova grupa uključuje oko 40 čestica. Tabela 3 počinje pioni $\pi$ ±,0 koje je otkrio engleski fizičar S.F. Pauel 1949. Nabijeni pioni žive oko 10 -8 s, raspadaju se u leptone prema sljedećim shemama:

$\pi^+ \to \mu + \nu_(\mu)$ i $\pi^- \to \mu^- + \tilde \nu_(\mu)$.

Njihovi "rođaci" u tabeli. 3 - rezonancije $\rho$ ±,0 (rho mezoni) za razliku od piona imaju spin J= 1, oni su nestabilni i žive samo oko 10 -23 s. Razlog za raspad $\rho$ ±,0 je jaka interakcija.

Razlog raspada naelektrisanih piona je slaba interakcija, odnosno činjenica da su kvarkovi koji čine česticu u stanju da emituju i apsorbuju kao rezultat slabe interakcije za kratko vreme. t u skladu sa relacijom (4), virtuelni gauge bozoni: $u \to d + W^+$ ili $d \to u + W^-$, a za razliku od leptona, postoje i prijelazi kvarka jedne generacije u kvark druge generacije, na primjer $u \to b + W^+$ ili $u \to s + W^+$, itd., iako su takvi prijelazi mnogo rjeđi od tranzicija unutar jedne generacije. Istovremeno, tokom svih takvih transformacija, električni naboj u reakciji je očuvan.

Proučavanje mezona, uključujući s- i c-kvarkova, dovela je do otkrića nekoliko desetina čudnih i šarmiranih čestica. Njihova istraživanja se sada provode u mnogima naučni centri mir.

Proučavanje mezona, uključujući b- i t-kvarkovi, počeli su intenzivno na akceleratorima, a o njima za sada nećemo detaljnije.

Pređimo na razmatranje teških adrona, odnosno bariona. Svi su sastavljeni od tri kvarka, ali oni koji imaju sve tri boje, jer su, kao i mezoni, svi barioni bezbojni. Kvarkovi unutar bariona mogu imati orbitalno kretanje. U ovom slučaju, ukupni spin čestice će premašiti ukupan spin kvarkova, jednak 1/2 ili 3/2 (ako su spinovi sva tri kvarka međusobno paralelni).

Barion sa minimalnom masom je proton str(vidi tabelu 3). Sva atomska jezgra se sastoje od protona i neutrona. hemijski elementi. Broj protona u jezgru određuje njegov ukupni električni naboj Z.

Druga glavna čestica u atomskim jezgrama je neutron. n. Neutron je nešto teži od protona, nestabilan je i u slobodnom stanju sa životnim vijekom od oko 900 s raspada se na proton, elektron i neutrino. U tabeli. 3 prikazuje kvark stanje protona uud i neutrona udd. Ali sa spinom ove kombinacije kvarkova J= 3/2, formiraju se rezonancije $\Delta^+$ i $D^0$, respektivno. Svi ostali barioni sastavljeni su od težih kvarkova s, b, t, i imaju mnogo veću masu. Među njima je bio poseban interes W- -hiperon, koji se sastoji od tri čudna kvarka. Prvo je otkriveno na papiru, odnosno proračunom, koristeći ideje o kvarkovnoj strukturi bariona. Sva glavna svojstva ove čestice su predviđena, a zatim potvrđena eksperimentima.

Mnoge eksperimentalno uočene činjenice sada uvjerljivo govore o postojanju kvarkova. Konkretno, govorimo o otkriću novog procesa u reakciji sudara elektrona i pozitrona, koji dovodi do stvaranja kvark-antikvark mlazova. Šema ovog procesa prikazana je na sl. 4. Eksperiment je izveden na sudaračima u Njemačkoj i SAD-u. Strelice pokazuju smjerove greda na slici e+ i e- , a kvark se emituje iz tačke njihovog sudara q i antikvark $\tilde q$ pod zenitnim uglom $\Theta$ prema smjeru leta e+ i e- . Ovaj par $q+\tilde q$ nastaje u reakciji

$$e^+ + e^- \to \gamma_(virt) \to q + \tilde q$$

Kao što smo već rekli, podvezica od linija sile (češće kažu struna) razbija se na svoje komponente uz dovoljno veliku napetost.
Pri visokim energijama kvarka i antikvarka, kao što je ranije pomenuto, struna puca na mnogim mestima, usled čega se formiraju dva uska snopa sekundarnih bezbojnih čestica u oba smera duž linije leta q kvarka i antikvarka, kao prikazano na sl. 4. Takvi snopovi čestica se nazivaju mlazovi. U eksperimentu se prilično često opaža stvaranje tri, četiri ili više mlaza čestica istovremeno.

U eksperimentima koji su izvedeni pri energijama superubrzanja u kosmičkim zracima, u kojima je učestvovao i autor ovog članka, dobijene su fotografije procesa formiranja mnogih mlazova, takoreći. Činjenica je da je konopac ili konopac jednodimenzionalni i stoga se centri formiranja tri, četiri ili više mlaza također nalaze duž prave linije.

Teorija koja opisuje jake interakcije naziva se kvantna hromodinamika ili skraćeno QCD. Mnogo je komplikovanija od teorije elektroslabih interakcija. QCD je posebno uspješan u opisivanju takozvanih tvrdih procesa, odnosno procesa interakcije čestica sa velikim prijenosom impulsa između čestica. Iako stvaranje teorije još nije završeno, mnogi teoretski fizičari već su zauzeti stvaranjem "velikog ujedinjenja" - ujedinjenja kvantne hromodinamike i teorije elektroslabe interakcije u jedinstvenu teoriju.

U zaključku, hajde da se ukratko zadržimo na tome da li šest leptona i 18 raznobojnih kvarkova (i njihovih antičestica), kao i kvanti fundamentalnih polja, iscrpljuju foton, W ± -, Z 0 -bozoni, osam gluona i, konačno, kvanti gravitacionog polja - gravitoni - čitav arsenal zaista elementarnih, tačnije fundamentalnih čestica. Očigledno nije. Najvjerovatnije su opisane slike čestica i polja samo odraz našeg trenutnog znanja. Nije uzalud što već postoje mnoge teorijske ideje u koje se uvodi velika grupa takozvanih supersimetričnih čestica, oktet superteških kvarkova i još mnogo toga.

Očigledno je da je moderna fizika još uvijek daleko od izgradnje potpune teorije čestica. Možda je veliki fizičar Albert Ajnštajn bio u pravu, verujući da bi samo uzimanje u obzir gravitacije, uprkos njenoj sada naizgled maloj ulozi u mikrokosmosu, omogućilo konstruisanje rigorozna teorijačestice. Ali sve je to već u 21. vijeku ili čak kasnije.

Književnost

1. Okun L.B. Fizika elementarnih čestica. Moskva: Nauka, 1988.

2. Kobzarev I.Yu. Dobitnici Nobelove nagrade 1979.: S. Weinberg, S. Glashow, A. Salam // Priroda. 1980. N 1. S. 84.

3. Zeldovich Ya.B. Klasifikacija elementarnih čestica i kvarkova u prezentaciji za pješake // Uspekhi nat. nauke. 1965. T. 8. S. 303.

4. Krajnov V.P. Odnos nesigurnosti za energiju i vrijeme // Soros Educational Journal. 1998. N 5. S. 77-82.

5. I. Nambu, “Zašto nema slobodnih kvarkova,” Usp. Phys. nauke. 1978. V. 124. S. 146.

6. Ždanov G.B., Maksimenko V.M., Slavatinsky S.A. Eksperiment "Pamir" // Priroda. 1984. br. 11. S. 24

Recenzent članka L.I. Sarychev

S. A. Slavatinsky Moskovski institut za fiziku i tehnologiju, Dolgoprudny, Moskovska oblast

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 ponovo da stvore uslove koji su postojali prije 13 milijardi godina nakon Velikog praska, odnosno one pod kojima je rođen naš Univerzum.