Need kolm osakest (nagu ka teised allpool kirjeldatud osakesed) tõmbavad üksteist vastastikku ligi ja tõrjuvad üksteist vastavalt omale süüdistused, mida on loodusjõudude põhijõudude arvu järgi vaid nelja tüüpi. Laenguid saab järjestada vastavate jõudude vähenemise järjekorras järgmiselt: värvilaeng (kvarkide vastasmõju jõud); elektrilaeng (elektrilised ja magnetjõud); nõrk laeng (tugevus mõnes radioaktiivses protsessis); lõpuks mass (gravitatsioonijõud või gravitatsiooniline vastastikmõju). Sõnal "värv" pole siin midagi pistmist nähtava valguse värviga; see on lihtsalt tugevaima laengu ja suurimate jõudude tunnus.
Süüdistused püsima, st. Süsteemi sisenev laeng on võrdne sealt väljuva laenguga. Kui teatud arvu osakeste elektrilaeng enne nende vastastikmõju on näiteks 342 ühikut, siis pärast interaktsiooni võrdub see olenemata selle tulemusest 342 ühikuga. See kehtib ka muude laengute kohta: värvus (tugev interaktsioonilaeng), nõrk ja mass (mass). Osakesed erinevad oma laengute poolest: sisuliselt "on" need laengud. Süüdistused on justkui "tunnistus" õigusest reageerida vastavale jõule. Seega mõjutavad värvijõud ainult värvilisi osakesi, elektrijõud mõjutavad ainult elektriliselt laetud osakesi jne. Osakese omadused määrab talle mõjuv suurim jõud. Ainult kvargid on kõigi laengute kandjad ja seetõttu alluvad neile kõik jõud, mille hulgas domineerib värv. Elektronidel on kõik laengud peale värvi ja nende jaoks on domineerivaks jõuks elektromagnetiline jõud.
Looduses on kõige stabiilsemad reeglina neutraalsed osakeste kombinatsioonid, milles ühe märgi osakeste laeng kompenseeritakse teise märgi osakeste kogulaenguga. See vastab kogu süsteemi minimaalsele energiale. (Samamoodi on kaks varrasmagnetit ühel joonel, kusjuures ühe põhjapoolus on suunatud teise lõunapooluse poole, mis vastab magnetvälja energia miinimumile.) Gravitatsioon on erand sellest reeglist: negatiivset massi ei eksisteeri. Pole olemas kehasid, mis maha kukuks.
AINETE LIIGID
Tavaline aine moodustub elektronidest ja kvarkidest, mis on rühmitatud objektideks, mille värvus on neutraalne ja seejärel elektrilaeng. Osakeste kolmikuteks kombineerimisel neutraliseeritakse värvijõud, millest tuleb pikemalt juttu allpool. (Sellest ka termin “värv” ise, mis on võetud optikast: kolm põhivärvi annavad segamisel valge.) Seega moodustavad kvargid, mille puhul domineerib värvijõud, kolmikuid. Kuid kvargid ja need jagunevad omakorda u-kvarkid (inglise keelest üles - ülemine) ja d-kvarkid (inglise keelest alla - alumine), neil on ka elektrilaeng võrdne u-kvark ja eest d- kvark. Kaks u-kvark ja üks d-kvark annab elektrilaengu +1 ja moodustab prootoni ning ühe u- kvark ja kaks d-kvargid annavad null elektrilaengu ja moodustavad neutroni.
Stabiilsed prootonid ja neutronid, mida tõmbavad üksteise poole nende koostises olevate kvarkide vastastikmõju jääkvärvijõud, moodustavad värvineutraalse aatomituuma. Kuid tuumad kannavad positiivset elektrilaengut ja tõmmates ligi negatiivseid elektrone, mis tiirlevad ümber tuuma nagu planeedid, mis tiirlevad ümber Päikese, kipuvad moodustama neutraalse aatomi. Nende orbiidil olevad elektronid eemaldatakse tuumast kümneid tuhandeid kordi tuuma raadiusest suuremate vahemaadega – see näitab, et neid hoidvad elektrijõud on tuuma omadest palju nõrgemad. Värvide interaktsiooni jõu tõttu on 99,945% aatomi massist suletud selle tuumas. Kaal u- ja d-kvargid on umbes 600 korda suuremad kui elektron. Seetõttu on elektronid palju kergemad ja liikuvamad kui tuumad. Nende liikumine aines põhjustab elektrilisi nähtusi.
Aatomite (sealhulgas isotoopide) looduslikke sorte on mitusada, mis erinevad tuumas olevate neutronite ja prootonite arvu poolest ning vastavalt ka elektronide arvu poolest orbiitidel. Lihtsaim on vesinikuaatom, mis koosneb prootoni kujul olevast tuumast ja selle ümber tiirlevast ühest elektronist. Kogu "nähtav" aine looduses koosneb aatomitest ja osaliselt "lahtivõetud" aatomitest, mida nimetatakse ioonideks. Ioonid on aatomid, mis on mõne elektroni kaotanud (või omandanud) muutunud laetud osakesteks. Peaaegu ühest ioonist koosnevat ainet nimetatakse plasmaks. Tähed, mis põlevad tsentrites toimuvate termotuumareaktsioonide tõttu, koosnevad peamiselt plasmast ja kuna tähed on Universumis levinuim ainevorm, siis võib öelda, et kogu Universum koosneb peamiselt plasmast. Täpsemalt on tähed valdavalt täisioniseeritud gaasiline vesinik, s.o. üksikute prootonite ja elektronide segu ning seetõttu koosneb sellest peaaegu kogu nähtav universum.
See on nähtav aine. Kuid universumis on endiselt nähtamatut ainet. Ja seal on osakesed, mis toimivad jõudude kandjatena. Seal on antiosakesed ja mõne osakese ergastatud olekud. Kõik see toob kaasa selgelt liigse "elementaarosakeste" rohkuse. Sellest küllusest võib leida viite elementaarosakeste ja nende vahel mõjuvate jõudude tegelikule, tõelisele olemusele. Viimaste teooriate kohaselt võivad osakesed põhimõtteliselt olla laiendatud geomeetrilised objektid – "stringid" kümnemõõtmelises ruumis.
Nähtamatu maailm.
Universumis pole ainult nähtav aine (vaid ka mustad augud ja "tumeaine" nagu külmad planeedid, mis muutuvad valgustatuna nähtavaks). Samuti on olemas tõeliselt nähtamatu mateeria, mis iga sekund läbistab meid kõiki ja kogu Universumit. See on kiiresti liikuv gaas ühte tüüpi osakestest - elektronneutriinodest.
Elektronneutriino on elektroni partner, kuid tal puudub elektrilaeng. Neutriinod kannavad endas ainult nn nõrka laengut. Nende puhkemass on suure tõenäosusega null. Kuid nad suhtlevad gravitatsiooniväljaga, kuna neil on kineetiline energia E, mis vastab efektiivsele massile m, vastavalt Einsteini valemile E = mc 2, kus c on valguse kiirus.
Neutriino võtmeroll on see, et see aitab kaasa transformatsioonile ja- kvargid sisse d kvargid, mille tulemuseks on prootoni muundumine neutroniks. Neutriino täidab tähtede termotuumareaktsioonide "karburaatori nõela" rolli, milles neli prootonit (vesiniku tuuma) ühinevad, moodustades heeliumi tuuma. Kuid kuna heeliumi tuum ei koosne neljast prootonist, vaid kahest prootonist ja kahest neutronist, on sellise tuumasünteesi jaoks vajalik, et kaks ja-kvargid muutusid kaheks d- kvark. Teisenduse intensiivsus määrab, kui kiiresti tähed põlevad. Ja teisendusprotsessi määravad nõrgad laengud ja osakeste vahelise nõrga vastasmõju jõud. Kus ja-kvark (elektrilaeng +2/3, nõrk laeng +1/2), interaktsioonis elektroniga (elektrilaeng - 1, nõrk laeng -1/2), moodustub d-kvark (elektrilaeng -1/3, nõrk laeng -1/2) ja elektronneutriino (elektrilaeng 0, nõrk laeng +1/2). Kahe kvargi värvilaengud (või lihtsalt värvid) kustuvad selles protsessis ilma neutriinota. Neutriino ülesanne on viia kompenseerimata nõrk laeng minema. Seetõttu sõltub transformatsiooni kiirus sellest, kui nõrgad on nõrgad jõud. Kui nad oleksid nõrgemad kui nad on, siis tähed ei põleks üldse. Kui nad oleksid tugevamad, oleksid tähed juba ammu läbi põlenud.
Aga kuidas on lood neutriinodega? Kuna need osakesed suhtlevad teiste ainetega äärmiselt nõrgalt, lahkuvad nad peaaegu kohe tähtedest, milles nad sündisid. Kõik tähed säravad, kiirgades neutriinosid, ja neutriinod paistavad läbi meie kehade ja kogu Maa päeval ja öösel. Nii rändavad nad läbi universumi, kuni sisenevad võib-olla TÄHE uude interaktsiooni).
Interaktsioonikandjad.
Mis põhjustab jõude, mis mõjuvad osakeste vahel vahemaa tagant? Kaasaegne füüsika vastab: teiste osakeste vahetuse tõttu. Kujutage ette kahte uisutajat, kes viskavad palli ümber. Viskamisel pallile hoogu andes ja saadud palliga hoogu vastu võttes saavad mõlemad teineteisest tõuke suunas. See võib seletada tõrjuvate jõudude tekkimist. Kuid kvantmehaanikas, mis käsitleb nähtusi mikromaailmas, on sündmuste ebatavaline venitamine ja ümberpaigutamine lubatud, mis näib olevat võimatu: üks uisutajatest viskab palli soovitud suunas. alates teine, aga üks siiski võib olla püüa see pall kinni. Pole raske ette kujutada, et kui see oleks võimalik (ja elementaarosakeste maailmas on see võimalik), tekiks uisutajate vahel tõmme.
Osakesi, mille vahetumisel tekivad vastasmõjujõud nelja eespool käsitletud “aineosakese” vahel, nimetatakse mõõtosakesteks. Kõigil neljal vastasmõjul – tugeval, elektromagnetilisel, nõrgal ja gravitatsioonilisel – on oma mõõtosakeste komplekt. Tugeva interaktsiooni kandjaosakesed on gluoonid (neid on ainult kaheksa). Footon on elektromagnetilise interaktsiooni kandja (see on üks ja me tajume footoneid valgusena). Nõrga interaktsiooni osakesed-kandjad on vahepealsed vektorbosonid (1983. ja 1984. aastal avastati W + -, W- -bosonid ja neutraalsed Z-boson). Gravitatsioonilise vastastikmõju osakeste kandjaks on ikkagi hüpoteetiline graviton (see peab olema üks). Kõik need osakesed, välja arvatud footon ja graviton, mis võivad läbida lõpmatult pikki vahemaid, eksisteerivad ainult aineosakeste vahelise vahetuse käigus. Footonid täidavad universumi valgusega ja gravitonid - gravitatsioonilainetega (pole veel kindlalt tuvastatud).
Väidetavalt on osake, mis on võimeline kiirgama mõõtosakesi, ümbritsetud sobiva jõuväljaga. Seega on elektronid, mis on võimelised kiirgama footoneid, ümbritsetud elektri- ja magnetväljadega, samuti nõrkade ja gravitatsiooniväljadega. Kvarke ümbritsevad samuti kõik need väljad, aga ka tugeva interaktsiooni väli. Värvijõudude mõjuväljas olevaid värvilaenguga osakesi mõjutab värvijõud. Sama kehtib ka teiste loodusjõudude kohta. Seetõttu võime öelda, et maailm koosneb ainest (materjaliosakesed) ja väljast (gabariidiosakesed). Lisateavet selle kohta allpool.
Antiaine.
Iga osake vastab antiosakesele, millega osake saab vastastikku annihileerida, st. "annihileerida", mille tulemusena vabaneb energia. "Puhast" energiat iseenesest aga ei eksisteeri; annihilatsiooni tulemusena tekivad uued osakesed (näiteks footonid), mis kannavad selle energia minema.
Antiosakesel on enamikul juhtudel vastava osakese suhtes vastupidised omadused: kui osake liigub tugeva, nõrga või elektromagnetvälja mõjul vasakule, siis tema antiosake liigub paremale. Lühidalt öeldes on antiosakesel kõikide laengute (välja arvatud massilaeng) vastandmärgid. Kui osake on komposiit, nagu näiteks neutron, siis selle antiosake koosneb vastupidise laengumärgiga komponentidest. Seega on antielektroni elektrilaeng +1, nõrk laeng +1/2 ja seda nimetatakse positroniks. Antineutron koosneb ja-antikvarkid elektrilaenguga –2/3 ja d-antikvarkid elektrilaenguga +1/3. Tõeliselt neutraalsed osakesed on nende endi antiosakesed: footoni antiosakeseks on footon.
Kaasaegsete teoreetiliste kontseptsioonide kohaselt peab igal looduses eksisteerival osakesel olema oma antiosake. Ja paljud antiosakesed, sealhulgas positronid ja antineutronid, saadi tõepoolest laboris. Selle tagajärjed on erakordselt olulised ja on kogu elementaarosakeste eksperimentaalse füüsika aluseks. Relatiivsusteooria järgi on mass ja energia samaväärsed ning teatud tingimustel saab energiat massiks muuta. Kuna laeng säilib ja vaakumi (tühja ruumi) laeng on null, võib vaakumist välja tulla mis tahes osakeste ja antiosakeste paar (mille netolaengus on null) nagu jänesed mustkunstniku kübarast, kui energiast piisab nende loomiseks. mass.
Osakeste põlvkonnad.
Kiirendikatsed on näidanud, et materjaliosakeste neljakordne (kvartett) kordub suuremate massiväärtuste juures vähemalt kaks korda. Teises põlvkonnas hõivab elektroni koha müüon (massiga umbes 200 korda suurem kui elektroni mass, kuid kõigi teiste laengute väärtus on sama), elektronneutriino koht on müüon (mis saadab müonit nõrkades interaktsioonides samamoodi nagu elektron saadab elektronneutriinot), asetage ja- kvark hõivab koos- kvark ( võlutud), a d- kvark - s- kvark ( imelik). Kolmandas põlvkonnas koosneb nelik tau leptonist, tau neutriinost, t- kvark ja b- kvark.
Kaal t- kvark on umbes 500 korda suurem kui kõige kergem - d- kvark. Eksperimentaalselt on kindlaks tehtud, et kergeid neutriinosid on ainult kolme tüüpi. Seega neljanda põlvkonna osakesi kas pole üldse olemas või on vastavad neutriinod väga rasked. See on kooskõlas kosmoloogiliste andmetega, mille kohaselt ei saa olla rohkem kui nelja tüüpi kergeid neutriinosid.
Kõrge energiaga osakestega tehtud katsetes toimivad elektron, müüon, tau-lepton ja vastavad neutriinod eraldi osakestena. Nad ei kanna värvilaengut ja astuvad ainult nõrkadesse ja elektromagnetilistesse interaktsioonidesse. Neid nimetatakse ühiselt leptonid.
| Tabel 2. PÕHIOSAKESTE PÕLVKONNAD | ||||
| Osake | Puhkemass, MeV/ koos 2 | Elektrilaeng | värvi laeng | Nõrk laeng |
| TEINE PÕLVKOND | ||||
| koos- kvark | 1500 | +2/3 | Punane, roheline või sinine | +1/2 |
| s- kvark | 500 | –1/3 | Sama | –1/2 |
| Muoni neutriino | 0 | 0 | +1/2 | |
| Muon | 106 | 0 | 0 | –1/2 |
| KOLMAS PÕLVKOND | ||||
| t- kvark | 30000–174000 | +2/3 | Punane, roheline või sinine | +1/2 |
| b- kvark | 4700 | –1/3 | Sama | –1/2 |
| Tau neutriino | 0 | 0 | +1/2 | |
| Tau | 1777 | –1 | 0 | –1/2 |
Kvargid seevastu ühinevad värvijõudude mõjul tugevalt interakteeruvateks osakesteks, mis domineerivad enamikus kõrgenergiafüüsika katsetes. Selliseid osakesi nimetatakse hadronid. Need hõlmavad kahte alamklassi: barüonid(nt prooton ja neutron), mis koosnevad kolmest kvargist ja mesonid mis koosneb kvargist ja antikvargist. 1947. aastal avastati kosmilistes kiirtes esimene meson, mida kutsuti pioniks (või pi-mesoniks), ja mõnda aega arvati, et nende osakeste vahetus on tuumajõudude peamine põhjus. 1964. aastal Brookhaveni riiklikus laboris (USA) avastatud oomega-miinus hadronid ja j-psy osake ( J/y-meson), avastati samaaegselt Brookhavenis ja Stanfordi Lineaarkiirendite Keskuses (ka USA-s) 1974. aastal. Oomega-miinusosakese olemasolu ennustas M. Gell-Mann oma nn. SU 3-teooria” (teine nimi on “kaheksakordne tee”), milles esmakordselt pakuti välja kvarkide olemasolu võimalikkus (ja see nimi neile ka anti). Kümme aastat hiljem, osakese avastamine J/y olemasolu kinnitas koos-kvarki ja lõpuks pani kõik uskuma nii kvargi mudelisse kui ka teooriasse, mis ühendas elektromagnetilised ja nõrgad jõud ( vaata allpool).
Teise ja kolmanda põlvkonna osakesed pole vähem tõelised kui esimese põlvkonna osakesed. Tõsi, pärast tekkimist lagunevad nad miljondiku või miljardindiku sekundiga esimese põlvkonna tavalisteks osakesteks: elektroniks, elektronneutriinoks ja ka ja- ja d-kvargid. Küsimus, miks on looduses mitu põlvkonda osakesi, on siiani mõistatus.
Tihti räägitakse erinevatest põlvkondadest kvarkidest ja leptonitest (mis on muidugi mõnevõrra ekstsentriline) kui osakeste erinevatest "maitsetest". Vajadust neid selgitada nimetatakse "maitseprobleemiks".
BOSONID JA FERMIONID, PÕLD JA AINE
Üks põhilisi erinevusi osakeste vahel on erinevus bosonite ja fermioonide vahel. Kõik osakesed jagunevad nendesse kahte põhiklassi. Nagu bosonid võivad kattuda või kattuda, aga nagu fermionid, mitte. Superpositsioon toimub (või ei esine) diskreetsetes energiaolekutes, milleks kvantmehaanika looduse jagab. Need olekud on justkui eraldi rakud, millesse saab osakesi asetada. Seega võite ühte lahtrisse panna suvalise arvu identseid bosoneid, kuid ainult ühe fermioni.
Näiteks vaatleme selliseid rakke või "olekuid" elektroni jaoks, mis tiirleb ümber aatomi tuuma. Erinevalt planeetidest Päikesesüsteem, elektron, vastavalt kvantmehaanika seadustele, ei saa ringelda ühelgi elliptilisel orbiidil, sest tema jaoks on ainult diskreetne arv lubatud "liikumisolekuid". Nimetatakse selliste olekute komplekte, mis on rühmitatud elektroni ja tuuma vahelise kauguse järgi orbitaalid. Esimesel orbitaalil on kaks erineva nurkmomendiga olekut ja seega kaks lubatud rakku ning kõrgematel orbitaalidel kaheksa või enam rakku.
Kuna elektron on fermioon, võib iga rakk sisaldada ainult ühte elektroni. Sellest tulenevad väga olulised tagajärjed – kogu keemia, kuna ainete keemilised omadused on määratud vastavate aatomite vastastikmõjudega. Kui läbite perioodilise elementide süsteemi ühest aatomist teise, et suurendada tuuma prootonite arvu ühiku võrra (vastavalt suureneb ka elektronide arv), siis asuvad kaks esimest elektroni esimese orbitaali, järgmised kaheksa asuvad teises jne. See järjestikune muutus aatomite elektronstruktuuris elemendist elemendini määrab nende keemiliste omaduste seaduspärasused.
Kui elektronid oleksid bosonid, võiksid kõik aatomi elektronid hõivata sama orbitaali, mis vastab minimaalsele energiale. Sel juhul oleksid kogu Universumi aine omadused täiesti erinevad ja sellisel kujul, nagu me seda teame, oleks Universum võimatu.
Kõik leptonid – elektron, müüon, tau-lepton ja neile vastavad neutriinod – on fermioonid. Sama võib öelda kvarkide kohta. Seega on kõik osakesed, mis moodustavad "aine", Universumi peamise täiteaine, aga ka nähtamatud neutriinod fermioonid. See on väga oluline: fermionid ei saa kombineerida, seega kehtib sama ka materiaalse maailma objektide kohta.
Samal ajal vahetavad kõik "mõõtuosakesed" omavahel interakteeruvate materjaliosakeste vahel ja mis loovad jõudude välja ( vt eespool), on bosonid, mis on samuti väga oluline. Nii võivad näiteks paljud footonid olla samas olekus, moodustades magneti ümber magnetvälja või elektrilaengu ümber elektrivälja. Tänu sellele on võimalik ka laser.
Keeruta.
Bosonite ja fermioonide erinevus on seotud veel ühe elementaarosakeste omadusega - tagasi. Nii üllatav kui see ka ei tundu, kuid kõigil fundamentaalsetel osakestel on oma nurkimment ehk teisisõnu pöörlevad nad ümber oma telje. Nurkmoment on pöörlevale liikumisele iseloomulik, nagu kogu impulssmoment on translatsioonilisel liikumisel. Igas interaktsioonis säilivad nurkimpulss ja impulss.
Mikrokosmoses on nurkimpulss kvantiseeritud, st. võtab diskreetseid väärtusi. Sobivates ühikutes on leptonite ja kvarkide spinn 1/2 ja mõõtosakeste spinn on 1 (v.a graviton, mida pole veel eksperimentaalselt vaadeldud, kuid teoreetiliselt peaks spinn olema 2). Kuna leptonid ja kvargid on fermioonid ja mõõtosakesed on bosonid, võib eeldada, et "fermioonsus" on seotud spinniga 1/2 ja "bosoonilisus" on seotud spinniga 1 (või 2). Tõepoolest, nii eksperiment kui ka teooria kinnitavad, et kui osakesel on pooltäisarvuline spin, siis on tegemist fermiooniga ja kui täisarv, siis bosoniga.
MÕÕDURITEOORIAD JA GEOMEETIA
Kõikidel juhtudel tekivad jõud tänu bosonite vahetusele fermioonide vahel. Seega tekib kahe kvargi (kvarkide – fermioonide) vahelise interaktsiooni värvijõud tänu gluoonide vahetusele. Selline vahetus toimub pidevalt prootonites, neutronites ja aatomituumades. Samamoodi tekitavad elektronide ja kvarkide vahel vahetatavad footonid elektrilisi atraktiivseid jõude, mis hoiavad elektrone aatomis, ning leptonite ja kvarkide vahel vahetatavad vektorbosonid tekitavad nõrku vastastikmõjusid, mis vastutavad tähtede termotuumareaktsioonides prootonite neutroniteks muutmise eest.
Sellise vahetuse teooria on elegantne, lihtne ja tõenäoliselt õige. Seda nimetatakse gabariidi teooria. Kuid praegu on olemas ainult sõltumatud tugevate, nõrkade ja elektromagnetiliste vastastikmõjude teooriad ning neile sarnane, kuigi mõnes mõttes erinev gravitatsiooni mõõtmise teooria. Üks olulisemaid füüsilisi probleeme on nende eraldiseisvate teooriate taandamine ühtseks ja samas lihtsaks teooriaks, milles neist kõigist saaks ühe reaalsuse erinevad aspektid – nagu kristalli tahud.
| Tabel 3. MÕNED HADRONID | ||||
| Osake | Sümbol | Kvargi koostis * | puhkemass, MeV/ koos 2 | Elektrilaeng |
| BARYONID | ||||
| Prooton | lk | uud | 938 | +1 |
| Neutron | n | udd | 940 | 0 |
| Omega miinus | W- | sss | 1672 | –1 |
| MESONID | ||||
| Pi pluss | lk + | u | 140 | +1 |
| Pi-miinus | lk – | du | 140 | –1 |
| fi | f | sє | 1020 | 0 |
| JPS | J/a | cў | 3100 | 0 |
| Upsilon | Ў | b | 9460 | 0 |
| * Kvargi koostis: u- ülemine; d- madalam; s- kummaline; c- lummatud b- ilus. Tähe kohal olev joon tähistab antikvarke. | ||||
Lihtsaim ja vanim gabariiditeooria on elektromagnetilise interaktsiooni gabariiditeooria. Selles võrreldakse (kalibreeritakse) elektroni laengut teise temast kaugemal asuva elektroni laenguga. Kuidas saab tasusid võrrelda? Näiteks saate tuua teise elektroni esimesele lähemale ja võrrelda nende vastasmõju jõude. Kuid kas elektroni laeng ei muutu, kui ta liigub teise ruumipunkti? Ainus viis kontrollimiseks on saata signaal lähielektronilt kaugemasse ja vaadata, kuidas see reageerib. Signaaliks on mõõtosake – footon. Selleks, et oleks võimalik kontrollida kaugemate osakeste laengut, on vaja footonit.
Matemaatiliselt eristab seda teooriat äärmine täpsus ja ilu. Ülalkirjeldatud "gabariidiprintsiibist" järgneb kogu kvantelektrodünaamika (elektromagnetismi kvantteooria), aga ka Maxwelli elektromagnetvälja teooria, mis on 19. sajandi üks suurimaid teadussaavutusi.
Miks on selline lihtne põhimõte nii viljakas? Ilmselt väljendab see Universumi erinevate osade teatud korrelatsiooni, võimaldades Universumis mõõtmisi teha. Matemaatilises mõttes tõlgendatakse välja geomeetriliselt mingi mõeldava "sisemise" ruumi kõverusena. Laengu mõõtmine on kogu "sisemise kõveruse" mõõtmine osakese ümber. Tugevate ja nõrkade vastastikmõjude gabariiditeooriad erinevad elektromagnetilise näidiku teooriast ainult vastava laengu sisemise geomeetrilise "struktuuri" poolest. Küsimusele, kus see siseruum täpselt asub, leiavad vastuse mitmemõõtmelised ühtse välja teooriad, mida siinkohal ei käsitleta.
| Tabel 4. FUNDAMENTAALSEID KOOSTÖÖD | |||||
| Interaktsioon | Suhteline intensiivsus 10–13 cm kaugusel | Toimimisraadius | Interaktsioonikandja | Kandja puhkemass, MeV/ koos 2 | Kandja spin |
| Tugev | 1 | Gluoon | 0 | 1 | |
| elektri- magnetiline |
0,01 | Ґ | Footon | 0 | 1 |
| Nõrk | 10 –13 | W + | 80400 | 1 | |
| W – | 80400 | 1 | |||
| Z 0 | 91190 | 1 | |||
| Gravitatsioon- ratsionaalne |
10 –38 | Ґ | graviton | 0 | 2 |
Elementaarosakeste füüsika pole veel lõppenud. Pole veel kaugeltki selge, kas olemasolevatest andmetest piisab osakeste ja jõudude olemuse, samuti ruumi ja aja tegeliku olemuse ja mõõtmete täielikuks mõistmiseks. Kas selleks on vaja katseid energiatega 10 15 GeV või piisab ka mõttepingutusest? Vastust veel pole. Kuid võime kindlalt öelda, et lõplik pilt on lihtne, elegantne ja ilus. Võimalik, et põhimõttelisi ideid polegi nii palju: gabariidi põhimõte, suuremate mõõtmetega ruumid, kokkuvarisemine ja paisumine ning ennekõike geomeetria.
Füüsikaliste suuruste mõõtühikud mikromaailmas toimuvate nähtuste kirjeldamisel jagunevad põhi- ja tuletisteks, mis määratakse füüsikaseaduste matemaatilise tähistusega.
Tulenevalt asjaolust, et kõik füüsikalised nähtused toimuvad ruumis ja ajas, võetakse põhiühikuteks eelkõige pikkuse ja aja ühikud, millele liidetakse massiühik. Põhiühikud: pikkused l, aeg t, mass m − saada teatud mõõde. Tuletatud ühikute mõõtmed määratakse teatud füüsikalisi seadusi väljendavate valemitega.
Põhiliste füüsiliste ühikute mõõdud on valitud nii, et praktikas oleks neid mugav kasutada.
SI-süsteemis aktsepteeritakse järgmisi mõõtmeid: pikkused [ l] = m (meeter), aeg [t] = s (sekund), mass [t] = kg (kilogramm).
CGS-süsteemis aktsepteeritakse põhiühikute jaoks järgmisi mõõtmeid: pikkus [/] \u003d cm (sentimeeter), aeg [t] \u003d s (sekund) ja mass [t] \u003d g (gramm). Mikromaailmas toimuvate nähtuste kirjeldamiseks saab kasutada mõlemat ühikute süsteemi SI ja CGS.
Hinnakem mikromaailma nähtuste pikkuse, aja ja massi suurusjärke.
Lisaks üldtunnustatud rahvusvahelistele ühikute SI ja CGS süsteemidele kasutatakse ka universaalsetel füüsikalistel konstantidel põhinevaid "looduslikke ühikusüsteeme". Need ühikute süsteemid on eriti asjakohased ja neid kasutatakse erinevates füüsikalistes teooriates. Looduslikus ühikusüsteemis võetakse põhiühikuteks põhikonstandid: valguse kiirus vaakumis - c, Plancki konstant - ћ, gravitatsioonikonstant G N , Boltzmanni konstant - k: Avogadro arv - N A jne Looduslikus süsteemis Plancki ühikutest, c = ћ = G N = k = 1. Seda ühikute süsteemi kasutatakse kosmoloogias selliste protsesside kirjeldamiseks, mille puhul on olulised nii kvant- kui ka gravitatsiooniefektid (mustade aukude teooriad, varajase universumi teooriad).
Looduslike mõõtühikute süsteemis lahendatakse loomuliku pikkuseühiku probleem. Seda võib pidada Comptoni lainepikkuseks λ 0 , mis määratakse osakeste massiga M: λ 0 = ћ/Ms.
Pikkus iseloomustab objekti suurust. Seega on elektroni klassikaline raadius r 0 \u003d e 2 /m e c 2 \u003d 2,81794 10–13 cm (e, m e on elektroni laeng ja mass). Elektroni klassikalise raadiuse tähendus on laetud kuuli raadius laenguga e (jaotus on sfääriliselt sümmeetriline), mille juures kuuli elektrostaatilise välja energia ε = γе 2 /r 0 on võrdne ülejäänuga. elektroni energia m e c 2 (kasutatakse Thompsoni valguse hajumise arvestamisel).
Kasutatakse ka Bohri orbiidi raadiust. Seda defineeritakse kui kaugust tuumast, mille juures elektron ergastamata vesinikuaatomis kõige tõenäolisemalt leidub.
a 0 = ћ 2 /m e e 2 (CGS-süsteemis) ja a 0 = (α/4π)R = 0,529 10 -10 m (SI-süsteemis), α = 1/137.
Nukleoni suurus r ≈ 10 -13 cm (1 femtomeeter). Aatomisüsteemide iseloomulikud mõõtmed on 10 -8 , tuumasüsteemidele - 10 -12 ÷ 10 -13 cm.
Aeg varieerub laias vahemikus ja seda määratletakse kauguse R suhtena objekti kiirusesse v. Mikroobjektide puhul τ mürk = 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 \u003d 3 10 -24 s.
Massid objektid varieeruvad vahemikus 0 kuni M. Seega elektroni mass m e ≈ 10 -27 g, prootoni mass
m p ≈ 10 -24 g (CGS-süsteem). Üks aatomi- ja tuumafüüsikas kasutatav aatommassiühik, 1 a.m.u. = M(C)/12 süsinikuaatomi massiühikutes.
Mikroobjektide põhiomaduste hulka kuuluvad nii elektrilaeng kui ka elementaarosakese tuvastamiseks vajalikud omadused.
Elektrilaeng
osakesi Q mõõdetakse tavaliselt elektroni laengu ühikutes. Elektronlaeng e = 1,6 10 -19 ripats. Vabas olekus olevate osakeste puhul on Q/e = ±1, 0 ja kvarkide puhul, mis moodustavad hadroneid, Q/e = ±2/3 ja ±1/3.
Tuumades määrab laengu tuumas sisalduvate prootonite Z arv. Prootoni laeng on absoluutväärtuselt võrdne elektroni laenguga.
Elementaarosakese tuvastamiseks peate teadma:
I on isotoopne spin;
J - sisemine impulsimoment - spin;
R - ruumiline paarsus;
C on laengu paarsus;
G − G-paarsus.
See teave on kirjutatud valemina I G (J PC).
Keeruta on osakese üks olulisemaid omadusi, mida mõõdetakse Plancki põhikonstandi h ehk ћ = h/2π = 1,0544·10 -27 [erg-s] abil. Bosonitel on täisarv ühikutes ћ: (0,1, 2,...)ћ, fermionidel on pooltäisarv (1/2, 3/2,... .)ћ. Supersümmeetriliste osakeste klassis vahetatakse fermioonide ja bosonite spinnide väärtusi.
Riis. 4 illustreerib spin J füüsikalist tähendust analoogiliselt klassikalise ideega osakese nurkimpulsi kohta massiga m = 1 g, mis liigub kiirusega v = 1 cm/s piki ringi raadiusega r = 1 cm Klassikalises füüsikas on nurkimpulss J = mvr = L (L on orbitaalmoment). Kvantmehaanikas on ringis liikuva objekti samade parameetrite korral J = 10 27 ћ = 1 erg·s, kus ћ = 1,05·10 -27 erg·s.
Elementaarosakese spinni projektsiooni selle impulsi suunas nimetatakse helilisuseks. Suvalise pöörleva massita osakese helilisus võtab ainult kaks väärtust: osakese impulsi suunas või selle suunas. Footoni puhul on spiraalsuse võimalikud väärtused ±1, massivaba neutriino puhul on helilisus ±1/2.
Aatomituuma pöörlemismomenti defineeritakse kui kvantsüsteemi moodustavate elementaarosakeste spinnide ja nende osakeste orbitaalmomentide vektorsummat, mis on tingitud nende liikumisest süsteemis. Orbitaalmoment || ja pöörlemismoment || omandada diskreetne väärtus. Orbitaalmoment || = ћ[ l(l+1)] 1/2 , kus l− orbitaalkvantarv (võib võtta väärtused 0, 1,2,...), sisemine impulsimoment || = ћ 1/2 kus s on spinn-kvantarv (võib võtta nulli, täisarvu või pooltäisarvu J, kogu nurkimpulss on võrdne summaga + = .
Tuletatud ühikud hõlmavad: osakese energiat, kiirust, mis asendab relativistlike osakeste kiirust, magnetmomenti jne.
Energia puhkeosake: E = mc2; liikuv osake: E \u003d m 2 c 4 + p 2 c 2.
Mitterelativistlike osakeste puhul: E = mc 2 + p 2 /2m; relativistlike osakeste puhul massiga m = 0: E = vrd.
Energiaühikud - eV, keV, MeV, GeV, TeV, ... 1 GeV = 10 9 eV, 1 TeV = 10 12 eV,
1 eV = 1,6 10 -12 erg.
Osakeste kiirus
β = v/c, kus c = 3 10 10 cm/s on valguse kiirus. Osakese kiirus määrab kõige olulisem omadus osakese Lorentzi tegurina γ = 1/(1-β 2) 1/2 = E/mc 2 . Alati γ > 1- Mitterelativistlike osakeste puhul 1< γ < 2, а для релятивистских частиц γ > 2.
Kõrgenergia füüsikas on osakeste kiirus β lähedane 1-le ja seda on relativistlike osakeste puhul raske määrata. Seetõttu kasutatakse kiiruse asemel kiirust y, mis on kiirusega seotud suhtega y = (1/2)ln[(1+β)/(1-β)] = (1/2)ln[(E) +p)/(E-p) ]. Kiirus muutub vahemikus 0 kuni ∞.
Funktsionaalne seos osakeste kiiruse ja kiiruse vahel on näidatud joonisel fig. 5. Relativistlike osakeste puhul β → 1, Е → р juures võib kiiruse asemel kasutada pseudokiirust η, mis on määratud osakeste väljapääsunurgaga θ, η = (1/2)ln tan(θ/2) . Erinevalt kiirusest on kiirus aditiivne suurus, st. y 2 = y 0 + y 1 mis tahes võrdlusraamistiku ja mis tahes relativistlike ja mitterelativistlike osakeste jaoks.
Magnetiline moment
μ = Iπr 2 /c, kus vool I = ev/2πr, tekib elektrilaengu pöörlemise tõttu. Seega on igal laetud osakesel magnetmoment. Elektroni magnetmomendi arvestamisel kasutatakse Bohri magnetoni
μ B = eћ/2m e c = 0,5788·10 -14 MeV/Gs, elektronide magnetmoment = g·μ B ·. Koefitsienti g nimetatakse güromagnetiliseks suhteks. Elektroni jaoks g = /μ B · = 2, sest J = ћ/2, = μ B eeldusel, et elektron on punktstruktuurita osake. Güromagnetsuhe g sisaldab teavet osakese struktuuri kohta. Kogust (g − 2) mõõdetakse katsetes, mille eesmärk on uurida muude osakeste kui leptonite struktuuri. Leptonite puhul näitab see suurus suuremate elektromagnetiliste korrektsioonide rolli (vt allpool jaotist 7.1).
Tuumafüüsikas kasutatakse tuumamagnetoni μ i = eћ/2m p c, kus m p on prootoni mass.
2.1.1. Heaviside süsteem ja selle seos CGS-süsteemiga
Heaviside süsteemis eeldatakse, et valguse kiirus c ja Plancki konstant ћ on võrdne ühtsusega, s.o. c = ћ = 1. Põhilisteks mõõtühikuteks on energiaühikud - MeV või MeV -1, samas kui CGS süsteemis on põhimõõtühikud [g, cm, s]. Seejärel, kasutades seoseid: E \u003d mc 2 \u003d m \u003d MeV, l= ћ/mc = MeV -1 , t = ћ/mc 2 = MeV -1 , saame Heaviside süsteemi ja CGS süsteemi vahelise seose kujul:- 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.
Heaviside süsteemi kasutatakse kõrgenergia füüsikas mikrokosmoses toimuvate nähtuste kirjeldamiseks ning see põhineb relativistlikus ja kvantmehaanikas määravate looduskonstantide с ja ћ kasutamisel.
CGS-süsteemi vastavate koguste arvväärtused elektroni ja prootoni jaoks on toodud tabelis. 3 ja seda saab kasutada ühest süsteemist teise liikumiseks.
Tabel 3. Suuruste arvväärtused elektronide ja prootonite CGS-süsteemis
2.1.2. Planck (looduslikud) üksused
Gravitatsioonimõjude kaalumisel võetakse energia, massi, pikkuse ja aja mõõtmiseks kasutusele Plancki skaala. Kui objekti gravitatsioonienergia on võrdne tema koguenergiaga, s.o.
siis
pikkus = 1,6 10 -33 cm,
mass = 2,2 10 -5 g = 1,2 10 19 GeV,
aeg = 5,4 10 -44 s,
kus 
\u003d 6,67 10 -8 cm 2 g -1 s -2.
Gravitatsiooniefektid on olulised, kui objekti gravitatsioonienergia on võrreldav selle koguenergiaga.
2.2. Elementaarosakeste klassifikatsioon
Mõiste "elementaarosake" moodustati aine struktuuri diskreetsuse kindlaksmääramisega mikroskoopilisel tasemel.
Aatomid → tuumad → nukleonid → partonid (kvargid ja gluoonid)
Kaasaegses füüsikas kasutatakse terminit "elementaarosakesed" suure rühma nimetamiseks pisikesteks täheldatud aineosakesed. See osakeste rühm on väga ulatuslik: p prootoneid, n neutroneid, π- ja K-mesoneid, hüperonid, võlutud osakesed (J/ψ...) ja palju resonantse (kokku
~ 350 osakest). Neid osakesi nimetatakse "hadroniteks".
Selgus, et need osakesed ei ole elementaarsed, vaid on liitsüsteemid, mille koostisosad on tõeliselt elementaarsed või, nagu neid hakati nimetama, " põhiline
"osakesed - partonid, mis avastati prootoni struktuuri uurimisel. Partonide omaduste uurimine võimaldas neid tuvastada kvargid ja gluoonid Gell-Mann ja Zweig võtsid vaadeldavate elementaarosakeste klassifitseerimisel arvesse. Kvarkid osutusid fermioonideks spinniga J = 1/2. Neile määrati murdosalised elektrilaengud ja barüoniarv B = 1/3, kuna barüon, mille B = 1, koosneb kolmest kvargist. Lisaks tekkis mõne barüoni omaduste selgitamiseks vajadus võtta kasutusele uus kvantarv – värv. Igal kvargil on kolm värviolekut, mida tähistatakse indeksitega 1, 2, 3 või sõnadega punane (R), roheline (G) ja sinine (B). Värv ei avaldu vaadeldavates hadronites kuidagi ja toimib ainult nende sees.
Tänaseks on avastatud 6 maitset (tüüpi) kvarke.
Tabelis. 4 näitab kvarkide omadusi ühe värvi oleku jaoks.
Tabel 4. Kvarkide omadused
| Aroom | Mass, MeV/s 2 | ma | ma 3 | Q q/e | s | koos | b | t |
| sa üles | 330; (5) | 1/2 | 1/2 | 2/3 | 0 | 0 | 0 | 0 |
| d alla | 340; (7) | 1/2 | -1/2 | -1/3 | 0 | 0 | 0 | 0 |
| on imelik | 450; (150) | 0 | 0 | -1/3 | -1 | 0 | 0 | 0 |
| võluga | 1500 | 0 | 0 | 2/3 | 0 | 1 | 0 | 0 |
| b ilu | 5000 | 0 | 0 | -1/3 | 0 | 0 | -1 | 0 |
| t tõde | 174000 | 0 | 0 | 2/3 | 0 | 0 | 0 | 1 |
Iga kvargi maitse kohta on antud selle mass (antud on koostisosade kvarkide massid ja sulgudes on antud praeguste kvarkide massid), isotoop spin I ja isotoop spin I 3 3. projektsioon, kvargi laeng Q q /e ja kvantarvud s, c, b, t. Nende kvantarvude kõrval kasutatakse sageli hüperlaengu kvantarvu Y = B + s + c + b + t. Isotoopspinni I 3 projektsiooni, elektrilaengu Q ja hüperlaengu Y vahel on seos: Q = I 3 + (1/2)Y.
Kuna igal kvargil on 3 värvi, tuleb arvesse võtta 18 kvarki. Kvarkidel puudub struktuur.
Samal ajal oli elementaarosakeste hulgas terve klass osakesi, mida nimetatakse " leptonid". Need on ka fundamentaalsed osakesed, st neil puudub struktuur. Neid on kuus: kolm laetud e, μ, τ ja kolm neutraalset ν e, ν μ, ν τ. Leptonid osalevad ainult elektromagnetilises ja nõrgas vastasmõjus Pooltäisarvulise spinniga J = (n+1/2)ћ, n = 0, 1,... . Leptonid ja kvargid on fundamentaalsed fermioonid. Leptonite ja kvarkide vahel on hämmastav sümmeetria: kuus leptonit ja kuus kvarki.
Tabelis. 5 on näidatud fundamentaalfermioonide omadused: elektrilaeng Q i elektroni laengu ühikutes ja osakeste mass m. Leptonid ja kvargid saavad kokku kolme põlvkonnana (I, II ja III). Iga põlvkonna elektrilaengute summa ∑Q i = 0, võttes arvesse iga kvargi kohta 3 värvilaengut. Igal fermioonil on antifermion.
Lisaks tabelis näidatud osakeste omadustele oluline roll leptonite puhul mängivad leptonarvud: elektrooniline L e võrdub +1 e - ja ν e korral, müon L μ võrdub +1 μ - ja ν μ ja taon L τ võrdub +1 τ - ja ν τ korral, mis vastavad spetsiifilistes reaktsioonides osalevate leptonite maitsetele ja on säilinud kogused. Leptonite puhul on barüoniarv B = 0.
Tabel 5. Fundamentaalfermionide omadused
Meid ümbritsev aine koosneb esimese põlvkonna nullist erineva massiga fermioonidest. Teise ja kolmanda põlvkonna osakeste mõju avaldus varajases universumis. Fundamentaalosakeste hulgas on eriline roll fundamentaalmõõturi bosonitel, millel on täisarvuline sisemine kvantarvu spin J = nћ, n = 0, 1, .... Mõõtebosonid vastutavad nelja tüüpi fundamentaalsete vastastikmõjude eest: tugevad (gluoon) g), elektromagnetiline (footon γ) , nõrk (bosonid W ± , Z 0), gravitatsiooniline (graviton G). Need on ka struktuuritud põhiosakesed.
Tabelis. 6 näitab fundamentaalbosonite omadusi, mis on gabariiditeooriates väljakvandid.
Tabel 6. Fundamentaalbosonite omadused
| Nimi | Lae | Kaal | Keeruta | Interaktsioonid |
| Graviton, G | 0 | 0 | 2 | gravitatsiooniline |
| Footon, γ | 0 | < 3·10 -27 эВ | 1 | elektromagnetiline |
| Laetud vektorbosonid, W ± | ±1 | 80,419 GeV/s 2 | 1 | Nõrk |
| Neutraalne vektorboson, Z 0 | 0 | 91,188 GeV/s 2 | 1 | Nõrk |
| Gluoonid, g 1 , ... , g 8 | 0 | 0 | 0 | Tugev |
| Higgs, H 0, H ± | 0 | > 100 GeV/c 2 | 0 |
Lisaks avastatud gabariidibosonite γ, W ± , Z 0 , g 1 ,... , g 8 omadustele on tabelis välja toodud veel avastamata bosonite omadused: G graviton ja Higgsi bosonid H. 0, H ±.
Vaatleme nüüd kõige arvukamat tugevalt interakteeruvate elementaarosakeste rühma - hadroneid, mille struktuuri selgitamiseks võeti kasutusele kvarkide mõiste.
Hadronid jagunevad mesoniteks ja barüoniteks. Mesonid on ehitatud kvargist ja antikvargist (q). Barüonid koosnevad kolmest kvargist (q 1 q 2 q 3).
Tabelis. 7 loetleb põhiliste hadronite omadused. (Üksikasjalike tabelite jaoks vt The European Physical Journal C, Rev. of Particle Phys., v.15, nr. 1–4, 2000.)
Tabel 7. Hadronite omadused
| Nimi | Mass, MeV/s 2 | Eluaeg, s | Lagunevad moed | Kvargi koostis | |||||||||||
| Pojeng 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 meson η 0 0 + (0 -+) |
548.8 | Г=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 ± Kell 0 |
5277.6 5279.4 | 13,1 10 -13 13,1 10 -13 |
B ± → + π ± B 0 →+ π -0 + |
(u), (b) (d), (b) |
|||||||||||
| b | Prooton lk Neutron n |
938.3 939.5 |
> 10 33 aastat vana 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 | |||||||||||
|
|
|
Hadronite kvargistruktuur võimaldab selles suures osakeste rühmas eristada mitteveidraid hadroneid, mis koosnevad mitteveidratest kvarkidest (u, d), kummalisi hadroneid, mille hulka kuulub kummaline kvark s, võlutud hadroneid, mis sisaldavad c. -kvark, võluhadronid (alumised hadronid) koos b-kvargiga.
Tabelis on toodud vaid väikese osa hadronite: mesonite ja barüonide omadused. Kuvatakse nende mass, eluiga, peamised lagunemisviisid ja kvarkide koostis. Mesonite puhul barüoni arv B \u003d O ja leptoni arv L \u003d 0. Barüonite puhul barüoni arv B \u003d 1, leptoni arv L \u003d 0. Mesonid on bosonid (täisarv spin), barüonid fermionid ( pooltäisarvu spin).
Hadronite omaduste edasine käsitlemine võimaldab ühendada need isotoopmultiplettideks, mis koosnevad samade kvantarvudega (barüoniarv, spinn, sisepaarsus, kummalisus) ja sarnase massiga, kuid erineva elektrilaenguga osakestest. Iga isotoopmultipletti iseloomustab isotoopne spin I, mis määrab osakeste koguarvu multipletis, mis on võrdne 2I + 1. Isospin võib võtta väärtusi 0, 1/2, 1, 3/2, 2 , . .., st. on võimalik isotoopsingettide, dublettide, triplettide, kvartettide jne olemasolu. Niisiis, prooton ja neutron moodustavad isotoopdubleti, π + -, π - -, π 0 -mesoneid peetakse isotooptripletiks.
Komplekssemad objektid mikrokosmoses on aatomituumad. Aatomituum koosneb Z prootonist ja N neutronist. Summa Z + N = A on nukleonide arv antud isotoobis. Sageli esitatakse tabelites kõigi isotoopide keskmine väärtus, seejärel muutub see murdosaks. Tuntud on tuumad, mille näidatud väärtused jäävad vahemikku: 1< А < 289, 1 < Z < 116.
Eespool loetletud osakesi vaadeldakse standardmudeli raames. Eeldatakse, et väljaspool standardmudelit võib olla veel üks põhiosakeste rühm - supersümmeetrilised osakesed (SUSY). Need peaksid tagama sümmeetria fermioonide ja bosonite vahel. Tabelis. 8 näitab selle sümmeetria oletatavaid omadusi.
2.3. Välikäsitlus interaktsioonide probleemile
2.3.1 Põhiliste vastastikmõjude omadused
Elementaarosakeste kokkupõrke ajal esinevate füüsikaliste nähtuste tohutu mitmekesisus on määratud ainult nelja tüüpi vastasmõjudega: elektromagnetiline, nõrk, tugev ja gravitatsiooniline. Kvantteoorias kirjeldatakse vastastikmõju teatud tüüpi interaktsiooniga seotud spetsiifiliste kvantide (bosonite) vahetusena.
Osakeste interaktsiooni visuaalseks kujutamiseks soovitas Ameerika füüsik R. Feynman kasutada diagramme, mis said tema nime. Feynmani diagrammid kirjeldavad mis tahes interaktsiooni protsessi, kui kaks osakest põrkuvad. Iga protsessis osalev osake on Feynmani diagrammil kujutatud joonega. Rea vaba vasak või parem ots näitab, et osake on vastavalt alg- või lõppolekus. Diagrammides olevad sisemised jooned (st jooned, millel ei ole vabad otsad) vastavad nn virtuaalosakestele. Need on osakesed, mis sünnivad ja neelduvad interaktsiooni käigus. Erinevalt pärisosakestest ei saa neid registreerida. Osakeste vastastikmõju diagrammil on kujutatud sõlmede (või tippude) kaudu. Interaktsiooni tüüpi iseloomustab sidestuskonstant α, mida saab kirjutada järgmiselt: α = g 2 /ћc, kus g on interaktsiooniallika laeng ja see on osakeste vahel mõjuva jõu peamine kvantitatiivne tunnus. Elektromagnetilises interaktsioonis α e \u003d e 2 / ћc \u003d 1/137.
 Joonis 6. Feynmani diagramm. |
Protsess a + b →с + d Feynmani diagrammi kujul (joonis 6) näeb välja selline: R on virtuaalne osake, mille osakesed a ja b vahetuvad interaktsiooni käigus, mis on määratud interaktsioonikonstandiga α = g 2 /ћc , mis iseloomustab interaktsiooni tugevust kaugusel , mis on võrdne interaktsiooni raadiusega.
Virtuaalsel osakesel võib olla mass M x ja selle osakese vahetamisel kandub üle 4-impulss t = −q 2 = Q 2 .
Tabelis. 9 näitab erinevat tüüpi interaktsioonide omadusi.
Elektromagnetilised vastasmõjud
. Kõige põhjalikumalt ja järjepidevamalt uuritakse elektromagnetilisi interaktsioone, millele kõik laetud osakesed ja footonid alluvad. Interaktsiooni kandjaks on footon. Elektromagnetiliste jõudude korral on vastastikmõju konstant arvuliselt võrdne peenstruktuuri konstandiga α e = e 2 /ћc = 1/137.
Lihtsaimate elektromagnetiliste protsesside näideteks on fotoelektriline efekt, Comptoni efekt, elektron-positroni paaride moodustumine ning laetud osakeste puhul ionisatsiooni hajumine ja bremsstrahlung. Nende vastastikmõjude teooria – kvantelektrodünaamika – on kõige täpsem füüsikateooria.
Nõrk interaktsioon.
Esimest korda täheldati aatomituumade β-lagunemisel nõrku koostoimeid. Ja nagu selgus, on need lagunemised seotud prootoni muundumisega tuumas neutroniks ja vastupidi:
p → n + e + + ν e , n → p + e - + e . Võimalikud on ka pöördreaktsioonid: elektronide püüdmine e - + p → n + ν e või antineutriino e + p → e + + n. Nõrka interaktsiooni kirjeldas Enrico Fermi 1934. aastal nelja fermiooni kontaktinteraktsioonina, mis on määratletud Fermi konstandiga
G F = 1,4 10 -49 erg cm 3.
Väga suurte energiate juures kirjeldatakse Fermi kontaktinteraktsiooni asemel nõrka vastastikmõju kui vahetusinteraktsiooni, mille käigus toimub nõrga laenguga g w (analoogiliselt elektrilaenguga) omava kvanti vahetus, mis toimib fermioonide vahel. Sellised kvantid avastas Karl Rubbia juhitud meeskond esmakordselt 1983. aastal SppS Collideris (CERN). Need on laetud bosonid - W ± ja neutraalbosonid - Z 0 , nende massid on vastavalt võrdsed: m W± = 80 GeV/c 2 ja m Z = 90 GeV/c 2 . Interaktsioonikonstant α W väljendatakse sel juhul Fermi konstandiga:
Tabel 9. Peamised interaktsioonitüübid ja nende omadused
| Põlvkond | Laenguga kvargid (+2/3) | Laenguga kvargid (−1/3) | ||||||
| Kvargi/antikvargi sümbol | Mass (MeV) | Kvargi/antikvargi nimi/maitse | Kvargi/antikvargi sümbol | Mass (MeV) | ||||
|---|---|---|---|---|---|---|---|---|
| 1 | u-kvark (üles-kvark) / anti-u-kvark | texvc ei leitud; Seadistusabi saamiseks vaadake matemaatikat/README.): u / \, \overline(u)
|
1,5 kuni 3 | d-kvark (down-quark) / anti-d-quark | Avaldist ei saa sõeluda (käivitatav fail texvc ei leitud; Seadistusabi saamiseks vaadake matemaatikat/README.): d / \, \overline(d)
|
4,79±0,07 | ||
| 2 | c-kvark (charm-quark) / anti-c-quark | Avaldist ei saa sõeluda (käivitatav fail texvc ei leitud; Seadistusabi saamiseks vaadake matemaatikat/README.): c / \, \overline(c)
|
1250±90 | s-kvark (imelik kvark) / anti-s-kvark | Avaldist ei saa sõeluda (käivitatav fail texvc ei leitud; Seadistusabi saamiseks vaadake matemaatikat/README.): s / \, \overline(s)
|
95±25 | ||
| 3 | t-kvark (top-quark) / anti-t-kvark | Avaldist ei saa sõeluda (käivitatav fail texvc ei leitud; Seadistusabi saamiseks vaadake matemaatikat/README.): t / \, \overline(t)
|
174 200 ± 3300 | b-kvark (põhjakvark) / anti-b-kvark | Avaldist ei saa sõeluda (käivitatav fail texvc ei leitud; Seadistusabi saamiseks vaadake matemaatikat/README.): b / \, \overline(b)
|
4200±70 | ||
Vaata ka
Kirjutage ülevaade artiklist "Fundamentaalne osake"
Märkmed
Lingid
- S. A. Slavatinsky// Moskva Füüsika ja Tehnoloogia Instituut (Dolgoprudnõi, Moskva piirkond)
- Slavatinsky S.A. // SOZH, 2001, nr 2, lk. 62–68 arhiiv 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
| Kõige kuulsam üldrelatiivsusteooria valem on energia-massi jäävuse seadus | See füüsikateemaline artikkel on tühimik. Saate projekti aidata, lisades sellele. |
| |||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
Esitatud joonisel 1 fundamentaalsed fermioonid, spinniga ½, on mateeria "esimesed tellised". Nad on esindatud leptonid(elektronid e, neutriino jne) – osakesed, mis ei osale tugev tuuma vastastikmõjud ja kvargid, mis on seotud tugeva interaktsiooniga. Tuumaosakesed koosnevad kvarkidest hadronid(prootonid, neutronid ja mesonid). Igal neist osakestest on oma antiosake, mis tuleb asetada samasse lahtrisse. Antiosakese tähistust eristab tildemärk (~).
Kuuest kvarkide sordist ehk kuus lõhnaained elektrilaeng 2/3 (elementaarlaengu ühikutes e) omama ülemist ( u), võlutud ( c) ja tõsi ( t) kvargid ja laenguga –1/3 – madalam ( d), kummaline ( s) ja ilus ( b) kvargid. Sama maitsega antikvarkidel on elektrilaengud vastavalt -2/3 ja 1/3.
| põhiosakesed | |||||||||||||||||||
| Fundamentaalsed fermionid (pooltäisarvu spin) | Fundamentaalbosonid (täisarvuline spin) | ||||||||||||||||||
| Leptonid | Kvargid | ||||||||||||||||||
| n e | n m | n t | u | c | t | 2/3 | Tugev | El.-magnet | Nõrk | gravitatsiooniline | |||||||||
| 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 | ||||||||
| ma | II | III | ma | II | III | ||||||||||||||
| Electroweak interaktsioon | |||||||||||||||||||
| suur ühinemine | |||||||||||||||||||
| üliühendamine | |||||||||||||||||||
Kvantkromodünaamikas (tugeva interaktsiooni teooria) omistatakse kvarkidele ja antikvarkidele kolme tüüpi tugevaid interaktsiooni laenguid: punane. R(anti-punane); roheline G(anti-roheline); sinine B(antisinine). Värviline (tugev) interaktsioon seob hadronites kvarke. Viimased jagunevad barüonid, mis koosneb kolmest kvargist ja mesonid koosneb kahest kvargist. Näiteks barüonidega seotud prootonitel ja neutronitel on järgmine kvarkide koostis:
lk = (uud) ja , n = (ddu) ja .
Näitena esitame pi-mesoni kolmiku koostise:
, , 
Nendest valemitest on hästi näha, et prootoni laeng on +1, antiprootoni oma aga -1. Neutronil ja antineutronil on nulllaeng. Nendes osakestes olevate kvarkide spinnid liidetakse nii, et nende spinnid on kokku ½. Võimalikud on ka sellised samade kvarkide kombinatsioonid, milles spinnide kogusumma võrdub 3/2-ga. Sellised elementaarosakesed (D ++, D +, D 0, D –) on avastatud ja kuuluvad resonantsidesse, s.t. lühiealised hadronid.
Tuntud radioaktiivse b-lagunemise protsess, mida kujutab skeem
n ® lk + e + ,
kvargiteooria seisukohalt näeb välja selline
(udd) ® ( uud) + e+ või d ® u + e + .
Vaatamata korduvatele katsetele avastada katsetes vabu kvarke, ei olnud see võimalik. See viitab sellele, et kvargid esinevad ilmselt ainult keerukamate osakeste koostises ( kvarkide püüdmine). Selle nähtuse täielikku selgitust pole veel antud.
Joonis 1 näitab, et leptonite ja kvarkide vahel on sümmeetria, mida nimetatakse kvark-leptoni sümmeetriaks. Ülemise rea osakestel on üks laeng rohkem kui alumise rea osakestel. Esimese veeru osakesed kuuluvad esimesse põlvkonda, teise - teise põlvkonda ja kolmanda veeru - kolmandasse põlvkonda. Õiged kvargid c, b ja t ennustati selle sümmeetria põhjal. Meid ümbritsev aine koosneb esimese põlvkonna osakestest. Milline on teise ja kolmanda põlvkonna osakeste roll? Sellele küsimusele pole veel lõplikku vastust.
Huvitav artikkel
Hiljuti õnnestus füüsikutel, kes jälgisid järjekordset Suure Hadronipõrgetise katset, lõpuks leida jäljed Higgsi bosonist või, nagu paljud ajakirjanikud seda nimetavad, "jumalikust osakesest". See tähendab, et põrkeri konstruktsioon on end igati õigustanud – ju tehti see just selle tabamatu bosoni püüdmiseks.
Füüsikud, kes töötasid suure hadronite põrgataja juures, kasutades CMS-detektorit, registreerisid esimest korda kahe Z-bosoni sünni – ühe sündmuse tüüpidest, mis võib olla tõendiks Higgsi bosoni "raske" versiooni olemasolust. Kui väga täpne olla, siis 10. oktoobril tuvastas CMS-i detektor esmakordselt nelja müüoni ilmumise. Rekonstrueerimise esialgsed tulemused võimaldasid teadlastel tõlgendada seda sündmust kui kandidaati kahe neutraalse gabariidiga Z-bosoni tootmiseks.
Ma arvan, et nüüd tuleks veidi kõrvale kalduda ja rääkida, mis need müüonid, bosonid ja muud elementaarosakesed on. Kvantmehaanika standardmudeli järgi koosneb kogu maailm erinevatest elementaarosakestest, mis omavahel kokku puutudes genereerivad kõiki teadaolevaid massi- ja energiatüüpe.
Näiteks koosneb kogu aine 12 põhilisest fermionosakest: 6 leptonit, nagu elektron, müüon, tau lepton, ja kolme tüüpi neutriinosid ja 6 kvarki (u, d, s, c, b, t), mis võivad ühendada kolm põlvkonda fermione. Fermioonid on osakesed, mis võivad olla vabas olekus, kvargid aga mitte, need on osa teistest osakestest, näiteks tuntud prootonitest ja neutronitest.
Pealegi osaleb iga osake teatud tüüpi interaktsioonis, mida, nagu mäletame, on ainult neli: elektromagnetiline, nõrk (osakeste vastastikmõju aatomituuma β-lagunemise ajal), tugev (näib, et see kehtib aatomituum koos) ja gravitatsiooniline. Viimast, mille tulemuseks on näiteks gravitatsioon, standardmudel ei arvesta, kuna gravitoni (seda andvat osakest) pole veel leitud.
Teiste tüüpidega on kõik lihtsam – neis osalevad osakesed teavad füüsikud "pilgu järgi". Nii osalevad näiteks kvargid tugevas, nõrgas ja elektromagnetilises vastasmõjus; laetud leptonid (elektron, müüon, tau-lepton) - nõrkades ja elektromagnetilistes; neutriinod – ainult nõrga interaktsiooni korral.
Kuid lisaks nendele "massi" osakestele on olemas ka nn virtuaalsed osakesed, millest mõnel (näiteks footonil) pole massi üldse. Kui aus olla, siis virtuaalsed osakesed on pigem matemaatiline nähtus kui füüsiline reaalsus, kuna keegi pole neid siiani kunagi "näinud". Kuid erinevates katsetes võivad füüsikud märgata jälgi nende olemasolust, kuna paraku on see väga lühiajaline.
Mis need huvitavad tükid on? Need sünnivad alles mingi interaktsiooni hetkel (ülalkirjeldatutest), misjärel nad kas lagunevad või neelduvad mõne põhiosakese poolt. Arvatakse, et nad "kandvad üle" interaktsiooni, st põhiosakestega kokku puutudes muudavad nad oma omadusi, mille tõttu interaktsioon tegelikult toimub.
Nii näiteks elektromagnetilistes interaktsioonides, mida on kõige paremini uuritud, neelavad ja kiirgavad elektronid pidevalt footoneid, virtuaalseid massita osakesi, mille tulemusena muutuvad elektronide endi omadused mõnevõrra ja muutuvad võimeliseks sellisteks saavutusteks nagu näiteks suunatud liikumine (st elektrivool) või "hüppamine" teisele energiatasemele (nagu toimub taimede fotosünteesis). Virtuaalsed osakesed töötavad samamoodi ka teist tüüpi interaktsioonide puhul.
Lisaks footonile tunneb kaasaegne füüsika veel kahte tüüpi virtuaalosakesi, mida nimetatakse bosoniteks ja gluoonideks. Bosonid pakuvad meile praegu erilist huvi – arvatakse, et kõigis interaktsioonides vahetavad põhiosakesed neid pidevalt ja mõjutavad seega üksteist. Bosoneid endid peetakse massituteks osakesteks, kuigi mõned katsed näitavad, et see pole päris tõsi – W- ja Z-bosonid võivad massi juurde saada lühikese aja jooksul.
Üks müstilisemaid bosoneid on seesama Higgsi boson, mille jälgede tuvastamiseks ehitatigi suur hadronite põrgataja. Arvatakse, et see salapärane osake on üks levinumaid ja tähtsamaid bosoneid universumis.
Veel 1960. aastatel pakkus inglise professor Peter Higgs välja hüpoteesi, mille kohaselt tekkis kogu universumi mateeria erinevate osakeste koosmõjul mingi algse (Suurest Paugust tuleneva) alusprintsiibiga, mis sai hiljem tema järgi nime. Ta väitis, et universum on läbi imbunud nähtamatu väljaga, mida läbides mõned elementaarosakesed "kasvatavad" üles mõned bosonid, omandades seeläbi massi, samas kui teised, näiteks footonid, jäävad kaaluga koormamata.
Teadlased kaaluvad praegu kahte võimalust – "kerge" ja "raske" võimaluste olemasolu. "Kerge" Higgs massiga 135–200 gigaelektronvolti peaks lagunema W-bosonite paarideks ja kui bosoni mass on 200 gigaelektronvolti või rohkem, siis Z-bosonite paarideks, mis omakorda tekitavad. elektronide või müüonide paaridele.
Selgub, et salapärane Higgsi boson on justkui kõige "looja" universumis. Võib-olla sellepärast nimetas Nobeli preemia laureaat Leon Lederman teda kunagi "osakeste jumalaks". Kuid meedias oli see väide mõnevõrra moonutatud ja see hakkas kõlama kui "osake jumalast" või "jumalik osake".
Kuidas saada jälgi "osakeste jumala" olemasolust? Arvatakse, et Higgsi boson võib tekkida prootonite kokkupõrgete käigus põrkuri kiirendusrõngas olevate neutriinodega. Sel juhul, nagu me mäletame, peaks see kohe lagunema paljudeks muudeks osakesteks (eriti Z-bosoniteks), mida saab registreerida.
Tõsi, detektorid ise ei suuda tuvastada Z-bosoneid nende elementaarosakeste ülilühikese eluea tõttu (umbes 3 × 10-25 sekundit), kuid nad suudavad "kinni püüda" müüone, milleks Z-bosonid muutuvad.
Tuletan meelde, et müüon on ebastabiilne elementaarosake, millel on negatiivne elektrilaeng ja spinn ½. Tavalistes aatomites seda ei esine, enne seda leiti seda vaid valguskiirusele lähedase kiirusega kosmilistes kiirtes. Muuoni eluiga on väga lühike – see eksisteerib vaid 2,2 mikrosekundit ja laguneb seejärel elektroniks, elektroni antineutriinoks ja müüonneutriinoks.
Muoneid saab kunstlikult prootoni ja neutriino suurel kiirusel kokkupõrkel. Pikka aega polnud aga võimalik selliseid kiirusi saavutada. Seda tehti alles suure hadronite põrkeseadme ehitamise ajal.
Ja lõpuks saadi esimesed tulemused. Tänavu 10. oktoobril toimunud katse käigus fikseeriti prootoni kokkupõrke tagajärjel neutriinoga nelja müüoni sünd. See tõestab, et toimus kahe neutraalse gabariidiga Z-bosoni ilmumine (need esinevad sellistel sündmustel alati). Niisiis, Higgsi bosoni olemasolu pole müüt, vaid reaalsus.
Tõsi, teadlased märgivad, et see sündmus iseenesest ei tähenda tingimata Higgsi bosoni sündi, kuna muud sündmused võivad viia nelja müüoni ilmumiseni. See on aga esimene seda tüüpi sündmus, mis võib lõpuks tekitada Higgsi osakese. Higgsi bosoni olemasolust kindlas massivahemikus enesekindlaks rääkimiseks on vaja koguda märkimisväärne arv selliseid sündmusi ja analüüsida, kuidas toodetud osakeste massid jagunevad.
Kuid mida iganes sa ütled, esimene samm "osakeste jumala" olemasolu tõestamise suunas on juba astutud. Võib-olla suudavad edasised katsed anda veelgi rohkem teavet salapärase Higgsi bosoni kohta. Kui teadlased suudavad selle lõpuks "püüda", siis suudavad nad taasluua tingimused, mis eksisteerisid 13 miljardit aastat tagasi pärast Suurt Pauku, ehk need, milles meie universum sündis.
