põhiosake. Fundamentaalsed (struktuurita) osakesed. Elementaarosakeste klassifikatsioon

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.

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.

AINETE LIIKUMISE MÕISTMISEST, SELLE ENESEARENGUVÕIMEst, KUI KA MATERIAALSETE OBJEKTIDE SUHTLEMISEST JA VASTASTIKUST KAASAEGSES LOODUSTEADUSES

Tsyupka V.P.

Föderaalne osariigi autonoomne kõrgharidusasutus kutseharidus Belgorodi osariigi kodanik teadusülikool"(NRU "BelSU")

1. Aine liikumine

„Mateeria lahutamatu omadus on liikumine” 1 , mis on mateeria eksisteerimise vorm ja avaldub selle mis tahes muutumises. Aine ja selle atribuutide, sealhulgas liikumise hävimatusest ja hävimatusest järeldub, et mateeria liikumine eksisteerib igavesti ja on oma ilmingute kujul lõpmatult mitmekesine.

Iga materiaalse objekti olemasolu avaldub selle liikumises, s.o igas sellega toimuvas muutuses. Muutuste käigus muutuvad alati mingid materiaalse objekti omadused. Kuna materiaalse objekti kõigi omaduste kogum, mis iseloomustab selle kindlust, individuaalsust, omadust konkreetsel ajahetkel, vastab selle olekule, siis selgub, et materiaalse objekti liikumisega kaasneb selle olekute muutumine. . Omaduste muutumine võib minna nii kaugele, et ühest materiaalsest objektist võib saada teine ​​materiaalne objekt. "Kuid materiaalne objekt ei saa kunagi muutuda omaduseks" (näiteks mass, energia) ja "omadus - materiaalseks objektiks" 2, sest muutuv aine saab olla ainult liikuv aine. Loodusteaduses nimetatakse aine liikumist ka loodusnähtuseks (loodusnähtus).

On teada, et "ilma liikumiseta pole mateeriat" 3 nagu ka ilma aineta ei saa olla liikumist.

Aine liikumist saab väljendada kvantitatiivselt. Aine ja ka iga materiaalse objekti liikumise universaalne kvantitatiivne mõõt on energia, mis väljendab aine ja mis tahes materiaalse objekti enda aktiivsust. Seega on energia üks liikuva aine omadusi ja energia ei saa olla väljaspool mateeriat, sellest eraldi. Energia on massiga võrdväärses seoses. Seetõttu saab mass iseloomustada mitte ainult aine kogust, vaid ka selle aktiivsuse astet. Sellest, et mateeria liikumine eksisteerib igavesti ja on oma avaldumisvormide poolest lõpmatult mitmekesine, järeldub vääramatult, et aine liikumist kvantitatiivselt iseloomustav energia eksisteerib ka igavesti (loomata ja hävimatu) ning oma ilmingute näol lõpmatult mitmekesine. . “Seega energia ei kao kunagi ega ilmu uuesti, vaid muutub ühest vormist teise” 1 vastavalt liikumisviiside muutumisele.

Täheldatud erinevat tüüpi aine liikumise (vormid). Neid saab klassifitseerida, võttes arvesse materiaalsete objektide omaduste muutusi ja nende üksteisele avaldatava mõju tunnuseid.

Füüsikalise vaakumi (normaalseisundis vabad põhiväljad) liikumine taandub sellele, et see kaldub kogu aeg oma tasakaalust erinevatesse suundadesse veidi kõrvale, justkui “värisedes”. Selliste spontaansete madala energiaga ergastuste (hälbed, häired, fluktuatsioonid) tulemusena tekivad virtuaalsed osakesed, mis lahustuvad koheselt füüsikalises vaakumis. See on liikuva füüsilise vaakumi madalaim (põhi)energia olek, selle energia on nullilähedane. Kuid füüsiline vaakum võib mõnes kohas mõneks ajaks ergastatud olekusse minna, mida iseloomustab teatud üleliigne energia. Füüsikalise vaakumi selliste oluliste, suure energiaga ergastuste (hälbed, häired, kõikumised) korral saavad virtuaalsed osakesed oma välimust lõpule viia ja seejärel murduvad füüsilisest vaakumist välja erinevat tüüpi tõelised põhiosakesed ja reeglina paarikaupa ( millel on elektrilaeng osakese kujul ja antiosake vastupidise märgiga elektrilaengutega, näiteks elektron-positroni paari kujul).

Erinevate vabade põhiväljade üksikud kvantergastused on põhiosakesed.

Fermioonilistest (spinor) fundamentaalsetest väljadest võib tekkida 24 fermioni (6 kvarki ja 6 antikvarki, samuti 6 leptonit ja 6 antileptonit), mis jagunevad kolme põlvkonda (perekonda). Esimeses põlvkonnas moodustavad tavaaine (ja harva tuvastatava antiaine) üles- ja allapoole kvargid (ja antikvargid), aga ka leptonid, elektron ja elektronneutriino (ning elektroni antineutriinoga positroon). Teises põlvkonnas, millel on suurem mass (suurem gravitatsioonilaeng), olid võlutud ja kummalised kvargid (ja antikvargid), aga ka leptonid, muuon ja muuonneutriino (ja antimuon koos muuoni antineutriinoga). Kolmandas põlvkonnas tõelised ja armsad kvargid (ja antikvargid), samuti leptonid taon ja taon neutriino (ja antitaon koos taon antineutriinoga). Teise ja kolmanda põlvkonna fermioonid ei osale tavaaine moodustumisel, on ebastabiilsed ja lagunevad koos esimese põlvkonna fermionide tekkega.

Bosonilised (gabariidilised) põhiväljad võivad tekitada 18 tüüpi bosoneid: gravitatsiooniväli - gravitonid, elektromagnetväli - footonid, nõrk interaktsiooniväli - 3 tüüpi "vioonid" 1 , gluooniväli - 8 tüüpi gluoonid, Higgsi väli - 5 tüüpi Higgsi bosonid.

Füüsiline vaakum piisavalt suure energiaga (ergastatud) olekus on võimeline tekitama miniuniversumi kujul palju olulise energiaga põhiosakesi.

Mikrokosmose aine puhul väheneb liikumine:

levida, põrkuda ja üksteiseks muutuda elementaarosakesed;

aatomituumade teke prootonitest ja neutronitest, nende liikumine, kokkupõrge ja muutumine;

aatomite tekkimine aatomituumadest ja elektronidest, nende liikumine, põrkumine ja muutumine, sh elektronide hüppamine ühelt aatomiorbitaalilt teisele ja eraldumine aatomitest, üleliigsete elektronide lisandumine;

molekulide moodustumine aatomitest, nende liikumine, kokkupõrge ja muutumine, sh uute aatomite lisandumine, aatomite vabanemine, osade aatomite asendamine teistega, aatomite paigutuse muutumine üksteise suhtes molekulis.

Makrokosmose ja megamaailma aine jaoks taandub liikumine erinevate kehade nihkeks, kokkupõrkeks, deformatsiooniks, hävinguks, ühendamiseks, aga ka nende kõige erinevamateks muutusteks.

Kui materiaalse objekti (kvantiseeritud välja või materiaalse objekti) liikumisega kaasneb ainult selle füüsikaliste omaduste muutumine, näiteks kvantiseeritud välja puhul sagedus või lainepikkus, materiaalse objekti puhul hetkekiirus, temperatuur, elektrilaeng, siis nimetatakse sellist liikumist füüsiliseks vormiks. Kui materiaalse objekti liikumisega kaasneb selle keemiliste omaduste muutumine, näiteks lahustuvus, põlevus, happesus, siis sellist liikumist nimetatakse keemiliseks vormiks. Kui liikumine puudutab megamaailma objektide muutumist ( kosmoseobjektid), siis nimetatakse sellist liikumist astronoomiliseks vormiks. Kui liikumine puudutab sügavate maakoorikute objektide (maa sisemuse) muutumist, siis sellist liikumist nimetatakse geoloogiliseks vormiks. Kui liikumine puudutab kõiki maapealseid maiseid kestasid ühendava geograafilise kesta objektide muutumist, siis sellist liikumist nimetatakse geograafiliseks vormiks. Eluskehade ja nende süsteemide liikumist nende erinevate eluliste ilmingute näol nimetatakse bioloogiliseks vormiks. Materiaalsete objektide liikumine, millega kaasneb sotsiaalselt oluliste omaduste muutumine inimese kohustuslikul osalusel, näiteks rauamaagi kaevandamine ning raua ja terase tootmine, suhkrupeedi kasvatamine ja suhkru tootmine, on nimetatakse sotsiaalselt määratud liikumisvormiks.

Ühegi materiaalse objekti liikumist ei saa alati seostada ühegi vormiga. See on keeruline ja mitmekesine. Isegi materiaalsetele objektidele omane füüsiline liikumine kvantiseeritud väljast kehadesse võib hõlmata mitut vormi. Näiteks kahe piljardipalli kujul oleva tahke keha elastne kokkupõrge (kokkupõrge) hõlmab nii pallide asendi muutumist üksteise ja laua suhtes aja jooksul kui ka kuulide pöörlemist ja hõõrdumist. pallid laua ja õhu pinnal ning iga palli osakeste liikumine ning pallide kuju praktiliselt pöörduv muutumine elastse kokkupõrke ajal ning kineetilise energia vahetus koos selle osalise muundamisega palli siseenergiaks. kuulid elastse kokkupõrke ajal ning soojuse ülekandumist kuulide, õhu ja laua pinna vahel ning kuulides sisalduvate ebastabiilsete isotoopide tuumade võimalikku radioaktiivset lagunemist ning neutriinode kosmiliste kiirte tungimist läbi kuulide jne. Aine arenedes ja keemiliste, astronoomiliste, geoloogiliste, geograafiliste, bioloogiliste ja sotsiaalselt tingitud materiaalsete objektide tekkimisega muutuvad liikumisvormid keerukamaks ja mitmekesisemaks. Seega võib keemilises liikumises näha nii füüsikalisi liikumisvorme kui ka kvalitatiivselt uusi, füüsikalistele keemilistele vormidele taandamatuid. Astronoomiliste, geoloogiliste, geograafiliste, bioloogiliste ja sotsiaalselt konditsioneeritud objektide liikumisel võib näha nii füüsikalisi kui ka keemilisi liikumisvorme, aga ka kvalitatiivselt uusi, füüsikalisteks ja keemilisteks taandamatuid, vastavalt astronoomilisi, geoloogilisi, geograafilisi, bioloogilisi või sotsiaalseid. konditsioneeritud liikumisvormid. Kus madalamad vormid mateeria liikumised ei erine erineva keerukusastmega materiaalsetes objektides. Näiteks elementaarosakeste, aatomituumade ja aatomite füüsiline liikumine ei erine astronoomilistes, geoloogilistes, geograafilistes, bioloogilistes ega sotsiaalselt tingitud materiaalsetes objektides.

Keeruliste liikumisvormide uurimisel tuleb vältida kahte äärmust. Esiteks ei saa keerulise liikumisvormi uurimist taandada lihtsatele liikumisvormidele, lihtsatest liikumisvormidest ei saa tuletada keerulist liikumisvormi. Näiteks ei saa bioloogilist liikumist tuletada ainult liikumise füüsikalistest ja keemilistest vormidest, jättes samas tähelepanuta liikumise bioloogilised vormid ise. Ja teiseks ei saa piirduda vaid keeruliste liikumisvormide uurimisega, jättes tähelepanuta lihtsad. Näiteks bioloogilise liikumise uurimine on hea täiendus sel juhul avalduvate liikumiste füüsikaliste ja keemiliste vormide uurimisele.

2. Aine enesearengu võime

Teadaolevalt iseloomustab mateeria isearengut ja aine isearenguvõimet liikuva aine vormide spontaanne, suunatud ja pöördumatu järkjärguline komplitseerimine.

Mateeria spontaanne eneseareng tähendab, et liikuva aine vormide järkjärgulise komplitseerimise protsess toimub iseenesest, loomulikult, ilma igasuguste ebaloomulike või üleloomulike jõudude, Looja osaluseta, sisemiste, loomulike põhjuste tõttu.

Mateeria enesearengu suund tähendab liikuva aine vormide järkjärgulise komplitseerimise protsessi omamoodi kanaliseerumist ühelt selle varem eksisteerinud vormilt teisele, mis tekkis hiljem: liikuva aine mis tahes uue vormi korral saab leida liikuva aine eelmise vormi, mis andis sellele alguse, ja vastupidi, mis tahes varasema liikuva aine vormi jaoks võite leida uue liikuva aine vormi, mis on sellest tekkinud. Samas oli liikuva aine eelmine vorm alati olemas enne sellest tekkinud liikuva aine uut vormi, eelmine vorm on alati vanem kui sellest tekkinud uus vorm. Liikuva aine enesearengu kanaliseerumise tõttu tekib selle vormide järkjärguline komplitseerumise jada, mis näitab, millises suunas, samuti milliste vahe- (ülemineku)vormide kaudu toimub ühe või teise vormi ajalooline areng. liikuv asi läks edasi.

Aine isearengu pöördumatus tähendab, et liikuva aine vormide järkjärgulise komplitseerumise protsess ei saa kulgeda vastupidises suunas, tagurpidi: liikuva aine uus vorm ei saa tekitada sellele eelnenud liikuva aine vormi, millest see tekkis, kuid sellest võib saada uute vormide eelmine vorm. Ja kui äkki mõni liikuva aine uus vorm osutub väga sarnaseks mõne sellele eelnenud vormiga, siis see ei tähenda, et liikuv aine hakkas ise arenema vastupidises suunas: tekkis liikuva aine eelmine vorm. palju varem ja liikuva aine uus vorm, ühtlane ja sellega väga sarnane, ilmus palju hiljem ja on küll sarnane, kuid põhimõtteliselt erinev liikuva aine vorm.

3. Materiaalsete objektide suhtlemine ja interaktsioon

Aine lahutamatud omadused on suhtlemine ja interaktsioon, mis on selle liikumise põhjuseks. Kuna seos ja interaktsioon on aine liikumise põhjuseks, siis on seos ja interaktsioon, nagu ka liikumine, universaalsed, s.t omased kõikidele materiaalsetele objektidele, sõltumata nende olemusest, päritolust ja keerukusest. Kõik nähtused materiaalses maailmas on määratud (tingimuse mõttes) loomulike materiaalsete seoste ja vastastikmõjude poolt, samuti objektiivsete loodusseaduste poolt, mis peegeldavad seose ja vastasmõju seadusi. "Selles mõttes pole maailmas midagi üleloomulikku ja absoluutselt mateeria vastandlikku." 1 Interaktsioon, nagu ka liikumine, on mateeria olemise (eksistentsi) vorm.

Kõigi materiaalsete objektide olemasolu avaldub vastastikmõjus. Iga materiaalse "objekti jaoks tähendab eksisteerimine mingil moel avaldumist teiste materiaalsete objektide suhtes, nendega suhtlemist, nendega objektiivsetes sidemetes ja suhetes olemist. Kui hüpoteetiline materiaalne objekt, mis ei avalduks mingil viisil seoses mõne teise materiaalse objektiga, ei oleks nendega kuidagi seotud, ei suhtleks nendega, siis poleks seda nende teiste materiaalsete objektide jaoks olemas. "Kuid ka meie oletus tema kohta ei saanud millelegi tugineda, kuna suhtlemise puudumise tõttu oleks meil tema kohta null teavet." 2

Interaktsioon on protsess, mille käigus mõned materiaalsed objektid mõjutavad energiavahetusega teisi. Reaalsete objektide vastastikmõju võib olla otsene, näiteks kahe tahke keha kokkupõrke (kokkupõrke) näol. Ja see võib juhtuda eemalt. Sel juhul tagavad reaalsete objektide interaktsiooni nendega seotud bosonilised (gabariidi) põhiväljad. Ühe materiaalse objekti muutumine põhjustab sellega seotud vastava bosonilise (gabariidi) põhivälja ergastuse (hälbe, häire, fluktuatsiooni) ja see ergastus levib laine kujul, mille lõplik kiirus ei ületa valguse kiirust vaakumis. (peaaegu 300 tuhat km / koos). Reaalsete objektide vastastikmõju distantsil on interaktsiooni ülekande kvantvälja mehhanismi kohaselt vahetusloomuline, kuna vastastikmõju edastavad kandeosakesed vastava bosoonilise (gabariidi) põhivälja kvantide kujul. Erinevad bosonid kui interaktsiooni kandjaosakesed on vastavate bosoniliste (gabariidi) põhiväljade ergastused (hälbed, häired, fluktuatsioonid): materiaalse objekti emissiooni ja neeldumise ajal on nad reaalsed, levimisel aga virtuaalsed.

Selgub, et igal juhul on materiaalsete objektide interaktsioon isegi vahemaa tagant lühiajaline tegevus, kuna see toimub ilma tühikuteta.

Osakese interaktsiooni aine antiosakesega kaasneb nende annihilatsioon, s.o nende muundumine vastavaks fermiooniliseks (spinori) põhiväljaks. Sel juhul muundatakse nende mass (gravitatsioonienergia) vastava fermioonse (spinori) põhivälja energiaks.

Ergastatud (painduva, häiriva, "väriseva") füüsilise vaakumi virtuaalsed osakesed võivad interakteeruda reaalsete osakestega, justkui ümbritsedes neid, saates neid nn kvantvahu kujul. Näiteks aatomi elektronide interaktsiooni tulemusena füüsilise vaakumi virtuaalsete osakestega toimub nende energiatasemete teatud nihe aatomites, samal ajal kui elektronid ise sooritavad väikese amplituudiga võnkuvaid liikumisi.

Põhilisi vastastikmõjusid on nelja tüüpi: gravitatsiooniline, elektromagnetiline, nõrk ja tugev.

"Gravitatsiooniline vastastikmõju avaldub massiga materiaalsete objektide vastastikuses tõmbumises" 1 puhkeolekus, st materiaalsete objektide, mis tahes suurtel vahemaadel. Eeldatakse, et ergastatud füüsiline vaakum, mis tekitab palju põhiosakesi, on võimeline avaldama gravitatsioonilist tõrjumist. Gravitatsioonilist vastasmõju kannavad edasi gravitatsioonivälja gravitonid. Gravitatsiooniväli ühendab kehad ja osakesed puhkemassiga. Gravitatsioonilainete (virtuaalsete gravitonide) kujul oleva gravitatsioonivälja levimiseks keskkonda pole vaja. Gravitatsiooniline vastastikmõju on oma tugevuselt kõige nõrgem, seetõttu on see osakeste masside ebaolulisuse tõttu mikromaailmas tähtsusetu, makrokosmoses on selle avaldumine märgatav ja see põhjustab näiteks kehade langemist Maale ning megamaailmas mängib see juhtivat rolli megamaailma kehade tohutute masside tõttu ning see tagab näiteks Kuu ja tehissatelliitide pöörlemise ümber Maa; planeetide, planetoidide, komeetide ja muude kehade teke ja liikumine päikesesüsteemis ning selle terviklikkus; tähtede tekkimine ja liikumine galaktikates - hiiglaslikud tähesüsteemid, sealhulgas kuni sadu miljardeid tähti, mida ühendab vastastikune gravitatsioon ja ühine päritolu, samuti nende terviklikkus; galaktikaparvede terviklikkus - gravitatsioonijõududega ühendatud suhteliselt tihedalt paiknevate galaktikate süsteemid; Metagalaktika terviklikkus - kõigi teadaolevate gravitatsioonijõududega ühendatud galaktikaparvede süsteem kui Universumi uuritud osa, kogu Universumi terviklikkus. Gravitatsiooniline vastastikmõju määrab Universumis hajutatud aine kontsentratsiooni ja selle kaasamise uutesse arengutsüklitesse.

"Elektromagnetiline interaktsioon tuleneb elektrilaengutest ja seda edastavad" 1 elektromagnetvälja footonid mis tahes suurte vahemaade tagant. Elektromagnetväli ühendab kehasid ja osakesi, millel on elektrilaeng. Veelgi enam, statsionaarseid elektrilaenguid ühendab ainult elektromagnetvälja elektriline komponent elektrivälja kujul ja liikuvaid elektrilaenguid ühendavad nii elektromagnetvälja elektrilised kui ka magnetilised komponendid. Elektromagnetvälja levimiseks elektromagnetlainete kujul ei ole vaja lisakeskkonda, kuna "muutuv magnetväli tekitab vahelduva elektrivälja, mis omakorda on vahelduva magnetvälja allikas" 2 . "Elektromagnetiline interaktsioon võib avalduda nii külgetõmbe (vastandlaengute vahel) kui ka tõrjumisena (3 sarnase laengu vahel). Elektromagnetiline vastastikmõju on palju tugevam kui gravitatsiooniline. See avaldub nii mikrokosmoses kui ka makrokosmoses ja megamaailmas, kuid makrokosmoses kuulub talle juhtiv roll. Elektromagnetiline vastastikmõju tagab elektronide vastasmõju tuumadega. Aatomitevaheline ja molekulidevaheline interaktsioon on elektromagnetiline, tänu sellele eksisteerivad näiteks molekulid ja toimub aine liikumise keemiline vorm, eksisteerivad kehad ja määratakse nende agregatsiooniseisundid, elastsus, hõõrdumine, vedeliku pindpinevus, nägemine. funktsioonid. Seega tagab elektromagnetiline vastastikmõju aatomite, molekulide ja makroskoopiliste kehade stabiilsuse.

Nõrk interaktsioon hõlmab puhkemassiga elementaarosakesi, mida kannavad 4-mõõtmeliste väljade "vionid". Nõrga vastasmõju väljad seovad erinevaid elementaarosakesi puhkemassiga. Nõrk vastastikmõju on palju nõrgem kui elektromagnetiline, kuid tugevam kui gravitatsiooniline. Lühikese toime tõttu avaldub see ainult mikrokosmoses, põhjustades näiteks suurema osa elementaarosakeste iselagunemisest (näiteks vaba neutron ise laguneb negatiivse laenguga bosoni osalusel prootoniks , elektron ja elektron antineutriino, mõnikord tekib teine ​​footon), neutriino vastastikmõju ülejäänud ainega.

Tugev interaktsioon väljendub hadronite vastastikuses tõmbumises, kuhu kuuluvad kvarkstruktuurid, näiteks kahekvargi mesonid ja kolmekvargi nukleonid. Seda edastavad gluooniväljade gluoonid. Gluooniväljad seovad hadroneid. See on tugevaim interaktsioon, kuid oma lühikese toime tõttu avaldub see ainult mikrokosmoses, pakkudes näiteks kvarkide sidumist nukleonides, nukleonide sidumist aatomituumades, tagades nende stabiilsuse. Tugev interaktsioon on 1000 korda tugevam kui elektromagnetiline ega lase tuumas ühinenud sarnase laenguga prootonitel hajuda. Tugeva vastasmõju tõttu on võimalikud ka termotuumareaktsioonid, kus mitu tuuma ühinevad üheks. Looduslikud termotuumareaktorid on tähed, mis loovad kõik vesinikust raskemad keemilised elemendid. Rasked mitmetuumalised tuumad muutuvad ebastabiilseks ja lõhustuvad, sest nende mõõtmed ületavad juba kaugust, millel tugev vastastikmõju avaldub.

"Elementaarosakeste interaktsioonide eksperimentaalsete uuringute tulemusena... leiti, et prootonite kõrgete põrkeenergiate - umbes 100 GeV - juures ... nõrk ja elektromagnetiline vastastikmõju ei erine - neid võib käsitleda kui ühtset elektronõrkust. suhtlemine." 1 Eeldatakse, et "energia 10 15 GeV juures liitub nendega tugev interaktsioon ja" 2 isegi "osakeste suurema interaktsioonienergia juures (kuni 10 19 GeV) või aine ülikõrgel temperatuuril on kõik neli põhilist interaktsioone iseloomustab sama tugevus, st esindavad ühte interaktsiooni" 3 "ülijõu" kujul. Võib-olla eksisteerisid sellised kõrge energiaga tingimused Universumi arengu alguses, mis tekkis füüsilisest vaakumist. Universumi edasise paisumise käigus, millega kaasnes moodustunud aine kiire jahtumine, jagati integraalne interaktsioon esmalt elektronõrgaks, gravitatsiooniliseks ja tugevaks ning seejärel jagati elektronõrk interaktsioon elektromagnetiliseks ja nõrgaks, s.t neljaks. üksteisest põhimõtteliselt erinevad interaktsioonid.

BIBLIOGRAAFIA:

Karpenkov, S.Kh Loodusteaduse põhimõisted [Tekst]: õpik. toetus ülikoolidele / S. Kh. Karpenkov. - 2. väljaanne, muudetud. ja täiendavad - M. : Akadeemiline projekt, 2002. - 368 lk.

Kaasaegse loodusteaduse mõisted [Tekst]: õpik. ülikoolidele / Toim. V. N. Lavrinenko, V. P. Ratnikova. - 3. väljaanne, muudetud. ja täiendavad - M. : UNITI-DANA, 2005. - 317 lk.

Loodusteaduse filosoofilised probleemid [Tekst]: õpik. toetus magistrantidele ja filosoofia üliõpilastele. ja olemused. fak. un-tov / Toim. S. T. Meljuhhina. - M. : Kõrgkool, 1985. - 400 lk.

Tsyupka, V.P. Loodusteaduslik maailmapilt: kaasaegse loodusteaduse kontseptsioonid [Tekst]: õpik. toetus / V. P. Tsyupka. - Belgorod: IPK NRU "BelGU", 2012. - 144 lk.

Tsyupka, V.P. Kaasaegse füüsika kontseptsioonid, mis moodustavad tänapäevase füüsilise maailmapildi [Elektrooniline ressurss] // Teaduslik elektrooniline arhiiv Vene akadeemia Loodusteadused: osakoormusega. elektron. teaduslik konf. "Kaasaegse loodusteaduse kontseptsioonid või loodusteaduslik maailmapilt" URL: http://site/article/6315(postitatud: 31.10.2011)

Yandex. Sõnaraamatud. [Elektrooniline ressurss] URL: http://slovari.yandex.ru/

1Karpenkov S. Kh. Loodusteaduse põhimõisted. M. Akadeemiline projekt. 2002, lk 60.

2 Loodusteaduse filosoofilised probleemid. M. Kõrgem kool. 1985. S. 181.

3Karpenkov S. Kh. Loodusteaduse põhimõisted ... S. 60.

1Karpenkov S. Kh. Loodusteaduse põhimõisted ... S. 79.

1Karpenkov S. Kh.

1Loodusteaduse filosoofilised probleemid ... S. 178.

2Samas. S. 191.

1Karpenkov S. Kh. Loodusteaduse põhimõisted ... S. 67.

1Karpenkov S. Kh. Loodusteaduse põhimõisted ... S. 68.

3Loodusteaduse filosoofilised probleemid ... S. 195.

4Karpenkov S. Kh. Loodusteaduse põhimõisted ... S. 69.

1Karpenkov S. Kh. Loodusteaduse põhimõisted ... S. 70.

2 Kaasaegse loodusteaduse mõisted. M. UNITY-DANA. 2005. S. 119.

3Karpenkov S. Kh. Loodusteaduse põhimõisted ... S. 71.

Tsyupka V.P. AINETE LIIKKUMISE MÕISTMISEST, SELLE ENESEARENGUVÕIMEst, KUI KA MATERIAALSETE OBJEKTIDE SIDENDAMIST JA VASTAVASTUSEST KAASAEGSES LOODUSTEADUSES // Teaduslik elektrooniline arhiiv.
URL: (juurdepääsu kuupäev: 17.03.2020).

Need kolm osakest (nagu ka teised allpool kirjeldatud osakesed) tõmbavad üksteist vastastikku ligi ja tõrjuvad 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 laengut kompenseerib teise märgi osakeste kogulaeng. 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 orbiitidel olevad elektronid eemaldatakse tuumast kümneid tuhandeid kordi suuremate kauguste kaugusel kui tuuma raadius – see näitab, et neid hoidvad elektrijõud on palju nõrgemad kui tuuma omad. 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 Universumi 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 mateeria (vaid ka mustad augud ja "tumeaine", näiteks 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 komponentidest, vastupidised märgid süüdistused. 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.

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 põhiosakestel on oma nurkimment või lihtsamalt öeldes 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 katseliselt 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 tõmbejõude, mis hoiavad elektrone aatomis, ning leptonite ja kvarkide vahel vahetatavad vektorbosonid loovad nõrgad vastasmõjujõud, mis vastutavad tähtedes toimuvate termotuumasünteesi reaktsioonide käigus prootonite neutroniteks muutumise 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 nendega 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.

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 mõõtmise teooriad erinevad elektromagnetilistest mõõteriistade teooriast ainult vastava laengu sisemise geomeetrilise "struktuuri" poolest. Küsimusele, kus see siseruum täpselt asub, leiavad vastuse mitmemõõtmelised ühtse välja teooriad, mida siinkohal ei käsitleta.

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.

Kuni suhteliselt hiljuti peeti elementaarseks mitusada osakest ja antiosakest. Nende omaduste ja vastastikmõjude üksikasjalik uurimine teiste osakestega ning teooria areng näitas, et enamik neist pole tegelikult elementaarsed, kuna nad ise koosnevad kõige lihtsamatest või, nagu praegu öeldakse, fundamentaalsetest osakestest. Põhiosakesed ise ei koosne enam millestki. Arvukad katsed on näidanud, et kõik fundamentaalosakesed käituvad nagu mõõtmeteta punktobjektid, millel puudub sisemine struktuur, vähemalt kõige väiksemate praegu uuritud vahemaadeni ~10 -16 cm.

Sissejuhatus

Osakeste vastastikmõju lugematute ja mitmekesiste protsesside hulgas on neli põhilist või fundamentaalset vastastikmõju: tugev (tuuma), elektromagnetiline ja gravitatsiooniline vastastikmõju. Osakeste maailmas on gravitatsiooniline vastastikmõju väga nõrk, selle roll on veel ebaselge ja sellest me pikemalt ei räägi.

Looduses on kaks osakeste rühma: hadronid, mis osalevad kõigis fundamentaalsetes vastasmõjudes, ja leptonid, mis ei osale ainult tugevas vastasmõjus.

Vastavalt kaasaegsed ideed, toimub osakeste vaheline interaktsioon osakest ümbritseva vastava välja (tugev, nõrk, elektromagnetiline) kvantide emissiooni ja sellele järgneva neeldumise kaudu. Sellised kvantid on mõõtbosonid, mis on samuti põhiosakesed. Bosonidel on oma nurkimpulss, mida nimetatakse spinniks ja mis võrdub Plancki konstandi $h = 1,05 \cdot 10^(-27) erg \cdot c$ täisarvuga. Välja kvantideks ja vastavalt ka tugeva interaktsiooni kandjateks on gluoonid, mida tähistatakse sümboliga g, elektromagnetvälja kvantideks on üldtuntud valguse kvantid - footonid, mida tähistatakse $\gamma $ ja nõrga välja kvantid ja vastavalt ka nõrkade vastasmõjude kandjad W± (kahekordne ve) - ja Z 0 (zet null)-bosonid.

Erinevalt bosonitest on kõik muud põhiosakesed fermioonid, st osakesed, mille pöörlemissagedus on pooltäisarvuline h/2.

Tabelis. 1 on kujutatud fundamentaalsete fermionide – leptonite ja kvarkide – sümboleid.

Iga tabelis toodud osake. 1 vastab antiosakesele, mis erineb osakesest ainult elektrilaengu märkide ja muude kvantarvude poolest (vt tabel 2) ning spinni suuna poolest osakese impulsi suuna suhtes. Antiosakesi tähistame samade sümbolitega kui osakesi, kuid sümboli kohal on laineline joon.

Osakesed tabelis. 1 on tähistatud kreeka ja ladina tähtedega, nimelt: täht $\nu$ - kolm erinevat neutriinot, tähed e - elektron, $\mu$ - muon, $\tau$ - taon, tähed u, c, t, d, s , b tähistab kvarke; nende nimed ja omadused on toodud tabelis. 2.

Osakesed tabelis. 1 on moodsa teooria struktuuri järgi rühmitatud kolme põlvkonda I, II ja III. Meie universum on ehitatud esimese põlvkonna osakestest – leptonitest ja kvarkidest ning bosonitest, kuid nagu kaasaegne teadus Universumi arengust, selle arengu algfaasis oluline roll mängisid kõigi kolme põlvkonna osakesed.

Leptonid

Vaatleme kõigepealt leptonite omadusi üksikasjalikumalt. Tabeli ülemisel real 1 sisaldab kolme erinevat neutriinot: elektron $\nu_e$, müon $\nu_m$ ja tau neutriin $\nu_t$. Nende massi pole veel täpselt mõõdetud, kuid selle ülempiir on määratud näiteks ne jaoks, mis võrdub 10 -5 elektroni massist (st $\leq 10^(-32)$ g).

Tabelit vaadates. 1 tõstatab tahes-tahtmata küsimuse, miks oli loodusel vaja kolme erineva neutriino loomist. Sellele küsimusele pole veel vastust, sest pole loodud nii terviklikku fundamentaalosakeste teooriat, mis näitaks kõigi selliste osakeste vajalikkust ja piisavust ning kirjeldaks nende põhiomadusi. Võib-olla lahendatakse see probleem 21. sajandil (või hiljem).

Tabeli alumine rida. 1 algab osakesega, mida oleme kõige rohkem uurinud – elektroniga. Elektroni avastas eelmise sajandi lõpus inglise füüsik J. Thomson. Elektronide roll meie maailmas on tohutu. Need on need negatiivselt laetud osakesed, mis koos aatomituumadega moodustavad kõik meile teadaolevad perioodilise tabeli elementide aatomid. Igas aatomis on elektronide arv täpselt võrdne prootonite arvuga aatomituumas, mis muudab aatomi elektriliselt neutraalseks.

Elektron on stabiilne, elektroni hävitamise peamine võimalus on tema surm kokkupõrkel antiosakesega - positroniga e + . Seda protsessi nimetatakse hävitamiseks:

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

Annihilatsiooni tulemusena tekib kaks gammakvanti (nn suure energiaga footonid), mis kannavad ära nii ülejäänud energiad e + ja e - kui ka nende kineetilised energiad. Kõrgete energiate korral tekivad e + ja e - hadronite ja kvarkide paarid (vt näiteks (5) ja joon. 4).

Reaktsioon (1) illustreerib selgelt A. Einsteini kuulsa massi ja energia samaväärsuse valemi paikapidavust: E = mc 2 .

Tõepoolest, aines peatunud positroni ja puhkeolekus elektroni hävitamise ajal läheb kogu nende puhkemass (võrdne 1,22 MeV) $\gamma$-kvantide energiaks, millel pole puhkemassi.

Tabeli alumise rea teises põlvkonnas. 1 asub > müoon - osake, mis kõigis oma omadustes on elektroni analoog, kuid anomaalselt suure massiga. Muuoni mass on 207 korda suurem elektroni massist. Erinevalt elektronist on müüon ebastabiilne. Tema eluaeg t= 2,2 10 -6 s. Põhiliselt laguneb müüon vastavalt skeemile elektroniks ja kaheks neutriinoks

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

Veelgi raskem elektroni analoog on $\tau$-lepton (taon). Selle mass on rohkem kui 3 tuhat korda suurem kui elektroni mass ($m_(\tau) = 1777$ MeV/c 2), see tähendab, et taon on raskem kui prooton ja neutron. Selle eluiga on 2,9 10 -13 s ja enam kui sajast erinevast lagunemisskeemist (kanalist) on võimalikud järgmised:

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

Leptonitest rääkides on huvitav võrrelda nõrku ja elektromagnetilisi jõude mõnel kindlal kaugusel, näiteks R\u003d 10–13 cm. Sellisel kaugusel on elektromagnetilised jõud peaaegu 10 miljardit korda suuremad kui nõrgad jõud. Kuid see ei tähenda sugugi, et nõrkade jõudude roll looduses oleks väike. Kaugel sellest.

Just nõrgad jõud on vastutavad paljude erinevate osakeste vastastikuste muundumiste eest teisteks osakesteks, nagu näiteks reaktsioonides (2), (3), ja sellised vastastikused muundumised on osakeste füüsika üks iseloomulikumaid tunnuseid. Erinevalt reaktsioonidest (2), (3) toimivad reaktsioonis (1) elektromagnetilised jõud.

Leptonitest rääkides peame selle lisama kaasaegne teooria kirjeldab elektromagnetilist ja nõrka vastastikmõju ühtse elektronõrga teooria abil. Selle töötasid välja S. Weinberg, A. Salam ja S. Glashow 1967. aastal.

Kvargid

Kvarkide idee tekkis hiilgava katse tulemusena klassifitseerida suur hulk osakesi, mis osalevad tugevas interaktsioonis ja mida nimetatakse hadroniteks. M. Gell-Man ja G. Zweig väitsid, et kõik hadronid koosnevad vastavast põhiosakeste komplektist – kvarkidest, nende antikvarkidest ja tugeva vastasmõju kandjatest – gluoonidest.

Praegu vaadeldavate hadronite koguarv on üle saja osakese (ja sama palju antiosakesi). Paljud kümned osakesed on veel registreerimata. Kõik hadronid on jagatud rasketeks osakesteks, mida nimetatakse barüonid ja keskmised nimed mesonid.

Barüone iseloomustab barüoniarv b= 1 osakeste ja b = -1 antibarüonide jaoks. Nende sünd ja hävimine toimuvad alati paarikaupa: barüon ja antibarüon. Mesonitel on barüonlaeng b = 0. Gell-Manni ja Zweigi idee kohaselt koosnevad kõik barüonid kolmest kvargist, antibarüonid - kolmest antikvargist. Seetõttu määrati igale kvargile barüoni number 1/3, nii et barüonil oleks kokku b= 1 (või -1 kolmest antikvargist koosneva antibarüoni puhul). Mesonitel on barüonarv b= 0, nii et need võivad koosneda mis tahes kvarkide ja antikvarkide paaridest. Lisaks kvantarvudele, mis on kõigi kvarkide jaoks ühesugused – spinn ja barüonarv, on neil ka teisi olulisi omadusi, näiteks nende puhkemassi suurus. m, elektrilaengu suurus K/e(elektronilaengu osades e\u003d 1,6 · 10 -19 kuloni) ja teatud kvantarvude komplekt, mis iseloomustab nn. kohupiima maitse. Need sisaldavad:

1) isotoop-spinni väärtus ma ja selle kolmanda projektsiooni suurusjärku, st ma 3 . Niisiis, u- kvark ja d-kvark moodustavad isotoopdubleti, neile omistatakse täisisotoopne spin ma= 1/2 projektsioonidega ma 3 = +1/2 vastab u- kvark ja ma 3 = -1/2 vastab d- kvark. Dubleti mõlemad komponendid on sarnase massiga ja kõigi muude omaduste poolest identsed, välja arvatud elektrilaeng;

2) kvantarv S- kummalisus iseloomustab mõne osakese kummalist käitumist, mille eluiga on anomaalselt pikk (~10 -8 - 10 -13 s) võrreldes iseloomuliku tuumaajaga (~10 -23 s). Osakesi endid on nimetatud kummalisteks, mis sisaldavad ühte või mitut kummalist kvarki ja kummalist antikvarki. Kummaliste osakeste tekkimine või kadumine tugeva interaktsiooni tõttu toimub paarikaupa, see tähendab, et igas tuumareaktsioonis peab $\Sigma$S summa enne reaktsiooni võrduma $\Sigma$S pärast reaktsiooni. Nõrga interaktsiooni korral aga kummalisuse jäävuse seadus ei kehti.

Kiirenditega tehtud katsetes täheldati osakesi, mida ei saanud kirjeldada kasutades u-, d- ja s-kvargid. Analoogiliselt kummalisusega oli vaja kasutusele võtta veel kolm uut kvarki uute kvantarvudega Koos = +1, AT= -1 ja T= +1. Nendest kvarkidest koosnevatel osakestel on palju suurem mass (> 2 GeV/c2). Neil on lai valik lagunemisskeeme, mille eluiga on ~10–13 s. Kõikide kvarkide omaduste kokkuvõte on toodud tabelis. 2.

Iga kvark tabelis. 2 vastab selle antikvarkile. Antikvarkide puhul on kõigil kvantarvudel kvargi märgiga vastupidine märk. Kvarkide massi suuruse kohta tuleb öelda järgmist. Tabelis antud. 2 väärtust vastavad paljaste kvarkide massidele, st kvarkidele endile, võtmata arvesse neid ümbritsevaid gluoone. Gluoonide poolt kantava energia tõttu on riietatud kvarkide mass suurem. See on eriti märgatav kõige kergemate puhul u- ja d-kvargid, mille gluoonkatte energia on umbes 300 MeV.

Kvargid, mis määratlevad põhilise füüsikalised omadused osakesi nimetatakse valentskvarkideks. Lisaks valentskvarkidele sisaldavad hadronid virtuaalseid osakeste paare – kvarke ja antikvarke, mida gluoonid kiirgavad ja neelavad väga pikka aega. lühikest aega

(kus E on virtuaalse paari energia), mis tekib energia jäävuse seaduse rikkumisega vastavalt Heisenbergi määramatuse suhtele. Nimetatakse virtuaalseid kvarkide paare merekvarkid või merekvarkid. Seega hõlmab hadronite struktuur valentsi ning merekvarke ja gluuone.

Kõigi kvarkide peamine omadus on see, et nad on vastavate tugevate laengute omanikud. Tugevatel väljalaengutel on kolm võrdset varianti (elektrijõudude teoorias ühe elektrilaengu asemel). Ajaloolises terminoloogias nimetatakse neid kolme tüüpi laenguid kvarkide värvideks, nimelt: tinglikult punane, roheline ja sinine. Seega iga kvark tabelis. 1 ja 2 võivad olla kolmel kujul ja on värvilised osakesed. Kõigi kolme värvi segamine, nii nagu see toimub optikas, annab valge värvi, see tähendab, et see pleegitab osakest. Kõik vaadeldud hadronid on värvitud.

Kvarkide interaktsiooni viivad läbi kaheksa erinevat gluooni. Mõiste "gluon" tähendab tõlgituna inglise keeles liim ehk need väljakvandid on osakesed, mis justkui liimivad kvarke kokku. Nagu kvargid, on ka gluoonid värvilised osakesed, kuid kuna iga gluoon muudab korraga kahe kvargi värve (kvark, mis kiirgab gluooni ja kvark, mis neelas gluooni), värvitakse gluoon kaks korda, kandes tavaliselt värvi ja antivärvi. värvist erinev.

Gluoonide ülejäänud mass, nagu footoni oma, on null. Lisaks on gluoonid elektriliselt neutraalsed ja neil puudub nõrk laeng.

Hadronid jagunevad tavaliselt ka stabiilseteks osakesteks ja resonantsideks: barüonideks ja mesonideks.
Resonantse iseloomustab äärmiselt lühike eluiga (~10 -20 -10 -24 s), kuna nende lagunemine on tingitud tugevast vastasmõjust.

Kümneid selliseid osakesi avastas Ameerika füüsik L.V. Alvarez. Kuna selliste osakeste tee lagunemiseni on nii lühike, et neid ei saa jälgida osakeste jälgi registreerivates detektorites (nagu mullikamber jne), tuvastati need kõik kaudselt, piikide olemasolust osakeste sõltuvuses. erinevate osakeste energia vastasmõju tõenäosus. Joonis 1 selgitab öeldut. Joonisel on näidatud positiivse pioni $\pi^+$ interaktsiooni ristlõike sõltuvus (proportsionaalse tõenäosuse väärtusega) prootoniga lk pioni kineetilisest energiast. Umbes 200 MeV energia juures on ristlõike käigus näha tippu. Selle laius on $\Gamma = 110 $ MeV ja osakeste kogumass $\Delta^(++)$ võrdub $T^(")_(max)+M_p c^2+M_\pi c^2 =1232$ MeV /с 2 , kus $T^(")_(max)$ on osakeste kokkupõrke kineetiline energia nende massikeskme süsteemis. Enamikku resonantse võib pidada stabiilsete osakeste ergastatud olekuks, kuna neil on sama kvargi koostis kui nende stabiilsetel vastetel, kuigi resonantside mass on ergastusenergia tõttu suurem.

Hadronite kvarkmudel

Hadronite kvargimudelit hakkame kirjeldama allikast lähtuvate väljajoonte joonisest – värvilaenguga kvargist, mis lõpeb antikvargiga (joonis 2, b). Võrdluseks joonisel fig. 2 ja näitame, et elektromagnetilise interaktsiooni korral lahknevad jõujooned oma allikast – elektrilaeng nagu ventilaator, kuna allika poolt samaaegselt kiirgatavad virtuaalsed footonid ei interakteeru üksteisega. Tulemuseks on Coulombi seadus.

Erinevalt sellest pildist on gluoonidel endil värvilaengud ja nad interakteeruvad üksteisega tugevalt. Selle tulemusena on meil jõujoonte ventilaatori asemel kimp, mis on näidatud joonisel fig. 2, b. Köis on venitatud kvargi ja antikvargi vahele, kuid kõige üllatavam on see, et gluoonid ise, omades värvilisi laenguid, muutuvad uute gluoonide allikateks, mille arv kvargist eemaldudes suureneb.
Selline interaktsioonimuster vastab kvarkide vahelise interaktsiooni potentsiaalse energia sõltuvusele nendevahelisest kaugusest, nagu on näidatud joonisel fig. 3. Nimelt: kuni kauguseni R> 10–13 cm, on sõltuvus U(R) lehtrikujuline ja värvilaengu tugevus selles kauguste vahemikus on suhteliselt väike, nii et kvargid R> 10–15 cm esimeses lähenduses võib pidada vabadeks interakteeruvateks osakesteks. Sellel nähtusel on väike kvarkide asümptootilise vabaduse erinimi R. Siiski, millal R rohkem kui mingi kriitiline väärtus $R_(cr) \umbes 10^(-13)$ cm U(R) muutub väärtusega otseselt võrdeliseks R. Sellest tuleneb otseselt, et jõud F = -dU/dr= const, st ei sõltu kaugusest. Ühelgi teisel vastasmõjul, mida füüsikud on varem uurinud, pole olnud nii ebatavalist omadust.

Arvutused näitavad, et kvargi ja antikvargi vahel mõjuvad jõud, alates $R_(cr) \umbes 10_(-13)$ cm, lakkavad sõltumast kaugusest, jäädes tasemele, mille väärtus on 20 lähedal. tonni kaugusel R~ 10–12 cm (võrdub keskmiste aatomituumade raadiusega) värvijõud on rohkem kui 100 tuhat korda suuremad kui elektromagnetilised jõud. Kui võrrelda värvijõudu prootoni ja neutroni tuumajõududega aatomituumas, siis selgub, et värvijõud on tuhandeid kordi suurem! Nii on füüsikute ees avanenud uus suurejooneline pilt värvilistest jõududest looduses, mis on palju suurusjärke suurem kui praegu teadaolevad tuumajõud. Muidugi tekib kohe küsimus, kas selliseid jõude saab energiaallikana tööle panna. Kahjuks on vastus sellele küsimusele eitav.

Loomulikult tekib teine ​​küsimus: millistele vahemaadele R kvarkide vahel suureneb potentsiaalne energia lineaarselt suurenedes R?
Vastus on lihtne: suurte vahemaade korral väljajoonte kimp katkeb, kuna kvark-antikvark osakeste paari sünniga on energeetiliselt kasulikum murda. See juhtub siis, kui katkestuse potentsiaalne energia on suurem kui kvargi ja antikvargi ülejäänud mass. Glüoonivälja jõujoonte kimbu purustamise protsess on näidatud joonisel fig. 2, sisse.

Sellised kvalitatiivsed ideed kvark-antikvargi sünnist võimaldavad mõista, miks üksikuid kvarke üldse ei vaadelda ega saa ka looduses vaadelda. Kvargid on igavesti hadronite sees lõksus. Seda kvarkide mitteväljapaiskumise nähtust nimetatakse kinnipidamine. Suure energia korral võib olla soodsam, et kimp puruneks korraga mitmest kohast, moodustades $q \tilde q$-paaride komplekti. Nii oleme lähenenud mitmike probleemile. kvark-antikvark paarid ja kõvade kvargijoade teket.

Vaatleme esmalt valguse hadronite ehk mesonite struktuuri. Need koosnevad, nagu me juba ütlesime, ühest kvargist ja ühest antikvargist.

On äärmiselt oluline, et paari mõlemal partneril oleks sama värvilaeng ja sama antilaeng (näiteks sinine kvark ja anti-sinine antikvark), et nende paaril, olenemata kvargi maitsetest, ei oleks värvi (ja me vaatleme ainult värvituid osakesi).

Kõikidel kvarkidel ja antikvarkidel on spinn (fraktsioonides h) võrdub 1/2. Seetõttu on kvargi ja antikvargi kombinatsiooni koguspinn kas 0, kui spinnid on antiparalleelsed, või 1, kui spinnid on üksteisega paralleelsed. Kuid osakese spinn võib olla suurem kui 1, kui kvargid ise pöörlevad mööda mõnda orbiiti osakese sees.

Tabelis. Joonisel 3 on kujutatud kvarkide paaris- ja keerukamaid kombinatsioone koos viitega, millistele varem tuntud hadronitele see kvarkide kombinatsioon vastab.

Praegu kõige paremini uuritud mesonitest ja mesonresonantsidest moodustavad suurima rühma kerged mittearomaatsed osakesed, mille kvantarvud S = C = B= 0. Sellesse rühma kuulub umbes 40 osakest. Tabel 3 algab pionidega $\pi$ ±,0, mille avastas inglise füüsik S.F. Powell 1949. aastal. Laetud pionid elavad umbes 10–8 sekundit, lagunedes leptoniteks vastavalt järgmistele skeemidele:

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

Nende "sugulased" tabelis. 3 - resonantsid $\rho$ ±,0 (rho mesonid) erinevalt pionitest on spin J= 1, nad on ebastabiilsed ja elavad vaid umbes 10–23 s. $\rho$ ±,0 lagunemise põhjuseks on tugev vastastikmõju.

Laetud pioonide lagunemise põhjuseks on nõrk interaktsioon, nimelt asjaolu, et osakest moodustavad kvargid suudavad nõrga vastasmõju tulemusena lühiajaliselt kiirata ja neelata. t vastavalt seosele (4) on virtuaalsed bosonid: $u \to d + W^+$ või $d \to u + W^-$ ja erinevalt leptonitest on olemas ka ühe põlvkonna kvargi üleminekud teise põlvkonna kvark, näiteks $u \to b + W^+$ või $u \to s + W^+$ jne, kuigi sellised üleminekud on palju harvemad kui ühe põlvkonnasisesed üleminekud. Samal ajal säilib kõigi selliste transformatsioonide käigus reaktsioonis olev elektrilaeng.

Mesonite uurimine, sealhulgas s- ja c-kvargid, mis viisid mitmekümne kummalise ja võlutud osakese avastamiseni. Nende uurimistööd tehakse praegu paljudes teaduskeskused rahu.

Mesonite uurimine, sealhulgas b- ja t-kvarkid, said intensiivselt alguse kiirenditel ja neist me esialgu lähemalt ei räägi.

Liigume edasi raskete hadronite ehk barüonide käsitlemise juurde. Need kõik koosnevad kolmest kvargist, kuid need, millel on kõik kolm värvi, kuna nagu mesonid, on kõik barüonid värvitud. Barüoni sees olevatel kvarkidel võib olla orbitaalne liikumine. Sel juhul ületab osakese koguspinn kvarkide koguspinni, mis võrdub 1/2 või 3/2 (kui kõigi kolme kvargi spinnid on üksteisega paralleelsed).

Minimaalse massiga barüon on prooton lk(vt tabel 3). Kõik aatomi tuumad koosnevad prootonitest ja neutronitest. keemilised elemendid. Prootonite arv tuumas määrab selle kogu elektrilaengu Z.

Teine põhiosake aatomituumas on neutron. n. Neutroon on prootonist veidi raskem, ebastabiilne ja laguneb vabas olekus umbes 900 s elueaga prootoniks, elektroniks ja neutriinoks. Tabelis. 3 näitab prootoni kvargi olekut uud ja neutron udd. Aga selle kvarkide kombinatsiooni spinniga J= 3/2, tekivad vastavalt resonantsid $\Delta^+$ ja $D^0$. Kõik muud barüonid, mis koosnevad raskematest kvarkidest s, b, t ja neil on palju suurem mass. Nende hulgas pakkus erilist huvi W- -hüperoon, mis koosneb kolmest kummalisest kvargist. See avastati esmakordselt paberil, see tähendab arvutuste teel, kasutades barüonide kvarkide struktuuri ideid. Kõik selle osakese peamised omadused ennustati ja kinnitati seejärel katsetega.

Paljud katseliselt vaadeldud faktid räägivad nüüd veenvalt kvarkide olemasolust. Eelkõige räägime uue protsessi avastamisest elektronide ja positronite kokkupõrke reaktsioonis, mis viib kvark-antikvargi joa moodustumiseni. Selle protsessi skeem on näidatud joonisel fig. 4. Katse viidi läbi põrkeseadmetega Saksamaal ja USA-s. Nooled näitavad joonisel talade suundi e+ ja e- , ja nende kokkupõrke kohast eraldub kvark q ja antikvark $\tilde q$ seniidinurga $\Theta$ lennusuuna suhtes e+ ja e- . See $q+\tilde q$ paar tekib reaktsioonis

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

Nagu me juba ütlesime, puruneb jõujoonte žgutt (sagedamini öeldakse string) oma komponentideks piisavalt suure pingega.
Kvargi ja antikvargi kõrge energia korral, nagu varem mainitud, katkeb pael paljudes kohtades, mille tulemusena moodustub q-kvargi ja antikvargi lennujoonel mõlemas suunas kaks kitsast sekundaarsete värvitute osakeste kiirt, kuna näidatud joonisel fig. 4. Selliseid osakeste kiirteid nimetatakse jugadeks. Kolme, nelja või enama osakeste joa üheaegset moodustumist täheldatakse katses üsna sageli.

Eksperimentides, mis viidi läbi kosmiliste kiirte ülikiirenduse energiatega, milles osales ka selle artikli autor, saadi fotod justkui paljude jugade moodustumise protsessist. Fakt on see, et köis või nöör on ühemõõtmeline ja seetõttu paiknevad ka kolme, nelja või enama joa moodustumise keskpunktid mööda sirgjoont.

Tugevaid vastastikmõjusid kirjeldavat teooriat nimetatakse kvantkromodünaamika või lühendatult QCD. See on palju keerulisem kui elektrinõrga interaktsiooni teooria. QCD on eriti edukas nn kõvade protsesside kirjeldamisel, see tähendab osakeste interaktsiooni protsesse, kus osakeste vahel on suur impulsi ülekanne. Kuigi teooria loomine pole veel lõppenud, on paljud teoreetilised füüsikud juba hõivatud "suure ühendamise" loomisega – kvantkromodünaamika ja elektronõrga interaktsiooni teooria ühendamisega üheks teooriaks.

Kokkuvõtteks peatume lühidalt sellel, kas kuus leptonit ja 18 mitmevärvilist kvarki (ja nende antiosakest) ning põhiväljade kvantid ammendavad footoni, W ± -, Z 0 -bosonid, kaheksa gluoni ja lõpuks gravitatsioonivälja kvantid - gravitonid - kogu tõeliselt elementaarsete, täpsemalt fundamentaalosakeste arsenal. Ilmselt mitte. Suure tõenäosusega on kirjeldatud osakeste ja väljade pildid vaid meie praeguste teadmiste peegeldus. Ega asjata on juba palju teoreetilisi ideid, milles võetakse kasutusele suur grupp nn supersümmeetrilisi osakesi, üliraskete kvarkide oktett ja palju muud.

Ilmselgelt on kaasaegne füüsika veel kaugel osakeste täielikust teooriast. Võib-olla oli suurel füüsikul Albert Einsteinil õigus, kuna ta uskus, et ainult gravitatsiooni arvessevõtmine, hoolimata selle praegusest väikesest rollist mikrokosmoses, võimaldab ehitada range teooria osakesed. Kuid see kõik on juba 21. sajandil või veelgi hiljem.

Kirjandus

1. Okun L.B. Elementaarosakeste füüsika. Moskva: Nauka, 1988.

2. Kobzarev I.Yu. 1979. aasta Nobeli preemia laureaadid: S. Weinberg, S. Glashow, A. Salam // Priroda. 1980. N 1. S. 84.

3. Zeldovitš Ya.B. Elementaarosakeste ja kvarkide klassifikatsioon jalakäijatele mõeldud esitluses // Uspekhi nat. Teadused. 1965. T. 8. S. 303.

4. Krainov V.P. Energia ja aja määramatuse suhe // Sorose õppeajakiri. 1998. N 5. S. 77-82.

5. I. Nambu, "Miks pole vabu kvarke", Usp. Phys. Teadused. 1978. V. 124. S. 146.

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

Artiklite arvustaja L.I. Sarõtšev

S. A. Slavatinsky Moskva Füüsika ja Tehnoloogia Instituut, Dolgoprudnõi, Moskva piirkond

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 tekitavad kõik teadaolevad massi- ja energialiigid.

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 võivad "püüda kinni" müüonid, 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.