Tieto tri častice (ako aj ďalšie opísané nižšie) sa navzájom priťahujú a odpudzujú podľa svojho poplatky, čo sú len štyri typy podľa počtu základných prírodných síl. Náboje môžu byť usporiadané v poradí klesajúcich zodpovedajúcich síl nasledovne: farebný náboj (sily interakcie medzi kvarkami); elektrický náboj (elektrické a magnetické sily); slabý náboj (sila v niektorých rádioaktívnych procesoch); nakoniec hmotnosť (gravitačná sila alebo gravitačná interakcia). Slovo „farba“ tu nemá nič spoločné s farbou viditeľného svetla; je to jednoducho charakteristika najsilnejšieho náboja a najväčších síl.
Poplatky pretrvávať, t.j. Náboj vstupujúci do systému sa rovná náboju, ktorý ho opúšťa. Ak je celkový elektrický náboj určitého počtu častíc pred ich interakciou povedzme 342 jednotiek, potom po interakcii, bez ohľadu na jej výsledok, bude rovný 342 jednotkám. To platí aj pre ostatné náboje: farba (silný interakčný náboj), slabý a hmotnostný (hmotnosť). Častice sa líšia svojimi nábojmi: v podstate „sú“ týmito nábojmi. Obvinenia sú akoby „osvedčením“ o práve reagovať na príslušnú silu. Farebnými silami sú teda ovplyvňované iba farebné častice, elektrickými silami iba elektricky nabité častice atď. Vlastnosti častice sú určené najväčšou silou, ktorá na ňu pôsobí. Len kvarky sú nositeľmi všetkých nábojov, a preto podliehajú pôsobeniu všetkých síl, medzi ktorými dominuje farba. Elektróny majú všetky náboje okrem farby a dominantnou silou je pre ne elektromagnetická sila.
Najstabilnejšie v prírode sú spravidla neutrálne kombinácie častíc, v ktorých je náboj častíc jedného znaku kompenzovaný celkovým nábojom častíc iného znaku. To zodpovedá minimálnej energii celého systému. (Podobne dva tyčové magnety sú v jednej línii, pričom severný pól jedného smeruje k južnému pólu druhého, čo zodpovedá minimu energie magnetického poľa.) Gravitácia je výnimkou z tohto pravidla: záporná hmotnosť neexistuje. Neexistujú žiadne telá, ktoré by spadli.
TYPY HMOT
Obyčajná hmota sa tvorí z elektrónov a kvarkov, zoskupených do objektov neutrálnej farby a následne elektrického náboja. Farebná sila sa neutralizuje, čo bude podrobnejšie diskutované nižšie, keď sa častice spoja do trojíc. (Odtiaľ samotný výraz „farba“, prevzatý z optiky: tri základné farby, keď sa zmiešajú, dávajú bielu.) Kvarky, pre ktoré je dominantná farebná sila, teda tvoria triplety. Ale kvarky, a tie sa delia na u-kvarky (z angl. up - upper) a d-kvarky (z angl. down - nižší), majú tiež elektrický náboj rovný u-kvark a pre d-kvark. Dva u-kvark a jeden d-kvark dáva elektrický náboj +1 a tvorí protón, a jeden u-kvark a dva d-kvarky dávajú nulový elektrický náboj a tvoria neutrón.
Stabilné protóny a neutróny, ktoré sú navzájom priťahované zvyškovými farebnými silami interakcie medzi ich zložkami kvarkov, tvoria farebne neutrálne atómové jadro. Ale jadrá nesú kladný elektrický náboj a priťahovaním záporných elektrónov, ktoré sa točia okolo jadra ako planéty obiehajúce okolo Slnka, majú tendenciu vytvárať neutrálny atóm. Elektróny na svojich obežných dráhach sú odstraňované z jadra na vzdialenosti desaťtisíckrát väčšie, než je polomer jadra – dôkaz, že elektrické sily, ktoré ich držia, sú oveľa slabšie ako tie jadrové. Vďaka sile farebnej interakcie je 99,945 % hmotnosti atómu uzavretých v jeho jadre. Hmotnosť u- a d-kvarky majú približne 600-násobok hmotnosti elektrónu. Preto sú elektróny oveľa ľahšie a mobilnejšie ako jadrá. Ich pohyb v hmote spôsobuje elektrické javy.
Existuje niekoľko stoviek prírodných druhov atómov (vrátane izotopov), ktoré sa líšia počtom neutrónov a protónov v jadre, a teda počtom elektrónov na obežných dráhach. Najjednoduchší je atóm vodíka, ktorý pozostáva z jadra vo forme protónu a jedného elektrónu, ktorý sa okolo neho otáča. Všetka „viditeľná“ hmota v prírode pozostáva z atómov a čiastočne „rozložených“ atómov, ktoré sa nazývajú ióny. Ióny sú atómy, ktoré po strate (alebo získaní) niekoľkých elektrónov sa stali nabitými časticami. Hmota, pozostávajúca takmer z jedného iónu, sa nazýva plazma. Hviezdy, ktoré horia v dôsledku termonukleárnych reakcií prebiehajúcich v centrách, sú zložené hlavne z plazmy a keďže hviezdy sú najbežnejšou formou hmoty vo vesmíre, dá sa povedať, že celý vesmír pozostáva hlavne z plazmy. Presnejšie, hviezdy sú prevažne plne ionizovaný plynný vodík, t.j. zmes jednotlivých protónov a elektrónov, a preto sa z nej skladá takmer celý viditeľný vesmír.
Toto je viditeľná záležitosť. Ale vo vesmíre stále existuje neviditeľná hmota. A existujú častice, ktoré pôsobia ako nosiče síl. Existujú antičastice a excitované stavy niektorých častíc. To všetko vedie k zjavne nadmernému množstvu „elementárnych“ častíc. V tomto množstve možno nájsť náznak skutočnej, skutočnej povahy elementárnych častíc a síl pôsobiacich medzi nimi. Podľa najnovších teórií môžu byť častice v podstate rozšírené geometrické objekty – „struny“ v desaťrozmernom priestore.
Neviditeľný svet.
Vo vesmíre nie je len viditeľná hmota (ale aj čierne diery a „temná hmota“, ako sú studené planéty, ktoré sa stávajú viditeľnými pri osvetlení). Existuje tiež skutočne neviditeľná hmota, ktorá každú sekundu preniká nás všetkých a celý Vesmír. Ide o rýchlo sa pohybujúci plyn jedného druhu častíc – elektrónových neutrínov.
Elektrónové neutríno je partnerom elektrónu, ale nemá elektrický náboj. Neutrína nesú len takzvaný slabý náboj. Ich pokojová hmotnosť je s najväčšou pravdepodobnosťou nulová. Ale interagujú s gravitačným poľom, pretože majú kinetickú energiu E, čo zodpovedá efektívnej hmotnosti m, podľa Einsteinovho vzorca E = mc 2, kde c je rýchlosť svetla.
Kľúčovou úlohou neutrína je, že prispieva k transformácii a- kvarky v d kvarkov, výsledkom čoho je premena protónu na neutrón. Neutríno zohráva úlohu „ihly karburátora“ pre hviezdne termonukleárne reakcie, pri ktorých sa štyri protóny (jadrá vodíka) spájajú a vytvárajú jadro hélia. Ale keďže jadro hélia pozostáva nie zo štyroch protónov, ale z dvoch protónov a dvoch neutrónov, pre takúto jadrovú fúziu je potrebné, aby dva a-kvarky sa zmenili na dva d-kvark. Intenzita premeny určuje, ako rýchlo budú hviezdy horieť. A proces transformácie je určený slabými nábojmi a silami slabej interakcie medzi časticami. V čom a-kvark (elektrický náboj +2/3, slabý náboj +1/2), interagujúci s elektrónom (elektrický náboj - 1, slabý náboj -1/2), tvorí d-kvark (elektrický náboj -1/3, slabý náboj -1/2) a elektrónové neutríno (elektrický náboj 0, slabý náboj +1/2). Farebné náboje (alebo jednoducho farby) dvoch kvarkov sa v tomto procese rušia bez neutrína. Úlohou neutrína je odniesť nekompenzovaný slabý náboj. Preto rýchlosť transformácie závisí od toho, aké slabé sú slabé sily. Keby boli slabšie ako sú, tak by hviezdy vôbec nehoreli. Keby boli silnejšie, hviezdy by už dávno vyhoreli.
Ale čo neutrína? Keďže tieto častice veľmi slabo interagujú s inou hmotou, takmer okamžite opúšťajú hviezdy, v ktorých sa narodili. Všetky hviezdy svietia, vyžarujú neutrína a neutrína presvitajú cez naše telá a celú Zem vo dne aj v noci. Putujú teda vesmírom, kým možno nevstúpia do novej interakcie HVIEZDY).
Interakčné nosiče.
Čo spôsobuje sily, ktoré pôsobia medzi časticami na diaľku? Moderná fyzika odpovedá: kvôli výmene iných častíc. Predstavte si dvoch korčuliarov, ktorí si hádžu loptu. Udelenie hybnosti loptičky pri hádzaní a prijímanie hybnosti s prijatou loptou, obe dostanú tlak v smere od seba. To môže vysvetliť vznik odpudivých síl. Ale v kvantovej mechanike, ktorá zvažuje javy v mikrosvete, je povolené nezvyčajné naťahovanie a delokalizácia udalostí, čo vedie, zdá sa, k nemožnému: jeden z korčuliarov hádže loptu smerom od ten druhý, ale predsa ten jeden možno chytiť túto loptu. Nie je ťažké si predstaviť, že ak by to bolo možné (a vo svete elementárnych častíc je to možné), medzi korčuliarmi by vládla príťažlivosť.
Častice, v dôsledku ktorých výmeny vznikajú interakčné sily medzi štyrmi vyššie uvedenými „časticami hmoty“, sa nazývajú kalibračné častice. Každá zo štyroch interakcií – silná, elektromagnetická, slabá a gravitačná – má svoj vlastný súbor kalibračných častíc. Nosnými časticami silnej interakcie sú gluóny (je ich len osem). Fotón je nositeľom elektromagnetickej interakcie (je jeden a fotóny vnímame ako svetlo). Častice-nosiče slabej interakcie sú stredné vektorové bozóny (v rokoch 1983 a 1984 boli objavené W + -, W- -bozóny a neutrálne Z-bozón). Častica-nosič gravitačnej interakcie je stále hypotetický gravitón (musí ním byť). Všetky tieto častice, okrem fotónu a gravitónu, ktoré môžu cestovať na nekonečne dlhé vzdialenosti, existujú iba v procese výmeny medzi hmotnými časticami. Fotóny napĺňajú vesmír svetlom a gravitóny gravitačnými vlnami (zatiaľ s istotou nezistené).
O častici, ktorá je schopná emitovať kalibrované častice, sa hovorí, že je obklopená vhodným silovým poľom. Elektróny schopné emitovať fotóny sú teda obklopené elektrickými a magnetickými poľami, ako aj slabými a gravitačnými poľami. Kvarky sú tiež obklopené všetkými týmito poľami, ale aj poľom silnej interakcie. Častice s farebným nábojom v poli farebných síl sú ovplyvnené farebnou silou. To isté platí pre ostatné prírodné sily. Preto môžeme povedať, že svet pozostáva z hmoty (hmotné častice) a poľa (merné častice). Viac o tom nižšie.
Antihmota.
Každá častica zodpovedá antičastici, s ktorou sa častica môže vzájomne anihilovať, t.j. „anihilovať“, v dôsledku čoho sa uvoľňuje energia. „Čistá“ energia sama o sebe však neexistuje; v dôsledku anihilácie vznikajú nové častice (napríklad fotóny), ktoré túto energiu odnášajú.
Antičastica má vo väčšine prípadov opačné vlastnosti vzhľadom na zodpovedajúcu časticu: ak sa častica pôsobením silných, slabých alebo elektromagnetických polí pohybuje doľava, potom sa jej antičastica posunie doprava. Stručne povedané, antičastica má opačné znamienka všetkých nábojov (okrem hromadného náboja). Ak je častica zložená, ako napríklad neutrón, potom jej antičastica pozostáva zo zložiek s opačnými znamienkami náboja. Antielektrón má teda elektrický náboj +1, slabý náboj +1/2 a nazýva sa pozitrón. Antineutrón sa skladá z a-antikvarky s elektrickým nábojom –2/3 a d-antikvarky s elektrickým nábojom +1/3. Skutočne neutrálne častice sú ich vlastné antičastice: antičastica fotónu je fotón.
Podľa moderných teoretických konceptov každá častica, ktorá existuje v prírode, musí mať svoju vlastnú antičasticu. A mnohé antičastice, vrátane pozitrónov a antineutrónov, boli skutočne získané v laboratóriu. Dôsledky toho sú mimoriadne dôležité a sú základom celej experimentálnej fyziky elementárnych častíc. Podľa teórie relativity sú hmotnosť a energia ekvivalentné a za určitých podmienok možno energiu premeniť na hmotnosť. Keďže náboj je zachovaný a náboj vákua (prázdneho priestoru) je nulový, z vákua sa môže vynoriť akýkoľvek pár častíc a antičastíc (s nulovým čistým nábojom) ako králiky z kúzelníckeho klobúka, pokiaľ je energia dostatočná na vytvorenie ich omša.
Generácie častíc.
Experimenty s urýchľovačom ukázali, že štvornásobok (kvarteto) materiálových častíc sa opakuje najmenej dvakrát pri vyšších hodnotách hmotnosti. V druhej generácii je miesto elektrónu obsadené miónom (s hmotnosťou asi 200-krát väčšou ako hmotnosť elektrónu, ale s rovnakými hodnotami všetkých ostatných nábojov), miesto elektrónového neutrína je mión (ktorý sprevádza mión v slabých interakciách rovnakým spôsobom ako elektrón sprevádza elektrónové neutríno), umiestnite a-kvark zaberá s-kvark ( očarený), a d-kvark - s-kvark ( zvláštne). V tretej generácii sa kvarteto skladá z tau leptónu, tau neutrína, t-kvark a b-kvark.
Hmotnosť t-kvark je asi 500-násobok hmotnosti najľahšieho - d-kvark. Experimentálne sa zistilo, že existujú iba tri typy svetelných neutrín. Štvrtá generácia častíc teda buď vôbec neexistuje, alebo zodpovedajúce neutrína sú veľmi ťažké. To je v súlade s kozmologickými údajmi, podľa ktorých nemôžu existovať viac ako štyri typy ľahkých neutrín.
Pri experimentoch s vysokoenergetickými časticami pôsobia elektrón, mión, tau-leptón a zodpovedajúce neutrína ako samostatné častice. Nenesú farebný náboj a vstupujú len do slabých a elektromagnetických interakcií. Súhrnne sa nazývajú leptóny.
| Tabuľka 2. GENERÁCIE ZÁKLADNÝCH ČASTÍC | ||||
| Častice | Pokojová hmotnosť, MeV/ s 2 | Nabíjačka | farebný náboj | Slabý náboj |
| DRUHÁ GENERÁCIA | ||||
| s-kvark | 1500 | +2/3 | Červená, zelená alebo modrá | +1/2 |
| s-kvark | 500 | –1/3 | To isté | –1/2 |
| Miónové neutríno | 0 | 0 | +1/2 | |
| Muon | 106 | 0 | 0 | –1/2 |
| TRETIA GENERÁCIA | ||||
| t-kvark | 30000–174000 | +2/3 | Červená, zelená alebo modrá | +1/2 |
| b-kvark | 4700 | –1/3 | To isté | –1/2 |
| Tau neutríno | 0 | 0 | +1/2 | |
| Tau | 1777 | –1 | 0 | –1/2 |
Kvarky sa na druhej strane vplyvom farebných síl spájajú do silne interagujúcich častíc, ktoré dominujú väčšine experimentov vo fyzike vysokých energií. Takéto častice sa nazývajú hadróny. Zahŕňajú dve podtriedy: baryóny(napr. protón a neutrón), ktoré sa skladajú z troch kvarkov a mezóny pozostávajúce z kvarku a antikvarku. V roku 1947 bol v kozmickom žiarení objavený prvý mezón, nazývaný pion (alebo pí-mezón), a nejaký čas sa verilo, že výmena týchto častíc bola hlavnou príčinou jadrových síl. Omega-mínus hadróny objavené v roku 1964 v Brookhaven National Laboratory (USA) a častica j-psy ( J/r-meson), objavený súčasne v Brookhavene a v Stanfordskom centre pre lineárne urýchľovače (tiež v USA) v roku 1974. Existenciu častice omega-mínus predpovedal M. Gell-Mann vo svojom tzv. SU 3-teória“ (iný názov je „osemnásobná cesta“), v ktorej bola prvýkrát navrhnutá možnosť existencie kvarkov (a tento názov dostali). O desaťročie neskôr objav častice J/r potvrdil existenciu s-kvark a nakoniec prinútil všetkých veriť v model kvarku a teóriu, ktorá spája elektromagnetické a slabé sily ( Pozri nižšie).
Častice druhej a tretej generácie nie sú o nič menej skutočné ako častice prvej. Je pravda, že keď vznikli, rozpadajú sa v milióntinach alebo miliardtinách sekundy na bežné častice prvej generácie: elektrón, elektrónové neutríno a tiež a- a d- kvarky. Otázka, prečo je v prírode niekoľko generácií častíc, je stále záhadou.
O rôznych generáciách kvarkov a leptónov sa často hovorí (čo je, samozrejme, trochu výstredné) ako o rôznych „príchutiach“ častíc. Potreba ich vysvetliť sa nazýva problém „chuť“.
BOZÓNY A FERMIE, POLE A LÁTKA
Jedným zo základných rozdielov medzi časticami je rozdiel medzi bozónmi a fermiónmi. Všetky častice sú rozdelené do týchto dvoch hlavných tried. Podobne ako bozóny sa môžu prekrývať alebo prekrývať, ale ako fermióny nie. Superpozícia sa vyskytuje (alebo nevyskytuje) v diskrétnych energetických stavoch, na ktoré kvantová mechanika rozdeľuje prírodu. Tieto stavy sú akoby oddelenými bunkami, do ktorých možno umiestniť častice. Takže do jednej bunky môžete vložiť ľubovoľný počet rovnakých bozónov, ale iba jeden fermión.
Ako príklad uvažujme také bunky alebo „stavy“ pre elektrón otáčajúci sa okolo jadra atómu. Na rozdiel od planét slnečná sústava elektrón podľa zákonov kvantovej mechaniky nemôže obiehať po žiadnej eliptickej obežnej dráhe, pretože existuje len diskrétny počet povolených „stavov pohybu“. Súbory takýchto stavov, zoskupené podľa vzdialenosti od elektrónu k jadru, sa nazývajú orbitály. V prvom orbitále sú dva stavy s rôznym uhlovým momentom hybnosti a teda dve povolené bunky a vo vyšších orbitáloch osem alebo viac buniek.
Keďže elektrón je fermión, každá bunka môže obsahovať iba jeden elektrón. Z toho vyplývajú veľmi dôležité dôsledky - celá chémia, keďže chemické vlastnosti látok sú určené interakciami medzi zodpovedajúcimi atómami. Ak prechádzate periodickou sústavou prvkov od jedného atómu k druhému v poradí, v ktorom sa počet protónov v jadre zvyšuje o jednotku (počet elektrónov sa tiež zvýši), prvé dva elektróny obsadia prvý orbitál, tzv. ďalších osem bude umiestnených v druhom atď. Táto postupná zmena v elektronickej štruktúre atómov z prvku na prvok určuje zákonitosti v ich chemických vlastnostiach.
Ak by elektróny boli bozóny, potom by všetky elektróny atómu mohli zaberať rovnaký orbitál zodpovedajúci minimálnej energii. V tomto prípade by boli vlastnosti všetkej hmoty vo Vesmíre úplne iné a v podobe, v akej ju poznáme, by Vesmír bol nemožný.
Všetky leptóny - elektrón, mión, tau-leptón a im zodpovedajúce neutrína - sú fermióny. To isté možno povedať o kvarkoch. Všetky častice, ktoré tvoria „hmotu“, hlavnú výplň Vesmíru, ako aj neviditeľné neutrína, sú teda fermióny. To je veľmi dôležité: fermióny sa nemôžu spájať, takže to isté platí pre predmety v hmotnom svete.
Súčasne sa všetky „meracie častice“ vymieňajú medzi interagujúcimi časticami materiálu a vytvárajú silové pole ( viď vyššie), sú bozóny, čo je tiež veľmi dôležité. Takže napríklad veľa fotónov môže byť v rovnakom stave a môže vytvárať magnetické pole okolo magnetu alebo elektrické pole okolo elektrického náboja. Vďaka tomu je možný aj laser.
Točiť.
Rozdiel medzi bozónmi a fermiónmi súvisí s ďalšou charakteristikou elementárnych častíc - späť. Hoci sa to môže zdať prekvapujúce, ale všetky základné častice majú svoj vlastný uhlový moment hybnosti alebo, jednoduchšie, rotujú okolo svojej vlastnej osi. Moment hybnosti je charakteristický pre rotačný pohyb, rovnako ako celková hybnosť je pre pohyb translačný. Pri akejkoľvek interakcii sa zachováva uhlová hybnosť a hybnosť.
V mikrokozme sa kvantuje moment hybnosti, t.j. nadobúda diskrétne hodnoty. Vo vhodných jednotkách majú leptóny a kvarky spin 1/2 a kalibrované častice majú spin 1 (okrem gravitónu, ktorý zatiaľ nebol experimentálne pozorovaný, ale teoreticky by mal mať spin 2). Keďže leptóny a kvarky sú fermióny a kalibrované častice sú bozóny, možno predpokladať, že „fermionicita“ je spojená so spinom 1/2 a „bosonicita“ je spojená so spinom 1 (alebo 2). Experiment aj teória totiž potvrdzujú, že ak má častica polovičný celočíselný spin, potom je to fermión, a ak je celočíselný, potom je to bozón.
MERAČNÉ TEÓRIE A GEOMETRIE
Vo všetkých prípadoch vznikajú sily v dôsledku výmeny bozónov medzi fermiónmi. Farebná sila interakcie medzi dvoma kvarkami (kvarkmi - fermiónmi) teda vzniká v dôsledku výmeny gluónov. Takáto výmena neustále prebieha v protónoch, neutrónoch a atómových jadrách. Rovnakým spôsobom, fotóny vymieňané medzi elektrónmi a kvarkami vytvárajú elektrické príťažlivé sily, ktoré držia elektróny v atóme, a stredné vektorové bozóny vymieňané medzi leptónmi a kvarkami vytvárajú slabé interakčné sily zodpovedné za premenu protónov na neutróny pri fúznych reakciách vo hviezdach.
Teória takejto výmeny je elegantná, jednoduchá a pravdepodobne správna. To sa nazýva teória meradiel. V súčasnosti však existujú iba nezávislé meracie teórie silných, slabých a elektromagnetických interakcií a meracia teória gravitácie im podobná, aj keď v niektorých smeroch odlišná. Jedným z najdôležitejších fyzikálnych problémov je redukcia týchto samostatných teórií na jedinú a zároveň jednoduchú teóriu, v ktorej by sa všetky stali rôznymi aspektmi jedinej reality – ako fazety kryštálu.
| Tabuľka 3. NIEKTORÉ HADRONY | ||||
| Častice | Symbol | Zloženie kvarku * | odpočinková omša, MeV/ s 2 | Nabíjačka |
| BARYÓNY | ||||
| Proton | p | uud | 938 | +1 |
| Neutrón | n | udd | 940 | 0 |
| Omega mínus | W- | sss | 1672 | –1 |
| MESONS | ||||
| Pi plus | p + | u | 140 | +1 |
| Pi-mínus | p – | du | 140 | –1 |
| fi | f | sє | 1020 | 0 |
| JPS | J/r | cў | 3100 | 0 |
| Upsilon | Ў | b | 9460 | 0 |
| * Zloženie kvarku: u- horný; d- nižší; s- zvláštny; c- očarený b- krásne. Čiara nad písmenom označuje antikvarky. | ||||
Najjednoduchšia a najstaršia meracia teória je meracia teória elektromagnetickej interakcie. V ňom sa náboj elektrónu porovnáva (kalibruje) s nábojom iného od neho vzdialeného elektrónu. Ako sa dajú porovnať poplatky? Môžete napríklad priblížiť druhý elektrón k prvému a porovnať ich interakčné sily. Ale nezmení sa náboj elektrónu, keď sa presunie do iného bodu v priestore? Jediný spôsob, ako to skontrolovať, je poslať signál z blízkeho elektrónu do vzdialeného a zistiť, ako reaguje. Signálom je kalibrovaná častica – fotón. Aby bolo možné skontrolovať náboj na vzdialených časticiach, je potrebný fotón.
Matematicky sa táto teória vyznačuje extrémnou presnosťou a krásou. Z vyššie opísaného „princípu meracieho prístroja“ vyplýva celá kvantová elektrodynamika (kvantová teória elektromagnetizmu), ako aj Maxwellova teória elektromagnetického poľa, jeden z najväčších vedeckých úspechov 19. storočia.
Prečo je taký jednoduchý princíp taký plodný? Zrejme vyjadruje určitú koreláciu rôznych častí Vesmíru, umožňujúcu merania vo Vesmíre. Matematicky sa pole interpretuje geometricky ako zakrivenie nejakého predstaviteľného „vnútorného“ priestoru. Meranie náboja je meranie celkového „vnútorného zakrivenia“ okolo častice. Kalibračné teórie silných a slabých interakcií sa od elektromagnetickej kalibračnej teórie líšia iba vnútornou geometrickou „štruktúrou“ zodpovedajúceho náboja. Na otázku, kde presne sa tento vnútorný priestor nachádza, odpovedajú multidimenzionálne zjednotené teórie poľa, o ktorých sa tu neuvažuje.
| Tabuľka 4. ZÁKLADNÉ INTERAKCIE | |||||
| Interakcia | Relatívna intenzita vo vzdialenosti 10–13 cm | Akčný rádius | Interakčný nosič | Pokojová hmotnosť nosiča, MeV/ s 2 | Točenie nosiča |
| Silný | 1 | Gluón | 0 | 1 | |
| elektro- magnetické |
0,01 | Ґ | Fotón | 0 | 1 |
| slabý | 10 –13 | W + | 80400 | 1 | |
| W – | 80400 | 1 | |||
| Z 0 | 91190 | 1 | |||
| Gravitácia- racionálny |
10 –38 | Ґ | gravitón | 0 | 2 |
Fyzika elementárnych častíc ešte nie je dokončená. Stále nie je ani zďaleka jasné, či sú dostupné údaje dostatočné na úplné pochopenie podstaty častíc a síl, ako aj skutočnej povahy a rozmerov priestoru a času. Potrebujeme na to experimenty s energiami 10 15 GeV alebo bude stačiť námaha myslenia? Zatiaľ neexistuje žiadna odpoveď. Ale môžeme s istotou povedať, že konečný obrázok bude jednoduchý, elegantný a krásny. Je možné, že tých základných myšlienok nebude až tak veľa: princíp meradla, priestory vyšších dimenzií, kolaps a expanzia a predovšetkým geometria.
Jednotky merania fyzikálnych veličín pri popise javov vyskytujúcich sa v mikrosvete sa delia na základné a odvodené, ktoré sa určujú prostredníctvom matematického zápisu fyzikálnych zákonov.
Vzhľadom na to, že všetky fyzikálne javy sa vyskytujú v priestore a čase, jednotky dĺžky a času sa primárne berú ako základné jednotky a k nim sa pridáva jednotka hmotnosti. Základné jednotky: dĺžky l, čas t, hmotnosť m − získať určitý rozmer. Rozmery odvodených jednotiek určujú vzorce vyjadrujúce určité fyzikálne zákony.
Rozmery základných fyzikálnych jednotiek sú zvolené tak, aby bolo v praxi vhodné ich použiť.
V sústave SI sú akceptované tieto rozmery: dĺžky [ l] = m (meter), čas [t] = s (sekunda), hmotnosť [t] = kg (kilogram).
V systéme CGS sú pre základné jednotky akceptované tieto rozmery: dĺžka [/] \u003d cm (centimeter), čas [t] \u003d s (sekunda) a hmotnosť [t] \u003d g (gram). Na popis javov vyskytujúcich sa v mikrokozme možno použiť oba systémy jednotiek SI a CGS.
Odhadnime rádovú veľkosť dĺžky, času a hmotnosti v javoch mikrosveta.
Okrem všeobecne uznávaných medzinárodných sústav jednotiek SI a CGS sa používajú aj „prirodzené sústavy jednotiek“, založené na univerzálnych fyzikálnych konštantách. Tieto systémy jednotiek sú obzvlášť dôležité a používajú sa v rôznych fyzikálnych teóriách. V prirodzenom systéme jednotiek sa za základné jednotky berú fundamentálne konštanty: rýchlosť svetla vo vákuu - c, Planckova konštanta - ћ, gravitačná konštanta G N , Boltzmannova konštanta - k: Avogadrovo číslo - N A atď. Planckových jednotiek, c = ћ = G N = k = 1. Tento systém jednotiek sa používa v kozmológii na opis procesov, v ktorých sú významné kvantové aj gravitačné efekty (teórie čiernych dier, teórie raného vesmíru).
V prirodzenom systéme jednotiek sa rieši problém prirodzenej jednotky dĺžky. To možno považovať za Comptonovu vlnovú dĺžku λ 0 , ktorá je určená hmotnosťou častice M: λ 0 = ћ/Ms.
Dĺžka charakterizuje veľkosť objektu. Takže pre elektrón je klasický polomer r 0 \u003d e 2 /m e c 2 \u003d 2,81794 10 -13 cm (e, m e sú náboj a hmotnosť elektrónu). Klasický polomer elektrónu má význam polomeru nabitej gule s nábojom e (rozloženie je sféricky symetrické), pri ktorom je energia elektrostatického poľa gule ε = γе 2 /r 0 rovná zvyšku. energia elektrónu m e c 2 (použitá pri uvažovaní Thompsonovho rozptylu svetla).
Používa sa aj polomer Bohrovej obežnej dráhy. Je definovaná ako vzdialenosť od jadra, v ktorej sa s najväčšou pravdepodobnosťou nachádza elektrón v neexcitovanom atóme vodíka.
a 0 = ћ 2 /m e e 2 (v systéme CGS) a a 0 = (α/4π)R = 0,529 10 -10 m (v systéme SI), α = 1/137.
Veľkosť nukleónu r ≈ 10 -13 cm (1 femtometer). Charakteristické rozmery atómových systémov sú 10 -8, jadrové systémy - 10 -12 ÷ 10 -13 cm.
čas sa mení v širokom rozsahu a je definovaný ako pomer vzdialenosti R k rýchlosti objektu v. Pre mikroobjekty τ jed = R/v = 5·10 -12 cm/10 9 cm/s ~ 5·10 -22 s;
τ prvok h \u003d 10 -13 cm / 3 10 10 cm / s \u003d 3 10 -24 s.
omši objekty sa líšia od 0 do M. Hmotnosť elektrónu m e ≈ 10 -27 g, hmotnosť protónu
mp = 10-24 g (systém CGS). Jedna jednotka atómovej hmotnosti používaná v atómovej a jadrovej fyzike, 1 hodina ráno. = M(C)/12 v jednotkách hmotnosti atómu uhlíka.
Medzi základné charakteristiky mikroobjektov patrí elektrický náboj, ako aj charakteristiky potrebné na identifikáciu elementárnej častice.
Nabíjačka
častice Q sa zvyčajne merajú v jednotkách elektrónového náboja. Náboj elektrónu e = 1,6 10 -19 prívesok. Pre častice vo voľnom stave je Q/e = ±1, 0 a pre kvarky, ktoré tvoria hadróny, Q/e = ±2/3 a ±1/3.
V jadrách je náboj určený počtom protónov Z obsiahnutých v jadre. Náboj protónu sa v absolútnej hodnote rovná náboju elektrónu.
Na identifikáciu elementárnej častice potrebujete vedieť:
I je izotopový spin;
J - vlastný moment hybnosti - spin;
R - priestorová parita;
C je parita náboja;
G − G-parita.
Táto informácia je zapísaná ako vzorec I G (J PC).
Spin je jednou z najdôležitejších charakteristík častice, ktorá sa meria pomocou Planckovej základnej konštanty h alebo ћ = h/2π = 1,0544·10 -27 [erg-s]. Bozóny majú celočíselný spin v jednotkách ћ: (0,1, 2,...)ћ, fermióny majú polovičné celé číslo (1/2, 3/2,... .)ћ. V triede supersymetrických častíc sú hodnoty spinov fermiónov a bozónov zamenené.
Ryža. 4 ilustruje fyzikálny význam rotácie J analogicky s klasickou myšlienkou momentu hybnosti častice s hmotnosťou m = 1 g, ktorá sa pohybuje rýchlosťou v = 1 cm/s po kružnici s polomerom r = 1 cm V klasickej fyzike je moment hybnosti J = mvr = L (L je orbitálny moment hybnosti). V kvantovej mechanike je J = 10 27 ћ = 1 erg·s pre rovnaké parametre objektu pohybujúceho sa v kruhu, kde ћ = 1,05·10 -27 erg·s.
Priemet rotácie elementárnej častice na smer jej hybnosti sa nazýva helicita. Helicita bezhmotnej častice s ľubovoľným spinom nadobúda iba dve hodnoty: pozdĺž alebo proti smeru hybnosti častice. Pre fotón sú možné hodnoty helicity rovné ±1, pre bezhmotné neutríno je helicita rovná ±1/2.
Spinový moment hybnosti atómového jadra je definovaný ako vektorový súčet spinov elementárnych častíc, ktoré tvoria kvantový systém, a orbitálnych momentov týchto častíc v dôsledku ich pohybu v rámci systému. Orbitálny moment || a rotačný moment || získať diskrétnu hodnotu. Orbitálny moment || = ћ[ l(l+1)] 1/2, kde l− orbitálne kvantové číslo (môže nadobúdať hodnoty 0, 1,2,...), vlastný moment hybnosti || = ћ 1/2 kde s je spinové kvantové číslo (môže nadobudnúť nulové, celé alebo polovičné hodnoty J, celkový moment hybnosti sa rovná súčtu + = .
Medzi odvodené jednotky patrí: energia častice, rýchlosť, ktorá nahrádza rýchlosť pre relativistické častice, magnetický moment atď.
energie pokojová častica: E = mc2; pohybujúca sa častica: E \u003d m 2 c 4 + p 2 c 2.
Pre nerelativistické častice: E = mc 2 + p 2 /2m; pre relativistické častice s hmotnosťou m = 0: E = porov.
Energetické jednotky - eV, keV, MeV, GeV, TeV, ... 1 GeV = 10 9 eV, 1 TeV = 10 12 eV,
1 eV = 1,6 10 -12 erg.
Rýchlosť častíc
β = v/c, kde c = 3 10 10 cm/s je rýchlosť svetla. Rýchlosť častice určuje najdôležitejšia charakteristika ako Lorentzov faktor častice γ = 1/(1-β 2) 1/2 = E/mc 2 . Vždy γ > 1- Pre nerelativistické častice 1< γ < 2, а для релятивистских частиц γ > 2.
Vo fyzike vysokých energií je rýchlosť častice β blízka 1 a je ťažké ju určiť pre relativistické častice. Preto sa namiesto rýchlosti používa rýchlosť y, ktorá súvisí s rýchlosťou vzťahom y = (1/2)ln[(1+β)/(1-β)] = (1/2)ln[(E +p)/(E-p)]. Rýchlosť sa mení z 0 na ∞.
Funkčný vzťah medzi rýchlosťou častice a rýchlosťou je znázornený na obr. 5. Pre relativistické častice pri β → 1, Е → р potom namiesto rýchlosti možno použiť pseudorýchlosť η, ktorá je určená uhlom úniku častice θ, η = (1/2)ln tan(θ/2) . Rýchlosť je na rozdiel od rýchlosti aditívna veličina, t.j. y 2 = y 0 + y 1 pre ľubovoľnú referenčnú sústavu a pre akékoľvek relativistické a nerelativistické častice.
Magnetický moment
μ = Iπr 2 /c, kde prúd I = ev/2πr, vzniká rotáciou elektrického náboja. Každá nabitá častica má teda magnetický moment. Pri zvažovaní magnetického momentu elektrónu sa používa Bohrov magnetón
μ B = eћ/2m e c = 0,5788·10 -14 MeV/Gs, magnetický moment elektrónu = g·μ B ·. Koeficient g sa nazýva gyromagnetický pomer. Pre elektrón g = /μ B · = 2, pretože J = ћ/2, = μ B za predpokladu, že elektrón je bodová častica bez štruktúry. Gyromagnetický pomer g obsahuje informácie o štruktúre častice. Množstvo (g − 2) sa meria v experimentoch zameraných na štúdium štruktúry iných častíc ako leptónov. Pre leptóny táto veličina naznačuje úlohu vyšších elektromagnetických korekcií (pozri časť 7.1 nižšie).
V jadrovej fyzike sa používa jadrový magnetón μ i = eћ/2m p c, kde m p je hmotnosť protónu.
2.1.1. Heaviside systém a jeho vzťah k systému CGS
V systéme Heaviside sa predpokladá, že rýchlosť svetla c a Planckova konštanta ћ sa rovnajú jednote, t.j. c = ћ = 1. Hlavnými jednotkami merania sú energetické jednotky - MeV alebo MeV -1, pričom v systéme CGS sú hlavnými jednotkami merania [g, cm, s]. Potom pomocou vzťahov: E \u003d mc 2 \u003d m \u003d MeV, l= ћ/mc = MeV -1, t = ћ/mc 2 = MeV -1, dostaneme vzťah medzi systémom Heaviside a systémom CGS v tvare:- m(g) = m(MeV)210-27,
- l(cm) = l(MeV-1) 210-11,
- t (c) \u003d t (MeV -1) b.b 10 -22.
Systém Heaviside sa používa vo fyzike vysokých energií na popis javov vyskytujúcich sa v mikrokozme a je založený na použití prirodzených konštánt с a ћ, ktoré sú rozhodujúce v relativistickej a kvantovej mechanike.
Číselné hodnoty zodpovedajúcich veličín v systéme CGS pre elektrón a protón sú uvedené v tabuľke. 3 a možno ho použiť na prechod z jedného systému do druhého.
Tabuľka 3. Číselné hodnoty veličín v systéme CGS pre elektrón a protón
2.1.2. Planck (prírodné) jednotky
Pri zvažovaní gravitačných účinkov sa zavádza Planckova stupnica na meranie energie, hmotnosti, dĺžky a času. Ak sa gravitačná energia objektu rovná jeho celkovej energii, t.j.
potom
dĺžka = 1,6 10 -33 cm,
hmotnosť = 2,2 10 -5 g = 1,2 10 19 GeV,
čas = 5,4 10 -44 s,
kde 
\u003d 6,67 10 -8 cm 2 g -1 s -2.
Gravitačné účinky sú významné, keď je gravitačná energia objektu porovnateľná s jeho celkovou energiou.
2.2. Klasifikácia elementárnych častíc
Pojem „elementárna častica“ sa vytvoril s zistením diskrétnej povahy štruktúry hmoty na mikroskopickej úrovni.
Atómy → jadrá → nukleóny → partóny (kvarky a gluóny)
V modernej fyzike sa pojem „elementárne častice“ používa na pomenovanie veľkej skupiny drobných pozorovanéčastice hmoty. Táto skupina častíc je veľmi rozsiahla: p protóny, n neutróny, π- a K-mezóny, hyperóny, začarované častice (J/ψ...) a mnohé rezonancie (celkové
~ 350 častíc). Tieto častice sa nazývajú "hadróny".
Ukázalo sa, že tieto častice nie sú elementárne, ale sú to kompozitné systémy, ktorých zložky sú skutočne elementárne alebo, ako sa začali nazývať, “ zásadný
"častice - partons, objavený pri štúdiu štruktúry protónu. Štúdium vlastností partónov umožnilo ich stotožnenie kvarky a gluóny zaviedli Gell-Mann a Zweig pri klasifikácii pozorovaných elementárnych častíc. Ukázalo sa, že kvarky sú fermióny so spinom J = 1/2. Boli im priradené zlomkové elektrické náboje a baryónové číslo B = 1/3, keďže baryón s B = 1 pozostáva z troch kvarkov. Navyše, na vysvetlenie vlastností niektorých baryónov bolo potrebné zaviesť nové kvantové číslo – farbu. Každý kvark má tri farebné stavy, označené indexmi 1, 2, 3 alebo slovami červená (R), zelená (G) a modrá (B). Farba sa v pozorovaných hadrónoch nijako neprejavuje a funguje len v ich vnútri.
Doteraz bolo objavených 6 príchutí (druhov) kvarkov.
V tabuľke. 4 ukazuje vlastnosti kvarkov pre jeden farebný stav.
Tabuľka 4. Vlastnosti kvarkov
| Aróma | hmotnosť, MeV/s 2 | ja | ja 3 | Q q /e | s | s | b | t |
| si hore | 330; (5) | 1/2 | 1/2 | 2/3 | 0 | 0 | 0 | 0 |
| d dole | 340; (7) | 1/2 | -1/2 | -1/3 | 0 | 0 | 0 | 0 |
| je to zvláštne | 450; (150) | 0 | 0 | -1/3 | -1 | 0 | 0 | 0 |
| so šarmom | 1500 | 0 | 0 | 2/3 | 0 | 1 | 0 | 0 |
| b krása | 5000 | 0 | 0 | -1/3 | 0 | 0 | -1 | 0 |
| t pravda | 174000 | 0 | 0 | 2/3 | 0 | 0 | 0 | 1 |
Pre každú príchuť kvarku je uvedená jeho hmotnosť (uvedené sú hmotnosti jednotlivých kvarkov a v zátvorkách hmotnosti súčasných kvarkov), izotopový spin I a 3. projekcia izotopového spinu I 3, náboj kvarku Q q /e a kvantové čísla s, c, b, t. Spolu s týmito kvantovými číslami sa často používa hypernábojové kvantové číslo Y = B + s + c + b + t. Medzi projekciou izotopového spinu I 3, elektrickým nábojom Q a hypernábojom Y existuje súvislosť: Q = I 3 + (1/2)Y.
Keďže každý kvark má 3 farby, do úvahy sa musí zapojiť 18 kvarkov. Kvarky nemajú žiadnu štruktúru.
Zároveň medzi elementárnymi časticami bola celá trieda častíc nazývaná „ leptóny". Sú to tiež základné častice, to znamená, že nemajú žiadnu štruktúru. Je ich šesť: tri nabité e, μ, τ a tri neutrálne ν e, ν μ, ν τ. Leptóny sa zúčastňujú iba elektromagnetických a slabých interakcií Leptóny a kvarky s polovičným spinom J = (n+1/2)ћ, n = 0, 1,... sú fundamentálne fermióny. Medzi leptónmi a kvarkami je úžasná symetria: šesť leptónov a šesť kvarkov.
V tabuľke. 5 sú znázornené vlastnosti základných fermiónov: elektrický náboj Q i v jednotkách náboja elektrónu a hmotnosti častíc m. Leptóny a kvarky sa spájajú v troch generáciách (I, II a III). Pre každú generáciu je súčet elektrických nábojov ∑Q i = 0, berúc do úvahy 3 farebné náboje pre každý kvark. Každý fermión má antifermión.
Okrem charakteristík častíc uvedených v tabuľke, dôležitá úloha pre leptóny hrajú leptónové čísla: elektronické L e rovné +1 pre e - a ν e , mión L μ rovné +1 pre μ - a ν μ a taón L τ rovný +1 pre τ - a ν τ , ktoré zodpovedajú príchutiam leptónov zapojených do špecifických reakcií a sú to konzervované množstvá. Pre leptóny je baryónové číslo B = 0.
Tabuľka 5. Vlastnosti fundamentálnych fermiónov
Hmota, ktorá nás obklopuje, pozostáva z fermiónov prvej generácie s nenulovou hmotnosťou. Vplyv častíc druhej a tretej generácie sa prejavil už v ranom Vesmíre. Medzi fundamentálnymi časticami zohrávajú osobitnú úlohu bozóny fundamentálnej kalibrácie, ktoré majú celé interné kvantové číslo spin J = nћ, n = 0, 1, .... Kalibračné bozóny sú zodpovedné za štyri typy základných interakcií: silné (gluónové g), elektromagnetické (fotón γ) , slabé (bozóny W ± , Z 0), gravitačné (gravitón G). Sú to tiež základné častice bez štruktúry.
V tabuľke. 6 ukazuje vlastnosti fundamentálnych bozónov, ktoré sú kvantami poľa v kalibračných teóriách.
Tabuľka 6. Vlastnosti základných bozónov
| názov | Nabite | Hmotnosť | Spin | Interakcie |
| Graviton, G | 0 | 0 | 2 | gravitačné |
| Fotón, γ | 0 | < 3·10 -27 эВ | 1 | elektromagnetické |
| Nabité vektorové bozóny, W ± | ±1 | 80,419 GeV/s 2 | 1 | slabý |
| Neutrálny vektorový bozón, Z 0 | 0 | 91,188 GeV/s 2 | 1 | slabý |
| Gluóny, g1, ..., g8 | 0 | 0 | 0 | Silný |
| Higgs, H°, H± | 0 | > 100 GeV/c 2 | 0 |
Okrem vlastností objavených kalibračných bozónov γ, W ± , Z 0, g 1 ,... , g 8 sú v tabuľke uvedené vlastnosti bozónov, ktoré ešte neboli objavené: gravitón G a Higgsov bozón H. 0, H+.
Uvažujme teraz o najpočetnejšej skupine elementárnych silne interagujúcich častíc – hadrónoch, na vysvetlenie štruktúry ktorých bol zavedený pojem kvarky.
Hadróny sa delia na mezóny a baryóny. Mezóny sú postavené z kvarku a antikvarku (q). Baryóny pozostávajú z troch kvarkov (q 1 q 2 q 3).
V tabuľke. 7 sú uvedené vlastnosti základných hadrónov. (Podrobné tabuľky nájdete v The European Physical Journal C, Rev. of Particle Phys., v.15, č. 1 - 4, 2000.)
Tabuľka 7. Vlastnosti hadrónov
| názov | hmotnosť, MeV/s 2 | Životný čas, s | Rozpadové módy | Zloženie kvarku | |||||||||||
| Pivonka 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 mezón η 0 0 + (0 -+) |
548.8 | Г=1,18±0,11 keV | η0 → 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 ± O 0 |
5277.6 5279.4 | 13,1 10 -13 13,1 10 -13 |
B ± → + π ± B 0 →+ π -0 + |
(u), (b) (d), (b) |
|||||||||||
| b | Protón p Neutrón n |
938.3 939.5 |
> 10 33 rokov 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 | |||||||||||
|
|
|
Kvarková štruktúra hadrónov umožňuje v tejto veľkej skupine častíc vyčleniť čudné hadróny, ktoré pozostávajú z čudných kvarkov (u, d), čudné hadróny, medzi ktoré patria čudné kvarky s, očarované hadróny obsahujúce c -kvark, šarm hadróny (spodné hadróny) s kvarkom b.
V tabuľke sú uvedené vlastnosti len malej časti hadrónov: mezónov a baryónov. Zobrazená je ich hmotnosť, životnosť, hlavné spôsoby rozpadu a zloženie kvarkov. Pre mezóny baryónové číslo B \u003d O a leptónové číslo L \u003d 0. Pre baryóny baryónové číslo B \u003d 1, leptónové číslo L \u003d 0. Mezóny sú bozóny (celočíselný spin), baryóny sú fermióny ( polovičné celé číslo).
Ďalšie zváženie vlastností hadrónov nám umožňuje spojiť ich do izotopových multipletov pozostávajúcich z častíc s rovnakými kvantovými číslami (baryónové číslo, spin, vnútorná parita, podivnosť) a podobnými hmotnosťami, ale s rôznymi elektrickými nábojmi. Každý izotopový multiplet je charakterizovaný izotopovým spinom I, ktorý určuje celkový počet častíc v multiplete rovný 2I + 1. Izospin môže nadobúdať hodnoty 0, 1/2, 1, 3/2, 2 , . .., t.j. je možná existencia izotopových singletov, dubletov, tripletov, kvartetov atď. Takže protón a neutrón tvoria izotopový dublet, π + -, π - -, π 0 -mezóny sa považujú za izotopový triplet.
Zložitejšie objekty v mikrokozme sú atómové jadrá. Atómové jadro pozostáva z protónov Z a neutrónov N. Súčet Z + N = A je počet nukleónov v danom izotope. Tabuľky často uvádzajú hodnotu spriemerovanú pre všetky izotopy, potom sa stáva zlomkovou. Sú známe jadrá, pre ktoré sú uvedené hodnoty v rámci: 1< А < 289, 1 < Z < 116.
Častice uvedené vyššie sa berú do úvahy v rámci štandardného modelu. Predpokladá sa, že mimo Štandardného modelu môže existovať ďalšia skupina fundamentálnych častíc – supersymetrické častice (SUSY). Mali by poskytovať symetriu medzi fermiónmi a bozónmi. V tabuľke. 8 ukazuje predpokladané vlastnosti tejto symetrie.
2.3. Terénny prístup k problému interakcií
2.3.1 Vlastnosti základných interakcií
Obrovská rozmanitosť fyzikálnych javov vyskytujúcich sa pri zrážkach elementárnych častíc je determinovaná iba štyrmi typmi interakcií: elektromagnetickou, slabou, silnou a gravitačnou. V kvantovej teórii je interakcia opísaná z hľadiska výmeny špecifických kvánt (bozónov) spojených s daným typom interakcie.
Na vizuálne znázornenie interakcie častíc navrhol americký fyzik R. Feynman použiť diagramy, ktoré dostali jeho meno. Feynmanove diagramy opisujú akýkoľvek proces interakcie pri zrážke dvoch častíc. Každá častica zapojená do procesu je reprezentovaná čiarou na Feynmanovom diagrame. Voľný ľavý alebo pravý koniec čiary označuje, že častica je v počiatočnom alebo konečnom stave. Vnútorné čiary v diagramoch (to znamená čiary, ktoré nemajú voľné konce) zodpovedajú takzvaným virtuálnym časticiam. Sú to častice, ktoré sa rodia a absorbujú v procese interakcie. Nedajú sa zaregistrovať, na rozdiel od skutočných častíc. Interakciu častíc v diagrame predstavujú uzly (alebo vrcholy). Typ interakcie je charakterizovaný väzbovou konštantou α, ktorú možno zapísať ako: α = g 2 /ћc, kde g je náboj zdroja interakcie a je hlavnou kvantitatívnou charakteristikou sily pôsobiacej medzi časticami. Pri elektromagnetickej interakcii α e \u003d e 2 / ћc \u003d 1/137.
 Obr.6. Feynmanov diagram. |
Proces a + b →с + d vo forme Feynmanovho diagramu (obr. 6) vyzerá takto: R je virtuálna častica, ktorú si častice a a b vymieňajú počas interakcie určenej interakčnou konštantou α = g 2 /ћc , ktorá charakterizuje silu interakcie na diaľku rovnajúcu sa polomeru interakcie.
Virtuálna častica môže mať hmotnosť M x a pri výmene tejto častice sa prenesie 4-hybnosť t = −q 2 = Q 2 .
V tabuľke. 9 sú znázornené charakteristiky rôznych typov interakcií.
Elektromagnetické interakcie
. Elektromagnetické interakcie, ktorým sú vystavené všetky nabité častice a fotóny, sú úplne a dôsledne študované. Nosičom interakcie je fotón. Pre elektromagnetické sily sa interakčná konštanta číselne rovná konštante jemnej štruktúry α e = e 2 /ћc = 1/137.
Príkladmi najjednoduchších elektromagnetických procesov sú fotoelektrický jav, Comptonov jav, tvorba elektrón-pozitrónových párov a pre nabité častice rozptyl ionizácie a brzdné žiarenie. Teória týchto interakcií – kvantová elektrodynamika – je najpresnejšou fyzikálnou teóriou.
Slabé interakcie.
Prvýkrát boli pozorované slabé interakcie pri β-rozpade atómových jadier. A ako sa ukázalo, tieto rozpady sú spojené s premenami protónu na neutrón v jadre a naopak:
p → n + e + + ν e , n → p + e - + e . Možné sú aj reverzné reakcie: záchyt elektrónov e - + p → n + ν e alebo antineutrino e + p → e + + n. Slabú interakciu opísal Enrico Fermi v roku 1934 ako štvorfermiónovú kontaktnú interakciu definovanú Fermiho konštantou.
G F \u003d 1,4 10 -49 erg cm 3.
Pri veľmi vysokých energiách sa namiesto Fermiho kontaktnej interakcie slabá interakcia opisuje ako výmenná interakcia, pri ktorej dochádza k výmene kvanta obdareného slabým nábojom gw (analogicky k elektrickému náboju) a pôsobiaceho medzi fermiónmi. Takéto kvantá prvýkrát objavil v roku 1983 v SppS Collider (CERN) tím pod vedením Karla Rubbiu. Ide o nabité bozóny - W ± a neutrálny bozón - Z 0 , ich hmotnosti sú v tomto poradí rovnaké: m W± = 80 GeV/c 2 a m Z = 90 GeV/c 2 . Interakčná konštanta α W je v tomto prípade vyjadrená ako Fermiho konštanta:
Tabuľka 9. Hlavné typy interakcií a ich charakteristiky
| generácie | Kvarky s nábojom (+2/3) | Kvarky s nábojom (-1/3) | ||||||
| Symbol kvarku/antikvark | hmotnosť (MeV) | Názov/chuť kvarku/antikvark | Symbol kvarku/antikvark | hmotnosť (MeV) | ||||
|---|---|---|---|---|---|---|---|---|
| 1 | u-kvark (up-kvark) / anti-u-kvark | texvc nenájdené; Pomoc s nastavením nájdete v časti math/README.): u / \, \overline(u)
|
od 1,5 do 3 | d-quark (down-quark) / anti-d-quark | Nedá sa analyzovať výraz (spustiteľný súbor texvc nenájdené; Pomoc s nastavením nájdete v časti math/README.): d / \, \overline(d)
|
4,79 ± 0,07 | ||
| 2 | c-kvark (charm-quark) / anti-c-kvark | Nedá sa analyzovať výraz (spustiteľný súbor texvc nenájdené; Pomoc s nastavením nájdete v časti math/README.): c / \, \overline(c)
|
1250±90 | s-kvark (podivný kvark) / anti-s-kvark | Nedá sa analyzovať výraz (spustiteľný súbor texvc nenájdené; Pomoc s nastavením nájdete v časti math/README.): s / \, \overline(s)
|
95±25 | ||
| 3 | t-kvark (top-kvark) / anti-t-kvark | Nedá sa analyzovať výraz (spustiteľný súbor texvc nenájdené; Pomoc s nastavením nájdete v časti math/README.): t / \, \overline(t)
|
174 200 ± 3300 | b-kvark (bottom-quark) / anti-b-kvark | Nedá sa analyzovať výraz (spustiteľný súbor texvc nenájdené; Pomoc s nastavením nájdete v časti math/README.): b / \, \overline(b)
|
4200±70 | ||
pozri tiež
Napíšte recenziu na článok "Základná častica"
Poznámky
Odkazy
- S. A. Slavatinský// Moskovský inštitút fyziky a technológie (Dolgoprudny, Moskovský región)
- Slavatinský S.A. // SOZH, 2001, č. 2, s. 62–68 archív http://web.archive.org/web/20060116134302/http://journal.issep.rssi.ru/annot.php?id=S1176
- // nuclphys.sinp.msu.ru
- // second-physics.ru
- // fyzika.ru
- // nature.web.ru
- // nature.web.ru
- // nature.web.ru
| Najznámejším vzorcom zo všeobecnej teórie relativity je zákon zachovania hmoty a energie | Tento článok z fyziky je útržok. Môžete pomôcť projektu jeho pridaním. |
| |||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
Uvedené na obr fundamentálne fermióny, so spinom ½, sú „prvé tehly“ hmoty. Sú zastúpení leptóny(elektróny e, neutríno atď.) - častice nezúčastňujúce sa na silný jadrové interakcie a kvarky, ktoré sú zapojené do silných interakcií. Jadrové častice sa skladajú z kvarkov hadróny(protóny, neutróny a mezóny). Každá z týchto častíc má svoju antičasticu, ktorá musí byť umiestnená v tej istej bunke. Označenie antičastice sa odlišuje znakom tilda (~).
Zo šiestich druhov kvarkov alebo šesť vône elektrický náboj 2/3 (v jednotkách elementárneho náboja e) mať hornú ( u), očarený ( c) a pravdivé ( t) kvarky a s nábojom –1/3 – nižším ( d), zvláštne ( s) a krásny ( b) kvarky. Antikvarky s rovnakými príchuťami budú mať elektrický náboj -2/3 a 1/3.
| základné častice | |||||||||||||||||||
| Základné fermióny (spin s polovicou celého čísla) | Základné bozóny (celočíselný spin) | ||||||||||||||||||
| Leptóny | Kvarky | ||||||||||||||||||
| n e | n m | n t | u | c | t | 2/3 | Silný | El.-magnetický | slabý | gravitačné | |||||||||
| 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 | ||||||||
| ja | II | III | ja | II | III | ||||||||||||||
| Elektroslabá interakcia | |||||||||||||||||||
| veľké zjednotenie | |||||||||||||||||||
| superunifikácia | |||||||||||||||||||
V kvantovej chromodynamike (teória silnej interakcie) sa kvarkom a antikvarkom pripisujú tri typy silných interakčných nábojov: červená R(anti-červená); zelená G(anti-zelená); Modrá B(antimodrá). Farebná (silná) interakcia viaže kvarky v hadrónoch. Posledné sa delia na baryóny, pozostávajúci z troch kvarkov a mezóny pozostávajúce z dvoch kvarkov. Napríklad protóny a neutróny súvisiace s baryónmi majú nasledujúce kvarkové zloženie:
p = (uud) a , n = (ddu) a .
Ako príklad uvádzame zloženie tripletu pi-mezónu:
, , 
Z týchto vzorcov je ľahké vidieť, že náboj protónu je +1, zatiaľ čo náboj antiprotónu je -1. Neutrón a antineutrón majú nulový náboj. Spiny kvarkov v týchto časticiach sa sčítajú tak, aby ich celkové spiny boli rovné ½. Možné sú aj také kombinácie rovnakých kvarkov, v ktorých sú celkové spiny rovné 3/2. Takéto elementárne častice (D ++, D +, D 0, D –) boli objavené a patria medzi rezonancie, t.j. hadróny s krátkou životnosťou.
Známy proces rádioaktívneho b-rozpadu, ktorý je znázornený schémou
n ® p + e + ,
z pohľadu kvarkovej teórie vyzerá
(udd) ® ( uud) + e+ alebo d ® u + e + .
Napriek opakovaným pokusom odhaliť voľné kvarky v experimentoch sa to nepodarilo. To naznačuje, že kvarky sa zjavne objavujú iba v zložení zložitejších častíc ( zachytávajúce kvarky). Úplné vysvetlenie tohto javu ešte nebolo podané.
Obrázok 1 ukazuje, že medzi leptónmi a kvarkami existuje symetria, ktorá sa nazýva kvark-leptónová symetria. Častice v hornom rade majú o jeden náboj viac ako častice v spodnom rade. Častice prvej kolóny patria do prvej generácie, druhá - do druhej generácie a tretia kolóna - do tretej generácie. Správne kvarky c, b a t boli predpovedané na základe tejto symetrie. Hmota, ktorá nás obklopuje, pozostáva z častíc prvej generácie. Aká je úloha častíc druhej a tretej generácie? Na túto otázku zatiaľ neexistuje definitívna odpoveď.
Zaujímavý článok
Nedávno sa fyzikom, ktorí sledovali ďalší experiment na Veľkom hadrónovom urýchľovači, konečne podarilo nájsť stopy Higgsovho bozónu alebo, ako to mnohí novinári nazývajú, „božskej častice“. To znamená, že konštrukcia urýchľovača sa plne osvedčila – veď bol vyrobený práve preto, aby tento nepolapiteľný bozón zachytil.
Fyzici pracujúci na Veľkom hadrónovom urýchľovači pomocou detektora CMS prvýkrát zaznamenali zrod dvoch Z-bozónov – jedného z typov udalostí, ktoré môžu byť dôkazom existencie „ťažkej“ verzie Higgsovho bozónu. Aby som bol veľmi presný, 10. októbra detektor CMS prvýkrát zachytil výskyt štyroch miónov. Predbežné výsledky rekonštrukcie umožnili vedcom interpretovať túto udalosť ako kandidáta na výrobu dvoch Z-bozónov neutrálneho kalibru.
Myslím, že teraz by sme mali trochu odbočiť a porozprávať sa o tom, čo sú tieto mióny, bozóny a iné elementárne častice. Podľa štandardného modelu kvantovej mechaniky sa celý svet skladá z rôznych elementárnych častíc, ktoré pri vzájomnom kontakte generujú všetky známe druhy hmoty a energie.
Všetka hmota sa napríklad skladá z 12 základných fermiónových častíc: 6 leptónov, ako je elektrón, mión, tau leptón, a troch druhov neutrín a 6 kvarkov (u, d, s, c, b, t), ktoré môžu spojiť tri generácie fermiónov. Fermióny sú častice, ktoré môžu byť vo voľnom stave, ale kvarky nie sú, sú súčasťou iných častíc, napríklad dobre známych protónov a neutrónov.
Okrem toho sa každá z častíc podieľa na určitom type interakcie, ktoré, ako si pamätáme, sú len štyri: elektromagnetická, slabá (interakcia častíc počas β-rozpadu jadra atómov), silná (zdá sa, že platí atómové jadro spolu) a gravitačné. Ten druhý, ktorého výsledkom je napríklad gravitácia, štandardný model nezohľadňuje, keďže gravitón (častica, ktorá ho poskytuje) ešte nebol nájdený.
Pri iných typoch je všetko jednoduchšie – častice, ktoré sa na nich podieľajú, poznajú fyzici „z videnia“. Tak sa napríklad kvarky zúčastňujú silných, slabých a elektromagnetických interakcií; nabité leptóny (elektrón, mión, tau-leptón) - v slabom a elektromagnetickom; neutrína – len pri slabých interakciách.
Okrem týchto „hmotných“ častíc však existujú aj takzvané virtuálne častice, z ktorých niektoré (napríklad fotón) nemajú hmotnosť vôbec. Aby som bol úprimný, virtuálne častice sú skôr matematickým javom ako fyzikálnou realitou, keďže ich doteraz nikto nikdy „nevidel“. Pri rôznych experimentoch si však fyzici môžu všimnúť stopy ich existencie, pretože, bohužiaľ, sú veľmi krátke.
Aké sú tieto zaujímavé kúsky? Rodia sa až v momente nejakej interakcie (z tých popísaných vyššie), po ktorej sa buď rozložia, alebo ich pohltí niektorá zo základných častíc. Predpokladá sa, že „prenášajú“ interakciu, to znamená, že kontaktovaním základných častíc menia svoje vlastnosti, vďaka čomu v skutočnosti dochádza k interakcii.
Takže napríklad pri elektromagnetických interakciách, ktoré sú najlepšie študované, elektróny neustále absorbujú a emitujú fotóny, virtuálne bezhmotné častice, v dôsledku čoho sa vlastnosti samotných elektrónov trochu menia a stávajú sa schopnými takých výkonov, ako sú napr. pohyb (t. j. elektrický prúd) alebo „skok“ na inú energetickú hladinu (ako sa vyskytuje pri fotosyntéze v rastlinách). Virtuálne častice fungujú rovnakým spôsobom pre iné typy interakcií.
Moderná fyzika pozná okrem fotónu aj ďalšie dva typy virtuálnych častíc, ktoré sa nazývajú bozóny a gluóny. Bosóny sú pre nás teraz mimoriadne zaujímavé - predpokladá sa, že vo všetkých interakciách si ich základné častice neustále vymieňajú, a tým sa navzájom ovplyvňujú. Samotné bozóny sú považované za bezhmotné častice, aj keď niektoré experimenty ukazujú, že to nie je celkom pravda – W- a Z-bozóny môžu krátkodobo nabrať hmotnosť.
Jedným z najzáhadnejších bozónov je ten istý Higgsov bozón, na detekciu stôp ktorého bol v skutočnosti vytvorený Veľký hadrónový urýchľovač. Táto záhadná častica je považovaná za jeden z najbežnejších a najdôležitejších bozónov vo vesmíre.
Ešte v 60. rokoch minulého storočia anglický profesor Peter Higgs navrhol hypotézu, podľa ktorej všetka hmota vo vesmíre vznikla interakciou rôznych častíc s nejakým prvotným základným princípom (vyplývajúcim z Veľkého tresku), ktorý bol neskôr po ňom pomenovaný. Naznačil, že vesmír je preniknutý neviditeľným poľom, cez ktoré niektoré elementárne častice „rastú“ niektoré bozóny, čím získavajú hmotnosť, zatiaľ čo iné, ako napríklad fotóny, zostávajú nezaťažené hmotnosťou.
Vedci teraz zvažujú dve možnosti – existenciu „ľahkej“ a „ťažkej“ možnosti. „Ľahký“ Higgs s hmotnosťou 135 až 200 gigaelektrónvoltov by sa mal rozpadnúť na páry W-bozónov, a ak je hmotnosť bozónu 200 gigaelektrónvoltov alebo viac, potom na páry Z-bozónov, ktoré zase dávajú vznik na páry elektrónov alebo miónov.
Ukazuje sa, že záhadný Higgsov bozón je akoby „tvorcom“ všetkého vo vesmíre. Možno aj preto ho nositeľ Nobelovej ceny Leon Lederman raz nazval „časticovým bohom“. No v médiách bolo toto tvrdenie trochu skreslené a začalo to znieť ako „častica Boha“ alebo „božská častica“.
Ako možno získať stopy prítomnosti „časticového boha“? Predpokladá sa, že Higgsov bozón môže vzniknúť pri zrážkach protónov s neutrínami v urýchľovacom prstenci urýchľovača. V tomto prípade, ako si pamätáme, by sa mal okamžite rozpadnúť na množstvo ďalších častíc (najmä Z-bozóny), ktoré je možné zaregistrovať.
Pravda, samotné detektory nedokážu detekovať Z-bozóny kvôli extrémne krátkej životnosti týchto elementárnych častíc (asi 3×10-25 sekúnd), ale dokážu „chytiť“ mióny, na ktoré sa Z-bozóny premenia.
Dovoľte mi pripomenúť, že mión je nestabilná elementárna častica so záporným elektrickým nábojom a spinom ½. V bežných atómoch sa nevyskytuje, predtým sa vyskytoval len v kozmickom žiarení s rýchlosťou blízkou rýchlosti svetla. Životnosť miónu je veľmi krátka - existuje len 2,2 mikrosekúnd a potom sa rozpadne na elektrón, elektrónové antineutríno a miónové neutríno.
Mióny je možné získať umelo zrážkou protónu a neutrína pri vysokých rýchlostiach. Dlho však nebolo možné dosiahnuť také rýchlosti. Stalo sa tak až pri stavbe Veľkého hadrónového urýchľovača.
A konečne sa dostavili prvé výsledky. Počas experimentu, ktorý sa uskutočnil 10. októbra tohto roku, bol v dôsledku zrážky protónu s neutrínom zaznamenaný zrod štyroch miónov. To dokazuje, že sa objavili dva Z-bozóny neutrálneho kalibru (v takýchto udalostiach sa vždy objavia). Existencia Higgsovho bozónu teda nie je mýtus, ale realita.
Je pravda, že vedci poznamenávajú, že táto udalosť sama o sebe nemusí nevyhnutne znamenať zrod Higgsovho bozónu, pretože iné udalosti môžu viesť k objaveniu sa štyroch miónov. Toto je však prvý z týchto typov udalostí, ktorý môže nakoniec vytvoriť Higgsovu časticu. Aby sme mohli s istotou hovoriť o existencii Higgsovho bozónu v určitom hmotnostnom rozsahu, je potrebné nazhromaždiť značné množstvo takýchto udalostí a analyzovať, ako sú hmoty produkovaných častíc rozložené.
Čokoľvek však poviete, prvý krok k dokázaniu existencie „časticového boha“ už bol urobený. Snáď ďalšie experimenty dokážu poskytnúť ešte viac informácií o záhadnom Higgsovom bozóne. Ak to vedci konečne „chytia“, budú môcť obnoviť podmienky, ktoré existovali pred 13 miliardami rokov po Veľkom tresku, teda podmienky, za ktorých sa zrodil náš vesmír.
