fundamentálna častica. Základné (bezštruktúrne) častice. Klasifikácia elementárnych častíc

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.

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(anti modrá). Farebná (silná) interakcia viaže kvarky v hadrónoch. Posledné sa delia na baryóny pozostávajúce 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.

O POCHOPENÍ POHYBU HMOTY, JEJ SCHOPNOSTI SEBA ROZVOJA, AKO AJ KOMUNIKÁCIE A INTERAKCIE HMOTNÝCH OBJEKTOV V MODERNEJ PRÍRODOVEDE

Tsyupka V.P.

Federálna štátna autonómna vzdelávacia inštitúcia vyššieho vzdelávania odborné vzdelanieŠtátny príslušník Belgorodu výskumná univerzita"(NRU "BelGU")

1. Pohyb hmoty

„Neoddeliteľnou vlastnosťou hmoty je pohyb“ 1 , ktorý je formou existencie hmoty a prejavuje sa v akejkoľvek jej zmene. Z nezničiteľnosti a nezničiteľnosti hmoty a jej atribútov vrátane pohybu vyplýva, že pohyb hmoty existuje večne a je nekonečne rôznorodý v podobe svojich prejavov.

Existencia akéhokoľvek hmotného objektu sa prejavuje v jeho pohybe, t.j. v akejkoľvek zmene, ktorá s ním nastane. V priebehu zmien sa vždy menia niektoré vlastnosti hmotného objektu. Keďže súhrn všetkých vlastností hmotného objektu, ktorý charakterizuje jeho určitosť, individualitu, črtu v určitom časovom okamihu, zodpovedá jeho stavu, ukazuje sa, že pohyb hmotného objektu je sprevádzaný zmenou jeho stavov. . Zmena vlastností môže zájsť tak ďaleko, že z jedného hmotného objektu sa môže stať iný hmotný objekt. „Hmotný objekt sa však nikdy nemôže zmeniť na vlastnosť“ (napríklad hmotnosť, energia) a „vlastnosť – na hmotný objekt“ 2, pretože meniacou sa látkou môže byť iba pohybujúca sa hmota. V prírodnej vede sa pohyb hmoty nazýva aj prírodný jav (prírodný jav).

Je známe, že „bez pohybu nie je hmota“ 3 rovnako ako bez hmoty nemôže byť pohyb.

Pohyb hmoty je možné vyjadriť kvantitatívne. Univerzálnym kvantitatívnym meradlom pohybu hmoty, ako aj akéhokoľvek hmotného objektu, je energia, ktorá vyjadruje vlastnú činnosť hmoty a akéhokoľvek hmotného objektu. Energia je teda jednou z vlastností pohybujúcej sa hmoty a energia nemôže byť mimo hmoty, oddelene od nej. Energia je v ekvivalentnom vzťahu s hmotnosťou. Preto hmotnosť môže charakterizovať nielen množstvo látky, ale aj stupeň jej aktivity. Z toho, že pohyb hmoty existuje večne a je nekonečne rôznorodý vo forme svojich prejavov, neúprosne vyplýva, že aj energia charakterizujúca pohyb hmoty kvantitatívne existuje večne (nestvorená a nezničiteľná) a nekonečne rôznorodá vo forme svojich prejavov. . „Energia teda nikdy nezmizne a už sa neobjaví, iba sa mení z jednej formy do druhej“ 1 v súlade so zmenou druhov pohybu.

Pozorované rôzne druhy(formy) pohybu hmoty. Môžu byť klasifikované s prihliadnutím na zmeny vlastností hmotných objektov a charakteristiky ich vzájomného vplyvu.

Pohyb fyzického vákua (voľné základné polia v normálnom stave) je redukovaný na skutočnosť, že sa neustále mierne odchyľuje v rôznych smeroch od svojej rovnováhy, akoby sa „chvel“. V dôsledku takýchto samovoľných nízkoenergetických vzruchov (odchýlky, perturbácie, fluktuácie) vznikajú virtuálne častice, ktoré sa okamžite rozpúšťajú vo fyzikálnom vákuu. Ide o najnižší (základný) energetický stav pohybujúceho sa fyzického vákua, jeho energia je blízka nule. Ale fyzikálne vákuum môže na určitý čas prejsť na určitom mieste do excitovaného stavu, charakterizovaného určitým prebytkom energie. Pri takýchto výrazných, vysokoenergetických excitáciách (odchýlky, poruchy, fluktuácie) fyzického vákua môžu virtuálne častice dokončiť svoj vzhľad a potom sa z fyzického vákua vylomia skutočné fundamentálne častice rôznych typov, a to spravidla v pároch ( majúci elektrický náboj vo forme častice a antičastice s elektrickými nábojmi opačného znamienka, napríklad vo forme elektrón-pozitrónového páru).

Jednotlivé kvantové excitácie rôznych voľných základných polí sú základnými časticami.

Fermiónové (spinorové) fundamentálne polia môžu viesť k vzniku 24 fermiónov (6 kvarkov a 6 antikvarkov, ako aj 6 leptónov a 6 antileptónov), ktoré sú rozdelené do troch generácií (rodín). V prvej generácii tvoria kvarky up a down (a antikvarky), ako aj leptóny, elektrón a elektrónové neutríno (a pozitrón s elektrónovým antineutrínom) bežnú hmotu (a zriedkavo detekovanú antihmotu). V druhej generácii, s väčšou hmotnosťou (väčší gravitačný náboj), očarované a podivné kvarky (a antikvarky), ako aj leptóny miónové a miónové neutríno (a antimión s miónovým antineutrínom). V tretej generácii pravé a milé kvarky (a antikvarky), ako aj leptóny taon a taon neutrino (a antitaon s taon antineutrínom). Fermióny druhej a tretej generácie sa nezúčastňujú na tvorbe bežnej hmoty, sú nestabilné a rozpadajú sa tvorbou fermiónov prvej generácie.

Bosonické (meracie) fundamentálne polia môžu generovať 18 typov bozónov: gravitačné pole – gravitóny, elektromagnetické pole – fotóny, slabé interakčné pole – 3 typy „viónov“ 1 , gluónové pole – 8 typov gluónov, Higgsovo pole – 5 typov Higgsovho bozóny.

Fyzikálne vákuum v dostatočne vysokoenergetickom (excitovanom) stave je schopné generovať veľa základných častíc s významnou energiou vo forme minivesmíru.

Pre substanciu mikrokozmu je pohyb znížený:

šíriť sa, zrážať sa a premieňať jeden na druhého elementárne častice;

vznik atómových jadier z protónov a neutrónov, ich pohyb, kolízia a zmena;

vznik atómov z atómových jadier a elektrónov, ich pohyb, kolízia a zmena vrátane preskakovania elektrónov z jedného atómového orbitálu na druhý a ich oddeľovanie od atómov, pridávanie prebytočných elektrónov;

vznik molekúl z atómov, ich pohyb, kolízia a zmena vrátane pridávania nových atómov, uvoľňovania atómov, nahrádzania niektorých atómov inými, zmeny vzájomného usporiadania atómov v molekule.

Pre substanciu makrokozmu a megasveta je pohyb redukovaný na premiestňovanie, kolíziu, deformáciu, deštrukciu, zjednocovanie rôznych telies, ako aj na ich najrozmanitejšie zmeny.

Ak je pohyb hmotného objektu (kvantovaného poľa alebo hmotného objektu) sprevádzaný zmenou iba jeho fyzikálnych vlastností, napríklad frekvencie alebo vlnovej dĺžky pre kvantované pole, okamžitej rýchlosti, teploty, elektrického náboja pre hmotný objekt, potom sa takýto pohyb označuje ako fyzická forma. Ak je pohyb hmotného objektu sprevádzaný zmenou jeho chemických vlastností, napríklad rozpustnosti, horľavosti, kyslosti, potom sa takýto pohyb označuje ako chemická forma. Ak sa pohyb týka zmeny objektov mega sveta ( vesmírne objekty), potom sa takýto pohyb označuje ako astronomická forma. Ak sa pohyb týka zmeny objektov hlbokých zemských schránok (zemského vnútra), potom sa takýto pohyb označuje ako geologická forma. Ak sa pohyb týka zmeny objektov geografickej schránky, ktorá spája všetky povrchové pozemské schránky, potom sa takýto pohyb označuje ako geografická forma. Pohyb živých tiel a ich sústav v podobe ich rôznych životných prejavov sa označuje ako biologická forma. Pohyb hmotných predmetov sprevádzaný zmenou spoločensky významných vlastností s povinnou účasťou osoby, napríklad ťažba železnej rudy a výroba železa a ocele, pestovanie cukrovej repy a výroba cukru, je označované ako sociálne determinovaná forma pohybu.

Pohyb akéhokoľvek hmotného objektu nemožno vždy pripísať jednej forme. Je komplexný a rôznorodý. Dokonca aj fyzický pohyb materiálnych objektov z kvantovaného poľa na telá môže zahŕňať niekoľko foriem. Napríklad elastická zrážka (zrážka) dvoch pevných telies vo forme biliardových gúľ zahŕňa zmenu polohy gúľ voči sebe a stolu v priebehu času, ako aj rotáciu gúľ a trenie guľôčky na povrchu stola a vzduchu a pohyb častíc každej gule a prakticky vratná zmena tvaru guľôčok pri pružnej kolízii a výmena kinetickej energie s jej čiastočnou premenou na vnútornú energiu guľôčky pri elastickej zrážke a prenos tepla medzi loptičkami, vzduchom a povrchom stola a možný rádioaktívny rozpad jadier nestabilných izotopov obsiahnutých v guľôčkach a prenikanie neutrín kozmického žiarenia cez gule atď. S rozvojom hmoty a vznikom chemických, astronomických, geologických, geografických, biologických a sociálne podmienených hmotných objektov sa formy pohybu stávajú zložitejšími a rozmanitejšími. V chemickom pohybe teda možno vidieť fyzikálne formy pohybu aj kvalitatívne nové, na fyzikálne chemické formy neredukovateľné. V pohybe astronomických, geologických, geografických, biologických a sociálne podmienených objektov možno vidieť tak fyzikálne a chemické formy pohybu, ako aj kvalitatívne nové, neredukovateľné na fyzikálne a chemické, respektíve astronomické, geologické, geografické, biologické alebo sociálne podmienené formy pohybu. V čom nižšie formy pohyby hmoty sa nelíšia v hmotných objektoch rôzneho stupňa zložitosti. Napríklad fyzický pohyb elementárnych častíc, atómových jadier a atómov sa nelíši v astronomických, geologických, geografických, biologických alebo sociálne podmienených hmotných objektoch.

Pri štúdiu zložitých foriem pohybu sa treba vyhnúť dvom extrémom. Po prvé, štúdium komplexnej formy pohybu nemožno zredukovať na jednoduché formy pohybu, komplexnú formu pohybu nemožno odvodiť od jednoduchých. Napríklad biologický pohyb nemožno odvodiť výlučne z fyzikálnych a chemických foriem pohybu, pričom samotné biologické formy pohybu ignorujeme. A po druhé, nemožno sa obmedziť na štúdium iba zložitých foriem pohybu, ignorujúc jednoduché. Napríklad štúdium biologického pohybu je dobrým doplnkom k štúdiu fyzikálnych a chemických foriem pohybu, ktoré sa v tomto prípade prejavujú.

2. Schopnosť hmoty sebarozvoja

Ako je známe, samovývoj hmoty, a hmota je schopná sebarozvoja, je charakterizovaný spontánnou, riadenou a nezvratnou postupnou komplikáciou foriem pohybujúcej sa hmoty.

Spontánny samorozvoj hmoty znamená, že proces postupnej komplikácie foriem pohybujúcej sa hmoty nastáva sám od seba, prirodzene, bez účasti akýchkoľvek neprirodzených či nadprirodzených síl Stvoriteľa, z vnútorných, prirodzených príčin.

Smer samovývoja hmoty znamená akúsi kanalizáciu procesu postupnej komplikácie foriem pohybu hmoty z jednej z jej foriem, ktoré existovali skôr, do inej formy, ktorá sa objavila neskôr: pre každú novú formu pohybu hmoty si môžete nájsť predchádzajúcu formu pohybujúcej sa hmoty, ktorá ju dala na začiatku, a naopak, pre akúkoľvek predchádzajúcu formu pohybujúcej sa hmoty môžete nájsť novú formu pohybujúcej sa hmoty, ktorá z nej vzišla. Zároveň predchádzajúca forma pohybujúcej sa hmoty existovala vždy pred novou formou pohybujúcej sa hmoty, ktorá z nej vznikla, predchádzajúca forma je vždy staršia ako nová forma, ktorá z nej vznikla. V dôsledku kanalizácie sebavývoja pohybujúcej sa hmoty vzniká akási séria postupných komplikácií jej foriem, ktoré ukazujú, akým smerom, ako aj cez ktoré intermediárne (prechodné) formy, historický vývoj tej či onej formy pohybová hmota pokračovala.

Nezvratnosť samovývoja hmoty znamená, že proces postupnej komplikácie foriem pohybujúcej sa hmoty nemôže ísť opačným smerom, teda dozadu: nová forma pohybujúcej sa hmoty nemôže dať vzniknúť forme pohybujúcej sa hmoty, ktorá jej predchádzala, z ktorej vzišla, ale môže sa stať predchádzajúcou formou pre nové formy. A ak sa zrazu ukáže, že nejaká nová forma pohybujúcej sa hmoty je veľmi podobná jednej z foriem, ktorá jej predchádzala, potom to neznamená, že sa pohybujúca sa hmota začala vyvíjať opačným smerom: objavila sa predchádzajúca forma pohybujúcej sa hmoty. oveľa skôr a nová forma pohybujúcej sa hmoty, dokonca a jej veľmi podobná, sa objavila oveľa neskôr a je síce podobná, ale zásadne odlišná forma pohybujúcej sa hmoty.

3. Komunikácia a interakcia hmotných objektov

Integrálnymi vlastnosťami hmoty sú komunikácia a interakcia, ktoré sú príčinou jej pohybu. Keďže spojenie a interakcia sú príčinou pohybu hmoty, je spojenie a interakcia, podobne ako pohyb, univerzálne, t. j. vlastné všetkým hmotným objektom, bez ohľadu na ich povahu, pôvod a zložitosť. Všetky javy v hmotnom svete sú determinované (v zmysle podmienenosti) prírodnými hmotnými súvislosťami a interakciami, ako aj objektívnymi prírodnými zákonmi, odrážajúcimi zákony prepojenia a vzájomného pôsobenia. "V tomto zmysle na svete nie je nič nadprirodzené a absolútne protichodné hmote." 1 Interakcia, podobne ako pohyb, je formou bytia (existencie) hmoty.

Existencia všetkých hmotných objektov sa prejavuje v interakcii. Pre akýkoľvek hmotný „objekt existovať znamená nejakým spôsobom sa prejavovať vo vzťahu k iným hmotným objektom, interagovať s nimi, byť s nimi v objektívnych spojeniach a vzťahoch. Ak by hypotetický hmotný „objekt, ktorý by sa nijako neprejavoval vo vzťahu k nejakým iným hmotným objektom, nebol by s nimi nijako spojený, neinteragoval by s nimi, potom by pre tieto iné hmotné objekty neexistoval. "Ale náš predpoklad o ňom tiež nemohol byť založený na ničom, pretože kvôli nedostatku interakcie by sme o ňom nemali žiadne informácie." 2

Interakcia je proces vzájomného ovplyvňovania niektorých hmotných predmetov na iné s výmenou energie. Interakcia reálnych objektov môže byť priama napríklad vo forme zrážky (zrážky) dvoch pevných telies. A môže sa to stať na diaľku. V tomto prípade interakciu skutočných objektov zabezpečujú bosonické (meracie) základné polia, ktoré sú s nimi spojené. Zmena v jednom hmotnom objekte spôsobí excitáciu (odchýlku, perturbáciu, fluktuáciu) príslušného bosonického (meradla) základného poľa s ním spojeného a toto budenie sa šíri vo forme vlny s konečnou rýchlosťou nepresahujúcou rýchlosť svetla vo vákuu. (takmer 300 tisíc km / s). Interakcia reálnych objektov na diaľku má podľa mechanizmu prenosu interakcie kvantového poľa výmenný charakter, pretože interakciu prenášajú nosné častice vo forme kvánt zodpovedajúceho bosonického (meradla) základného poľa. Rôzne bozóny ako interakčné nosné častice sú excitáciami (odchýlkami, perturbáciami, fluktuáciami) zodpovedajúcich bosonických (meradlových) základných polí: pri emisii a absorpcii hmotného objektu sú skutočné a pri šírení virtuálne.

Ukazuje sa, že v každom prípade je interakcia hmotných objektov, dokonca aj na diaľku, činnosťou krátkeho dosahu, pretože sa uskutočňuje bez akýchkoľvek medzier, dutín.

Interakcia častice s antičasticou hmoty je sprevádzaná ich anihiláciou, t.j. ich premenou na zodpovedajúce fermionové (spinorové) fundamentálne pole. V tomto prípade sa ich hmotnosť (gravitačná energia) premení na energiu zodpovedajúceho fermionického (spinorového) základného poľa.

Virtuálne častice excitovaného (vychyľujúceho sa, rušiaceho, „chvejúceho sa“) fyzického vákua môžu interagovať so skutočnými časticami, akoby ich obalili a sprevádzali ich vo forme takzvanej kvantovej peny. Napríklad v dôsledku interakcie elektrónov atómu s virtuálnymi časticami fyzického vákua dochádza k určitému posunu ich energetických hladín v atómoch, pričom samotné elektróny vykonávajú oscilačné pohyby s malou amplitúdou.

Existujú štyri typy základných interakcií: gravitačná, elektromagnetická, slabá a silná.

„Gravitačná interakcia sa prejavuje vo vzájomnej príťažlivosti... hmotných objektov s hmotnosťou“ 1 pokoja, t. j. hmotných objektov, na akékoľvek veľké vzdialenosti. Predpokladá sa, že excitované fyzikálne vákuum, ktoré generuje mnoho základných častíc, je schopné prejaviť gravitačné odpudzovanie. Gravitačnú interakciu nesú gravitóny gravitačného poľa. Gravitačné pole spája telesá a častice s pokojovou hmotnosťou. Na šírenie gravitačného poľa vo forme gravitačných vĺn (virtuálnych gravitónov) nie je potrebné žiadne médium. Gravitačná interakcia je svojou silou najslabšia, preto je v mikrosvete bezvýznamná pre nevýznamnosť hmôt častíc, v makrokozme je jej prejav citeľný a spôsobuje napríklad pád telies na Zem, resp. v megasvete zohráva vedúcu úlohu vďaka obrovským hmotám telies megasveta a zabezpečuje napríklad rotáciu Mesiaca a umelých satelitov okolo Zeme; vznik a pohyb planét, planetoidov, komét a iných telies v slnečnej sústave a jej celistvosť; vznik a pohyb hviezd v galaxiách - obrie hviezdne systémy, vrátane až stoviek miliárd hviezd, spojených vzájomnou gravitáciou a spoločným pôvodom, ako aj ich celistvosť; celistvosť zhlukov galaxií - sústavy relatívne blízko rozmiestnených galaxií spojených gravitačnými silami; celistvosť Metagalaxie – sústava všetkých známych zhlukov galaxií, spojených gravitačnými silami, ako študovaná časť Vesmíru, celistvosť celého Vesmíru. Gravitačná interakcia určuje koncentráciu hmoty rozptýlenej vo vesmíre a jej zaradenie do nových cyklov vývoja.

„Elektromagnetická interakcia je spôsobená elektrickým nábojom a je prenášaná“ 1 fotónmi elektromagnetického poľa na akúkoľvek veľkú vzdialenosť. Elektromagnetické pole spája telá a častice, ktoré majú elektrický náboj. Stacionárne elektrické náboje sú navyše spojené iba elektrickou zložkou elektromagnetického poľa vo forme elektrického poľa a mobilné elektrické náboje sú spojené tak elektrickou, ako aj magnetickou zložkou elektromagnetického poľa. Na šírenie elektromagnetického poľa vo forme elektromagnetických vĺn nie je potrebné žiadne ďalšie médium, pretože „meniace sa magnetické pole vytvára striedavé elektrické pole, ktoré je zase zdrojom striedavého magnetického poľa“ 2 . „Elektromagnetická interakcia sa môže prejaviť ako príťažlivosť (medzi opačnými nábojmi), ako aj odpudzovanie (medzi“ 3 podobnými nábojmi). Elektromagnetická interakcia je oveľa silnejšia ako gravitačná. Prejavuje sa ako v mikrokozme, tak aj v makrokozme a megasvete, ale vedúca úloha mu patrí v makrokozme. Elektromagnetická interakcia zabezpečuje interakciu elektrónov s jadrami. Medziatómová a medzimolekulová interakcia je elektromagnetická, vďaka nej existujú napríklad molekuly a uskutočňuje sa chemická forma pohybu hmoty, existujú telesá a určujú sa ich stavy agregácie, elasticity, trenia, povrchového napätia kvapaliny, videnie funkcie. Elektromagnetická interakcia teda zabezpečuje stabilitu atómov, molekúl a makroskopických telies.

Slabá interakcia zahŕňa elementárne častice, ktoré majú pokojovú hmotnosť, sú prenášané "viónmi" 4 kalibračných polí. Polia slabej interakcie viažu rôzne elementárne častice s pokojovou hmotnosťou. Slabá interakcia je oveľa slabšia ako elektromagnetická, ale silnejšia ako gravitačná. Svojím krátkym pôsobením sa prejavuje len v mikrokozme, pričom spôsobuje napríklad väčšinu samorozpadov elementárnych častíc (napríklad voľný neutrón sa za účasti záporne nabitého kalibrového bozónu samorozpadne na protón , elektrón a elektrónové antineutríno, niekedy vzniká ďalší fotón), interakcia neutrína so zvyškom látky.

Silná interakcia sa prejavuje vzájomnou príťažlivosťou hadrónov, medzi ktoré patria kvarkové štruktúry, napríklad dvojkvarkové mezóny a trojkvarkové nukleóny. Prenášajú ho gluóny gluónových polí. Gluónové polia viažu hadróny. Ide o najsilnejšiu interakciu, ktorá sa však vďaka svojmu krátkemu pôsobeniu prejavuje len v mikrokozme, zabezpečuje napríklad väzbu kvarkov v nukleónoch, väzbu nukleónov v jadrách atómov, zabezpečuje ich stabilitu. Silná interakcia je 1000-krát silnejšia ako elektromagnetická a nedovoľuje, aby sa podobne nabité protóny spojené v jadre rozptýlili. Vďaka silnej interakcii sú možné aj termonukleárne reakcie, pri ktorých sa niekoľko jadier spája do jedného. Prírodné termonukleárne reaktory sú hviezdy, ktoré vytvárajú všetky chemické prvky ťažšie ako vodík. Ťažké mnohojadrové jadrá sa stávajú nestabilnými a štiepia sa, pretože ich rozmery už presahujú vzdialenosť, pri ktorej sa prejavuje silná interakcia.

„Výsledkom experimentálnych štúdií interakcií elementárnych častíc... sa zistilo, že pri vysokých energiách zrážky protónov – asi 100 GeV – sa slabé a elektromagnetické interakcie nelíšia – možno ich považovať za jedinú elektroslabú interakcia." 1 Predpokladá sa, že „pri energii 10 15 GeV sa k nim pripojí silná interakcia a pri“ 2 ešte „vyšších interakčných energiách častíc (až 10 19 GeV) alebo pri extrémne vysokej teplote hmoty, všetky štyri základné interakcie sa vyznačujú rovnakou silou, t. j. predstavujú jednu interakciu“ 3 vo forme „superschopnosti“. Možno, že takéto vysokoenergetické podmienky existovali na začiatku vývoja vesmíru, ktorý sa vynoril z fyzického vákua. V procese ďalšieho rozpínania vesmíru, sprevádzaného prudkým ochladzovaním vytvorenej hmoty, sa integrálna interakcia najprv rozdelila na elektroslabú, gravitačnú a silnú a potom sa elektroslabá interakcia rozdelila na elektromagnetickú a slabú, t.j. zásadne odlišné interakcie.

BIBLIOGRAFIA:

Karpenkov, S. Kh. Základné pojmy prírodných vied [Text]: učebnica. príspevok pre vysoké školy / S. Kh. Karpenkov. - 2. vyd., prepracované. a dodatočné - M. : Akademický projekt, 2002. - 368 s.

Pojmy moderných prírodných vied [Text]: učebnica. pre univerzity / Ed. V. N. Lavrinenko, V. P. Ratniková. - 3. vyd., prepracované. a dodatočné - M. : UNITI-DANA, 2005. - 317 s.

Filozofické problémy prírodných vied [Text]: učebnica. príspevok pre postgraduálnych študentov a študentov filozofie. a prírody. fak. un-tov / Ed. S. T. Meljukhina. - M. : Vyššia škola, 1985. - 400 s.

Tsyupka, V.P. Prírodovedný obraz sveta: koncepty moderných prírodných vied [Text]: učebnica. príspevok / V. P. Tsyupka. - Belgorod: IPK NRU "BelGU", 2012. - 144 s.

Tsyupka, V.P. Koncepty modernej fyziky tvoriace moderný fyzikálny obraz sveta [Elektronický zdroj] // Vedecký elektronický archív Ruská akadémia Prírodné vedy: externá. elektrón. vedecký conf. "Pojmy moderných prírodných vied alebo prírodovedný obraz sveta" URL: http://site/article/6315(uverejnené: 31.10.2011)

Yandex. Slovníky. [Elektronický zdroj] URL: http://slovari.yandex.ru/

1Karpenkov S. Kh. Základné pojmy prírodných vied. M. Akademický projekt. 2002, s. 60.

2Filozofické problémy prírodných vied. M. Vyššia škola. 1985. S. 181.

3Karpenkov S. Kh. Základné pojmy z prírodných vied ... S. 60.

1Karpenkov S. Kh. Základné pojmy prírodných vied ... S. 79.

1Karpenkov S. Kh.

1Filozofické problémy prírodných vied ... S. 178.

2Tamtiež. S. 191.

1Karpenkov S. Kh. Základné pojmy z prírodných vied ... S. 67.

1Karpenkov S. Kh. Základné pojmy z prírodných vied ... S. 68.

3Filozofické problémy prírodných vied ... S. 195.

4Karpenkov S. Kh. Základné pojmy prírodných vied ... S. 69.

1Karpenkov S. Kh. Základné pojmy z prírodných vied ... S. 70.

2Pojmy moderných prírodných vied. M. JEDNOTA-DANA. 2005. S. 119.

3Karpenkov S. Kh. Základné pojmy z prírodných vied ... S. 71.

Tsyupka V.P. O POROZUMENÍ POHYBU HMOTY, JEJ SCHOPNOSTI SAMO ROZVOJA, AKO AJ SPÁJANIA A INTERAKCIE HMOTNÝCH OBJEKTOV V MODERNEJ PRÍRODOVEDE // Vedecký elektronický archív.
URL: (dátum prístupu: 17.03.2020).

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 farebná sila hlavnou, 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 „tmavá hmota“, ako sú studené planéty, ktoré sa stávajú viditeľnými, keď sú osvetlené). 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 opačné znamenia poplatky. 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.

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. Akokoľvek sa to môže zdať prekvapujúce, ale všetky základné častice majú svoj vlastný uhlový moment hybnosti alebo, inými slovami, 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 kalibračné 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.

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 líšia od elektromagnetickej kalibračnej teórie len vo vnútornej geometrickej „štruktúre“ zodpovedajúceho náboja. Na otázku, kde presne sa tento vnútorný priestor nachádza, odpovedajú multidimenzionálne zjednotené teórie poľa, o ktorých sa tu neuvažuje.

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.

Donedávna sa za elementárne považovalo niekoľko stoviek častíc a antičastíc. Podrobné štúdium ich vlastností a interakcií s inými časticami a vývoj teórie ukázali, že väčšina z nich v skutočnosti nie je elementárna, pretože samy o sebe pozostávajú z najjednoduchších alebo, ako sa teraz hovorí, základných častíc. Samotné fundamentálne častice sa už z ničoho neskladajú. Početné experimenty ukázali, že všetky základné častice sa správajú ako bezrozmerné bodové objekty, ktoré nemajú vnútornú štruktúru, aspoň do najmenších teraz študovaných vzdialeností ~10 -16 cm.

Úvod

Medzi nespočetnými a rôznorodými procesmi interakcie medzi časticami existujú štyri základné alebo základné interakcie: silná (jadrová), elektromagnetická a gravitačná. Vo svete častíc je gravitačná interakcia veľmi slabá, jej úloha je stále nejasná a ďalej sa o nej nebudeme baviť.

V prírode existujú dve skupiny častíc: hadróny, ktoré sa podieľajú na všetkých základných interakciách, a leptóny, ktoré sa nezúčastňujú iba na silnej interakcii.

Podľa moderné nápady interakcie medzi časticami sa uskutočňujú prostredníctvom emisie a následnej absorpcie kvánt zodpovedajúceho poľa (silného, ​​slabého, elektromagnetického) obklopujúceho časticu. Takéto kvantá sú kalibračné bozóny, ktoré sú tiež základnými časticami. Bosóny majú svoj vlastný uhlový moment, nazývaný spin, rovný celočíselnej hodnote Planckovej konštanty $h = 1,05 \cdot 10^(-27) erg \cdot c$. Kvantám poľa a teda aj nositeľmi silnej interakcie sú gluóny, označované symbolom g, kvantá elektromagnetického poľa sú známe kvantá svetla - fotóny, označované $\gamma $, a kvantá slabého poľa a teda aj nositeľov slabých interakcií W± (dvojité ve) - a Z 0 (zet nula)-bozónov.

Na rozdiel od bozónov sú všetky ostatné základné častice fermióny, teda častice, ktoré majú polovičný spin rovný h/2.

V tabuľke. 1 sú znázornené symboly základných fermiónov - leptónov a kvarkov.

Každá častica uvedená v tabuľke. 1 zodpovedá antičastici, ktorá sa od častice líši len znamienkami elektrického náboja a inými kvantovými číslami (pozri tabuľku 2) a smerom rotácie vzhľadom na smer hybnosti častice. Antičastice označíme rovnakými symbolmi ako častice, ale s vlnovkou nad symbolom.

Častice v tabuľke. 1 sú označené gréckymi a latinskými písmenami, a to: písmeno $\nu$ - tri rôzne neutrína, písmená e - elektrón, $\mu$ - mión, $\tau$ - taon, písmená u, c, t, d, s , b označuje kvarky; ich názvy a charakteristiky sú uvedené v tabuľke. 2.

Častice v tabuľke. 1 sú zoskupené do troch generácií I, II a III podľa štruktúry modernej teórie. Náš vesmír je vybudovaný z častíc prvej generácie - leptónov a kvarkov a kalibračných bozónov, ale napr. moderná veda o vývoji vesmíru, v počiatočnom štádiu jeho vývoja dôležitá úloha hrali častice všetkých troch generácií.

Leptóny

Pozrime sa najskôr na vlastnosti leptónov podrobnejšie. V hornom riadku tabuľky 1 obsahuje tri rôzne neutrína: elektrón $\nu_e$, mión $\nu_m$ a tau neutríno $\nu_t$. Ich hmotnosť ešte nie je presne zmeraná, ale ich horná hranica bola určená napríklad pre ne rovné 10 -5 hmotnosti elektrónu (t. j. $\leq 10^(-32)$ g).

Pohľad na tabuľku. 1 mimovoľne vyvoláva otázku, prečo príroda potrebovala vytvorenie troch rôznych neutrín. Na túto otázku zatiaľ neexistuje odpoveď, pretože nebola vytvorená taká ucelená teória fundamentálnych častíc, ktorá by naznačovala nevyhnutnosť a dostatočnosť všetkých takýchto častíc a popisovala by ich hlavné vlastnosti. Možno sa tento problém vyrieši v 21. storočí (alebo neskôr).

Spodný riadok tabuľky. 1 začína časticou, ktorú sme najviac skúmali – elektrónom. Elektrón objavil koncom minulého storočia anglický fyzik J. Thomson. Úloha elektrónov v našom svete je obrovská. Sú to tie negatívne nabité častice, ktoré spolu s atómovými jadrami tvoria všetky nám známe atómy prvkov periodickej tabuľky. V každom atóme sa počet elektrónov presne rovná počtu protónov v atómovom jadre, vďaka čomu je atóm elektricky neutrálny.

Elektrón je stabilný, hlavnou možnosťou zničenia elektrónu je jeho smrť pri zrážke s antičasticou - pozitrónom e + . Tento proces sa nazýva anihilácia:

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

V dôsledku anihilácie vznikajú dve gama kvantá (tzv. vysokoenergetické fotóny), ktoré odnášajú ako pokojové energie e + a e - tak aj ich kinetické energie. Pri vysokých energiách e + a e - vznikajú hadróny a kvarkové páry (pozri napr. (5) a obr. 4).

Reakcia (1) jasne ilustruje platnosť slávneho vzorca A. Einsteina o ekvivalencii hmotnosti a energie: E = mc 2 .

Počas anihilácie pozitrónu zastaveného v hmote a elektrónu v pokoji totiž celá hmotnosť ich zvyšku (rovnajúca sa 1,22 MeV) prechádza do energie $\gama$-kvant, ktoré nemajú žiadnu pokojovú hmotnosť.

V druhej generácii spodného riadku tabuľky. 1 sa nachádza > mión - častica, ktorá je vo všetkých svojich vlastnostiach analógom elektrónu, ale s anomálne veľkou hmotnosťou. Hmotnosť miónu je 207-krát väčšia ako hmotnosť elektrónu. Na rozdiel od elektrónu je mión nestabilný. Čas jeho života t= 2,2 10-6 s. Podľa schémy sa mión rozpadá hlavne na elektrón a dve neutrína

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

Ešte ťažším analógom elektrónu je $\tau$-leptón (taon). Jeho hmotnosť je viac ako 3 tisíckrát väčšia ako hmotnosť elektrónu ($m_(\tau) = 1777$ MeV/c 2), to znamená, že taón je ťažší ako protón a neutrón. Jeho životnosť je 2,9 10 -13 s a z viac ako stovky rôznych schém (kanálov) jeho rozpadu sú možné tieto:

$$\tau^-\left\langle\begin(matica) \to e^- + \tilde \nu_e +\nu_(\tau)\\ \to \mu^- + \tilde \nu_\mu +\nu_ (\tau)\koniec(matica)\vpravo.$$

Keď už hovoríme o leptónoch, je zaujímavé porovnať slabé a elektromagnetické sily v určitej konkrétnej vzdialenosti, napr R\u003d 10 -13 cm. V takejto vzdialenosti sú elektromagnetické sily takmer 10 miliárd krát väčšie ako slabé sily. To však vôbec neznamená, že úloha slabých síl v prírode je malá. Ďaleko od toho.

Práve slabé sily sú zodpovedné za mnohé vzájomné premeny rôznych častíc na iné častice, ako napríklad pri reakciách (2), (3), pričom takéto vzájomné premeny sú jednou z najcharakteristickejších čŕt časticovej fyziky. Na rozdiel od reakcií (2), (3) pôsobia v reakcii (1) elektromagnetické sily.

Keď už hovoríme o leptónoch, musíme dodať, že moderná teória opisuje elektromagnetické a slabé interakcie pomocou jednotnej elektroslabej teórie. Vyvinuli ho S. Weinberg, A. Salam a S. Glashow v roku 1967.

Kvarky

Samotná myšlienka kvarkov vznikla ako výsledok brilantného pokusu klasifikovať veľké množstvo častíc zapojených do silných interakcií a nazývaných hadróny. M. Gell-Man a G. Zweig navrhli, že všetky hadróny pozostávajú zo zodpovedajúceho súboru základných častíc - kvarkov, ich antikvarkov a nosičov silnej interakcie - gluónov.

Celkový počet v súčasnosti pozorovaných hadrónov presahuje sto častíc (a rovnaký počet antičastíc). Mnoho desiatok častíc ešte nebolo zaregistrovaných. Všetky hadróny sú rozdelené na ťažké častice tzv baryóny, a menované priemery mezóny.

Baryóny sú charakterizované baryónovým číslom b= 1 pre častice a b = -1 pre antibaryóny. Ich zrod a zničenie sa vždy vyskytujú v pároch: baryón a antibaryón. Mezóny majú baryónový náboj b = 0. Podľa myšlienky Gell-Manna a Zweiga sa všetky baryóny skladajú z troch kvarkov, antibaryóny - z troch antikvarkov. Preto bolo každému kvarku priradené baryónové číslo 1/3, takže celkovo by mal baryón b= 1 (alebo -1 pre antibaryón pozostávajúci z troch antikvarkov). Mezóny majú baryónové číslo b= 0, takže môžu byť zložené z ľubovoľnej kombinácie párov akéhokoľvek kvarku a akéhokoľvek antikvarku. Okrem kvantových čísel, ktoré sú rovnaké pre všetky kvarky – spinové a baryónové číslo, existujú ich ďalšie dôležité charakteristiky, ako napríklad veľkosť ich pokojovej hmotnosti. m, veľkosť elektrického náboja Q/e(vo zlomkoch elektrónového náboja e\u003d 1,6 · 10 -19 coulomb) a určitý súbor kvantových čísel charakterizujúcich tzv. tvarohová príchuť. Tie obsahujú:

1) hodnota izotopového spinu ja a veľkosť jeho tretej projekcie, tj ja 3. takze u-kvark a d-kvark tvorí izotopový dublet, je im priradený úplný izotopový spin ja= 1/2 s výčnelkami ja 3 = +1/2 zodpovedajúce u-kvark a ja 3 = -1/2 zodpovedajúce d-kvark. Obe zložky dubletu majú podobné hmotnosti a sú identické vo všetkých ostatných vlastnostiach, okrem elektrického náboja;

2) kvantové číslo S- podivnosť charakterizuje zvláštne správanie niektorých častíc, ktoré majú anomálne dlhú životnosť (~10 -8 - 10 -13 s) v porovnaní s charakteristickým jadrovým časom (~10 -23 s). Samotné častice sa nazývajú podivné, obsahujú jeden alebo viac podivných kvarkov a podivných antikvarkov. K vzniku alebo zániku zvláštnych častíc v dôsledku silných interakcií dochádza v pároch, to znamená, že pri akejkoľvek jadrovej reakcii sa súčet $\Sigma$S pred reakciou musí rovnať $\Sigma$S po reakcii. Pri slabých interakciách však zákon zachovania zvláštnosti neplatí.

Pri experimentoch na urýchľovačoch boli pozorované častice, ktoré nebolo možné opísať pomocou u-, d- a s- kvarky. Analogicky s podivnosťou bolo potrebné zaviesť ďalšie tri nové kvarky s novými kvantovými číslami S = +1, AT= -1 a T= +1. Častice zložené z týchto kvarkov majú oveľa väčšiu hmotnosť (> 2 GeV/c2). Majú širokú škálu schém rozpadu so životnosťou ~ 10 -13 s. Súhrn charakteristík všetkých kvarkov je uvedený v tabuľke. 2.

Každý kvark v tabuľke. 2 zodpovedá jeho antikvarku. V prípade antikvarkov majú všetky kvantové čísla opačné znamienko, ako je uvedené pre kvark. O veľkosti hmotnosti kvarkov treba povedať nasledovné. Uvedené v tabuľke. 2 hodnoty zodpovedajú hmotnostiam holých kvarkov, to znamená samotných kvarkov bez ohľadu na gluóny, ktoré ich obklopujú. Hmotnosť upravených kvarkov v dôsledku energie prenášanej gluónmi je väčšia. To je citeľné najmä u tých najľahších u- a d-kvarky, ktorých gluónový obal má energiu asi 300 MeV.

Kvarky, ktoré definujú zákl fyzikálne vlastnostičastice sa nazývajú valenčné kvarky. Hadróny okrem valenčných kvarkov obsahujú virtuálne dvojice častíc – kvarky a antikvarky, ktoré sú emitované a pohlcované gluónmi veľmi dlho. krátky čas

(kde E je energia virtuálneho páru), ku ktorému dochádza pri porušení zákona zachovania energie v súlade s Heisenbergovým vzťahom neurčitosti. Virtuálne dvojice kvarkov sa nazývajú morské kvarky alebo morské kvarky. Štruktúra hadrónov teda zahŕňa valenčné a morské kvarky a gluóny.

Hlavnou črtou všetkých kvarkov je, že sú vlastníkmi zodpovedajúcich silných nábojov. Náboje silného poľa majú tri rovnaké varianty (namiesto jedného elektrického náboja v teórii elektrických síl). V historickej terminológii sa tieto tri typy náboja nazývajú farby kvarkov, a to: podmienene červená, zelená a modrá. Teda každý kvark v tabuľke. 1 a 2 môže byť v troch formách a ide o farebnú časticu. Zmiešanie všetkých troch farieb, rovnako ako v optike, dáva bielu farbu, to znamená, že vybieli časticu. Všetky pozorované hadróny sú bezfarebné.

Interakcie kvarkov sú uskutočňované ôsmimi rôznymi gluónmi. Výraz "gluón" znamená v preklade z v angličtine lepidlo, to znamená, že tieto kvantá poľa sú častice, ktoré akoby lepili kvarky dohromady. Podobne ako kvarky, aj gluóny sú farebné častice, ale keďže každý gluón mení farby dvoch kvarkov naraz (kvark, ktorý emituje gluón a kvark, ktorý gluón absorbuje), gluón je zafarbený dvakrát, pričom nesie farbu a antifarbu, zvyčajne odlišná od farby.

Zvyšná hmotnosť gluónov, podobne ako hmotnosť fotónu, je nulová. Okrem toho sú gluóny elektricky neutrálne a nemajú slabý náboj.

Hadróny sa tiež zvyčajne delia na stabilné častice a rezonancie: baryón a mezón.
Rezonancie sa vyznačujú extrémne krátkou životnosťou (~10 -20 -10 -24 s), pretože ich rozpad je spôsobený silnou interakciou.

Desiatky takýchto častíc objavil americký fyzik L.V. Alvarez. Keďže dráha rozpadu takýchto častíc je taká krátka, že ich nemožno pozorovať v detektoroch, ktoré registrujú stopy častíc (ako je bublinková komora a pod.), všetky boli detekované nepriamo, prítomnosťou vrcholov v závislosti pravdepodobnosť vzájomnej interakcie rôznych častíc na energiu. Obrázok 1 vysvetľuje, čo bolo povedané. Na obrázku je znázornená závislosť prierezu interakcie (úmerného hodnote pravdepodobnosti) kladného piónu $\pi^+$ s protónom p od kinetickej energie piónu. Pri energii asi 200 MeV je vidieť vrchol v priebehu prierezu. Jeho šírka je $\Gamma = 110 $ MeV a celková hmotnosť častíc $\Delta^(++)$ sa rovná $T^(")_(max)+M_p c^2+M_\pi c^2 =1232$ MeV /с 2 , kde $T^(")_(max)$ je kinetická energia zrážky častíc v systéme ich ťažiska. Väčšinu rezonancií možno považovať za excitovaný stav stabilných častíc, pretože majú rovnaké kvarkové zloženie ako ich stabilné náprotivky, hoci hmotnosť rezonancií je väčšia v dôsledku excitačnej energie.

Kvarkový model hadrónov

Kvarkový model hadrónov začneme popisovať z nákresu siločiar vychádzajúcich zo zdroja - kvarku s farebným nábojom a končiaceho na antikvarku (obr. 2, b). Pre porovnanie na obr. 2 a ukazujeme, že v prípade elektromagnetickej interakcie sa siločiary odkláňajú od svojho zdroja - elektrického náboja ako ventilátor, pretože virtuálne fotóny emitované súčasne zdrojom navzájom neinteragujú. Výsledkom je Coulombov zákon.

Na rozdiel od tohto obrázku majú gluóny samotné farebné náboje a navzájom silne interagujú. Výsledkom je, že namiesto vejára siločiar máme zväzok znázornený na obr. 2, b. Lano je natiahnuté medzi kvarkom a antikvarkom, no najprekvapujúcejšie je, že samotné gluóny, ktoré majú farebné náboje, sa stávajú zdrojmi nových gluónov, ktorých počet sa vzďaľovaním od kvarku zvyšuje.
Takýto vzor interakcie zodpovedá závislosti potenciálnej energie interakcie medzi kvarkami od vzdialenosti medzi nimi, znázornenej na obr. 3. Totiž: do diaľky R> 10 -13 cm, závislosť U(R) má lievikovitý charakter a sila farebného náboja v tomto rozsahu vzdialeností je relatívne malá, takže kvarky pri R> 10 -15 cm v prvej aproximácii možno považovať za voľné, neinteragujúce častice. Tento jav má špeciálny názov asymptotická sloboda kvarkov v malom R. Avšak, kedy R viac ako nejaká kritická hodnota $R_(cr) \cca 10^(-13)$ cm U(R) sa stáva priamo úmernou hodnote R. Z toho priamo vyplýva, že sila F = -dU/DR= const, teda nezávisí od vzdialenosti. Žiadne iné interakcie, ktoré fyzici predtým študovali, nemali takú nezvyčajnú vlastnosť.

Výpočty ukazujú, že sily pôsobiace medzi kvarkom a antikvarkom skutočne, počnúc od $R_(cr) \cca 10_(-13)$ cm, prestávajú závisieť od vzdialenosti a zostávajú na úrovni obrovskej hodnoty blízkej 20 ton.Na diaľku R~ 10 -12 cm (rovnajúci sa polomeru priemerných atómových jadier) farebné sily sú viac ako 100 tisíc krát väčšie ako elektromagnetické sily. Ak porovnáme farebnú silu s jadrovými silami medzi protónom a neutrónom vo vnútri atómového jadra, ukáže sa, že farebná sila je tisíckrát väčšia! Fyzikom sa tak otvoril nový grandiózny obraz farebných síl v prírode, o mnoho rádov väčší ako v súčasnosti známe jadrové sily. Samozrejme, okamžite vyvstáva otázka, či sa takéto sily dajú prinútiť fungovať ako zdroj energie. Bohužiaľ, odpoveď na túto otázku je nie.

Prirodzene vyvstáva ďalšia otázka: do akých vzdialeností R medzi kvarkami sa potenciálna energia zvyšuje lineárne so zvyšovaním R?
Odpoveď je jednoduchá: na veľké vzdialenosti sa zväzok siločiar zlomí, pretože je energeticky výhodnejšie vytvoriť zlom so vznikom páru kvark-antikvark. K tomu dochádza, keď je potenciálna energia pri zlome väčšia ako pokojová hmotnosť kvarku a antikvarku. Proces rozbitia zväzku siločiar gluónového poľa je znázornený na obr. 2, v.

Takéto kvalitatívne predstavy o zrode kvarku-antikvaru umožňujú pochopiť, prečo jednotlivé kvarky nie sú vôbec pozorované a nemožno ich pozorovať v prírode. Kvarky sú navždy uväznené v hadrónoch. Tento jav nevyhadzovania kvarkov sa nazýva uväznenie. Pri vysokých energiách môže byť výhodnejšie, aby sa zväzok na mnohých miestach rozbil naraz a vytvoril množinu $q \tilde q$-párov. Takto sme sa priblížili k problému viacnásobného pôrodu. páry kvark-antikvark a vznik tvrdých kvarkových jetov.

Uvažujme najskôr o štruktúre svetelných hadrónov, teda mezónov. Pozostávajú, ako sme už povedali, z jedného kvarku a jedného antikvarku.

Je mimoriadne dôležité, aby obaja partneri páru mali rovnaký farebný náboj a rovnaký anti-náboj (napríklad modrý kvark a anti-modrý antikvark), aby ich pár, bez ohľadu na príchute kvarku, nemal žiadnu farbu. (a pozorujeme len bezfarebné častice).

Všetky kvarky a antikvarky majú spin (v zlomkoch h) rovná 1/2. Preto je celkový spin kombinácie kvarku s antikvarkom buď 0, keď sú spiny antiparalelné, alebo 1, keď sú spiny navzájom paralelné. Ale spin častice môže byť väčší ako 1, ak samotné kvarky rotujú po niektorých dráhach vnútri častice.

V tabuľke. Obrázok 3 ukazuje párové a zložitejšie kombinácie kvarkov s vyznačením, ktorým predtým známym hadrónom táto kombinácia kvarkov zodpovedá.

Z v súčasnosti najlepšie preštudovaných mezónov a mezónových rezonancií najväčšiu skupinu tvoria ľahké nearomatické častice, ktorých kvantové čísla S = C = B= 0. Táto skupina zahŕňa asi 40 častíc. Tabuľka 3 začína piónmi $\pi$ ±,0 objavenými anglickým fyzikom S.F. Powell v roku 1949. Nabité pióny žijú asi 10 -8 s, pričom sa rozpadajú na leptóny podľa nasledujúcich schém:

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

Ich "príbuzní" v tabuľke. 3 - rezonancie $\rho$ ±,0 (mezóny rho) na rozdiel od pionov majú rotáciu J= 1, sú nestabilné a žijú len asi 10 -23 s. Dôvodom rozpadu $\rho$ ±,0 je silná interakcia.

Dôvodom rozpadu nabitých piónov je slabá interakcia, konkrétne skutočnosť, že kvarky, ktoré tvoria časticu, sú schopné emitovať a absorbovať v dôsledku slabej interakcie na krátky čas. t v súlade so vzťahom (4) virtuálne kalibračné bozóny: $u \to d + W^+$ alebo $d \to u + W^-$ a na rozdiel od leptónov existujú aj prechody kvarku jednej generácie na kvark inej generácie, napríklad $u \to b + W^+$ alebo $u \to s + W^+$ atď., hoci takéto prechody sú oveľa zriedkavejšie ako prechody v rámci jednej generácie. Zároveň sa pri všetkých takýchto transformáciách zachováva elektrický náboj v reakcii.

Štúdium mezónov, vrátane s- a c-kvarky, viedli k objavu niekoľkých desiatok zvláštnych a očarených častíc. Ich výskum sa teraz uskutočňuje v mnohých vedeckých centier mier.

Štúdium mezónov, vrátane b- a t-kvarky, začali intenzívne pri urýchľovačoch a nateraz sa o nich nebudeme bližšie baviť.

Prejdime k úvahám o ťažkých hadrónoch, teda baryónoch. Všetky sa skladajú z troch kvarkov, ale tie, ktoré majú všetky tri farby, keďže rovnako ako mezóny, všetky baryóny sú bezfarebné. Kvarky vo vnútri baryónov môžu mať orbitálny pohyb. V tomto prípade celkový spin častice presiahne celkový spin kvarkov, rovný 1/2 alebo 3/2 (ak sú spiny všetkých troch kvarkov navzájom paralelné).

Baryón s minimálnou hmotnosťou je protón p(pozri tabuľku 3). Všetky atómové jadrá sa skladajú z protónov a neutrónov. chemické prvky. Počet protónov v jadre určuje jeho celkový elektrický náboj Z.

Ďalšou hlavnou časticou v atómových jadrách je neutrón. n. Neutrón je o niečo ťažší ako protón, je nestabilný a vo voľnom stave so životnosťou cca 900 s sa rozpadá na protón, elektrón a neutríno. V tabuľke. 3 znázorňuje kvarkový stav protónu uud a neutrón udd. Ale s rotáciou tejto kombinácie kvarkov J= 3/2, vznikajú rezonancie $\Delta^+$ a $D^0$. Všetky ostatné baryóny sa skladajú z ťažších kvarkov s, b, t a majú oveľa väčšiu hmotnosť. Medzi nimi bol mimoriadny záujem W- -hyperón, pozostávajúci z troch podivných kvarkov. Prvýkrát bol objavený na papieri, teda výpočtom s využitím predstáv o kvarkovej štruktúre baryónov. Všetky hlavné vlastnosti tejto častice boli predpovedané a následne potvrdené experimentmi.

Mnohé experimentálne pozorované fakty dnes už presvedčivo hovoria o existencii kvarkov. Hovoríme najmä o objave nového procesu v reakcii zrážky elektrónov a pozitrónov, vedúcej k vytvoreniu kvark-antikvarkových jetov. Schéma tohto procesu je znázornená na obr. 4. Experiment bol vykonaný na urýchľovačoch v Nemecku a USA. Šípky ukazujú smery lúčov na obrázku e+ a e- , a z bodu ich kolízie je emitovaný kvark q a antikvark $\tilde q$ v zenitovom uhle $\Theta$ k smeru letu e+ a e- Pri reakcii vzniká tento pár $q+\tilde q$

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

Ako sme už povedali, škrtidlo siločiar (častejšie hovoria struna) sa rozbije na svoje zložky s dostatočne veľkým napätím.
Pri vysokých energiách kvarku a antikvarku, ako už bolo spomenuté vyššie, sa struna na mnohých miestach pretrhne, v dôsledku čoho sa v oboch smeroch pozdĺž línie letu kvarku q a antikvarku vytvoria dva úzke lúče sekundárnych bezfarebných častíc. znázornené na obr. 4. Takéto časticové lúče sa nazývajú prúdy. V experimente sa pomerne často pozoruje vytváranie troch, štyroch alebo viacerých prúdov častíc súčasne.

V experimentoch, ktoré sa uskutočnili pri superakceleračných energiách v kozmickom žiarení, na ktorých sa podieľal aj autor tohto článku, boli získané fotografie procesu vzniku mnohých výtryskov. Faktom je, že lano alebo struna sú jednorozmerné, a preto sú stredy tvorby troch, štyroch alebo viacerých prúdov tiež umiestnené pozdĺž priamky.

Teória popisujúca silné interakcie sa nazýva tzv kvantová chromodynamika alebo skrátené QCD. Je to oveľa komplikovanejšie ako teória elektroslabých interakcií. QCD je obzvlášť úspešná pri opise takzvaných tvrdých procesov, teda procesov interakcie častíc s veľkým prenosom hybnosti medzi časticami. Hoci tvorba teórie ešte nie je dokončená, mnohí teoretickí fyzici sú už zaneprázdnení tvorbou „veľkého zjednotenia“ – zjednotenia kvantovej chromodynamiky a teórie elektroslabej interakcie do jedinej teórie.

Na záver sa krátko zastavme nad tým, či šesť leptónov a 18 viacfarebných kvarkov (a ich antičastíc), ako aj kvantá základných polí, vyčerpávajú fotón, W ± -, Z 0 -bozóny, osem gluónov a napokon kvantá gravitačného poľa - gravitóny - celý arzenál skutočne elementárnych, presnejšie fundamentálnych častíc. Zjavne nie. S najväčšou pravdepodobnosťou sú opísané obrázky častíc a polí len odrazom našich súčasných poznatkov. Nie nadarmo existuje už veľa teoretických myšlienok, v ktorých je predstavená veľká skupina takzvaných supersymetrických častíc, oktet superťažkých kvarkov a mnohé ďalšie.

Je zrejmé, že moderná fyzika je stále ďaleko od vytvorenia úplnej teórie častíc. Možno mal pravdu veľký fyzik Albert Einstein, ktorý veril, že iba ak vezmeme do úvahy gravitáciu, napriek jej teraz zdanlivo malej úlohe v mikrokozme, môžeme postaviť rigorózna teóriačastice. Ale to všetko je už v 21. storočí alebo ešte neskôr.

Literatúra

1. Okun L.B. Fyzika elementárnych častíc. Moskva: Nauka, 1988.

2. Kobzarev I.Yu. Laureáti Nobelovej ceny za rok 1979: S. Weinberg, S. Glashow, A. Salam // Príroda. 1980. N 1. S. 84.

3. Zeldovich Ya.B. Klasifikácia elementárnych častíc a kvarkov v prezentácii pre chodcov // Uspekhi nat. vedy. 1965. T. 8. S. 303.

4. Krainov V.P. Vzťah neistoty pre energiu a čas // Soros Educational Journal. 1998. N 5. S. 77-82.

5. I. Nambu, „Prečo neexistujú žiadne voľné kvarky“, Usp. Phys. vedy. 1978. V. 124. S. 146.

6. Zhdanov G.B., Maksimenko V.M., Slavatinsky S.A. Experiment "Pamir" // Príroda. 1984. Číslo 11. S. 24

Recenzent článku L.I. Sarychev

S. A. Slavatinský Moskovský inštitút fyziky a technológie, Dolgoprudny, Moskovský región

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. Bozóny 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. Navrhol, že vesmír je preniknutý neviditeľným poľom, cez ktoré niektoré elementárne častice „vyrastajú“ 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.