Elementarna čestica 5 slova. Elementarne čestice. Tri interakcije su sljedeće

U fizici, elementarne čestice su fizički objekti na skali atomskog jezgra koji se ne mogu podijeliti na sastavne dijelove. Međutim, danas su naučnici uspeli da razdvoje neke od njih. Strukturu i svojstva ovih sićušnih objekata proučava fizika čestica.

Najmanje čestice koje čine svu materiju poznate su od davnina. Međutim, osnivačima takozvanog “atomizma” smatraju se starogrčki filozof Leukip i njegov poznatiji učenik Demokrit. Pretpostavlja se da je ovaj drugi skovao termin „atom“. Sa starogrčkog "atomos" se prevodi kao "nedjeljiv", što određuje stavove antičkih filozofa.

Kasnije je postalo poznato da se atom još uvijek može podijeliti na dva fizička objekta - jezgro i elektron. Potonji je kasnije postao prva elementarna čestica, kada je 1897. Englez Joseph Thomson izveo eksperiment s katodnim zrakama i otkrio da su to struja identičnih čestica iste mase i naboja.

Paralelno s Thomsonovim radom, Henri Becquerel, koji proučava rendgenske zrake, provodi eksperimente s uranijumom i otkriva novu vrstu zračenja. Godine 1898, francuski par fizičara, Marie i Pierre Curie, proučavao je različite radioaktivne supstance, otkrivajući isto radioaktivno zračenje. Kasnije će se otkriti da se sastoji od alfa čestica (2 protona i 2 neutrona) i beta čestica (elektrona), a Becquerel i Curie će dobiti Nobelovu nagradu. Dok je provodila svoje istraživanje sa elementima kao što su uranijum, radijum i polonijum, Marie Sklodowska-Curie nije poduzela nikakve sigurnosne mjere, uključujući čak ni korištenje rukavica. Kao rezultat toga, 1934. ju je zahvatila leukemija. U znak sjećanja na dostignuća velikog naučnika, element koji je otkrio par Curie, polonijum, nazvan je u čast Marijine domovine - Polonije, sa latinskog - Poljska.

Fotografija sa V Solvejskog kongresa 1927. Pokušajte pronaći sve naučnike iz ovog članka na ovoj fotografiji.

Od 1905. Albert Ajnštajn je svoje publikacije posvetio nesavršenosti talasne teorije svetlosti, čiji su postulati bili u suprotnosti sa rezultatima eksperimenata. Što je kasnije navelo izvanrednog fizičara na ideju o "kvantu svjetlosti" - dijelu svjetlosti. Kasnije, 1926. godine, američki fizikalni hemičar Gilbert N. Lewis ga je nazvao "foton", što je prevedeno sa grčkog "phos" ("svetlost").

Godine 1913., Ernest Rutherford, britanski fizičar, na osnovu rezultata eksperimenata koji su već bili izvedeni u to vrijeme, primijetio je da su mase jezgara mnogih kemijskih elemenata višestruke od mase jezgra vodonika. Stoga je pretpostavio da je jezgro vodika sastavni dio jezgara drugih elemenata. U svom eksperimentu, Rutherford je ozračio atom dušika alfa česticama, koje su kao rezultat emitirale određenu česticu, koju je Ernest nazvao "proton", od drugih grčkih "protos" (prvi, glavni). Kasnije je eksperimentalno potvrđeno da je proton jezgro vodika.

Očigledno, proton nije jedina komponenta jezgara hemijskih elemenata. Ova ideja je vođena činjenicom da bi se dva protona u jezgru odbijala jedan drugog, a atom bi se momentalno raspao. Stoga je Rutherford pretpostavio prisustvo druge čestice, čija je masa jednaka masi protona, ali je nenabijena. Neki eksperimenti naučnika o interakciji radioaktivnih i lakših elemenata doveli su ih do otkrića još jednog novog zračenja. James Chadwick je 1932. utvrdio da se sastoji od onih vrlo neutralnih čestica koje je nazvao neutronima.

Tako su otkrivene najpoznatije čestice: foton, elektron, proton i neutron.

Nadalje, otkrivanje novih subnuklearnih objekata postajalo je sve češći događaj, a trenutno je poznato oko 350 čestica koje se općenito smatraju "elementarnim". One od njih koje još nisu podijeljene smatraju se nestrukturiranim i nazivaju se „fundamentalnim“.

Šta je spin?

Prije nego što se krene naprijed sa daljim inovacijama u polju fizike, moraju se odrediti karakteristike svih čestica. Najpoznatiji, osim mase i električnog naboja, uključuje i spin. Ova veličina se inače naziva „unutarnji ugaoni moment” i ni na koji način nije povezana sa kretanjem subnuklearnog objekta kao celine. Naučnici su bili u mogućnosti da otkriju čestice sa spinom 0, ½, 1, 3/2 i 2. Da biste vizualizirali, iako pojednostavljeno, spin kao svojstvo objekta, razmotrite sljedeći primjer.

Neka predmet ima okret jednak 1. Tada će se takav objekt, kada se zarotira za 360 stepeni, vratiti u prvobitni položaj. Na avionu ovaj predmet može biti olovka, koja će nakon okretanja za 360 stepeni završiti u svom prvobitnom položaju. U slučaju nultog okretanja, bez obzira na to kako se predmet okreće, uvijek će izgledati isto, na primjer, jednobojna lopta.

Za ½ okretanja trebat će vam predmet koji zadržava svoj izgled kada se okrene za 180 stepeni. Može biti ista olovka, samo simetrično naoštrena s obje strane. Za okretanje od 2 potrebno je da se oblik zadrži kada se rotira za 720 stepeni, a za okretanje od 3/2 će biti potrebno 540.

Ova karakteristika je veoma važna za fiziku čestica.

Standardni model čestica i interakcija

Imajući impresivan skup mikro-objekata koji čine svijet oko nas, naučnici su odlučili da ih strukturiraju i tako je nastala poznata teorijska struktura pod nazivom “Standard Model”. Ona opisuje tri interakcije i 61 česticu koristeći 17 osnovnih, od kojih je neke predvidjela mnogo prije otkrića.

Tri interakcije su:

• Elektromagnetski. Javlja se između električno nabijenih čestica. U jednostavnom slučaju, poznatom iz škole, suprotno naelektrisani objekti se privlače, a slično naelektrisani odbijaju. To se dešava preko takozvanog nosioca elektromagnetne interakcije - fotona.
• Jaka, inače poznata kao nuklearna interakcija. Kao što naziv govori, njegovo djelovanje se proteže na objekte reda atomskog jezgra; odgovorno je za privlačenje protona, neutrona i drugih čestica koje se također sastoje od kvarkova. Snažnu interakciju nose gluoni.
• Slabo. Učinkovito na udaljenosti hiljadu manjim od veličine jezgra. Leptoni i kvarkovi, kao i njihove antičestice, učestvuju u ovoj interakciji. Štaviše, u slučaju slabe interakcije, mogu se transformirati jedni u druge. Nosioci su W+, W− i Z0 bozoni.

Dakle, standardni model je formiran na sljedeći način. Uključuje šest kvarkova, od kojih su sastavljeni svi hadroni (čestice podložne jakoj interakciji):

• Gornji(u);
• Začarani (c);
• istina(t);
• Donji (d);
• Strange(s);
• Divno (b).

Jasno je da fizičari imaju dosta epiteta. Ostalih 6 čestica su leptoni. Ovo su fundamentalne čestice sa spinom ½ koje ne učestvuju u jakoj interakciji.

• Electron;
• Elektronski neutrino;
• Muon;
• mionski neutrino;
• Tau lepton;
• Tau neutrino.

A treća grupa Standardnog modela su gauge bozoni, koji imaju spin jednak 1 i predstavljeni su kao nosioci interakcija:

• Gluon – jak;
• Foton – elektromagnetski;
• Z-bozon - slab;
• W bozon je slab.

To uključuje i nedavno otkrivenu spin-0 česticu, koja, jednostavno rečeno, daje inertnu masu svim ostalim subnuklearnim objektima.

Kao rezultat toga, prema Standardnom modelu, naš svijet izgleda ovako: sva materija se sastoji od 6 kvarkova koji formiraju hadrone i 6 leptona; sve ove čestice mogu učestvovati u tri interakcije, čiji su nosioci kalibracioni bozoni.

Nedostaci standardnog modela

Međutim, čak i prije otkrića Higsovog bozona, posljednje čestice predviđene Standardnim modelom, naučnici su prešli njegove granice. Upečatljiv primjer za to je tzv. „gravitaciona interakcija“, koja je u rangu sa ostalima danas. Pretpostavlja se da je njegov nosilac čestica sa spinom 2, koja nema masu, a koju fizičari još nisu uspjeli otkriti - "graviton".

Štaviše, standardni model opisuje 61 česticu, a danas je čovječanstvu već poznato više od 350 čestica. To znači da posao teoretskih fizičara nije završen.

Klasifikacija čestica

Kako bi im olakšali život, fizičari su grupisali sve čestice ovisno o njihovim strukturnim karakteristikama i drugim karakteristikama. Klasifikacija se zasniva na sledećim kriterijumima:

• Životni vijek.
  1. Stabilan. To uključuje proton i antiproton, elektron i pozitron, foton i graviton. Postojanje stabilnih čestica nije vremenski ograničeno, sve dok su u slobodnom stanju, tj. nemojte komunicirati ni sa čim.
  2. Nestabilno. Sve ostale čestice se nakon nekog vremena raspadaju na sastavne dijelove, zbog čega se nazivaju nestabilnim. Na primjer, mion živi samo 2,2 mikrosekunde, a proton - 2,9 10 * 29 godina, nakon čega se može raspasti na pozitron i neutralni pion.
• Težina.
  1. Elementarne čestice bez mase, kojih ima samo tri: foton, gluon i graviton.
  2. Masivne čestice su sve ostalo.
• Spin značenje.
  1. Cijelo okretanje, uklj. nula, imaju čestice koje se nazivaju bozoni.
  2. Čestice sa polucijelim spinom su fermioni.
• Učešće u interakcijama.
  1. Hadroni (strukturne čestice) su subnuklearni objekti koji učestvuju u sve četiri vrste interakcija. Ranije je spomenuto da se sastoje od kvarkova. Hadroni se dijele na dva podtipa: mezoni (cijelobrojni spin, bozoni) i barioni (polucijeli spin, fermioni).
  2. Fundamentalne (bezstrukturne čestice). To uključuje leptone, kvarkove i gauge bozone (čitaj ranije - “Standard Model..”).

Nakon što ste se upoznali sa klasifikacijom svih čestica, možete, na primjer, precizno odrediti neke od njih. Dakle, neutron je fermion, hadron, odnosno barion i nukleon, odnosno ima polucijeli spin, sastoji se od kvarkova i sudjeluje u 4 interakcije. Nukleon je uobičajeno ime za protone i neutrone.

• Zanimljivo je da su protivnici Demokritovog atomizma, koji je predvidio postojanje atoma, izjavili da je svaka supstanca na svijetu podijeljena na neodređeno vrijeme. Donekle se može pokazati da su u pravu, jer su naučnici već uspjeli podijeliti atom na jezgro i elektron, jezgro na proton i neutron, a ove, pak, na kvarkove.
• Demokrit je pretpostavio da atomi imaju jasan geometrijski oblik, pa stoga „oštri“ atomi vatre sagorevaju, grubi atomi čvrstih materija čvrsto se drže zajedno svojim izbočinama, a glatki atomi vode klize tokom interakcije, inače teku.
• Joseph Thomson je sastavio vlastiti model atoma, koji je vidio kao pozitivno nabijeno tijelo u koje se činilo da su elektroni "zaglavljeni". Njegov model se zvao "model pudinga od šljiva".
• Kvarkovi su dobili ime zahvaljujući američkom fizičaru Murrayu Gell-Manu. Naučnik je želeo da upotrebi reč sličnu zvuku pačjeg kvaka (kwork). Ali u romanu Jamesa Joycea Finnegans Wake naišao je na riječ “kvark” u retku “Tri kvarka za gospodina Marka!”, čije značenje nije precizno definirano i moguće je da ju je Joyce koristio samo za rimu. Murray je odlučio nazvati čestice ovom riječju, pošto su u to vrijeme bila poznata samo tri kvarka.
• Iako su fotoni, čestice svjetlosti, bez mase, u blizini crne rupe izgleda da mijenjaju svoju putanju jer ih privlače gravitacijske sile. U stvari, supermasivno tijelo savija prostor-vrijeme, zbog čega sve čestice, uključujući i one bez mase, mijenjaju svoju putanju prema crnoj rupi (vidi).
• Veliki hadronski sudarač je „hadronski“ upravo zato što sudara dva usmerena snopa hadrona, čestice dimenzija veličine atomskog jezgra koje učestvuju u svim interakcijama.

Svih petoslovnih elementarnih čestica su navedene u nastavku. Za svaku definiciju dat je kratak opis.

Ako imate nešto da dodate, ispod vam je na usluzi formular za komentar u kojem možete izraziti svoje mišljenje ili dodati članku.

Lista elementarnih čestica

Photon

To je kvant elektromagnetnog zračenja, na primjer svjetlosti. Svjetlost je, pak, fenomen koji se sastoji od svjetlosnih tokova. Foton je elementarna čestica. Foton ima neutralan naboj i nultu masu. Spin fotona je jednak jedinici. Foton nosi elektromagnetnu interakciju između nabijenih čestica. Termin foton dolazi od grčkog phos, što znači svjetlost.

Phonon

To je kvazičestica, kvant elastičnih vibracija i pomaka atoma i molekula kristalne rešetke iz ravnotežnog položaja. U kristalnim rešetkama, atomi i molekuli u stalnoj interakciji dijele energiju jedni s drugima. U tom smislu, gotovo je nemoguće proučavati pojave slične vibracijama pojedinačnih atoma u njima. Stoga se nasumične vibracije atoma obično razmatraju prema vrsti širenja zvučnih valova unutar kristalne rešetke. Kvanti ovih talasa su fononi. Termin fonon dolazi od grčkog telefona - zvuk.

Phazon

Fazon fluktuona je kvazičestica, koja je ekscitacija u legurama ili u drugom heterofaznom sistemu, formirajući potencijalni bunar (feromagnetsko područje) oko nabijene čestice, recimo elektrona, i hvatajući je.

Roton

To je kvazičestica koja odgovara elementarnoj ekscitaciji u superfluidnom helijumu, u oblasti visokih impulsa, povezanih sa pojavom vrtložnog kretanja u superfluidnoj tečnosti. Roton, u prijevodu s latinskog znači - predenje, predenje. Roton se pojavljuje na temperaturama većim od 0,6 K i određuje eksponencijalno temperaturno zavisna svojstva toplotnog kapaciteta, kao što je entropija normalne gustine i druge.

Meson

To je nestabilna neelementarna čestica. Mezon je teški elektron u kosmičkim zracima.
Masa mezona je veća od mase elektrona i manja od mase protona.

Mezoni imaju paran broj kvarkova i antikvarkova. Mezoni uključuju pione, kaone i druge teške mezone.

Quark

To je elementarna čestica materije, ali zasad samo hipotetički. Kvarkovi se obično nazivaju šest čestica i njihovih antičestica (antikvarkovi), koji zauzvrat čine grupu specijalnih elementarnih čestica hadroni.

Vjeruje se da se čestice koje učestvuju u snažnim interakcijama, poput protona, neurona i nekih drugih, sastoje od kvarkova koji su međusobno čvrsto povezani. Kvarkovi stalno postoje u različitim kombinacijama. Postoji teorija da bi kvarkovi mogli postojati u slobodnom obliku u prvim trenucima nakon velikog praska.

Gluon

Elementarna čestica. Prema jednoj teoriji, čini se da gluoni spajaju kvarkove, koji zauzvrat formiraju čestice kao što su protoni i neuroni. Općenito, gluoni su najmanje čestice koje formiraju materiju.

Bozon

Bozon-kvazičestica ili Bose-čestica. Bozon ima nula ili cijeli broj spin. Ime je dato u čast fizičara Shatyendranatha Bosea. Bozon se razlikuje po tome što neograničen broj njih može imati isto kvantno stanje.

Hadron

Adron je elementarna čestica koja nije zaista elementarna. Sastoji se od kvarkova, antikvarkova i gluona. Hadron nema naboj u boji i učestvuje u jakim interakcijama, uključujući i nuklearne. Izraz hadron, od grčkog adros, znači veliki, masivan.

Sačekajte da se učita widget vremenske linije.
JavaScript mora biti omogućen za pregled.

Ako su jaki raspadi grupisani u području joktosekundi, elektromagnetni - u blizini attosekundi, onda su slabi raspadi "slijedili svačiju odgovornost" - pokrivali su isto toliko 27 redova veličine na vremenskoj skali!

Na krajnjim krajevima ovog nezamislivo širokog raspona nalaze se dva “ekstremna” slučaja.

• Raspadi gornjeg kvarka i čestica nosilaca slabe sile (W i Z bozoni) javljaju se u približno 0,3 je= 3·10 −25 s. Ovo su najbrži raspadi među svim elementarnim česticama i, općenito, najbrži procesi pouzdano poznati modernoj fizici. Ispada ovako jer su to raspadi s najvećim oslobađanjem energije.
• Najdugovječnija elementarna čestica, neutron, živi otprilike 15 minuta. Tako ogromno vrijeme po standardima mikrokosmosa objašnjava se činjenicom da ovaj proces (beta raspad neutrona na proton, elektron i antineutrino) ima vrlo malo oslobađanje energije. Ovo oslobađanje energije je toliko slabo da u odgovarajućim uslovima (na primjer, unutar atomskog jezgra) ovaj raspad može već biti energetski nepovoljan i tada neutron postaje potpuno stabilan. Atomska jezgra, sva materija oko nas, a i mi sami postojimo samo zahvaljujući ovoj neverovatnoj slabosti beta raspada.

Između ovih ekstrema, većina slabih raspada takođe se dešava manje ili više kompaktno. Mogu se podijeliti u dvije grupe, koje ćemo grubo nazvati: brzi slabi raspadi i spori slabi raspadi.

Brzi su raspadi koji traju oko pikosekunde. Dakle, iznenađujuće je kako su se brojke u našem svijetu razvile da životni vijek nekoliko desetina elementarnih čestica pada u uski raspon vrijednosti od 0,4 do 2 ps. To su takozvani šarmirani i ljupki hadroni - čestice koje sadrže teški kvark.

Pikosekunde su divne, jednostavno su neprocjenjive sa stanovišta eksperimenata na sudaračima! Činjenica je da će za 1 ps čestica imati vremena da preleti trećinu milimetra, a moderni detektor može lako izmjeriti tako velike udaljenosti. Zahvaljujući ovim česticama, slika sudara čestica na sudaraču postaje "laka za čitanje" - ovdje je došlo do sudara i stvaranja velikog broja hadrona, a tamo, malo dalje, došlo je do sekundarnih raspada. Životni vijek postaje direktno mjerljiv, što znači da postaje moguće saznati o kakvoj je čestici riječ, a tek onda koristiti ove informacije za složeniju analizu.

Spori slabi raspadi su raspadi koji počinju stotinama pikosekundi i protežu se kroz cijeli raspon nanosekundi. Ovo uključuje klasu takozvanih "čudnih čestica" - brojne hadrone koji sadrže čudan kvark. Unatoč svom imenu, za moderne eksperimente nisu nimalo čudne, već naprotiv, najobičnije su čestice. Samo su izgledali čudno 50-ih godina prošlog veka, kada su fizičari odjednom počeli da ih otkrivaju jedan za drugim i nisu sasvim razumeli njihova svojstva. Inače, upravo je obilje čudnih hadrona nagnalo fizičare prije pola stoljeća na ideju kvarkova.

Sa stanovišta modernih eksperimenata sa elementarnim česticama, nanosekunde su mnogo. To je toliko da čestica izbačena iz akceleratora jednostavno nema vremena da se raspadne, već probija detektor, ostavljajući u njemu svoj trag. Naravno, tada će se zaglaviti negdje u materijalu detektora ili u stijenama oko njega i tamo se raspasti. Ali fizičari više ne brinu o ovom raspadu; njih zanima samo trag koji je ova čestica ostavila unutar detektora. Dakle, za moderne eksperimente takve čestice izgledaju gotovo stabilne; oni se stoga nazivaju "srednjim" pojmom - metastabilne čestice.

Pa, najdugovječnija čestica, ne računajući neutron, je mion - neka vrsta "brata" elektrona. Ne učestvuje u jakim interakcijama, ne propada zbog elektromagnetnih sila, pa mu ostaju samo slabe interakcije. A pošto je prilično lagan, živi 2 mikrosekunde - čitavu epohu na skali elementarnih čestica.

Od indeksa i, k, l u strukturnim formulama vrijednosti idu kroz 1, 2, 3, 4, broj mezona Mik sa datim spinom treba da bude jednak 16. Za barione Bikl maksimalni mogući broj stanja za dati spin (64) nije ostvaren, jer su na osnovu Paulijevog principa, za dati ukupni spin, dozvoljena samo tri-kvark stanja koja imaju dobro definiranu simetriju u odnosu na permutacije indeksi i, k, 1, i to: potpuno simetrična za spin 3/2 i mješovita simetrija za spin 1/2. Ovo stanje je l = 0 bira 20 barionskih stanja za spin 3/2 i 20 za spin 1/2.

Detaljnije ispitivanje pokazuje da vrijednost sastava kvarka i svojstva simetrije kvarkovog sistema omogućava određivanje svih osnovnih kvantnih brojeva hadrona ( J, P, B, Q, I, Y, Ch), isključujući masu; određivanje mase zahtijeva poznavanje dinamike interakcije kvarkova i mase kvarkova, što još nije dostupno.

Ispravno prenošenje specifičnosti adrona s najmanjim masama i spinovima pri datim vrijednostima Y I Ch, Model kvarka takođe prirodno objašnjava ukupan veliki broj hadrona i prevlast rezonancija među njima. Veliki broj hadrona je odraz njihove složene strukture i mogućnosti postojanja različitih pobuđenih stanja kvarkovih sistema. Moguće je da je broj takvih pobuđenih stanja neograničen. Sva pobuđena stanja kvarkovih sistema su nestabilna u odnosu na brze prelaze zbog jakih interakcija u osnovna stanja. Oni čine većinu rezonancija. Mali dio rezonancija se također sastoji od kvarkovih sistema sa paralelnim spin orijentacijama (sa izuzetkom W -). Kvarkove konfiguracije sa antiparalelnom spin orijentacijom, u vezi sa osnovnom. stanja, formiraju kvazistabilne hadrone i stabilan proton.

Ekscitacije kvarkovih sistema nastaju kako zbog promjena u rotacionom kretanju kvarkova (orbitalne ekscitacije) tako i zbog promjena u njihovim prostorima. lokacija (radijalne pobude). U prvom slučaju, povećanje mase sistema je praćeno promjenom ukupnog spina J i paritet R sistema, u drugom slučaju povećanje mase se dešava bez promjene J P . Na primjer, mezoni sa JP= 2 + su prva orbitalna pobuda ( l = 1) mezoni sa J P = 1 - . Korespondencija 2 + mezona i 1 - mezona identične kvarkovske strukture jasno se vidi na primjeru mnogih parova čestica:

Mezoni r" i y" su primjeri radijalnih pobuda r- i y-mezona, respektivno (vidi.

Orbitalna i radijalna pobuda generišu nizove rezonancija koje odgovaraju istoj početnoj strukturi kvarka. Nedostatak pouzdanih informacija o interakciji kvarkova još nam ne dozvoljava da izvršimo kvantitativne proračune ekscitacionih spektra i izvučemo bilo kakve zaključke o mogućem broju takvih pobuđenih stanja.Prilikom formulisanja modela kvarkova, kvarkovi su se smatrali hipotetičkim strukturnim elementima koji se otvaraju. mogućnost vrlo pogodnog opisa hadrona. Nakon toga su izvedeni eksperimenti koji nam omogućavaju da govorimo o kvarkovima kao stvarnim materijalnim formacijama unutar hadrona. Prvi su bili eksperimenti o raspršenju elektrona nukleonima pod vrlo velikim uglovima. Ovi eksperimenti (1968.), koji podsjećaju na Rutherfordove klasične eksperimente o raspršivanju alfa čestica na atomima, otkrili su prisustvo tačkastih nabijenih formacija unutar nukleona. Poređenje podataka iz ovih eksperimenata sa sličnim podacima o rasejanju neutrina na nukleonima (1973-75) omogućilo je da se izvede zaključak o prosečnoj kvadratnoj vrednosti električnog naboja ovih tačkastih formacija. Rezultat se pokazao iznenađujuće blizu vrijednosti 1/2 [(2/3 e) 2 +(1 / 3 e) 2 ]. Proučavanje procesa proizvodnje hadrona tokom anihilacije elektrona i pozitrona, koji navodno prolazi nizom procesa: ® hadroni, ukazalo je na prisustvo dvije grupe hadrona genetski povezane sa svakim od nastalih kvarkova i učinilo ga moguće odrediti spin kvarkova. Ispostavilo se da je jednako 1/2. Ukupan broj hadrona koji se rađaju u ovom procesu takođe ukazuje da se kvarkovi tri varijante pojavljuju u srednjem stanju, tj. kvarkovi su trobojni.

Tako su kvantni brojevi kvarkova, uvedeni na osnovu teorijskih razmatranja, potvrđeni u nizu eksperimenata. Kvarkovi postepeno dobijaju status novih elektronskih čestica.Ako dalja istraživanja potvrde ovaj zaključak, onda su kvarkovi ozbiljni kandidati za ulogu pravih elektronskih čestica za hadronski oblik materije. Do dužine ~ 10 -15 cm kvarkovi djeluju kao bezstrukturne tačkaste formacije. Broj poznatih tipova kvarkova je mali. U budućnosti se to, naravno, može promijeniti: ne može se jamčiti da pri višim energijama neće biti otkriveni hadroni s novim kvantnim brojevima, zbog postojanja novih tipova kvarkova. Detekcija Y-mesons potvrđuje ovu tačku gledišta. Ali sasvim je moguće da će porast broja kvarkova biti mali, da opći principi nameću ograničenja na ukupan broj kvarkova, iako ta ograničenja još uvijek nisu poznata. Bezstrukturnost kvarkova takođe možda odražava samo dostignuti nivo istraživanja ovih materijalnih formacija. Međutim, brojne specifične karakteristike kvarkova daju razlog za pretpostavku da su kvarkovi čestice koje dovršavaju lanac strukturnih komponenti materije.

Kvarkovi se razlikuju od svih ostalih elektronskih čestica po tome što još nisu uočeni u slobodnom stanju, iako postoje dokazi o njihovom postojanju u vezanom stanju. Jedan od razloga neopažanja kvarkova može biti njihova vrlo velika masa, koja onemogućava njihovu proizvodnju na energijama modernih akceleratora. Moguće je, međutim, da kvarkovi u osnovi, zbog specifične prirode njihove interakcije, ne mogu biti u slobodnom stanju. Postoje teorijski i eksperimentalni argumenti u prilog činjenici da sile koje djeluju između kvarkova ne slabe s udaljenosti. To znači da je potrebno beskonačno više energije da se kvarkovi odvoje jedan od drugog, ili je, u suprotnom, pojava kvarkova u slobodnom stanju nemoguća. Nemogućnost izolacije kvarkova u slobodnom stanju čini ih potpuno novom vrstom strukturnih jedinica materije. Nejasno je, na primjer, da li je moguće postaviti pitanje sastavnih dijelova kvarkova ako se sami kvarkovi ne mogu promatrati u slobodnom stanju. Moguće je da se pod ovim uslovima delovi kvarkova uopšte fizički ne manifestuju, pa stoga kvarkovi deluju kao poslednja faza u fragmentaciji hadronske materije.

Elementarne čestice i kvantna teorija polja.

Za opisivanje svojstava i interakcija elektronskih čestica u modernoj teoriji, koncept fizike je od suštinskog značaja. polje, koje je dodijeljeno svakoj čestici. Polje je specifičan oblik materije; opisan je funkcijom specificiranom u svim točkama ( X)prostor-vrijeme i posjeduje određena transformaciona svojstva u odnosu na transformacije Lorencove grupe (skalar, spinor, vektor, itd.) i grupe „unutrašnjih“ simetrija (izotopski skalar, izotopski spinor itd.). Elektromagnetno polje sa svojstvima četvorodimenzionalnog vektora A m (x) (m = 1, 2, 3, 4) je istorijski prvi primjer fizičkog polja. Polja koja se porede sa E. česticama su kvantne prirode, odnosno njihova energija i impuls se sastoje od više delova. dijelovi - kvanti, a energija E k i impuls p k kvanta povezani su relacijom specijalne teorije relativnosti: E k 2 = p k 2 c 2 + m 2 c 2 . Svaki takav kvant je elektronska čestica sa datom energijom E k , impulsom p k i masom m. Kvanti elektromagnetnog polja su fotoni, kvanti ostalih polja odgovaraju svim ostalim poznatim elektronskim česticama. Polje je, dakle, fizičko odraz postojanja beskonačne kolekcije čestica - kvanta. Specijalni matematički aparat kvantne teorije polja omogućava da se opiše rađanje i uništenje čestice u svakoj tački x.

Svojstva transformacije polja određuju sve kvantne brojeve čestica E. Svojstva transformacije u odnosu na prostorno-vremenske transformacije (Lorentz grupa) određuju spin čestica. Dakle, skalar odgovara spinu 0, spinor - spin 1/2, vektor - spin 1, itd. Slijedi postojanje kvantnih brojeva kao što su L, B, 1, Y, Ch, a za kvarkove i gluone "boja" od transformacionih svojstava polja u odnosu na transformacije „unutrašnjih prostora“ („prostor naboja“, „izotopski prostor“, „jedinstveni prostor“ itd.). Postojanje "boje" u kvarkovima je posebno povezano sa posebnim "obojenim" jedinstvenim prostorom. Uvođenje “unutrašnjih prostora” u teorijski aparat je još uvijek čisto formalno sredstvo, koje, međutim, može poslužiti kao indikacija da je dimenzija fizičkog prostora-vremena, koja se ogleda u svojstvima E. Ch., zapravo veća. od četiri - dimenzija prostor-vremena karakteristična za sve makroskopske fizičke procese. Masa elektrona nije direktno povezana sa transformacionim svojstvima polja; ovo je njihova dodatna karakteristika.

Da bi se opisali procesi koji se dešavaju sa elektronskim česticama, potrebno je znati u kakvom su međusobnom odnosu različita fizička polja, odnosno poznavati dinamiku polja. U savremenom aparatu kvantne teorije polja, informacija o dinamici polja sadržana je u posebnoj količini izraženoj kroz polja - Lagranžijanu (tačnije, Lagranževoj gustini) L. Poznavanje L omogućava, u principu, da se izračunaju verovatnoće prelazi iz jednog skupa čestica u drugi pod uticajem različitih interakcija. Ove vjerovatnoće su date tzv. matrica rasejanja (W. Heisenberg, 1943), izražena kroz L. Lagranžijan L se sastoji od Lagranžiana L, koji opisuje ponašanje slobodnih polja, i interakcijskog Lagranžiana L, konstruisanog iz polja različitih čestica i koji odražava mogućnost njihove međusobne transformacije. Poznavanje Lz je odlučujuće za opisivanje procesa sa E. h.

Početkom 30-ih godina dvadesetog veka fizika je pronašla prihvatljiv opis strukture materije zasnovan na četiri vrste elementarnih čestica - protona, neutrona, elektrona i fotona. Dodavanje pete čestice, neutrina, također je omogućilo objašnjenje procesa radioaktivnog raspada. Činilo se da su navedene elementarne čestice prve cigle svemira.

Ali ova prividna jednostavnost je ubrzo nestala. Ubrzo je otkriven pozitron. Godine 1936. otkriven je prvi mezon među proizvodima interakcije kosmičkih zraka sa materijom. Nakon toga, bilo je moguće posmatrati mezone drugačije prirode, kao i druge neobične čestice. Ove čestice su rođene pod uticajem kosmičkih zraka prilično retko. Međutim, nakon što su izgrađeni akceleratori koji su omogućili proizvodnju čestica visoke energije, otkriveno je više od 300 novih čestica.

Šta se onda znači pod riječju " osnovno"? "Elementarno" je logički antipod "kompleksa". Elementarne čestice označavaju primarne, dalje nerazgradive čestice koje sačinjavaju svu materiju. Do četrdesetih godina već su poznate brojne transformacije "elementarnih" čestica. Broj čestica i dalje raste Većina njih je nestabilna Među desetinama poznatih mikročestica samo je nekoliko stabilnih i nesposobnih za spontane transformacije. Nije li stabilnost u odnosu na spontane transformacije znak elementarnosti?

Jezgro deuterijuma (deuteron) se sastoji od protona i neutrona. Kao čestica, deuteron je potpuno stabilan. Istovremeno, komponenta deuterona, neutron, je radioaktivna, tj. nestabilno. Ovaj primjer pokazuje da koncepti stabilnosti i elementarnosti nisu identični. U savremenoj fizici pojam "Elementarne čestice" se obično koristi za imenovanje velike grupe sićušnih čestica materije(koji nisu atomi ili atomska jezgra).

Sve elementarne čestice imaju izuzetno male mase i veličine. Većina njih ima masu reda mase protona (samo je masa elektrona primjetno manja
). Mikroskopske veličine i mase elementarnih čestica određuju kvantne zakone njihovog ponašanja. Najvažnije kvantno svojstvo svih elementarnih čestica je sposobnost da se rađaju i uništavaju (emituju i apsorbuju) u interakciji sa drugim česticama.

Postoje četiri poznate vrste interakcija između čestica, različite prirode: gravitaciona, elektromagnetna, nuklearna, kao i interakcija u svim procesima koji uključuju neutrine. Koje su karakteristike četiri navedena tipa interakcije?

Najjača je interakcija između nuklearnih čestica („nuklearne sile“). Ova interakcija se obično naziva jaka. Već je napomenuto da nuklearne sile djeluju samo na vrlo malim udaljenostima između čestica: radijus djelovanja je oko 10 -13 cm.

Sledeći najveći je elektromagnetna interakcija. Manje je nego jako za dva reda veličine. Ali s udaljenosti se mijenja sporije, kao 1/ r 2, pa je radijus djelovanja elektromagnetnih sila beskonačan.

Zatim dolazi interakcija zbog učešća neutrina u reakcijama. Po redu veličine, ove interakcije su 10 14 puta manje od jakih interakcija. Ove interakcije se obično nazivaju slab. Očigledno je opseg djelovanja ovdje isti kao u slučaju jake interakcije.

Najmanja poznata interakcija je gravitacioni. Manji je od jakog za 39 redova veličine - 10 39 puta! S rastojanjem, gravitacijske sile opadaju jednako sporo kao i elektromagnetne sile, pa je i njihov raspon djelovanja beskonačan.

U svemiru glavnu ulogu imaju gravitacione interakcije, jer Raspon djelovanja jakih i slabih interakcija je zanemarljiv. Elektromagnetne interakcije igraju ograničenu ulogu jer električni naboji suprotnih predznaka teže formiranju neutralnih sistema. Gravitacijske sile su uvijek privlačne sile. Ne mogu se nadoknaditi silom suprotnog predznaka, ne mogu se zaštititi od njih. Otuda njihova dominantna uloga u svemiru.

Veličina interakcijskih sila također odgovara vremenu potrebnom da se izvede reakcija uzrokovana ovom interakcijom. Dakle, procesi uzrokovani jakom interakcijom zahtijevaju vrijeme od 10-23 sekunde. (reakcija nastaje kada se čestice visoke energije sudare). Vrijeme potrebno za izvođenje procesa uzrokovanog elektromagnetnom interakcijom zahtijeva ~10 -21 sek., za slabu interakciju ~10 -9 sek. U reakcijama uzrokovanim interakcijama čestica, gravitacijske sile ne igraju gotovo nikakvu ulogu.

Navedene interakcije su očigledno različite prirode, odnosno ne mogu se svesti jedna na drugu. Trenutno ne postoji način da se proceni da li ove interakcije iscrpljuju sve one koje postoje u prirodi.

Klasa elementarnih čestica koje učestvuju u jakim interakcijama naziva se hadroni (proton, neutron, itd.). Klasa čestica koje nemaju jake interakcije nazivaju se leptoni. Leptoni uključuju elektron, mion, neutrino, teški lepton i njihove odgovarajuće antičestice. Antičestice, skup elementarnih čestica koje imaju iste mase i druge fizičke karakteristike kao i njihovi "blizanci", ali se od njih razlikuju po predznaku nekih karakteristika interakcije(na primjer, električni naboj, magnetni moment): elektron i pozitron, neutrino i antineutrino. Prema savremenim konceptima, neutrini i antineutrini se međusobno razlikuju po jednoj od kvantnih karakteristika - heličnosti, definisanoj kao projekcija spina čestice na pravce njenog kretanja (moment). Neutrini imaju spin S orijentisan antiparalelno sa pulsom R, tj. uputstva R I S formiraju levoruki vijak i neutrino ima lijevu spiralu (slika 6.2). Za antineutrine ovi pravci formiraju desni vijak, tj. antineutrini imaju desnu spiralu.

Kada se čestica i antičestica sudare, mogu se međusobno uništiti - "poništiti". Na sl. Slika 6.3 prikazuje proces anihilacije elektrona i pozitrona sa pojavom dva gama zraka. U ovom slučaju se poštuju svi poznati zakoni održanja - energija, impuls, ugaoni moment i zakon održanja naelektrisanja. Da bi se stvorio par elektron-pozitron, potrebno je potrošiti energiju ne manje od zbira intrinzičnih energija ovih čestica, tj. ~ 10 6 eV. Kada se takav par poništi, ova energija se oslobađa ili sa zračenjem nastalim tokom anihilacije, ili se distribuira među drugim česticama.

Iz zakona održanja naelektrisanja proizilazi da naelektrisana čestica ne može nastati bez pojave druge sa naelektrisanjem suprotnih predznaka (tako da se ukupni naboj čitavog sistema čestica ne menja). Primjer takve reakcije je reakcija transformacije neutrona u proton uz istovremeno stvaranje elektrona i emisiju neutrina

. (6.9)

Električni naboj se zadržava tokom ove transformacije. Na isti način, on se čuva kada se foton transformiše u par elektron-pozitron ili kada se isti par rodi kao rezultat sudara dva elektrona.

Postoji hipoteza da su sve elementarne čestice kombinacije tri osnovne čestice tzv kvarkovi, i njihove antičestice. Kvarkovi nisu otkriveni u slobodnom stanju (uprkos brojnim pretragama za njima na visokoenergetskim akceleratorima, u kosmičkim zracima i okolini).

Nemoguće je opisati svojstva i transformacije mikročestica bez ikakve sistematizacije. Ne postoji sistematizacija zasnovana na strogoj teoriji.

Dvije glavne grupe elementarnih čestica su u jakoj interakciji ( hadrona) i slabo djeluju ( leptons) čestice. Hadroni se dijele na mezoni I barioni. Barioni se dijele na nukleoni I hiperoni. Leptoni uključuju elektrone, mione i neutrine. Ispod su vrijednosti po kojima su mikročestice klasificirane.

1. Bulk ili barionski broj A. Brojne činjenice uočene u procesu nuklearne fisije i stvaranja nukleon-antinukleonskog para sugeriraju da u bilo kojem procesu broj nukleona ostaje konstantan. Svim barionima je dodijeljen broj A= +1, svakoj antičestici A= –1. Zakon održanja barionskog naboja je zadovoljen tačno u svim nuklearnim procesima. Kompleksne čestice imaju više vrijednosti barionskog broja. Svi mezoni i leptoni imaju barionski broj nula.

2. Električno punjenje q predstavlja broj jedinica električnog naboja (u jedinicama pozitivnog naboja protona) svojstvenih čestici.

3. Izotopski spin(nije vezano za pravi spin). Sile koje djeluju između nukleona u jezgri gotovo su neovisne o vrsti nukleona, tj. nuklearne interakcije RR, Rn I nn su isti. Ova simetrija nuklearnih sila dovodi do očuvanja veličine koja se zove izotopski spin. Isospin je konzerviran u jakim interakcijama i nije konzerviran u procesima uzrokovanim elektromagnetnim i slabim interakcijama.

4. Uvrnutost. Da bi objasnili zašto se neki procesi koji uključuju hadrone ne dešavaju, M. Gell-Mann i K. Nishijima su 1953. godine predložili uvođenje novog kvantnog broja, koji su nazvali čudnošću. Neobičnost stabilnih hadrona kreće se od –3 do +3 (cijeli brojevi). Neobičnost leptona nije utvrđena. U jakim interakcijama, neobičnost ostaje.

5. Spin. Karakterizira okretni ugaoni moment.

6. Paritet. Unutrašnje svojstvo čestice povezano s njenom simetrijom u odnosu na desno i lijevo. Donedavno su fizičari vjerovali da nema razlike između desnog i lijevog. Kasnije se pokazalo da oni nisu ekvivalentni za sve procese slabe interakcije – što je bilo jedno od najiznenađujućih otkrića u fizici.

U klasičnoj fizici, materija i fizičko polje bili su suprotstavljeni jedno drugom kao dvije vrste materije. Materija se sastoji od elementarnih čestica; to je vrsta materije koja ima masu mirovanja. Struktura materije je diskretna, dok je struktura polja kontinuirana. Ali kvantna fizika je dovela do nivelisanja ove ideje. U klasičnoj fizici se vjeruje da na čestice djeluju polja sile – gravitacijsko i elektromagnetno. Klasična fizika nije poznavala druge oblasti. U kvantnoj fizici iza polja vide prave nosioce interakcije - kvante ovih polja, tj. čestice. Za klasična polja to su gravitoni i fotoni. Kada su polja dovoljno jaka i ima puno kvanta, prestajemo da ih razlikujemo kao pojedinačne čestice i percipiramo ih kao polje. Nosioci jakih interakcija su gluoni. S druge strane, svaka mikročestica (element materije) ima dualnu čestično-valnu prirodu.