En physique, les particules élémentaires étaient des objets physiques à l’échelle du noyau atomique qui ne peuvent être divisés en leurs éléments constitutifs. Cependant, aujourd’hui, les scientifiques ont réussi à en diviser certains. La structure et les propriétés de ces minuscules objets sont étudiées par la physique des particules.
Les plus petites particules qui composent toute matière sont connues depuis l’Antiquité. Cependant, les fondateurs de ce qu’on appelle « l’atomisme » sont considérés comme le philosophe grec ancien Leucippe et son élève le plus célèbre, Démocrite. On suppose que ce dernier a inventé le terme « atome ». Du grec ancien « atomos » est traduit par « indivisible », ce qui détermine les opinions des philosophes antiques.
Plus tard, on a appris que l'atome pouvait encore être divisé en deux objets physiques : le noyau et l'électron. Cette dernière est ensuite devenue la première particule élémentaire lorsqu'en 1897 l'Anglais Joseph Thomson a mené une expérience avec les rayons cathodiques et a découvert qu'il s'agissait d'un flux de particules identiques ayant la même masse et la même charge.
Parallèlement aux travaux de Thomson, Henri Becquerel, qui étudie les rayons X, mène des expériences avec l'uranium et découvre un nouveau type de rayonnement. En 1898, un couple de physiciens français, Marie et Pierre Curie, étudièrent diverses substances radioactives et découvrirent le même rayonnement radioactif. On découvrira plus tard qu'il est constitué de particules alpha (2 protons et 2 neutrons) et de particules bêta (électrons), et Becquerel et Curie recevront le prix Nobel. Lors de ses recherches avec des éléments tels que l'uranium, le radium et le polonium, Marie Sklodowska-Curie n'a pris aucune mesure de sécurité, notamment en n'utilisant pas de gants. En conséquence, en 1934, elle fut rattrapée par la leucémie. En mémoire des réalisations du grand scientifique, l'élément découvert par le couple Curie, le polonium, a été nommé en l'honneur de la patrie de Marie - Polonia, du latin - Pologne.
Photo du V Congrès Solvay 1927. Essayez de retrouver tous les scientifiques de cet article sur cette photo.
Depuis 1905, Albert Einstein consacre ses publications à l'imperfection de la théorie ondulatoire de la lumière, dont les postulats étaient en contradiction avec les résultats des expériences. Ce qui a ensuite conduit l'éminent physicien à l'idée d'un « quantum de lumière » - une partie de la lumière. Plus tard, en 1926, il fut nommé « photon », traduit du grec « phos » (« lumière »), par le physicien-chimiste américain Gilbert N. Lewis.
En 1913, Ernest Rutherford, physicien britannique, s'appuyant sur les résultats d'expériences déjà réalisées à cette époque, notait que les masses des noyaux de nombreux éléments chimiques sont des multiples de la masse du noyau d'hydrogène. Par conséquent, il a supposé que le noyau d’hydrogène est un composant des noyaux d’autres éléments. Dans son expérience, Rutherford a irradié un atome d'azote avec des particules alpha, qui ont en conséquence émis une certaine particule, nommée par Ernest comme « proton », de l'autre grec « protos » (premier, principal). Plus tard, il a été confirmé expérimentalement que le proton est un noyau d'hydrogène.
Évidemment, le proton n’est pas le seul composant des noyaux des éléments chimiques. Cette idée repose sur le fait que deux protons dans le noyau se repousseraient et que l’atome se désintégrerait instantanément. Par conséquent, Rutherford a émis l'hypothèse de la présence d'une autre particule, qui a une masse égale à la masse d'un proton, mais qui n'est pas chargée. Certaines expériences de scientifiques sur l'interaction d'éléments radioactifs et plus légers les ont conduits à la découverte d'un autre nouveau rayonnement. En 1932, James Chadwick a déterminé qu’il s’agissait de particules très neutres qu’il a appelées neutrons.
Ainsi, les particules les plus connues ont été découvertes : photon, électron, proton et neutron.
En outre, la découverte de nouveaux objets subnucléaires est devenue un événement de plus en plus fréquent, et à l'heure actuelle, environ 350 particules sont connues, généralement considérées comme « élémentaires ». Ceux d’entre eux qui n’ont pas encore été divisés sont considérés comme sans structure et sont appelés « fondamentaux ».
Qu’est-ce que le spin ?
Avant de procéder à de nouvelles innovations dans le domaine de la physique, il faut déterminer les caractéristiques de toutes les particules. Les plus connues, outre la masse et la charge électrique, incluent également le spin. Cette quantité est autrement appelée « moment cinétique intrinsèque » et n’est en aucun cas liée au mouvement de l’objet subnucléaire dans son ensemble. Les scientifiques ont pu détecter des particules de spin 0, ½, 1, 3/2 et 2. Pour visualiser, bien que simplifié, le spin comme une propriété d'un objet, considérons l'exemple suivant.
Supposons qu'un objet ait une rotation égale à 1. Ensuite, un tel objet, lorsqu'il pivote à 360 degrés, reviendra à sa position d'origine. Dans un avion, cet objet peut être un crayon qui, après un tour de 360 degrés, se retrouvera dans sa position d'origine. Dans le cas d'une rotation nulle, quelle que soit la façon dont l'objet tourne, il aura toujours la même apparence, par exemple une balle monochrome.
Pour un demi-tour, vous aurez besoin d’un objet qui conserve son apparence lors d’une rotation de 180 degrés. Il peut s'agir du même crayon, taillé uniquement symétriquement des deux côtés. Une rotation de 2 nécessitera que la forme soit conservée lors d'une rotation de 720 degrés, et une rotation de 3/2 nécessitera 540.
Cette caractéristique est très importante pour la physique des particules.
Modèle standard de particules et d'interactions
Disposant d'un ensemble impressionnant de micro-objets qui composent le monde qui nous entoure, les scientifiques ont décidé de les structurer, et c'est ainsi qu'est née la structure théorique bien connue appelée « Modèle standard ». Elle décrit trois interactions et 61 particules en utilisant 17 interactions fondamentales, dont certaines qu'elle avait prédites bien avant la découverte.
Les trois interactions sont :
- Électromagnétique. Cela se produit entre des particules chargées électriquement. Dans un cas simple, connu à l'école, des objets de charges opposées s'attirent et des objets de charges similaires se repoussent. Cela se produit grâce à ce que l'on appelle le porteur de l'interaction électromagnétique - le photon.
- Forte, autrement connue sous le nom d’interaction nucléaire. Comme son nom l'indique, son action s'étend aux objets de l'ordre du noyau atomique ; il est responsable de l'attraction des protons, des neutrons et d'autres particules constituées également de quarks. L'interaction forte est portée par les gluons.
- Faible. Efficace à des distances mille fois inférieures à la taille du noyau. Les leptons et les quarks, ainsi que leurs antiparticules, participent à cette interaction. De plus, en cas d’interaction faible, ils peuvent se transformer l’un en l’autre. Les porteurs sont les bosons W+, W− et Z0.
Le modèle standard a donc été formé comme suit. Il comprend six quarks, à partir desquels sont composés tous les hadrons (particules soumises à une forte interaction) :
- Supérieur(u);
- Enchanté (c);
- vrai(t);
- Inférieur (d);
- Étrange(s);
- Adorable (b).
Il est clair que les physiciens ont de nombreuses épithètes. Les 6 autres particules sont des leptons. Ce sont des particules fondamentales de spin ½ qui ne participent pas à l'interaction forte.
- Électron;
- Neutrino électronique ;
- Muon ;
- Neutrino muonique ;
- Lepton Tau ;
- Neutrino tau.
Et le troisième groupe du modèle standard sont les bosons de jauge, qui ont un spin égal à 1 et sont représentés comme porteurs d'interactions :
- Gluon – fort ;
- Photon – électromagnétique ;
- Boson Z - faible ;
- Le boson W est faible.
Celles-ci incluent également la particule de spin 0 récemment découverte, qui, en termes simples, confère une masse inerte à tous les autres objets subnucléaires.
En conséquence, selon le Modèle Standard, notre monde ressemble à ceci : toute matière est constituée de 6 quarks, formant des hadrons, et de 6 leptons ; toutes ces particules peuvent participer à trois interactions dont les porteurs sont des bosons de jauge.
Inconvénients du modèle standard
Mais avant même la découverte du boson de Higgs, dernière particule prédite par le Modèle standard, les scientifiques avaient dépassé ses limites. Un exemple frappant de ceci est ce qu'on appelle. « interaction gravitationnelle », qui est à égalité avec les autres aujourd'hui. Vraisemblablement, son porteur est une particule de spin 2, qui n'a pas de masse et que les physiciens n'ont pas encore pu détecter - le « graviton ».
De plus, le modèle standard décrit 61 particules, et aujourd'hui plus de 350 particules sont déjà connues de l'humanité. Cela signifie que le travail des physiciens théoriciens n’est pas terminé.
Classement des particules
Pour leur faciliter la vie, les physiciens ont regroupé toutes les particules en fonction de leurs caractéristiques structurelles et d'autres caractéristiques. Le classement est basé sur les critères suivants :
- Durée de vie.
- Écurie. Ceux-ci incluent le proton et l'antiproton, l'électron et le positron, le photon et le graviton. L'existence de particules stables n'est pas limitée dans le temps, tant qu'elles sont à l'état libre, c'est-à-dire n'interagissez avec rien.
- Instable. Toutes les autres particules, après un certain temps, se désintègrent en leurs composants, c'est pourquoi elles sont appelées instables. Par exemple, un muon ne vit que 2,2 microsecondes et un proton 2,9 10 * 29 ans, après quoi il peut se désintégrer en positron et en pion neutre.
- Poids.
- Particules élémentaires sans masse, au nombre de trois seulement : photon, gluon et graviton.
- Les particules massives sont tout le reste.
- Sens de rotation.
- Spin complet, incl. zéro, possèdent des particules appelées bosons.
- Les particules à spin demi-entier sont des fermions.
- Participation aux interactions.
- Les hadrons (particules structurelles) sont des objets subnucléaires qui participent aux quatre types d'interactions. Il a été mentionné précédemment qu'ils sont composés de quarks. Les hadrons sont divisés en deux sous-types : les mésons (spin entier, bosons) et les baryons (spin demi-entier, fermions).
- Fondamental (particules sans structure). Ceux-ci incluent les leptons, les quarks et les bosons de jauge (lire plus tôt - « Modèle standard . »).
Après vous être familiarisé avec la classification de toutes les particules, vous pourrez, par exemple, identifier avec précision certaines d'entre elles. Le neutron est donc un fermion, un hadron, ou plutôt un baryon, et un nucléon, c'est-à-dire qu'il a un spin demi-entier, est constitué de quarks et participe à 4 interactions. Nucléon est un nom commun pour les protons et les neutrons.
- Il est intéressant de noter que les opposants à l'atomisme de Démocrite, qui avait prédit l'existence des atomes, ont déclaré que toute substance dans le monde est divisée indéfiniment. Dans une certaine mesure, ils ont peut-être raison, puisque les scientifiques ont déjà réussi à diviser l'atome en un noyau et un électron, le noyau en un proton et un neutron, et ceux-ci, à leur tour, en quarks.
- Démocrite a supposé que les atomes ont une forme géométrique claire et que, par conséquent, les atomes de feu « pointus » brûlent, les atomes grossiers de solides sont fermement maintenus ensemble par leurs saillies et les atomes d'eau lisses glissent pendant l'interaction, sinon ils coulent.
- Joseph Thomson a compilé son propre modèle de l’atome, qu’il considérait comme un corps chargé positivement dans lequel les électrons semblaient « coincés ». Son modèle s’appelait le « modèle Plum pudding ».
- Les quarks tirent leur nom du physicien américain Murray Gell-Mann. Le scientifique voulait utiliser un mot similaire au son d'un charlatan de canard (kwork). Mais dans le roman Finnegans Wake de James Joyce, il a rencontré le mot « quark » dans le vers « Trois quarks pour M. Mark ! », dont le sens n'est pas défini avec précision et il est possible que Joyce l'ait utilisé simplement pour rimer. Murray a décidé d'appeler les particules ainsi, car à cette époque, seuls trois quarks étaient connus.
- Bien que les photons, particules de lumière, n’aient pas de masse, à proximité d’un trou noir, ils semblent changer de trajectoire lorsqu’ils y sont attirés par les forces gravitationnelles. En fait, un corps supermassif courbe l'espace-temps, c'est pourquoi toutes les particules, y compris celles sans masse, changent de trajectoire vers le trou noir (voir).
- Le Large Hadron Collider est « hadronique » précisément parce qu’il entre en collision deux faisceaux dirigés de hadrons, des particules aux dimensions de l’ordre d’un noyau atomique qui participent à toutes les interactions.
Les particules élémentaires à cinq lettres sont répertoriées ci-dessous. Une brève description est donnée pour chaque définition.
Si vous avez quelque chose à ajouter, vous trouverez ci-dessous un formulaire de commentaires à votre service, dans lequel vous pouvez exprimer votre opinion ou compléter l'article.
Liste des particules élémentaires
Photon
C'est un quantum de rayonnement électromagnétique, par exemple la lumière. La lumière, quant à elle, est un phénomène constitué de flux de lumière. Un photon est une particule élémentaire. Un photon a une charge neutre et une masse nulle. Le spin du photon est égal à l'unité. Le photon transporte l'interaction électromagnétique entre les particules chargées. Le terme photon vient du grec phos qui signifie lumière.
Phonon
C'est une quasi-particule, un quantum de vibrations élastiques et de déplacements d'atomes et de molécules du réseau cristallin à partir d'une position d'équilibre. Dans les réseaux cristallins, les atomes et les molécules interagissent constamment et partagent de l’énergie. À cet égard, il est presque impossible d'étudier des phénomènes similaires aux vibrations d'atomes individuels. Par conséquent, les vibrations aléatoires des atomes sont généralement considérées en fonction du type de propagation des ondes sonores à l’intérieur d’un réseau cristallin. Les quanta de ces ondes sont des phonons. Le terme phonon vient du grec téléphone – son.
Phazon
La phason de fluctuation est une quasiparticule, qui est une excitation dans des alliages ou dans un autre système hétérophasique, formant un puits de potentiel (région ferromagnétique) autour d'une particule chargée, par exemple un électron, et la capturant.
Roton
C'est une quasiparticule qui correspond à une excitation élémentaire dans l'hélium superfluide, dans la région des impulsions élevées, associée à l'apparition d'un mouvement vortex dans un liquide superfluide. Roton, traduit du latin signifie - filer, filer. Le roton apparaît à des températures supérieures à 0,6 K et détermine les propriétés de la capacité thermique dépendant de la température de manière exponentielle, telles que l'entropie de densité normale et autres.
Méson
C'est une particule non élémentaire instable. Un méson est un électron lourd présent dans les rayons cosmiques.
La masse d'un méson est supérieure à la masse d'un électron et inférieure à la masse d'un proton.
Les mésons possèdent un nombre pair de quarks et d'antiquarks. Les mésons comprennent les pions, les kaons et d'autres mésons lourds.
Quark
Il s’agit d’une particule élémentaire de matière, mais jusqu’à présent seulement hypothétique. Les quarks sont généralement appelés six particules et leurs antiparticules (antiquarks), qui constituent à leur tour un groupe de hadrons de particules élémentaires spéciales.
On pense que les particules qui participent à des interactions fortes, telles que les protons, les neurones et quelques autres, sont constituées de quarks étroitement liés les uns aux autres. Les quarks existent constamment dans différentes combinaisons. Il existe une théorie selon laquelle les quarks pourraient exister sous forme libre dans les premiers instants après le big bang.
Gluon
Particule élémentaire. Selon une théorie, les gluons semblent coller les quarks ensemble, qui à leur tour forment des particules telles que des protons et des neurones. En général, les gluons sont les plus petites particules qui forment la matière.
Boson
Boson-quasiparticle ou Bose-particule. Un boson a un spin nul ou entier. Le nom est donné en l'honneur du physicien Shatyendranath Bose. Un boson est différent en ce sens qu'un nombre illimité d'entre eux peuvent avoir le même état quantique.
Hadrons
Un hadron est une particule élémentaire qui n’est pas vraiment élémentaire. Se compose de quarks, d'antiquarks et de gluons. Le hadron n'a pas de charge colorée et participe à des interactions fortes, notamment nucléaires. Le terme hadron, du grec adros, signifie grand, massif.
Attendez que le widget de chronologie se charge.
JavaScript doit être activé pour afficher.
Si les désintégrations fortes étaient regroupées dans la région des yoctosecondes, les désintégrations électromagnétiques - au voisinage des attosecondes, alors les désintégrations faibles « suivaient tout le monde » - elles couvraient autant 27 ordres de grandeur sur l'échelle de temps!
Aux extrémités de cette fourchette incroyablement large se trouvent deux cas « extrêmes ».
- Les désintégrations du quark top et des particules porteuses de force faible (bosons W et Z) se produisent en environ 0,3 est= 3·10 −25 s. Ce sont les désintégrations les plus rapides parmi toutes les particules élémentaires et, en général, les processus les plus rapides connus de manière fiable par la physique moderne. Cela se produit car ce sont les désintégrations avec la libération d’énergie la plus élevée.
- La particule élémentaire ayant la durée de vie la plus longue, le neutron, vit environ 15 minutes. Un temps aussi énorme par rapport aux normes du microcosme s'explique par le fait que ce processus (la désintégration bêta d'un neutron en proton, électron et antineutrino) a une très faible libération d'énergie. Cette libération d'énergie est si faible que dans des conditions appropriées (par exemple, à l'intérieur d'un noyau atomique), cette désintégration peut déjà être énergétiquement défavorable, et le neutron devient alors complètement stable. Les noyaux atomiques, toute la matière qui nous entoure, et nous-mêmes, n'existons que grâce à cette étonnante faiblesse de la désintégration bêta.
Entre ces extrêmes, la plupart des désintégrations faibles se produisent également de manière plus ou moins compacte. Elles peuvent être divisées en deux groupes, que nous appellerons grossièrement : les désintégrations faibles rapides et les désintégrations faibles lentes.
Les désintégrations rapides durent environ une picoseconde. Il est donc surprenant de constater à quel point les chiffres ont évolué dans notre monde, à savoir que la durée de vie de plusieurs dizaines de particules élémentaires se situe dans une plage étroite de valeurs allant de 0,4 à 2 ps. Ce sont les hadrons dits charmés et charmants - des particules qui contiennent un quark lourd.
Les picosecondes sont merveilleuses, elles n'ont tout simplement pas de prix du point de vue des expériences sur les collisionneurs ! Le fait est qu'en 1 ps, une particule aura le temps de voler d'un tiers de millimètre, et un détecteur moderne peut facilement mesurer de si grandes distances. Grâce à ces particules, l'image des collisions de particules au collisionneur devient « facile à lire » : ici se sont produites la collision et la création d'un grand nombre de hadrons, et là-bas, un peu plus loin, des désintégrations secondaires se sont produites. La durée de vie devient directement mesurable, ce qui signifie qu'il devient possible de découvrir de quel type de particule il s'agit, et ensuite seulement d'utiliser ces informations pour une analyse plus complexe.
Les désintégrations faibles et lentes sont des désintégrations qui commencent à des centaines de picosecondes et s'étendent sur toute la plage des nanosecondes. Cela inclut la classe des « particules étranges » – de nombreux hadrons contenant un quark étrange. Malgré leur nom, pour les expériences modernes, elles ne sont pas du tout étranges, mais au contraire, ce sont les particules les plus ordinaires. Ils avaient l'air étranges dans les années 50 du siècle dernier, lorsque les physiciens ont soudainement commencé à les découvrir les uns après les autres et ne comprenaient pas très bien leurs propriétés. À propos, c'est l'abondance de hadrons étranges qui a poussé les physiciens il y a un demi-siècle à l'idée des quarks.
Du point de vue des expériences modernes avec des particules élémentaires, les nanosecondes représentent beaucoup. C'est à tel point que la particule éjectée de l'accélérateur n'a tout simplement pas le temps de se désintégrer, mais perce le détecteur en y laissant sa marque. Bien entendu, il va alors se coincer quelque part dans le matériau du détecteur ou dans les roches qui l'entourent et s'y désintégrer. Mais les physiciens ne se soucient plus de cette désintégration ; ils ne s’intéressent qu’à la trace que cette particule a laissée à l’intérieur du détecteur. Ainsi, pour les expériences modernes, ces particules semblent presque stables ; on les appelle donc le terme « intermédiaire » – particules métastables.
Eh bien, la particule qui vit le plus longtemps, sans compter le neutron, est le muon - une sorte de « frère » de l'électron. Il ne participe pas aux interactions fortes, il ne se désintègre pas à cause des forces électromagnétiques, il ne lui reste donc que des interactions faibles. Et comme il est assez léger, il vit 2 microsecondes, soit une époque entière à l'échelle des particules élémentaires.
Depuis les index je, k, je dans les formules développées les valeurs passent par 1, 2, 3, 4, le nombre de mésons Mik avec un spin donné doit être égal à 16. Pour les baryons Vélo le nombre maximum possible d'états pour un spin donné (64) n'est pas réalisé, car en vertu du principe de Pauli, pour un spin total donné, seuls sont autorisés les états à trois quarks qui ont une symétrie bien définie par rapport aux permutations de indices je, k, 1,à savoir : entièrement symétrique pour le spin 3/2 et symétrie mixte pour le spin 1/2. Cette condition est je = 0 sélectionne 20 états baryoniques pour le spin 3/2 et 20 pour le spin 1/2.
Un examen plus détaillé montre que la valeur de la composition des quarks et les propriétés de symétrie du système de quarks permet de déterminer tous les nombres quantiques de base du hadron ( J, P, B, Q, I, Y, Ch), hors masse; la détermination de la masse nécessite une connaissance de la dynamique de l'interaction des quarks et de la masse des quarks, ce qui n'est pas encore disponible.
Transmettre correctement les spécificités des hadrons ayant les masses et les spins les plus faibles à des valeurs données Oui Et Ch, Le modèle des quarks explique aussi naturellement le grand nombre global de hadrons et la prédominance des résonances parmi eux. Le grand nombre de hadrons reflète leur structure complexe et la possibilité de l'existence de divers états excités des systèmes de quarks. Il est possible que le nombre de ces états excités soit illimité. Tous les états excités des systèmes de quarks sont instables en ce qui concerne les transitions rapides dues aux fortes interactions avec les états sous-jacents. Ils constituent l’essentiel des résonances. Une petite fraction des résonances est également constituée de systèmes de quarks avec des orientations de spin parallèles (à l'exception de W -). Configurations de quarks à orientation de spin antiparallèle, liées à la base. états, forment des hadrons quasi-stables et un proton stable.
Les excitations des systèmes de quarks se produisent à la fois en raison de changements dans le mouvement de rotation des quarks (excitations orbitales) et en raison de changements dans leurs espaces. localisation (excitations radiales). Dans le premier cas, une augmentation de la masse du système s'accompagne d'une modification du spin total J. et la parité R. système, dans le deuxième cas l'augmentation de masse se produit sans changement JP. Par exemple, les mésons avec JP= 2 + sont la première excitation orbitale ( je = 1) mésons avec JP = 1 - . La correspondance des mésons 2 + et 1 - mésons de structures de quarks identiques est clairement visible dans l'exemple de nombreuses paires de particules :
Les mésons r" et y" sont des exemples d'excitations radiales des mésons r et y, respectivement (voir.
Les excitations orbitales et radiales génèrent des séquences de résonances correspondant à la même structure initiale des quarks. Le manque d'informations fiables sur l'interaction des quarks ne nous permet pas encore de faire des calculs quantitatifs des spectres d'excitation et de tirer des conclusions sur le nombre possible de tels états excités. Lors de la formulation du modèle des quarks, les quarks ont été considérés comme des éléments structurels hypothétiques qui s'ouvrent. la possibilité d'une description très pratique des hadrons. Par la suite, des expériences ont été menées qui permettent de parler des quarks comme de véritables formations matérielles à l'intérieur des hadrons. Les premières étaient des expériences sur la diffusion des électrons par les nucléons sous de très grands angles. Ces expériences (1968), qui rappellent les expériences classiques de Rutherford sur la diffusion des particules alpha sur les atomes, révélèrent la présence de formations chargées ponctuellement à l'intérieur du nucléon. La comparaison des données de ces expériences avec des données similaires sur la diffusion des neutrinos sur les nucléons (1973-75) a permis de tirer une conclusion sur la valeur quadratique moyenne de la charge électrique de ces formations ponctuelles. Le résultat s'est avéré étonnamment proche de la valeur 1 / 2 [(2 / 3 e) 2 +(1 / 3 e) 2 ]. L'étude du processus de production de hadrons lors de l'annihilation d'un électron et d'un positron, qui passe par la séquence de processus : ® hadrons, a indiqué la présence de deux groupes de hadrons génétiquement associés à chacun des quarks résultants, et a fait possible de déterminer le spin des quarks. Il s'est avéré que c'était égal à 1/2. Le nombre total de hadrons nés au cours de ce processus indique également que des quarks de trois variétés apparaissent à l'état intermédiaire, c'est-à-dire que les quarks sont tricolores.
Ainsi, les nombres quantiques des quarks, introduits sur la base de considérations théoriques, ont été confirmés dans un certain nombre d'expériences. Les quarks acquièrent progressivement le statut de nouvelles particules électroniques. Si des recherches plus approfondies confirment cette conclusion, alors les quarks sont de sérieux prétendants au rôle de véritables particules électroniques pour la forme hadronique de la matière. Jusqu'à des longueurs ~ 10 -15 cm les quarks agissent comme des formations ponctuelles sans structure. Le nombre de types connus de quarks est faible. Bien entendu, cela pourrait changer à l’avenir : on ne peut pas garantir qu’à des énergies plus élevées, des hadrons dotés de nouveaux nombres quantiques, dus à leur existence grâce à de nouveaux types de quarks, ne seront pas découverts. Détection Oui-mesons confirme ce point de vue. Mais il est fort possible que l'augmentation du nombre de quarks soit faible, que des principes généraux imposent des limites au nombre total de quarks, même si ces limites ne sont pas encore connues. Le manque de structure des quarks ne reflète peut-être aussi que le niveau atteint de recherche sur ces formations matérielles. Cependant, un certain nombre de caractéristiques spécifiques des quarks donnent à penser que les quarks sont des particules qui complètent la chaîne des composants structurels de la matière.
Les quarks diffèrent de toutes les autres particules électroniques en ce sens qu'ils n'ont pas encore été observés à l'état libre, bien qu'il existe des preuves de leur existence à l'état lié. L'une des raisons de la non-observation des quarks pourrait être leur très grande masse, qui empêche leur production aux énergies des accélérateurs modernes. Il est cependant possible que, fondamentalement, les quarks, en raison de la nature spécifique de leur interaction, ne puissent pas être à l'état libre. Il existe des arguments théoriques et expérimentaux en faveur du fait que les forces agissant entre les quarks ne s'affaiblissent pas avec la distance. Cela signifie qu'il faut infiniment plus d'énergie pour séparer les quarks les uns des autres, sinon l'émergence de quarks à l'état libre est impossible. L’incapacité d’isoler les quarks à l’état libre en fait un type complètement nouveau d’unités structurelles de la matière. On ne sait pas, par exemple, s'il est possible de poser la question des éléments constitutifs des quarks si les quarks eux-mêmes ne peuvent pas être observés à l'état libre. Il est possible que dans ces conditions, certaines parties des quarks ne se manifestent pas du tout physiquement et que les quarks agissent donc comme la dernière étape de la fragmentation de la matière hadronique.
Particules élémentaires et théorie quantique des champs.
Pour décrire les propriétés et les interactions des particules électroniques dans la théorie moderne, le concept de physique est essentiel. champ, qui est attribué à chaque particule. Un champ est une forme spécifique de matière ; il est décrit par une fonction spécifiée en tous points ( X)espace-temps et possédant certaines propriétés de transformation par rapport aux transformations du groupe de Lorentz (scalaire, spineur, vecteur, etc.) et des groupes de symétries « internes » (scalaire isotopique, spineur isotopique, etc.). Un champ électromagnétique ayant les propriétés d'un vecteur à quatre dimensions Et m (x) (m = 1, 2, 3, 4) est historiquement le premier exemple de champ physique. Les champs comparés aux particules E. sont de nature quantique, c'est-à-dire que leur énergie et leur impulsion sont composées de plusieurs parties. portions - quanta, et l'énergie E k et l'impulsion p k du quantum sont liées par la relation de la théorie restreinte de la relativité : E k 2 = p k 2 c 2 + m 2 c 2 . Chacun de ces quantums est une particule électronique avec une énergie E k , une impulsion p k et une masse m données. Les quanta du champ électromagnétique sont des photons, les quanta des autres champs correspondent à toutes les autres particules électroniques connues. Le champ est donc physique. reflet de l'existence d'une collection infinie de particules - quanta. L'appareil mathématique spécial de la théorie quantique des champs permet de décrire la naissance et la destruction d'une particule en chaque point x.
Les propriétés de transformation du champ déterminent tous les nombres quantiques des particules E. Les propriétés de transformation par rapport aux transformations espace-temps (le groupe de Lorentz) déterminent le spin des particules. Ainsi, un scalaire correspond au spin 0, un spineur - spin 1/2, un vecteur - spin 1, etc. L'existence de nombres quantiques tels que L, B, 1, Y, Ch et pour les quarks et gluons "couleur" s'ensuit à partir des propriétés de transformation des champs en relation avec les transformations des « espaces internes » (« espace de charge », « espace isotopique », « espace unitaire », etc.). L’existence de la « couleur » chez les quarks, en particulier, est associée à un espace unitaire « coloré » spécial. L'introduction d'« espaces internes » dans l'appareil théorique est encore un dispositif purement formel, qui peut cependant servir d'indication que la dimension de l'espace-temps physique, reflétée dans les propriétés de l'E. Ch., est en réalité plus grande. que quatre - la dimension de l'espace-temps caractéristique de tous les processus physiques macroscopiques. La masse des particules électroniques n'est pas directement liée aux propriétés de transformation des champs ; c'est leur caractéristique supplémentaire.
Pour décrire les processus se produisant avec les particules électroniques, il est nécessaire de connaître les relations entre les différents champs physiques, c'est-à-dire de connaître la dynamique des champs. Dans l'appareil moderne de la théorie quantique des champs, les informations sur la dynamique des champs sont contenues dans une quantité spéciale exprimée par les champs - le lagrangien (plus précisément la densité lagrangienne) L. La connaissance de L permet, en principe, de calculer les probabilités de transitions d'un ensemble de particules à un autre sous l'influence de diverses interactions. Ces probabilités sont données par ce qu'on appelle. matrice de diffusion (W. Heisenberg, 1943), exprimée par L. Le lagrangien L est constitué du lagrangien L, qui décrit le comportement des champs libres, et du lagrangien d'interaction, L, construit à partir des champs de différentes particules et reflétant la possibilité de leurs transformations mutuelles. La connaissance de Lz est déterminante pour décrire les processus avec E. h.
Au début des années 30 du XXe siècle, la physique a trouvé une description acceptable de la structure de la matière basée sur quatre types de particules élémentaires : les protons, les neutrons, les électrons et les photons. L'ajout d'une cinquième particule, le neutrino, a également permis d'expliquer les processus de désintégration radioactive. Il semblait que les particules élémentaires nommées étaient les premiers éléments constitutifs de l'univers.
Mais cette apparente simplicité a vite disparu. Bientôt, le positon fut découvert. En 1936, le premier méson fut découvert parmi les produits de l'interaction des rayons cosmiques avec la matière. Après cela, il a été possible d'observer des mésons de nature différente, ainsi que d'autres particules inhabituelles. Ces particules sont nées assez rarement sous l'influence des rayons cosmiques. Cependant, après la construction d’accélérateurs permettant de produire des particules à haute énergie, plus de 300 nouvelles particules ont été découvertes.
Que signifie alors le mot " élémentaire"? « Élémentaire » est l'antipode logique de « complexe ». Les particules élémentaires désignent les particules primaires, plus indécomposables, qui composent toute la matière. Dans les années quarante, un certain nombre de transformations de particules « élémentaires » étaient déjà connues. Le nombre de particules continue de croître. La plupart d’entre elles sont instables. Parmi les dizaines de microparticules connues, seules quelques-unes sont stables et incapables de transformations spontanées. La résistance aux transformations spontanées n’est-elle pas un signe d’élémentarité ?
Le noyau de deutérium (deutéron) est constitué d'un proton et d'un neutron. En tant que particule, le deuton est totalement stable. En même temps, le composant du deuton, le neutron, est radioactif, c'est-à-dire instable. Cet exemple montre que les notions de stabilité et d’élémentaire ne sont pas identiques. En physique moderne, le terme « Particules élémentaires » est généralement utilisé pour désigner un grand groupe de minuscules particules de matière.(qui ne sont ni des atomes ni des noyaux atomiques).
Toutes les particules élémentaires ont des masses et des tailles extrêmement petites. La plupart d’entre eux ont une masse de l’ordre de celle d’un proton (seule la masse d’un électron est sensiblement plus petite). 
). Les tailles et masses microscopiques des particules élémentaires déterminent les lois quantiques de leur comportement. La propriété quantique la plus importante de toutes les particules élémentaires est la capacité de naître et de se détruire (émise et absorbée) lors de l'interaction avec d'autres particules.
Il existe quatre types connus d'interactions entre particules, de nature différente : gravitationnelle, électromagnétique, nucléaire, ainsi que l'interaction dans tous les processus impliquant des neutrinos. Quelles sont les caractéristiques des quatre types d’interaction répertoriés ?
La plus forte est l'interaction entre les particules nucléaires (« forces nucléaires »). Cette interaction est généralement appelée fort. Il a déjà été noté que les forces nucléaires n'agissent qu'à de très petites distances entre les particules : le rayon d'action est d'environ 10 à 13 cm.
Le prochain plus grand est électromagnétique interaction. Il est moins que fort de deux ordres de grandeur. Mais avec la distance, ça change plus lentement, comme 1/ r 2, donc le rayon d’action des forces électromagnétiques est infini.
Vient ensuite l’interaction due à la participation des neutrinos aux réactions. En ordre de grandeur, ces interactions sont 10 à 14 fois inférieures aux interactions fortes. Ces interactions sont généralement appelées faible. Apparemment, le champ d'action est ici le même que dans le cas d'une interaction forte.
La plus petite interaction connue est gravitationnelle. C'est moins que le fort de 39 ordres de grandeur - 10 39 fois ! Avec la distance, les forces gravitationnelles diminuent aussi lentement que les forces électromagnétiques, leur champ d’action est donc également infini.
Dans l'espace, le rôle principal appartient aux interactions gravitationnelles, car Le champ d'action des interactions fortes et faibles est négligeable. Les interactions électromagnétiques jouent un rôle limité car les charges électriques de signes opposés ont tendance à former des systèmes neutres. Les forces gravitationnelles sont toujours des forces attractives. Ils ne peuvent pas être compensés par la force du signe opposé ; ils ne peuvent pas en être protégés. D’où leur rôle dominant dans l’espace.
L'ampleur des forces d'interaction correspond également au temps nécessaire pour réaliser la réaction provoquée par cette interaction. Ainsi, les processus provoqués par une forte interaction nécessitent un temps de l’ordre de 10 à 23 secondes. (une réaction se produit lorsque des particules à haute énergie entrent en collision). Le temps requis pour réaliser le processus provoqué par une interaction électromagnétique nécessite environ 10 à 21 secondes, une interaction faible nécessite environ 10 à 9 secondes. Dans les réactions provoquées par les interactions entre particules, les forces gravitationnelles ne jouent pratiquement aucun rôle.
Les interactions répertoriées sont apparemment de nature différente, c’est-à-dire qu’elles ne peuvent être réduites les unes aux autres. À l’heure actuelle, il n’existe aucun moyen de juger si ces interactions épuisent toutes celles existant dans la nature.
La classe des particules élémentaires participant à des interactions fortes est appelée hadrons (proton, neutron, etc.). Une classe de particules qui n’ont pas d’interactions fortes est appelée leptons. Les leptons comprennent l'électron, le muon, le neutrino, le lepton lourd et leurs antiparticules correspondantes. Antiparticules, un ensemble de particules élémentaires qui ont les mêmes masses et autres caractéristiques physiques que leurs « jumelles », mais qui en diffèrent par le signe de certaines caractéristiques d'interaction(par exemple, charge électrique, moment magnétique) : électron et positron, neutrino et antineutrino. Selon les concepts modernes, les neutrinos et les antineutrinos diffèrent les uns des autres par l'une des caractéristiques quantiques - l'hélicité, définie comme la projection du spin d'une particule sur les directions de son mouvement (impulsion). Les neutrinos ont un tour S orienté antiparallèlement à l'impulsion R., c'est à dire. directions R. Et S forment une vis à gauche et le neutrino a une hélicité à gauche (Fig. 6.2). Pour les antineutrinos, ces directions forment une vis à droite, c'est-à-dire les antineutrinos ont une hélicité droite.
Lorsqu'une particule et une antiparticule entrent en collision, elles peuvent se détruire mutuellement. "annihiler". En figue. La figure 6.3 représente le processus d'annihilation d'un électron et d'un positron avec l'apparition de deux quanta gamma. Dans ce cas, toutes les lois de conservation connues sont respectées : l'énergie, le moment, le moment cinétique et la loi de conservation des charges. Pour créer une paire électron – positon, il est nécessaire de dépenser de l’énergie au moins égale à la somme des énergies intrinsèques de ces particules, c’est-à-dire ~ 10 6 eV. Lorsqu'une telle paire s'annihile, cette énergie est libérée soit avec le rayonnement généré lors de l'annihilation, soit elle est distribuée entre d'autres particules.
.
(6.9)
La charge électrique est conservée lors de cette transformation. De la même manière, il est préservé lorsqu'un photon se transforme en une paire électron-positron ou lorsque la même paire naît à la suite d'une collision de deux électrons.
Il existe une hypothèse selon laquelle toutes les particules élémentaires sont des combinaisons de trois particules de base appelées quarks, et leurs antiparticules. Aucun quark n'a été découvert à l'état libre (malgré de nombreuses recherches dans des accélérateurs de haute énergie, dans les rayons cosmiques et dans l'environnement).
Il est impossible de décrire les propriétés et les transformations des microparticules sans aucune systématisation. Il n’existe pas de systématisation fondée sur une théorie stricte.
Les deux principaux groupes de particules élémentaires interagissent fortement ( hadrons) et interagissant faiblement ( leptons) particules. Les hadrons sont divisés en mésons Et baryons. Les baryons sont divisés en nucléons Et les hyperons. Les leptons comprennent les électrons, les muons et les neutrinos. Vous trouverez ci-dessous les valeurs selon lesquelles les microparticules sont classées.
1. En vrac ou baryonique nombre UN. De nombreux faits observés lors du processus de fission nucléaire et de création d'une paire nucléon-antinucléon suggèrent que dans tout processus, le nombre de nucléons reste constant. Tous les baryons reçoivent le numéro UN= +1, à chaque antiparticule UN= –1. La loi de conservation de la charge baryonique est exactement satisfaite dans tous les processus nucléaires. Les particules complexes ont plusieurs valeurs du nombre de baryon. Tous les mésons et leptons ont un nombre de baryon égal à zéro.
2. Charge électrique q représente le nombre d'unités de charge électrique (en unités de charge positive d'un proton) inhérentes à la particule.
3. Spin isotopique(sans rapport avec la rotation réelle). Les forces agissant entre les nucléons d'un noyau sont presque indépendantes du type de nucléons, c'est-à-dire : interactions nucléaires R.R., R.n Et nn sont identiques. Cette symétrie des forces nucléaires conduit à la conservation d'une quantité appelée spin isotopique. Isospin est conservé dans les interactions fortes et n'est pas conservé dans les processus provoqués par des interactions électromagnétiques et faibles.
4. Étrangeté. Pour expliquer pourquoi certains processus impliquant des hadrons ne se produisent pas, M. Gell-Mann et K. Nishijima ont proposé en 1953 d'introduire un nouveau nombre quantique, qu'ils ont appelé l'étrangeté. L'étrangeté des hadrons stables varie de –3 à +3 (entiers). L'étrangeté des leptons n'a pas été déterminée. Dans les interactions fortes, l’étrangeté persiste.
5. Faites tourner. Caractérise le moment cinétique de spin.
6. Parité. Propriété interne d'une particule associée à sa symétrie par rapport à droite et à gauche. Jusqu’à récemment, les physiciens pensaient qu’il n’y avait aucune différence entre la droite et la gauche. Par la suite, il s’est avéré qu’ils ne sont pas équivalents pour tous les processus d’interaction faible – ce qui a été l’une des découvertes les plus surprenantes de la physique.
En physique classique, la matière et le champ physique s’opposaient comme deux types de matière. La matière est constituée de particules élémentaires ; c'est un type de matière qui a une masse au repos. La structure de la matière est discrète, tandis que celle du champ est continue. Mais la physique quantique a conduit à niveler cette idée. En physique classique, on pense que les particules sont soumises à des champs de force gravitationnelle et électromagnétique. La physique classique ne connaissait pas d'autres domaines. En physique quantique, derrière les champs, ils voient les véritables porteurs d'interaction - les quanta de ces champs, c'est-à-dire particules. Pour les champs classiques, ce sont les gravitons et les photons. Lorsque les champs sont suffisamment forts et qu’il y a beaucoup de quanta, nous cessons de les distinguer en tant que particules individuelles et les percevons comme un champ. Les porteurs d'interactions fortes sont les gluons. D’un autre côté, toute microparticule (élément de matière) a une double nature particule-onde.
