Elemi részecskék. Elemi részecskék Elemi részecske 5 betűs keresztrejtvény először

Várja meg, amíg az idővonal widget betöltődik.
A megtekintéséhez engedélyezni kell a JavaScriptet.

Ha az erős bomlásokat a yoktoszekundumok tartományába csoportosították, az elektromágneseseket - az attoszekundumok környezetébe, akkor a gyenge bomlások „mindenkit követtek” - annyit takartak 27 nagyságrend az időskálán!

Ennek az elképzelhetetlenül széles tartománynak a szélén két „extrém” eset található.

• A felső kvark bomlása és a gyenge erőhordozó részecskék (W és Z bozonok) kb. 0,3 az= 3·10 −25 s. Ezek a leggyorsabb bomlások az elemi részecskék közül, és általában a modern fizika által megbízhatóan ismert leggyorsabb folyamatok. Ez azért alakul így, mert ezek a bomlások a legnagyobb energiafelszabadulásúak.
• A leghosszabb életű elemi részecske, a neutron körülbelül 15 percig él. A mikrokozmosz mércéi szerint ilyen hatalmas idő azzal magyarázható, hogy ennek a folyamatnak (a neutron béta-bomlása protonná, elektronná és antineutrínóvá) nagyon kicsi az energiafelszabadulása. Ez az energiafelszabadulás olyan gyenge, hogy megfelelő körülmények között (például atommag belsejében) ez a bomlás már energetikailag kedvezőtlen lehet, és ekkor a neutron teljesen stabillá válik. Az atommagok, az összes körülöttünk lévő anyag és mi magunk is csak a béta-bomlás eme csodálatos gyengeségének köszönhetően létezünk.

E szélsőségek között a legtöbb gyenge bomlás is többé-kevésbé tömören megy végbe. Két csoportra oszthatók, amelyeket durván nevezünk: gyors gyenge bomlásnak és lassú gyenge bomlásnak.

A gyorsak körülbelül pikoszekundumig tartó bomlások. Meglepő tehát, hogyan alakultak a számok világunkban, hogy több tucat elemi részecske élettartama egy szűk értéktartományba esik, 0,4 és 2 ps között. Ezek az úgynevezett elbűvölő és kedves hadronok – olyan részecskék, amelyek nehéz kvarkot tartalmaznak.

A pikoszekundumok csodálatosak, egyszerűen megfizethetetlenek az ütközőgépeken végzett kísérletek szempontjából! A helyzet az, hogy 1 ps alatt egy részecskének lesz ideje egyharmad millimétert repülni, és egy modern detektor könnyedén mérhet ilyen nagy távolságokat. Ezeknek a részecskéknek köszönhetően a részecskék ütközésének képe az ütközőnél „könnyen olvashatóvá” válik - itt nagyszámú hadron ütközése és létrejötte történt, és ott, kicsit távolabb, másodlagos bomlás történt. Az élettartam közvetlenül mérhetővé válik, ami azt jelenti, hogy kideríthető, hogy milyen részecskéről van szó, és csak ezután lehet ezt az információt felhasználni egy bonyolultabb elemzéshez.

A lassú gyenge bomlás olyan bomlás, amely több száz pikoszekundumnál kezdődik, és a teljes nanoszekundumos tartományra kiterjed. Ide tartozik az úgynevezett „furcsa részecskék” osztálya – számos hadron, amelyek furcsa kvarkot tartalmaznak. Nevük ellenére a modern kísérletekhez egyáltalán nem furcsaak, hanem éppen ellenkezőleg, a leghétköznapibb részecskék. Csak furcsán néztek ki a múlt század 50-es éveiben, amikor a fizikusok hirtelen egymás után kezdték felfedezni őket, és nem egészen értették tulajdonságaikat. Egyébként a furcsa hadronok sokasága késztette a fizikusokat fél évszázaddal ezelőtt a kvarkok ötletére.

Az elemi részecskékkel végzett modern kísérletek szempontjából a nanoszekundum sok. Ez annyi, hogy a gyorsítóból kilökődő részecskének egyszerűen nincs ideje szétesni, hanem átszúrja a detektort, nyomot hagyva benne. Természetesen ezután megakad valahol a detektor anyagában vagy a körülötte lévő kőzetekben, és ott szétesik. De a fizikusokat már nem érdekli ez a bomlás, csak az érdekli őket, hogy ez a részecske milyen nyomot hagyott a detektorban. Tehát a modern kísérletekhez az ilyen részecskék szinte stabilnak tűnnek; ezért "köztes" kifejezésnek nevezik őket - metastabil részecskék.

Nos, a leghosszabb életű részecske, a neutront nem számítva, a müon - az elektron egyfajta „testvére”. Erős kölcsönhatásokban nem vesz részt, elektromágneses erők hatására nem bomlik le, így csak gyenge kölcsönhatások maradnak számára. És mivel meglehetősen könnyű, 2 mikroszekundumig él - egy egész korszakot az elemi részecskék skáláján.

A fizikában az elemi részecskék olyan fizikai objektumok voltak az atommag léptékében, amelyek nem oszthatók fel alkotórészeikre. Ma azonban a tudósoknak sikerült néhányat kettéosztaniuk. Ezeknek az apró tárgyaknak a szerkezetét és tulajdonságait a részecskefizika tanulmányozza.

Az összes anyagot alkotó legkisebb részecskék ősidők óta ismertek. Az úgynevezett „atomizmus” megalapítóinak azonban az ókori görög filozófust, Leukippuszt és híresebb tanítványát, Démokritoszt tartják. Feltételezhető, hogy ez utóbbi alkotta az „atom” kifejezést. Az ókori görögből az „atomos” szót „oszthatatlannak” fordítják, ami meghatározza az ókori filozófusok nézeteit.

Később ismertté vált, hogy az atom még mindig két fizikai objektumra osztható - az atommagra és az elektronra. Utóbbi később lett az első elemi részecske, amikor 1897-ben az angol Joseph Thomson kísérletet végzett katódsugarakkal, és felfedezte, hogy azok egyforma, azonos tömegű és töltésű részecskék áramlatai.

Thomson munkásságával párhuzamosan a röntgensugárzással foglalkozó Henri Becquerel kísérleteket végez uránnal, és új típusú sugárzást fedez fel. 1898-ban egy francia fizikuspár, Marie és Pierre Curie különféle radioaktív anyagokat tanulmányozott, és ugyanazt a radioaktív sugárzást fedezte fel. Később kiderült, hogy alfa-részecskékből (2 proton és 2 neutron) és béta-részecskékből (elektronokból) áll, Becquerel és Curie pedig Nobel-díjat kap. Marie Sklodowska-Curie, miközben olyan elemekkel végzett kutatásait, mint az urán, rádium és polónium, nem tett semmilyen biztonsági intézkedést, beleértve a kesztyűt sem. Ennek eredményeként 1934-ben utolérte a leukémia. A nagy tudós eredményeinek emlékére a Curie házaspár által felfedezett elemet, a polóniumot Mária szülőföldjének tiszteletére nevezték el - Polonia, latinul - Lengyelország.

Fotó az 1927-es V. Solvay Kongresszusról. Próbálja meg megtalálni a cikkben szereplő összes tudóst ezen a képen.

Albert Einstein 1905 óta a fényhullámelmélet tökéletlenségének szenteli publikációit, amelyek posztulátumai ellentétben állnak a kísérletek eredményeivel. Ami később a kiváló fizikust a „fénykvantum” – a fény egy része – gondolatához vezette. Később, 1926-ban Gilbert N. Lewis amerikai fizikai kémikus a görög „phos” („fény”) szóból fordította fotonnak.

Ernest Rutherford brit fizikus 1913-ban az akkoriban már végzett kísérletek eredményei alapján megállapította, hogy számos kémiai elem atommagjának tömege többszöröse a hidrogénmag tömegének. Ezért azt feltételezte, hogy a hidrogénmag más elemek magjának alkotóeleme. Kísérletében Rutherford egy nitrogénatomot sugárzott be alfa-részecskékkel, ami ennek eredményeként egy bizonyos részecskét bocsátott ki, amelyet Ernest „protonnak” nevezett el a többi görög „protos”-ból (első, fő). Később kísérletileg igazolták, hogy a proton egy hidrogénatom.

Nyilvánvaló, hogy a proton nem az egyetlen alkotóeleme a kémiai elemek magjainak. Ezt az elképzelést az a tény vezeti, hogy az atommagban lévő két proton taszítaná egymást, és az atom azonnal szétesne. Ezért Rutherford egy másik részecske jelenlétét feltételezte, amelynek tömege megegyezik a proton tömegével, de nincs töltve. A tudósok radioaktív és könnyebb elemek kölcsönhatásával kapcsolatos kísérletei egy másik új sugárzás felfedezéséhez vezették őket. 1932-ben James Chadwick megállapította, hogy azokból a nagyon semleges részecskékből áll, amelyeket neutronoknak nevezett.

Így felfedezték a leghíresebb részecskéket: foton, elektron, proton és neutron.

Továbbá egyre gyakoribbá vált az új szubnukleáris objektumok felfedezése, és jelenleg mintegy 350 részecske ismert, amelyeket általában „eleminek” tartanak. Közülük azokat, amelyeket még nem osztottak szét, szerkezet nélkülinek tekintik, és „alapvetőnek” nevezik.

Mi az a spin?

Mielőtt a fizika területén további újításokkal haladnánk, meg kell határozni az összes részecske jellemzőit. A legismertebb a tömeg- és elektromos töltésen kívül a spint is tartalmazza. Ezt a mennyiséget egyébként „belső szögimpulzusnak” nevezik, és semmilyen módon nem kapcsolódik a szubnukleáris objektum egészének mozgásához. A tudósok képesek voltak kimutatni a 0, ½, 1, 3/2 és 2 spinű részecskéket. Ha leegyszerűsítve is szeretnénk megjeleníteni a spint, mint egy tárgy tulajdonságát, nézzük meg a következő példát.

Legyen egy tárgy spinje 1. Ekkor egy ilyen tárgy 360 fokkal elforgatva visszatér eredeti helyzetébe. Síkon ez a tárgy lehet egy ceruza, amely 360 fokos elfordulás után az eredeti helyzetébe kerül. Nulla pörgés esetén, függetlenül attól, hogy az objektum hogyan forog, mindig ugyanúgy fog kinézni, például egy egyszínű golyó.

½ centrifugáláshoz olyan tárgyra lesz szüksége, amely 180 fokkal elforgatva is megőrzi megjelenését. Lehet ugyanaz a ceruza, csak szimmetrikusan kihegyezve mindkét oldalon. A 2-es pörgetéshez 720 fokkal elforgatva meg kell őrizni az alakot, a 3/2-es pörgetéshez pedig 540-et.

Ez a jellemző nagyon fontos a részecskefizika szempontjából.

A részecskék és kölcsönhatások szabványos modellje

A körülöttünk lévő világot alkotó mikroobjektumok lenyűgöző halmaza birtokában a tudósok úgy döntöttek, hogy strukturálják őket, és így alakult ki a jól ismert elméleti szerkezet, az úgynevezett „Standard Model”. Három kölcsönhatást és 61 részecskét ír le 17 alapvető elem felhasználásával, amelyek közül néhányat jóval a felfedezés előtt megjósolt.

A három interakció a következő:

• Elektromágneses. Elektromosan töltött részecskék között fordul elő. Az iskolából ismert egyszerű esetben az ellentétes töltésű tárgyak vonzzák, a hasonló töltésű tárgyak taszítanak. Ez az elektromágneses kölcsönhatás úgynevezett hordozóján, a fotonon keresztül történik.
• Erős, más néven nukleáris kölcsönhatás. Ahogy a név is sugallja, hatása kiterjed az atommag rendjébe tartozó objektumokra, felelős a protonok, neutronok és más, szintén kvarkokból álló részecskék vonzásáért. Az erős kölcsönhatást a gluonok hordozzák.
• Gyenge. Hatékony a mag méreténél ezerrel kisebb távolságokban. Ebben a kölcsönhatásban a leptonok és kvarkok, valamint antirészecskéik vesznek részt. Ráadásul gyenge interakció esetén egymásba is átalakulhatnak. A hordozók a W+, W− és Z0 bozonok.

Tehát a Standard Modell a következőképpen alakult ki. Hat kvarkot tartalmaz, amelyekből az összes hadron (erős kölcsönhatásnak kitett részecskék) áll:

• Felső(u);
• Elvarázsolt (c);
• igaz(t);
• Alsó (d);
• Furcsa(k);
• Imádnivaló (b).

Nyilvánvaló, hogy a fizikusoknak rengeteg jelzője van. A másik 6 részecske lepton. Ezek olyan alapvető részecskék, amelyek spinje ½, és nem vesznek részt az erős kölcsönhatásban.

• Elektron;
• elektronneutrínó;
• Muon;
• müon-neutrínó;
• Tau lepton;
• Tau neutrínó.

A Standard Modell harmadik csoportja pedig a mérőbozonok, amelyek spinje 1, és kölcsönhatások hordozóiként vannak ábrázolva:

• Gluon – erős;
• Foton – elektromágneses;
• Z-bozon - gyenge;
• A W-bozon gyenge.

Ezek közé tartozik a nemrég felfedezett spin-0 részecske is, amely leegyszerűsítve közömbös tömeget ad az összes többi szubnukleáris objektumnak.

Ennek eredményeként a Standard Modell szerint világunk így néz ki: minden anyag 6 kvarkból áll, amelyek hadronokat alkotnak, és 6 leptonból; mindezek a részecskék három kölcsönhatásban vehetnek részt, amelyek hordozói a mérőbozonok.

A szabványos modell hátrányai

A tudósok azonban már a Higgs-bozon, a Standard Modell által megjósolt utolsó részecske felfedezése előtt is túllépték annak határait. Ennek frappáns példája az ún. „gravitációs kölcsönhatás”, amely egyenrangú a mai többiekkel. Feltehetően hordozója egy 2-es spinű részecske, amelynek nincs tömege, és amelyet a fizikusok még nem tudtak kimutatni - a „graviton”.

Ráadásul a Standard Modell 61 részecskét ír le, és ma már több mint 350 részecskét ismer az emberiség. Ez azt jelenti, hogy az elméleti fizikusok munkája még nem ért véget.

Részecske osztályozás

Életük megkönnyítése érdekében a fizikusok minden részecskét csoportosítottak szerkezeti jellemzőik és egyéb jellemzőik alapján. Az osztályozás a következő kritériumokon alapul:

• Élettartam.
  1. Stabil. Ide tartozik a proton és az antiproton, az elektron és a pozitron, a foton és a graviton. A stabil részecskék létezésének nem szab határt az idő, amíg szabad állapotban vannak, pl. ne lépj kapcsolatba semmivel.
  2. Instabil. Az összes többi részecske egy idő után szétesik alkotóelemeire, ezért nevezzük instabilnak. Például egy müon csak 2,2 mikroszekundumot él, a proton pedig 2,9 10 * 29 évet, ezután pozitronná és semleges pionná bomlik.
• Súly.
  1. Tömeg nélküli elemi részecskék, amelyekből csak három van: foton, gluon és graviton.
  2. Masszív részecskék az összes többi.
• Spin jelentése.
  1. Egész centrifugálás, beleértve nulla, vannak bozonoknak nevezett részecskéi.
  2. A félegész spinű részecskék fermionok.
• Interakciókban való részvétel.
  1. A hadronok (strukturális részecskék) olyan szubnukleáris objektumok, amelyek mind a négy típusú kölcsönhatásban részt vesznek. Korábban már említettük, hogy kvarkokból állnak. A hadronokat két altípusra osztják: mezonokra (egész spin, bozonok) és barionokra (félegész spin, fermionok).
  2. Fundamentális (szerkezet nélküli részecskék). Ide tartoznak a leptonok, kvarkok és mérőbozonok (lásd korábban – „Standard Model...”).

Miután megismerkedett az összes részecske osztályozásával, például pontosan azonosíthatja néhányukat. Tehát a neutron egy fermion, hadron, vagy inkább barion és nukleon, vagyis fél egész számból áll, kvarkokból áll és 4 kölcsönhatásban vesz részt. A nukleon a protonok és a neutronok általános neve.

• Érdekes, hogy Démokritosz atomizmusának ellenzői, akik megjósolták az atomok létezését, kijelentették, hogy a világ bármely anyaga korlátlanul fel van osztva. Bizonyos mértékig igazuk is lehet, hiszen a tudósoknak már sikerült felosztaniuk az atomot atommagra és elektronra, az atommagot protonra és neutronra, ezeket pedig kvarkokra.
• Démokritosz abból indult ki, hogy az atomoknak tiszta geometriai alakjuk van, ezért a tűz „éles” atomjai égnek, a szilárd anyagok durva atomjait kiemelkedéseik szilárdan tartják össze, a víz sima atomjai pedig kölcsönhatás közben megcsúsznak, különben áramlanak.
• Joseph Thomson összeállította saját atommodelljét, amelyet pozitív töltésű testnek látott, amelyben az elektronok „beszorultak”. Modelljét „Plum puding modellnek” hívták.
• A kvarkok nevüket Murray Gell-Mann amerikai fizikusnak köszönhették. A tudós a kacsa háp (kwork) hangjához hasonló szót akart használni. De James Joyce Finnegans Wake című regényében a „Három kvark Mr. Marknak!” sorában találkozott a „kvark” szóval, amelynek jelentése nincs pontosan meghatározva, és lehetséges, hogy Joyce egyszerűen rímre használta. Murray úgy döntött, hogy a részecskéket ezzel a szóval hívja, mivel akkoriban csak három kvarkot ismertek.
• Bár a fotonok, a fényrészecskék tömegtelenek, a fekete lyuk közelében úgy tűnik, hogy megváltoztatják pályájukat, mivel gravitációs erők vonzzák őket. Valójában egy szupermasszív test meghajlítja a téridőt, ezért bármely részecskék, beleértve a tömeg nélkülieket is, megváltoztatják pályájukat a fekete lyuk felé (lásd).
• A Large Hadron Collider éppen azért „hadronikus”, mert két irányított hadronsugarat ütköztet, olyan részecskékkel, amelyek mérete egy atommag nagyságrendjében van, és minden kölcsönhatásban részt vesz.

Az alábbiakban felsoroljuk mind az ötbetűs elemi részecskét. Minden definícióhoz rövid leírás tartozik.

Ha van hozzáfűznivalója, akkor az alábbiakban egy megjegyzés űrlap áll az Ön rendelkezésére, amelyen elmondhatja véleményét, vagy kiegészítheti a cikket.

Az elemi részecskék listája

Foton

Ez egy elektromágneses sugárzás, például fény kvantum. A fény pedig egy olyan jelenség, amely fényfolyamokból áll. A foton elemi részecske. A fotonnak semleges töltése és nulla tömege van. A foton spin egyenlő az egységgel. A foton hordozza az elektromágneses kölcsönhatást a töltött részecskék között. A foton kifejezés a görög phos szóból ered, jelentése fény.

Phonon

Ez egy kvázirészecske, a rugalmas rezgések és a kristályrács atomjainak és molekuláinak egyensúlyi helyzetből való elmozdulásának kvantuma. A kristályrácsokban az atomok és a molekulák folyamatosan kölcsönhatásba lépnek, energiát osztanak meg egymással. Ebben a tekintetben szinte lehetetlen az egyes atomok rezgéseihez hasonló jelenségeket tanulmányozni bennük. Ezért az atomok véletlenszerű rezgéseit általában a hanghullámok kristályrácson belüli terjedésének típusa szerint veszik figyelembe. Ezeknek a hullámoknak a kvantumai fononok. A fonon kifejezés a görög telefon - hang szóból származik.

Phazon

A fluktuonfázon egy kvázirészecske, ami egy gerjesztés ötvözetekben vagy más heterofázisú rendszerben, potenciálkupacot (ferromágneses régiót) képez egy töltött részecske, mondjuk egy elektron körül, és befogja azt.

Roton

Ez egy kvázi részecske, amely megfelel az elemi gerjesztésnek szuperfolyékony héliumban, a nagy impulzusok tartományában, amely a szuperfolyékony folyadékban örvénymozgás előfordulásával jár. A Roton latinul fordítva azt jelenti - forog, forog. A Roton 0,6 K-nél nagyobb hőmérsékleten jelenik meg, és meghatározza a hőkapacitás exponenciálisan hőmérsékletfüggő tulajdonságait, mint például a normál sűrűség entrópiája és mások.

Mezon

Ez egy instabil, nem elemi részecske. A mezon egy nehéz elektron a kozmikus sugarakban.
A mezon tömege nagyobb, mint az elektron tömege és kisebb, mint a proton tömege.

A mezonokban páros számú kvark és antikvark található. A mezonok közé tartoznak a pionok, a kaonok és más nehéz mezonok.

Quark

Az anyag elemi részecskéje, de egyelőre csak hipotetikusan. A kvarkokat általában hat részecskének és antirészecskéinek (antikvarkoknak) nevezik, amelyek viszont különleges elemi részecskék csoportját alkotják, hadronok.

Úgy gondolják, hogy az erős kölcsönhatásokban részt vevő részecskék, mint például a protonok, neuronok és mások, egymással szorosan összefüggő kvarkokból állnak. A kvarkok folyamatosan léteznek különböző kombinációkban. Van egy elmélet, amely szerint a kvarkok szabad formában létezhetnek az ősrobbanás utáni első pillanatokban.

Gluon

Elemi részecske. Az egyik elmélet szerint a gluonok kvarkokat ragasztanak össze, amelyek viszont részecskéket alkotnak, például protonokat és neuronokat. Általában a gluonok az anyagot alkotó legkisebb részecskék.

Boson

Bozon-kvázi részecske vagy Bose-részecske. A bozon nulla vagy egész spinű. A nevet Shatyendranath Bose fizikus tiszteletére adták. A bozon abban különbözik, hogy korlátlan számú kvantumállapota lehet.

Hadron

A hadron egy elemi részecske, amely nem igazán elemi. Kvarkokból, antikvarkokból és gluonokból áll. A hadronnak nincs színtöltése, és erős kölcsönhatásokban vesz részt, beleértve a nukleáris kölcsönhatásokat is. A hadron kifejezés a görög adros szóból azt jelenti, hogy nagy, masszív.

A huszadik század 30-as éveinek elején a fizika négyféle elemi részecskén – protonokon, neutronokon, elektronokon és fotonokon – talált elfogadható leírást az anyag szerkezetéről. Az ötödik részecske, a neutrínó hozzáadása a radioaktív bomlási folyamatok magyarázatát is lehetővé tette. Úgy tűnt, hogy a megnevezett elemi részecskék a világegyetem első téglája.

De ez a látszólagos egyszerűség hamar eltűnt. Hamarosan felfedezték a pozitront. 1936-ban fedezték fel az első mezont a kozmikus sugarak anyaggal való kölcsönhatásának termékei között. Ezt követően más jellegű mezonokat, valamint egyéb szokatlan részecskéket lehetett megfigyelni. Ezek a részecskék meglehetősen ritkán születtek kozmikus sugarak hatására. Miután azonban olyan gyorsítókat építettek, amelyek lehetővé tették a nagy energiájú részecskék előállítását, több mint 300 új részecskét fedeztek fel.

Akkor mit jelent a "szó" alapvető"? Az "elemi" a "komplex" logikai antipódja. Az elemi részecskék a minden anyagot alkotó elsődleges, tovább nem bomló részecskéket jelentik. A negyvenes években már ismert volt az "elemi" részecskék számos átalakulása. A részecskék száma Legtöbbjük instabil A tucatnyi ismert mikrorészecske között csak néhány van, amely stabil és nem képes a spontán átalakulásra.A spontán átalakulások tekintetében a stabilitás nem az elemiség jele?

A deutériummag (deuteron) protonból és neutronból áll. Részecskeként a deuteron teljesen stabil. Ugyanakkor a deuteron komponense, a neutron radioaktív, azaz. instabil. Ez a példa azt mutatja, hogy a stabilitás és az elemiség fogalma nem azonos. A modern fizikában a kifejezés Az "elemi részecskéket" általában apró anyagrészecskék nagy csoportjának megnevezésére használják(amelyek nem atomok vagy atommagok).

Minden elemi részecske rendkívül kis tömegű és méretű. Legtöbbjük tömege a proton tömegének nagyságrendje (csak az elektron tömege észrevehetően kisebb
). Az elemi részecskék mikroszkopikus mérete és tömege határozza meg viselkedésük kvantumtörvényeit. Az összes elemi részecske legfontosabb kvantumtulajdonsága az a képesség, hogy más részecskékkel kölcsönhatásba lépve képesek megszületni és megsemmisülni (kibocsátani és elnyelni).

A részecskék közötti kölcsönhatásoknak négy, természetükben eltérő típusa ismert: gravitációs, elektromágneses, nukleáris, valamint kölcsönhatás minden neutrínóval kapcsolatos folyamatban. Melyek a felsorolt ​​négy interakciótípus jellemzői?

A legerősebb a nukleáris részecskék ("nukleáris erők") közötti kölcsönhatás. Ezt az interakciót általában ún erős. Korábban már megállapítottuk, hogy a nukleáris erők csak nagyon kis távolságra hatnak a részecskék között: a hatás sugara körülbelül 10-13 cm.

A következő legnagyobb az elektromágneses kölcsönhatás. Két nagyságrenddel kisebb, mint erős. De a távolsággal lassabban változik, például 1/ r 2, tehát az elektromágneses erők hatássugara végtelen.

Ezután következik a neutrínók reakciókban való részvétele miatti kölcsönhatás. Ezek a kölcsönhatások nagyságrendileg 10 14-szer kisebbek, mint az erős kölcsönhatások. Ezeket a kölcsönhatásokat általában ún gyenge. Látszólag itt is ugyanaz a hatástartomány, mint erős interakció esetén.

A legkisebb ismert kölcsönhatás az gravitációs. 39 nagyságrenddel kevesebb, mint az erős - 10 39-szer! A távolsággal a gravitációs erők olyan lassan csökkennek, mint az elektromágneses erők, így hatástartományuk is végtelen.

A térben a gravitációs kölcsönhatásoké a főszerep, mert Az erős és gyenge kölcsönhatások hatástartománya elhanyagolható. Az elektromágneses kölcsönhatások korlátozott szerepet játszanak, mivel az ellenkező előjelű elektromos töltések általában semleges rendszereket alkotnak. A gravitációs erők mindig vonzó erők. Ellentétes előjel erejével nem kompenzálhatók, nem védhetők tőlük. Innen ered az uralkodó szerepük a térben.

A kölcsönhatási erők nagysága megegyezik a kölcsönhatás által kiváltott reakció végrehajtásához szükséges idővel is. Így az erős kölcsönhatás okozta folyamatok 10-23 másodperces nagyságrendű időt igényelnek. (a reakció akkor megy végbe, amikor nagy energiájú részecskék ütköznek). Az elektromágneses kölcsönhatás okozta folyamat végrehajtásához szükséges idő ~10 -21 mp, a gyenge kölcsönhatás ~10 -9 mp. A részecskekölcsönhatások által okozott reakciókban a gravitációs erők gyakorlatilag nem játszanak szerepet.

A felsorolt ​​kölcsönhatások láthatóan eltérő jellegűek, azaz nem redukálhatók egymásra. Jelenleg nincs mód annak megítélésére, hogy ezek a kölcsönhatások kimerítik-e a természetben létezőket.

Az erős kölcsönhatásban részt vevő elemi részecskék osztályát hadronoknak (proton, neutron stb.) nevezik. A részecskék azon osztályát, amelyeknek nincs erős kölcsönhatása, leptonoknak nevezzük. A leptonok közé tartozik az elektron, müon, neutrínó, nehéz lepton és a hozzájuk tartozó antirészecskék. Antirészecskék, olyan elemi részecskék gyűjteménye, amelyek tömege és egyéb fizikai jellemzői megegyeznek „ikereik” tömegével, de bizonyos kölcsönhatási jellemzők jelében különböznek tőlük(például elektromos töltés, mágneses momentum): elektron és pozitron, neutrínó és antineutrínó. A modern koncepciók szerint a neutrínók és az antineutrínók az egyik kvantumjellemzőben különböznek egymástól - a helicity, amelyet a részecske spinjének a mozgási irányaira (impulzusára) való vetületeként határoznak meg. A neutrínók pörögnek S a pulzussal ellentétes irányultságú R, azaz irányokat RÉs S balkezes csavart alkotnak, és a neutrínónak balkezes helicitása van (6.2. ábra). Az antineutrínóknál ezek az irányok jobbos csavart alkotnak, i.e. az antineutrínók jobbkezes helicitással rendelkeznek.

Amikor egy részecske és egy antirészecske ütközik, kölcsönösen megsemmisülhetnek - "megsemmisíteni".ábrán. A 6.3. ábra egy elektron és egy pozitron megsemmisülésének folyamatát mutatja be két gamma-sugár megjelenésével. Ebben az esetben az összes ismert megmaradási törvényt betartják - az energia, az impulzus, a szögimpulzus és a töltések megmaradásának törvénye. Az elektron-pozitron pár létrehozásához nem kevesebb energiát kell elkölteni, mint e részecskék belső energiáinak összege, azaz. ~ 10 6 eV. Amikor egy ilyen pár megsemmisül, ez az energia vagy a megsemmisülés során keletkező sugárzással szabadul fel, vagy eloszlik más részecskék között.

A töltés megmaradásának törvényéből az következik, hogy töltött részecske nem keletkezhet anélkül, hogy ne jelenne meg egy másik ellentétes előjelű töltésekkel (úgy, hogy a részecskerendszer teljes töltése ne változzon). Ilyen reakció például a neutron protonná történő átalakulásának reakciója elektronképződéssel és neutrínó kibocsátásával.

. (6.9)

Az elektromos töltés az átalakulás során megmarad. Ugyanígy megmarad, amikor egy foton elektron-pozitron párrá alakul, vagy ha két elektron ütközése következtében ugyanaz a pár születik.

Van egy hipotézis, amely szerint minden elemi részecske három alapvető részecske kombinációja kvarkokés antirészecskék. A kvarkokat nem fedezték fel szabad állapotban (annak ellenére, hogy nagy energiájú gyorsítóknál, kozmikus sugarakban és a környezetben is többször keresték őket).

Lehetetlen rendszerezés nélkül leírni a mikrorészecskék tulajdonságait és átalakulásait. Szigorú elméleten alapuló rendszerezés nincs.

Az elemi részecskék két fő csoportja erősen kölcsönhatásban van ( hadronok) és gyengén kölcsönható ( leptonok) részecskék. A hadronok fel vannak osztva mezonokÉs baryonok. A barionok fel vannak osztva nukleonokÉs hiperonok. A leptonok közé tartoznak az elektronok, müonok és neutrínók. Alább láthatók azok az értékek, amelyek alapján a mikrorészecskéket osztályozzák.

1. Tömeges ill barion szám A. A maghasadás és a nukleon-antinukleon pár létrejötte során megfigyelt számos tény arra utal, hogy a nukleonok száma minden folyamat során állandó marad. Minden barionhoz hozzá van rendelve a szám A= +1, minden antirészecskére A= –1. A bariontöltés megmaradásának törvénye minden nukleáris folyamatban pontosan teljesül. Az összetett részecskéknek több barionszáma van. Minden mezon és lepton barionszáma nulla.

2. Elektromos töltés q a részecskében rejlő elektromos töltés egységeinek számát jelenti (a proton pozitív töltésének egységeiben).

3. Izotópos spin(nem kapcsolódik a valódi pörgetéshez). Az atommagban a nukleonok között ható erők szinte függetlenek a nukleonok típusától, pl. nukleáris kölcsönhatások RR, Rn És nn ugyanazok. A nukleáris erők ezen szimmetriája az izotópos spinnek nevezett mennyiség megmaradásához vezet. Isospin konzerválódik az erős kölcsönhatásokban, és nem konzerválódik az elektromágneses és gyenge kölcsönhatások által okozott folyamatokban.

4. Furcsaság. M. Gell-Mann és K. Nishijima 1953-ban egy új kvantumszám bevezetését javasolta, amit ők furcsaságnak neveztek, hogy megmagyarázzák, miért nem megy végbe egyes hadronokat érintő folyamat. A stabil hadronok furcsasága –3 és +3 (egész számok) között mozog. A leptonok furcsaságát nem határozták meg. Erős interakciókban a furcsaság megmarad.

5. Pörgetés. A spin szögimpulzusát jellemzi.

6. Paritás. A részecske belső tulajdonsága, amely a jobb és bal oldali szimmetriájához kapcsolódik. Egészen a közelmúltig a fizikusok úgy gondolták, hogy nincs különbség jobb és bal között. Később kiderült, hogy nem minden gyenge kölcsönhatási folyamatra ekvivalensek – ami a fizika egyik legmeglepőbb felfedezése volt.

A klasszikus fizikában az anyag és a fizikai mező kétféle anyagként állt szemben egymással. Az anyag elemi részecskékből áll; ez egyfajta anyag, amelynek nyugalmi tömege van. Az anyag szerkezete diszkrét, míg a mezőé folytonos. A kvantumfizika azonban ennek az elképzelésnek a kiegyenlítéséhez vezetett. A klasszikus fizikában úgy gondolják, hogy a részecskékre erőterek – gravitációs és elektromágneses – hatnak. A klasszikus fizika nem ismert más területet. A kvantumfizikában a mezők mögött látják az interakció valódi hordozóit - e mezők kvantumát, i.e. részecskék. A klasszikus mezők esetében ezek a gravitonok és a fotonok. Amikor a mezők elég erősek, és sok a kvantum, akkor nem különböztetjük meg őket egyedi részecskékként, és mezőként fogjuk fel őket. Az erős kölcsönhatások hordozói a gluonok. Másrészt minden mikrorészecske (anyagelem) kettős részecskehullámú.

Az indexek óta i, k, l a szerkezeti képletekben az értékek 1, 2, 3, 4, a mezonok számán keresztül futnak Mik adott spinnel egyenlőnek kell lennie 16. Barionoknál Bikl egy adott spinhez (64) a lehetséges maximális állapotok száma nem valósul meg, mivel a Pauli-elv értelmében egy adott teljes spinhez csak olyan háromkvarkos állapotok megengedettek, amelyek jól meghatározott szimmetriával rendelkeznek a permutációk tekintetében. indexek i, k, 1, nevezetesen: teljesen szimmetrikus spin 3/2 és vegyes szimmetria spin 1/2. Ez a feltétel az l = A 0 20 barionállapotot választ ki a 3/2-es pörgetéshez és 20-at az 1/2-es pörgetéshez.

A részletesebb vizsgálat azt mutatja, hogy a kvarkrendszer kvarkösszetételének és szimmetriatulajdonságainak értéke lehetővé teszi a hadron összes alapvető kvantumszámának meghatározását ( J, P, B, Q, I, Y, Ch), tömeg nélkül; a tömeg meghatározásához a kvarkok kölcsönhatásának dinamikájának és a kvarkok tömegének ismerete szükséges, ami még nem áll rendelkezésre.

A legalacsonyabb tömegű hadronok sajátosságainak helyes közvetítése, és adott értékek mellett forog YÉs Ch, A kvark modell természetesen megmagyarázza a hadronok általános nagy számát és a rezonanciák túlsúlyát közöttük. A hadronok nagy száma a bonyolult szerkezetüket és a kvarkrendszerek különféle gerjesztett állapotainak létezésének lehetőségét tükrözi. Lehetséges, hogy az ilyen gerjesztett állapotok száma korlátlan. A kvarkrendszerek minden gerjesztett állapota instabil az alapállapotokba való erős kölcsönhatások miatti gyors átmenetek tekintetében. Ezek alkotják a rezonanciák nagy részét. A rezonanciák kis része párhuzamos spin-orientációjú kvarkrendszerekből is áll (a W - kivételével). Kvark konfigurációk antiparallel spin orientációval, az alaphoz kapcsolódóan. állapotok, kvázi stabil hadronokat és stabil protont képeznek.

A kvarkrendszerek gerjesztései a kvarkok forgómozgásának változása (pályagerjesztések) és a tereik változása miatt egyaránt előfordulnak. helye (sugárirányú gerjesztések). Az első esetben a rendszer tömegének növekedése a teljes spin változásával jár együtt Jés paritás R rendszerben, a második esetben a tömegnövekedés változás nélkül történik J P . Például mezonok -val JP= 2 + az első orbitális gerjesztés ( l = 1) mezonok -val J P = 1 - . Az azonos kvarkszerkezetű 2 + mezon és 1 - mezon megfeleltetése jól látható sok részecskepár példáján:

Az r" és y" mezonok példák az r- és y-mezonok radiális gerjesztésére (lásd.

Az orbitális és radiális gerjesztések ugyanazon kezdeti kvarkszerkezetnek megfelelő rezonanciasorozatokat generálnak. A kvarkok kölcsönhatására vonatkozó megbízható információk hiánya még nem teszi lehetővé a gerjesztési spektrumok kvantitatív számításait és az ilyen gerjesztett állapotok lehetséges számára vonatkozó következtetések levonását A kvarkmodell megfogalmazásakor a kvarkokat hipotetikus szerkezeti elemeknek tekintettük, amelyek megnyílnak. fel a lehetőséget a hadronok nagyon kényelmes leírására. Ezt követően olyan kísérleteket végeztek, amelyek lehetővé teszik, hogy a kvarkokról, mint valódi anyagképződményekről beszéljünk a hadronokon belül. Az elsők az elektronok nukleonok által nagyon nagy szögben történő szórásával kapcsolatos kísérletek voltak. Ezek a kísérletek (1968), amelyek Rutherford klasszikus kísérleteire emlékeztetnek az alfa-részecskék atomokon való szóródásával kapcsolatban, feltárták a nukleonon belüli töltött pontképződmények jelenlétét. E kísérletek adatainak összehasonlítása a nukleonokon történő neutrínószórás hasonló adataival (1973-75) lehetővé tette, hogy következtetéseket vonjunk le ezen pontképződmények elektromos töltésének átlagos négyzetes értékére. Az eredmény meglepően közel volt az 1/2 értékhez [(2/3 e) 2 +(1 / 3 e) 2 ]. Az elektron és a pozitron megsemmisülése során keletkező hadronképződés folyamatának tanulmányozása, amely állítólag a következő folyamatok sorozatán megy keresztül: ® hadronok, két hadroncsoport jelenlétét jelezték, amelyek genetikailag kapcsolódnak az egyes keletkező kvarkokhoz, és elkészítették Meghatározható a kvarkok spinje. 1/2-nek bizonyult. Az ebben a folyamatban született hadronok összszáma is azt jelzi, hogy háromféle kvark köztes állapotban jelenik meg, azaz a kvarkok háromszínűek.

Így a kvarkok elméleti megfontolások alapján bevezetett kvantumszámait számos kísérlet igazolta. A kvarkok fokozatosan új elektronrészecskék státuszát nyerik el, és ha további kutatások megerősítik ezt a következtetést, akkor a kvarkok komoly esélyesek a valódi elektronrészecskék szerepére a hadronikus anyag formájában. ~ 10 -15 hosszig cm A kvarkok szerkezet nélküli pontképződményekként működnek. Az ismert kvarktípusok száma csekély. A jövőben ez természetesen változhat: nem garantálható, hogy magasabb energiáknál nem fedeznek fel új kvantumszámú hadronokat, mivel létezésük az új típusú kvarkoknak köszönhető. Érzékelés Y-mesons megerősíti ezt az álláspontot. De nagyon valószínű, hogy a kvarkok számának növekedése csekély lesz, hogy az általános elvek korlátozzák a kvarkok teljes számát, bár ezek a határok még nem ismertek. A kvarkok szerkezet nélkülisége is talán csak az anyagi képződmények kutatásának elért szintjét tükrözi. A kvarkok számos sajátossága azonban okot ad annak feltételezésére, hogy a kvarkok olyan részecskék, amelyek az anyag szerkezeti összetevőinek láncolatát teszik teljessé.

A kvarkok abban különböznek az összes többi elektronrészecskétől, hogy szabad állapotban még nem figyelték meg őket, bár bizonyíték van kötött állapotban való létezésükre. A kvarkok megfigyelésének elmaradásának egyik oka a nagyon nagy tömegük lehet, ami megakadályozza a modern gyorsítók energiái mellett történő előállítását. Lehetséges azonban, hogy a kvarkok alapvetően, kölcsönhatásuk sajátosságai miatt nem lehetnek szabad állapotban. Elméleti és kísérleti érvek szólnak amellett, hogy a kvarkok között ható erők nem gyengülnek a távolsággal. Ez azt jelenti, hogy végtelenül több energiára van szükség a kvarkok egymástól való elválasztásához, különben a kvarkok szabad állapotú megjelenése lehetetlen. Az, hogy a kvarkokat nem lehet szabad állapotban elkülöníteni, az anyag teljesen új típusú szerkezeti egységeivé teszi őket. Nem világos például, hogy fel lehet-e vetni a kvarkok alkotórészeinek kérdését, ha maguk a kvarkok nem figyelhetők meg szabad állapotban. Lehetséges, hogy ilyen körülmények között a kvarkok egyes részei egyáltalán nem nyilvánulnak meg fizikailag, ezért a kvarkok a hadronikus anyag feldarabolásának utolsó szakaszaként működnek.

Elemi részecskék és kvantumtérelmélet.

Az elektronrészecskék tulajdonságainak és kölcsönhatásainak leírásához a modern elméletben elengedhetetlen a fizika fogalma. mező, amely az egyes részecskékhez van hozzárendelve. A mező az anyag meghatározott formája; minden pontban megadott függvény írja le ( x)tér-idő, és bizonyos transzformációs tulajdonságokkal rendelkezik a Lorentz-csoport (skalár, spinor, vektor stb.) és a „belső” szimmetriacsoportok (izotópos skalár, izotópos spinor stb.) transzformációival kapcsolatban. Négydimenziós vektor tulajdonságaival rendelkező elektromágneses tér És m (x) (m = 1, 2, 3, 4) történelmileg a fizikai mező első példája. Az E. részecskékkel összehasonlított mezők kvantum jellegűek, vagyis energiájuk és lendületük sok részből tevődik össze. részek - kvantumok, valamint a kvantum E k energiája és p k impulzusa a speciális relativitáselmélet összefüggésével függ össze: E k 2 = p k 2 c 2 + m 2 c 2 . Minden ilyen kvantum egy adott E k energiájú, p k impulzusú és m tömegű elektronrészecske. Az elektromágneses tér kvantumai fotonok, a többi mező kvantumai megfelelnek az összes többi ismert elektronrészecskének. A mező tehát egy fizikai a részecske-kvantumok végtelen gyűjteményének létezését tükrözi. A kvantumtérelmélet speciális matematikai apparátusa lehetővé teszi egy-egy részecske születésének és pusztulásának leírását minden x pontban.

A mező transzformációs tulajdonságai meghatározzák az E. részecskék összes kvantumszámát, a tér-idő transzformációkhoz kapcsolódó transzformációs tulajdonságok (a Lorentz-csoport) pedig a részecskék spinjét. Így a skalár spin 0, a spinor spin 1/2, a vektor - spin 1, stb. Az olyan kvantumszámok létezése, mint az L, B, 1, Y, Ch, valamint a kvarkok és gluonok esetében a "szín" a mezők transzformációs tulajdonságaitól a „belső terek” transzformációival kapcsolatban („töltéstér”, „izotóptér”, „egységes tér” stb.). A „szín” létezése a kvarkban különösen egy speciális „színes” egységes térhez kapcsolódik. A „belső terek” bevezetése az elméleti apparátusban még mindig pusztán formális eszköz, amely azonban jelzésül szolgálhat, hogy a fizikai téridő dimenziója, amely az E. Ch. tulajdonságaiban tükröződik, valójában nagyobb. mint négy - az összes makroszkopikus fizikai folyamatra jellemző téridő dimenzió. Az elektron tömege nem függ közvetlenül a mezők átalakulási tulajdonságaitól; ez a további jellemzőjük.

Az elektronrészecskékkel végbemenő folyamatok leírásához ismerni kell a különböző fizikai mezők egymáshoz való viszonyát, vagyis ismerni kell a mezők dinamikáját. A kvantumtérelmélet modern apparátusában a mezők dinamikájára vonatkozó információkat egy speciális, mezőkön keresztül kifejezett mennyiség tartalmazza - a Lagrange-sűrűség (pontosabban a Lagrange-sűrűség) L. Az L ismerete elvileg lehetővé teszi a mezők valószínűségeinek kiszámítását. különböző kölcsönhatások hatására egyik részecskehalmazból a másikba lép át. Ezeket a valószínűségeket az ún. szórási mátrix (W. Heisenberg, 1943), L-en keresztül fejeződik ki. A Lagrange L-ből áll, amely a szabad mezők viselkedését írja le, és a Lagrange L kölcsönhatásból, amely különböző részecskék mezőiből épül fel, és tükrözi annak lehetőségét kölcsönös átalakulásaik. Az Lz ismerete meghatározó a folyamatok E. h-vel történő leírásához.