domov delo

Elementarni delci. Elementarni delci Osnovni delci 5 črkovna križanka najprej namig

Počakajte, da se naloži pripomoček časovne osi.
Za ogled mora biti omogočen JavaScript.

Če so bili močni razpadi združeni v območju joktosekund, elektromagnetni - v bližini atosekund, potem so šibki razpadi "sledili vsem" - zajeli so toliko 27 velikosti na časovni lestvici!

Na skrajnih koncih tega nepredstavljivo širokega razpona sta dva "ekstremna" primera.

Razpadi top kvarka in delcev nosilcev šibke sile (W in Z bozonov) se zgodijo v približno 0,3 je= 3·10 −25 s. To so najhitrejši razpadi med vsemi osnovnimi delci in nasploh najhitrejši procesi, ki jih sodobna fizika zanesljivo pozna. Tako se izkaže, ker so to razpadi z največjim sproščanjem energije.
Najdlje živeči osnovni delec, nevtron, živi približno 15 minut. Tako velik čas po standardih mikrokozmosa je razložen z dejstvom, da ima ta proces (beta razpad nevtrona v proton, elektron in antinevtrino) zelo majhno sproščanje energije. To sproščanje energije je tako šibko, da je lahko ob primernih pogojih (na primer znotraj atomskega jedra) ta razpad energijsko že neugoden in takrat nevtron postane popolnoma stabilen. Atomska jedra, vsa snov okoli nas in mi sami obstajamo samo zaradi te neverjetne šibkosti beta razpada.

Med temi skrajnostmi se večina šibkih razpadov pojavlja tudi bolj ali manj kompaktno. Razdelimo jih lahko v dve skupini, ki ju bomo okvirno imenovali: hitri šibki razpadi in počasni šibki razpadi.

Hitri so razpadi, ki trajajo približno pikosekundo. Zato je presenetljivo, kako so se v našem svetu razvile številke, da življenjske dobe več deset osnovnih delcev padejo v ozko območje vrednosti od 0,4 do 2 ps. To so tako imenovani očarani in ljubki hadroni – delci, ki vsebujejo težkega kvarka.

Pikosekunde so čudovite, preprosto neprecenljive z vidika poskusov na trkalnikih! Dejstvo je, da bo imel delec v 1 ps čas, da preleti tretjino milimetra, sodoben detektor pa zlahka meri tako velike razdalje. Zahvaljujoč tem delcem postane slika trkov delcev na trkalniku »lahka za branje« - tukaj je prišlo do trka in nastanka velikega števila hadronov, tam čez malo stran pa so se zgodili sekundarni razpadi. Življenjska doba postane neposredno merljiva, kar pomeni, da je mogoče ugotoviti, kakšen delec je bil, in šele nato te informacije uporabiti za bolj kompleksno analizo.

Počasni šibki razpadi so razpadi, ki se začnejo pri stotinah pikosekund in segajo čez celotno nanosekundno območje. To vključuje razred tako imenovanih "čudnih delcev" - številne hadrone, ki vsebujejo čuden kvark. Kljub svojemu imenu pa za sodobne poskuse niso prav nič čudni, ampak ravno nasprotno, so najbolj običajni delci. V 50. letih prejšnjega stoletja so bili videti čudni, ko so jih fiziki nenadoma začeli odkrivati enega za drugim in niso povsem razumeli njihovih lastnosti. Mimogrede, obilica nenavadnih hadronov je fizike pred pol stoletja potisnila k ideji o kvarkih.

Z vidika sodobnih eksperimentov z osnovnimi delci so nanosekunde veliko. To je toliko, da delec, izvržen iz pospeševalnika, preprosto nima časa, da bi razpadel, ampak prebije detektor in v njem pusti svoj pečat. Seveda se bo potem zagozdil nekje v materialu detektorja ali v kamninah okoli njega in tam razpadel. A fizikov ta razpad ne zanima več, zanima jih le sled, ki jo je ta delec pustil v detektorju. Tako so za sodobne poskuse takšni delci videti skoraj stabilni; zato jih imenujemo "vmesni" izraz - metastabilni delci.

No, najdlje živeči delec, če ne štejemo nevtrona, je mion - nekakšen "brat" elektrona. Ne sodeluje pri močnih interakcijah, ne razpada zaradi elektromagnetnih sil, zato mu ostanejo le šibke interakcije. In ker je precej lahek, živi 2 mikrosekundi - celo obdobje na lestvici osnovnih delcev.

V fiziki so bili osnovni delci fizični objekti v obsegu atomskega jedra, ki jih ni mogoče razdeliti na sestavne dele. Vendar pa je danes znanstvenikom uspelo nekatere od njih razdeliti. Strukturo in lastnosti teh drobnih predmetov preučuje fizika delcev.

Najmanjši delci, ki sestavljajo vso snov, so znani že od antičnih časov. Za utemeljitelja tako imenovanega »atomizma« pa veljata starogrški filozof Levkip in njegov bolj znan učenec Demokrit. Predvideva se, da je slednji skoval izraz "atom". Iz starogrščine je "atomos" preveden kot "nedeljiv", kar določa poglede starodavnih filozofov.

Kasneje je postalo znano, da je atom še vedno mogoče razdeliti na dva fizična objekta - jedro in elektron. Slednji je nato postal prvi osnovni delec, ko je leta 1897 Anglež Joseph Thomson izvedel poskus s katodnimi žarki in ugotovil, da gre za tok enakih delcev z enako maso in nabojem.

Vzporedno s Thomsonovim delom Henri Becquerel, ki preučuje rentgenske žarke, izvaja poskuse z uranom in odkriva novo vrsto sevanja. Leta 1898 je francoski par fizikov, Marie in Pierre Curie, proučeval različne radioaktivne snovi in odkril isto radioaktivno sevanje. Kasneje je bilo ugotovljeno, da je sestavljen iz delcev alfa (2 protona in 2 nevtrona) in delcev beta (elektronov), Becquerel in Curie pa bosta prejela Nobelovo nagrado. Marie Sklodowska-Curie med raziskovanjem elementov, kot so uran, radij in polonij, ni upoštevala nobenih varnostnih ukrepov, vključno z uporabo rokavic. Zaradi tega jo je leta 1934 prehitela levkemija. V spomin na dosežke velikega znanstvenika je bil element, ki ga je odkril par Curie, polonij, poimenovan v čast Marijine domovine - Polonia, iz latinščine - Poljska.

Fotografija s V. kongresa Solvay 1927. Poskusite najti vse znanstvenike iz tega članka na tej fotografiji.

Od leta 1905 je Albert Einstein svoje publikacije posvetil nepopolnosti valovne teorije svetlobe, katere postulati so bili v nasprotju z rezultati eksperimentov. Kar je izjemnega fizika kasneje pripeljalo do ideje o "svetlobnem kvantu" - delu svetlobe. Kasneje, leta 1926, ga je ameriški fizikalni kemik Gilbert N. Lewis poimenoval "foton", prevedeno iz grškega "phos" ("svetloba").

Leta 1913 je britanski fizik Ernest Rutherford na podlagi rezultatov takrat že izvedenih poskusov ugotovil, da so mase jeder mnogih kemičnih elementov večkratne mase vodikovega jedra. Zato je domneval, da je vodikovo jedro sestavni del jeder drugih elementov. V svojem poskusu je Rutherford obseval dušikov atom z alfa delci, ki so posledično oddali določen delec, ki ga je Ernest poimenoval "proton", iz drugega grškega "protos" (prvi, glavni). Kasneje je bilo eksperimentalno potrjeno, da je proton vodikovo jedro.

Očitno proton ni edina sestavina jeder kemičnih elementov. To idejo vodi dejstvo, da bi se dva protona v jedru odbijala in atom bi takoj razpadel. Zato je Rutherford domneval o prisotnosti drugega delca, ki ima maso enako masi protona, vendar je nenabit. Nekateri poskusi znanstvenikov o interakciji radioaktivnih in lažjih elementov so jih pripeljali do odkritja še enega novega sevanja. Leta 1932 je James Chadwick ugotovil, da je sestavljen iz tistih zelo nevtralnih delcev, ki jih je imenoval nevtroni.

Tako so bili odkriti najbolj znani delci: foton, elektron, proton in nevtron.

Nadalje je odkritje novih subnuklearnih objektov postalo vse pogostejši dogodek in trenutno je znanih približno 350 delcev, ki jih na splošno štejemo za "elementarne". Tisti od njih, ki še niso bili razdeljeni, veljajo za brezstrukturne in se imenujejo "temeljni".

Kaj je spin?

Preden nadaljujemo z nadaljnjimi inovacijami na področju fizike, je treba določiti značilnosti vseh delcev. Najbolj znana poleg mase in električnega naboja vključuje tudi spin. Ta količina se sicer imenuje "notranji kotni moment" in nikakor ni povezana z gibanjem subnuklearnega objekta kot celote. Znanstveniki so lahko zaznali delce s spinom 0, ½, 1, 3/2 in 2. Če želite vizualizirati, čeprav poenostavljeno, vrtenje kot lastnost predmeta, razmislite o naslednjem primeru.

Naj ima predmet vrtenje enako 1. Potem se bo tak predmet, ko se zavrti za 360 stopinj, vrnil v prvotni položaj. Na letalu je lahko ta predmet svinčnik, ki se bo po 360-stopinjskem obratu znašel v prvotnem položaju. V primeru ničelnega vrtenja bo ne glede na to, kako se predmet vrti, vedno videti enako, na primer enobarvna krogla.

Za ½ vrtenja boste potrebovali predmet, ki ohrani svoj videz, ko ga zavrtite za 180 stopinj. Lahko je isti svinčnik, le simetrično nabrušen na obeh straneh. Vrtenje 2 bo zahtevalo ohranitev oblike pri vrtenju za 720 stopinj, vrtenje 3/2 pa bo zahtevalo 540.

Ta lastnost je zelo pomembna za fiziko delcev.

Standardni model delcev in interakcij

Ker imamo impresiven nabor mikro-objektov, ki sestavljajo svet okoli nas, so se znanstveniki odločili, da jih strukturirajo in tako je nastala dobro znana teoretična struktura, imenovana "Standardni model". Opisuje tri interakcije in 61 delcev z uporabo 17 osnovnih delcev, od katerih je nekatere napovedala že dolgo pred odkritjem.

Tri interakcije so:

Elektromagnetno. Pojavlja se med električno nabitimi delci. V preprostem primeru, znanem iz šole, se nasprotno nabiti predmeti privlačijo, enako nabiti pa odbijajo. To se zgodi preko tako imenovanega nosilca elektromagnetne interakcije - fotona.
Močna, sicer znana kot jedrska interakcija. Kot že ime pove, se njegovo delovanje razširi na objekte reda atomskega jedra; odgovoren je za privlačnost protonov, nevtronov in drugih delcev, ki so sestavljeni tudi iz kvarkov. Močno interakcijo izvajajo gluoni.
Šibko. Učinkovito na razdaljah, ki so tisoč manjše od velikosti jedra. V tej interakciji sodelujejo leptoni in kvarki ter njihovi antidelci. Poleg tega se lahko v primeru šibke interakcije spremenijo drug v drugega. Nosilci so bozoni W+, W− in Z0.

Tako je bil standardni model oblikovan na naslednji način. Vključuje šest kvarkov, iz katerih so sestavljeni vsi hadroni (delci, ki so podvrženi močni interakciji):

zgornji(u);
Začaran (c);
res(t);
Spodnji (d);
Čudno(i);
Čudovito (b).

Jasno je, da imajo fiziki veliko epitetov. Ostalih 6 delcev so leptoni. To so osnovni delci s spinom ½, ki ne sodelujejo pri močni interakciji.

elektron;
elektronski nevtrino;
mion;
mionski nevtrino;
Tau lepton;
Tau nevtrino.

In tretja skupina standardnega modela so merilni bozoni, ki imajo spin enak 1 in so predstavljeni kot nosilci interakcij:

Gluon – močan;
Foton – elektromagnetni;
Z-bozon - šibek;
W bozon je šibek.

Sem sodi tudi nedavno odkriti delec s spinom 0, ki, preprosto povedano, daje inertno maso vsem drugim podjedrskim objektom.

Posledično je po standardnem modelu naš svet videti takole: vsa snov je sestavljena iz 6 kvarkov, ki tvorijo hadrone, in 6 leptonov; vsi ti delci lahko sodelujejo v treh interakcijah, katerih nosilci so merilni bozoni.

Slabosti standardnega modela

Še pred odkritjem Higgsovega bozona, zadnjega delca, ki ga predvideva standardni model, pa so znanstveniki presegli njegove meje. Osupljiv primer tega je tako imenovani. »gravitacijske interakcije«, ki je danes enaka drugim. Verjetno je njegov nosilec delec s spinom 2, ki nima mase in ga fiziki še niso uspeli odkriti - "graviton".

Poleg tega standardni model opisuje 61 delcev, danes pa je človeštvu znanih že več kot 350 delcev. To pomeni, da delo teoretičnih fizikov še ni končano.

Klasifikacija delcev

Da bi jim olajšali življenje, so fiziki vse delce združili glede na njihove strukturne značilnosti in druge značilnosti. Razvrstitev temelji na naslednjih merilih:

Življenska doba.
1. Stabilen. Ti vključujejo proton in antiproton, elektron in pozitron, foton in graviton. Obstoj stabilnih delcev ni časovno omejen, dokler so v prostem stanju, tj. ne komuniciraj z ničemer.
2. Nestabilen. Vsi ostali delci čez nekaj časa razpadejo na svoje sestavne dele, zato jih imenujemo nestabilni. Na primer, muon živi le 2,2 mikrosekunde, proton pa 2,9 10 * 29 let, nato pa lahko razpade na pozitron in nevtralni pion.
Utež.
1. Brezmasni osnovni delci, ki so samo trije: foton, gluon in graviton.
2. Masivni delci so vse ostalo.
Pomen vrtenja.
1. Celoten vrtljaj, vklj. nič, imajo delce, imenovane bozoni.
2. Delci s polcelim spinom so fermioni.
Sodelovanje v interakcijah.
1. Hadroni (strukturni delci) so subnuklearni objekti, ki sodelujejo v vseh štirih vrstah interakcij. Prej je bilo omenjeno, da so sestavljeni iz kvarkov. Hadrone delimo na dve podvrsti: mezone (celoštevilski spin, bozoni) in barione (polceli spin, fermioni).
2. Fundamentalni (brezstrukturni delci). Ti vključujejo leptone, kvarke in merilne bozone (prej preberite - "Standardni model..").

Ko se seznanite s klasifikacijo vseh delcev, lahko na primer nekatere od njih natančno določite. Nevtron je torej fermion, hadron ali bolje rečeno barion in nukleon, torej ima polcelo število spinov, sestavljen je iz kvarkov in sodeluje v 4 interakcijah. Nukleon je skupno ime za protone in nevtrone.

Zanimivo je, da so nasprotniki Demokritovega atomizma, ki je napovedal obstoj atomov, trdili, da je vsaka snov na svetu razdeljena za nedoločen čas. Do neke mere se lahko izkaže, da imajo prav, saj je znanstvenikom atom že uspelo razdeliti na jedro in elektron, jedro na proton in nevtron, te pa na kvarke.
Demokrit je domneval, da imajo atomi jasno geometrijsko obliko, zato »ostri« atomi ognja gorijo, grobe atome trdnih snovi trdno držijo skupaj njihovi izrastki, gladki atomi vode pa med interakcijo zdrsnejo, sicer tečejo.
Joseph Thomson je sestavil svoj lasten model atoma, ki ga je videl kot pozitivno nabito telo, v katerega se je zdelo, da so elektroni »zataknjeni«. Njegov model se je imenoval »model slivovega pudinga«.
Kvarki so svoje ime dobili po zaslugi ameriškega fizika Murrayja Gell-Manna. Znanstvenik je želel uporabiti besedo, ki je podobna zvoku račjega kvakanja (kwork). Toda v romanu Jamesa Joycea Finnegans Wake je v vrstici »Trije kvarke za gospoda Marka!« naletel na besedo »quark«, katere pomen ni natančno opredeljen in je možno, da jo je Joyce uporabil zgolj za rimo. Murray se je odločil delce poimenovati s to besedo, saj so takrat poznali samo tri kvarke.
Čeprav so fotoni, delci svetlobe, brez mase, se zdi, da v bližini črne luknje spremenijo svojo pot, saj jih privlačijo gravitacijske sile. Pravzaprav supermasivno telo ukrivlja prostor-čas, zato delci, tudi tisti brez mase, spremenijo svojo pot proti črni luknji (glej).
Veliki hadronski trkalnik je »hadronski« ravno zato, ker trči dva usmerjena žarka hadronov, delcev z dimenzijami reda atomskega jedra, ki sodelujejo pri vseh interakcijah.

Spodaj so navedeni vsi osnovni delci s petimi črkami. Za vsako definicijo je podan kratek opis.

Če imate kaj dodati, potem je spodaj na voljo obrazec za komentarje, v katerem lahko izrazite svoje mnenje ali dodate članek.

Seznam osnovnih delcev

Foton

Je kvant elektromagnetnega sevanja, na primer svetlobe. Svetloba pa je pojav, ki je sestavljen iz svetlobnih tokov. Foton je osnovni delec. Foton ima nevtralen naboj in ničelno maso. Spin fotona je enak enoti. Foton prenaša elektromagnetno interakcijo med nabitimi delci. Izraz foton izhaja iz grške besede phos, kar pomeni svetloba.

Phonon

Je kvazidelec, kvant elastičnih nihanj in premikov atomov in molekul kristalne mreže iz ravnotežnega položaja. V kristalnih mrežah atomi in molekule nenehno medsebojno delujejo in si med seboj delijo energijo. V zvezi s tem je skoraj nemogoče preučevati pojave, podobne vibracijam posameznih atomov v njih. Zato se naključna nihanja atomov običajno obravnavajo glede na vrsto širjenja zvočnih valov znotraj kristalne mreže. Kvanti teh valov so fononi. Izraz fonon izhaja iz grške besede phone – zvok.

Phazon

Fluktuonski fazon je kvazidelec, ki je vzbujanje v zlitinah ali v drugem heterofaznem sistemu, ki tvori potencialno jamo (feromagnetno območje) okoli nabitega delca, recimo elektrona, in ga zajame.

Roton

Je kvazidelec, ki ustreza elementarnemu vzbujanju v superfluidnem heliju, v območju visokih impulzov, povezanih s pojavom vrtinčnega gibanja v superfluidni tekočini. Roton, preveden iz latinščine pomeni - vrtenje, vrtenje. Roton se pojavi pri temperaturah nad 0,6 K in določa eksponentno temperaturno odvisne lastnosti toplotne kapacitete, kot je normalna entropija gostote in druge.

Meson

Je nestabilen neelementaren delec. Mezon je težak elektron v kozmičnih žarkih.
Masa mezona je večja od mase elektrona in manjša od mase protona.

Mezoni imajo sodo število kvarkov in antikvarkov. Mezoni vključujejo pione, kaone in druge težke mezone.

Quark

Je elementarni delec materije, a zaenkrat le hipotetično. Kvarke običajno imenujemo šest delcev in njihove antidelce (antikvarke), ti pa sestavljajo skupino posebnih osnovnih delcev hadronov.

Menijo, da so delci, ki sodelujejo v močnih interakcijah, kot so protoni, nevroni in nekateri drugi, sestavljeni iz med seboj tesno povezanih kvarkov. Kvarki nenehno obstajajo v različnih kombinacijah. Obstaja teorija, da bi lahko kvarki v prvih trenutkih po velikem poku obstajali v prosti obliki.

Gluon

Osnovni delec. Po eni teoriji se zdi, da gluoni zlepijo skupaj kvarke, ti pa tvorijo delce, kot so protoni in nevroni. Na splošno so gluoni najmanjši delci, ki tvorijo snov.

bozon

Bozon-kvazidelec ali Bose-delec. Bozon ima ničelni ali celoštevilski spin. Ime je dobilo v čast fizika Shatyendranatha Boseja. Bozon je drugačen v tem, da ima lahko neomejeno število njih isto kvantno stanje.

hadron

Hadron je osnovni delec, ki ni zares elementaren. Sestavljen je iz kvarkov, antikvarkov in gluonov. Hadron nima barvnega naboja in sodeluje v močnih interakcijah, tudi jedrskih. Izraz hadron iz grške besede adros pomeni velik, masiven.

V zgodnjih 30-ih letih dvajsetega stoletja je fizika našla sprejemljiv opis zgradbe snovi na podlagi štirih vrst osnovnih delcev - protonov, nevtronov, elektronov in fotonov. Dodatek petega delca, nevtrina, je omogočil tudi razlago procesov radioaktivnega razpada. Zdelo se je, da so imenovani osnovni delci prvi gradniki vesolja.

Toda ta navidezna preprostost je kmalu izginila. Kmalu so odkrili pozitron. Leta 1936 so med produkti interakcije kozmičnih žarkov s snovjo odkrili prvi mezon. Po tem je bilo mogoče opazovati mezone drugačne narave, pa tudi druge nenavadne delce. Ti delci so se rodili pod vplivom kozmičnih žarkov zelo redko. Po izgradnji pospeševalnikov, ki so omogočili proizvodnjo visokoenergijskih delcev, pa je bilo odkritih več kot 300 novih delcev.

Kaj torej pomeni beseda " osnovno»? »Elementarno« je logični antipod »kompleksa«. Elementarni delci pomenijo primarne, nadalje nerazgradljive delce, ki sestavljajo vso snov. Do štiridesetih let so bile poznane že številne transformacije »elementarnih« delcev. Število delcev še naprej raste Večina jih je nestabilnih Med desetinami znanih mikrodelcev je le nekaj takih, ki so stabilni in se ne morejo spontano transformirati. Ali ni stabilnost glede na spontane transformacije znak elementarnosti?

Jedro devterija (devteron) je sestavljeno iz protona in nevtrona. Kot delec je devteron popolnoma stabilen. Hkrati je komponenta devtrona, nevtron, radioaktivna, tj. nestabilen. Ta primer kaže, da pojma stabilnost in elementarnost nista enaka. V sodobni fiziki izraz "Elementarni delci" se običajno uporabljajo za poimenovanje velike skupine drobnih delcev snovi(ki niso atomi ali atomska jedra).

Vsi osnovni delci imajo izjemno majhne mase in velikosti. Večina jih ima maso reda mase protona (le masa elektrona je opazno manjša
). Mikroskopske velikosti in mase osnovnih delcev določajo kvantne zakonitosti njihovega obnašanja. Najpomembnejša kvantna lastnost vseh osnovnih delcev je sposobnost rojevanja in uničenja (oddajanja in absorbiranja) pri interakciji z drugimi delci.

Znane so štiri vrste interakcij med delci, ki se razlikujejo po naravi: gravitacijska, elektromagnetna, jedrska, pa tudi interakcija v vseh procesih, ki vključujejo nevtrine. Kakšne so značilnosti štirih naštetih vrst interakcij?

Najmočnejša je interakcija med jedrskimi delci (»jedrske sile«). Ta interakcija se običajno imenuje močan. Ugotovljeno je bilo že, da jedrske sile delujejo le na zelo majhnih razdaljah med delci: radij delovanja je približno 10 -13 cm.

Naslednji največji je elektromagnetni interakcija. Je manj kot močan za dva reda velikosti. Toda z razdaljo se spreminja počasneje, kot 1/ r 2, zato je polmer delovanja elektromagnetnih sil neskončen.

Sledi interakcija zaradi sodelovanja nevtrinov v reakcijah. Po velikosti je teh interakcij 10 14-krat manj kot močnih interakcij. Te interakcije običajno imenujemo šibka. Očitno je obseg delovanja enak kot v primeru močne interakcije.

Najmanjša znana interakcija je gravitacijski. Manjši je od močnega za 39 vrst velikosti - 10 39-krat! Z razdaljo se gravitacijske sile zmanjšujejo tako počasi kot elektromagnetne sile, zato je tudi njihov obseg delovanja neskončen.

V vesolju glavna vloga pripada gravitacijskim interakcijam, saj Območje delovanja močnih in šibkih interakcij je zanemarljivo. Elektromagnetne interakcije imajo omejeno vlogo, ker električni naboji nasprotnih predznakov težijo k oblikovanju nevtralnih sistemov. Gravitacijske sile so vedno privlačne sile. Ne morejo se kompenzirati s silo nasprotnega znamenja, ne morejo se zaščititi pred njimi. Od tod njihova dominantna vloga v prostoru.

Velikost interakcijskih sil ustreza tudi času, ki je potreben za izvedbo reakcije, ki jo povzroči ta interakcija. Tako procesi, ki jih povzroči močna interakcija, zahtevajo čas reda 10–23 sekund. (ob trku visokoenergijskih delcev pride do reakcije). Čas, potreben za izvedbo procesa, ki ga povzroča elektromagnetna interakcija, zahteva ~10 -21 s, šibka interakcija zahteva ~10 -9 s. Pri reakcijah, ki jih povzročajo interakcije delcev, gravitacijske sile ne igrajo skoraj nobene vloge.

Naštete interakcije so očitno različne narave, torej jih ni mogoče zreducirati eno na drugo. Trenutno ni mogoče oceniti, ali te interakcije izčrpajo vse tiste, ki obstajajo v naravi.

Razred osnovnih delcev, ki sodelujejo v močnih interakcijah, imenujemo hadroni (proton, nevtron itd.). Razred delcev, ki nimajo močnih interakcij, imenujemo leptoni. Leptoni vključujejo elektron, mion, nevtrino, težki lepton in njihove ustrezne antidelce. Antidelci, skupek osnovnih delcev, ki imajo enake mase in druge fizikalne lastnosti kot njihovi »dvojčki«, vendar se od njih razlikujejo po predznaku nekaterih interakcijskih značilnosti(na primer električni naboj, magnetni moment): elektron in pozitron, nevtrino in antinevtrino. Po sodobnih pojmovanjih se nevtrini in antinevtrini med seboj razlikujejo po eni od kvantnih značilnosti - spiralnosti, definirani kot projekcija spina delca na smeri njegovega gibanja (impulz). Nevtrini imajo vrtenje S usmerjen antiparalelno glede na impulz R, tj. smeri R in S tvorijo levosučni vijak in nevtrino ima levosučno vijačnico (slika 6.2). Za antinevtrine te smeri tvorijo desni vijak, tj. antinevtrini imajo desnosučno spiralnost.

Ko delec in antidelec trčita, se lahko medsebojno uničita – "uničiti". Na sl. Slika 6.3 prikazuje proces anihilacije elektrona in pozitrona ob pojavu dveh žarkov gama. V tem primeru so upoštevani vsi znani ohranitveni zakoni - energija, gibalna količina, vrtilna količina in zakon o ohranitvi nabojev. Za ustvarjanje para elektron-pozitron je potrebna energija, ki ni manjša od vsote notranjih energij teh delcev, tj. ~ 10 6 eV. Ko tak par anihilira, se ta energija sprosti bodisi s sevanjem, ki nastane med anihilacijo, ali pa se porazdeli med druge delce.

Iz zakona o ohranitvi naboja sledi, da nabit delec ne more nastati brez pojava drugega z naboji nasprotnih predznakov (tako da se skupni naboj celotnega sistema delcev ne spremeni). Primer takšne reakcije je reakcija pretvorbe nevtrona v proton s hkratnim nastankom elektrona in emisijo nevtrina.

. (6.9)

Med to transformacijo se električni naboj ohrani. Na enak način se ohrani, ko se foton transformira v par elektron-pozitron ali ko se isti par rodi kot posledica trka dveh elektronov.

Obstaja hipoteza, da so vsi osnovni delci kombinacije treh osnovnih delcev, imenovanih kvarki, in njihovi antidelci. Kvarki niso bili odkriti v prostem stanju (kljub številnim iskanjem na visokoenergijskih pospeševalnikih, v kozmičnih žarkih in v okolju).

Brez sistematizacije je nemogoče opisati lastnosti in transformacije mikrodelcev. Sistematizacije, ki bi temeljila na strogi teoriji, ni.

Dve glavni skupini osnovnih delcev sta med seboj močno povezani ( hadroni) in šibko medsebojni ( leptoni) delci. Hadrone delimo na mezoni in barioni. Barione delimo na nukleoni in hiperoni. Leptoni vključujejo elektrone, mione in nevtrine. Spodaj so vrednosti, po katerih so razvrščeni mikrodelci.

1. V razsutem stanju oz barionskištevilo A. Številna dejstva, opažena v procesu jedrske cepitve in nastajanju para nukleon-antinukleon, kažejo, da v katerem koli procesu ostaja število nukleonov konstantno. Vsem barionom je dodeljena številka A= +1, za vsak antidelec A= –1. Zakon o ohranitvi barionskega naboja je natančno izpolnjen v vseh jedrskih procesih. Kompleksni delci imajo več vrednosti barionskega števila. Vsi mezoni in leptoni imajo barionsko število nič.

2. Električni naboj q predstavlja število enot električnega naboja (v enotah pozitivnega naboja protona), ki je lasten delcu.

3. Izotopsko vrtenje(ni povezano s pravim vrtenjem). Sile, ki delujejo med nukleoni v jedru, so skoraj neodvisne od vrste nukleonov, tj. jedrske interakcije RR, Rn in nn so enaki. Ta simetrija jedrskih sil vodi do ohranitve količine, imenovane izotopski spin. Isospin se ohrani v močnih interakcijah in se ne ohrani v procesih, ki jih povzročajo elektromagnetne in šibke interakcije.

4. Čudnost. Da bi pojasnili, zakaj se nekateri procesi, ki vključujejo hadrone, ne zgodijo, sta M. Gell-Mann in K. Nishijima leta 1953 predlagala uvedbo novega kvantnega števila, ki sta ga poimenovala nenavadnost. Nenavadnost stabilnih hadronov se giblje od –3 do +3 (cela števila). Nenavadnost leptonov ni bila ugotovljena. Pri močnih interakcijah nenavadnost ostaja.

5. Zavrtite. Karakterizira vrtilni kotni moment.

6. Pariteta. Notranja lastnost delca, povezana z njegovo simetrijo glede na desno in levo. Do nedavnega so fiziki menili, da med desnico in levico ni razlike. Pozneje se je izkazalo, da niso enakovredni za vse procese šibke interakcije – kar je bilo eno najbolj presenetljivih odkritij v fiziki.

V klasični fiziki sta si materija in fizikalno polje nasprotovali kot dve vrsti materije. Snov je sestavljena iz elementarnih delcev; je vrsta snovi, ki ima maso mirovanja. Struktura snovi je diskretna, polja pa zvezna. Toda kvantna fizika je pripeljala do izravnave te ideje. V klasični fiziki velja, da na delce delujejo polja sil – gravitacijska in elektromagnetna. Klasična fizika drugih področij ni poznala. V kvantni fiziki za polji vidijo prave nosilce interakcije - kvante teh polj, tj. delci. Za klasična polja so to gravitoni in fotoni. Ko so polja dovolj močna in je kvantov veliko, jih nehamo razlikovati kot posamezne delce in jih zaznavamo kot polje. Nosilci močnih interakcij so gluoni. Po drugi strani pa ima vsak mikrodelec (element snovi) dvojno naravo delcev in valov.

Od indeksov i, k, l v strukturnih formulah vrednosti tečejo skozi 1, 2, 3, 4, število mezonov Mik z danim spinom mora biti enaka 16. Za barione Bikl največje možno število stanj za dani spin (64) ni realizirano, saj so na podlagi Paulijevega načela za dani skupni spin dovoljena le stanja treh kvarkov, ki imajo dobro definirano simetrijo glede na permutacije indeksi i, k, 1, in sicer: polna simetrija za spin 3/2 in mešana simetrija za spin 1/2. Ta pogoj je l = 0 izbere 20 barionskih stanj za vrtenje 3/2 in 20 za vrtenje 1/2.

Podrobnejši pregled pokaže, da vrednost sestave kvarkov in simetričnih lastnosti kvarkovega sistema omogoča določitev vseh osnovnih kvantnih števil hadrona ( J, P, B, Q, I, Y, Ch), brez mase; določanje mase zahteva poznavanje dinamike interakcije kvarkov in mase kvarkov, ki pa še ni na voljo.

Pravilno posredovanje posebnosti hadronov z najnižjimi masami in vrtljaji pri danih vrednostih Y in Ch, Model kvarkov tudi naravno pojasnjuje splošno veliko število hadronov in prevlado resonanc med njimi. Veliko število hadronov je odraz njihove kompleksne strukture in možnosti obstoja različnih vzbujenih stanj kvarkovih sistemov. Možno je, da je število takih vzbujenih stanj neomejeno. Vsa vzbujena stanja kvarkovih sistemov so nestabilna glede na hitre prehode zaradi močnih interakcij v osnovna stanja. Tvorijo večino resonanc. Majhen delež resonanc sestavljajo tudi sistemi kvarkov z vzporedno orientacijo spina (z izjemo W -). Kvarkove konfiguracije z antiparalelno usmerjenostjo spina, povezane z osnovnim. stanja, tvorijo kvazistabilne hadrone in stabilen proton.

Vzbujanja kvarkovih sistemov nastanejo tako zaradi sprememb v rotacijskem gibanju kvarkov (orbitalne vzbujanja) kot zaradi sprememb v njihovih prostorih. lokacija (radialna vzbujanja). V prvem primeru povečanje mase sistema spremlja sprememba celotnega vrtenja J in pariteta R sistem, v drugem primeru pride do povečanja mase brez sprememb J P. Na primer, mezoni z JP= 2 + sta prvo orbitalno vzbujanje ( l = 1) mezoni z J P = 1 - . Korespondenca 2 + mezonov in 1 - mezonov identičnih struktur kvarkov je jasno vidna na primeru številnih parov delcev:

Mezona r" in y" sta primera radialnih vzbujenj r- oziroma y-mezonov (glej.

Orbitalna in radialna vzbujanja ustvarjajo zaporedja resonanc, ki ustrezajo isti začetni strukturi kvarkov. Pomanjkanje zanesljivih informacij o interakciji kvarkov nam še ne omogoča kvantitativnih izračunov vzbujenih spektrov in kakršnih koli zaključkov o možnem številu takih vzbujenih stanj.Pri oblikovanju modela kvarkov smo kvarke obravnavali kot hipotetične strukturne elemente, ki odpirajo do možnosti zelo priročnega opisa hadronov. Kasneje so bili izvedeni poskusi, ki nam omogočajo, da govorimo o kvarkih kot o resničnih snovnih tvorbah znotraj hadronov. Prvi so bili poskusi sipanja elektronov na nukleonih pod zelo velikimi koti. Ti poskusi (1968), ki so spominjali na Rutherfordove klasične poskuse sipanja alfa delcev na atomih, so razkrili prisotnost nabitih točkastih tvorb znotraj nukleona. Primerjava podatkov iz teh poskusov s podobnimi podatki o sipanju nevtrinov na nukleonih (1973-75) je omogočila sklep o povprečni kvadratni vrednosti električnega naboja teh točkastih tvorb. Izkazalo se je, da je rezultat presenetljivo blizu vrednosti 1/2 [(2/3 e) 2 +(1 / 3 e) 2 ]. Študija procesa proizvodnje hadronov med anihilacijo elektrona in pozitrona, ki naj bi potekal skozi zaporedje procesov: ® hadroni, je pokazala na prisotnost dveh skupin hadronov, ki sta genetsko povezani z vsakim od nastalih kvarkov, in ga naredila mogoče določiti spin kvarkov. Izkazalo se je, da je enako 1/2. Skupno število hadronov, rojenih v tem procesu, kaže tudi na to, da se v vmesnem stanju pojavljajo kvarki treh sort, to je, da so kvarki tribarvni.

Tako so bila kvantna števila kvarkov, uvedena na podlagi teoretičnih premislekov, potrjena v številnih poskusih. Kvarki postopoma dobivajo status novih delcev elektronov in če bodo nadaljnje raziskave to ugotovitev potrdile, so kvarki resni kandidati za vlogo pravih delcev elektronov za hadronsko obliko snovi. Do dolžine ~ 10 -15 cm kvarki delujejo kot brezstrukturne točkaste tvorbe. Število znanih vrst kvarkov je majhno. V prihodnosti se lahko seveda spremeni: ne moremo zagotoviti, da pri višjih energijah ne bodo odkriti hadroni z novimi kvantnimi števili, ki so posledica novih vrst kvarkov. Odkrivanje Y-mezon potrjuje to stališče. Vendar je povsem možno, da bo povečanje števila kvarkov majhno, da splošna načela postavljajo omejitve skupnega števila kvarkov, čeprav te omejitve še niso znane. Tudi brezstrukturnost kvarkov morda odraža le doseženo stopnjo raziskanosti teh snovnih tvorb. Vendar pa številne posebne značilnosti kvarkov dajejo razlog za domnevo, da so kvarki delci, ki zaključujejo verigo strukturnih komponent snovi.

Kvarki se od vseh drugih delcev elektronov razlikujejo po tem, da jih v prostem stanju še niso opazili, čeprav obstajajo dokazi o njihovem obstoju v vezanem stanju. Eden od razlogov za neopazovanje kvarkov je lahko njihova zelo velika masa, ki onemogoča njihovo proizvodnjo pri energijah sodobnih pospeševalnikov. Možno pa je, da kvarki v osnovi zaradi specifične narave njihove interakcije ne morejo biti v prostem stanju. Obstajajo teoretični in eksperimentalni argumenti v prid dejstvu, da sile, ki delujejo med kvarki, ne slabijo z razdaljo. To pomeni, da je potrebna neskončno več energije za ločevanje kvarkov drug od drugega, sicer je nastanek kvarkov v prostem stanju nemogoč. Zaradi nezmožnosti izolacije kvarkov v prostem stanju so ti popolnoma nova vrsta strukturnih enot snovi. Nejasno je na primer, ali je mogoče postaviti vprašanje o sestavnih delih kvarkov, če samih kvarkov ni mogoče opazovati v prostem stanju. Možno je, da se pod temi pogoji deli kvarkov fizično sploh ne manifestirajo in zato kvarki delujejo kot zadnja stopnja v fragmentaciji hadronske snovi.

Osnovni delci in kvantna teorija polja.

Za opis lastnosti in interakcij elektronskih delcev v sodobni teoriji je koncept fizike bistven. polje, ki je dodeljeno vsakemu delcu. Polje je posebna oblika snovi; opisuje ga funkcija, določena v vseh točkah ( X)prostor-čas in ima določene transformacijske lastnosti v zvezi s transformacijami Lorentzove skupine (skalar, spinor, vektor itd.) in skupin "notranjih" simetrij (izotopski skalar, izotopski spinor itd.). Elektromagnetno polje z lastnostmi štiridimenzionalnega vektorja In m (x) (m = 1, 2, 3, 4) je zgodovinsko prvi primer fizičnega polja. Polja, ki jih primerjamo z E. delci, so kvantne narave, to pomeni, da sta njihova energija in zagon sestavljena iz več delov. porcije - kvanti, energija E k in gibalna količina p k kvanta pa sta povezana z razmerjem posebne teorije relativnosti: E k 2 = p k 2 c 2 + m 2 c 2 . Vsak tak kvant je delec elektrona z dano energijo E k, gibalno količino p k in maso m. Kvanti elektromagnetnega polja so fotoni, kvanti drugih polj ustrezajo vsem drugim znanim delcem elektronov. Polje je torej fizikalna odraz obstoja neskončne zbirke delcev – kvantov. Poseben matematični aparat kvantne teorije polja omogoča opisovanje rojstva in uničenja delca v vsaki točki x.

Transformacijske lastnosti polja določajo vsa kvantna števila delcev E. Transformacijske lastnosti v povezavi s prostorsko-časovnimi transformacijami (Lorentzova skupina) določajo spin delcev. Tako skalar ustreza spinu 0, spinorju - spinu 1/2, vektorju - spinu 1 itd. Sledi obstoj takih kvantnih števil, kot so L, B, 1, Y, Ch, za kvarke in gluone pa "barva". iz transformacijskih lastnosti polj v odnosu do transformacij “notranjih prostorov” (“prostor naboja”, “izotopski prostor”, “enotni prostor” itd.). Zlasti obstoj »barve« v kvarkih je povezan s posebnim »obarvanim« enotnim prostorom. Vpeljava »notranjih prostorov« v teoretični aparat je še vedno čisto formalna naprava, ki pa lahko služi kot pokazatelj, da je dimenzija fizičnega prostora-časa, ki se odraža v lastnostih E. Ch., dejansko večja. kot štiri - dimenzija prostor-čas, značilna za vse makroskopske fizikalne procese. Masa elektrona ni neposredno povezana s transformacijskimi lastnostmi polj; to je njihova dodatna lastnost.

Za opis procesov, ki se dogajajo z elektronskimi delci, je potrebno vedeti, kako so različna fizična polja povezana med seboj, to je poznati dinamiko polj. V sodobnem aparatu kvantne teorije polja so informacije o dinamiki polj vsebovane v posebni količini, izraženi preko polj - lagrangianu (natančneje lagrangianski gostoti) L. Poznavanje L načeloma omogoča izračun verjetnosti prehaja iz enega sklopa delcev v drugega pod vplivom različnih interakcij. Te verjetnosti podaja t.i. sipalna matrika (W. Heisenberg, 1943), izražena skozi L. Lagrangian L je sestavljen iz lagrangiana L, ki opisuje obnašanje prostih polj, in interakcijskega lagrangiana, L, zgrajenega iz polj različnih delcev in odraža možnost njihove medsebojne transformacije. Poznavanje Lz je odločilno za opis procesov z E. h.