Temel parçacıklar. Temel parçacıklar Temel parçacık İlk önce 5 harfli bulmaca ipucu

Zaman çizelgesi widget'ının yüklenmesini bekleyin.
Görüntülemek için JavaScript etkinleştirilmelidir.

Güçlü bozunumlar yoktosaniyeler civarında, elektromanyetik olanlar ise attosaniyeler civarında gruplandırılmışsa, o zaman zayıf bozunumlar "herkesi takip ediyordu" - aynı kadarını kapsıyordu. Zaman ölçeğinde 27 büyüklük sırası!

Bu hayal edilemeyecek kadar geniş yelpazenin en uç noktalarında iki “aşırı” durum bulunmaktadır.

• Üst kuark ve zayıf kuvvet taşıyıcı parçacıkların (W ve Z bozonları) bozunmaları yaklaşık olarak 0,3:= 3·10 −25 sn. Bunlar, tüm temel parçacıklar arasındaki en hızlı bozunmalardır ve genel olarak modern fiziğin güvenilir bir şekilde bildiği en hızlı süreçlerdir. Bu şekilde ortaya çıkıyor çünkü bunlar en yüksek enerji salınımına sahip bozunumlar.
• En uzun ömürlü temel parçacık olan nötron yaklaşık 15 dakika yaşar. Mikrokozmosun standartlarına göre bu kadar büyük bir zaman, bu sürecin (bir nötronun bir protona, elektrona ve antinötrinoya beta bozunması) çok küçük bir enerji salınımına sahip olmasıyla açıklanmaktadır. Bu enerji salınımı o kadar zayıftır ki uygun koşullar altında (örneğin bir atom çekirdeğinin içinde), bu bozunma zaten enerji açısından elverişsiz olabilir ve daha sonra nötron tamamen kararlı hale gelir. Atom çekirdekleri, çevremizdeki tüm maddeler ve biz sadece beta bozunmasının bu şaşırtıcı zayıflığı sayesinde var oluyoruz.

Bu uç noktalar arasında, çoğu zayıf bozunma da az çok kompakt bir şekilde meydana gelir. Kabaca adlandıracağımız iki gruba ayrılabilirler: hızlı zayıf bozunumlar ve yavaş zayıf bozunumlar.

Hızlı olanlar ise yaklaşık bir pikosaniye süren bozunumlardır. Bu nedenle, birkaç düzine temel parçacığın ömrünün 0,4 ila 2 ps arasında dar bir değer aralığına düştüğü dünyamızdaki sayıların nasıl geliştiği şaşırtıcıdır. Bunlar, ağır kuark içeren parçacıklar olan, büyülenmiş ve sevimli hadronlardır.

Pikosaniyeler harikadır, çarpıştırıcılardaki deneyler açısından paha biçilemezdirler! Gerçek şu ki, 1 ps'de bir parçacığın milimetrenin üçte biri kadar uçma zamanı olacak ve modern bir dedektör bu kadar büyük mesafeleri kolayca ölçebilir. Bu parçacıklar sayesinde, çarpıştırıcıdaki parçacık çarpışmalarının resmi "okunması kolay" hale geliyor - burada çarpışma ve çok sayıda hadronun oluşumu meydana geldi ve orada, biraz daha uzakta ikincil bozunumlar meydana geldi. Ömür doğrudan ölçülebilir hale geliyor, bu da onun ne tür bir parçacık olduğunu bulmanın ve ancak o zaman bu bilgiyi daha karmaşık analizler için kullanmanın mümkün olduğu anlamına geliyor.

Yavaş zayıf bozunumlar, yüzlerce pikosaniyede başlayan ve tüm nanosaniye aralığına yayılan bozunumlardır. Bu, "garip parçacıklar" olarak adlandırılan, tuhaf bir kuark içeren çok sayıda hadron sınıfını da içerir. İsimlerine rağmen modern deneyler için hiç de tuhaf değiller, aksine en sıradan parçacıklardır. Geçen yüzyılın 50'li yıllarında, fizikçiler aniden onları birbiri ardına keşfetmeye başladıklarında ve özelliklerini tam olarak anlamadıklarında tuhaf görünüyorlardı. Bu arada, yarım yüzyıl önce fizikçileri kuark fikrine iten şey garip hadronların bolluğuydu.

Temel parçacıklarla yapılan modern deneyler açısından bakıldığında nanosaniyeler çok fazla. Bu o kadar fazladır ki, hızlandırıcıdan fırlatılan parçacığın parçalanmak için zamanı kalmaz, dedektörü delip içinde iz bırakır. Tabii daha sonra dedektörün malzemesinin veya çevresindeki kayaların içinde bir yere sıkışıp kalacak ve orada parçalanacaktır. Ancak fizikçiler artık bu bozunmayı umursamıyor; onlar yalnızca bu parçacığın dedektör içinde bıraktığı iz ile ilgileniyorlar. Yani modern deneyler için bu tür parçacıklar neredeyse kararlı görünüyor; bu nedenle bunlara "ara" terim, yani yarı kararlı parçacıklar adı verilir.

Nötron hariç en uzun ömürlü parçacık, elektronun bir tür "kardeşi" olan müondur. Güçlü etkileşimlere katılmaz, elektromanyetik kuvvetlerden dolayı bozulmaz, dolayısıyla onun için sadece zayıf etkileşimler kalır. Ve oldukça hafif olduğu için 2 mikrosaniye kadar yaşıyor; temel parçacıklar ölçeğinde tam bir dönem.

Fizikte temel parçacıklar, atom çekirdeği ölçeğinde, bileşen parçalarına bölünemeyen fiziksel nesnelerdi. Ancak bugün bilim insanları bunlardan bazılarını ayırmayı başardı. Bu küçük nesnelerin yapısı ve özellikleri parçacık fiziği tarafından incelenmektedir.

Tüm maddeyi oluşturan en küçük parçacıklar eski çağlardan beri bilinmektedir. Ancak sözde "atomculuğun" kurucularının Antik Yunan filozofu Leukippos ve onun daha ünlü öğrencisi Demokritos olduğu düşünülüyor. İkincisinin “atom” terimini icat ettiği varsayılmaktadır. Eski Yunancadan “atomos”, eski filozofların görüşlerini belirleyen “bölünmez” olarak tercüme edilmiştir.

Daha sonra atomun hala iki fiziksel nesneye (çekirdek ve elektron) bölünebileceği anlaşıldı. İkincisi daha sonra ilk temel parçacık oldu; 1897'de İngiliz Joseph Thomson katot ışınlarıyla bir deney yaptı ve bunların aynı kütle ve yüke sahip özdeş parçacıklardan oluşan bir akış olduğunu keşfetti.

Thomson'ın çalışmalarına paralel olarak, x-ışınları üzerinde çalışan Henri Becquerel, uranyumla deneyler yapıyor ve yeni bir radyasyon türü keşfediyor. 1898'de Fransız fizikçi Marie ve Pierre Curie, çeşitli radyoaktif maddeler üzerinde çalıştılar ve aynı radyoaktif radyasyonu keşfettiler. Daha sonra alfa parçacıkları (2 proton ve 2 nötron) ve beta parçacıklarından (elektronlar) oluştuğu anlaşılacak ve Becquerel ile Curie Nobel Ödülü'nü alacaklardı. Marie Sklodowska-Curie, uranyum, radyum ve polonyum gibi elementlerle araştırmasını yaparken eldiven kullanmamak dahil hiçbir güvenlik önlemi almamıştı. Sonuç olarak, 1934'te lösemiye yakalandı. Büyük bilim adamının başarılarının anısına, Curie çifti tarafından keşfedilen polonyum elementine, Mary'nin anavatanı olan Latince - Polonya'dan Polonia adı verildi.

Fotoğraf 1927 V Solvay Kongresi'nden. Bu makaledeki tüm bilim adamlarını bu fotoğrafta bulmaya çalışın.

Albert Einstein, 1905'ten bu yana yayınlarını, varsayımları deney sonuçlarıyla çelişen ışığın dalga teorisinin kusurlarına adadı. Bu da daha sonra seçkin fizikçiyi ışığın bir kısmı olan “ışık kuantumu” fikrine yönlendirdi. Daha sonra 1926'da Amerikalı fiziksel kimyager Gilbert N. Lewis tarafından Yunanca "phos" ("ışık") kelimesinden çevrilerek "foton" adı verildi.

1913 yılında İngiliz fizikçi Ernest Rutherford, o dönemde yapılan deneylerin sonuçlarına dayanarak, birçok kimyasal elementin çekirdek kütlelerinin, hidrojen çekirdeği kütlesinin katları olduğunu kaydetti. Bu nedenle hidrojen çekirdeğinin diğer elementlerin çekirdeklerinin bir bileşeni olduğunu varsaydı. Rutherford deneyinde bir nitrojen atomunu alfa parçacıklarıyla ışınladı ve bunun sonucunda Ernest'in diğer Yunan "protoslarından" (birinci, ana) "proton" olarak adlandırdığı belirli bir parçacık yaydı. Daha sonra protonun bir hidrojen çekirdeği olduğu deneysel olarak doğrulandı.

Açıkçası proton, kimyasal elementlerin çekirdeklerinin tek bileşeni değildir. Bu düşünce, çekirdekteki iki protonun birbirini itmesi ve atomun anında parçalanması gerçeğinden kaynaklanmaktadır. Bu nedenle Rutherford, kütlesi protonun kütlesine eşit olan ancak yüksüz olan başka bir parçacığın varlığını varsaydı. Bilim adamlarının radyoaktif ve daha hafif elementlerin etkileşimi üzerine yaptığı bazı deneyler, onları başka bir yeni radyasyonun keşfedilmesine yol açtı. 1932'de James Chadwick, bunun nötron adını verdiği çok nötr parçacıklardan oluştuğunu belirledi.

Böylece en ünlü parçacıklar keşfedildi: foton, elektron, proton ve nötron.

Dahası, yeni nükleer altı nesnelerin keşfi giderek daha sık görülen bir olay haline geldi ve şu anda genellikle "temel" olarak kabul edilen yaklaşık 350 parçacık biliniyor. Henüz bölünmemiş olanlar yapısız kabul edilir ve "temel" olarak adlandırılır.

Döndürme nedir?

Fizik alanında daha fazla yeniliklere geçmeden önce tüm parçacıkların özelliklerinin belirlenmesi gerekmektedir. Kütle ve elektrik yükünün yanı sıra en bilineni spini de içerir. Bu miktara aksi takdirde "içsel açısal momentum" adı verilir ve hiçbir şekilde nükleer altı nesnenin bir bütün olarak hareketiyle ilişkili değildir. Bilim insanları spini 0, ½, 1, 3/2 ve 2 olan parçacıkları tespit edebildiler. Basitleştirilmiş de olsa spini bir nesnenin özelliği olarak görselleştirmek için aşağıdaki örneği göz önünde bulundurun.

Bir nesnenin dönüşünün 1'e eşit olduğunu varsayalım. Daha sonra böyle bir nesne 360 ​​derece döndürüldüğünde orijinal konumuna geri dönecektir. Düzlemde bu nesne, 360 derecelik bir dönüşten sonra orijinal konumuna gelecek olan bir kalem olabilir. Sıfır dönüş durumunda, nesne nasıl dönerse dönsün, her zaman aynı görünecektir, örneğin tek renkli bir top.

½ dönüş için, 180 derece döndürüldüğünde görünümünü koruyan bir nesneye ihtiyacınız olacaktır. Aynı kalem olabilir, ancak her iki tarafı da simetrik olarak keskinleştirilmiştir. 2'lik bir dönüş, 720 derece döndürüldüğünde şeklin korunmasını gerektirir ve 3/2'lik bir dönüş, 540 derecelik bir dönüş gerektirir.

Bu özellik parçacık fiziği açısından çok önemlidir.

Parçacıkların ve Etkileşimlerin Standart Modeli

Çevremizdeki dünyayı oluşturan etkileyici bir dizi mikro nesneye sahip olan bilim adamları, bunları yapılandırmaya karar verdiler ve "Standart Model" adı verilen iyi bilinen teorik yapı bu şekilde oluştu. Bazıları keşiften çok önce tahmin ettiği 17 temel parçayı kullanarak üç etkileşimi ve 61 parçacığı tanımlıyor.

Üç etkileşim şunlardır:

• Elektromanyetik. Elektrik yüklü parçacıklar arasında meydana gelir. Okuldan bilinen basit bir durumda, zıt yüklü nesneler birbirini çeker, benzer yüklü nesneler ise iter. Bu, elektromanyetik etkileşimin taşıyıcısı olarak adlandırılan foton aracılığıyla gerçekleşir.
• Güçlü, aksi halde nükleer etkileşim olarak da bilinir. Adından da anlaşılacağı gibi, eylemi atom çekirdeği düzeyindeki nesnelere kadar uzanır; protonların, nötronların ve yine kuarklardan oluşan diğer parçacıkların çekilmesinden sorumludur. Güçlü etkileşim gluonlar tarafından taşınır.
• Zayıf. Çekirdeğin boyutundan bin kat daha küçük mesafelerde etkilidir. Bu etkileşimde leptonlar, kuarklar ve onların antiparçacıkları da yer alır. Üstelik zayıf etkileşim durumunda birbirlerine dönüşebilirler. Taşıyıcılar W+, W− ve Z0 bozonlarıdır.

Böylece Standart Model şu şekilde oluşturulmuştur. Tüm hadronların (güçlü etkileşime maruz kalan parçacıklar) oluştuğu altı kuark içerir:

• Üst(u);
• Büyülü (c);
• doğru(t);
• Alt (d);
• Garip(ler);
• Çok güzel (b).

Fizikçilerin pek çok lakapları olduğu açıktır. Diğer 6 parçacık ise leptondur. Bunlar, güçlü etkileşime katılmayan ½ spinli temel parçacıklardır.

• Elektron;
• Elektron nötrinosu;
• Muon;
• Müon nötrinosu;
• Tau lepton;
• Tau nötrinosu.

Standart Modelin üçüncü grubu ise spini 1'e eşit olan ve etkileşimlerin taşıyıcıları olarak temsil edilen ayar bozonlarıdır:

• Gluon – güçlü;
• Foton – elektromanyetik;
• Z-boson - zayıf;
• W bozonu zayıftır.

Bunlar aynı zamanda yakın zamanda keşfedilen spin-0 parçacığını da içeriyor; bu parçacık, basitçe söylemek gerekirse, diğer tüm nükleer altı nesnelere eylemsiz kütle kazandırır.

Sonuç olarak Standart Model'e göre dünyamız şöyle görünüyor: Tüm maddeler hadronları oluşturan 6 kuark ve 6 leptondan oluşuyor; tüm bu parçacıklar, taşıyıcıları ayar bozonları olan üç etkileşime katılabilir.

Standart Modelin Dezavantajları

Ancak Standart Model'in öngördüğü son parçacık olan Higgs bozonunun keşfinden önce bile bilim insanları bu sınırın ötesine geçmişlerdi. Bunun çarpıcı bir örneği sözdedir. Bugün diğerleriyle aynı seviyede olan “yerçekimi etkileşimi”. Muhtemelen taşıyıcısı, kütlesi olmayan ve fizikçilerin henüz tespit edemediği 2 spinli bir parçacıktır - "graviton".

Üstelik Standart Model 61 parçacığı tanımlıyor ve bugün 350'den fazla parçacık zaten insanlık tarafından biliniyor. Bu, teorik fizikçilerin çalışmalarının bitmediği anlamına geliyor.

Parçacık sınıflandırması

Fizikçiler hayatlarını kolaylaştırmak için tüm parçacıkları yapısal özelliklerine ve diğer özelliklerine göre gruplandırmışlardır. Sınıflandırma aşağıdaki kriterlere dayanmaktadır:

• Ömür.
  1. Stabil. Bunlara proton ve antiproton, elektron ve pozitron, foton ve graviton dahildir. Kararlı parçacıkların varlığı, serbest durumda oldukları sürece zamanla sınırlı değildir; hiçbir şeyle etkileşime girmeyin.
  2. Dengesiz. Diğer tüm parçacıklar bir süre sonra bileşen parçalarına ayrışır, bu yüzden onlara kararsız denir. Örneğin, bir müon yalnızca 2,2 mikrosaniye ve bir proton - 2,9 10 * 29 yıl yaşar ve ardından bir pozitron ve nötr bir pion'a bozunabilir.
• Ağırlık.
  1. Kütlesiz temel parçacıklardan yalnızca üçü vardır: foton, gluon ve graviton.
  2. Geriye kalanlar ise büyük parçacıklardır.
• Döndürme anlamı.
  1. Tüm dönüş dahil. sıfır, bozon adı verilen parçacıklara sahiptir.
  2. Yarım tamsayı spinli parçacıklar fermiyonlardır.
• Etkileşimlere katılım.
  1. Hadronlar (yapısal parçacıklar), dört tür etkileşimin hepsinde yer alan nükleer altı nesnelerdir. Kuarklardan oluştuklarını daha önce belirtmiştik. Hadronlar iki alt türe ayrılır: mezonlar (tamsayı spin, bozonlar) ve baryonlar (yarım tamsayı spin, fermiyonlar).
  2. Temel (yapısız parçacıklar). Bunlara leptonlar, kuarklar ve ayar bozonları dahildir (daha önce okuyun - “Standart Model..”).

Tüm parçacıkların sınıflandırılmasına aşina olduğunuzda, örneğin bazılarını doğru bir şekilde tanımlayabilirsiniz. Yani nötron bir fermiyondur, bir hadrondur, daha doğrusu bir baryondur ve bir nükleondur, yani yarım tamsayılı bir spini vardır, kuarklardan oluşur ve 4 etkileşime katılır. Nükleon, proton ve nötronların ortak adıdır.

• Atomların varlığını öngören Demokritos'un atomculuğuna karşı çıkanların, dünyadaki her maddenin süresiz olarak bölündüğünü belirtmeleri ilginçtir. Bilim insanları atomu çekirdeğe ve elektrona, çekirdeği proton ve nötrona ve bunları da kuarklara bölmeyi zaten başardıkları için, bunların bir dereceye kadar doğru olduğu ortaya çıkabilir.
• Demokritos, atomların net bir geometrik şekle sahip olduğunu ve bu nedenle ateşin "keskin" atomlarının yandığını, katıların kaba atomlarının çıkıntıları tarafından sıkı bir şekilde bir arada tutulduğunu ve suyun pürüzsüz atomlarının etkileşim sırasında kaydığını, aksi takdirde aktıklarını varsaydı.
• Joseph Thomson, elektronların "sıkışmış" gibi göründüğü pozitif yüklü bir cisim olarak gördüğü atomun kendi modelini derledi. Modeline “Erikli puding modeli” adı verildi.
• Kuarklar adını Amerikalı fizikçi Murray Gell-Mann sayesinde aldı. Bilim adamı ördek vakvak sesine benzer bir kelime (kwork) kullanmak istedi. Ancak James Joyce'un Finnegans Wake adlı romanında “Three quarks for Mr. Mark!” dizesinde anlamı tam olarak belirlenemeyen “kuark” kelimesiyle karşılaşmıştır ve Joyce'un bunu sadece kafiye için kullanmış olması muhtemeldir. Murray, o zamanlar yalnızca üç kuark bilindiği için parçacıklara bu kelimeyi adlandırmaya karar verdi.
• Işık parçacıkları olan fotonlar kütlesiz olmalarına rağmen, bir kara deliğin yakınında, kütleçekim kuvvetleri tarafından kendilerine çekildikçe yörüngelerini değiştiriyor gibi görünüyorlar. Aslında süper kütleli bir cisim uzay-zamanı büker, bu nedenle kütlesi olmayanlar da dahil olmak üzere herhangi bir parçacık kara deliğe doğru yörüngesini değiştirir (bkz.).
• Büyük Hadron Çarpıştırıcısı tam olarak "hadroniktir" çünkü iki yönlü hadron ışınını, yani tüm etkileşimlere katılan atom çekirdeği düzeyinde boyutlara sahip parçacıkları çarpıştırır.

Beş harfli temel parçacıkların tamamı aşağıda listelenmiştir. Her tanım için kısa bir açıklama verilmiştir.

Eklemek istediğiniz bir şey varsa, aşağıda görüşlerinizi belirtebileceğiniz veya makaleye ekleyebileceğiniz bir yorum formu hizmetinizdedir.

Temel parçacıkların listesi

Foton

Bu, örneğin ışık gibi elektromanyetik radyasyonun bir kuantumudur. Işık ise ışık akışlarından oluşan bir olgudur. Foton temel bir parçacıktır. Bir fotonun nötr yükü ve sıfır kütlesi vardır. Fotonun dönüşü birliğe eşittir. Foton, yüklü parçacıklar arasındaki elektromanyetik etkileşimi taşır. Foton terimi Yunanca ışık anlamına gelen phos kelimesinden gelir.

Fonon

Bu bir yarı parçacıktır, elastik titreşimlerin bir kuantumu ve kristal kafesin atomlarının ve moleküllerinin denge konumundan yer değiştirmesidir. Kristal kafeslerde atomlar ve moleküller sürekli etkileşim halinde olup birbirleriyle enerji paylaşırlar. Bu bakımdan, içlerindeki bireysel atomların titreşimlerine benzer olayları incelemek neredeyse imkansızdır. Bu nedenle, atomların rastgele titreşimleri genellikle ses dalgalarının kristal kafes içindeki yayılma türüne göre değerlendirilir. Bu dalgaların kuantumları fononlardır. Fonon terimi Yunanca telefon sesinden gelir.

Fazon

Dalgalanma fazonu, alaşımlarda veya başka bir heterofaz sisteminde bir uyarım olan, yüklü bir parçacığın, örneğin bir elektronun etrafında potansiyel bir kuyu (ferromanyetik bölge) oluşturan ve onu yakalayan bir yarı parçacıktır.

Roton

Süperakışkan bir sıvıda girdap hareketinin ortaya çıkmasıyla ilişkili, yüksek darbeler bölgesinde, süperakışkan helyumdaki temel uyarıma karşılık gelen bir yarı parçacıktır. Latince'den çevrilen Roton, eğirme, eğirme anlamına gelir. Roton, 0,6 K'den daha yüksek sıcaklıklarda ortaya çıkar ve normal yoğunluk entropisi ve diğerleri gibi ısı kapasitesinin sıcaklığa bağlı özelliklerini üstel olarak belirler.

Meson

Kararsız, temel olmayan bir parçacıktır. Mezon kozmik ışınlardaki ağır bir elektrondur.
Mezonun kütlesi elektronun kütlesinden büyük, protonun kütlesinden küçüktür.

Mezonlarda çift sayıda kuark ve antikuark bulunur. Mezonlar Pionları, Kaonları ve diğer ağır mezonları içerir.

Kuark

Bu, maddenin temel bir parçacığıdır, ancak şu ana kadar yalnızca varsayımsal olarak. Kuarklara genellikle altı parçacık ve bunların antiparçacıkları (antikuarklar) adı verilir ve bunlar da bir grup özel temel parçacık hadronunu oluşturur.

Protonlar, nöronlar ve diğerleri gibi güçlü etkileşimlere katılan parçacıkların birbirine sıkı sıkıya bağlı kuarklardan oluştuğuna inanılıyor. Kuarklar sürekli olarak farklı kombinasyonlarda bulunurlar. Büyük patlamadan sonraki ilk anlarda kuarkların serbest formda var olabileceğine dair bir teori var.

Gluon

Temel parçacık. Bir teoriye göre, gluonlar kuarkları birbirine yapıştırıyor, kuarklar da proton ve nöron gibi parçacıkları oluşturuyor. Genel olarak gluonlar maddeyi oluşturan en küçük parçacıklardır.

Bozon

Bozon yarı parçacığı veya Bose parçacığı. Bir bozonun sıfır veya tam sayı dönüşü vardır. İsim fizikçi Shatyendranath Bose'un onuruna verilmiştir. Bir bozon sınırsız sayıda aynı kuantum durumuna sahip olabilmesi açısından farklıdır.

Hadron

Hadron, gerçekten temel olmayan temel bir parçacıktır. Kuarklar, antikuarklar ve gluonlardan oluşur. Hadronun renk yükü yoktur ve nükleer olanlar da dahil olmak üzere güçlü etkileşimlere katılır. Hadron terimi, Yunanca adros kelimesinden türetilmiş olup, büyük, masif anlamına gelir.

Yirminci yüzyılın 30'lu yıllarının başlarında fizik, dört tür temel parçacık (protonlar, nötronlar, elektronlar ve fotonlar) temelinde maddenin yapısının kabul edilebilir bir tanımını buldu. Beşinci parçacık olan nötrino'nun eklenmesi, radyoaktif bozunma süreçlerinin açıklanmasını da mümkün kıldı. Adı geçen temel parçacıkların evrenin ilk tuğlaları olduğu görülüyordu.

Ancak bu görünürdeki basitlik çok geçmeden ortadan kayboldu. Yakında pozitron keşfedildi. 1936 yılında kozmik ışınların madde ile etkileşiminin ürünleri arasında ilk mezon keşfedildi. Bundan sonra, farklı nitelikteki mezonların yanı sıra diğer olağandışı parçacıkları gözlemlemek mümkün oldu. Bu parçacıklar oldukça nadir olarak kozmik ışınların etkisi altında doğmuştur. Ancak yüksek enerjili parçacıkların üretilmesini mümkün kılan hızlandırıcılar yapıldıktan sonra 300'den fazla yeni parçacık keşfedildi.

O zaman "kelimesi ne anlama geliyor? temel"? "Temel", "karmaşık"ın mantıksal antipodudur. Temel parçacıklar, tüm maddeyi oluşturan birincil, daha fazla ayrıştırılamayan parçacıklar anlamına gelir. Kırklı yıllara gelindiğinde, "temel" parçacıkların bir dizi dönüşümü zaten biliniyordu. Parçacık sayısı Çoğu kararsız Bilinen düzinelerce mikropartikül arasında, kararlı olan ve kendiliğinden dönüşüm sağlayamayan sadece birkaçı vardır.Kendiliğinden dönüşümler açısından kararlılık, temelliğin bir işareti değil midir?

Döteryum çekirdeği (döteron) bir proton ve bir nötrondan oluşur. Bir parçacık olarak döteron tamamen kararlıdır. Aynı zamanda döteronun bileşeni olan nötron da radyoaktiftir, yani. dengesiz. Bu örnek, kararlılık ve temellik kavramlarının aynı olmadığını göstermektedir. Modern fizikte terim "Temel parçacıklar" genellikle maddenin çok küçük parçacıklarından oluşan büyük bir grubu adlandırmak için kullanılır.(bunlar atom veya atom çekirdeği değildir).

Tüm temel parçacıklar son derece küçük kütlelere ve boyutlara sahiptir. Çoğunun kütlesi protonun kütlesi civarındadır (yalnızca elektronun kütlesi belirgin şekilde daha küçüktür)
). Temel parçacıkların mikroskobik boyutları ve kütleleri, davranışlarının kuantum yasalarını belirler. Tüm temel parçacıkların en önemli kuantum özelliği, diğer parçacıklarla etkileşime girdiğinde doğma ve yok olma (yayılma ve emilme) yeteneğidir.

Parçacıklar arasında doğası gereği farklı bilinen dört etkileşim türü vardır: yerçekimi, elektromanyetik, nükleer ve ayrıca nötrinoları içeren tüm süreçlerdeki etkileşim. Listelenen dört etkileşim türünün özellikleri nelerdir?

En güçlüsü nükleer parçacıklar arasındaki etkileşimdir ("nükleer kuvvetler"). Bu etkileşime genellikle denir güçlü. Nükleer kuvvetlerin parçacıklar arasında yalnızca çok küçük mesafelerde etkili olduğu zaten belirtilmişti: etki yarıçapı yaklaşık 10-13 cm'dir.

Bir sonraki en büyüğü elektromanyetik etkileşim. İki kat daha az güçlüdür. Ancak mesafe arttıkça daha yavaş değişir, örneğin 1/ R 2, dolayısıyla elektromanyetik kuvvetlerin etki yarıçapı sonsuzdur.

Daha sonra nötrinoların reaksiyonlara katılımından kaynaklanan etkileşim gelir. Büyüklük sırasına göre bu etkileşimler güçlü etkileşimlerden 10 14 kat daha azdır. Bu etkileşimlere genellikle denir zayıf. Görünüşe göre buradaki eylem aralığı, güçlü etkileşim durumundakiyle aynı.

Bilinen en küçük etkileşim yerçekimsel. Güçlü olandan 39 kat daha azdır - 10 39 kat! Mesafe arttıkça yerçekimi kuvvetleri elektromanyetik kuvvetler kadar yavaş azalır, dolayısıyla etki alanları da sonsuzdur.

Uzayda asıl rol yerçekimsel etkileşimlere aittir, çünkü Güçlü ve zayıf etkileşimlerin etki aralığı ihmal edilebilir düzeydedir. Elektromanyetik etkileşimler sınırlı bir rol oynar çünkü zıt işaretli elektrik yükleri nötr sistemler oluşturma eğilimindedir. Yerçekimi kuvvetleri her zaman çekici kuvvetlerdir. Karşıt burcun gücüyle telafi edilemezler; onlardan korunamazlar. Dolayısıyla uzaydaki baskın rolleri.

Etkileşim kuvvetlerinin büyüklüğü aynı zamanda bu etkileşimin neden olduğu reaksiyonun gerçekleştirilmesi için gereken süreye de karşılık gelir. Bu nedenle, güçlü etkileşimin neden olduğu işlemler, 10-23 saniyelik bir süre gerektirir. (yüksek enerjili parçacıklar çarpıştığında bir reaksiyon meydana gelir). Elektromanyetik etkileşimin neden olduğu işlemin gerçekleştirilmesi için gereken süre ~10 -21 sn., zayıf etkileşim ise ~10 -9 sn gerektirir. Parçacık etkileşimlerinden kaynaklanan reaksiyonlarda yerçekimi kuvvetleri neredeyse hiç rol oynamaz.

Listelenen etkileşimler görünüşe göre farklı niteliktedir, yani birbirlerine indirgenemezler. Şu anda bu etkileşimlerin doğada var olan her şeyi tüketip tüketmediğine karar vermenin bir yolu yok.

Güçlü etkileşimlere katılan temel parçacıklar sınıfına hadronlar (proton, nötron vb.) adı verilir. Güçlü etkileşimlere sahip olmayan bir parçacık sınıfına lepton adı verilir. Leptonlar arasında elektron, müon, nötrino, ağır lepton ve bunlara karşılık gelen antipartiküller bulunur. Antipartiküller, "ikizleriyle" aynı kütlelere ve diğer fiziksel özelliklere sahip olan, ancak bazı etkileşim özelliklerinin işareti bakımından onlardan farklı olan temel parçacıkların bir koleksiyonu(örneğin elektrik yükü, manyetik moment): elektron ve pozitron, nötrino ve antinötrino. Modern kavramlara göre, nötrinolar ve antinötrinolar, bir parçacığın dönüşünün hareketinin (momentum) yönlerine yansıması olarak tanımlanan, kuantum özelliklerinden biri olan helisite açısından birbirlerinden farklıdır. Nötrinoların bir dönüşü var S nabza antiparalel olarak yönlendirilmiş R yani talimatlar R Ve S sol yönlü bir vida oluşturur ve nötrino sol yönlü sarmallığa sahiptir (Şekil 6.2). Antinötrinolar için bu yönler sağ yönlü bir vida oluşturur; antinötrinolar sağ-elli sarmallığa sahiptir.

Bir parçacık ve antiparçacık çarpıştığında karşılıklı olarak yok olabilirler. "yok etmek".İncirde. Şekil 6.3, iki gama ışınının ortaya çıkmasıyla bir elektronun ve bir pozitronun yok olma sürecini göstermektedir. Bu durumda, bilinen tüm korunum yasalarına uyulur - enerji, momentum, açısal momentum ve yüklerin korunumu yasası. Bir elektron-pozitron çifti oluşturmak için, bu parçacıkların içsel enerjilerinin toplamından daha az olmayan bir enerji harcamak gerekir; ~ 10 6 eV. Böyle bir çift yok olduğunda, bu enerji ya yok olma sırasında üretilen radyasyonla açığa çıkar ya da diğer parçacıklar arasında dağıtılır.

Yükün korunumu yasasından, yüklü bir parçacığın zıt işaretli yüklere sahip bir başkası ortaya çıkmadan ortaya çıkamayacağı sonucu çıkar (böylece tüm parçacık sisteminin toplam yükü değişmez). Böyle bir reaksiyonun bir örneği, bir nötronun bir protona dönüşmesinin eşzamanlı bir elektron oluşumu ve bir nötrino emisyonu ile reaksiyonudur.

. (6.9)

Bu dönüşüm sırasında elektrik yükü korunur. Aynı şekilde bir fotonun elektron-pozitron çiftine dönüşmesi veya iki elektronun çarpışması sonucu aynı çiftin doğması durumunda da korunur.

Tüm temel parçacıkların üç temel parçacığın birleşimi olduğu yönünde bir hipotez vardır. kuarklar ve onların antiparçacıkları. Kuarklar serbest halde keşfedilmedi (yüksek enerjili hızlandırıcılarda, kozmik ışınlarda ve çevrede çok sayıda aranmasına rağmen).

Mikropartiküllerin özelliklerini ve dönüşümlerini herhangi bir sistematizasyon olmadan açıklamak imkansızdır. Katı bir teoriye dayanan bir sistemleştirme yoktur.

Temel parçacıkların iki ana grubu güçlü bir şekilde etkileşime girer ( hadronlar) ve zayıf etkileşimli ( leptonlar) parçacıklar. Hadronlar ikiye ayrılır mezonlar Ve baryonlar. Baryonlar ikiye ayrılır nükleonlar Ve hiperonlar. Leptonlar elektronları, müonları ve nötrinoları içerir. Aşağıda mikropartiküllerin sınıflandırıldığı değerler verilmiştir.

1. Toplu veya baryonik sayı A. Nükleer fisyon sürecinde ve bir nükleon-antinükleon çiftinin yaratılmasında gözlemlenen çok sayıda gerçek, herhangi bir süreçte nükleon sayısının sabit kaldığını göstermektedir. Tüm baryonlara numara atanır A= +1, her antiparçacık için A= –1. Baryon yükünün korunumu yasası tüm nükleer süreçlerde tam olarak karşılanır. Karmaşık parçacıklar baryon sayısının birden fazla değerine sahiptir. Tüm mezonların ve leptonların baryon sayısı sıfırdır.

2. Elektrik yükü Q parçacığın doğasında bulunan elektrik yükü birimlerinin sayısını (protonun pozitif yükünün birimleri cinsinden) temsil eder.

3. İzotopik dönüş(gerçek dönüşle ilgili değil). Bir çekirdekteki nükleonlar arasında etki eden kuvvetler, nükleonların türünden neredeyse bağımsızdır; nükleer etkileşimler RR, RN Ve NN aynıdır. Nükleer kuvvetlerin bu simetrisi, izotopik spin adı verilen bir miktarın korunmasına yol açar. İzospin Güçlü etkileşimlerde korunur, elektromanyetik ve zayıf etkileşimlerin neden olduğu süreçlerde korunmaz.

4. tuhaflık. Hadronları içeren bazı süreçlerin neden meydana gelmediğini açıklamak için, 1953'te M. Gell-Mann ve K. Nishijima, tuhaflık adını verdikleri yeni bir kuantum sayısının tanıtılmasını önerdiler. Kararlı hadronların tuhaflığı –3 ila +3 (tamsayılar) arasında değişir. Leptonların tuhaflığı henüz belirlenmedi. Güçlü etkileşimlerde tuhaflık devam eder.

5. Döndürün. Dönme açısal momentumunu karakterize eder.

6. Parite. Bir parçacığın sağa ve sola göre simetrisiyle ilişkili bir iç özelliği. Yakın zamana kadar fizikçiler sağ ile sol arasında hiçbir fark olmadığına inanıyorlardı. Daha sonra bunların tüm zayıf etkileşim süreçleri için eşdeğer olmadığı ortaya çıktı ki bu da fizikteki en şaşırtıcı keşiflerden biriydi.

Klasik fizikte madde ve fiziksel alan, maddenin iki türü olarak birbirine karşıttı. Madde temel parçacıklardan oluşur; durgun kütlesi olan bir madde türüdür. Maddenin yapısı ayrık, alanın yapısı ise süreklidir. Ancak kuantum fiziği bu fikrin eşitlenmesine yol açtı. Klasik fizikte parçacıkların yerçekimi ve elektromanyetik kuvvet alanları tarafından etkilendiğine inanılır. Klasik fizik başka hiçbir alanı bilmiyordu. Kuantum fiziğinde, alanların arkasında etkileşimin gerçek taşıyıcılarını, yani bu alanların kuantumlarını görürler. parçacıklar. Klasik alanlar için bunlar gravitonlar ve fotonlardır. Alanlar yeterince güçlü olduğunda ve çok fazla kuantum olduğunda, onları bireysel parçacıklar olarak ayırmayı bırakır ve onları bir alan olarak algılarız. Güçlü etkileşimlerin taşıyıcıları gluonlardır. Öte yandan, herhangi bir mikropartikül (maddenin elementi) ikili parçacık-dalga yapısına sahiptir.

İndekslerden beri ben, k, ben yapısal formüllerde değerler mezon sayısı olan 1, 2, 3, 4'ten geçer Mik belirli bir dönüşle 16'ya eşit olmalıdır. Baryonlar için Bikl Belirli bir spin için mümkün olan maksimum durum sayısı (64) gerçekleşmez, çünkü Pauli prensibi uyarınca, belirli bir toplam spin için, permütasyonlara göre iyi tanımlanmış bir simetriye sahip yalnızca üç kuark durumuna izin verilir. endeksler ben, k, 1, yani: spin 3/2 için tamamen simetrik ve spin 1/2 için karışık simetri. Bu durum ben = 0, spin 3/2 için 20 baryon durumunu ve spin 1/2 için 20'yi seçer.

Daha ayrıntılı bir inceleme, kuark sisteminin kuark kompozisyonu ve simetri özelliklerinin değerinin, hadronun tüm temel kuantum sayılarının belirlenmesini mümkün kıldığını göstermektedir ( J, P, B, Q, I, Y, Ch), kütle hariç; Kütlenin belirlenmesi, kuarkların ve kuarkların kütlesinin etkileşiminin dinamikleri hakkında henüz mevcut olmayan bilgiyi gerektirir.

Verilen değerlerde en düşük kütle ve spinlere sahip hadronların özelliklerinin doğru şekilde aktarılması e Ve Ch, Kuark modeli aynı zamanda doğal olarak hadronların genel sayısını ve aralarındaki rezonansların baskınlığını da açıklamaktadır. Hadronların çok sayıda olması, onların karmaşık yapısının ve kuark sistemlerinin çeşitli uyarılmış durumlarının var olma olasılığının bir yansımasıdır. Bu tür uyarılmış durumların sayısının sınırsız olması mümkündür. Kuark sistemlerinin tüm uyarılmış durumları, altta yatan durumlarla güçlü etkileşimler nedeniyle hızlı geçişler açısından kararsızdır. Rezonansların büyük kısmını oluştururlar. Rezonansların küçük bir kısmı paralel spin yönelimlerine sahip kuark sistemlerinden de oluşur (W- hariç). Temel ile ilgili antiparalel spin yönelimli kuark konfigürasyonları. Durumlar, yarı kararlı hadronlar ve kararlı bir proton oluşturur.

Kuark sistemlerinin uyarılmaları, hem kuarkların dönme hareketindeki değişiklikler (yörünge uyarılmaları) hem de uzaylarındaki değişiklikler nedeniyle meydana gelir. konum (radyal uyarımlar). İlk durumda, sistemin kütlesindeki bir artışa toplam dönüşteki bir değişiklik eşlik eder J ve parite R ikinci durumda kütledeki artış değişmeden gerçekleşir JP.Örneğin mezonlar Japonya= 2 + ilk yörünge uyarımıdır ( ben = 1) mezonlar JP = 1 - . Aynı kuark yapılarının 2 + mezon ve 1 - mezonlarının yazışması, birçok parçacık çifti örneğinde açıkça görülmektedir:

Mezonlar r" ve y", sırasıyla r- ve y-mezonların radyal uyarımlarının örnekleridir (bkz.

Orbital ve radyal uyarımlar aynı başlangıç ​​kuark yapısına karşılık gelen rezonans dizilerini üretir. Kuarkların etkileşimi hakkında güvenilir bilgi eksikliği, uyarılma spektrumlarının niceliksel hesaplamalarını yapmamıza ve bu tür uyarılmış durumların olası sayısı hakkında herhangi bir sonuç çıkarmamıza henüz izin vermiyor.Kuark modelini formüle ederken, kuarklar, açık olan varsayımsal yapısal öğeler olarak kabul edildi. hadronların çok uygun bir tanımının olasılığını artırdı. Daha sonra kuarklardan hadronların içindeki gerçek maddi oluşumlar olarak söz etmemizi sağlayan deneyler yapıldı. Bunlardan ilki, elektronların nükleonlar tarafından çok büyük açılarla saçılması üzerine yapılan deneylerdi. Rutherford'un alfa parçacıklarının atomlara saçılması üzerine yaptığı klasik deneyleri anımsatan bu deneyler (1968), nükleonun içinde yüklü nokta oluşumlarının varlığını ortaya çıkardı. Bu deneylerden elde edilen verilerin, nükleonlardaki nötrino saçılımına ilişkin benzer verilerle (1973-75) karşılaştırılması, bu nokta oluşumlarının elektrik yükünün ortalama kare değeri hakkında bir sonuç çıkarmayı mümkün kıldı. Sonucun şaşırtıcı bir şekilde 1/2 [(2/3) değerine yakın olduğu ortaya çıktı. e) 2 +(1 / 3 e) 2 ]. Bir elektronun ve bir pozitronun yok edilmesi sırasında hadron üretim sürecinin incelenmesi, sözde süreçler dizisinden geçer: ® hadronlar, ortaya çıkan kuarkların her biriyle genetik olarak ilişkili iki hadron grubunun varlığına işaret etti ve bunu yaptı. Kuarkların spinini belirlemek mümkündür. 1/2'ye eşit olduğu ortaya çıktı. Bu süreçte doğan toplam hadron sayısı aynı zamanda üç çeşit kuarkın ara durumda ortaya çıktığını, yani kuarkların üç renkli olduğunu gösterir.

Böylece, teorik düşüncelere dayanarak tanıtılan kuarkların kuantum sayıları bir dizi deneyle doğrulanmıştır. Kuarklar yavaş yavaş yeni elektron parçacıklarının statüsünü kazanıyor.Eğer daha fazla araştırma bu sonucu doğrularsa, o zaman kuarklar, maddenin hadronik formu için gerçek elektron parçacıklarının rolü konusunda ciddi rakiplerdir. ~ 10 -15 uzunluklara kadar santimetre Kuarklar yapısız nokta oluşumları gibi davranır. Bilinen kuark türlerinin sayısı azdır. Gelecekte elbette değişebilir: Varlıkları yeni kuark türleri nedeniyle daha yüksek enerjilerde yeni kuantum sayılarına sahip hadronların keşfedilmeyeceği garanti edilemez. Tespit etme e-mesons bu bakış açısını doğrulamaktadır. Ancak kuark sayısındaki artışın küçük olması, genel prensiplerin toplam kuark sayısına sınırlama getirmesi, ancak bu sınırlar henüz bilinmemesi oldukça muhtemeldir. Kuarkların yapısalsızlığı belki de yalnızca bu maddi oluşumlara ilişkin ulaşılan araştırma düzeyini yansıtıyor. Bununla birlikte, kuarkların bir dizi spesifik özelliği, kuarkların, maddenin yapısal bileşenleri zincirini tamamlayan parçacıklar olduğunu varsaymak için bazı nedenler vermektedir.

Kuarklar diğer tüm elektron parçacıklarından farklı olarak, henüz serbest durumda gözlemlenmemiş olmaları nedeniyle, bağlı durumda olduklarına dair kanıtlar olmasına rağmen. Kuarkların gözlenememesinin nedenlerinden biri, modern hızlandırıcıların enerjileriyle üretilmelerini engelleyen çok büyük kütleleri olabilir. Bununla birlikte kuarkların temelde etkileşimlerinin özel doğasından dolayı serbest durumda olamamaları mümkündür. Kuarklar arasında etki eden kuvvetlerin mesafeyle zayıflamadığı yönünde teorik ve deneysel argümanlar mevcuttur. Bu, kuarkları birbirinden ayırmak için sonsuz derecede daha fazla enerjiye ihtiyaç duyulduğu, aksi takdirde kuarkların serbest halde ortaya çıkmasının imkansız olduğu anlamına gelir. Kuarkları serbest halde izole edememek, onları tamamen yeni bir tür yapısal madde birimi haline getiriyor. Örneğin, kuarkların kendilerinin serbest bir durumda gözlenememesi durumunda, kuarkları oluşturan parçalar sorusunu gündeme getirmenin mümkün olup olmadığı açık değildir. Bu koşullar altında kuarkların bazı kısımlarının fiziksel olarak kendilerini hiç göstermemeleri ve dolayısıyla kuarkların hadronik maddenin parçalanmasında son aşama olarak görev yapmaları mümkündür.

Temel parçacıklar ve kuantum alan teorisi.

Modern teoride elektron parçacıklarının özelliklerini ve etkileşimlerini açıklamak için fizik kavramı esastır. Her parçacığa atanan alan. Alan, maddenin belirli bir biçimidir; tüm noktalarda belirtilen bir fonksiyonla tanımlanır ( X)uzay-zaman ve Lorentz grubunun (skaler, spinor, vektör, vb.) ve “iç” simetri gruplarının (izotopik skaler, izotopik spinor, vb.) dönüşümleri ile ilgili belirli dönüşüm özelliklerine sahip olmak. Dört boyutlu bir vektörün özelliklerine sahip bir elektromanyetik alan Ve m (x) (m = 1, 2, 3, 4) tarihsel olarak fiziksel alanın ilk örneğidir. E. parçacıklarıyla karşılaştırılan alanlar kuantum niteliğindedir, yani enerjileri ve momentumları birçok parçadan oluşur. porsiyonlar - kuantum ve kuantumun enerjisi E k ve momentum p k, özel görelilik teorisinin ilişkisi ile ilişkilidir: E k 2 = p k 2 c 2 + m 2 c 2 . Bu tür kuantumların her biri, belirli bir enerjiye (Ek), momentuma (pk) ve kütleye (m) sahip bir elektron parçacığıdır. Elektromanyetik alanın kuantumu fotonlardır, diğer alanların kuantumu ise bilinen tüm diğer elektron parçacıklarına karşılık gelir. Bu nedenle alan, fizikseldir. sonsuz sayıda parçacık koleksiyonunun (kuanta) varlığının yansıması. Kuantum alan teorisinin özel matematiksel aygıtı, bir parçacığın her x noktasında doğuşunu ve yok oluşunu tanımlamayı mümkün kılar.

Alanın dönüşüm özellikleri, E. parçacıklarının tüm kuantum sayılarını belirler.Uzay-zaman dönüşümlerine (Lorentz grubu) ilişkin dönüşüm özellikleri, parçacıkların dönüşünü belirler. Böylece, bir skaler spin 0'a, bir spinor - spin 1/2'ye, bir vektör - spin 1'e vb. karşılık gelir. L, B, 1, Y, Ch gibi kuantum sayılarının varlığı ve kuarklar ve gluonlar için "renk" bunu takip eder. alanların “iç uzayların” (“yük uzayı”, “izotopik uzay”, “üniter uzay” vb.) dönüşümleriyle ilgili dönüşüm özelliklerinden. Özellikle kuarklarda “renk”in varlığı, özel bir “renkli” üniter uzayla ilişkilidir. Teorik aparatta "iç mekanların" tanıtılması hala tamamen resmi bir cihazdır, ancak bu, E. Ch.'nin özelliklerine yansıyan fiziksel uzay-zaman boyutunun aslında daha büyük olduğunun bir göstergesi olarak hizmet edebilir. dörtten fazla - tüm makroskopik fiziksel süreçlerin uzay-zaman karakteristiğinin boyutu. Bir elektronun kütlesi, alanların dönüşüm özellikleriyle doğrudan ilişkili değildir; bu onların ek özelliğidir.

Elektron parçacıklarıyla meydana gelen süreçleri açıklamak için çeşitli fiziksel alanların birbirleriyle nasıl ilişkili olduğunu bilmek, yani alanların dinamiklerini bilmek gerekir. Kuantum alan teorisinin modern aparatında, alanların dinamiği hakkındaki bilgiler, alanlar aracılığıyla ifade edilen özel bir miktarda bulunur - Lagrangian (daha kesin olarak Lagrangian yoğunluğu) L. L bilgisi, prensip olarak, olasılıkların hesaplanmasına izin verir. çeşitli etkileşimlerin etkisi altında bir parçacık kümesinden diğerine geçişler. Bu olasılıklar sözde verilmektedir. saçılma matrisi (W. Heisenberg, 1943), L ile ifade edilir. Lagrangian L, serbest alanların davranışını tanımlayan Lagrangian L'den ve farklı parçacıkların alanlarından oluşturulan ve olasılığını yansıtan Lagrangian, L etkileşiminden oluşur. karşılıklı dönüşümleri. Lz bilgisi, E. h. ile süreçlerin tanımlanmasında belirleyicidir.