1 elementarpartikler. Elementarpartikler og deres vigtigste egenskaber

Yderligere indtrængen i mikroverdenens dybder er forbundet med overgangen fra niveauet af atomer til niveauet af elementære partikler. Som den første elementarpartikel i slutningen af ​​det 19. århundrede. elektronen blev opdaget, og så i de første årtier af det 20. århundrede. – foton, proton, positron og neutron.

Efter Anden Verdenskrig, takket være brugen af ​​moderne eksperimentel teknologi og frem for alt kraftfulde acceleratorer, hvor der skabes betingelser med høje energier og enorme hastigheder, blev eksistensen af ​​et stort antal elementarpartikler etableret - over 300. Blandt dem der er både eksperimentelt opdaget og teoretisk beregnet, herunder resonanser, kvarker og virtuelle partikler.

Semester elementær partikel oprindeligt betød de enkleste, yderligere uopløselige partikler, der ligger til grund for eventuelle materialeformationer. Senere indså fysikere hele konventionen om udtrykket "elementær" i forhold til mikroobjekter. Nu er der ingen tvivl om, at partikler har en eller anden struktur, men ikke desto mindre fortsætter det historisk etablerede navn med at eksistere.

De vigtigste egenskaber ved elementarpartikler er masse, ladning, gennemsnitlig levetid, spin og kvantetal.

Hvilemasse elementarpartikler bestemmes i forhold til elektronens hvilemasse Der er elementarpartikler, der ikke har en hvilemasse - fotoner. De resterende partikler i henhold til dette kriterium er opdelt i leptoner– lette partikler (elektron og neutrino); mesoner– mellemstore partikler med en masse fra én til tusind elektronmasser; baryoner– tunge partikler, hvis masse overstiger tusinde elektronmasser, og som omfatter protoner, neutroner, hyperoner og mange resonanser.

Elektrisk ladning er en anden vigtig egenskab ved elementarpartikler. Alle kendte partikler har en positiv, negativ eller nul ladning. Hver partikel, undtagen fotonen og to mesoner, svarer til antipartikler med modsatte ladninger. Omkring 1963-1964 der blev fremsat en hypotese om eksistensen kvarker– partikler med en elektrisk ladning. Denne hypotese er endnu ikke blevet bekræftet eksperimentelt.

Efter levetid partikler er opdelt i stabil Og ustabil . Der er fem stabile partikler: fotonen, to typer neutrinoer, elektronen og protonen. Det er stabile partikler, der spiller den vigtigste rolle i strukturen af ​​makrostoffer. Alle andre partikler er ustabile, de eksisterer i omkring 10 -10 -10 -24 s, hvorefter de henfalder. Elementarpartikler med en gennemsnitlig levetid på 10–23–10–22 s kaldes resonanser. På grund af deres korte levetid henfalder de, før de overhovedet forlader atomet eller atomkernen. Resonanstilstande blev beregnet teoretisk; de kunne ikke påvises i rigtige eksperimenter.

Ud over ladning, masse og levetid er elementarpartikler også beskrevet af begreber, der ikke har nogen analoger i klassisk fysik: konceptet tilbage . Spin er den iboende vinkelmomentum af en partikel, der ikke er forbundet med dens bevægelse. Spin er kendetegnet ved spin kvantetal s, som kan tage heltal (±1) eller halvt heltal (±1/2) værdier. Partikler med heltals spin – bosoner, med et halvt heltal – fermioner. Elektroner er klassificeret som fermioner. Ifølge Pauli-princippet kan et atom ikke have mere end én elektron med det samme sæt kvantetal n,m,l,s. Elektroner, som svarer til bølgefunktioner med samme tal n, er meget tæt på energi og danner en elektronskal i atomet. Forskelle i tallet l bestemmer "underskallen", de resterende kvantetal bestemmer dens fyldning, som nævnt ovenfor.

I elementarpartiklernes egenskaber er der en anden vigtig idé interaktioner. Som nævnt tidligere er fire typer af interaktioner mellem elementarpartikler kendt: gravitationel,svag,elektromagnetisk Og stærk(atomisk).

Alle partikler med en hvilemasse ( m 0), deltager i gravitationsinteraktion, og ladede deltager også i elektromagnetisk interaktion. Leptoner deltager også i svage interaktioner. Hadroner deltager i alle fire grundlæggende interaktioner.

Ifølge kvantefeltteori udføres alle interaktioner på grund af udvekslingen virtuelle partikler det vil sige partikler, hvis eksistens kun kan bedømmes indirekte, ved nogle af deres manifestationer gennem nogle sekundære effekter ( rigtige partikler kan optages direkte ved hjælp af instrumenter).

Det viser sig, at alle fire kendte typer af interaktioner - gravitationel, elektromagnetisk, stærk og svag - har en gauge-karakter og er beskrevet ved gauge-symmetrier. Det vil sige, at alle interaktioner så at sige er lavet "fra det samme blanke." Dette giver os håb om, at det vil være muligt at finde "den eneste nøgle til alle kendte låse" og beskrive universets udvikling fra en tilstand repræsenteret af et enkelt supersymmetrisk superfelt, fra en tilstand, hvor forskellene mellem typerne af interaktioner, mellem alle slags stofpartikler og feltkvanter er endnu ikke dukket op.

Der er et stort antal måder at klassificere elementære partikler på. For eksempel opdeles partikler i fermioner (Fermi-partikler) - stofpartikler og bosoner (Bose-partikler) - feltkvanter.

Ifølge en anden tilgang er partikler opdelt i 4 klasser: fotoner, leptoner, mesoner, baryoner.

Fotoner (elektromagnetiske feltkvanter) deltager i elektromagnetiske interaktioner, men har ikke stærke, svage eller gravitationsinteraktioner.

Leptoner fik deres navn fra det græske ord leptos- let. Disse omfatter partikler, der ikke har stærk interaktion: myoner (μ – , μ +), elektroner (е – , у +), elektronneutrinoer (v e – ,v e +) og myonneutrinoer (v – m, v + m). Alle leptoner har et spin på ½ og er derfor fermioner. Alle leptoner har en svag interaktion. Dem, der har en elektrisk ladning (det vil sige myoner og elektroner), har også en elektromagnetisk kraft.

Mesoner – stærkt interagerende ustabile partikler, der ikke bærer den såkaldte baryonladning. Blandt dem er R-mesoner eller pioner (π + , π – , π 0), TIL-mesoner eller kaoner (K ​​+, K –, K 0), og det her-mesoner (η) . Vægt TIL-mesons er ~970me (494 MeV for opladet og 498 MeV for neutral TIL-mesoner). Livstid TIL-mesons har en størrelsesorden i størrelsesordenen 10 –8 s. De går i opløsning til form jeg-mesoner og leptoner eller kun leptoner. Vægt det her-mesons er 549 MeV (1074me), levetiden er omkring 10-19 s. Det her-mesoner henfalder og danner π-mesoner og γ-fotoner. I modsætning til leptoner har mesoner ikke kun en svag (og, hvis de er ladede, elektromagnetisk) interaktion, men også en stærk interaktion, som viser sig, når de interagerer med hinanden, såvel som under interaktionen mellem mesoner og baryoner. Alle mesoner har nul spin, så de er bosoner.

Klasse baryoner kombinerer nukleoner (p,n) og ustabile partikler med en masse større end massen af ​​nukleoner, kaldet hyperoner. Alle baryoner har en stærk interaktion og interagerer derfor aktivt med atomkerner. Spinn af alle baryoner er ½, så baryonerne er fermioner. Med undtagelse af protonen er alle baryoner ustabile. Under henfaldet af baryoner, sammen med andre partikler, dannes en baryon nødvendigvis. Dette mønster er en af ​​manifestationerne baryon charge fredningslov.

Ud over de ovenfor nævnte partikler er der opdaget en lang række stærkt interagerende kortlivede partikler, som kaldes resonanser . Disse partikler er resonanstilstande dannet af to eller flere elementære partikler. Resonanslevetiden er kun ~ 10 –23 –10 –22 sek.

Elementære partikler, såvel som komplekse mikropartikler, kan observeres takket være de spor, de efterlader, når de passerer gennem stoffet. Sporenes beskaffenhed giver os mulighed for at bedømme tegnet på partiklens ladning, dens energi, momentum osv. Ladede partikler forårsager ionisering af molekyler langs deres vej. Neutrale partikler efterlader ikke spor, men de kan afsløre sig selv i det øjeblik de henfalder til ladede partikler eller i det øjeblik, hvor de kolliderer med en hvilken som helst kerne. Som følge heraf bliver neutrale partikler i sidste ende også detekteret af ioniseringen forårsaget af de ladede partikler, de genererer.

Partikler og antipartikler. I 1928 lykkedes det den engelske fysiker P. Dirac at finde en relativistisk kvantemekanisk ligning for elektronen, hvoraf en række bemærkelsesværdige konsekvenser følger. Først og fremmest opnås spindet og den numeriske værdi af elektronens eget magnetiske moment fra denne ligning naturligt uden yderligere antagelser. Det viste sig således, at spin både er en kvante og en relativistisk størrelse. Men dette udtømmer ikke betydningen af ​​Dirac-ligningen. Det gjorde det også muligt at forudsige eksistensen af ​​elektronens antipartikel - positron. Fra Dirac-ligningen opnås ikke kun positive, men også negative værdier for den samlede energi af en fri elektron. Undersøgelser af ligningen viser, at der for en given partikelmomentum findes løsninger til ligningen svarende til energierne: .

Mellem den største negative energi (– m e Med 2) og den mindst positive energi (+ m e c 2) der er et interval af energiværdier, som ikke kan realiseres. Bredden af ​​dette interval er 2 m e Med 2. Som følge heraf opnås to regioner med energiegenværdier: den ene begynder med + m e Med 2 og strækker sig til +∞, den anden starter fra – m e Med 2 og strækker sig til –∞.

En partikel med negativ energi må have meget mærkelige egenskaber. Overgang til tilstande med mindre og mindre energi (det vil sige med stigende negativ energi), kunne det frigive energi, f.eks. i form af stråling, og da | E| ubegrænset kan en partikel med negativ energi udsende en uendelig stor mængde energi. En lignende konklusion kan nås på følgende måde: ud fra relationen E=m e Med 2 følger det, at en partikel med negativ energi også vil have en negativ masse. Under påvirkning af en bremsekraft bør en partikel med en negativ masse ikke bremse, men accelerere og udføre en uendelig stor mængde arbejde på kilden til bremsekraften. I lyset af disse vanskeligheder ser det ud til, at det ville være nødvendigt at indrømme, at staten med negativ energi bør udelukkes fra overvejelse som fører til absurde resultater. Dette ville dog være i modstrid med nogle generelle principper for kvantemekanik. Derfor valgte Dirac en anden vej. Han foreslog, at overgange af elektroner til tilstande med negativ energi normalt ikke observeres af den grund, at alle tilgængelige niveauer med negativ energi allerede er optaget af elektroner.

Ifølge Dirac er et vakuum en tilstand, hvor alle niveauer af negativ energi er optaget af elektroner, og niveauer med positiv energi er frie. Da alle niveauer, der ligger under det forbudte bånd, er optaget uden undtagelse, afslører elektroner på disse niveauer sig ikke på nogen måde. Hvis en af ​​elektronerne placeret på negative niveauer tildeles energi E≥ 2m e Med 2, så vil denne elektron gå ind i en tilstand med positiv energi og vil opføre sig på den sædvanlige måde, som en partikel med positiv masse og negativ ladning. Denne første teoretisk forudsagte partikel blev kaldt positronen. Når en positron møder en elektron, tilintetgør de (forsvinder) - elektronen bevæger sig fra et positivt niveau til et ledigt negativt. Den energi, der svarer til forskellen mellem disse niveauer, frigives i form af stråling. I fig. 4, pil 1 skildrer processen med at skabe et elektron-positron-par, og pil 2 - deres udslettelse.Begrebet "tilintetgørelse" skal ikke tages bogstaveligt. Grundlæggende er det, der sker, ikke en forsvinden, men en transformation af nogle partikler (elektron og positron) til andre (γ-fotoner).

Der er partikler, der er identiske med deres antipartikler (det vil sige, at de ikke har antipartikler). Sådanne partikler kaldes absolut neutrale. Disse omfatter fotonen, π 0 meson og η meson. Partikler, der er identiske med deres antipartikler, er ikke i stand til at udslette. Dette betyder dog ikke, at de slet ikke kan omdannes til andre partikler.

Hvis baryoner (det vil sige nukleoner og hyperoner) tildeles en baryonladning (eller baryonnummer) I= +1, antibaryoner – baryonladning I= –1, og alle andre partikler har en baryonladning I= 0, så vil alle processer, der sker med deltagelse af baryoner og antibaryoner, være karakteriseret ved konservering af ladningsbaryoner, ligesom processer er karakteriseret ved konservering af elektrisk ladning. Loven om bevarelse af baryonladning bestemmer stabiliteten af ​​den blødeste baryon, protonen. Omdannelsen af ​​alle størrelser, der beskriver et fysisk system, hvor alle partikler er erstattet af antipartikler (for eksempel elektroner med protoner og protoner med elektroner osv.), kaldes konjugationsladningen.

Mærkelige partikler.TIL-Mesoner og hyperoner blev opdaget som en del af kosmiske stråler i begyndelsen af ​​50'erne af det XX århundrede. Siden 1953 er de blevet produceret ved acceleratorer. Disse partiklers opførsel viste sig at være så usædvanlig, at de blev kaldt mærkelige. De mærkelige partiklers usædvanlige adfærd var, at de tydeligvis blev født på grund af stærke interaktioner med en karakteristisk tid i størrelsesordenen 10-23 s, og deres levetid viste sig at være i størrelsesordenen 10-8-10-10 s. Sidstnævnte omstændighed indikerede, at partiklernes henfald opstår som et resultat af svage interaktioner. Det var fuldstændig uklart, hvorfor de mærkelige partikler levede så længe. Da de samme partikler (π-mesoner og protoner) er involveret i både skabelsen og henfaldet af λ-hyperonet, var det overraskende, at hastigheden (det vil sige sandsynligheden) af begge processer var så forskellig. Yderligere forskning viste, at mærkelige partikler fødes i par. Dette førte til ideen om, at stærke interaktioner ikke kan spille en rolle i partikelhenfald på grund af det faktum, at tilstedeværelsen af ​​to mærkelige partikler er nødvendig for deres manifestation. Af samme grund viser den enkelte skabelse af mærkelige partikler sig at være umulig.

For at forklare forbuddet mod den enkelte produktion af mærkelige partikler introducerede M. Gell-Mann og K. Nishijima et nyt kvantetal, hvis samlede værdi ifølge deres antagelse skulle bevares under stærke vekselvirkninger. Dette er et kvantetal S var navngivet partiklens mærkelighed. I svage interaktioner bevares det mærkelige måske ikke. Derfor tilskrives det kun stærkt interagerende partikler - mesoner og baryoner.

Neutrino. Neutrino er den eneste partikel, der ikke deltager i hverken stærke eller elektromagnetiske interaktioner. Bortset fra gravitationsinteraktionen, hvor alle partikler deltager, kan neutrinoer kun deltage i svage interaktioner.

I lang tid forblev det uklart, hvordan en neutrino adskiller sig fra en antineutrino. Opdagelsen af ​​loven om bevarelse af kombineret paritet gjorde det muligt at besvare dette spørgsmål: de adskiller sig i helicitet. Under helicitet et vist forhold mellem impulsens retninger forstås R og tilbage S partikler. Helicitet betragtes som positiv, hvis spin og momentum er i samme retning. I dette tilfælde vil retningen af ​​partikelbevægelse ( R) og "rotationsretningen" svarende til spindet danner en højrehåndsskrue. Når spin og momentum er modsat rettet, vil heliciteten være negativ (translationsbevægelsen og "rotationen" danner en venstrehåndsskrue). Ifølge teorien om langsgående neutrinoer udviklet af Yang, Lee, Landau og Salam, er alle neutrinoer, der eksisterer i naturen, uanset metoden for deres oprindelse, altid fuldstændig langsgående polariserede (det vil sige, at deres spin er rettet parallelt eller antiparallelt med momentum) R). Neutrino har negativ(venstre) helicitet (svarende til forholdet mellem retninger S Og R, vist i fig. 5 (b), antineutrino – positiv (højrehåndet) helicitet (a). Helicitet er således det, der adskiller neutrinoer fra antineutrinoer.

Ris. 5. Skema for helicitet af elementarpartikler

Systematik af elementarpartikler. De mønstre, der observeres i elementarpartiklernes verden, kan formuleres i form af bevarelseslove. En hel del af sådanne love er allerede akkumuleret. Nogle af dem viser sig ikke at være nøjagtige, men kun omtrentlige. Hver fredningslov udtrykker en vis symmetri af systemet. Love for bevarelse af momentum R, vinkelmomentum L og energi E afspejler egenskaberne ved symmetri af rum og tid: bevaring E er en konsekvens af tidens homogenitet, bevarelsen R på grund af rummets homogenitet og bevarelsen L- dens isotropi. Loven om bevarelse af paritet er forbundet med symmetrien mellem højre og venstre ( R-invarians). Symmetri med hensyn til ladningskonjugation (symmetri af partikler og antipartikler) fører til bevarelse af ladningsparitet ( MED-invarians). Lovene om bevarelse af elektriske, baryon- og leptonladninger udtrykker en særlig symmetri MED-funktioner. Endelig afspejler loven om bevarelse af isotopisk spin det isotopiske rums isotropi. Manglende overholdelse af en af ​​fredningslovene betyder en krænkelse af den tilsvarende type symmetri i denne interaktion.

I elementarpartiklernes verden gælder følgende regel: alt, hvad der ikke er forbudt i henhold til fredningslovgivningen, er tilladt. Sidstnævnte spiller rollen som udelukkelsesregler, der styrer indbyrdes omdannelse af partikler. Lad os først og fremmest bemærke lovene om bevarelse af energi, momentum og elektrisk ladning. Disse tre love forklarer elektronens stabilitet. Af bevarelsen af ​​energi og momentum følger det, at den samlede hvilemasse af henfaldsprodukterne skal være mindre end den henfaldende partikels hvilemasse. Det betyder, at en elektron kun kunne henfalde til neutrinoer og fotoner. Men disse partikler er elektrisk neutrale. Så det viser sig, at elektronen simpelthen ikke har nogen at overføre sin elektriske ladning til, så den er stabil.

Quarks. Der er blevet så mange partikler, der kaldes elementære, at der er opstået alvorlig tvivl om deres elementære natur. Hver af de stærkt interagerende partikler er karakteriseret ved tre uafhængige additive kvantetal: ladning Q, hypercharge U og baryonladning I. I den forbindelse opstod en hypotese om, at alle partikler er bygget af tre fundamentale partikler - bærere af disse ladninger. I 1964 fremsatte Gell-Mann og uafhængigt af ham den schweiziske fysiker Zweig en hypotese, hvorefter alle elementarpartikler er bygget af tre partikler kaldet kvarker. Disse partikler tildeles fraktioneret kvantetal, især en elektrisk ladning lig med +⅔; –⅓; +⅓ for hver af de tre kvarker. Disse kvarker er normalt betegnet med bogstaverne U,D,S. Ud over kvarker betragtes antikvarker ( u,d,s). Til dato kendes 12 kvarker - 6 kvarker og 6 antikvarker. Mesoner er dannet af et kvark-antikvark-par, og baryoner dannes af tre kvarker. For eksempel er en proton og en neutron sammensat af tre kvarker, hvilket gør protonen eller neutronen farveløs. Følgelig skelnes der mellem tre anklager om stærke interaktioner - rød ( R), gul ( Y) og grøn ( G).

Hver kvark er tildelt det samme magnetiske moment (μV), hvis værdi ikke er bestemt ud fra teorien. Beregninger foretaget på grundlag af denne antagelse giver værdien af ​​det magnetiske moment μ p for protonen = μ kv, og for en neutron μ n = – ⅔μ kvm.

Således opnås værdien μ p for forholdet mellem magnetiske momenter / μ n = –⅔, i fremragende overensstemmelse med den eksperimentelle værdi.

Grundlæggende begyndte kvarkens farve (som tegnet på den elektriske ladning) at udtrykke forskellen i den egenskab, der bestemmer kvarkernes gensidige tiltrækning og frastødning. I analogi med kvanta af felter med forskellige interaktioner (fotoner i elektromagnetiske interaktioner, R-mesoner i stærke vekselvirkninger osv.) blev partikler, der bar vekselvirkningen mellem kvarker, introduceret. Disse partikler blev kaldt gluoner. De overfører farve fra en kvark til en anden, hvilket får kvarkerne til at blive holdt sammen. I kvarkfysik blev indeslutningshypotesen formuleret (fra engelsk. indespærringer– capture) af kvarker, hvorefter det er umuligt at trække en kvark fra helheden. Det kan kun eksistere som et element af helheden. Eksistensen af ​​kvarker som reelle partikler i fysik er pålideligt underbygget.

Ideen om kvarker viste sig at være meget frugtbar. Det gjorde det muligt ikke kun at systematisere allerede kendte partikler, men også at forudsige en hel række nye. Den situation, der har udviklet sig i elementarpartiklernes fysik, minder om den situation, der blev skabt i atomfysikken efter opdagelsen af ​​den periodiske lov i 1869 af D. I. Mendelev. Selvom essensen af ​​denne lov kun blev afklaret omkring 60 år efter skabelsen af ​​kvantemekanikken, gjorde den det muligt at systematisere de kemiske grundstoffer, der var kendt på det tidspunkt og førte desuden til forudsigelsen af ​​eksistensen af ​​nye elementer og deres egenskaber . På samme måde har fysikere lært at systematisere elementarpartikler, og den udviklede taksonomi har i sjældne tilfælde gjort det muligt at forudsige eksistensen af ​​nye partikler og forudse deres egenskaber.

Så på nuværende tidspunkt kan kvarker og leptoner betragtes som virkelig elementære; Der er 12 af dem, eller sammen med anti-chatits - 24. Derudover er der partikler, der giver fire fundamentale interaktioner (interaktionskvanta). Der er 13 af disse partikler: graviton, foton, W± - og Z-partikler og 8 gluoner.

Eksisterende teorier om elementarpartikler kan ikke angive, hvad der er begyndelsen af ​​serien: atomer, kerner, hadroner, kvarkerI denne serie indeholder hver mere kompleks materialestruktur en enklere struktur som en komponent. Det kan tilsyneladende ikke fortsætte i det uendelige. Det blev antaget, at den beskrevne kæde af materielle strukturer er baseret på objekter af fundamentalt forskellig karakter. Det er vist, at sådanne genstande måske ikke er punktlignende, men udvidede, omend ekstremt små (~10-33 cm) formationer, kaldet superstrenge. Den beskrevne idé er ikke realiserbar i vores firedimensionelle rum. Dette område af fysik er generelt ekstremt abstrakt, og det er meget vanskeligt at finde visuelle modeller, der hjælper med at forenkle opfattelsen af ​​de ideer, der er iboende i teorierne om elementarpartikler. Ikke desto mindre tillader disse teorier fysikere at udtrykke den gensidige transformation og indbyrdes afhængighed af de "mest elementære" mikroobjekter, deres forbindelse med egenskaberne ved firedimensionel rumtid. Den mest lovende er den såkaldte M-teori (M – fra mysterium- gåde, hemmelighed). Hun opererer tolvdimensionelt rum . I sidste ende, under overgangen til den firedimensionelle verden, som vi direkte opfatter, er alle "ekstra" dimensioner "kollapset". M-teori er indtil videre den eneste teori, der gør det muligt at reducere fire fundamentale interaktioner til én - den såkaldte Supermagt. Det er også vigtigt, at M-teorien tillader eksistensen af ​​forskellige verdener og etablerer de betingelser, der sikrer fremkomsten af ​​vores verden. M-teorien er endnu ikke tilstrækkeligt udviklet. Det menes, at finalen "teori om alt" baseret på M-teori vil blive bygget i det 21. århundrede.

Elementarpartiklernes fysik er tæt forbundet med atomkernens fysik. Dette område af moderne videnskab er baseret på kvantekoncepter og trænger i dets udvikling længere ind i materiens dybder og afslører den mystiske verden af ​​dets grundlæggende principper. I elementær partikelfysik er teoriens rolle ekstremt vigtig. På grund af umuligheden af ​​direkte observation af sådanne materielle genstande, er deres billeder forbundet med matematiske ligninger, med forbud og tillade regler pålagt dem.

Per definition er elementarpartikler de primære, uopløselige formationer, som alt stof efter antagelse består af. Faktisk bruges dette udtryk i en bredere betydning - for at betegne en stor gruppe mikropartikler af stof, der ikke er strukturelt forenet i kerner og atomer. De fleste undersøgelsesobjekter i partikelfysik opfylder ikke den strenge definition af elementaritet, da de er sammensatte systemer. Derfor kaldes partikler, der opfylder dette krav, normalt for virkelig elementære.

Den første elementarpartikel, der blev opdaget i processen med at studere mikrokosmos tilbage i slutningen af ​​det 19. århundrede, var elektronen. Protonen blev opdaget næste gang (1919), efterfulgt af neutronen, opdaget i 1932. Positronens eksistens blev teoretisk forudsagt af P. Dirac i 1931, og i 1932 blev denne positivt ladede "tvilling" af elektronen opdaget i kosmiske stråler af Karl Anderson. Antagelsen om eksistensen af ​​neutrinoer i naturen blev fremsat af W. Pauli i 1930, og den blev først opdaget eksperimentelt i 1953. I sammensætningen af ​​kosmiske stråler i 1936 blev der fundet mu-mesoner (myoner) - partikler af begge tegn elektrisk ladning med masse omkring 200 elektronmasser. I alle andre henseender er myonernes egenskaber meget tæt på elektronens og positronens egenskaber. Også i kosmiske stråler blev positive og negative pi-mesoner opdaget i 1947, hvis eksistens blev forudsagt af den japanske fysiker Hideki Yukawa i 1935. Det viste sig senere, at der også eksisterer en neutral pi-meson.

I begyndelsen af ​​50'erne. en stor gruppe partikler med meget usædvanlige egenskaber blev opdaget, hvilket fik dem til at blive kaldt "mærkelige". De første partikler i denne gruppe blev opdaget i kosmiske stråler, disse er K-mesoner af både tegn og et K-hyperon (lambda hyperon). Bemærk, at mesoner har fået deres navn fra det græske. "gennemsnitlig, mellemliggende" på grund af det faktum, at masserne af de først opdagede partikler af denne type (pi-mesoner, mu-mesoner) har en masse mellem massen af ​​en nukleon og en elektron. Hyperoner tager deres navn fra det græske. "over, højere", da deres masser overstiger massen af ​​en nukleon. Efterfølgende opdagelser af mærkelige partikler blev gjort ved hjælp af ladede partikelacceleratorer, som blev det vigtigste værktøj til at studere elementarpartikler.

Sådan blev antiprotonen, antineutronen og en række hyperoner opdaget. I 60'erne Der blev opdaget et betydeligt antal partikler med ekstremt kort levetid, som blev kaldt resonanser. Som det viste sig, hører de fleste af de kendte elementarpartikler til resonanser. I midten af ​​70'erne. en ny familie af elementarpartikler blev opdaget, som fik det romantiske navn "charmed", og i begyndelsen af ​​80'erne - en familie af "smukke" partikler og de såkaldte mellemvektorbosoner. Opdagelsen af ​​disse partikler var en strålende bekræftelse af teorien baseret på kvarkmodellen af ​​elementarpartikler, som forudsagde eksistensen af ​​nye partikler længe før de blev opdaget.

I tiden efter opdagelsen af ​​den første elementarpartikel - elektronen - blev der således opdaget mange (omkring 400) mikropartikler af stof i naturen, og processen med opdagelse af nye partikler fortsætter. Det viste sig, at elementarpartiklernes verden er meget, meget kompleks, og deres egenskaber er varierede og ofte ekstremt uventede.

Alle elementarpartikler er materialeformationer af ekstremt små masser og størrelser. De fleste af dem har masser i størrelsesordenen af ​​en protons masse (~10 -24 g) og dimensioner i størrelsesordenen 10 -13 m. Dette bestemmer den rent kvantespecificitet af deres adfærd. En vigtig kvanteegenskab for alle elementarpartikler (inklusive den foton, der hører til dem) er, at alle processer med dem forekommer i form af en sekvens af emissions- og absorptionshandlinger (evnen til at blive født og ødelagt, når de interagerer med andre partikler) . Processer, der involverer elementarpartikler, relaterer sig til alle fire typer fundamentale interaktioner, stærk, elektromagnetisk, svag og gravitation. Den stærke interaktion er ansvarlig for bindingen af ​​nukleoner i atomkernen. Elektromagnetisk vekselvirkning sikrer forbindelsen af ​​elektroner med kerner i et atom, samt forbindelsen af ​​atomer i molekyler. Svag interaktion forårsager især henfaldet af kvasi-stabile (dvs. relativt langlivede) partikler med en levetid inden for 10 -12 -10 -14 sek. Gravitationsinteraktion ved afstande, der er karakteristiske for elementarpartikler på ~10 -13 cm, har på grund af deres lille masse ekstremt lav intensitet, men kan være signifikant på ultrakorte afstande. Intensiteterne af interaktioner, stærk, elektromagnetisk, svag og gravitationel - ved moderat energi af processerne er henholdsvis 1, 10 -2, 10 -10, 10 -38. Generelt, når partikelenergien stiger, ændres dette forhold.

Elementarpartikler klassificeres efter forskellige kriterier, og det må siges, at deres accepterede klassificering generelt er ret kompleks.

Afhængigt af deres deltagelse i forskellige typer af interaktioner er alle kendte partikler opdelt i to hovedgrupper: hadroner og leptoner.

Hadroner deltager i alle typer interaktioner, inklusive stærke. De fik deres navn fra det græske. "stor, stærk."

Leptoner deltager ikke i det stærke samspil. Deres navn kommer fra græsk. "let, tynd", siden masserne var kendt indtil midten af ​​70'erne. partikler af denne klasse var mærkbart mindre end masserne af alle andre partikler (undtagen fotonen).

Hadroner omfatter alle baryoner (en gruppe partikler med en masse, der ikke er mindre end massen af ​​en proton, så navngivet fra det græske "tunge") og mesoner. Den letteste baryon er protonen.

Leptoner er især elektronen og positronen, myoner af begge tegn, neutrinoer af tre typer (lette, elektrisk neutrale partikler, der kun deltager i svage og gravitationsinteraktioner). Det antages, at neutrinoer er lige så almindelige i naturen som fotoner, og mange forskellige processer fører til deres dannelse. Et karakteristisk træk ved neutrinoen er dens enorme gennemtrængende kraft, især ved lave energier. Ved at afslutte klassificeringen efter typer af interaktion, skal det bemærkes, at fotonen kun deltager i elektromagnetiske og gravitationelle interaktioner. Derudover er der ifølge teoretiske modeller, der har til formål at forene alle fire typer af interaktion, en hypotetisk partikel, der bærer et gravitationsfelt, som kaldes en graviton. Det særlige ved gravitonen er, at den (ifølge teorien) kun deltager i gravitationsinteraktion. Bemærk, at teorien forbinder yderligere to hypotetiske partikler med kvanteprocesser af gravitationsinteraktion - gravitino og graviphoton. Den eksperimentelle påvisning af gravitoner, dvs. i det væsentlige gravitationsstråling, er ekstremt vanskelig på grund af dens ekstremt svage interaktion med stof.

Afhængigt af deres levetid opdeles elementarpartikler i stabile, kvasistabile og ustabile (resonanser).

Stabile partikler er elektronen (dens levetid t > 10 21 år), proton (t > 10 31 år), neutrino og foton. Partikler, der henfalder på grund af elektromagnetiske og svage vekselvirkninger, anses for at være quasi-stabile; deres levetid er t > 10 -20 s. Resonanser er partikler, der henfalder som et resultat af stærke vekselvirkninger; deres levetid er i området 10 -22 ^10 -24 s.

En anden type underopdeling af elementarpartikler er almindelig. Systemer af partikler med nul- og heltalsspin adlyder Bose-Einstein-statistikker, hvorfor sådanne partikler normalt kaldes bosoner. En samling af partikler med halvt heltals spin er beskrevet af Fermi-Dirac-statistikker, deraf navnet på sådanne partikler - fermioner.

Hver elementær partikel er karakteriseret ved et bestemt sæt af diskrete fysiske størrelser - kvantetal. Egenskaberne, der er fælles for alle partikler, er masse m, levetid t, spin J og elektrisk ladning Q. Spin af elementarpartikler tager værdier, der er lig med heltals eller halvheltals multipla af Plancks konstant. De elektriske ladninger af partikler er heltals multipla af elektronladningen, som betragtes som den elementære elektriske ladning.

Derudover er elementarpartikler desuden karakteriseret ved såkaldte interne kvantetal. Leptoner tildeles en specifik leptonladning L = ±1, hadroner med halvt heltals spin bærer en baryonladning B = ±1 (hadroner med B = 0 danner en undergruppe af mesoner).

En vigtig kvantekarakteristik for hadroner er den interne paritet P, som tager værdien ±1 og afspejler partikelbølgefunktionens symmetriegenskab med hensyn til rumlig inversion (spejlbillede). På trods af den manglende bevarelse af paritet i svage interaktioner, tager partikler med god nøjagtighed interne paritetsværdier svarende til enten +1 eller -1.

Hadroner er yderligere opdelt i almindelige partikler (proton, neutron, pi-mesoner), mærkelige partikler (^-mesoner, hyperoner, nogle resonanser), "charmerede" og "smukke" partikler. De svarer til specielle kvantetal: mærkelighed S, charme C og skønhed b. Disse kvantetal introduceres i overensstemmelse med kvarkmodellen for at fortolke de specifikke processer, der er karakteristiske for disse partikler.

Blandt hadroner er der grupper (familier) af partikler med lignende masser, identiske interne kvantetal, men forskellige i elektrisk ladning. Sådanne grupper kaldes isotopiske multipletter og er karakteriseret ved et fælles kvantetal - isotopisk spin, der ligesom almindeligt spin tager heltals- og halvheltalsværdier.

Hvad er den allerede gentagne gange nævnte kvarkmodel af hadroner?

Opdagelsen af ​​mønstret for gruppering af hadroner i multipletter tjente som grundlag for antagelsen om eksistensen af ​​særlige strukturelle formationer, hvorfra hadroner er bygget - kvarker. Hvis vi antager eksistensen af ​​sådanne partikler, kan vi antage, at alle hadroner er kombinationer af kvarker. Denne dristige og heuristisk produktive hypotese blev fremsat i 1964 af den amerikanske fysiker Murray Gell-Man. Dens essens var antagelsen om tilstedeværelsen af ​​tre fundamentale partikler med halvt heltals spin, som er materialet til konstruktion af hadroner, u-, d- og s-kvarker. Efterfølgende, baseret på nye eksperimentelle data, blev kvarkmodellen for strukturen af ​​hadroner suppleret med yderligere to kvarker, "charmed" (c) og "beautiful" (b). Eksistensen af ​​andre typer kvarker anses for mulig. Et karakteristisk træk ved kvarker er, at de har brøkværdier af elektriske ladninger og baryonladninger, som ikke findes i nogen af ​​de kendte partikler. Alle eksperimentelle resultater på studiet af elementarpartikler er i overensstemmelse med kvarkmodellen.

Ifølge kvarkmodellen består baryoner af tre kvarker, mesoner - af en kvark og en antikvark. Da nogle baryoner er en kombination af tre kvarker i samme tilstand, hvilket er forbudt af Pauli-princippet (se ovenfor), blev hver type ("smag") af kvark tildelt et ekstra internt kvantenummer "farve". Hver type kvark ("smag" - u, d, s, c, b) kan være i tre "farve" tilstande. I forbindelse med brugen af ​​farvebegreber kaldes teorien om stærk interaktion mellem kvarker for kvantekromodynamik (fra det græske "farve").

Vi kan antage, at kvarker er nye elementarpartikler, og de hævder at være virkelig elementarpartikler for den hadroniske form af stof. Men problemet med at observere frie kvarker og gluoner er stadig uløst. På trods af systematiske søgninger i kosmiske stråler ved højenergiacceleratorer har det endnu ikke været muligt at opdage dem i fri tilstand. Der er gode grunde til at tro, at fysikken her er stødt på et særligt naturfænomen - den såkaldte indeslutning af kvarker.

Pointen er, at der er seriøse teoretiske og eksperimentelle argumenter til fordel for antagelsen om, at kræfterne i vekselvirkningen mellem kvarker ikke svækkes med afstanden. Dette betyder, at der kræves uendeligt mere energi for at adskille kvarker, derfor er det umuligt at se kvarker i en fri tilstand. Denne omstændighed giver kvarker status som helt specielle strukturelle enheder af stof. Måske er det netop med udgangspunkt i kvarker, at eksperimentel observation af stadierne af stoffragmentering er fundamentalt umulig. Anerkendelsen af ​​kvarker som virkelig eksisterende objekter i den materielle verden repræsenterer ikke kun et slående tilfælde af ideens forrang i forhold til eksistensen af ​​en materiel enhed. Spørgsmålet opstår om at revidere tabellen over fundamentale verdenskonstanter, da ladningen af ​​en kvark er tre gange mindre end ladningen af ​​en proton, og derfor en elektron.

Siden opdagelsen af ​​positronen har videnskaben stødt på antistofpartikler. I dag er det indlysende, at for alle elementarpartikler med værdier uden nul for mindst et af kvantetallene, såsom elektrisk ladning Q, leptonladning L, baryonladning B, mærkelighed S, charme C og skønhed b, er der antipartikler med samme masseværdier , levetid, spin, men med modsatte fortegn af ovenstående kvantetal. Der kendes partikler, der er identiske med deres antipartikler; de kaldes virkelig neutrale. Eksempler på virkelig neutrale partikler er fotonen og en af ​​de tre pi-mesoner (de to andre er partikel og antipartikel i forhold til hinanden).

Et karakteristisk træk ved samspillet mellem partikler og antipartikler er deres udslettelse ved kollision, dvs. gensidig ødelæggelse med dannelsen af ​​andre partikler og opfyldelse af lovene om bevarelse af energi, momentum, ladning osv. Et typisk eksempel på udslettelse af en par er processen med transformation af en elektron og dens antipartikel - en positron - til elektromagnetisk stråling (i fotoner eller gammakvanter). Parudslettelse forekommer ikke kun under elektromagnetisk interaktion, men også under stærk interaktion. Ved høje energier kan lette partikler udslette og danne tungere partikler, forudsat at den samlede energi af de udslettende partikler overstiger tærsklen for produktion af tunge partikler (svarende til summen af ​​deres hvileenergier).

Med stærke og elektromagnetiske interaktioner er der fuldstændig symmetri mellem partikler og deres antipartikler, dvs. alle processer, der forekommer mellem førstnævnte, er også mulige for sidstnævnte. Derfor kan antiprotoner og antineutroner danne kernerne af antistof atomer, dvs. i princippet kan antistof bygges af antipartikler. Et åbenlyst spørgsmål opstår: hvis hver partikel har en antipartikel, hvorfor er der så ingen ophobninger af antistof i den undersøgte region af universet? Faktisk kunne deres tilstedeværelse i universet, selv et sted "nær" universet, bedømmes ved den kraftige udslettelsesstråling, der kommer til Jorden fra kontaktområdet mellem stof og antistof. Imidlertid har moderne astrofysik ikke data, der ville give os mulighed for endda at antage tilstedeværelsen af ​​regioner fyldt med antistof i universet.

Hvordan foregik valget til fordel for stof og til skade for antistof i universet, selvom symmetriens love grundlæggende er opfyldt? Årsagen til dette fænomen var højst sandsynligt netop krænkelsen af ​​symmetrien, dvs. fluktuation på niveauet af grundstofferne i stoffet.

Én ting er klar: Hvis en sådan udsving ikke havde fundet sted, ville universets skæbne have været trist - alt dets stof ville have eksisteret i form af en endeløs sky af fotoner som følge af udslettelse af stofpartikler og antistof.

I fysik var elementarpartikler fysiske objekter på atomkernens skala, som ikke kan opdeles i deres bestanddele. Men i dag er det lykkedes forskerne at opdele nogle af dem. Strukturen og egenskaberne af disse små objekter studeres af partikelfysik.

De mindste partikler, der udgør alt stof, har været kendt siden oldtiden. Grundlæggerne af den såkaldte "atomisme" anses dog for at være den antikke græske filosof Leucippus og hans mere berømte elev, Demokrit. Det antages, at sidstnævnte opfandt udtrykket "atom". Fra det antikke græske er "atomos" oversat som "udeleligt", hvilket bestemmer de gamle filosoffers synspunkter.

Senere blev det kendt, at atomet stadig kan opdeles i to fysiske objekter - kernen og elektronen. Sidstnævnte blev efterfølgende den første elementarpartikel, da englænderen Joseph Thomson i 1897 gennemførte et eksperiment med katodestråler og opdagede, at de var en strøm af identiske partikler med samme masse og ladning.

Sideløbende med Thomsons arbejde udfører Henri Becquerel, der studerer røntgenstråler, eksperimenter med uran og opdager en ny type stråling. I 1898 studerede et par franske fysikere, Marie og Pierre Curie, forskellige radioaktive stoffer og opdagede den samme radioaktive stråling. Det skulle senere vise sig at bestå af alfapartikler (2 protoner og 2 neutroner) og beta-partikler (elektroner), og Becquerel og Curie ville modtage Nobelprisen. Mens hun udførte sin forskning med elementer som uran, radium og polonium, tog Marie Sklodowska-Curie ingen sikkerhedsforanstaltninger, herunder ikke engang at bruge handsker. Som et resultat blev hun i 1934 overhalet af leukæmi. Til minde om den store videnskabsmands resultater blev elementet opdaget af Curie-parret, polonium, navngivet til ære for Marys hjemland - Polonia, fra latin - Polen.

Foto fra V Solvay-kongressen 1927. Prøv at finde alle forskerne fra denne artikel på dette billede.

Siden 1905 har Albert Einstein viet sine publikationer til ufuldkommenheden af ​​bølgeteorien om lys, hvis postulater var i modstrid med resultaterne af eksperimenter. Hvilket efterfølgende førte den fremragende fysiker til ideen om et "lyskvante" - en portion lys. Senere, i 1926, fik den navnet "foton", oversat fra det græske "phos" ("lys") af den amerikanske fysisk kemiker Gilbert N. Lewis.

I 1913 bemærkede Ernest Rutherford, en britisk fysiker, baseret på resultaterne af eksperimenter, der allerede var udført på det tidspunkt, at masserne af kernerne af mange kemiske elementer er multipla af brintkernens masse. Derfor antog han, at brintkernen er en bestanddel af andre grundstoffers kerner. I sit eksperiment bestrålede Rutherford et nitrogenatom med alfapartikler, som som et resultat udsendte en bestemt partikel, navngivet af Ernest som en "proton", fra de andre græske "protos" (første, vigtigste). Senere blev det eksperimentelt bekræftet, at protonen er en brintkerne.

Det er klart, at protonen ikke er den eneste komponent i kernerne af kemiske elementer. Denne idé ledes af det faktum, at to protoner i kernen ville frastøde hinanden, og atomet ville øjeblikkeligt gå i opløsning. Derfor antog Rutherford tilstedeværelsen af ​​en anden partikel, som har en masse svarende til massen af ​​en proton, men er uladet. Nogle eksperimenter fra videnskabsmænd om interaktionen mellem radioaktive og lettere grundstoffer førte dem til opdagelsen af ​​en anden ny stråling. I 1932 fastslog James Chadwick, at den består af de meget neutrale partikler, som han kaldte neutroner.

Således blev de mest berømte partikler opdaget: foton, elektron, proton og neutron.

Yderligere blev opdagelsen af ​​nye subnukleare objekter en stadig hyppigere begivenhed, og i øjeblikket er omkring 350 partikler kendt, som generelt betragtes som "elementære". De af dem, der endnu ikke er blevet opdelt, betragtes som strukturløse og kaldes "fundamentale".

Hvad er spin?

Før man går videre med yderligere innovationer inden for fysik, skal egenskaberne af alle partikler bestemmes. Det mest kendte, bortset fra masse og elektrisk ladning, omfatter også spin. Denne størrelse kaldes ellers "intrinsic angular momentum" og er på ingen måde relateret til bevægelsen af ​​det subnukleare objekt som helhed. Forskere var i stand til at detektere partikler med spin 0, ½, 1, 3/2 og 2. For at visualisere, om end forenklet, spin som en egenskab ved et objekt, overvej følgende eksempel.

Lad en genstand have et spin lig med 1. Så vil et sådant objekt, når det drejes 360 grader, vende tilbage til sin oprindelige position. På et fly kan dette objekt være en blyant, som efter en 360-graders drejning vil ende i sin oprindelige position. I tilfælde af nul spin, uanset hvordan objektet roterer, vil det altid se det samme ud, for eksempel en ensfarvet kugle.

For et ½ spin skal du bruge et objekt, der bevarer sit udseende, når det drejes 180 grader. Det kan være den samme blyant, kun spidset symmetrisk på begge sider. Et spin på 2 kræver, at formen bevares, når det drejes 720 grader, og et spin på 3/2 vil kræve 540.

Denne egenskab er meget vigtig for partikelfysik.

Standardmodel for partikler og interaktioner

Med et imponerende sæt mikroobjekter, der udgør verden omkring os, besluttede forskerne at strukturere dem, og det er sådan den velkendte teoretiske struktur kaldet "Standardmodellen" blev dannet. Hun beskriver tre interaktioner og 61 partikler ved hjælp af 17 fundamentale, hvoraf nogle forudsagde længe før opdagelsen.

De tre interaktioner er:

• Elektromagnetisk. Det opstår mellem elektrisk ladede partikler. I et simpelt tilfælde, kendt fra skolen, tiltrækker modsat ladede genstande, og lignende ladede genstande frastøder. Dette sker gennem den såkaldte bærer af elektromagnetisk interaktion - fotonen.
• Stærk, også kendt som nuklear interaktion. Som navnet antyder, strækker dens handling sig til objekter af atomkernens rækkefølge; den er ansvarlig for tiltrækningen af ​​protoner, neutroner og andre partikler, der også består af kvarker. Den stærke vekselvirkning bæres af gluoner.
• Svag. Effektiv i afstande, der er tusind mindre end kernens størrelse. Leptoner og kvarker, såvel som deres antipartikler, deltager i denne interaktion. Desuden kan de i tilfælde af svag interaktion forvandle sig til hinanden. Bærerne er W+, W− og Z0 bosonerne.

Så standardmodellen blev dannet som følger. Det omfatter seks kvarker, hvorfra alle hadroner (partikler udsat for stærk interaktion) er sammensat:

• Øvre(u);
• Fortryllet (c);
• sand(t);
• Nedre (d);
• Mærkelige(r);
• Yndig (b).

Det er klart, at fysikere har masser af tilnavne. De øvrige 6 partikler er leptoner. Det er fundamentale partikler med spin ½, som ikke deltager i den stærke interaktion.

• Elektron;
• elektron neutrino;
• Muon;
• muon neutrino;
• Tau lepton;
• Tau neutrino.

Og den tredje gruppe af standardmodellen er gauge bosoner, som har et spin lig med 1 og er repræsenteret som bærere af interaktioner:

• Gluon - stærk;
• Foton – elektromagnetisk;
• Z-boson - svag;
• W-bosonen er svag.

Disse omfatter også den nyligt opdagede spin-0-partikel, som ganske enkelt giver inert masse til alle andre subnukleare objekter.

Som et resultat heraf ser vores verden ifølge Standardmodellen sådan ud: alt stof består af 6 kvarker, der danner hadroner og 6 leptoner; alle disse partikler kan deltage i tre interaktioner, hvis bærere er gauge bosoner.

Ulemper ved standardmodellen

Men selv før opdagelsen af ​​Higgs-bosonen, den sidste partikel forudsagt af standardmodellen, var videnskabsmænd gået ud over dens grænser. Et slående eksempel på dette er den såkaldte. "gravitationel interaktion", som er på niveau med andre i dag. Formentlig er dens bærer en partikel med spin 2, som ikke har nogen masse, og som fysikere endnu ikke har været i stand til at detektere - "gravitonen".

Desuden beskriver standardmodellen 61 partikler, og i dag er mere end 350 partikler kendt af menneskeheden. Det betyder, at teoretiske fysikeres arbejde ikke er slut.

Partikelklassificering

For at gøre deres liv lettere, har fysikere grupperet alle partikler afhængigt af deres strukturelle egenskaber og andre egenskaber. Klassificering er baseret på følgende kriterier:

• Livstid.
  1. Stabil. Disse omfatter proton og antiproton, elektron og positron, foton og graviton. Eksistensen af ​​stabile partikler er ikke begrænset af tid, så længe de er i en fri tilstand, dvs. ikke interagere med noget.
  2. Ustabil. Alle andre partikler går efter nogen tid i opløsning i deres bestanddele, hvorfor de kaldes ustabile. For eksempel lever en myon kun 2,2 mikrosekunder, og en proton - 2,9 10 * 29 år, hvorefter den kan henfalde til en positron og en neutral pion.
• Vægt.
  1. Masseløse elementarpartikler, hvoraf der kun er tre: foton, gluon og graviton.
  2. Massive partikler er alle resten.
• Spin betydning.
  1. Hel spin, inkl. nul, har partikler kaldet bosoner.
  2. Partikler med halvt heltals spin er fermioner.
• Deltagelse i interaktioner.
  1. Hadroner (strukturelle partikler) er subnukleare objekter, der deltager i alle fire typer af interaktioner. Det blev tidligere nævnt, at de er sammensat af kvarker. Hadroner er opdelt i to undertyper: mesoner (heltalsspin, bosoner) og baryoner (halvheltalsspin, fermioner).
  2. Fundamental (strukturløse partikler). Disse omfatter leptoner, kvarker og gauge bosoner (læs tidligere - "Standard Model...").

Efter at have sat dig ind i klassificeringen af ​​alle partikler, kan du for eksempel præcist identificere nogle af dem. Så neutronen er en fermion, en hadron eller rettere sagt en baryon, og en nukleon, det vil sige, den har et halvt heltals spin, består af kvarker og deltager i 4 interaktioner. Nukleon er et fællesnavn for protoner og neutroner.

• Det er interessant, at modstandere af Demokrits atomisme, som forudsagde eksistensen af ​​atomer, sagde, at ethvert stof i verden er opdelt på ubestemt tid. Til en vis grad kan de vise sig at have ret, eftersom forskerne allerede har formået at dele atomet i en kerne og en elektron, kernen i en proton og en neutron, og disse til gengæld i kvarker.
• Democritus antog, at atomer har en klar geometrisk form, og derfor brænder de "skarpe" atomer af ild, de ru atomer af faste stoffer holdes fast sammen af ​​deres fremspring, og de glatte atomer af vand glider under interaktion, ellers flyder de.
• Joseph Thomson kompilerede sin egen model af atomet, som han så som et positivt ladet legeme, hvori elektroner så ud til at sidde "fast". Hans model blev kaldt "Plum budding model."
• Quarks fik deres navn takket være den amerikanske fysiker Murray Gell-Mann. Videnskabsmanden ønskede at bruge et ord, der ligner lyden af ​​en andekvaksalver (kwork). Men i James Joyces roman Finnegans Wake stødte han på ordet "quark" i linjen "Three quarks for Mr. Mark!", hvis betydning ikke er præcist defineret, og det er muligt, at Joyce blot brugte det som rim. Murray besluttede at kalde partiklerne dette ord, da man på det tidspunkt kun kendte tre kvarker.
• Selvom fotoner, lyspartikler, er masseløse, ser det ud til, at de nær et sort hul ændrer deres bane, da de tiltrækkes af gravitationskræfter. Faktisk bøjer et supermassivt legeme rum-tid, hvilket er grunden til, at alle partikler, inklusive dem uden masse, ændrer deres bane mod det sorte hul (se).
• Large Hadron Collider er "hadronisk", netop fordi den kolliderer med to rettede stråler af hadroner, partikler med dimensioner i størrelsesordenen en atomkerne, der deltager i alle interaktioner.

– materielle genstande, der ikke kan opdeles i deres bestanddele. I overensstemmelse med denne definition kan molekyler, atomer og atomkerner, der kan opdeles i komponentdele, ikke klassificeres som elementarpartikler - et atom er opdelt i en kerne og orbitale elektroner, en kerne i nukleoner. Samtidig kan nukleoner, der består af mindre og mere fundamentale partikler - kvarker, ikke opdeles i disse kvarker. Derfor klassificeres nukleoner som elementære partikler. I betragtning af det faktum, at nukleonet og andre hadroner har en kompleks indre struktur bestående af mere fundamentale partikler - kvarker, er det mere passende at kalde hadroner ikke elementære partikler, men blot partikler.
Partikler er mindre i størrelse end atomkerner. Dimensionerne af kernerne er 10 -13 − 10 -12 cm De største partikler (inklusive nukleoner) består af kvarker (to eller tre) og kaldes hadroner. Deres dimensioner er ≈ 10 -13 cm. Der er også strukturløse (på det nuværende vidensniveau) punktlignende (< 10 -17 см) частицы, которые называют фундаментальными. Это кварки, лептоны, фотон и некоторые другие. Всего известно несколько сот частиц. Это в подавляющем большинстве адроны.

tabel 1

Grundlæggende fermioner
Interaktioner				Generationer			Oplade Q/e
			leptoner	ν e	ν μ	ν τ
				e	μ	τ
			kvarker		c	t	+2/3
					s	b	-1/3

De fundamentale partikler er 6 kvarker og 6 leptoner (tabel 1), der har spin 1/2 (disse er fundamentale fermioner) og flere partikler med spin 1 (gluon, foton, W ± og Z bosoner), samt en graviton (spin) 2), kaldet fundamentale bosoner (tabel 2). Fundamentale fermioner er opdelt i tre grupper (generationer), som hver indeholder 2 kvarker og 2 leptoner. Alt observerbart stof består af partikler af den første generation (kvarker u, d, elektron e -): nukleoner er lavet af kvarker u og d, kerner er lavet af nukleoner. Kerner med elektroner i baner danner atomer mv.

tabel 2

Grundlæggende interaktioner
Interaktion	Felt kvante	Radius, cm	Interaktionskonstant (størrelsesorden)	Eksempel manifestationer
stærk	gluon	10 -13	1	kerne, hadroner
elektromagnetisk	y-kvante		10 -2	atom
svag	W ±, Z	10 -16	10 -6	γ henfald
gravitationel	graviton	∞	10 -38	tyngdekraft

Rollen af ​​fundamentale bosoner er, at de indser interaktionen mellem partikler, idet de er "bærere" af interaktioner. Under forskellige interaktioner udveksler partikler fundamentale bosoner. Partikler deltager i fire fundamentale interaktioner - stærk (1), elektromagnetisk (10 -2), svag (10 -6) og gravitationel (10 -38). Tallene i parentes karakteriserer den relative styrke af hver interaktion i energiområdet mindre end 1 GeV. Kvarker (og hadroner) deltager i alle interaktioner. Leptoner deltager ikke i det stærke samspil. Bæreren af ​​den stærke vekselvirkning er gluonen (8 typer), den elektromagnetiske vekselvirkning er fotonen, den svage vekselvirkning er W ± og Z bosonerne, og gravitationsinteraktionen er gravitonen.
Det overvældende antal partikler i fri tilstand er ustabilt, dvs. går i opløsning. Den karakteristiske levetid for partikler er 10 -24 -10 -6 sek. Levetiden for en fri neutron er omkring 900 sekunder. Elektronen, fotonen, elektronneutrinoen og muligvis protonen (og deres antipartikler) er stabile.
Grundlaget for den teoretiske beskrivelse af partikler er kvantefeltteori. Til at beskrive elektromagnetiske interaktioner anvendes kvanteelektrodynamik (QED), svage og elektromagnetiske interaktioner beskrives i fællesskab af en samlet teori - den elektrosvage model (ESM), stærk interaktion - kvantekromodynamik (QCD). QCD og ESM, som tilsammen beskriver de stærke, elektromagnetiske og svage interaktioner mellem kvarker og leptoner, danner en teoretisk ramme kaldet Standardmodellen.