Elementære partikler og deres nyttige egenskaber. Elementarpartikler og deres vigtigste egenskaber

Elementarpartiklernes fysik er tæt forbundet med atomkernens fysik. Dette område moderne videnskab er baseret på kvantekoncepter og trænger i sin udvikling længere ind i materiens dybder og afslører den mystiske verden af ​​dens 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 at forbyde 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), så kom 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 Karl Andersen. 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, hvilket fik dem til at blive kaldt "underlige". 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.

Elementære partikler De er klassificeret 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 hænger sammen med kvanteprocesser gravitationsinteraktion to mere hypotetiske partikler— 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 mængder— 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 ikke-bevaring af paritet når svag interaktion, partikler med god nøjagtighed tager 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 er enige i kvarkmodellen eksperimentelle resultater om undersøgelse af elementarpartikler.

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 her står fysikken overfor særligt fænomen natur - 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 opstår ikke kun når elektromagnetisk interaktion, men også med stærk interaktion. Ved høje energier kan lette partikler udslette og danne tungere partikler – forudsat at total energi annihilerende partikler overstiger tærsklen for produktion af tunge partikler ( lig med summen 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.

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 et stort antal 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 natur 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 opnår vi fra denne ligning på en naturlig måde, uden yderligere forudsætninger, spin og numerisk værdi elektronens eget magnetiske moment. 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 de største negativ 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 den samme magnetisk 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.

Ministeriet for Den Russiske Føderation

Saratov Law Institute

Samara gren

Institut for PI og PCTRP

Historie

Om emnet: ” Elementære partikler ”

Udført af: kadet 421 træningsgruppe

politiet privat

Sizonenko A.A.

Tjekket af: afdelingslærer

Kuznetsov S.I.

Samara 2002

Plan

1) Introduktion.

2)

3) Grundlæggende egenskaber ved elementarpartikler. Interaktionsklasser .

4)

5)

a) Enhedssymmetri.

b) Quark-model af hadroner

6)

7) Konklusion. Nogle generelle problemer i teorien om elementarpartikler.

Introduktion .

E . h. i denne terms nøjagtige betydning - primære, yderligere uopløselige partikler, hvoraf alt stof efter antagelse består. I begrebet "E. h." i moderne fysik udtrykkes ideen om primordiale enheder, der bestemmer alt kendte egenskaber materielle verden, en idé, der opstod i tidlige stadier dannelsen af ​​naturvidenskab og har altid spillet en vigtig rolle i dens udvikling.

Begrebet "E.h." dannet i tæt forbindelse med etableringen af ​​den diskrete karakter af stofstrukturen på det mikroskopiske niveau. Opdagelse i begyndelsen af ​​det 19.-20. århundrede. de mindste bærere af stoffets egenskaber - molekyler og atomer - og etableringen af, at molekyler er bygget af atomer, gjorde det for første gang muligt at beskrive alt kendte stoffer som en kombination af et begrænset, omend stort, antal strukturelle komponenter - atomer. Yderligere identifikation af tilstedeværelsen af ​​konstituerende atomer - elektroner og kerner, etablering af den komplekse natur af kerner, som viste sig at være bygget af kun to typer partikler (protoner og neutroner) , reducerede markant antallet af diskrete elementer, der danner stoffets egenskaber, og gav anledning til at antage, at kæden af ​​bestanddele af stoffet ender i diskrete strukturløse formationer - E. ch. En sådan antagelse er generelt set en ekstrapolation kendte fakta og kan ikke underbygges på nogen streng måde. Det er umuligt at sige med sikkerhed, at der findes partikler, der er elementære i ovenstående definitions forstand. Protoner og neutroner f.eks. lang tid De elementer, der anses for at være E., som det viste sig, har en kompleks struktur. Muligheden kan ikke udelukkes, at rækkefølgen af ​​strukturelle bestanddele af stof er grundlæggende uendelig. Det kan også vise sig, at udsagnet "består af ..." på et eller andet tidspunkt af studiet af stof vil vise sig at være blottet for indhold. I dette tilfælde skal definitionen af ​​"elementær" givet ovenfor opgives. Eksistensen af ​​E. ch. er en slags postulat, og at teste dets gyldighed er en af vigtigste opgaver fysik.

Udtrykket "E.h." ofte brugt i moderne fysik ikke i dens nøjagtige betydning, men mindre strengt - for at nævne en stor gruppe af de mindste partikler af stof, under forudsætning af, at de ikke er atomer eller atomkerner (undtagelsen er den enkleste kerne af brintatomet - protonen). Forskning har vist, at denne gruppe af partikler er usædvanlig bred. Ud over de nævnte proton (p), neutron (n) og elektron (e -) omfatter det: foton (g), pi-mesoner (p), myoner (m), neutrinoer tre typer(elektronisk v e, muonisk v m og relateret til den såkaldte. tung lepton v t), såkaldt mærkelige partikler (K-mesoner og hyperoner) , forskellige resonanser opdaget i 1974-77 y-partikler, "charmerede" partikler, upsilon-partikler (¡) og tunge leptoner (t + , t -) - i alt mere end 350 partikler, for det meste ustabile. Antallet af partikler inkluderet i denne gruppe fortsætter med at vokse og er højst sandsynligt ubegrænset; Desuden opfylder de fleste af de listede partikler ikke den strenge definition af elementaritet, da de ifølge moderne begreber er sammensatte systemer (se nedenfor). Brug af navnet "E.h." til alle disse partikler har historiske årsager og er forbundet med den periode med forskning (begyndelsen af ​​30'erne af det 20. århundrede), hvor de eneste kendte repræsentanter for denne gruppe var protonen, neutronen, elektronen og en partikel af det elektromagnetiske felt - fotonen. Det var da naturligt at betragte disse fire partikler for at være elementære, da de tjente som grundlag for konstruktionen af ​​stoffet, der omgiver os og det elektromagnetiske felt, der interagerer med det, og den komplekse struktur af protonen og neutronen var ikke kendt.

Opdagelsen af ​​nye mikroskopiske partikler af stof ødelagde gradvist dette simple billede. De nyopdagede partikler var dog i mange henseender tæt på de første fire kendte partikler. Deres samlende egenskab er, at de alle er specifikke former for eksistens af stof, der ikke er forbundet med kerner og atomer (nogle gange af denne grund kaldes de "subnukleære partikler"). Selvom antallet af sådanne partikler ikke var særlig stort, forblev troen på, at de spiller en grundlæggende rolle i stofstrukturen, og de blev klassificeret som E.-partikler Stigningen i antallet af subnukleare partikler, identifikation af en kompleks struktur i mange af dem viste, at de som regel ikke har elementære egenskaber, men det traditionelle navn "E. ch." bevaret for dem.

I overensstemmelse med etableret praksis er udtrykket "E. h." vil blive brugt nedenfor som et generelt navn. subnukleare partikler. I de tilfælde, hvor vi taler om partikler, der hævder at være de primære elementer i stof, vil udtrykket "ægte E. partikel" blive brugt, hvis det er nødvendigt.

Kort historisk information.

Opdagelsen af ​​elektronpartikler var et naturligt resultat af de generelle succeser i studiet af stofstrukturen opnået af fysikken i slutningen af ​​det 19. århundrede. Det blev udarbejdet af omfattende undersøgelser af de optiske spektre af atomer, studere elektriske fænomener i væsker og gasser, opdagelsen af ​​fotoelektricitet, røntgenstråler og naturlig radioaktivitet, hvilket indikerede eksistensen af ​​en kompleks struktur af stof.

Historisk set var det første opdagede elektronelement elektronen, bæreren af ​​den negative elementære elektriske ladning i atomer. I 1897 slog J. J. Thomson fast, at den såkaldte. katodestråler dannes af en strøm af små partikler kaldet elektroner. I 1911 sendte E. Rutherford alfapartikler fra en naturlig radioaktiv kilde gennem tynde folier forskellige stoffer, fandt ud af, at den positive ladning i atomer er koncentreret i kompakte formationer - kerner, og i 1919 opdagede han blandt partikler slået ud af atomkerner, protoner er partikler med en enhed positiv ladning og en masse 1840 gange større end massen af ​​en elektron. En anden partikel, der er en del af kernen, neutronen, blev opdaget i 1932 af J. Chadwick, mens han studerede interaktionen mellem alfapartikler og beryllium. En neutron har en masse tæt på en protons masse, men har ingen elektrisk ladning. Opdagelsen af ​​neutronen fuldendte identifikationen af ​​partikler - de strukturelle elementer i atomer og deres kerner.

Konklusionen om eksistensen af ​​en partikel af et elektromagnetisk felt - en foton - stammer fra M. Plancks arbejde (1900). Forudsat at energien elektromagnetisk stråling Den absolutte sorte krop er kvantiseret, Planck opnåede den korrekte formel for strålingsspektret. Ved at udvikle Plancks idé postulerede A. Einstein (1905), at elektromagnetisk stråling (lys) faktisk er en strøm af individuelle kvanter (fotoner), og forklarede på dette grundlag lovene for den fotoelektriske effekt. Direkte eksperimentelt bevis på eksistensen af ​​fotonen blev givet af R. Millikan (1912-1915) og A. Compton (1922; se Compton-effekten).

Opdagelsen af ​​neutrinoen, en partikel, der næppe interagerer med stof, stammer fra W. Paulis (1930) teoretiske gæt, som på grund af antagelsen om en sådan partikels fødsel gjorde det muligt at eliminere vanskeligheder med loven af bevarelse af energi i processer af beta-henfald af radioaktive kerner. Eksistensen af ​​neutrinoer blev eksperimentelt bekræftet først i 1953 (F. Reines og K. Cowan, USA).

Fra 30'erne til begyndelsen af ​​50'erne. Studiet af elektronpartikler var tæt forbundet med studiet af kosmiske stråler. I 1932 opdagede K. Anderson en positron (e +) i kosmiske stråler - en partikel med massen af ​​en elektron, men med en positiv elektrisk ladning. Positronen var den første antipartikel, der blev opdaget (se nedenfor). Eksistensen af ​​e+ fulgte direkte af den relativistiske teori om elektronen, udviklet af P. Dirac (1928-31) kort før opdagelsen af ​​positronen. I 1936 opdagede de amerikanske fysikere K. Anderson og S. Neddermeyer, mens de studerede osmiske stråler, muoner (begge tegn på elektrisk ladning) - partikler med en masse på cirka 200 elektronmasser, men ellers overraskende ens i egenskaber med e -, e + .

I 1947, også i kosmiske stråler, opdagede S. Powells gruppe p + og p - mesoner med en masse på 274 elektronmasser, som spiller en vigtig rolle i interaktionen mellem protoner og neutroner i kerner. Eksistensen af ​​sådanne partikler blev foreslået af H. Yukawa i 1935.

Slutningen af ​​40'erne - begyndelsen af ​​50'erne. var præget af opdagelsen af ​​en stor gruppe partikler med usædvanlige egenskaber, kaldet "mærkelige". De første partikler i denne gruppe, K + - og K - -mesoner, L-, S + -, S - -, X - - hyperoner, blev opdaget i kosmiske stråler, efterfølgende opdagelser af mærkelige partikler blev gjort ved acceleratorer - installationer, der skabe intense strømme af hurtige protoner og elektroner. Når accelererede protoner og elektroner kolliderer med stoffet, føder de nye elektronpartikler, som bliver genstand for undersøgelse.

Siden begyndelsen af ​​50'erne. acceleratorer blev det vigtigste værktøj til at studere elektronpartikler.I 70'erne. Energierne af partikler accelereret i acceleratorer beløb sig til titusinder og hundreder af milliarder af elektronvolt ( Gav). Ønsket om at øge partikelenergierne skyldes, at høje energier åbner mulighed for at studere stoffets struktur på kortere afstande, jo højere energi kolliderende partikler er. Acceleratorer har markant øget tempoet for at skaffe nye data og kort sigt udvidet og beriget vores viden om mikroverdenens egenskaber. Brugen af ​​acceleratorer til at studere mærkelige partikler gjorde det muligt at studere deres egenskaber mere detaljeret, især kendetegnene ved deres henfald, og førte snart til en vigtig opdagelse: belysning af muligheden for at ændre karakteristika af nogle mikroprocesser under driften af ​​spejlet refleksion (se rumlig inversion) - såkaldte krænkelse af mellemrum. paritet (1956). Idriftsættelse af protonacceleratorer med energier i milliardklassen ev tillod opdagelsen af ​​tunge antipartikler: antiproton (1955), antineutron (1956), anti-sigma hyperoner (1960). I 1964 blev det tungeste hyperon, W - (med en masse på omkring to protonmasser) opdaget. I 1960'erne Et stort antal ekstremt ustabile (sammenlignet med andre ustabile elektronpartikler) partikler, kaldet "resonanser", blev opdaget ved acceleratorer. Masserne af de fleste resonanser overstiger massen af ​​en proton. Den første af dem, D 1 (1232), har været kendt siden 1953. Det viste sig, at resonanser udgør hovedparten af ​​elektronfrekvensen.

I 1962 blev det opdaget, at der er to forskellige neutrinoer: elektron og myon. I 1964 i neutrale K-mesons henfald. ikke-bevaring af den såkaldte kombineret paritet (introduceret af Li Tsung-dao og Yang Zhen-ning og uafhængigt af L. D. Landau i 1956; se kombineret inversion) , hvilket betyder behovet for at revidere de sædvanlige synspunkter om adfærden af ​​fysiske processer under driften af ​​tidsrefleksion (se CPT-sætning) .

I 1974 blev der opdaget massive (3-4 protonmasser) og samtidig relativt stabile y-partikler, med en levetid usædvanligt lang for resonanser. De viste sig at være nært beslægtet med den nye familie af elektronpartikler - "charmerede" dem, hvis første repræsentanter (D 0, D +, L c) blev opdaget i 1976. I 1975 blev den første information indhentet om eksistensen af ​​en tung analog af elektronen og myonen (tung lepton t). I 1977 blev β-partikler med en masse på omkring ti protonmasser opdaget.

Gennem årene siden opdagelsen af ​​elektronen er der således blevet identificeret et stort antal forskellige mikropartikler af stof. E. h.s verden viste sig at være ret kompleks. Egenskaberne af de opdagede elektronpartikler var uventede i mange henseender.For at beskrive dem var det ud over de egenskaber, der er lånt fra klassisk fysik, såsom elektrisk ladning, masse og vinkelmoment, nødvendigt at introducere mange nye specielle egenskaber, især at beskrive mærkelige elektronpartikler - mærkelighed (K. Nishijima, M. Gell-Man, 1953), "fascineret" af E . h. - "charme" (amerikanske fysikere J. Bjorken, S. Glashow, 1964); Navnene på de givne egenskaber afspejler allerede den usædvanlige karakter af egenskaberne af de elementer, de beskriver.

Studerer indre struktur Fra de første skridt blev udviklingen af ​​stof og energiens egenskaber ledsaget af en radikal revision af mange etablerede koncepter og ideer. De love, der styrer stoffets adfærd i det små, viste sig at være så forskellige fra den klassiske mekaniks og elektrodynamiks love, at de krævede helt nye til deres beskrivelse. teoretiske konstruktioner. Sådanne nye fundamentale konstruktioner i teorien var de særlige (særlige) og generelle relativitetsteorier (A. Einstein, 1905 og 1916; se Relativitetsteori, Gravity) og kvantemekanik (1924-27; N. Bohr, L. de Broglie, V. Heisenberg, E. Schrödinger, M. Born) . Relativitetsteorien og kvantemekanikken markerede en sand revolution i naturvidenskaben og lagde grundlaget for beskrivelsen af ​​mikroverdenens fænomener. Kvantemekanikken viste sig imidlertid at være utilstrækkelig til at beskrive de processer, der foregår i elektronpartikler. Det næste trin var nødvendigt - kvantiseringen af ​​klassiske felter (den såkaldte sekundære kvantisering) og udviklingen af ​​kvantefeltteorien. De vigtigste stadier på dens udviklingsvej var: formuleringen af ​​kvanteelektrodynamik (P. Dirac, 1929), kvanteteorien om b-henfald (E. Fermi, 1934), som lagde grundlaget for den moderne teori om svage interaktioner, kvantemesodynamik (Yukawa, 1935). Den umiddelbare forgænger for sidstnævnte var den såkaldte. b-teori om kernekræfter (I.E. Tamm, D.D. Ivanenko, 1934; se Stærke interaktioner). Denne periode sluttede med skabelsen af ​​et konsistent computerapparat til kvanteelektrodynamik (S. Tomonaga, R. Feynman, J. Schwinger; 1944-49), baseret på brugen af ​​renormaliseringsteknikken (se kvantefeltteori). Denne teknik blev efterfølgende generaliseret til andre varianter af kvantefeltteori.

Kvantefeltteorien fortsætter med at udvikle og forbedre sig og er grundlaget for at beskrive elektronpartiklernes interaktioner.Denne teori har en række betydelige succeser, og alligevel er den stadig meget langt fra komplet og kan ikke hævde at være en omfattende teori om elektronpartikler. Oprindelsen af ​​mange egenskaber af elektroner h. og arten af ​​deres iboende interaktioner forbliver stort set uklar. Det er muligt, at der kræves mere end én omstrukturering af alle ideer og en meget dybere forståelse af forholdet mellem mikropartiklers egenskaber og rumtidens geometriske egenskaber, før teorien om elektronpartikler vil blive konstrueret.

Grundlæggende egenskaber ved elementarpartikler. Interaktionsklasser.

Alle elektronpartikler er objekter med ekstremt små masser og størrelser. De fleste af dem har masser af størrelsesordenen protonmassen, svarende til 1,6×10 -24 g (kun elektronmassen er mærkbart mindre: 9×10 -28 g). De eksperimentelt bestemte størrelser af protonen, neutronen og p-mesonen er lig i størrelsesordenen 10 -13 cm. Størrelsen af ​​elektronen og myonen kunne ikke bestemmes; det vides kun, at de er mindre end 10 -15 cm. De mikroskopiske masser og størrelser af elektronpartikler danner grundlaget for kvantespecificiteten for deres adfærd. Karakteristiske bølgelængder, der bør tilskrives elektronpartikler i kvanteteorien (hvor - Plancks konstant, m - partikelmasse, c - lyshastighed) er i størrelsesorden tæt på de typiske dimensioner, hvor deres vekselvirkning finder sted (for eksempel for p-mesonen 1,4 × 10 -13 cm). Dette fører til, at kvantelove er afgørende for elektronpartikler.

Den vigtigste kvanteegenskab for alle elektronpartikler er deres evne til at blive skabt og ødelagt (emitteret og absorberet), når de interagerer med andre partikler. I denne henseende er de fuldstændig analoge med fotoner. E. partikler er specifikke mængder af stof, mere præcist, kvanter af de tilsvarende fysiske felter (se nedenfor). Alle processer, der involverer elektronpartikler, foregår gennem en sekvens af absorptions- og emissionshandlinger. Kun på dette grundlag kan man forstå f.eks. processen med fødslen af ​​en p + meson i sammenstødet mellem to protoner (p + p ® p + n+ p +) eller processen med udslettelse af en elektron og en positron, når i stedet for de forsvundne partikler opstår der f.eks. to g-kvanter (e + +e - ® g + g). Men processerne med elastisk spredning af partikler, for eksempel e - +p ® e - + p, er også forbundet med absorptionen af ​​initiale partikler og fødslen af ​​endelige partikler. Nedbrydningen af ​​ustabile elektronpartikler til lettere partikler, ledsaget af frigivelse af energi, følger samme mønster og er en proces, hvor henfaldsprodukter fødes i selve henfaldsøjeblikket og ikke eksisterer før det øjeblik. I denne henseende svarer henfaldet af en elektronpartikel til henfaldet af et exciteret atom til et atom i grundtilstanden og en foton. Eksempler på elektrokemiske henfald omfatter: ; p+®m++vm; К + ® p + + p 0 (“tilde”-tegnet over partikelsymbolet markerer herefter de tilsvarende antipartikler).

Forskellige processer med E. h. adskiller sig markant i intensiteten af ​​deres forekomst. I overensstemmelse hermed kan elektromagnetiske partiklers interaktioner fænomenologisk opdeles i flere klasser: stærke, elektromagnetiske og svage interaktioner. Alle elektronpartikler har også gravitationsinteraktion.

Stærke interaktioner identificeres som interaktioner, der giver anledning til processer, der sker med den største intensitet blandt alle andre processer. De fører også til stærk forbindelse E. h. Det er stærke vekselvirkninger, der bestemmer forbindelsen af ​​protoner og neutroner i atomkernerne og giver disse formationers enestående styrke, som ligger til grund for stoffets stabilitet under terrestriske forhold.

Elektromagnetiske interaktioner karakteriseres som interaktioner, der er baseret på en forbindelse med et elektromagnetisk felt. Processerne forårsaget af dem er mindre intense end processerne med stærke vekselvirkninger, og forbindelsen mellem elektronkræfterne genereret af dem er mærkbart svagere. Især elektromagnetiske interaktioner er ansvarlige for kommunikationen atomare elektroner med kerner og forbindelsen af ​​atomer i molekyler.

Svage vekselvirkninger forårsager, som navnet selv viser, meget langsomt opståede processer med elektronpartikler.Deres lave intensitet kan illustreres ved, at neutrinoer, som kun har svage vekselvirkninger, uhindret trænger ind i eksempelvis Jordens og Solens tykkelse. . Svage interaktioner forårsager også langsomme henfald af de såkaldte. kvasistabile elektronpartikler Levetiden for disse partikler ligger i området 10 -8 -10 -10 sek., mens typiske tider for stærke vekselvirkninger af elektronpartikler er 10 -23 -10 -24 sek.

Gravitationsinteraktioner, velkendte for deres makroskopiske manifestationer, giver i tilfælde af elektronpartikler i karakteristiske afstande på ~10 -13 cm ekstremt små effekter på grund af de små masser af elektronpartikler.

Styrken af ​​forskellige klasser af interaktioner kan tilnærmelsesvis karakteriseres ved dimensionsløse parametre forbundet med kvadraterne af konstanterne for de tilsvarende interaktioner. For stærke, elektromagnetiske, svage og gravitationelle interaktioner af protoner med en gennemsnitlig procesenergi på ~1 GeV, korrelerer disse parametre som 1:10 -2: l0 -10:10 -38. Behovet for at angive den gennemsnitlige energi af processen skyldes, at for svage interaktioner afhænger den dimensionsløse parameter af energien. Derudover afhænger intensiteten af ​​forskellige processer i sig selv forskelligt af energi. Dette fører til, at den relative rolle forskellige interaktioner, generelt set, ændres med stigende energi af interagerende partikler, så opdelingen af ​​interaktioner i klasser, baseret på en sammenligning af intensiteten af ​​processer, udføres pålideligt ved ikke for høje energier. Forskellige klasser af interaktioner har dog også andre specifikke træk forbundet med forskellige egenskaber ved deres symmetri (se Symmetri i fysik), hvilket bidrager til deres adskillelse ved højere energier. Hvorvidt denne opdeling af interaktioner i klasser vil blive bevaret i grænsen af ​​de højeste energier, er stadig uklart.

Afhængigt af deres deltagelse i visse typer af vekselvirkninger er alle undersøgte elektronpartikler, med undtagelse af fotonen, opdelt i to hovedgrupper: hadroner (fra det græske hadros - store, stærke) og leptoner (fra de græske leptos - små, tynd, let). Hadroner er primært kendetegnet ved, at de har stærke interaktioner sammen med elektromagnetiske og svage interaktioner, mens leptoner kun deltager i elektromagnetiske og svage interaktioner. (Tilstedeværelsen af ​​gravitationsinteraktioner, der er fælles for begge grupper, er underforstået.) Hadronmasserne er tæt på protonmassen i størrelsesorden (m p); p-mesonen har minimumsmassen blandt hadroner: t p "m 1/7×t p. Masserne af leptoner kendt før 1975-76 var små (0,1 m p), dog indikerer de seneste data tilsyneladende muligheden for eksistensen af tunge leptoner med samme masse som hadroner De første undersøgte repræsentanter for hadroner var protonen og neutronen og leptonerne - elektronen Fotonen, som kun har elektromagnetiske interaktioner, kan ikke klassificeres som hverken hadroner eller leptoner og bør adskilles i en separat gruppe Ifølge ideerne udviklet i 70'erne indgår fotonen (en partikel med nul hvilemasse) i samme gruppe med meget massive partikler - de såkaldte intermediære vektorbosoner, som er ansvarlige for svage interaktioner og har endnu ikke observeret eksperimentelt (se afsnittet Elementærpartikler og kvantefeltteori).

Karakteristika for elementarpartikler.

Hvert element, sammen med de specifikke interaktioner, der er iboende i det, er beskrevet af et sæt diskrete værdier af visse fysiske størrelser eller dets karakteristika. I nogle tilfælde udtrykkes disse diskrete værdier gennem heltal eller brøktal og en fælles faktor - en måleenhed; Disse tal omtales som kvantetal af E.-tal, og kun de er specificeret, idet måleenhederne udelades.

Generelle egenskaber Alle elektronpartikler er masse (m), levetid (t), spin (J) og elektrisk ladning (Q). Der er stadig ikke tilstrækkelig forståelse af den lov, hvorved masserne af elektronpartikler er fordelt, og om der er nogen måleenhed for dem.

Afhængigt af levetiden opdeles elektronpartikler i stabile, quasi-stabile og ustabile (resonanser). Stabile, inden for nøjagtigheden af ​​moderne målinger, er elektronen (t > 5×10 21 år), proton (t > 2×10 30 år), foton og neutrino. Kvasistabile partikler omfatter partikler, der henfalder på grund af elektromagnetiske og svage vekselvirkninger. Deres levetid er > 10 -20 sek (for en fri neutron endda ~ 1000 sek.). Elementære partikler, der henfalder på grund af stærke vekselvirkninger, kaldes resonanser. Deres karakteristiske tider liv 10 -23 -10 -24 sek. I nogle tilfælde undertrykkes henfaldet af tunge resonanser (med en masse på ³ 3 GeV) på grund af stærke interaktioner, og levetiden stiger til værdier på ~10 -20 sek.

Spin af en E. h. er et heltal eller et halvt heltals multiplum af værdien. I disse enheder er p- og K-mesons spin 0, for protonen, neutronen og elektronen J = 1/2, for fotonen J = 1. Der er partikler med et højere spin. Størrelsen af ​​en elektronpartikels spin bestemmer adfærden af ​​et ensemble af identiske (identiske) partikler eller deres statistik (W. Pauli, 1940). Partikler med halvt heltals spin er underlagt Fermi-Dirac-statistikker (deraf navnet fermioner), som kræver antisymmetri af systemets bølgefunktion med hensyn til permutationen af ​​et par partikler (eller et ulige antal par) og, derfor "forbyder" to partikler af halvt heltals spin i at være i samme tilstand (Pauli-princippet). Partikler af heltals spin er underlagt Bose-Einstein-statistikker (deraf navnet bosoner), som kræver symmetrien af ​​bølgefunktionen med hensyn til permutationer af partikler og tillader et hvilket som helst antal partikler at være i samme tilstand. Elektronpartiklernes statistiske egenskaber viser sig at være signifikante i tilfælde, hvor der dannes flere identiske partikler under fødslen eller henfaldet. Fermi-Dirac-statistikker spiller også en ekstremt vigtig rolle i strukturen af ​​kerner og bestemmer mønstrene for fyldning med elektroner atomskaller, der ligger til grund for det periodiske system af elementer af D.I. Mendeleev.

De elektriske ladninger af de undersøgte E. partikler er heltals multipla af værdien e "1,6×10 -19 k, kaldet den elementære elektriske ladning. For de kendte E. partikler Q = 0, ±1, ±2.

Ud over de angivne mængder er energipartikler desuden karakteriseret ved en række kvantetal og kaldes interne. Leptoner bærer en specifik leptonladning L af to typer: elektronisk (L e) og muonisk (L m); L e = +1 for elektron- og elektronneutrino, Lm = +1 for negativ myon og myonneutrino. Tung lepton t; og neutrinoen forbundet med den er tilsyneladende bærere af en ny type leptonladning Lt.

For hadroner er L = 0, og dette er endnu en manifestation af deres forskel fra leptoner. Til gengæld bør væsentlige dele af hadroner tilskrives en særlig baryonladning B (|E| = 1). Hadroner med B = +1 danner en undergruppe af baryoner (dette inkluderer proton, neutron, hyperoner, baryonresonanser), og hadroner med B = 0 danner en undergruppe af mesoner (p- og K-mesoner, bosoniske resonanser). Navnet på undergrupperne af hadroner kommer fra de græske ord barýs - tung og mesos - medium, som indledende fase E. Ch.-forskning afspejlede de sammenlignende værdier af masserne af baryoner og mesoner kendt på det tidspunkt. Senere data viste, at masserne af baryoner og mesoner er sammenlignelige. For leptoner B = 0. For fotoner B = 0 og L = 0.

Baryoner og mesoner opdeles i de allerede nævnte aggregater: almindelige (ikke-mærkelige) partikler (proton, neutron, p-mesoner), mærkelige partikler (hyperoner, K-mesoner) og charmerede partikler. Denne opdeling svarer til tilstedeværelsen af ​​specielle kvantetal i hadroner: mærkværdighed S og charme (engelsk charme) Ch med acceptable værdier: 151 = 0, 1, 2, 3 og |Ch| = 0, 1, 2, 3. For almindelige partikler S = 0 og Ch = 0, for mærkelige partikler |S| ¹ 0, Ch = 0, for charmede partikler |Ch| ¹ 0 og |S| = 0, 1, 2. I stedet for mærkelighed bruges ofte kvantetalshyperchargen Y = S + B, som tilsyneladende har en mere fundamental betydning.

Allerede de første undersøgelser med almindelige hadroner afslørede tilstedeværelsen blandt dem af familier af partikler med samme masse, med meget lignende egenskaber med hensyn til stærke interaktioner, men med forskellige værdier af elektrisk ladning. Protonen og neutronen (nukleoner) var det første eksempel på en sådan familie. Senere blev lignende familier opdaget blandt mærkelige og (i 1976) blandt charmerede hadroner. Fællesheden af ​​egenskaber af partikler inkluderet i sådanne familier er en afspejling af eksistensen i dem af samme værdi af et specielt kvantetal - isotopisk spin I, der ligesom almindeligt spin tager heltal- og halvheltalsværdier. Familierne selv kaldes normalt isotopiske multipletter. Antallet af partikler i en multiplet (n) er relateret til I ved relationen: n = 2I + 1. Partikler af en isotopisk multiplet adskiller sig fra hinanden i værdien af ​​"projektionen" af det isotopiske spin I 3, og

En vigtig egenskab ved hadroner er også den interne paritet P, forbundet med driften af ​​rum, inversion: P tager værdier på ±1.

For alle elektronpartikler med ikke-nul værdier af mindst en af ​​ladningerne O, L, B, Y (S) og charmen Ch, er der antipartikler med samme værdier af masse m, levetid t, spin J og for hadroner af isotopisk spin 1, men med modsatte fortegn af alle ladninger og for baryoner med modsat fortegn for intern paritet P. Partikler, der ikke har antipartikler, kaldes absolut (rigtigt) neutrale. Absolut neutrale hadroner har et særligt kvantetal - ladningsparitet (dvs. paritet i forhold til ladningskonjugationsoperationen) C med værdier på ±1; eksempler på sådanne partikler er fotonen og p 0 .

Kvanteantal af elektroner er opdelt i eksakte (det vil sige dem, der er forbundet med fysiske mængder, der er bevaret i alle processer) og upræcise (for hvilke de tilsvarende fysiske mængder ikke er bevaret i nogle processer). Spin J er relateret til streng lov bevarelse af vinkelmomentum og er derfor et nøjagtigt kvantetal. Andre nøjagtige kvantetal: Q, L, B; Ifølge moderne data er de bevaret under alle transformationer af elektronelementet.Protonens stabilitet er et direkte udtryk for bevarelsen af ​​B (f.eks. er der ingen henfald p ® e + + g). De fleste hadron-kvantetal er dog upræcise. Isotopisk spin, mens det bevares i stærke interaktioner, bevares ikke i elektromagnetiske og svage interaktioner. Mærkelighed og charme er bevaret i de stærke og elektromagnetiske vekselvirkninger, men ikke i de svage vekselvirkninger. Svage interaktioner ændrer også den interne og ladningsparitet. Den kombinerede paritet af CP er bevaret med en meget større grad af nøjagtighed, men den er også overtrådt i nogle processer forårsaget af svage interaktioner. Årsagerne til ikke-bevaring af mange kvanteantal af hadroner er uklare og er tilsyneladende forbundet både med arten af ​​disse kvantetal og med den dybe struktur af elektromagnetiske og svage interaktioner. Bevarelse eller ikke-konservering af visse kvantetal er en af ​​de væsentlige manifestationer af forskelle i klasserne af interaktioner af elektronpartikler.

Klassificering af elementarpartikler.

Unitær symmetri. Klassificeringen af ​​leptoner giver endnu ingen problemer, det store antal hadroner, kendt allerede i begyndelsen af ​​50'erne, dannede grundlag for søgen efter mønstre i fordeling af masser og kvanteantal af baryoner og mesoner, som kunne danne grundlaget for deres klassificering. Identifikationen af ​​isotopiske multipletter af hadroner var det første skridt på denne vej. Fra et matematisk synspunkt afspejler grupperingen af ​​hadroner i isotopiske multipletter tilstedeværelsen af ​​symmetri forbundet med rotationsgruppen (se gruppe) , mere formelt, med en gruppe S.U.(2) - en gruppe af enhedstransformationer i et komplekst todimensionelt rum. Det antages, at disse transformationer fungerer i et bestemt indre rum - "isotopisk rum", forskellig fra det sædvanlige. Eksistensen af ​​isotopisk rum manifesteres kun i de observerbare egenskaber ved symmetri. I matematisk sprog er isotopiske multipletter irreducible repræsentationer af symmetrigruppen S.U. (2).

Begrebet symmetri som en faktor, der bestemmer eksistensen af ​​forskellige grupper og familier af elektronpartikler i moderne teori, er dominerende i klassificeringen af ​​hadroner og andre elektronpartikler.Det antages, at de indre kvantetal af elektronpartikler, som gør det muligt at skelne visse grupper af partikler, er forbundet med særlige typer af symmetrier, der opstår på grund af friheden til transformationer i særlige "indre" rum. Det er her navnet "interne kvantetal" kommer fra.

En omhyggelig undersøgelse viser, at mærkelige og almindelige hadroner tilsammen danner bredere associationer af partikler med lignende egenskaber end isotopiske multipletter. De kaldes supermultipletter. Antallet af partikler inkluderet i de observerede supermultipletter er 8 og 10. Ud fra et symmetrisynspunkt fortolkes fremkomsten af ​​supermultipletter som en manifestation af eksistensen af ​​en symmetrigruppe i hadroner, der er bredere end gruppen S.U.(2), nemlig: S.U.(3) - grupper af enhedstransformationer i tredimensionelt komplekst rum (M. Gell-Man og uafhængigt Y. Neeman, 1961). Den tilsvarende symmetri kaldes enhedssymmetri. Gruppe S.U.(3) har især irreducerbare repræsentationer med antallet af komponenter 8 og 10, svarende til de observerede supermultipletter: oktet og dekuplet. Eksempler omfatter følgende grupper af partikler med samme værdier JP:

Fælles for alle partikler i en supermultiplet er værdierne af to størrelser, som iflg. matematisk natur er tæt på isotopisk spin og kaldes derfor ofte unitary spin. For en oktet er værdierne af kvantetal forbundet med disse mængder lig med (1, 1), for en decuplet - (3, 0).

Enhedssymmetri er mindre præcis end isotopisk symmetri. I overensstemmelse hermed er forskellen i massen af ​​partikler inkluderet i oktetter og decuplets ret betydelig. Af samme grund er opdelingen af ​​hadroner i supermultipletter relativt simpel for elektronpartikler med ikke særlig høj masse. Ved store masser, når der er mange forskellige partikler med ens masse, er denne opdeling mindre pålidelig. Men i egenskaberne af elementarpartikler er der mange forskellige manifestationer af enhedssymmetri.

Inkluderingen af ​​charmerede hadroner i systematikken af ​​elementarpartikler giver os mulighed for at tale om supersupermultipletter og eksistensen af ​​en endnu bredere symmetri forbundet med enhedsgruppen S.U.(4). Der er endnu ingen eksempler på helt udfyldte supersupermultipletter. S.U.(4)-symmetri brydes endnu stærkere end S.U.(3)-symmetri, og dens manifestationer er mindre udtalte.

Opdagelsen af ​​symmetriegenskaber i hadroner forbundet med enhedsgrupper og mønstre for opdeling i multipletter, der svarer til strengt definerede repræsentationer af disse grupper, var grundlaget for konklusionen om eksistensen af ​​særlige strukturelle elementer i hadroner - kvarker.

Quark model af hadroner. Fra de allerførste trin blev udviklingen af ​​arbejdet med klassificeringen af ​​hadroner ledsaget af forsøg på at identificere blandt dem partikler, der var mere fundamentale end resten, som kunne blive grundlaget for konstruktionen af ​​alle hadroner. Denne forskningslinje blev startet af E. Fermi og Yang Chen-ning (1949), som foreslog, at sådanne fundamentale partikler er nukleonet (N) og antinukleonet (), og p-mesoner er deres bundne tilstande (). Med videreudviklingen af ​​denne idé blev mærkelige baryoner også inkluderet blandt de fundamentale partikler (M. A. Markov, 1955; japansk fysiker S. Sakata, 1956; L. B. Okun, 1957). Modeller bygget på dette grundlag beskrev mesonmultipletter godt, men gav ikke en korrekt beskrivelse af baryonmultipletter. Det vigtigste element i disse modeller - brugen af ​​et lille antal fermioner til at "konstruere" hadroner - var organisk inkluderet i den model, der mest succesfuldt løser problemet med at beskrive alle hadroner - kvarkmodellen (den østrigske fysiker G. Zweig og uafhængigt af hinanden). M. Gell-Man, 1964).

I den originale version var modellen baseret på den antagelse, at alle kendte hadroner er bygget af tre typer partikler af spin 1/2, kaldet p-, n-, l-kvarker, som ikke hører til antallet af observerede hadroner og har meget usædvanlige egenskaber. Navnet "quarks" er lånt fra romanen af ​​J. Joyce (se Quarks) . Den moderne version af modellen antager eksistensen af ​​mindst fire typer kvarker. Den fjerde kvark er nødvendig for at beskrive charmerede hadroner.

Ideen om kvarker er foreslået af enhedssymmetri. Den matematiske struktur af enhedsgrupper åbner mulighed for at beskrive alle repræsentationer af gruppen S.U. (n) (og dermed alle hadron-multipletter) baseret på den enkleste grupperepræsentation, der indeholder n komponent. I tilfælde af en gruppe S.U.(3) der er tre sådanne komponenter. Det er kun nødvendigt at antage eksistensen af ​​partikler forbundet med denne enkleste repræsentation. Disse partikler er kvarker. Kvarksammensætningen af ​​mesoner og baryoner blev udledt af det faktum, at meson-supermultipletter indeholder som regel 8 partikler og baryoner - 8 og 10 partikler. Dette mønster er let reproduceret, hvis vi antager, at mesoner er sammensat af kvarker q og en antikvark - symbolsk: , og baryoner af tre kvarker - symbolsk: I = (qqq). På grund af gruppens egenskaber S.U.(3) 9 mesoner er opdelt i supermultipletter af 1 og 8 partikler, og 27 baryoner er opdelt i supermultipletter indeholdende 1, 10 og to gange 8 partikler, hvilket forklarer den observerede adskillelse af oktetter og decuplets.

Tilføjelsen af ​​en fjerde kvark (og om nødvendigt nye yderligere kvarker) til skemaet udføres, mens kvarkmodellens grundlæggende antagelse om strukturen af ​​hadroner opretholdes:

B = (qqq).

Alle eksperimentelle data er i god overensstemmelse med den givne kvarksammensætning af hadroner. Der er tilsyneladende kun små afvigelser fra denne struktur, som ikke i væsentlig grad påvirker hadronernes egenskaber.

Den angivne struktur af hadroner og matematiske egenskaber af kvarker, som objekter forbundet med en bestemt (simpelste) repræsentation af gruppen S.U.(4), føre til følgende. kvanteantal af kvarker (tabel 2). De usædvanlige - brøkdele - værdier af den elektriske ladning er bemærkelsesværdige. Q, og B, S Og Y, ikke fundet i nogen af ​​de observerede elektronpartikler. Med indeks a for hver type kvark q i (i = 1, 2, 3, 4) en speciel karakteristik af kvarker er forbundet - "farve", som ikke er til stede i de undersøgte hadroner. Indeks a tager værdierne 1, 2, 3, dvs. hver type kvark q i præsenteret i tre varianter q i a (N.N. Bogolyubov og medarbejdere, 1965; amerikanske fysikere I. Nambu og M. Khan, 1965; japansk fysiker I. Miyamoto, 1965). Kvantetallene for hver type kvark ændres ikke, når "farven" ændres og derfor tabellen. 2 gælder for kvarker af enhver "farve".

Al mangfoldigheden af ​​hadroner opstår pga forskellige kombinationer R -, P-, g- og Med-kvarker danner bundne tilstande. Almindelige hadroner svarer til bundne tilstande kun konstrueret ud fra R- Og n-kvarker [til mesoner med mulig deltagelse af kombinationer og ]. Tilstedeværelse i bundet tilstand sammen med R- Og n-kvarker på et g- eller Med-kvark betyder, at den tilsvarende hadron er mærkelig ( S= -1) eller charmed ( Ch =+ 1). En baryon kan indeholde henholdsvis to og tre g-kvarker (hhv Med-quark), dvs. dobbelte og tredobbelte mærkelige (charme) baryoner er mulige. Kombinationer af forskellige antal g- og Med- kvarker (især i baryoner), som svarer til "hybride" former for hadroner ("mærkelig charme"). Det er klart, jo større g-or Med-kvarker indeholder en hadron, jo tungere er den. Hvis vi sammenligner jordens (ikke-exciterede) tilstande for hadroner, er det præcis det billede, der observeres (se tabel 1, samt tabel 3 og 5).

Da kvarkers spin er lig med 1/2, resulterer ovennævnte kvarkstruktur af hadroner i et heltals spin for mesoner og et halvt heltals spin for baryoner, i fuld overensstemmelse med eksperimentet. Desuden i tilstande svarende til orbital momentum l= 0, især i grundtilstande, skal spin af mesoner være lig med 0 eller 1 (for antiparallel ґ¯ og parallel ґґ orientering af kvark spins), og spin af baryoner skal være 1/2 eller 3/2 ( for spin-konfigurationer ¯ґґ og ґґґ) . Under hensyntagen til, at den interne paritet af kvark-antikvark-systemet er negativ, er værdierne JP for mesoner kl l= 0 er lig med 0 - og 1 - , for baryoner - 1 / 2 + og 3 / 2 + . Det er værdierne JP observeret i hadroner med den mindste masse kl givne værdier jeg Og Y(se tabel 1).

Siden indekser i, k, l i strukturformlerne løber værdierne gennem 1, 2, 3, 4, antallet af mesoner Mik med et givet spin skal være lig med 16. For baryoner Bikl det maksimalt mulige antal tilstande for et givet spin (64) er ikke realiseret, da i kraft af Pauli-princippet, for et givet samlet spin, kun tillades tre-kvarktilstande, der har en veldefineret symmetri med hensyn til permutationer af indekser i, k, 1, nemlig: fuldt symmetrisk for spin 3/2 og blandet symmetri for spin 1/2. Denne betingelse er l = 0 vælger 20 baryontilstande for spin 3/2 og 20 for spin 1/2.

En mere detaljeret undersøgelse viser, at værdien af ​​kvarksammensætningen og symmetriegenskaberne af kvarksystemet gør det muligt at bestemme alle de grundlæggende kvantenumre for hadronen ( J, P, B, Q, I, Y, Ch), med undtagelse af masse; bestemmelse af massen kræver viden om dynamikken i vekselvirkningen mellem kvarker og massen af ​​kvarker, hvilket endnu ikke er tilgængeligt.

Korrekt formidling af specifikationerne for hadroner med de laveste masser og spins ved givne værdier Y Og Ch, Kvarkmodellen forklarer naturligvis også det samlede store antal hadroner og overvægten af ​​resonanser blandt dem. Det store antal hadroner er en afspejling af deres komplekse struktur og muligheden for eksistensen af ​​forskellige exciterede tilstande af kvarksystemer. Det er muligt, at antallet af sådanne ophidsede tilstande er ubegrænset. Alle exciterede tilstande i kvarksystemer er ustabile med hensyn til hurtige overgange på grund af stærke vekselvirkninger til underliggende tilstande. De udgør hovedparten af ​​resonanserne. En lille del af resonanserne består også af kvarksystemer med parallelle spin-orienteringer (med undtagelse af W -). Quark-konfigurationer med antiparallel spin-orientering, relateret til det grundlæggende. tilstande, danner kvasi-stabile hadroner og en stabil proton.

Excitationer af kvarksystemer opstår både på grund af ændringer i kvarkers rotationsbevægelse (orbitale excitationer) og på grund af ændringer i deres rum. placering (radiale excitationer). I det første tilfælde er en stigning i systemets masse ledsaget af en ændring i det samlede spin J og paritet R system, i det andet tilfælde sker stigningen i massen uden ændring J P. For eksempel mesoner med JP= 2 + er den første orbitale excitation ( l = 1) mesoner med J P = 1 - . Overensstemmelsen mellem 2 + mesoner og 1 - mesoner af identiske kvarkstrukturer ses tydeligt i eksemplet med mange par partikler:

Mesoner r" og y" er eksempler på radiale excitationer af henholdsvis r- og y-mesoner (se.

Orbitale og radiale excitationer genererer sekvenser af resonanser svarende til den samme oprindelige kvarkstruktur. Manglen på pålidelig information om interaktionen af ​​kvarker giver os endnu ikke mulighed for at foretage kvantitative beregninger af excitationsspektre og drage nogen konklusioner om det mulige antal af sådanne exciterede tilstande. Ved formuleringen af ​​kvarkmodellen blev kvarker betragtet som hypotetiske strukturelle elementer, hvilket åbner muligheden for en meget bekvem beskrivelse af hadroner. Efterfølgende blev der udført eksperimenter, der giver os mulighed for at tale om kvarker som rigtige materielle formationer inde i hadroner. De første var eksperimenter med spredning af elektroner med nukleoner i meget store vinkler. Disse eksperimenter (1968), der minder om Rutherfords klassiske eksperimenter med spredning af alfapartikler på atomer, afslørede tilstedeværelsen af ​​ladede punktformationer inde i nukleonen. Sammenligning af data fra disse eksperimenter med lignende data om neutrinospredning på nukleoner (1973-75) gjorde det muligt for os at konkludere, at gennemsnit kvadratet af den elektriske ladning af disse punktformationer. Resultatet viste sig at være overraskende tæt på værdien 1/2 [(2/3). e) 2 +(1 / 3 e) 2]. Studiet af processen med hadronproduktion under udslettelse af en elektron og en positron, som angiveligt går gennem sekvensen af ​​processer: ® hadroner, indikerede tilstedeværelsen af ​​to grupper af hadroner genetisk forbundet med hver af de resulterende kvarker, og gjorde det muligt at bestemme kvarkernes spin. Det viste sig at være lig med 1/2. Det samlede antal hadroner født i denne proces indikerer også, at kvarker af tre varianter optræder i den mellemliggende tilstand, dvs. kvarker er trefarvede.

Kvantetal af kvarker, indført på baggrund af teoretiske overvejelser, er således blevet bekræftet i en række eksperimenter. Kvarker erhverver gradvist status som nye elektronpartikler.Hvis yderligere forskning bekræfter denne konklusion, så er kvarker seriøse udfordrer til rollen som ægte elektronpartikler for den hadroniske form af stof. Op til længder ~ 10 -15 cm kvarker fungerer som strukturløse punktformationer. Antallet af kendte typer kvarker er lille. I fremtiden kan det selvfølgelig ændre sig: man kan ikke garantere, at der ved højere energier ikke vil blive opdaget hadroner med nye kvantetal, på grund af deres eksistens på grund af nye typer kvarker. Opdagelse Y-mesons bekræfter dette synspunkt. Men det er meget muligt, at stigningen i antallet af kvarker vil være lille, hvilket generelle principper lægge restriktioner på fulde antal kvarker, selvom disse grænser endnu ikke er kendt. Kvarkernes strukturløshed afspejler måske også kun det opnåede niveau af forskning i disse materielle formationer. En række specifikke træk ved kvarker giver dog en vis grund til at antage, at kvarker er partikler, der fuldender kæden af ​​strukturelle bestanddele af stof.

Quarks adskiller sig fra alle andre elektronpartikler ved, at de endnu ikke er blevet observeret i en fri tilstand, selvom der er beviser for deres eksistens i en bundet tilstand. En af grundene til den manglende observation af kvarker kan være deres meget store masse, som forhindrer deres produktion ved energien fra moderne acceleratorer. Det er dog muligt, at kvarker grundlæggende, på grund af den specifikke karakter af deres interaktion, ikke kan være i en fri tilstand. Der er teoretiske og eksperimentelle argumenter for, at de kræfter, der virker mellem kvarker, ikke svækkes med afstanden. Det betyder, at der kræves uendeligt mere energi for at adskille kvarker fra hinanden, ellers er fremkomsten af ​​kvarker i en fri tilstand umulig. Den manglende evne til at isolere kvarker i en fri tilstand gør dem til en helt ny type strukturelle enheder af stof. Det er f.eks. uklart, om det er muligt at rejse spørgsmålet om komponenter kvarker, hvis kvarkerne selv ikke kan observeres i fri tilstand. Det er muligt, at under disse forhold manifesterer dele af kvarkerne sig slet ikke fysisk, og derfor fungerer kvarkerne som det sidste stadie i fragmenteringen af ​​hadronisk stof.

Elementærpartikler og kvantefeltteori.

For at beskrive elektronpartiklernes egenskaber og vekselvirkninger i moderne teori er begrebet fysik væsentligt. felt, som er tildelt hver partikel. Et felt er en bestemt form for stof; det er beskrevet af en funktion specificeret på alle punkter ( x)rum-tid og besidder visse transformationsegenskaber i forhold til transformationer af Lorentz-gruppen (scalar, spinor, vektor, etc.) og grupper af "interne" symmetrier (isotop scalar, isotop spinor, etc.). Et elektromagnetisk felt med egenskaberne firedimensionel vektor Og m (x) (m = 1, 2, 3, 4) er historisk set det første eksempel på et fysisk felt. Felter knyttet til E. h. har kvante natur, dvs. deres energi og momentum er sammensat af mange dele. portioner - kvanter, og energien Ek og kvantets bevægelsesmængde p k er forbundet med relationen mellem den specielle relativitetsteori: Ek 2 = p k 2 c 2 + m 2 c 2 . Hvert sådant kvante er en elektronpartikel med en given energi Ek , momentum p k og masse m. Kvanterne af det elektromagnetiske felt er fotoner, kvanterne af andre felter svarer til alle andre kendte elektronpartikler. Feltet er derfor en fysisk afspejling af eksistensen af ​​en uendelig samling af partikler - kvanter. Særlig matematiske apparater Kvantefeltteorien giver os mulighed for at beskrive fødslen og ødelæggelsen af ​​en partikel ved hvert punkt x.

Feltets transformationsegenskaber bestemmer alle kvanteantal af E. partikler Transformationsegenskaberne i forhold til rum-tid transformationer (Lorentz-gruppen) bestemmer partiklernes spin. Således svarer en skalar til spin 0, en spinor - spin 1/2, en vektor - spin 1 osv. Eksistensen af ​​sådanne kvantetal som L, B, 1, Y, Ch og for kvarker og gluoner "farve" følger fra felters transformationsegenskaber i forhold til transformationer af "indre rum" ("ladningsrum", "isotoprum", "enhedsrum" osv.). Eksistensen af ​​"farve" i kvarker, især, er forbundet med et særligt "farvet" enhedsrum. Indførelsen af ​​"indre rum" i det teoretiske apparat er stadig en rent formel anordning, som dog kan tjene som en indikation på, at dimensionen af ​​fysisk rum-tid, afspejlet i E. Ch.'s egenskaber, faktisk er større end fire - dimensionen af ​​rum-tid karakteristisk for alle makroskopiske fysiske processer. En elektrons masse er ikke direkte relateret til felters transformationsegenskaber; dette er deres yderligere egenskab.

For at beskrive de processer, der sker med elektronpartikler, er det nødvendigt at vide, hvordan forskellige fysiske felter er relateret til hinanden, det vil sige at kende felternes dynamik. I moderne apparat I kvantefeltteori er information om felters dynamik indeholdt i en særlig mængde udtrykt gennem felter - den lagrangiske (mere præcist den lagrangske tæthed) L. Kendskab til L gør det i princippet muligt at beregne sandsynligheden for overgange fra ét sæt af partikler til en anden under påvirkning af forskellige interaktioner. Disse sandsynligheder er givet af den såkaldte. spredningsmatrix (W. Heisenberg, 1943), udtrykt i termer af L. Det lagrangske L består af det lagrangske L in, som beskriver frie felters adfærd, og samspillet Lagrangian L in, konstrueret ud fra felterne forskellige partikler og afspejler muligheden for deres gensidige transformationer. Kendskab til Lz er afgørende for beskrivelse af processer med E. h.

Formen af ​​L3 er entydigt bestemt af transformationsegenskaberne for felterne i den relative Lorentz-gruppe og kravet om invarians med hensyn til denne gruppe (relativistisk invarians). I lang tid var kriterierne for at finde L3 (med undtagelse af elektromagnetiske vekselvirkninger) imidlertid ikke kendt, og information om vekselvirkningen mellem elektromagnetiske partikler opnået fra eksperimentet tillod i de fleste tilfælde ikke et pålideligt valg mellem forskellige muligheder. Under disse forhold bred brug modtaget en fænomenologisk tilgang til beskrivelsen af ​​interaktioner, baseret enten på valget af de enkleste former for L ins, der fører til observerbare processer, eller på den direkte undersøgelse af de karakteristiske egenskaber af elementerne i spredningsmatrixen. Langs denne vej er der opnået betydelig succes med at beskrive processer med elektronpartikler for forskellige udvalgte energiregioner. Imidlertid blev mange parametre i teorien lånt fra eksperimentet, og selve tilgangen kunne ikke hævde universalitet.

I perioden 50-70'erne. Der er gjort betydelige fremskridt med at forstå strukturen af ​​L3, hvilket har gjort det muligt at forfine dens form betydeligt til stærke og svage interaktioner. Afgørende rolle Dette fremskridt blev lettet af afklaringen af ​​den tætte forbindelse mellem symmetriegenskaberne af elektronpartiklernes interaktioner og formen af ​​Lv.

Symmetrien af ​​elektronpartiklernes interaktioner afspejles i eksistensen af ​​love om bevarelse af visse fysiske mængder og følgelig i bevarelsen af ​​kvanteantal af elektronpartikler forbundet med dem (se konserveringslove). Nøjagtig symmetri, som forekommer for alle klasser af interaktioner, svarer til tilstedeværelsen af ​​nøjagtige kvantetal i elektroner; tilnærmet symmetri, kun karakteristisk for visse klasser af interaktioner (stærke, elektromagnetiske), fører til unøjagtige kvantetal. Forskellen mellem klasser af interaktioner nævnt ovenfor i forhold til bevarelsen af ​​kvanteantal af elektroner afspejler forskelle i egenskaberne af deres symmetri.

Kendt form L op el. m. for elektromagnetiske interaktioner er en konsekvens af eksistensen af ​​en åbenlys symmetri af det lagrangske L med hensyn til multiplikationen af ​​de komplekse felter j af ladede partikler inkluderet i den i kombinationer af typen j*j (her * betyder kompleks konjugation) vha. faktoren e ia, hvor a er et vilkårligt reelt tal. Denne symmetri giver på den ene side anledning til loven om bevarelse af elektrisk ladning, på den anden side, hvis vi kræver opfyldelsen af ​​symmetri under den betingelse, at a vilkårligt afhænger af punktet x i rum-tid, fører det utvetydigt til interaktionens Lagrangian:

L op el. m. = j m el. m. (x) A m (x) (1)

hvor j m el. m. - firedimensionel elektromagnetisk strøm (se Elektromagnetiske interaktioner). Som det viser sig, har dette resultat generel betydning. I alle tilfælde, hvor interaktionerne udviser "indre" symmetri, dvs. Lagrangian er invariant under transformationer af det "indre rum", og de tilsvarende kvantetal opstår i E. tal, bør det kræves, at invarians finder sted for enhver afhængighed af transformationsparametre på punktet x (såkaldt lokal gauge-invarians; Yang Zhen-ning, amerikansk fysiker R. Mills, 1954). Fysisk skyldes dette krav, at interaktion ikke øjeblikkeligt kan overføres fra punkt til punkt. Denne betingelse er opfyldt, når der blandt felterne inkluderet i Lagrangian er vektorfelter (analoger af Am (x)), som ændrer sig under transformationer af "indre" symmetri og interagerer med partiklernes felter på en meget specifik måde, nemlig:

L in = å r=1 n j m r (x) V m r (x), (2)

hvor j m r (x) er strømme sammensat af partikelfelter, V m r (x) er vektorfelter, ofte kaldet målefelter. Således fikserer kravet om lokalitet af "intern" symmetri formen af ​​L og identificerer vektorfelter som universelle bærere af interaktioner. Egenskaberne for vektorfelter og deres antal "n" bestemmes af egenskaberne for den "interne" symmetrigruppe. Hvis symmetrien er nøjagtig, så er massen af ​​feltkvanten V m r lig med 0. For omtrentlig symmetri er kvantets masse vektor felt er forskellig fra nul. Typen af ​​strøm j m r bestemmes af felterne af partikler med ikke-nul kvantetal forbundet med den "interne" symmetrigruppe.

Baseret på principperne skitseret ovenfor viste det sig at være muligt at nærme sig spørgsmålet om interaktionen mellem kvarker i en nukleon. Eksperimenter med spredning af neutrinoer og antineutrinoer af nukleoner har vist, at nukleonens momentum kun delvist (ca. 50%) overføres af kvarker, og resten af ​​det overføres af en anden type stof, der ikke interagerer med neutrinoer. Formentlig består denne del af stof af partikler, der udveksles mellem kvarker, og på grund af hvilke de fastholdes i nukleonet. Disse partikler kaldes "gluoner" (fra det engelske lim - lim). Fra ovenstående synspunkt om interaktioner er det naturligt at betragte disse partikler som vektorpartikler. I moderne teori er deres eksistens forbundet med symmetri, som bestemmer udseendet af "farve" i kvarker. Hvis denne symmetri er nøjagtig (farve SU (3) symmetri), så er gluoner masseløse partikler, og deres antal er otte (amerikansk fysiker I. Nambu, 1966). Interaktionen af ​​kvarker med gluoner er givet ved L vz med struktur (2), hvor strømmen j m r er sammensat af kvarkfelter. Der er også grund til at antage, at vekselvirkningen mellem kvarker, forårsaget af udveksling af masseløse gluoner, fører til kræfter mellem kvarker, der ikke aftager med afstanden, men dette er ikke blevet strengt bevist.

I princippet kunne viden om interaktionen mellem kvarker være grundlaget for at beskrive alle hadroners interaktion med hinanden, altså alle stærke interaktioner. Denne retning i hadron-fysikken udvikler sig hurtigt.

Brugen af ​​princippet om symmetriens bestemmende rolle (herunder omtrentlig) i dannelsen af ​​interaktionsstrukturen gjorde det også muligt at gå videre i forståelsen af ​​Lagrangianernes natur af svage interaktioner. Samtidig en dyb samtaleanlæg svage og elektromagnetiske interaktioner. I denne tilgang betragtes tilstedeværelsen af ​​par af leptoner med samme leptonladning: e - , v e og m - , v m , men med forskellige masser og elektriske ladninger ikke som tilfældig, men som afspejler eksistensen af ​​brudt symmetri af den isotoniske type (gruppe SU (2)). Anvendelse af lokalitetsprincippet på denne "interne" symmetri fører til den karakteristiske Lagrangian (2), hvor termer, der er ansvarlige for elektromagnetiske og svage vekselvirkninger, opstår samtidigt (den amerikanske fysiker S. Weinberg, 1967; A. Salam, 1968):

L luft = j m el. m. + A m + j m sl. h. W m + + j m sl. h. W m - + j m sl. n. Z m 0 (3)

Her j m sl. h. , j m sl. n. - ladede og neutrale strømme af svage vekselvirkninger, bygget fra felterne af leptoner, W m +, W m -, Z m 0 - felter af massive (på grund af symmetribrud) vektorpartikler, som i dette skema er bærere af svage vekselvirkninger ( de såkaldte mellembosoner), A m - fotonfelt. Ideen om eksistensen af ​​en ladet mellemboson blev fremsat for længe siden (H. Yukawa, 1935). Det er dog vigtigt, at i denne model af en forenet teori om elektronmagnetiske og svage interaktioner optræder en ladet mellemboson på lige fod med en foton og en neutral mellemboson. Processer med svage interaktioner forårsaget af neutrale strømme blev opdaget i 1973, hvilket bekræfter rigtigheden af ​​den netop skitserede tilgang til formuleringen af ​​dynamikken i svage interaktioner. Andre muligheder for at skrive Lagrangian L med et stort antal neutrale og ladede mellembosoner er også mulige; Eksperimentelle data er endnu ikke tilstrækkelige til det endelige valg af Lagrangian.

Mellembosoner er endnu ikke blevet opdaget eksperimentelt. Ud fra de tilgængelige data er masserne W ± og Z 0 for Weinberg-Salam-modellen estimeret til at være ca. 60 og 80 GeV.

De elektromagnetiske og svage vekselvirkninger af kvarker kan beskrives inden for en model svarende til Weinberg-Salam-modellen. Overvejelse af elektromagnetiske og svage hadron-interaktioner på dette grundlag giver god overensstemmelse med de observerede data. Et almindeligt problem ved at konstruere sådanne modeller er det stadig ukendte samlede antal kvarker og leptoner, som ikke tillader at bestemme typen af ​​initial symmetri og arten af ​​dens krænkelse. Derfor er yderligere eksperimentelle undersøgelser meget vigtige.

Den enkelte oprindelse for elektromagnetiske og svage interaktioner betyder, at den svage interaktionskonstant i teorien forsvinder som en selvstændig parameter. Den eneste konstant forbliver den elektriske ladning e. Undertrykkelsen af ​​svage processer ved lave energier forklares ved stor masse mellembosoner. Ved energier i massecentersystemet, der kan sammenlignes med masserne af mellembosoner, bør virkningerne af elektromagnetiske og svage vekselvirkninger være af samme størrelsesorden. Sidstnævnte vil dog adskille sig ved ikke-bevaring af en række kvantetal (P, Y, Ch osv.).

Der er forsøg på at overveje på et samlet grundlag ikke kun elektromagnetiske og svage interaktioner, men også stærke interaktioner. Udgangspunktet for sådanne forsøg er antagelsen om den samme karakter af alle typer af interaktioner af elektronpartikler (uden gravitationsinteraktion). De observerede stærke forskelle mellem interaktioner anses for at skyldes signifikant symmetribrud. Disse forsøg er endnu ikke udviklet tilstrækkeligt og står over for alvorlige vanskeligheder, især med at forklare forskellene i egenskaberne af kvarker og leptoner.

Udviklingen af ​​en metode til at opnå interaktionen Lagrangian baseret på brugen af ​​symmetriegenskaber var vigtigt skridt på vejen, der fører til den dynamiske teori om E. Ch. Der er al mulig grund til at tro, at målefeltteorier vil være væsentlige konstituerende element yderligere teoretiske konstruktioner.

Konklusion

Nogle generelle problemer i teorien om elementarpartikler. Den seneste udvikling af elektronpartiklernes fysik adskiller tydeligt fra alle elektronpartikler en gruppe partikler, der væsentligt bestemmer detaljerne i mikroverdenens processer. Disse partikler er mulige kandidater til rollen som ægte elektronpartikler. Disse omfatter: partikler med spin 1/2 - leptoner og kvarker, samt partikler med spin 1 - gluoner, fotoner, massive mellembosoner, som udfører forskellige typer interaktioner af partikler med spin 12 . Denne gruppe bør højst sandsynligt også omfatte en partikel med spin 2 - gravitonen; kvante gravitationsfelt, der forbinder alle E. h. I denne ordning kræver mange spørgsmål dog yderligere forskning. Det vides ikke, hvad det samlede antal af leptoner, kvarker og forskellige vektorpartikler (med J = 1) er, og om der er fysiske principper, der bestemmer dette antal. Årsagerne til opdelingen af ​​partikler med spin 1/2 i 2 er uklare forskellige grupper: leptoner og kvarker. Oprindelsen af ​​de interne kvantetal af leptoner og kvarker (L, B, 1, Y, Ch) og sådanne karakteristika for kvarker og gluoner som "farve" er uklar. Hvilke frihedsgrader er forbundet med interne kvantetal? Kun sådanne karakteristika ved en elektronpartikel som J og P er forbundet med almindelig firedimensional rumtid Hvilken mekanisme bestemmer masserne af en ægte elektronpartikel? Hvad er årsagen til tilstedeværelsen af ​​forskellige klasser af interaktioner i elektroner med forskellige symmetriegenskaber? Disse og andre spørgsmål vil skulle løses af den fremtidige teori om E. ch.

Beskrivelsen af ​​interaktionerne mellem elektronpartikler er som nævnt forbundet med målefeltteorier. Disse teorier har et udviklet matematisk apparat, der tillader beregninger af processer med elektronpartikler (i hvert fald i princippet) på samme rigorniveau som i kvanteelektrodynamik. Men i deres nuværende form har målefeltteorier én alvorlig ulempe, der er fælles med kvanteelektrodynamik - i dem, under beregningsprocessen, opstår meningsløse uendeligt store udtryk. Ved at bruge en speciel teknik til at omdefinere observerbare mængder (masse og ladning) - renormalisering - er det muligt at eliminere uendeligheder fra de endelige resultater af beregninger. I den mest velundersøgte elektrodynamik påvirker dette endnu ikke overensstemmelsen mellem teoretiske forudsigelser og eksperimenter. Renormaliseringsproceduren er dog en rent formel bypass af den vanskelighed, der eksisterer i det teoretiske apparat, som på et eller andet niveau af nøjagtighed burde påvirke graden af ​​overensstemmelse mellem beregninger og målinger.

Forekomsten af ​​uendeligheder i beregninger skyldes, at i lagrangianerne af interaktioner refereres felterne af forskellige partikler til ét punkt x, dvs. det antages, at partiklerne er punktlignende, og den firedimensionelle rumtid forbliver flad ned til de mindste afstande. I virkeligheden er disse antagelser tilsyneladende ukorrekte af flere grunde: a) sande E.-elementer er højst sandsynligt materielle objekter af begrænset udstrækning; b) egenskaberne for rum-tid i det lille (på skalaen bestemt af den såkaldte fundamentale længde) er højst sandsynligt radikalt forskellige fra dets makroskopiske egenskaber; c) ved de mindste afstande (~ 10 -33 cm) påvirker en ændring i rumtidens geometriske egenskaber på grund af tyngdekraften. Måske hænger disse grunde tæt sammen. Det er således at tage hensyn til tyngdekraften, der mest naturligt fører til størrelsen af ​​en ægte E. partikel af størrelsesordenen 10 -33 cm, og fundamentet, længde l 0 kan forbindes med gravitationskonstanten f: "10 -33 cm Enhver af disse grunde bør føre til en ændring af teorien og eliminering af uendeligheder, selvom praktisk implementering Denne ændring kan være ret kompleks.

Det virker meget interessant at tage hensyn til tyngdekraftens indflydelse på korte afstande. Gravitationsinteraktion kan ikke kun eliminere divergenser i kvantefeltteori, men også bestemme selve eksistensen af ​​primært stof (M. A. Markov, 1966). Hvis tætheden af ​​et ægte E.H.-stof er tilstrækkelig stor, kan gravitationstiltrækning være den faktor, der bestemmer den stabile eksistens af disse materialeformationer. Dimensionerne af sådanne formationer bør være ~10 -33 cm I de fleste eksperimenter vil de opføre sig som punktobjekter, deres tyngdekraftsinteraktion vil være ubetydelig og vil kun optræde ved de mindste afstande, i det område, hvor rummets geometri ændrer sig væsentligt.

Den nye tendens til samtidig overvejelse af forskellige klasser af interaktioner af E. ch. bør således højst sandsynligt afsluttes logisk ved at inkludere almindelig ordning gravitationsinteraktion. Det er på grundlag af samtidig overvejelse af alle typer af interaktioner, at det er mest sandsynligt at forvente skabelsen af ​​en fremtidig teori om elektronpartikler.

Bibliografi

1) Markov M.A. Om materiens natur. M., 1976

2) Gaziorovich S. Elementarpartiklers fysik, trans. fra engelsk, M. 1969

3) Kokkede Ya., Theory of Quarks, trans. fra engelsk, M., 1971

4) I., Ioffe B. L., Okun L. B., Nye elementære partikler, "Advances fysiske videnskaber", 1975, t. 117, v. 2, s. 227

5) Bogolyubov N.N., Shirkov D.V., Introduktion til teorien om kvantiserede felter, 3. udgave, M., 1976;

6) Nyheder grundlæggende fysik, trans. fra engelsk, M., 1977, s. 120-240 .

ELEMENTEREDE Partikler, V i snæver forstand- partikler, der ikke kan anses for at bestå af andre partikler. I moderne I fysik bruges udtrykket "elementarpartikler" i bredere forstand: de såkaldte. de mindste partikler af stof, forudsat at de ikke er og (undtagelsen er); Nogle gange kaldes elementarpartikler af denne grund subnukleære partikler. Mest af Sådanne partikler (og mere end 350 af dem er kendte) er sammensatte systemer.
E elementarpartikler deltager i elektromagnetiske, svage, stærke og gravitationelle interaktioner. På grund af de små masser af elementarpartikler, deres gravitationsinteraktion. normalt ikke taget i betragtning. Alle elementarpartikler er opdelt i tre hovedpartikler. grupper. Den første består af den såkaldte. Bosoner er bærere af den elektrosvage interaktion. Dette inkluderer en foton eller et kvantetal af elektromagnetisk stråling. En fotons hvilemasse er nul, derfor repræsenterer udbredelseshastigheden af ​​elektromagnetiske bølger (inklusive lysbølger) den maksimale udbredelseshastighed af fysisk. effekt og er en af ​​fondene. fysisk permanent; det accepteres, at c = (299792458 1,2) m/s.
Den anden gruppe af elementære partikler er leptoner, der deltager i elektromagnetiske og svage interaktioner. Der er 6 kendte leptoner: , elektron, myon, tung lepton og den tilsvarende. (symbol e) anses for at være materialet med den mindste masse i naturen m c, lig med 9,1 x 10 -28 g (i energienheder 0,511 MeV) og den mindste negative. elektrisk ladning e = 1,6 x 10 -19 C. (symbol) - partikler med en masse på ca. 207 masse (105,7 MeV) og elektrisk. oplade, lig med afgiften; En tung lepton har en masse på ca. 1,8 GeV. De tre typer, der svarer til disse partikler, er elektron (symbol v c), myon (symbol) og neutrino (symbol) - lette (evt. masseløse) elektrisk neutrale partikler.
Alle leptoner har (-), dvs. statistisk. St. du er fermioner (se).
Hver af leptonerne svarer til , som har de samme masseværdier og andre egenskaber, men adskiller sig i elektriske tegn. oplade. Der er (symbol e +) - i forhold til positivt ladede (symbol) og tre typer antineutrinoer (symbol), som tilskrives modsat fortegn særligt kvantenummer, kaldet leptonladning (se nedenfor).
Den tredje gruppe af elementarpartikler er hadroner, de deltager i stærke, svage og elektromagnetiske interaktioner. Hadroner er "tunge" partikler med en masse, der er væsentligt større end . Dette er det mest en stor gruppe af elementarpartikler. Hadroner er opdelt i baryoner - partikler med mesoner - partikler med et heltal (O eller 1); samt den såkaldte resonanser er kortlivede hadroner. Baryoner omfatter (symbol p) - en kerne med en masse ~ 1836 gange større end m s og lig med 1,672648 x 10 -24 g (938,3 MeV), og put. elektrisk ladning lig med ladningen, og også (symbol n) - en elektrisk neutral partikel, hvis masse lidt overstiger massen. Fra og alt er bygget, nemlig et stærkt samspil. bestemmer forbindelsen af ​​disse partikler med hinanden. I stærk interaktion og har de samme egenskaber og betragtes som to af en partikel - nukleoner med isotop. (se nedenunder). Baryoner omfatter også hyperoner - elementarpartikler med en masse større end nukleonet: et hyperon har en masse på 1116 MeV, et hyperon har en masse på 1190 MeV, et hyperon har en masse på 1320 MeV, og et hyperon har en masse på 1670 MeV. Mesoner har masser mellem masserne og (-meson, K-meson). Der er neutrale og ladede mesoner (med positiv og negativ elementær elektrisk ladning). Alle mesoner har deres egne karakteristika. St. du hører til bosoner.

Grundlæggende egenskaber ved elementarpartikler. Hver elementær partikel er beskrevet af et sæt af diskrete fysiske værdier. mængder (kvantetal). Generelle karakteristika for alle elementære partikler - masse, levetid, elektricitet. oplade.
Afhængigt af deres levetid opdeles elementarpartikler i stabile, kvasistabile og ustabile (resonanser). Stabile (inden for nøjagtigheden af ​​moderne målinger) er: (levetid mere end 5 -10 21 år), (mere end 10 31 år), foton og . Kvasistabile partikler omfatter partikler, der henfalder på grund af elektromagnetiske og svage interaktioner; deres levetid er mere end 10-20 s. Resonanser henfalder på grund af stærke interaktioner, deres karakteristiske levetid er 10 -22 -10 -24 s.
De indre karakteristika (kvantetal) af elementarpartikler er lepton (symbol L) og baryon (symbol B) ladninger; disse tal anses for at være strengt bevarede mængder for alle typer fonde. interaktion For leptonik og deres L har modsatte fortegn; for baryoner B = 1, for de tilsvarende B = -1.
Hadroner er karakteriseret ved tilstedeværelsen af ​​specielle kvantenumre: "mærkelighed", "charme", "skønhed". Almindelige (ikke-mærkelige) hadroner er ,-mesoner. Inden for forskellige grupper af hadroner er der familier af partikler, der er ens i masse og med lignende egenskaber med hensyn til den stærke interaktion, men med forskellige egenskaber. elektriske værdier oplade; det enkleste eksempel er protonen og . Det samlede kvantetal for sådanne elementarpartikler er det såkaldte. isotopisk , der ligesom almindelig , accepterer heltals- og halvheltalsværdier. TIL særlige egenskaber hadroner inkluderer også intern paritet, som tager værdierne 1.
En vigtig egenskab ved elementarpartikler er deres evne til at gennemgå gensidige transformationer som følge af elektromagnetiske eller andre interaktioner. En af typerne af gensidige transformationer er den såkaldte. fødsel eller dannelse på samme tid af en partikel og (i det generelle tilfælde - dannelsen af ​​elementære partikler med modsatte leptoniske eller baryonladninger). Mulige processer omfatter fødslen af ​​elektron-positron e - e +, nye tunge muonpartikler i kollisioner af leptoner og dannelsen af ​​cc- og bb-tilstande fra kvarker (se nedenfor). En anden type interkonvertering af elementarpartikler er udslettelse under partikelkollisioner med dannelsen af ​​et begrænset antal fotoner (kvanter). Typisk produceres 2 fotoner, når totalen af ​​kolliderende partikler er nul, og 3 fotoner produceres, når totalen er lig med 1 (en manifestation af loven om bevarelse af ladningsparitet).
Under visse forhold, især ved en lav hastighed af kolliderende partikler, dannelsen af ​​et koblet system - e - e + og Disse ustabile systemer kaldes ofte. , deres levetid i stoffet afhænger i høj grad af stoffets egenskaber, hvilket gør det muligt at bruge kondensator til at studere strukturen. stoffer og kinetik af hurtige kemikalier. distrikter (se,).

Quark model af hadroner. En detaljeret undersøgelse af kvanteantallet af hadroner med henblik på dem tillod os at konkludere, at mærkelige hadroner og almindelige hadroner sammen danner associationer af partikler med tætte egenskaber, kaldet unitære multipletter. Antallet af partikler inkluderet i dem er 8 (oktet) og 10 (decuplet). De partikler, der er en del af en enhedsmultiplet, har samme indre paritet, men afviger i elektriske værdier. ladning (partikler af den isotopiske multiplet) og mærkelighed. Egenskaberne forbundet med enhedsgrupper, deres opdagelse var grundlaget for konklusionen om eksistensen af ​​særlige strukturelle enheder, hvorfra hadroner og kvarker er konstrueret. Det menes, at hadroner er kombinationer af 3 fundamentale elementer. partikler med 1/2: up-quarks, d-quarks og s-quarks. Således består mesoner af en kvark og en antikvark, baryoner består af 3 kvarker.
Antagelsen om, at hadroner er sammensat af 3 kvarker, blev lavet i 1964 (J. Zweig og, uafhængigt, M. Gell-Mann). Efterfølgende blev yderligere to kvarker inkluderet i modellen for strukturen af ​​​​hadroner (især for at undgå modsætninger med ) - "charmed" (c) og "smuk" (b), og også særlige karakteristika for kvarker blev introduceret - "smag" og "farve". Kvarker, der fungerer som bestanddele af hadroner, er ikke blevet observeret i en fri tilstand. Al mangfoldigheden af ​​hadroner skyldes forskellige faktorer. kombinationer af og-, d-, s-, c- og b-kvarker, der danner forbundne tilstande. Almindelige hadroner ( , -mesoner) svarer til forbundne tilstande bygget af op- og d-kvarker. Tilstedeværelsen i en hadron, sammen med op- og d-kvarker, af én s-, c- eller b-kvark betyder, at den tilsvarende hadron er "mærkelig", "charmeret" eller "smuk".
Kvarkmodellen af ​​strukturen af ​​hadroner blev bekræftet som et resultat af eksperimenter udført til sidst. 60'erne - tidligt
70'erne 20. århundrede Quarks begyndte faktisk at blive betragtet som nye elementarpartikler - virkelig elementarpartikler for den hadroniske form for stof. Uobserverbarheden af ​​frie kvarker er tilsyneladende af fundamental karakter og antyder, at de er de elementære partikler, der lukker kæden af ​​kroppens strukturelle komponenter. Der er teoretiske og eksperimentere. argumenter for, at de kræfter, der virker mellem kvarker, ikke svækkes med afstanden, dvs. for at adskille kvarker fra hinanden kræves der en uendelig stor mængde energi, eller med andre ord, fremkomsten af ​​kvarker i en fri tilstand er umulig . Dette gør dem til en helt ny type strukturelle enheder på øen. Det er muligt, at kvarker fungerer som det sidste stadie af materien.

Kort historisk information. Den første elementarpartikel, der blev opdaget, var - neg. elektrisk ladning i begge elektriske tegn. ladning (K. Anderson og S. Neddermeyer, 1936) og K-mesons (S. Powells gruppe, 1947; eksistensen af ​​sådanne partikler blev foreslået af H. Yukawa i 1935). I kon. 40'erne - tidligt 50'erne "mærkelige" partikler blev opdaget. De første partikler af denne gruppe - K + - og K - -mesoner, A-hyperoner - blev også registreret i rummet. stråler
Fra begyndelsen 50'erne acceleratorer er blevet de vigtigste elementært partikelforskningsværktøj. Antiprotonen (1955), antineutronen (1956), antihyperonen (1960) og i 1964 den tungeste blev opdaget W - hyperon. I 1960'erne Et stort antal ekstremt ustabile resonanser blev opdaget ved acceleratorer. I 1962 viste det sig, at der er to forskellige: elektron og muon. I 1974 blev der opdaget massive (3-4 protonmasser) og på samme tid relativt stabile (sammenlignet med almindelige resonanser) partikler, som viste sig at være nært beslægtet med en ny familie af elementarpartikler - "charmed", deres første repræsentanter blev opdaget i 1976 I 1975 blev en tung analog og leptonen opdaget i 1977 - partikler med en masse på omkring ti protonmasser, i 1981 - "smukke" partikler. I 1983 blev de tungeste kendte elementarpartikler opdaget - bosoner (masse 80 GeV) og Z° (91 GeV).
Gennem årene siden opdagelsen er der således blevet identificeret et stort antal forskellige mikropartikler. Elementarpartiklernes verden viste sig at være kompleks, og deres egenskaber var uventede i mange henseender.

Lit.: Kokkede Ya., Theory of Quarks, [overs. fra engelsk], M., 1971; Markov M. A., On the nature of matter, M., 1976; Okun L.B., Leptoner og kvarker, 2. udgave, M., 1990.

Elementære partikler- de mindste kendte partikler af fysisk stof, som til en vis grad kan betragtes som nogle "byggesten" af universet på det moderne niveau af viden om stof. I ordets snævre betydning kan elementarpartikler kaldes partikler, hvori indre struktur aldrig observeret. Disse omfatter for eksempel elektronen og fotonen. Langt de fleste elementarpartikler (mesoner, baryoner) har en indre struktur.

Historien om opdagelsen af ​​elementarpartikler tager et århundrede. I 20'erne XX århundrede teorien om elementarpartikler var ekstremt enkel. To partikler var kendt - elektronen og protonen, samt to typer vekselvirkninger - gravitationel og elektromagnetisk. På deres grundlag blev alle naturfænomener forklaret.

Der kan skelnes mellem to hovedstrømme af opdagelser af nye elementarpartikler. Den første opstår i 30'erne - 50'erne. 20. århundrede, hvor neutronen og positronen først og fremmest blev opdaget. En positron er en antipartikel i forhold til en elektron; det er ligesom en elektron på alle måder, men har en positiv snarere end negativ ladning. Når en elektron kolliderer med en positron, samt når enhver partikel kolliderer med dens tilsvarende antipartikel, kan deres udslettelse forekomme, dvs. gensidig ødelæggelse af partikler, ledsaget af fødslen af ​​nye mikropartikler og frigivelse af energi. En elektron, der interagerer med en positron, producerer således to fotoner.

Dernæst blev neutrinoer opdaget. Flere typer neutrinoer er nu kendt. I 1937 blev den første meson opdaget. Det har at gøre med nukleare interaktioner. I 1960 dækkede teorien 32 elementarpartikler, og hver ny partikel var forbundet med opdagelsen af ​​en fundamentalt ny cirkel fysiske fænomener. Den anden strøm af opdagelser af elementarpartikler fandt sted i 1960-1965. Ved udgangen af ​​denne periode oversteg antallet af partikler 200. Ved udgangen af ​​1990'erne. antallet af opdagede partikler og antipartikler nærmer sig 400.

Subatomære partiklers karakteristika er masse, elektrisk ladning, spin, levetid, magnetisk moment, rumlig paritet osv. Selve begrebet elementaritet har mistet sin betydning, da der ikke er noget elementaritetskriterium. Der er kun fire stabile (ikke-selv-disintegrerende) elementarpartikler*: elektron, proton, foton og alle typer neutrinoer. På basis af disse partikler er det umuligt at bygge alle de andre, der har evnen til spontant at gå i opløsning. Blandt sådanne partikler lever den frie neutron længst (17 minutter), og den neutrale π-meson lever kortest (10 -16 s). Et klassifikationsprincip baseret på forskelle i partikellevetider kunne imidlertid ikke etableres.

Et vigtigt klassificeringstræk ved mikroverdenobjekter er deres evne til at deltage i stærke interaktioner. Partikler, der deltager i stærke interaktioner kaldes hadroner, kaldes partikler, der deltager i svage interaktioner og ikke deltager i stærke leptoner. Derudover er der partikler - bærere af interaktioner.

Leptoner omfatter elektronen, muon, tau lepton, tre typer neutrinoer og deres tilsvarende antipartikler. Dermed, samlet antal leptoner er lig med tolv. Neutrinoer opdaget i 60'erne. XX århundrede, er de mest almindelige partikler i universet. Universet kan forestilles som et grænseløst neutrinohav, hvor øer i form af atomer af og til findes. Uden at deltage i hverken stærke eller elektromagnetiske vekselvirkninger trænger de gennem stoffet, som om det slet ikke var der. Derfor er det meget svært at studere dem. Myonen er en af ​​de første kendte ustabile subatomære partikler, opdaget i 1936. På alle måder ligner den en elektron: den har samme ladning og spin, deltager i de samme interaktioner, men har en større masse og er ustabil (i ca. milliontedele af et sekund henfalder den til en elektron og to neutrinoer). Tau lepton er også en ladet partikel. Det blev åbnet i 70'erne. XX århundrede og har en meget stor masse - 3500 elektronmasser.

Antallet af hadroner er flere hundrede; alle, med undtagelse af neutronen og protonen, er kortlivede og henfalder hurtigt. Hadronernes ustabilitet og deres store mangfoldighed indikerer, at de ikke er elementære objekter, men er bygget af mindre partikler - kvarker. De fleste hadroner blev opdaget i 50'erne og 60'erne. XX århundrede Hadroner deltager i stærke, svage og elektromagnetiske interaktioner.

Hvis leptoner og hadroner er stoffets byggesten, så er der også partikler, der giver fire vekselvirkninger, som er en slags "lim", der forhindrer verden i at falde fra hinanden. Bærerne af elektromagnetisk vekselvirkning er fotoner, stærke vekselvirkninger er gluoner (bindende kvarker inde i en proton), svage vekselvirkninger er W +, W -, Z º -bosoner (kendetegnet ved en stor hvilemasse og kort varighed liv - kun 10 -26 s). Der udtrykkes en mening om eksistensen af ​​en bærer af gravitationsfeltet - gravitoner. Ifølge videnskabsmænds beregninger skulle de ligesom fotoner have nul hvilemasse og bevæge sig med lysets hastighed. Men hvis en foton har et spin på 1 og under elektromagnetisk interaktion frastøder lignende ladede partikler, så har gravitonen et spin på 2. Dette gør det muligt for alle partikler at blive tiltrukket af hinanden. Da tyngdekraftens vekselvirkning er meget svag, har det endnu ikke været muligt direkte at påvise tyngdetoner i forsøg.

I øjeblikket er der opdaget såkaldte antipartikler, der har en ladning modsat partikler (positron, antiproton osv.). Således blev positroner i 1932 opdaget i kosmiske stråler*. Antiprotoner, produceret i kollisioner med kobbermålkerner, blev opdaget i 1955 ved en ny accelerator i Berkeley. I 1956 blev antineutronen opdaget. Hvis en elektron fra en positron og en proton fra en antiproton adskiller sig først og fremmest i ladningens tegn, hvordan adskiller en neutron og en antineutron så? En neutron har ingen elektrisk ladning, men har et magnetfelt forbundet med sig. Årsagen til dette er ikke helt klar, selvom det er blevet fastslået, at en neutrons magnetiske felt er orienteret i én retning, og magnetfeltet i en antineutron er orienteret i den modsatte retning.

Ud over forskelle i ladning har antipartikler andre grundlæggende egenskaber sammenlignet med partikler. Under overgangen fra verden til anti-verden skifter "højre" og "venstre" således plads; tiden i anti-verdenen flyder fra fremtiden til fortiden, og ikke fra fortiden til fremtiden, som i verden. I modsætning til partikler, som er byggestenene i vores verden, er antipartikler blot gæster, der dukker op et øjeblik i denne verden. Når antipartikler møder partikler, sker der en eksplosion, som et resultat af, at de gensidigt ødelægges, hvilket frigiver en enorm mængde energi. Baseret på adskillige observationer af antipartikler og studere deres adfærd i vores verden, er nogle forskere kommet til ideen om eksistensen af ​​en hel antiverden, som ligner vores verden og eksisterer sammen med den, men adskiller sig i det modsatte tegn til den. .

En af de førende udviklere af denne teori var den estiske akademiker G. Naan. Dens hovedpointe er den holdning, at begge halvdele af universet - verden og antiverden - i sidste ende opstår fra et absolut vakuum. Han skrev: "Udtalelsen om muligheden for at opstå fra ingenting (tomhed, vakuum) med streng overholdelse af bevaringslovene burde virke ekstremt paradoksalt. Meningen med fredningslove er jo, at intet kommer af ingenting, intet kan give anledning til noget. Den her udviklede hypotese udfordrer på ingen måde denne holdning. Intet kan virkelig føde (kun) noget, men det føder noget mere – noget og anti-noget på samme tid! Den her foreslåede hypotese er i sidste ende baseret på det elementære faktum, at ligheden (-1)+(+1)=0 kan læses omvendt, fra højre mod venstre: 0=(-1)+(+1). Den sidste lighed udtrykker ikke kun kosmologi, men også kosmogoni. Original" byggemateriale Universet" er tomhed, vakuum. I gennemsnit består det totale symmetriske univers af intet andet end tomhed. Derfor kan det opstå fra tomhed med nøje overholdelse af alle fredningslove." "Alle rum-tidsintervaller og koordinater er identisk lig med nul. Et symmetrisk univers er sådan, at det i gennemsnit ikke indeholder noget, ikke engang rum og tid." Ved at bruge eksemplet med G. Nahans teori er universaliteten af ​​symmetriprincippet, som vil blive diskuteret i næste afsnit, tydeligt synligt.

Hvor kommer elementarpartikler og antipartikler fra i vores univers? Forskere foreslår det fra et fysisk vakuum. Det fysiske vakuum er slet ikke "absolut ingenting", men et reelt fysiske system for eksempel et elektromagnetisk felt i en af ​​dets tilstande. Desuden kan alle andre felttilstande og elementarpartikler ifølge kvantefeltteorien opnås fra vakuumtilstanden. Fysik beskæftiger sig med visse typer og materiens tilstande, og ikke med materien som sådan. Ligeledes i fysisk forskning de beskæftiger sig ikke med "absolut tomhed" som det fuldstændige fravær af stof og det materielle, men med "relativ tomhed", hvilket skal forstås som fraværet af visse klasser af materielle objekter og deres karakteristika.

Vakuum kan defineres som et felt med minimal energi. Men det betyder ikke, at der overhovedet ikke er noget i det. I et fysisk vakuum finder de mest komplekse begivenheder konstant sted. fysiske processer for eksempel fødsel og død af virtuelle partikler, særlig slags vakuumsvingninger af det elektromagnetiske felt, der ikke slipper ud af det og ikke forplanter sig. Men med visse intervaller kan virtuelle partikler blive til rigtige partikler.

Symmetri og principper for invarians i fysik

Ordet "symmetri" har græsk oprindelse og betyder "proportionalitet". I hverdagssprog Symmetri forstås oftest som ordentlighed, harmoni og proportionalitet. Den harmoniske sammenhæng mellem dele og helhed er hovedkilden til den æstetiske værdi af symmetri. Krystaller har længe glædet os med deres perfektion og strenge symmetri af former. Symmetriske mosaikker, fresker, arkitektoniske ensembler vække i folk en følelse af skønhed, musikalsk og poetiske værker forårsager beundring netop for deres harmoni. Således kan vi tale om symmetri, der tilhører kategorien skønhed.

Den videnskabelige definition af symmetri tilhører en stor tysk matematiker Herman Weil(1885 – 1955), som i sin vidunderlige bog "Symmetry" analyserede overgangen fra simpel sanseopfattelse af symmetri til dens videnskabelig forståelse. Ifølge G. Weil, under symmetri man bør forstå invariansen (uforanderligheden) af et objekts egenskaber under en bestemt form for transformation. Vi kan sige, at symmetri er et sæt af invariante egenskaber for et objekt. For eksempel kan en krystal flugte med sig selv under visse rotationer, refleksioner og forskydninger. Mange dyr har omtrentlig spejlsymmetri, når venstre halvdel af kroppen reflekteres til højre og omvendt. Men ikke kun et materielt objekt, men også for eksempel et matematisk objekt kan adlyde symmetriens love. Vi kan tale om invariansen af ​​en funktion eller ligning under visse transformationer af koordinatsystemet. Dette gør det igen muligt at anvende kategorien symmetri på fysikkens love. Sådan kommer symmetrien ind i matematik og fysik, hvor den også tjener som en kilde til skønhed og ynde.

Efterhånden opdager fysikken flere og flere nye typer af symmetri af naturlovene: hvis først kun rum-tid (geometriske) typer af symmetri blev betragtet, så blev det senere ikke opdaget geometriske typer(permutation, gauge, unitary, etc.). Sidstnævnte relaterer sig til lovene for interaktioner, og de er forenet almindeligt navn"dynamisk symmetri".

Invariansprincipperne spiller en meget vigtig rolle i moderne fysik: med deres hjælp underbygges gamle bevaringslove, og nye bevaringslove forudsiges, og løsningen af ​​mange fundamentale og anvendte problemer og vigtigst af alt var det muligt at opnå de første succeser hen imod forening af fundamentale interaktioner (teorien om elektrosvag interaktion og den store forening). Disse principper har stor almindelighed. Den fremragende amerikanske teoretiske fysiker Yu. Wigner bemærkede, at disse principper forholder sig til naturlovene på samme måde, som naturlovene forholder sig til fænomener, dvs. symmetri "styrer" love, og love "kontrollerer" fænomener. Hvis det ikke var for for eksempel naturlovenes invarians med hensyn til forskydninger i rum og tid, så er det usandsynligt, at videnskaben overhovedet ville være i stand til at etablere disse love.