Der kendes nu omkring 400 elementarpartikler. Nogle af dem "lever" i meget kort tid, forvandler sig hurtigt til andre partikler, idet de under deres eksistens formår at flyve afstande svarende til radius af atomkernen (10 -12 - 10 -13 cm). Den minimale tid, der er til rådighed for eksperimentel måling, er karakteriseret ved en værdi på ca. 10 -26 s. Nogle elementarpartikler viste sig at være uventet tunge - endda tungere end individuelle atomer.
Moderne fysikere lægger stor vægt på systematiseringen af elementarpartikler og afslører den indre enhed både mellem dem og mellem de grundlæggende typer af interaktion, der svarer til dem - stærk, svag, elektromagnetisk og gravitation.
Intensiteten af svag interaktion er 10-11 størrelsesordener (10 10 -10 11 gange) mindre end intensiteten af nukleare kræfter. Det er grunden til, at den blev kaldt svag, dens aktionsradius er mindre end 10 -15 cm. Elektromagnetisk vekselvirkning ved afstande svarende til kernekræfternes virkningsradius er kun 10 2 -10 3 gange svagere. Den svageste på disse afstande er gravitationsinteraktionen, hvis intensitet er mange størrelsesordener lavere end den svage interaktion.
Selv den svage interaktion er mange størrelsesordener større end gravitationsinteraktionen. Og kraften af Coulomb, elektrisk frastødning af to elektroner er 10 42 gange større end størrelsen af deres tyngdekrafttiltrækning. Hvis vi forestiller os, at de elektromagnetiske kræfter, der "tiltrækker" elektroner til atomkernen, svækkes til niveauet af gravitationskræfter, så ville brintatomet blive større end den del af universet, der er synlig for os. Gravitationskræfter øges meget langsomt, efterhånden som afstande aftager. De bliver kun dominerende i fantastisk små intervaller på mindre end 10 -32 cm, som forbliver utilgængelige for eksperimentel forskning. Ved hjælp af forsøget er det nu muligt at "kigge igennem" afstande tæt på 10 -16 cm.
Disse fire typer af fundamentale (der ligger i selve grundlaget for stof) vekselvirkninger udføres gennem udveksling af tilsvarende partikler, som tjener som en slags bærere af disse vekselvirkninger. Krafternes virkningsradius afhænger af massen af partikler. Elektromagnetisk interaktion bæres af fotoner (hvilemassen er nul), gravitationsinteraktion bæres af gravitoner (endnu hypotetiske, eksperimentelt ikke etablerede partikler, hvis masse også burde være nul). Disse to interaktioner, båret af masseløse partikler, har et stort, muligvis uendeligt rækkevidde. Desuden genererer kun gravitationsinteraktion tiltrækning mellem identiske partikler, de andre tre typer interaktioner bestemmer frastødningen af partikler af samme navn. Gluoner er bærere af den stærke interaktion, der binder protoner og neutroner i atomkerner. Denne interaktion er karakteristisk for tunge partikler kaldet hadroner. Den svage interaktion bæres af vektorbosoner. Denne interaktion er karakteristisk for lyspartikler - leptoner (elektroner, positroner osv.).
Mikroverdenens mangfoldighed forudsætter dens enhed gennem indbyrdes konverterbarhed af partikler og felter. Særligt vigtigt er omdannelsen af et "par" - en partikel og en antipartikel - til partikler af en anden "type". Den første til at opdage var omdannelsen af elektroner og positroner til elektromagnetiske feltkvanter - fotoner og den omvendte proces med "generering" af par fra fotoner med tilstrækkelig høj energi.
I øjeblikket er udviklingen af problemet med systematisering af elementære partikler forbundet med ideen om eksistensen kvarker - partikler med en elektrisk ladning. Nu betragtes de som "de mest elementære" i den forstand, at alle stærkt interagerende partikler - hadroner - kan "bygges" ud fra dem. Fra kvarkteoriens perspektiv er niveauet af elementarpartikler den region af objekter, der består af kvarker og antikvarker. Desuden, selvom sidstnævnte på dette vidensniveau anses for at være de enkleste, mest elementære af kendte partikler, har de selv komplekse egenskaber - ladning, "charme" ("charme"), "farve" og andre usædvanlige kvantefysiske egenskaber. Ligesom man i kemi ikke kan undvære begreberne "atom" og "molekyle", så kan elementærpartikelfysik ikke undvære begrebet "kvark".
Så listen hadroner - tunge partikler karakteriseret ved stærk interaktion - består af tre partikler: kvark, antikvark og forbinde dem gluon. Sammen med dem er der omkring ti lyspartikler - leptoner (elektroner, positroner, neutrinoer osv.) - som svarer til den svage vekselvirkning. Også kendt foton - bærer af elektromagnetisk interaktion. Og stadig hypotetisk, kun teoretisk forudsagt, er tilbage graviton, som er forbundet med gravitationsinteraktion. Intet er endnu kendt om den indre struktur af leptoner, fotoner og gravitoner. Nu er der allerede en mere eller mindre specifik idé om syntese, forholdet mellem svage, stærke og elektromagnetiske typer af interaktion. Det er opdaget, at det er muligt at forklare deres forhold til gravitationsinteraktion. Alt dette vidner om den gradvise realisering i virkeligheden af den grundlæggende ubegrænsede mulighed for teoretisk tænkning i forståelsen af verdens enhed, som forbliver uendeligt forskelligartet i sine manifestationer inden for rammerne af enhed.
Referencer til kapitel 10
Barasjenkov V.S. Er der grænser for videnskaben: den materielle verdens kvantitative og kvalitative uudtømmelighed. - M., 1982.
Heisenberg V. Fysik og filosofi: Del og helhed. - M., 1989.
Zeldovich Ya.B., Khlopov M.Yu. Ideernes drama i viden om naturen: Partikler, felter, ladninger. - M., 1988.
Markov M.A. Om materiens natur. - M., 1976.
Pakhomov B.Ya. Dannelsen af et moderne fysisk billede af verden. -M., 1985.
Sachkov Yu.V. Introduktion til sandsynlighedens verden. - M., 1971.
KAPITEL 11
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 den nøjagtige betydning af dette udtryk - primære, yderligere uopløselige partikler, hvoraf alt stof består. I begrebet "E. h." i moderne fysik udtrykkes ideen om primordiale enheder, der bestemmer alle kendte egenskaber i den materielle verden, en idé, der opstod i de tidlige stadier af udviklingen af naturvidenskab og altid har 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 opbygget af atomer, gjorde det for første gang muligt at beskrive alle kendte stoffer som kombinationer af et begrænset, om end 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) , betydeligt reduceret antallet af diskrete elementer, der danner stoffets egenskaber, og gav anledning til at antage, at kæden af bestanddele af stoffet ender med diskrete strukturløse formationer - E. ch. en sådan antagelse er generelt set en ekstrapolering af kendte fakta og kan ikke begrundes nøje. Det er umuligt at sige med sikkerhed, at der findes partikler, der er elementære i ovenstående definitions forstand. Protoner og neutroner, for eksempel, som i lang tid blev anset for at være elektroner, viste sig, at have 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 et elektronelement er en slags postulat, og at teste dets gyldighed er en af fysikkens vigtigste opgaver.
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 af tre typer (elektroner). v e, muon 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 anførte 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 dengang naturligt at betragte disse fire partikler for at være elementære, da de tjente som grundlag for konstruktionen af stoffet omkring 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"). Mens 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 subnukleære partikler, identifikation af en kompleks struktur i mange af dem viste, at de som regel ikke har elementære egenskaber, men det traditionelle navn "E. h." 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, om nødvendigt, vil udtrykket "sande elementarpartikler" blive brugt.
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, undersøgelsen af elektriske fænomener i væsker og gasser, opdagelsen af fotoelektricitet, røntgenstråler og naturlig radioaktivitet, som 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 fandt E. Rutherford, der sendte alfapartikler fra en naturlig radioaktiv kilde gennem tynde folier af forskellige stoffer, at den positive ladning i atomer er koncentreret i kompakte formationer - kerner, og i 1919 opdagede han protoner - partikler med en enhedspositiv 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 af elektromagnetisk stråling fra et absolut sort legeme er kvantiseret, opnåede Planck 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 næsten ikke interagerer med stoffet, går tilbage til W. Paulis (1930) teoretiske gæt, som på grund af antagelsen om fødslen af en sådan partikel gjorde det muligt at eliminere vanskeligheder med loven om bevarelse af energi i radioaktive kerners beta-henfaldsprocesser. 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 hastigheden for at opnå nye data og på kort tid 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), antisigma 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-mesoners 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 egenskaberne lånt fra klassisk fysik, såsom elektrisk ladning, masse og impulsmoment, nødvendigt at introducere mange nye specielle egenskaber, især. at beskrive mærkelige elektronpartikler . - mærkværdighed (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.
Fra de første trin blev studiet af stoffets indre struktur og elektronernes egenskaber ledsaget af en radikal revision af mange etablerede begreber og ideer. Lovene, 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 teoretiske konstruktioner til deres beskrivelse. 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 vejen for dens udvikling 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 sig og forbedres og er grundlaget for at beskrive elektronpartiklernes interaktioner. Denne teori har en række væsentlige 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 lige i størrelsesordenen 10 -13 cm. Størrelserne af elektronen og myonen kunne ikke bestemmes, det er kun kendt, at de er mindre end 10 -15 cm De mikroskopiske masser og størrelser af elektronpartikler danner basiskvantespecificiteten for deres adfærd. De karakteristiske bølgelængder, der bør tilskrives elektronpartikler i kvanteteorien (hvor er Plancks konstant, m er partiklens masse, c er lysets hastighed) er i størrelsesorden tæt på de typiske dimensioner, hvor deres interaktion finder sted ( for eksempel for p- meson 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; K + ® 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 den stærkeste forbindelse af elektroner. Det er de stærke vekselvirkninger, der bestemmer forbindelsen mellem protoner og neutroner i atomernes kerner og giver den exceptionelle styrke af disse formationer, som ligger til grund for stoffets stabilitet under jordiske 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 forbindelsen af atomare elektroner med kerner og forbindelsen af atomer i molekyler.
Svage vekselvirkninger, som navnet i sig selv viser, forårsager meget langsomt forekommende processer med elektronpartikler. Deres lave intensitet kan illustreres ved, at neutrinoer, som kun har svage vekselvirkninger, uhindret trænger ind i f.eks. Jordens og Solens tykkelse. . Svage interaktioner forårsager også langsomme henfald af de såkaldte. kvasi-stabile 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 i 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 af forskellige vekselvirkninger generelt ændres med stigende energi af de vekselvirkende partikler, således at opdelingen af vekselvirkninger i klasser, baseret på en sammenligning af intensiteterne 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 interaktioner, er alle studerede 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, elektronen, som kun har elektromagnetiske vekselvirkninger, kan ikke klassificeres som hverken hadroner eller leptoner og bør klassificeres som en separat gruppe ideer udviklet i 70'erne, er fotonen (en partikel med nul hvilemasse) inkluderet i samme gruppe med meget massive partikler - de såkaldte intermediære vektorbosoner, som er ansvarlige for svage interaktioner og endnu ikke er blevet observeret eksperimentelt (se afsnit 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.
De fælles karakteristika for alle elektronpartikler er masse (m), levetid (t), spin (J) og elektrisk ladning (Q). Der er endnu ikke en 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 levetider er 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 af halvt heltals spin adlyder 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 kernernes struktur og bestemmer mønstrene for at fylde atomskaller med elektroner, som ligger til grund for D. I. Mendeleevs periodiske system af grundstoffer.
De elektriske ladninger af de undersøgte E. partikler er heltals multipla af værdien e "1,6×10 -19 k og kaldes 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 elektron neutrino, L m = +1 for negativ myon og myon neutrino. 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 mésos - medium, som i den indledende fase af forskningen i elektronpartikler 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 tilladte 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, der er ens i masse, med meget lignende egenskaber med hensyn til stærke vekselvirkninger, men med forskellige elektriske ladningsværdier. 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 nøjagtige (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 forbundet med den strenge lov om 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. Stabiliteten af protonen er et direkte udtryk for bevarelsen af B (for eksempel 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.
Enhedssymmetri. 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 grundlag; 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 irreducerbare 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 interne kvantenumre af elektronpartikler, som gør det muligt 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 inkluderer følgende grupper af partikler med samme værdier JP:
Fælles for alle partikler i en supermultiplet er værdierne af to størrelser, som i deres matematiske natur er tæt på isotopisk spin og derfor ofte kaldes unitary spin. For en oktet er værdierne af kvantetal forbundet med disse mængder lig med (1, 1), for en decuplet - (3, 0).
Unitær symmetri 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). Bemærk de usædvanlige - brøkdele - værdier af elektrisk ladning Q, og B, S Og Y, ikke fundet i nogen af de observerede elektronpartikler med indeks a for hver type kvark qi (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 qi præsenteret i tre varianter qi 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".
Hele rækken af hadroner opstår på grund af forskellige kombinationer R -, P-, g- og Med-kvarker danner bundne tilstande. Almindelige hadroner svarer til bundne tilstande, der kun er 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 to og tre g-kvarker (henholdsvis 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 ved 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 sådanne tre-kvark-tilstande er tilladt, der har en veldefineret symmetri med hensyn til permutationer af indeks 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 kvantetal for hadronen ( J, P, B, Q, I, Y, Ch), med undtagelse af masse; at bestemme massen kræver viden om dynamikken i kvarkers interaktion 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 - . Korrespondancen mellem 2 + mesoner og 1 - mesoner af identiske kvarkstrukturer ses tydeligt i eksemplet med mange par af 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 tillader os endnu ikke 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, der åbner op 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 dataene fra disse eksperimenter med lignende data om neutrinospredning på nukleoner (1973-75) gjorde det muligt at drage en konklusion om den gennemsnitlige kvadratiske værdi 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 ægte elektronpartiklers rolle i 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 bliver lille, at generelle principper sætter grænser for det samlede 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 for eksempel uklart, om det er muligt at rejse spørgsmålet om kvarkernes bestanddele, hvis kvarkerne i sig 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 af en firedimensionel vektor Og m (x) (m = 1, 2, 3, 4) er historisk set det første eksempel på et fysisk felt. De felter, der sammenlignes med E.-partikler, er af kvantenatur, det vil sige, at 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 . Hver sådan quantum er en elektronpartikel med en given energi E k, 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. Kvantefeltteoriens specielle matematiske apparat gør det muligt at beskrive fødslen og ødelæggelsen af en partikel i hvert punkt x.
Feltets transformationsegenskaber bestemmer alle kvantetal 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 det moderne kvantefeltteori-apparat er information om felters dynamik indeholdt i en særlig mængde udtrykt gennem felter - den lagrangske (mere præcist den lagrangske tæthed) L. Kendskab til L gør det i princippet muligt at beregne sandsynligheden for overgange fra et sæt partikler til et andet under påvirkning af forskellige interaktioner. Disse sandsynligheder er givet af den såkaldte. spredningsmatrix (W. Heisenberg, 1943), udtrykt gennem L. Det lagrangske L består af det lagrangiske L, som beskriver frie felters adfærd, og samspillet Lagrangian, L, konstrueret ud fra felterne af 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 dog ikke kendte (med undtagelse af elektromagnetiske vekselvirkninger), og information om vekselvirkningen mellem elektromagnetiske partikler opnået fra forsøg tillod i de fleste tilfælde ikke et pålideligt valg mellem forskellige muligheder. Under disse forhold er en fænomenologisk tilgang til at beskrive interaktioner blevet udbredt, enten baseret på udvælgelsen af de simpleste 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 gøre krav på 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. Den afgørende rolle i dette fremskridt blev spillet af afklaringen af den tætte sammenhæng 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 vz el. m. for elektromagnetiske interaktioner er en konsekvens af eksistensen af en åbenlys symmetri af Lagrangian 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) 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 "intern" 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 massen af vektorfeltkvanten ikke 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). Kvarks interaktion 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 inden for 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 blev en dyb intern forbindelse mellem svage og elektromagnetiske interaktioner afsløret. 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 i 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 af den store masse af 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 Lagrangian af interaktion, baseret på brugen af symmetriegenskaber, var et vigtigt skridt på vejen til den dynamiske teori om elementarpartikler del af 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; en kvante af gravitationsfeltet, der forbinder alle elektronpartikler. I dette skema 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 forskellige grupper: leptoner og kvarker er uklare. 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 firedimensionel 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 den praktiske implementering af 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 tilstrækkeligt stort, 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 ændres betydeligt.
Således bør den nye tendens til samtidig overvejelse af forskellige klasser af interaktioner af elektronpartikler højst sandsynligt afsluttes logisk ved at inkludere gravitationsinteraktion i det generelle skema. 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. Fysik af elementarpartikler, 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 in Physical Sciences", 1975, v. 117, v. 2, s. 227
5) Bogolyubov N.N., Shirkov D.V., Introduktion til teorien om kvantiserede felter, 3. udgave, M., 1976;
6) Nyheder om fundamental fysik, trans. fra engelsk, M., 1977, s. 120-240 .
Forbundsstatens uddannelsesinstitution
videregående faglig uddannelse
"SYD FODERAL UNIVERSITY"
Det Økonomiske Fakultet
Elementære partikler.
Deres klassificering og grundlæggende egenskaber.
Udført
1. års elev, 11. gruppe
Bublikova Ekaterina
Rostov ved Don – 2009
Introduktion.
Grundlæggende fysiske interaktioner.
Tyngdekraft.
Elektromagnetisk interaktion.
Svag interaktion.
Elementarpartiklernes verden.
Klassificering af elementarpartikler.
Karakteristika for subatomære partikler.
Stærk interaktion.
Historien om opdagelsen af elementarpartikler.
2.5. Quark teori.
2.6. Partikler er bærere af interaktioner.
3. Teorier om elementarpartikler.
3.1. Kvanteelektrodynamik.
3.2. Teori om elektrosvag interaktion.
3.3. Kvantekromodynamik.
3.4. På vej til... Den store forening.
Liste over brugt litteratur.
Elementarpartiklernes verden.
I midten og anden halvdel af det tyvende århundrede blev der opnået virkelig fantastiske resultater i de grene af fysikken, der studerer stoffets grundlæggende struktur. Først og fremmest manifesterede dette sig i opdagelsen af en lang række nye subatomære partikler. De kaldes normalt elementarpartikler, men ikke alle af dem er virkelig elementære. Elementarpartikler i den præcise betydning af dette udtryk er primære, yderligere uopløselige partikler, som alt stof formodes at bestå af, men mange af dem består til gengæld af endnu flere elementarpartikler.
Hver elementær partikel (med undtagelse af absolut neutrale partikler) har sin egen antipartikel.
Fysikere opdagede eksistensen af elementarpartikler, da de studerede kerneprocesser, så indtil midten af det 20. århundrede var elementarpartikelfysik en gren af kernefysikken. I øjeblikket er elementær partikelfysik og kernefysik tætte, men uafhængige grene af fysikken, forenet af fællesheden af mange overvejede problemer og de anvendte forskningsmetoder. Elementarpartikelfysikkens hovedopgave er studiet af elementarpartiklernes natur, egenskaber og gensidige transformationer.
I 1960'erne og 1970'erne var fysikere fuldstændig forvirrede over antallet, variationen og mærkeligheden af de nyopdagede subatomære partikler. Der var vist ingen ende på dem. Det er fuldstændig uklart, hvorfor der er så mange partikler. Er disse elementarpartikler kaotiske og tilfældige fragmenter af stof? Eller har de måske nøglen til at forstå universets struktur? Fysikkens udvikling i de efterfølgende årtier viste, at der ikke er nogen tvivl om eksistensen af en sådan struktur. I slutningen af det tyvende århundrede begynder fysikken at forstå betydningen af hver af de elementære partikler.
Subatomære partiklers verden er karakteriseret ved en dyb og rationel orden. Denne rækkefølge er baseret på grundlæggende fysiske interaktioner.
1. Grundlæggende fysiske interaktioner.
I hans daglige liv bliver en person konfronteret med mange kræfter, der virker på hans krop. Her er vindens kraft eller den modkørende vandstrøm, lufttryk, en kraftig frigivelse af eksplosive kemikalier, menneskelig muskelstyrke, vægten af tunge genstande, trykket fra lette kvanter, tiltrækning og frastødning af elektriske ladninger, seismiske bølger som nogle gange forårsager katastrofale ødelæggelser, og vulkanudbrud, der førte til civilisationens død, osv. Nogle kræfter virker direkte ved kontakt med kroppen, andre, for eksempel tyngdekraften, virker på afstand, gennem rummet. Men, som det viste sig som et resultat af udviklingen af teoretisk naturvidenskab, på trods af så stor mangfoldighed, kan alle kræfter, der virker i naturen, reduceres til kun fire grundlæggende interaktioner: gravitationel, elektromagnetisk, svag og stærk. Det er disse interaktioner, der i sidste ende er ansvarlige for alle forandringer i verden, de er kilden til alle transformationer af kroppe og processer. Elementarpartikler inddeles i grupper efter deres evner til forskellige typer grundlæggende interaktioner. Studiet af egenskaberne ved fundamentale interaktioner er hovedopgaven for moderne fysik.
1.1. Tyngdekraft.
I fysikkens historie blev tyngdekraften (tyngdekraften) den første af de fire fundamentale interaktioner, der var genstand for videnskabelig forskning. Efter dets fremkomst i det syttende århundrede. Newtons tyngdekraftsteori – loven om universel tyngdekraft – formåede for første gang at indse tyngdekraftens sande rolle som en naturkraft. Tyngdekraften har en række funktioner, der adskiller den fra andre fundamentale interaktioner.
Det mest overraskende træk ved tyngdekraften er dens lave intensitet. Størrelsen af tyngdekraftens vekselvirkning mellem komponenterne i et brintatom er 10n, hvor n = -39, baseret på vekselvirkningskraften af elektriske ladninger. Det kan virke overraskende, at vi overhovedet mærker tyngdekraften, da den er så svag. Hvordan kan hun blive den dominerende kraft i universet?
Det handler om den anden fantastiske egenskab ved tyngdekraften - dens universalitet. Intet i universet er fri for tyngdekraften. Hver partikel oplever tyngdekraftens virkning og er selv en kilde til tyngdekraften. Da hver partikel af stof udøver en tyngdekraft, øges tyngdekraften, når større klumper af stof dannes. Vi mærker tyngdekraften i hverdagen, fordi alle Jordens atomer arbejder sammen for at tiltrække os. Og selvom virkningen af et atoms gravitationstiltrækning er ubetydelig, kan den resulterende tiltrækningskraft fra alle atomer være betydelig.
Tyngdekraft - langtrækkende naturkraft. Dette betyder, at selvom intensiteten af gravitationsinteraktion falder med afstanden, spreder den sig i rummet og kan påvirke kroppe meget fjernt fra kilden. På en astronomisk skala har gravitationsinteraktioner en tendens til at spille en stor rolle. Takket være langdistanceaktion forhindrer tyngdekraften universet i at falde fra hinanden: det holder planeter i baner, stjerner i galakser, galakser i klynger, hobe i Metagalaksen.
Tyngdekraften, der virker mellem partikler, er altid en tiltrækningskraft: den har en tendens til at bringe partiklerne tættere på hinanden. Gravitationel frastødning er aldrig blevet observeret før (selvom der i traditionerne for kvasi-videnskabelig mytologi er et helt felt kaldet levitation - søgen efter "fakta" af antigravitation). Da energien lagret i enhver partikel altid er positiv og giver den positiv masse, har partikler under påvirkning af tyngdekraften altid en tendens til at komme tættere på.
Hvad er tyngdekraften, et bestemt felt eller en manifestation af rumtidens krumning - der er stadig ikke noget klart svar på dette spørgsmål. Der er forskellige meninger og begreber fra fysikere om denne sag.
1.2. Elektromagnetisk interaktion.
Elektriske kræfter er meget større end gravitationskræfter. I modsætning til den svage gravitationsinteraktion kan de elektriske kræfter, der virker mellem legemer af normal størrelse, let observeres. Elektromagnetisme har været kendt af folk siden umindelige tider (auroras, lyn, osv.).
I lang tid blev elektriske og magnetiske processer undersøgt uafhængigt af hinanden. Et afgørende skridt i viden om elektromagnetisme blev taget i midten af det 19. århundrede af J. C. Maxwell, som forenede elektricitet og magnetisme i en samlet teori om elektromagnetisme - den første unified field teori.
Eksistensen af elektronen var fast etableret i 90'erne af det sidste århundrede. Det er nu kendt, at den elektriske ladning af enhver stofpartikel altid er et multiplum af den grundlæggende ladningsenhed - en slags ladningsatom. Hvorfor det er sådan, er et yderst interessant spørgsmål. Imidlertid er ikke alle materialepartikler bærere af elektrisk ladning. For eksempel er fotonen og neutrinoen elektrisk neutrale. I denne henseende adskiller elektricitet sig fra tyngdekraften. Alle materialepartikler skaber et gravitationsfelt, mens kun ladede partikler er forbundet med et elektromagnetisk felt. Bæreren af elektromagnetisk interaktion mellem ladede partikler er det elektromagnetiske felt, eller feltkvanta - fotoner.
Ligesom elektriske ladninger, ligesom magnetiske poler frastøder, og modsatte tiltrækker. Men i modsætning til elektriske ladninger opstår magnetiske poler ikke individuelt, men kun i par - en nordpol og en sydpol. Siden oldtiden har man kendt forsøg på at opnå, ved at dele en magnet, kun én isoleret magnetisk pol - en monopol. Men de endte alle i fiasko. Måske er eksistensen af isolerede magnetiske poler i naturen udelukket? Der er endnu ikke noget entydigt svar på dette spørgsmål. Nogle teoretiske begreber tillader muligheden for en monopol.
Ligesom elektriske og gravitationelle interaktioner adlyder interaktionen af magnetiske poler den omvendte kvadratlov. Følgelig er elektriske og magnetiske kræfter "langrækkende", og deres virkning mærkes i store afstande fra kilden. Således strækker Jordens magnetfelt sig langt ud i det ydre rum. Solens kraftige magnetfelt fylder hele solsystemet. Der er også galaktiske magnetfelter.
Elektromagnetisk interaktion bestemmer strukturen af atomer og er ansvarlig for langt de fleste fysiske og kemiske fænomener og processer. Elektromagnetisk interaktion fører også til emission af elektromagnetiske bølger.
1.3. Svag interaktion.
Fysikken har bevæget sig langsomt hen imod at identificere eksistensen af den svage interaktion. Den svage kraft er ansvarlig for partikelhenfald, og dens manifestation blev derfor konfronteret med opdagelsen af radioaktivitet og studiet af beta-henfald.
Beta-forfald har afsløret en ekstremt mærkelig funktion. Forskning førte til den konklusion, at dette henfald overtræder en af fysikkens grundlæggende love - loven om energibevarelse. Det så ud til, at i dette henfald forsvandt en del af energien et sted. For at "gemme" loven om energibevarelse foreslog W. Pauli, at sammen med elektronen flyver en anden partikel ud under beta-henfald. Den er neutral og har en usædvanlig høj gennemtrængningsevne, hvorfor den ikke kunne observeres. E. Fermi kaldte den usynlige partikel "neutrino".
Neutrino (italiensk neutrino, diminutiv af neutron - neutron), en stabil uladet elementarpartikel med spin 1/2 og muligvis nul masse. Neutrinoer er klassificeret som leptoner. De deltager kun i svage og gravitationelle interaktioner og interagerer derfor ekstremt svagt med stof. Der er elektronneutrinoer, altid parret med en elektron eller positron, myonneutrinoer, parret med en myon, og tau-neutrinoer, forbundet med en tung lepton. Hver type neutrino har sin egen antipartikel, som adskiller sig fra neutrinoer i tegnet på den tilsvarende leptonladning og helicitet: neutrinoer har venstrehåndet helicitet (spin er rettet mod partiklens bevægelse), og antineutrinoer har højrehåndet helicitet ( spin er i bevægelsesretningen).
Men forudsigelsen og påvisningen af neutrinoer er kun begyndelsen på problemet, dets formulering. Det var nødvendigt at forklare neutrinoernes natur, men der forblev meget mystik her. Faktum er, at både elektroner og neutrinoer blev udsendt af ustabile kerner. Men det blev uigendriveligt bevist, at der ikke er sådanne partikler inde i kerner. Hvordan opstod de? Det blev foreslået, at elektroner og neutrinoer ikke eksisterer i kernen i en "klar form", men er på en eller anden måde dannet af energien fra den radioaktive kerne. Yderligere forskning viste, at neutronerne, der indgår i kernen, overladt til sig selv, efter et par minutter henfalder til en proton, elektron og neutrino, dvs. i stedet for én partikel opstår tre nye. Analysen førte til den konklusion, at kendte kræfter ikke kunne forårsage en sådan opløsning. Det var tilsyneladende genereret af en anden, ukendt kraft. Forskning har vist, at denne kraft svarer til en eller anden svag interaktion.
Det er meget svagere end elektromagnetisk, men stærkere end gravitation. Det spreder sig over meget korte afstande. Radius for svag interaktion er meget lille og er omkring 2*10^(-16) cm. Den svage interaktion stopper i en minimumsafstand fra kilden og kan derfor ikke påvirke makroskopiske objekter, men er begrænset til individuelle subatomære partikler. Alle elementarpartikler undtagen fotonen deltager i svag interaktion. Det bestemmer det meste af henfaldet af elementarpartikler, neutrinoers interaktion med stof osv. Den svage interaktion er karakteriseret ved en krænkelse af paritet, mærkelighed og "charme". En samlet teori om svag og elektromagnetisk interaktion blev skabt i slutningen af 60'erne af S. Weinberg, S. Glashow og A. Salam. Den beskriver interaktionerne mellem kvarker og leptoner, udført gennem udveksling af fire partikler: masseløse fotoner (elektromagnetisk interaktion) og tunge mellemvektorbosoner - partikler W+, W- og Z°, som er bærere af den svage interaktion (eksperimentelt opdaget i 1983). Denne enkelte interaktion blev kaldt elektrosvag. Siden Maxwells teori om det elektromagnetiske felt var skabelsen af denne teori det største skridt mod fysikkens enhed.
1.4. Stærk interaktion.
Den sidste i rækken af fundamentale interaktioner er den stærke interaktion, som er en kilde til enorm energi. Det mest typiske eksempel på energi frigivet af den stærke kraft er vores sol. I Solens og stjernernes dybder, startende fra et bestemt tidspunkt, opstår der kontinuerligt termonukleære reaktioner forårsaget af stærk interaktion. Men mennesket har også lært at frigive stærke interaktioner: en brintbombe er blevet skabt, teknologier til kontrollerede termonukleare reaktioner er blevet designet og forbedret.
Fysik kom til ideen om eksistensen af stærk interaktion under studiet af strukturen af atomkernen. En vis kraft skal holde protonerne i kernen og forhindre dem i at spredes under påvirkning af elektrostatisk frastødning. Tyngdekraften er for svag til dette; Det er klart, at der er behov for en vis ny interaktion, desuden stærkere end elektromagnetisk. Det blev efterfølgende opdaget. Det viste sig, at selvom den stærke interaktion væsentligt overstiger alle andre fundamentale interaktioner i sin størrelse, så mærkes den ikke uden for kernen. Den nye krafts aktionsradius viste sig at være meget lille. Den stærke kraft falder skarpt i en afstand fra en proton eller neutron større end omkring 10^(-15) m.
Derudover viste det sig, at ikke alle partikler oplever stærke interaktioner. Det opleves af protoner og neutroner, men elektroner, neutrinoer og fotoner er ikke underlagt det. Det betyder, at kun hadroner deltager i det stærke samspil.
Den stærke interaktion overstiger den elektromagnetiske interaktion med omkring 100 gange. Den teoretiske forklaring på karakteren af den stærke interaktion har været svær at udvikle. Et gennembrud skete i begyndelsen af 60'erne, da kvarkmodellen blev foreslået. I denne teori betragtes neutroner og protoner ikke som elementære partikler, men som sammensatte systemer bygget af kvarker. Den moderne teori om den stærke interaktion er kvantekromodynamik.
I fundamentale fysiske interaktioner er forskellen mellem langrækkende og kortdistancekræfter således tydeligt synlig. På den ene side er der interaktioner med ubegrænset rækkevidde (tyngdekraft, elektromagnetisme), og på den anden side interaktioner med kort rækkevidde (stærk og svag). Verden af fysiske elementer som helhed udfolder sig i enhed af disse to polariteter og er legemliggørelsen af enhed af det ekstremt lille og det ekstremt store - kortrækkende handling i mikroverdenen og langrækkende handling i hele universet.
1.5. Problemet med fysikkens enhed.
Viden er en generalisering af virkeligheden, og derfor er videnskabens mål søgen efter enhed i naturen, der forbinder uensartede fragmenter af viden til et enkelt billede. For at skabe et samlet system er det nødvendigt at åbne en forbindelse mellem forskellige grene af viden, et eller andet grundlæggende forhold. Søgen efter sådanne forbindelser og relationer er en af hovedopgaverne for videnskabelig forskning. Når det er muligt at etablere sådanne nye forbindelser, uddybes forståelsen af omverdenen betydeligt, nye måder at vide på dannes, der viser vejen til hidtil ukendte fænomener.
At etablere dybe forbindelser mellem forskellige naturområder er både en syntese af viden og en metode, der leder den videnskabelige forskning ad nye, ubetrampede veje. Newtons opdagelse af sammenhængen mellem tiltrækning af kroppe under jordiske forhold og planeternes bevægelse markerede fødslen af klassisk mekanik, på grundlag af hvilken det teknologiske grundlag for moderne civilisation er bygget. Etableringen af en forbindelse mellem gassens termodynamiske egenskaber og molekylernes kaotiske bevægelse satte den atomare-molekylære teori om stof på et solidt grundlag. I midten af forrige århundrede skabte Maxwell en samlet elektromagnetisk teori, der dækkede både elektriske og magnetiske fænomener. Så, i 20'erne af det tyvende århundrede, gjorde Einstein forsøg på at kombinere elektromagnetisme og tyngdekraft i en enkelt teori.
Men i midten af det tyvende århundrede havde situationen i fysikken ændret sig radikalt: to nye fundamentale interaktioner blev opdaget - stærke og svage, dvs. når man skaber en samlet fysik, skal man tage hensyn til ikke to, men fire fundamentale interaktioner. Dette afkølede noget iveren hos dem, der håbede på en hurtig løsning på dette problem. Men selve ideen blev ikke sat alvorligt i tvivl, og begejstringen for ideen om en enkelt beskrivelse forsvandt ikke.
Der er et synspunkt om, at alle fire (eller mindst tre) interaktioner repræsenterer fænomener af samme karakter, og deres forenede teoretiske beskrivelse skal findes. Udsigten til at skabe en samlet teori om verden af fysiske elementer baseret på en enkelt grundlæggende interaktion er fortsat meget attraktiv. Dette er hoveddrømmen for fysikere i det tyvende århundrede. Men i lang tid forblev det kun en drøm, og en meget vag.
Men i anden halvdel af det tyvende århundrede dukkede forudsætningerne for realiseringen af denne drøm og tilliden til, at dette ikke er et spørgsmål om en fjern fremtid op. Det ser ud til, at det snart kan blive en realitet. Et afgørende skridt mod en samlet teori blev taget i 60-70'erne med skabelsen af først teorien om kvarker og derefter teorien om elektrosvag interaktion. Der er grund til at tro, at vi står på tærsklen til en stærkere og dybere forening end nogensinde før. Der er en voksende tro blandt fysikere på, at konturerne af en samlet teori om alle grundlæggende vekselvirkninger - Den Store Forening - begynder at dukke op.
2. Klassificering af elementarpartikler.
2.1. Karakteristika for subatomære partikler.
Opdagelsen i begyndelsen af det nittende og tyvende århundrede af 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 alle kendte stoffer som kombinationer 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) , betydeligt reduceret antallet af diskrete elementer, der danner stoffets egenskaber. Det er umuligt at sige med sikkerhed, at der findes partikler, der er elementære i ovenstående definitions forstand. Protoner og neutroner, for eksempel, som i lang tid blev betragtet som elementære, 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 elementære (subatomare) partikler er en slags postulat, og at teste dets gyldighed er en af fysikkens vigtigste opgaver.
Karakteristika for subatomære partikler er masse, elektrisk ladning, spin (iboende vinkelmomentum), partikellevetid, magnetisk moment, rumlig paritet, ladningsparitet, leptonladning, baryonladning, mærkværdighed, "charme" osv.
Når de taler om massen af en partikel, mener de dens hvilemasse, da denne masse ikke afhænger af bevægelsestilstanden. En partikel med nul hvilemasse bevæger sig med lysets hastighed (foton). Ikke to partikler har den samme masse. Elektronen er den letteste partikel med en hvilemasse, der ikke er nul. Protonen og neutronen er næsten 2000 gange tungere end elektronen. Og den tungeste kendte elementarpartikel (Z - partikel) har en masse 200.000 gange massen af en elektron.
Den elektriske ladning varierer over et ret snævert område og er altid et multiplum af den fundamentale ladningsenhed - elektronens ladning (-1). Nogle partikler, såsom fotonen og neutrinoen, har slet ingen ladning.
En vigtig egenskab ved en partikel er spin. Det har ingen klassisk analog og indikerer selvfølgelig den "interne kompleksitet" af et mikroobjekt. Sandt nok forsøger de nogle gange at sammenligne med begrebet spin en model af et objekt, der roterer omkring sin akse (selve ordet "spin" er oversat som "spindel"). Denne model er visuel, men forkert. Det kan i hvert fald ikke tages bogstaveligt. Udtrykket "roterende mikroobjekt" fundet i litteraturen betyder ikke rotationen af mikroobjektet, men kun tilstedeværelsen af et specifikt indre vinkelmomentum. For at dette øjeblik kan "vendes" til det klassiske vinkelmomentum (og dermed vil objektet faktisk begynde at rotere), er det nødvendigt at kræve opfyldelse af betingelsen s >> 1 (meget mere end én). Denne betingelse er dog aldrig opfyldt. Spin er også altid et multiplum af en eller anden grundlæggende enhed, som er valgt til at være ½. Alle partikler af samme type har samme spin. Typisk måles partikelspin i enheder af Plancks konstante ћ. Det kan være et heltal (0, 1, 2,...) eller et halvt heltal (1/2, 3/2,...). En proton, neutron og elektron har således et spin på S, og en fotons spin er lig med 1. Partikler med et spin på 0, 3/2, 2 er kendt En partikel med et spin på 0 ser ens ud ved enhver rotationsvinkel. Partikler med spin 1 antager samme form efter en fuld rotation på 360°. En partikel med spin 1/2 får sit tidligere udseende efter en rotation på 720° osv. En partikel med spin 2 vender tilbage til sin tidligere position efter en halv omgang (180°). Partikler med et spin større end 2 er ikke blevet opdaget, og måske eksisterer de slet ikke. At kende et mikroobjekts spin giver os mulighed for at bedømme arten af dets adfærd i en gruppe af sin egen art (med andre ord giver det os mulighed for at bedømme mikroobjektets statistiske egenskaber). Det viser sig, at alle mikroobjekter i naturen ifølge deres statistiske egenskaber er opdelt i to grupper: en gruppe af mikroobjekter med et heltals spin og en gruppe af mikroobjekter med et halvt heltals spin.
Mikroobjekter fra den første gruppe er i stand til at "befolke" den samme tilstand i et ubegrænset antal, og jo stærkere denne tilstand er "befolket", jo højere er tallet. Sådanne mikroobjekter siges at adlyde Bose-Einstein-statistikker. Kort sagt kaldes de blot for bosoner. Mikroobjekter i den anden gruppe kan kun "befolke" tilstande én efter én. Og hvis den pågældende stat er besat, så kan ingen mikroobjekt af denne type komme ind i den. Sådanne mikroobjekter siges at adlyde Fermi-Dirac-statistikker, og for kortheds skyld kaldes de fermioner. Af de elementære partikler omfatter bosoner fotoner og mesoner, og fermioner inkluderer leptoner (især elektroner), nukleoner og hyperoner.
Partikler er også kendetegnet ved deres levetid. Ud fra dette kriterium opdeles partikler i stabile og ustabile. Stabile partikler er elektronen, protonen, fotonen og neutrinoen. En neutron er stabil, når den er i kernen af et atom, men en fri neutron henfalder på omkring 15 minutter. Alle andre kendte partikler er ustabile, deres levetid varierer fra nogle få mikrosekunder til 10n sekunder (hvor n = -23). Det betyder, at når denne tid udløber, desintegrerer de spontant, uden nogen ydre påvirkninger, og bliver til andre partikler. For eksempel henfalder en neutron spontant til en proton, en elektron og en elektron antineutrino. Det er umuligt at forudsige nøjagtigt, hvornår det indikerede henfald af en bestemt neutron vil forekomme, fordi hver specifik henfaldsbegivenhed er tilfældig. Hver ustabil elementær partikel er karakteriseret ved sin egen levetid. Jo kortere levetid, jo større er sandsynligheden for partikelhenfald. Ustabilitet er iboende ikke kun i elementære partikler, men også i andre mikroobjekter. Fænomenet radioaktivitet (spontan omdannelse af isotoper af et kemisk grundstof til isotoper af et andet, ledsaget af emission af partikler) viser, at atomkerner kan være ustabile. Atomer og molekyler i exciterede tilstande viser sig også at være ustabile: de går spontant i jorden eller mindre exciterede tilstande.
Ustabilitet, bestemt af sandsynlighedslove, er sammen med tilstedeværelsen af spin den anden meget specifikke egenskab, der er iboende i mikroobjekter. Det kan også betragtes som en indikation af en vis "intern kompleksitet" af et mikroobjekt.
Ustabilitet er imidlertid en specifik, men på ingen måde obligatorisk, egenskab ved et mikroobjekt. Sammen med ustabile er der mange stabile mikroobjekter: foton, elektron, proton, neutrino, stabile atomkerner samt atomer og molekyler i grundtilstanden.
Leptonladning (leptontal) er en intern egenskab ved leptoner. Det er betegnet med bogstavet L. For leptoner er det +1, og for antileptoner -1. Der er: elektronisk leptonladning, som kun besiddes af elektroner, positroner, elektronneutrinoer og antineutrinoer; muonisk leptonladning, som kun besiddes af myoner og muonneutrinoer og antineutrinoer; leptonladning af tunge leptoner og deres neutrinoer. Den algebraiske sum af leptonladningen af hver type er bevaret med meget høj nøjagtighed på tværs af alle interaktioner.
Baryonladning (baryonnummer) er et af baryonernes indre kendetegn. Betegnes med bogstavet B. Alle baryoner har B = +1, og deres antipartikler har B = -1 (for andre elementarpartikler B = 0). Den algebraiske sum af baryonladninger inkluderet i et system af partikler er bevaret under alle vekselvirkninger.
Mærkelighed er et heltal (nul, positivt eller negativt) kvantetal, der karakteriserer hadroner. Det mærkelige ved partikler og antipartikler er modsat i fortegn. Hadroner med S lig med 0 kaldes mærkelige. Mærkelighed bevares i de stærke og elektromagnetiske vekselvirkninger, men krænkes i den svage vekselvirkning.
"Charme" (charme) er et kvantetal, der karakteriserer hadroner (eller kvarker). Den bevares i de stærke og elektromagnetiske vekselvirkninger, men krænkes af den svage vekselvirkning. Partikler med en charmeværdi, der ikke er nul, kaldes "charmed" partikler.
Magneton er en måleenhed for magnetisk moment i atomets, atomkernens og elementarpartiklernes fysik. Det magnetiske moment, forårsaget af elektronernes orbitale bevægelse i et atom og deres spin, måles i Bohr-magnetoner. Det magnetiske moment af nukleoner og kerner måles i nukleare magnetoner.
Paritet er et andet kendetegn ved subatomære partikler. Paritet er et kvantetal, der karakteriserer symmetrien af bølgefunktionen af et fysisk system eller en elementær partikel under nogle diskrete transformationer: hvis funktionen under en sådan transformation ikke ændrer fortegn, så er pariteten positiv, hvis den gør det paritet er negativ. For absolut neutrale partikler (eller systemer), der er identiske med deres antipartikler, kan man udover rumlig paritet introducere begreberne ladningsparitet og kombineret paritet (for andre partikler ændres selve bølgefunktionen ved at erstatte dem med antipartikler).
Rumlig paritet er en kvantemekanisk egenskab, der afspejler symmetriegenskaberne af elementarpartikler eller deres systemer under spejlreflektion (rumlig inversion). Denne paritet er angivet med bogstavet P og er bevaret i alle interaktioner undtagen svage.
Charge paritet - pariteten af en absolut neutral elementær partikel eller system, svarende til driften af ladningskonjugation. Ladningsparitet er også bevaret i alle interaktioner undtagen svage.
Kombineret paritet er pariteten af en absolut neutral partikel (eller system) i forhold til den kombinerede inversion. Kombineret paritet er bevaret i alle interaktioner, med undtagelse af henfald af den langlivede neutrale K-meson forårsaget af den svage interaktion (årsagen til denne krænkelse af kombineret paritet er endnu ikke blevet afklaret).
2.2. Historien om opdagelsen af elementarpartikler.
Ideen om, at verden er lavet af fundamentale partikler, har en lang historie. For første gang blev ideen om eksistensen af de mindste usynlige partikler, der udgør alle omgivende objekter, udtrykt 400 år f.Kr. af den græske filosof Demokrit. Han kaldte disse partikler atomer, det vil sige udelelige partikler. Videnskaben begyndte først at bruge ideen om atomer i begyndelsen af det 19. århundrede, da det på dette grundlag var muligt at forklare en række kemiske fænomener. I 30'erne af det 19. århundrede, i teorien om elektrolyse udviklet af M. Faraday, dukkede begrebet en ion op, og den elementære ladning blev målt. Men fra omkring midten af det 19. århundrede begyndte eksperimentelle fakta at dukke op, der sår tvivl om ideen om atomers udelelighed. Resultaterne af disse eksperimenter antydede, at atomer har en kompleks struktur, og at de indeholder elektrisk ladede partikler. Dette blev bekræftet af den franske fysiker Henri Becquerel, som opdagede fænomenet radioaktivitet i 1896.
Dette blev efterfulgt af opdagelsen af den første elementarpartikel af den engelske fysiker Thomson i 1897. Det var elektronen, der endelig fik status som et rigtigt fysisk objekt og blev den første kendte elementarpartikel i menneskehedens historie. Dens masse er cirka 2000 gange mindre end massen af et brintatom og er lig med:
m = 9,11*10^(-31) kg.
Den negative elektriske ladning af en elektron kaldes elementær og er lig med:
e = 0,60*10^(-19) Cl.
Analyse af atomspektre viser, at elektronspin er lig med 1/2, og dets magnetiske moment er lig med en Bohr-magneton. Elektroner adlyder Fermi-statistikker, fordi de har et halvt heltals spin. Dette er i overensstemmelse med eksperimentelle data om strukturen af atomer og elektronernes adfærd i metaller. Elektroner deltager i elektromagnetiske, svage og gravitationsinteraktioner.
Den anden opdagede elementarpartikel var protonen (fra den græske protos - første). Denne elementære partikel blev opdaget i 1919 af Rutherford, mens han studerede produkterne fra fission af atomkerner af forskellige kemiske elementer. Bogstaveligt talt er en proton kernen i et atom af den letteste isotop af brint - protium. Protonspin er 1/2. En proton har en positiv elementær ladning +e. Dens masse er lig med:
m = 1,67*10^(-27) kg.
eller cirka 1836 elektronmasser. Protoner er en del af kernerne i alle atomer af kemiske grundstoffer. Herefter foreslog Rutherford i 1911 en planetarisk model af atomet, som hjalp videnskabsmænd med yderligere forskning i atomernes sammensætning.
I 1932 opdagede J. Chadwick den tredje elementarpartikel, neutronen (fra det latinske neutrum - hverken det ene eller det andet), som ikke har nogen elektrisk ladning og har en masse på cirka 1839 gange massen af en elektron. Neutronspin er også 1/2.
Konklusionen om eksistensen af en partikel af et elektromagnetisk felt - en foton - stammer fra M. Plancks arbejde (1900). Forudsat at energien af elektromagnetisk stråling fra et absolut sort legeme er kvantiseret (dvs. består af kvanter), opnåede Planck 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 i 1912 - 1915 og A. Compton i 1922.
Opdagelsen af neutrinoen, en partikel, der næsten ikke interagerer med stoffet, går tilbage til W. Paulis teoretiske gæt i 1930, som på grund af antagelsen om fødslen af en sådan partikel gjorde det muligt at eliminere vanskeligheder med bevaringsloven af energi i radioaktive kerners beta-henfaldsprocesser. Eksistensen af neutrinoer blev eksperimentelt bekræftet først i 1953 af F. Reines og K. Cowan.
Men stof består af mere end bare partikler. Der er også antipartikler - elementarpartikler, der har samme masse, spin, levetid og nogle andre indre egenskaber som deres "tvillinger" - partikler, men adskiller sig fra partikler i tegn på elektrisk ladning og magnetisk moment, baryonladning, leptonladning, mærkelighed og osv. Alle elementarpartikler, undtagen absolut neutrale, har deres egne antipartikler.
Den første opdagede antipartikel var positronen (fra latin positivus - positiv) - en partikel med massen af en elektron, men en positiv elektrisk ladning. Denne antipartikel blev opdaget i kosmiske stråler af den amerikanske fysiker Carl David Anderson i 1932. Interessant nok blev eksistensen af positronen teoretisk forudsagt af den engelske fysiker Paul Dirac næsten et år før den eksperimentelle opdagelse. Desuden forudsagde Dirac de såkaldte udslettelsesprocesser (forsvinden) og fødslen af et elektron-positron-par. Selve udslettelse af et par er en af de typer transformationer af elementarpartikler, der opstår, når en partikel kolliderer med en antipartikel. Under udslettelse forsvinder en partikel og en antipartikel og bliver til andre partikler, hvis antal og type er begrænset af bevarelseslovene. Den omvendte udslettelsesproces er fødslen af et par. Selve positronen er stabil, men i stof eksisterer den i meget kort tid på grund af udslettelse med elektroner. Udslettelse af en elektron og en positron er, at når de mødes, forsvinder de og bliver til γ- kvanter (fotoner). Og i en kollision γ- Når der opstår et kvante med en hvilken som helst massiv kerne, fødes et elektron-positron-par.
I 1955 blev endnu en antipartikel opdaget - antiprotonen, og lidt senere - antineutronen. En antineutron har ligesom en neutron ingen elektrisk ladning, men den hører uden tvivl til antipartikler, da den deltager i udslettelsesprocessen og fødslen af et neutron-antineutron-par.
Muligheden for at opnå antipartikler førte videnskabsmænd til ideen om at skabe antistof. Antistof atomer bør bygges på denne måde: I midten af atomet er der en negativt ladet kerne, bestående af antiprotoner og antineutroner, og positroner med en positiv ladning kredser om kernen. Generelt viser atomet sig også at være neutralt. Denne idé fik strålende eksperimentel bekræftelse. I 1969, ved en protonaccelerator i byen Serpukhov, opnåede sovjetiske fysikere kerner af antiheliumatomer. Også i 2002 blev der produceret 50.000 antibrintatomer ved CERN-acceleratoren i Genève. Men på trods af dette er ophobninger af antistof i universet endnu ikke blevet opdaget. Det bliver også klart, at ved den mindste interaktion af antistof med ethvert stof, vil deres udslettelse forekomme, hvilket vil blive ledsaget af en enorm frigivelse af energi, flere gange større end energien fra atomkerner, hvilket er ekstremt usikkert for mennesker og miljøet .
På nuværende tidspunkt er antipartikler af næsten alle kendte elementarpartikler blevet opdaget eksperimentelt.
En vigtig rolle i elementarpartiklernes fysik spilles af bevarelseslove, der etablerer lighed mellem visse kombinationer af mængder, der karakteriserer systemets indledende og endelige tilstand. Arsenalet af bevarelseslove i kvantefysikken er større end i klassisk fysik. Det blev genopfyldt med love om bevarelse af forskellige pariteter (rumlig, ladning), ladninger (leptonisk, baryon osv.), indre symmetrier, der er karakteristiske for en eller anden type interaktion.
At isolere individuelle subatomære partiklers egenskaber er en vigtig, men kun den indledende fase af forståelsen af deres verden. På næste trin mangler vi stadig at forstå, hvad hver enkelt partikels rolle er, hvad dens funktioner er i stofstrukturen.
Fysikere har fundet ud af, at først og fremmest en partikels egenskaber bestemmes af dens evne (eller manglende evne) til at deltage i stærke vekselvirkninger. Partikler, der deltager i stærke interaktioner, danner en særlig klasse og kaldes hadroner. Partikler, der deltager i den svage interaktion og ikke deltager i den stærke interaktion, kaldes leptoner. Derudover er der partikler, der bærer interaktioner.
2.3. Leptoner.
Leptoner betragtes som ægte elementære partikler. Selvom leptoner måske eller måske ikke har en elektrisk ladning, har de alle et spin på 1/2. Blandt leptoner er elektronen den mest berømte. Elektronen er den første af de opdagede elementarpartikler. Som alle andre leptoner ser elektronen ud til at være et elementært (i ordets rette betydning) objekt. Så vidt vides består elektronen ikke af andre partikler.
En anden velkendt lepton er neutrinoen. Neutrinoer er de mest almindelige partikler i hele universet. Universet kan forestilles som et grænseløst neutrinohav, hvor øer i form af atomer af og til findes. Men på trods af en sådan udbredelse af neutrinoer er det meget vanskeligt at studere dem. Som vi allerede har bemærket, er neutrinoer næsten undvigende. Uden at deltage i hverken stærke eller elektromagnetiske vekselvirkninger trænger de gennem stoffet, som om det slet ikke var der. Neutrinoer er en slags "spøgelser i den fysiske verden."
Muoner er ret udbredte i naturen og tegner sig for en betydelig del af den kosmiske stråling. I mange henseender ligner myonen en elektron: den har samme ladning og spin, deltager i disse interaktioner, men har en stor masse (ca. 207 elektronmasser) og er ustabil. På omkring to milliontedele af et sekund henfalder myonen til en elektron og to neutrinoer. I slutningen af 1970'erne blev en tredje ladet lepton opdaget, kaldet tau lepton. Dette er en meget tung partikel. Dens masse er omkring 3500 elektronmasser. Men i alle andre henseender opfører den sig som en elektron og en myon.
I 60'erne udvidedes listen over leptoner betydeligt. Man fandt ud af, at der er flere typer neutrinoer: elektronneutrinoer, myonneutrinoer og tau-neutrinoer. Det samlede antal neutrinosorter er således tre, og det samlede antal leptoner er seks. Selvfølgelig har hver lepton sin egen antipartikel; således er det samlede antal forskellige leptoner tolv. Neutrale leptoner deltager kun i svage interaktioner; ladet - i de svage og elektromagnetiske. Alle leptoner deltager i gravitationsinteraktioner, men er ikke i stand til stærke.
2.4. Hadroner.
Hvis der er lidt over et dusin leptoner, så er der hundredvis af hadroner. Et sådant væld af hadroner tyder på, at hadroner ikke er elementære partikler, men er bygget af mindre partikler. Alle hadroner findes i to varianter - elektrisk ladede og neutrale. Blandt hadroner er de mest berømte og udbredte neutronen og protonen, som igen tilhører klassen af nukleoner. De resterende hadroner er kortlivede og henfalder hurtigt. Hadroner deltager i alle grundlæggende interaktioner. De er opdelt i baryoner og mesoner. Baryoner omfatter nukleoner og hyperoner.
For at forklare eksistensen af nukleare kræfter af interaktion mellem nukleoner krævede kvanteteori eksistensen af specielle elementarpartikler med en masse større end elektronens masse, men mindre end protonens masse. Disse partikler forudsagt af kvanteteorien blev senere kaldt mesoner. Mesoner blev opdaget eksperimentelt. Der viste sig at være en hel familie af dem. Alle viste sig at være kortlivede ustabile partikler, der levede i fri tilstand i milliardtedele af et sekund. For eksempel har en ladet pi-meson eller pion en hvilemasse på 273 elektronmasser og en levetid:
t = 2,6*10^(-8) s.
Yderligere blev der under undersøgelser af ladede partikelacceleratorer opdaget partikler med masser, der oversteg massen af en proton. Disse partikler blev kaldt hyperoner. Endnu flere af dem blev opdaget end mesoner. Hyperonfamilien omfatter: lambda-, sigma-, xi- og omega-minus hyperoner.
Eksistensen og egenskaberne af de fleste kendte hadroner blev fastslået i acceleratoreksperimenter. Opdagelsen af mange forskellige hadroner i 50-60'erne undrede fysikerne meget. Men over tid blev hadroner klassificeret efter masse, ladning og spin. Efterhånden begyndte et mere eller mindre klart billede at tegne sig. Specifikke ideer opstod om, hvordan man systematiserer kaosset af empiriske data og afslører mysteriet om hadroner i videnskabelig teori. Det afgørende skridt her blev taget i 1963, da teorien om kvarker blev foreslået.
2.5. Quark teori.
Teorien om kvarker er en teori om strukturen af hadroner. Hovedideen i denne teori er meget enkel. Alle hadroner er lavet af mindre partikler kaldet kvarker. Det betyder, at kvarker er mere elementære partikler end hadroner. Kvarker er hypotetiske partikler pga blev ikke observeret i den frie stat. Baryonladningen af kvarker er 1/3. De bærer en elektrisk ladning: de har en ladning, hvis værdi er enten -1/3 eller +2/3 af den grundlæggende enhed - elektronens ladning. En kombination af to og tre kvarker kan have en total ladning på nul eller én. Alle kvarker har spin S, så de er klassificeret som fermioner. Grundlæggerne af teorien om kvarker, Gell-Mann og Zweig, for at tage højde for alle hadroner kendt i 60'erne, introducerede tre typer (farver) af kvarker: u (oppefra - øvre), d (nedfra - lavere) og s (fra mærkelig - mærkelig) .
Kvarker kan kombineres med hinanden på en af to mulige måder: enten i trillinger eller i kvark-antikvark-par. Relativt tunge partikler - baryoner - består af tre kvarker. De bedst kendte baryoner er neutronen og protonen. Lettere kvark-antikvark-par danner partikler kaldet mesoner - "mellemliggende partikler". For eksempel består en proton af to u-kvarker og en d-kvark (uud), og en neutron består af to d-kvarker og en u-kvark (udd). For at denne "trio" af kvarker ikke skal forfalde, er der brug for en holdekraft, en vis "lim".
Det viser sig, at den resulterende vekselvirkning mellem neutroner og protoner i kernen simpelthen er en resteffekt af den kraftigere vekselvirkning mellem kvarkerne selv. Dette forklarede, hvorfor stærke interaktioner virker så komplekse. Når en proton "klæber" til en neutron eller en anden proton, involverer interaktionen seks kvarker, som hver interagerer med alle de andre. En væsentlig del af kraften bruges på at lime en trio kvarker fast, og en lille del bruges på at fastgøre to trioer kvarker til hinanden. Men senere viste det sig, at kvarker også deltager i svage interaktioner. Den svage interaktion kan ændre farven på en kvark. Sådan opstår neutronhenfald. En af d-kvarkerne i neutronen bliver til en u-kvark, og den overskydende ladning bortfører den elektron, der fødes på samme tid. På samme måde, ved at ændre smagen, fører den svage interaktion til henfald af andre hadroner.
Det faktum, at alle kendte hadroner kunne opnås fra forskellige kombinationer af de tre fundamentale partikler, var en triumf for teorien om kvarker. Men i 70'erne blev der opdaget nye hadroner (psi-partikler, upsilon meson osv.). Dette gav et slag for den første version af kvarkteorien, da der ikke længere var plads til en enkelt ny partikel i den. Alle mulige kombinationer af kvarker og deres antikvarker er allerede udtømt.
Problemet blev løst ved at introducere tre nye farver. De blev navngivet c - kvark (charme), b - kvark (nedefra - bunden, og oftere skønhed - skønhed eller charme), og efterfølgende blev en anden farve introduceret - t (fra top - top).
Indtil nu er kvarker og antikvarker ikke blevet observeret i fri form. Der er dog praktisk talt ingen tvivl om deres eksistens. Desuden er en eftersøgning i gang efter "rigtige" elementarpartikler efter kvarker - gluoner, som er bærere af interaktioner mellem kvarker, pga. Kvarker holdes sammen af den stærke vekselvirkning, og gluoner (farveladninger) er bærere af den stærke vekselvirkning. Det felt af partikelfysik, der studerer interaktionen mellem kvarker og gluoner, kaldes kvantekromodynamik. Ligesom kvanteelektrodynamik er teorien om elektromagnetisk interaktion, er kvantekromodynamik teorien om stærk interaktion. Kvantekromodynamik er en kvantefeltteori om den stærke interaktion mellem kvarker og gluoner, som udføres gennem udvekslingen mellem dem - gluoner (analoger af fotoner i kvanteelektrodynamik). I modsætning til fotoner interagerer gluoner med hinanden, hvilket især fører til en stigning i styrken af interaktionen mellem kvarker og gluoner, når de bevæger sig væk fra hinanden. Det antages, at det er denne egenskab, der bestemmer kortrækkende virkning af atomkræfter og fraværet af frie kvarker og gluoner i naturen.
Ifølge moderne begreber har hadroner en kompleks indre struktur: baryoner består af 3 kvarker, mesoner - af en kvark og en antikvark.
Selvom der er en vis utilfredshed med kvarkskemaet, anser de fleste fysikere kvarker for at være virkelig elementære partikler – punktlignende, udelelige og uden indre struktur. I denne henseende ligner de leptoner, og det har længe været antaget, at der må være et dybt forhold mellem disse to adskilte, men strukturelt ens familier.
Således er det mest sandsynlige antal ægte elementarpartikler (bortset fra bærere af fundamentale interaktioner) i slutningen af det tyvende århundrede er 48. Heraf: leptoner (6x2) = 12 og kvarker (6x3)x2 = 36.
2.6. Partikler er bærere af interaktioner.
Listen over kendte partikler er ikke begrænset til de anførte partikler - leptoner og hadroner, som danner stoffets byggemateriale. Denne liste inkluderer for eksempel ikke en foton. Der er også en anden type partikler, som ikke direkte er stoffets byggemateriale, men giver alle fire fundamentale interaktioner, dvs. danne en slags "lim", der forhindrer verden i at falde fra hinanden. Sådanne partikler kaldes bærere af interaktioner, og en bestemt type partikel overfører sine interaktioner.
Bæreren af elektromagnetisk interaktion mellem ladede partikler er fotonen. Foton er et kvantum af elektromagnetisk stråling, en neutral partikel med nul masse. Fotonspin er 1.
Teorien om elektromagnetisk interaktion blev introduceret af kvanteelektrodynamik.
Bærerne af den stærke vekselvirkning er gluoner. Disse er hypotetiske elektrisk neutrale partikler med nul masse og spin 1. Ligesom kvarker har gluoner kvantekarakteristikken for "farve". Gluoner er bærere af interaktion mellem kvarker, fordi bind dem i par eller tre.
Bærerne af den svage interaktion er tre partikler - W+, W- og Z° bosoner. De blev først opdaget i 1983. Radius af den svage vekselvirkning er ekstrem lille, så dens bærere skal være partikler med store hvilemasser. Ifølge usikkerhedsprincippet skal levetiden for partikler med så stor en hvilemasse være ekstremt kort - kun omkring 10n sek (hvor n = -26). Interaktionsradius båret af disse partikler er meget lille, fordi sådanne kortlivede partikler ikke har tid til at bevæge sig ret langt.
Det antydes, at eksistensen af en bærer af gravitationsfeltet - gravitonen - også er mulig (i de teorier om gravitation, der betragter det ikke (kun) som en konsekvens af rumtidens krumning, men som et felt). Teoretisk set er en graviton et kvantum af gravitationsfeltet, der har nul hvilemasse, nul elektrisk ladning og spin 2. I princippet kan gravitoner påvises i forsøg. Men da gravitationsinteraktionen er meget svag og praktisk talt ikke viser sig i kvanteprocesser, er det meget vanskeligt direkte at detektere gravitoner, og det er indtil videre ikke lykkedes for nogen videnskabsmand.
Klassificeringen af partikler i leptoner, hadroner og bærere af interaktioner udmatter den verden af subatomære partikler, vi kender. Hver type partikel spiller sin rolle i at forme strukturen af stof og universet.
3. Teorier om elementarpartikler.
3.1. Kvanteelektrodynamik (QED).
Kvanteteori kombinerer kvantemekanik, kvantestatistik og kvantefeltteori.
Kvantemekanik (bølgemekanik) er en teori, der etablerer metoden til beskrivelse og bevægelseslove for mikropartikler i givne ydre felter. Det giver os mulighed for at beskrive bevægelsen af elementarpartikler, men ikke deres generering eller ødelæggelse, dvs. det bruges kun til at beskrive systemer med et konstant antal partikler. Kvantemekanik er en af kvanteteoriens hovedgrene. Kvantemekanikken gjorde det for første gang muligt at beskrive atomers struktur og forstå deres spektre, etablere arten af kemiske bindinger, forklare det periodiske system af grundstoffer osv. Da egenskaberne af makroskopiske legemer er bestemt af bevægelsen og interaktionen mellem partiklerne der danner dem, kvantemekanikkens love ligger til grund for forståelsen af de fleste makroskopiske fænomener. Kvantemekanikken gjorde det således muligt at forstå mange egenskaber ved faste stoffer, forklare fænomenerne superledning, ferromagnetisme, superfluiditet og meget mere Kvantemekaniske love ligger til grund for kerneenergi, kvanteelektronik osv. I modsætning til klassisk teori virker alle partikler i kvantemekanikken. som bærere af både korpuskulære og bølgeegenskaber, som ikke udelukker, men komplementerer hinanden. Bølgekarakteren af elektroner, protoner og andre partikler bekræftes af partikeldiffraktionsforsøg. Tilstanden af et kvantesystem er beskrevet af en bølgefunktion, hvis kvadrat af modulet bestemmer sandsynligheden for en given tilstand og dermed sandsynligheden for værdierne af fysiske størrelser, der karakteriserer den. Det følger af kvantemekanikken, at ikke alle fysiske størrelser samtidigt kan have nøjagtige værdier. Bølgefunktionen adlyder superpositionsprincippet, som især forklarer partiklers diffraktion. Et karakteristisk træk ved kvanteteorien er diskretiteten af mulige værdier for en række fysiske størrelser: elektronernes energi i atomer, vinkelmomentum og dets projektion i en vilkårlig retning osv.; i klassisk teori kan alle disse størrelser kun ændre sig kontinuerligt. En grundlæggende rolle i kvantemekanikken spilles af Plancks konstant - en af naturens hovedskalaer, der adskiller de områder af fænomener, der kan beskrives af klassisk fysik, fra områder for den korrekte fortolkning af hvilke kvanteteori er nødvendig. Plancks konstant er opkaldt efter M. Planck. Det er lig med:
Ћ = h/2π ≈ 1,0546. 10 ^(-34) J. s
En generalisering af kvantemekanikken er kvantefeltteori - dette er en kvanteteori om systemer med et uendeligt antal frihedsgrader (fysiske felter). Kvantefeltteori er hovedapparatet i elementarpartiklernes fysik, deres interaktioner og indbyrdes omdannelser. Behovet for en sådan teori er genereret af kvantebølgedualisme, eksistensen af bølgeegenskaber i alle partikler. I kvantefeltteori er interaktion repræsenteret som et resultat af udveksling af feltkvanter. Denne teori omfatter teorien om elektromagnetiske (kvanteelektrodynamik) og svage interaktioner, som i moderne teori optræder som en enkelt helhed (elektro-svag interaktion), og teorien om stærk (nuklear) interaktion (kvantekromodynamik).
Kvantestatistik er den statistiske fysik af kvantesystemer, der består af et stort antal partikler. For partikler med et heltals spin er dette Bose Einstein-statistikken, og for partikler med et halvt-heltals spin er dette Fermi-Dirac-statistikken.
I midten af det tyvende århundrede blev der skabt en teori om elektromagnetisk interaktion - kvanteelektrodynamik QED - dette er en teori om interaktion mellem fotoner og elektroner, gennemtænkt til mindste detalje og udstyret med et perfekt matematisk apparat. QED er baseret på en beskrivelse af elektromagnetisk interaktion ved hjælp af konceptet virtuelle fotoner - dets bærere. Denne teori opfylder de grundlæggende principper for både kvanteteori og relativitet.
I centrum af teorien er analysen af handlingerne af emission eller absorption af en foton af en ladet partikel, såvel som udslettelse af et elektron-positron-par til en foton eller generering af et sådant par af fotoner.
Hvis elektroner i den klassiske beskrivelse er repræsenteret som en kugle med fast punkt, så betragtes i QED det elektromagnetiske felt, der omgiver elektronen, som en sky af virtuelle fotoner, der ubønhørligt følger elektronen og omgiver den med energikvanter. Efter at en elektron udsender en foton, producerer den et (virtuelt) elektron-positron-par, som kan tilintetgøre og danne en ny foton. Sidstnævnte kan absorberes af den originale foton, men kan generere et nyt par osv. Således er elektronen dækket af en sky af virtuelle fotoner, elektroner og positroner, som er i en tilstand af dynamisk ligevægt. Fotoner opstår og forsvinder meget hurtigt, og elektroner bevæger sig ikke i rummet langs veldefinerede baner. Det er stadig muligt på den ene eller anden måde at bestemme stiens start- og slutpunkter - før og efter spredning, men selve stien i intervallet mellem begyndelsen og slutningen af bevægelsen forbliver usikker.
Beskrivelsen af interaktion ved hjælp af en bærerpartikel førte til en udvidelse af begrebet en foton. Begreberne om en ægte (kvantum af lys synlig for os) og en virtuel (flygtig, spøgelsesagtig) foton, som kun "ses" af ladede partikler, der gennemgår spredning, introduceres.
For at teste, om teorien stemte overens med virkeligheden, fokuserede fysikere på to effekter, der var af særlig interesse. Den første omhandlede energiniveauerne for brintatomet, det enkleste atom. Ifølge QED skulle niveauerne være lidt forskudt i forhold til den position, de ville indtage i fravær af virtuelle fotoner. Den anden afgørende test af QED vedrørte den ekstremt lille korrektion til elektronens eget magnetiske moment. De teoretiske og eksperimentelle resultater af test af QED falder sammen med den højeste nøjagtighed - mere end ni decimaler. En sådan slående korrespondance giver ret til at betragte QED som den mest avancerede af de eksisterende naturvidenskabelige teorier.
Efter denne triumf blev QED vedtaget som en model for kvantebeskrivelsen af de andre tre fundamentale interaktioner. Selvfølgelig skal felter forbundet med andre interaktioner svare til andre bærerpartikler.
3.2. Teori om elektrosvag interaktion.
I 70'erne af det tyvende århundrede fandt en enestående begivenhed sted i naturvidenskaben: to fundamentale interaktioner ud af fire fysik blev kombineret til én. Billedet af naturens grundlæggende principper er blevet noget enklere. Elektromagnetiske og svage interaktioner, tilsyneladende meget forskellige af natur, viste sig faktisk at være to varianter af en enkelt elektrosvag interaktion. Teorien om elektrosvag interaktion havde en afgørende indflydelse på den videre udvikling af elementarpartikelfysikken i slutningen af det tyvende århundrede.
Hovedideen med at konstruere denne teori var at beskrive den svage interaktion i sproget i begrebet et målefelt, ifølge hvilket nøglen til at forstå interaktionernes natur er symmetri. En af de grundlæggende ideer i fysik i anden halvdel af det tyvende århundrede er troen på, at alle interaktioner kun eksisterer for at opretholde et bestemt sæt abstrakte symmetrier i naturen. Hvad har symmetri at gøre med fundamentale interaktioner? Ved første øjekast virker selve antagelsen om eksistensen af en sådan forbindelse paradoksal og uforståelig.
Først og fremmest om, hvad der menes med symmetri. Det er generelt accepteret, at et objekt har symmetri, hvis objektet forbliver uændret som følge af en eller anden operation for at transformere den. En kugle er således symmetrisk, fordi den ser ens ud, når den drejes i en hvilken som helst vinkel i forhold til dens centrum. Elektricitetens love er symmetriske med hensyn til udskiftning af positive ladninger med negative og omvendt. Med symmetri mener vi således invarians under en bestemt operation.
Der er forskellige typer symmetrier: geometrisk, spejl, ikke-geometrisk. Blandt de ikke-geometriske er der såkaldte gauge symmetrier. Målesymmetrier er abstrakte og er ikke direkte faste. De er forbundet med en ændring i referenceniveauet, skalaen eller værdien af en fysisk størrelse. Et system har målersymmetri, hvis dets natur forbliver uændret under denne form for transformation. Så for eksempel i fysik afhænger arbejdet af forskellen i højder, og ikke af den absolutte højde; spænding - fra potentialforskellen, og ikke fra deres absolutte værdier osv. De symmetrier, som revisionen af forståelsen af de fire fundamentale interaktioner bygger på, er netop af denne art. Måletransformationer kan være globale eller lokale. Måletransformationer, der varierer fra punkt til punkt, er kendt som "lokale" målertransformationer. Der er en række lokale målersymmetrier i naturen, og et passende antal felter er nødvendige for at kompensere for disse målertransformationer. Kraftfelter kan betragtes som et middel, hvorved naturen skaber sin iboende lokale målestok symmetri. Betydningen af begrebet gauge symmetri er, at det teoretisk modellerer alle fire fundamentale interaktioner, der findes i naturen. Alle kan betragtes som målefelter.
Fysikerne repræsenterer den svage interaktion som et målefelt og går ud fra det faktum, at alle partikler, der deltager i den svage interaktion, tjener som kilder til en ny type felt - et felt med svage kræfter. Svagt interagerende partikler, såsom elektroner og neutrinoer, bærer en "svag ladning", som er analog med en elektrisk ladning og binder disse partikler til et svagt felt.
For at repræsentere det svage interaktionsfelt som et målefelt er det først nødvendigt at etablere den nøjagtige form af den tilsvarende målersymmetri. Faktum er, at symmetrien af den svage interaktion er meget mere kompleks end den elektromagnetiske. Når alt kommer til alt, viser mekanismen for denne interaktion sig selv at være mere kompleks. For det første involverer den svage interaktion i for eksempel en neutrons henfald partikler af mindst fire forskellige typer (neutron, proton, elektron og neutrino). For det andet fører virkningen af svage kræfter til en ændring i deres natur (omdannelsen af nogle partikler til andre på grund af svag interaktion). Tværtimod ændrer elektromagnetisk interaktion ikke arten af de partikler, der deltager i den.
Dette bestemmer det faktum, at den svage interaktion svarer til en mere kompleks gaugesymmetri forbundet med en ændring i partiklernes natur. Det viste sig, at for at bevare symmetrien er der brug for tre nye kraftfelter her, i modsætning til et enkelt elektromagnetisk felt. En kvantebeskrivelse af disse tre felter blev også opnået: der skulle være tre nye typer partikler - bærere af interaktion, en for hvert felt. Samlet kaldes de spin-1 tunge vektorbosoner og er bærere af den svage kraft.
W+ og W-partikler er bærere af to af de tre felter, der er forbundet med den svage interaktion. Det tredje felt svarer til en elektrisk neutral bærerpartikel, kaldet Z-partiklen. Eksistensen af en Z-partikel betyder, at den svage interaktion muligvis ikke ledsages af elektrisk ladningsoverførsel.
I skabelsen af teorien om elektrosvag interaktion spillede begrebet spontan symmetribrud en nøglerolle: ikke enhver løsning på et problem skal have alle egenskaberne fra dets oprindelige niveau. Således kan partikler, der er helt forskellige ved lave energier, faktisk vise sig at være en og samme partikel ved høje energier, men i forskellige tilstande. Baseret på ideen om spontan symmetribrud var forfatterne af teorien om elektrosvag interaktion, Weinberg og Salam, i stand til at løse et stort teoretisk problem - de kombinerede tilsyneladende uforenelige ting: en betydelig masse af svage interaktionsbærere, på den ene hånd, og ideen om gauge-invarians, som antager den lange rækkevidde af målefeltet og betyder nul hvilemasse af bærerpartikler, på den anden side. Således blev elektromagnetisme og den svage interaktion kombineret til en samlet teori om målefeltet.
Denne teori præsenterer kun fire felter: det elektromagnetiske felt og tre felter svarende til svage interaktioner. Derudover er der indført et konstant skalarfelt (en type Higgs-felt) i hele rummet, som partikler interagerer forskelligt med, hvilket bestemmer forskellen i deres masser. Skalarfeltkvanter er nye elementære partikler med nul spin. De kaldes Higgs (opkaldt efter fysikeren P. Higgs, som foreslog deres eksistens). Antallet af sådanne Higgs-bosoner kan nå flere dusin. Sådanne bosoner er endnu ikke blevet eksperimentelt opdaget. Desuden anser en række fysikere deres eksistens for unødvendig, men en perfekt teoretisk model uden Higgs-bosoner er endnu ikke fundet. Til at begynde med har W- og Z-kvanter ingen masse, men symmetribrud får nogle Higgs-partikler til at smelte sammen med W- og Z-partikler, hvilket giver dem masse.
Teorien forklarer forskellene i egenskaberne ved elektromagnetiske og svage interaktioner ved at bryde symmetri. Hvis symmetrien ikke var brudt, ville begge interaktioner være sammenlignelige i størrelsesorden. Symmetribrud medfører et kraftigt fald i den svage interaktion. Vi kan sige, at den svage interaktion er så lille, fordi W- og Z-partiklerne er meget massive. Leptoner kommer sjældent tæt på så små afstande (r 10n cm, hvor n = -16). Men ved høje energier ( > 100 GeV), når W- og Z-partikler frit kan produceres, sker udvekslingen af W- og Z-bosoner lige så let som udvekslingen af fotoner (masseløse partikler). Forskellen mellem fotoner og bosoner er slettet Under disse forhold bør der være fuldstændig symmetri mellem de elektromagnetiske og svage interaktioner - den elektrosvage interaktion.
Test af den nye teori bestod i at bekræfte eksistensen af de hypotetiske W- og Z-partikler. Deres opdagelse blev kun mulig med skabelsen af meget store acceleratorer af den nyeste type. Opdagelsen af W- og Z-partikler i 1983 betød triumfen for teorien om elektrosvag interaktion. Der var ikke længere behov for at tale om de fire grundlæggende interaktioner. Der er tre af dem tilbage.
3.3. Kvantekromodynamik.
Det næste skridt på vejen til den store forening af fundamentale interaktioner er sammensmeltningen af den stærke interaktion med den elektrosvage interaktion. For at gøre dette er det nødvendigt at give et målefelts funktioner til den stærke interaktion og introducere en generaliseret idé om isotopisk symmetri. Den stærke vekselvirkning kan tænkes som et resultat af udvekslingen af gluoner, som sikrer bindingen af kvarker (parvis eller tripletter) til hadroner.
Ideen her er som følger. Hver kvark har en analog af elektrisk ladning, som tjener som en kilde til gluonfeltet. Det blev kaldt en farve (selvfølgelig har dette navn intet at gøre med almindelig farve). Hvis det elektromagnetiske felt er genereret af en ladning af kun én type, så var tre forskellige farveladninger påkrævet for at skabe et mere komplekst gluonfelt. Hver kvark er "farvet" i en af tre mulige farver, som ganske vilkårligt blev kaldt rød, grøn og blå. Og derfor er antikviteter anti-rød, anti-grøn og anti-blå.
På næste trin udvikles teorien om stærk interaktion efter samme skema som teorien om svag interaktion. Kravet om lokal målersymmetri (dvs. invarians med hensyn til farveændringer på hvert punkt i rummet) fører til behovet for at indføre kompenserende kraftfelter. Der kræves i alt otte nye kompenserende kraftfelter. Disse felters bærerpartikler er gluoner, og teorien indebærer således, at der skal være hele otte forskellige typer gluoner, mens bæreren af den elektromagnetiske kraft kun er én (foton), og bærerne af den svage kraft er tre. . Gluoner har nul hvilemasse og spin 1. Gluoner har også forskellige farver, men ikke rene, men blandede (f.eks. blå-anti-grøn). Derfor er emissionen eller absorptionen af en gluon ledsaget af en ændring i kvarkens farve ("farvespil"). Så for eksempel bliver en rød kvark, der mister en rød-anti-blå gluon, til en blå kvark, og en grøn kvark, der absorberer en blå-anti-grøn gluon, bliver til en blå kvark. I en proton udveksler tre kvarker for eksempel konstant gluoner og ændrer deres farve. Sådanne ændringer er imidlertid ikke vilkårlige i naturen, men er underlagt en streng regel: på ethvert tidspunkt skal den "samlede" farve på tre kvarker være hvidt lys, dvs. summen "rød + grøn + blå". Dette gælder også mesoner, der består af et kvark-antikvark-par. Da en antikvark er karakteriseret ved en antifarve, er en sådan kombination åbenlyst farveløs ("hvid"), for eksempel danner en rød kvark i kombination med en antirød kvark en farveløs meson.
Set fra kvantekromodynamikkens (kvantefarveteori) synspunkt er stærk interaktion intet andet end ønsket om at opretholde en vis abstrakt symmetri af naturen: opretholdelse af den hvide farve af alle hadroner, mens farven på deres bestanddele ændres. Kvantekromodynamik forklarer perfekt reglerne, der styrer alle kombinationer af kvarker, interaktionen af gluoner med hinanden, den komplekse struktur af en hadron bestående af kvarker "klædt" i skyer osv.
Det kan være for tidligt at vurdere kvantekromodynamikken som den endelige og komplette teori om den stærke interaktion, men dens resultater er ikke desto mindre lovende.
3.4. På vej til... Den store forening.
Med skabelsen af kvantekromodynamikken opstod der håb om skabelsen af en samlet teori om alle (eller mindst tre ud af fire) fundamentale interaktioner. Modeller, der beskriver mindst tre af de fire grundlæggende interaktioner på en samlet måde, kaldes Grand Unified-modeller. Teoretiske skemaer, der kombinerer alle kendte typer af interaktioner (stærke, svage, elektromagnetiske og gravitationelle) kaldes supergravitationsmodeller.
Erfaringen med succesfuldt at kombinere svage og elektromagnetiske interaktioner baseret på ideen om målefelter foreslog mulige måder til yderligere udvikling af princippet om fysikkens enhed og foreningen af grundlæggende fysiske interaktioner. En af dem er baseret på den forbløffende kendsgerning, at interaktionskonstanterne for de elektromagnetiske, svage og stærke vekselvirkninger bliver lig med hinanden ved samme energi. Denne energi blev kaldt foreningens energi. Ved energier over 10n GeV, hvor n = 14, eller ved afstande r 10n cm, hvor n = -29, er stærke og svage interaktioner beskrevet af en enkelt konstant, dvs. de har en fælles natur. Kvarker og leptoner kan næsten ikke skelnes her.
I 70-90'erne blev der udviklet flere konkurrerende teorier om den store forening. De er alle baseret på den samme idé. Hvis de elektrosvage og stærke kræfter virkelig kun er to sider af den store forenede kraft, så burde sidstnævnte også have et tilknyttet målefelt med en vis kompleks symmetri. Den (symmetri) skal være tilstrækkelig generel, i stand til at dække alle gauge symmetrier indeholdt i både kvantekromodynamik og teorien om elektrosvag interaktion. At finde en sådan symmetri er hovedopgaven i retning af at skabe en samlet teori om stærke og elektrosvage interaktioner. Der er forskellige tilgange, der giver anledning til konkurrerende versioner af Grand Unification-teorier.
Imidlertid har alle disse hypotetiske versioner af den store forening en række fælles træk:
For det første, i alle hypoteser er kvarker og leptoner - bærere af de stærke og elektrosvage vekselvirkninger - inkluderet i et enkelt teoretisk skema. Indtil nu er de blevet betragtet som helt forskellige objekter.
For det andet fører brugen af abstrakte gauge symmetrier til opdagelsen af nye typer felter, der har nye egenskaber, for eksempel evnen til at omdanne kvarker til leptoner. I den enkleste version af Grand Unified Theory kræves der fireogtyve felter for at omdanne kvarker til leptoner. Tolv af kvanta af disse felter er allerede kendt: en foton, to W-partikler, en Z-partikel og otte gluoner. De resterende tolv kvanter er nye supertunge mellembosoner, forenet under fællesnavnet X og Y - partikler (med en elektrisk ladning på 1/3 og 4/3). Disse kvanter svarer til felter, der opretholder bredere sporvidde symmetri og blander kvarker med leptoner. Følgelig kan kvanter af disse felter (dvs. X- og Y-partikler) omdanne kvarker til leptoner (og omvendt).
Baseret på Grand Unified teorier forudsiges mindst to vigtige mønstre, der kan og bør testes eksperimentelt: protonustabilitet og eksistensen af magnetiske monopoler. Eksperimentel påvisning af protonhenfald og magnetiske monopoler kunne give et stærkt argument til fordel for Grand Unified teorier. Eksperimentelle bestræbelser er rettet mod at teste disse forudsigelser. Men der er stadig ingen fast etablerede eksperimentelle data om dette spørgsmål. Faktum er, at Grand Unified teorier omhandler partikelenergier over 10n GeV, hvor n = 14. Dette er meget høj energi. Det er svært at sige, hvornår det vil være muligt at opnå partikler med så høje energier i acceleratorer. Dette forklarer især vanskeligheden ved at opdage X- og Y-bosonerne. Og derfor er hovedområdet for anvendelse og test af Grand Unified-teorier kosmologi. Uden disse teorier er det umuligt at beskrive det tidlige stadie af universets udvikling, hvor temperaturen af det primære plasma nåede 10n K, hvor n = 27. Det var under sådanne forhold, at supertunge partikler kunne fødes og tilintetgøres.
Således bliver det klart, at bevis for Grand Unified-teorien er fysikernes hovedopgave i dag, fordi denne teori vil ikke kun hjælpe med at forbinde forskellige fragmenter af menneskelig viden til et enkelt billede, men også tage et skridt i retning af at forstå universets oprindelse.
Bibliografi.
Skolebørns håndbog. 5-11 klassetrin. 2004
Computerleksikon af Cyril og Methodius. 2005
I. L. Rosenthal "Elementære partikler og universets struktur." 1984
Side 8
I naturen virker ikke én, men nogle gange flere typer gensidig påvirkning og egenskaber mellem elementarpartikler, og partiklernes struktur bestemmes af fællestrækket for alle typer af gensidig påvirkning, der deltager. For eksempel deltager protonen, som er en del af den hadroniske type af elementarpartikler, i stærk gensidig påvirkning, og i elektromagnetisk gensidig påvirkning på grund af, at det er en elektrisk ladet partikel. På den anden side kan en proton genereres i b-henfaldsprocessen af en neutron, det vil sige i svage gensidige påvirkninger, og den er således forbundet med svage gensidige påvirkninger. Og endelig deltager protonen, som en materiel formation med masse, i tyngdekraftens gensidige påvirkninger. I modsætning til protonen deltager en række elementarpartikler i alle former for gensidig påvirkning, men kun i nogle af deres typer. For eksempel deltager en neutron, på grund af det faktum, at den er en uladet partikel, ikke i elektromagnetiske gensidige påvirkninger, og elektronen og mu-mesonerne deltager ikke i stærke gensidige påvirkninger. Grundlæggende gensidige påvirkninger er årsagen til omdannelsen af partikler - deres ødelæggelse og generering. For eksempel producerer kollisionen af en neutron og en proton to neutroner og en positiv pimeson.
Perioden for omdannelse af elementarpartikler afhænger af den gensidigt påvirkende kraft. Nukleare reaktioner forbundet med stærke gensidige påvirkninger sker på 10-24 - 10-23 sekunder. Dette er den periode, hvor en elementær partikel omdannes til en højenergipartikel og opnår en hastighed tæt på lysets hastighed, dimensioner i størrelsesordenen 10-13 cm. Ændringer forårsaget af elektromagnetiske gensidige påvirkninger forekommer i 10-21 - 10-. 19 sekunder på grund af svage gensidige påvirkninger af ændringen (for eksempel processen med henfald af elementære partikler) – på 10-10 sekunder.
Perioden med forskellige ændringer, der forekommer i mikrokosmos, kan nærmes ud fra synspunktet om at ræsonnere om de skabende gensidige påvirkninger.
Kvanter af gensidig påvirkning af elementarpartikler realiseres gennem de fysiske felter, der svarer til disse partikler. I moderne kvanteteori forstås et felt som et system af partikler, der ændrer sig i antal (kønskvanter). Den tilstand, hvor feltet, og generelt feltkvanter eksisterer med den laveste energi, kaldes vakuum. Partikler af det elektromagnetiske felt (fotoner) i et vakuum i en tilstand af excitation mister de mekaniske egenskaber, som de indeholder, og som er iboende i korpuskulært stof (for eksempel under bevægelse mærker kroppen ikke friktion).
Vakuum indeholder ikke simple typer stof, men på trods af dette er det ikke tomhed i ordets egentlige forstand, så i vakuum opstår excitationskvanter af det elektromagnetiske felt - fotoner, som realiserer elektromagnetisk gensidig påvirkning. I et vakuum er der udover det elektromagnetiske felt andre fysiske felter, herunder gravitationsfeltet, som endnu ikke er noteret i de såkaldte gravitonforsøg.
Et kvantefelt er en samling af kvanter og er diskret i naturen. Således er den gensidige påvirkning af elementarpartikler, deres gensidige transformationer, emission og absorption af fotoner diskret i naturen og forekommer kun i en situation med kvantisering. Som et resultat heraf opstår følgende spørgsmål: hvori manifesteres feltets kontinuitet, dets kontinuitet? I både kvanteelektrodynamik og kvantemekanik beskrives felttilstanden entydigt ikke af observerbare virkelige fænomener, men kun af en bølgefunktion forbundet med det gensidige koncept. Kvadraten af denne funktions modul viser evnen til at observere de fysiske fænomener, der er under overvejelse.
Kvantefeltteoriens hovedproblem er beskrivelsen af forskellige typer gensidige påvirkninger af partikler i de tilsvarende ligninger. Dette problem har indtil videre kun fundet sin løsning inden for kvanteelektrodynamik, som beskriver de gensidige påvirkninger af elektroner, positroner og fotoner. Der er endnu ikke skabt en kvantefeltteori for stærke og svage gensidige påvirkninger. I øjeblikket er disse typer af gensidig påvirkning ikke beskrevet ved hjælp af strenge metoder. Selvom det er kendt, at det er umuligt at forstå elementarpartikler, hvis de ikke er i den tilsvarende fysiske teori, er det umuligt at forstå deres struktur, bestemt af strukturen af disse teorier. Derfor er problemet med strukturen af elementarpartikler endnu ikke fuldt ud løst.1 Moderne fysik på nuværende tidspunkt beviser eksistensen af komplekse partikler, der har den indre struktur af partikler, der betragtes som "elementære". Det blev kendt, at protonen og neutronen, som et resultat af de virtuelle processer, der forekommer i dem, gennemgår interne transformationer. Som et resultat af eksperimenter udført for at studere strukturen af protoner, blev det fastslået, at protonen, som indtil for nylig blev betragtet som udelelig, den enkleste og mest strukturløse, faktisk er en kompleks partikel. I midten er der en tæt kerne kaldet "kernen", den er omgivet af positive pi-mesoner.
Kompleksiteten af strukturen af "elementære" partikler blev bevist af kvarkhypotesen fremsat i 1964 af den amerikanske videnskabsmand Hel-Mann og uafhængigt af den svenske videnskabsmand Zweig. Ifølge denne hypotese skulle elementarpartikler med relationer karakteriseret ved stærke gensidige påvirkninger (hadroner: proton, neutron, hyperoner) dannes af kvarkpartikler, hvis ladning er lig med en tredjedel eller to tredjedele af elektronladningen. Teorien viser således, at de elektriske og baryonladninger af de markerede kvarker, der danner partiklerne, skal udtrykkes som et brøktal. Faktisk er partikler kaldet kvarker endnu ikke blevet opdaget og forbliver hypotetiske indbyggere i mikroverdenen på det nuværende niveau af videnskabelig udvikling.
Således er det på den ene side klart, at elementarpartikler har en særlig struktur, på den anden side er arten af denne struktur stadig uklar. Fra ovenstående data bliver det klart, at elementarpartikler slet ikke er elementære, de har en indre struktur og kan opdeles og omdannes til hinanden. Vi ved stadig meget lidt om begge strukturer. Således kan vi i dag, baseret på en række fakta, hævde, at stoffet om elementarpartikler er en ny type, kvalitativt forskellig fra mere komplekse partikler (kerne, atom, molekyle). Samtidig er denne forskel så væsentlig, at de kategorier og udtryk, vi bruger, når vi studerer kerner, atomer, molekyler, makroskopiske legemer ("simpelt" og "komplekst", "indre struktur", "dannet") også kan anvendes på elementære partikler. Begreberne "simpelt og komplekst", "komponentdele", "struktur", "helhed" er generelt relative begreber. For eksempel, på trods af at et atom har en kompleks struktur, og dets struktur består af nukleare og elektroniske lag, er det enklere sammenlignet med dets molekyle.
Alle i øjeblikket kendte elementarpartikler kan opdeles i grupper efter deres generelle egenskaber og forhold til interaktion. Der er fire kendte sådanne interaktioner i naturen: stærk, elektromagnetisk, svag og gravitationel.
Stærk interaktionen har den højeste intensitet sammenlignet med andre interaktioner. Det bestemmer forbindelsen mellem protoner og neutroner i atomkerner (gennem udveksling af virtuelle n-mesoner), hvilket sikrer den exceptionelle styrke af disse formationer.
Elektromagnetisk interaktion kendetegner mindre intense processer. Det bestemmer forbindelsen af atomare elektroner med kerner, forbindelsen af atomer i molekyler, samt vekselvirkningen af stof med elektromagnetiske felter.
Svag interaktion karakteriserer processer forbundet med partiklerne selv, især med (β-henfald, samt med henfaldene af μ, π, K-mesons og hyperoner. Det viste sig, at den svage interaktion er universel af natur, alle partikler deltager i den Levetiden for de fleste af disse partikler ligger i området 10 -8 - 10 -10 s, mens den typiske tid for stærke vekselvirkninger er 10 -23 -10 -24 s. En illustration af en sådan interaktion er det faktum, at neutrinoer , der kun er i stand til svag interaktion, kan passere uhindret gennem substansafstand ~10 14 km.
Gravitationel interaktionen, der er så kendt for sine makroskopiske manifestationer, i tilfælde af elementarpartikler frembringer ekstremt ubetydelige virkninger på grund af den lille størrelse af deres masser. Disse effekter øges imidlertid også betydeligt i mikrokosmos ved afstande i størrelsesordenen 10-33 cm, da massen af genererede partikler øges. Disse interaktioner spiller en dominerende rolle i megaverdenen.
Sammenligning af disse fire interaktioner med dimensionsløse parametre forbundet med kvadraterne af de tilsvarende interaktionskonstanter giver følgende forhold for stærk, elektromagnetisk, svag og gravitationel: 1:10 -3:10 -10:10 -38. Generelt afhænger intensiteten af forskellige processer forskelligt af energi, så efterhånden som energien af interagerende partikler stiger, ændres den relative rolle af forskellige interaktioner.
Afhængigt af deres deltagelse i visse typer af interaktioner, kan alle partikler, som vi allerede har angivet, opdeles i fire grupper.
Gruppe I: e, μ, τ, ν e, ν μ, ν τ - leptoner deltage i svage og elektromagnetiske interaktioner; II gruppe består af stærkt interagerende partikler (der er nu mere end 300 af dem), kaldet hadroner(de deltager også i svage og elektromagnetiske interaktioner).
Studiet af hadroner førte til den konklusion, at de har noget til fælles i deres struktur. I 1964 antog M. Gell-Mann og J. Zweig en hypotese, at strukturen af alle hadroner inkluderer genstande, der er eksotiske i deres egenskaber, kaldet kvarker. Det blev antaget, at der er tre typer kvarker u, d, s, hvis ladninger er fraktioneret e u = + 2 / 3, e d = e s = - 1 / 3 af elektronladningen, og masserne m u = m d ~300 MeV, m s ~450 MeV. Efterfølgende, som krævet af logikken i udviklingen af teorien, for at beskrive de svage vekselvirkninger mellem hadroner (svage henfald) var det nødvendigt at introducere en anden type kvarker, de såkaldte c-kvarker med en ladning e c = e u = + 2/3 elektronladning. Denne kvark er karakteriseret ved et nyt kvantetal kaldet charme.
I november 1974 blev en ny J/ψ-partikel opdaget med usædvanlige egenskaber (masse 3,1 GeV, cirka tre gange massen af en proton), levetid ~10 -20 s (dvs. 1000 gange længere end nogen kendte tidligere partikler med så stor en masse). Det opdeles i par e + + e - eller μ + + μ - . Snart blev der også opdaget en partikel, kaldet ψ" (masse 3,7 GeV).
Eksperimenter har vist, at J/ψ, ψ"-partikler tilhører en hel familie af mesoner, hvilket godt svarer til spektret af charmonium med en effektiv masse svarende til den forudsagte masse af c-kvarken (m c ≈1,6 GeV). bekræftelse af eksistensen af c-kvarken er det nødvendigt, at hadroner med åbenlys "charme" blev opdaget. Fænomener, der indikerer fødslen af charmerede partikler, er nu blevet opdaget.
Fysikere mener, at eksistensen af c-kvarken er blevet eksperimentelt bekræftet. Men da eksistensen af c-kvarker var baseret på antagelsen om eksistensen af lette kvarker - u, d, s, er opdagelsen af charmerede hadroner af fundamental betydning for at bekræfte sandheden af hele kvarkhypotesen.
Teoretiske fysikere er kommet til den konklusion, at kvarker af hver type skal være i en af tre tilstande, som nu normalt er karakteriseret ved tre blomster(for eksempel gul, blå, rød); de antyder, at kvarkernes stærke samspil er deres farves samspil med et nyt felt, det såkaldte. gluonisk (fra det engelske lim - lim, fordi dette felt ser ud til at "lime" kvarkerne i hadronen). Gluon felt kvanta - gluoner- ikke deltage i elektromagnetiske og svage interaktioner. De ændrer ikke kun kvarkens farvetilstand, men bærer også selv farve og interagerer med gluonfeltet. Alt dette gav, analogt med kvanteelektrodynamik, anledning til en ny gren af fysikken - den såkaldte kvantekromodynamik.
Det er vigtigt at understrege, at kvarker og gluoner ikke observeres i en fri tilstand, de "flyver ikke ud" fra hadroner.
Der er særlige undersøgelser, der beviser den fundamentale umulighed af eksistensen af kvarker i en fri stat.
Fysikere har længe forsøgt at skabe en konsekvent teori om svage interaktioner. I 1967 foreslog S. Weinberg og A. Salam en version af en sådan teori – de byggede en model baseret på brugen af generelle principper for symmetri. Denne teori forudsagde eksistensen af hidtil ukendte partikler - kvanta af specielle vektorfelter, der er ansvarlige for overførslen af både svage og elektromagnetiske interaktioner.
To af disse W ± partikler skal have ladninger og kan faktisk observeres, da det efter deres mening er udvekslingen af ladede W ± mesoner, der giver anledning til den svage vekselvirkning af de såkaldte ladede strømme. Hvad angår de to neutrale partikler W°, B°-kvanter af neutronfelter, kan kvanter af enhver lineær kombination af dem være fysisk observerbare:
hvor Θ W er den såkaldte Weinberg-vinkel.
Det blev vist, at en af deres kombinationer - det såkaldte felt A - er identificeret med det elektromagnetiske felt, og udvekslingen af neutrale Z° mesoner giver anledning til en ny type svage interaktioner - den såkaldte neutrale strømme, som blev opdaget i 1973. De blev den første bekræftelse af Weinberg-Salam-modellens relative sandhed. I øjeblikket er W ± og Z° partikler åbne.
Det er også nødvendigt at være opmærksom på opdagelsen af nye leptoner. Dette er en yderst sjælden begivenhed. Det er tilstrækkeligt at huske, at elektronen (e) blev opdaget i 1897 og myonen (μ) i 1936-1938. I 1975-1976 beviser viste sig til fordel for eksistensen af τ ±, den såkaldte tunge lepton med en masse på 1,8 GeV (2 Mr). At studere τ-leptonen giver endnu et argument til fordel for tre kvarker. Det blev også foreslået, at der er en ny lepton (v τ - en ny neutrino), τ-leptonen har et nyt lepton kvantetal, som blev kaldt sequalepton(fra engelsk sekventiel - sekventiel).
Yderligere forskning førte til den konklusion, at for at genoprette symmetrien ville det være nødvendigt at øge antallet af kvarker. Fire var ikke længere nok til at beskrive mikroverdenens objekter, det var nødvendigt at introducere yderligere to kvarker. Faktum er, at i maj - juni 1977 opnåede L. Ledermans gruppe vigtige resultater, nemlig opdagelsen af en ny familie af tunge partikler med masser af ~10 GeV.
Opdagelsen af disse partikler (de blev kaldt γ-mesoner) bragte behovet for eksistensen af en endnu tungere "b" kvark med en effektiv masse m b ~5 GeV til live med et nyt kvantetal, kaldet "skønhed".
De nye γ-mesoner er partikler med en skjult charme. Studiet af hadroner og leptoner har således beriget videnskaben med viden om nye objekter, deres kvantitative og kvalitative egenskaber og deres interaktioner. Alt dette indikerer fremkomsten af en ny æra i studiet af mikroobjekters uudtømmelige egenskaber, som sammen med forskellige felter udgør et fragment af den integrerede materielle verden.
Nu er der håb for skabelsen af en samlet teori om interaktion. På et tidspunkt forsøgte A. Einstein at skabe sådan en feltteori. W. Heisenberg gjorde også en stor indsats for at opbygge en samlet (såkaldt spinor) teori om "urstof". Nu har vi været vidne til fremkomsten af en anden version af den forenede teori om interaktion, kaldet den store forening.
Det har allerede været muligt at skabe en samlet elektrosvag interaktion, og der er opnået opmuntrende resultater ved at kombinere de stærke og elektrosvage interaktioner; Desuden er stærke og svage interaktioner selv dens manifestation. Uden for foreningen er gravitationel interaktion stadig tilbage, men der er allerede tilgange til at inkludere den (supersymmetri) i en samlet teori om interaktion.
Den moderne udvikling af elementær partikelfysik har gjort det muligt at vise, at kendte partikler (leptoner, hadroner, kvarker, gluoner, fotoner) i væsentlig grad bestemmer detaljerne i mikroverdenens processer. Tilsyneladende er denne liste langt fra komplet, ligesom teorien om elementarpartikler selv.
Som nævnt har elementærpartikelfysik et væld af empirisk materiale, og teorien giver allerede en rationel forklaring på en væsentlig del af det. Det halter dog stadig væsentligt bagefter eksperimentet og er ikke et internt lukket system af visse principper og begreber, selvom dets begrebsapparat er meget mere rummeligt og adskiller sig fra tidligere eksisterende teoriers apparat.
Lad os nu i retrospekt overveje nogle forsøg på at konstruere en samlet teori, der dækker alle partikler og felter. Der er to hovedtendenser her, i sidste ende relateret til hinanden. Den første af dem stammer fra ideen om Louis de Broglie, som består i at basere den simpleste bølgefunktion af spinor-typen og beskrive en partikel med minimalt ikke-forsvindende vinkelmomentum, dvs. spin S = 1/2 (i brøkdele af h / 2π). Ved at kombinere disse bølgefunktioner (i sidste ende multiplicere), opnår vi under nogle yderligere betingelser gennem en lignende "fusion" alle andre mulige bølgefunktioner af partikler med spin 0,1; 3/2; 2... Ved at kombinere to vinkelmomentum + 1/2 og - 1/2 får vi 0, ved at kombinere to vinkelmomentum + 1/2 og + 1/2 får vi 1 (da spins + 1/2 kun kan være orienteret parallelt eller antiparallelt). Ved at bruge fusionsmetoden er det muligt, ved at kombinere to Dirac-ligninger, der beskriver spin-partikler ("fermioner"), at opnå Klein-Gordon- og Prock-ligningerne, og i det specielle tilfælde med forsvindende hvilemasse - Maxwell-ligningerne for elektrodynamik. På den måde er det i princippet muligt at konstruere fotoner ud fra neutrino-antineutrino-par. Ideerne bag neutrinoteorien om lys af Louis de Broglie blev udviklet af Kronig, Jordan og A. Sokolov.
Det svage punkt ved fusionsmetoden er fraværet af kræfter, der bestemmer selve fusionen. Det er fortsat uklart, hvad der får f.eks. neutrinoer til at blive til elektromagnetiske feltkvanter. Den såkaldte ikke-lineære unified spinor-teori om stof af W. Heisenberg forsøgte at besvare dette spørgsmål. Navnet på denne teori er klart uheldigt. Diskussionen handlede om at skabe en samlet teori om elementarpartikler og felter, og ikke om teorien om stof, fordi den eneste teori om stof som en objektiv virkelighed, der eksisterer uden for og uafhængigt af det erkende subjekt, er den dialektiske materialisme. Hvis vi tager et samlet spinorfelt som grundlag for den nye teori, så er det kun i stand til at interagere med sig selv. Dette fører til forekomsten af såkaldte ikke-lineære termer i Dirac-ligningerne (som først blev introduceret af D. Ivanenko tilbage i 1938), og derefter overvejet mere detaljeret af W. Heisenberg (193, 441-485; 34).
Denne teori giver ikke nøjagtige værdier for partikelmasser og koblingskonstanter, men det er uden tvivl et af forsøgene, der fortjener opmærksomhed, selvom det ikke er uden sine mangler. Dette er kun et forskningsprogram, der ikke skal overvurderes, som det allerede har været tilfældet i enkelte artikler publiceret i vores presse.
Det skal erindres, at for flere år siden blev ukorrektheden af den matematiske fortolkning af Heisenbergs spinor-teori afsløret, og det blev også vist, at den ubestemte metrisk indført af Heisenberg fører til en krænkelse af mikrokausalitet. Man kan med god grund tro, at Heisenbergs konkrete forsøg på at skabe en samlet teori om elementarpartikler hidtil har slået fejl, men hans valgte forskningsretning skal ikke udelukkes I de senere år er der sket en ejendommelig tilbagevenden til W. Heisenberg.
I 1958 i USA, da Pauli rapporterede om Heisenbergs teori, kom N. Bohr, som var til stede ved diskussionen, med en bemærkning: "For a new theory, Heisenbergs theory is not crazy enough" (crasy) (23, 20). N. Bohr mente fraværet af en usædvanlig, besynderlig idé i denne teori. Efter vores mening har fysikere endnu ikke en sådan idé. Akademiker I. Tamm betragtede den mest lovende retning i udviklingen af teorien om elementarpartikler for at være forsøg på radikalt at revidere vores rum-tid-koncepter som anvendt på ultra-små skalaer. Han henviser til udsagn fra akademiker L. T. Mandelstam om uanvendeligheden af almindelige begreber om rum og tid på nukleare skalaer, såvel som til arbejdet af X. Snyder (1947), der foreslog en metode til at kvantisere rum og tid, hvilket førte til konklusion om, at rummet er diskret. Snyder viste, at kvantiseret rum, det vil sige rummet af koordinater, der ikke pendler med hinanden, er diskret og på samme tid isotropisk. Imidlertid fik Snyders ideer næsten ingen videreudvikling med undtagelse af Golfands og Kadyshevskys værker.
V. G. Kadyshevsky (50. 1961. 136. (1)) foreslog at indføre en universel længde "l" i teorien om elementarpartikler baseret på ændringer i rumtidens geometri. Han mente, at den nye geometri skal opfylde følgende betingelser:
a) formen S 2 = X 2 0 - X 2 2 er ikke-invariant for koordinattransformationen, og gruppen af bevægelser ville tillade en lavere grad af isotropi af 4-rummet end Lorentz-gruppen;
b) ikke-invarians af intervallet og tilstedeværelsen af en universel længde ville være årsagerne til ikke-bevarelse af paritet;
c) der skal være en undergruppe, for hvilken S 2 er en invariant, således at symmetrierne af store områder af 4-rum - store sammenlignet med den elementære længde "l" - kan beskrives. Forfatteren forbinder længden "l" med værdien C - den universelle konstant for svag interaktion. Efter at have valgt multiplikatorerne " h" og "C" for "l" følger værdien 7 * 10 -17 cm. Dette og arbejdet, der fulgte det, er meget interessant, men indtil videre er mulighederne for denne teori uklare.
I 1959 betragtede den canadiske fysiker H. Coish og den sovjetiske fysiker I. S. Shapiro i deres forskning et diskret rum bestående af et begrænset antal elementer og viste god overensstemmelse mellem en række konklusioner med eksperimentelle data. Dette er også en af de mulige søgeveje, der bringer os tættere på skabelsen af en systematik af elementarpartikler, til en ny generaliserende fysisk teori. Imidlertid vurderede I. S. Shapiro, der talte i 1962 ved mødet om filosofiske problemer i elementærpartikelfysik, hans arbejde som en indledende fase, meget fjernt fra skabelsen af en teori, der tillader sammenligning med erfaring. En filosofisk analyse af dette problem blev givet af R. A. Aronov (31.1957.3).
I fysik blev spørgsmål om de såkaldte spektrale repræsentationer og spredningsforhold overvejet. Ifølge en række fysikere var dette et slags nyt trin i dets udvikling, hvor de analytiske egenskaber af fysiske størrelser (for eksempel spredningsamplitude) blev undersøgt, da de strækker sig fra reelle værdier til det komplekse område. Anvendelsen af en kompleks variabels funktionsteori på disse størrelser gav ekstremt vigtige resultater. Mandelstam (99) introducerede dobbeltspredningsrelationer under hensyntagen til komplekse værdier af ikke kun energi, men også momentum. Regge foreslog en generalisering af S-matrix formalisme og spredningsrelationer til komplekse værdier af vinkelmomentum. Som et resultat af brugen af "registrering" blev sammenhængene mellem sandsynlighedsamplituderne af forskellige spredningsprocesser bestemt: ππ, πN, NN osv. ved høje energier. Der er dog data (inden for ultrahøjenergifysik), der begrænser "registrets" påstande til, at deres ideer er fuldstændige.
Akademiker I. Tamm anså spredningsteorien for at være til en vis grad fænomenologisk, da den, uden at gå ind i mekanismen for elementære fysiske fænomener, uddrager fra eksperimentelle data de numeriske værdier af en række parametre inkluderet i den og derefter korrekt forudsiger. resultaterne af en meget bredere række af eksperimenter end dem, på grundlag af hvilke disse parametre blev bestemt. I anden udgave af denne bog skrev vi (s. 194), at selvom der ved første øjekast er en tæt enhed af teori og praksis, forekommer det os, at teorien i sig selv er af receptpligtig karakter. Vi var enige i I. Tamms konklusion om, at "dispersionsteoriens succeser (både nutid og fremtid) slet ikke løser hovedproblemet med at skabe en ny fysisk teori baseret på et begrænset antal generelle principper og postulater" (23, 21) . Efterfølgende udviklinger inden for fysik bekræftede disse antagelser. Der har været mange andre forsøg på at konstruere en teori om elementarpartikler. Lad os kort se på nogle af dem.
Fermi og Young foreslog at betragte n-mesonen som dannet af et nukleon og et antinukleon ved hjælp af nogle stadig ukendte kræfter, der virker på ekstremt korte afstande p+¯p = π. Den enorme potentielle bindingsenergi "æder" næsten hele massen af begge nukleoner og efterlader kun pionens masse. Forslaget fra S. Sakata, som baserede teorien på p, π, λ og tre tilsvarende antipartikler, vakte interesse. Så ved at kombinere disse fundamentale partikler kan du få alle pioner, K-mesoner og hyperoner. "Denne model," skrev S. Sakata, "tiltrak sig opmærksomhed, da den ikke kun tjente som et "væsentligt" grundlag for strukturen af den stærke interaktion, men også gjorde det muligt at forklare massespektret af sammensatte partikler og forudsagde eksistensen af resonanspartikler, der dengang blev opdaget” (74, 168). Imidlertid forblev arten af adhæsionskræfterne uklar. Der kræves et minimum af tre fundamentale partikler for at sikre tilstedeværelsen af sådanne fundamentale egenskaber som ladning, isospin, mærkelighed (repræsenteret af λ-hyperonet). Det er igen klart, at grundlaget skal være på "roterende" spinorpartikler, fermioner, da der i mangel af "rotation" ikke ville være nogen steder at få det fra. Vi ser her en slags genoplivning af teorien om Helmholtz og Kelvin, som forsøgte sig i midten af det 19. århundrede. bygge stof fra hypotetiske æteriske hvirvler.
Da Sakata konstruerede den "sammensatte" model, gik Sakata ud fra følgende syn på elementarpartikler: "... Jeg betragter elementarpartikler som et af et endeløst antal niveauer af stofstrukturen, kvalitativt forskellige fra hinanden og kollektivt dannende natur. Mit synspunkt er baseret på bestemmelserne i den materialistiske dialektik... det er først og fremmest nødvendigt at fastslå, om de tredive typer af elementarpartikler, der er opdaget til dato, tilhører et eller flere forskellige niveauer af stoffets struktur" (31 1962. 6, 134). Sakata og hans samarbejdspartnere forsøgte at inkludere leptoner i deres plan. Grundlaget er taget af leptonerne e - , v, μ og noget "baryon" felt B (det såkaldte B-stof). Ved at kombinere en af leptonerne med B-feltet får de fundamentale partikler. Således er ligheden bemærket af Marshak - Gamba - Okuba (203) mellem baryoner (р, π, λ og leptoner v, e -, μ -). Den samme symmetri realiseres i den ikke-lineære spinorteori om partikler.
Marshak kaldte sine ideer om symmetri for "Kyiv-symmetri", da de blev født på symposier ved Kyiv-konferencen om højenergifysik i sommeren 1959. Vi taler (som vi allerede har nævnt) om en eller anden analogi, der eksisterede mellem trillinger af baryoner (p, π, λ) og leptoner (v, e - , μ -). Ethvert led i fire-fermion-interaktionen, med deltagelse af operatørerne af disse partikler, kan sammenlignes med et lignende udtryk opnået fra den første ved at erstatte λ med μ -, π med e -, p med v. Så, hvis en proces er tilladt/forbudt før udskiftningen, så forbliver den tilladt/forbudt efter at have erstattet en partikel fra baryon/lepton triaden med en "symmetrofaktor" fra lepton/baryon triaden. Marshak påpeger, at han omhyggeligt analyserede alle eksperimentelle data og ikke fandt et enkelt tilfælde, der modsiger den specificerede "symmetri", men arten af denne symmetri forbliver uklar. Nu hvor kvarkmodellen allerede er blevet skabt, er det blevet muligt at fortolke Kyiv-symmetrien som korrespondancen af fire kvarker - u, c, d, s til fire leptoner - v e, v μ, e, μ, men karakteren af denne symmetri er stadig ikke velkendt.
Vi ved, at ethvert, selv det mest succesrige forsøg på at skabe en samlet teori om stof og felt, uundgåeligt vil være midlertidigt, forbigående. Yderligere teoretisk og eksperimentel indtrængen i mikrokosmos dybder og stadig bredere studier af fænomener i rummet, der uundgåeligt krænker ethvert enkelt billede, vil føre til dets opløsning i separate elementer, indtil tendenser til at forene igen opstår på et højere niveau.
Indførelsen af forskellige begreber, der afspejler partiklernes virkelige egenskaber (isotopisk spin, mærkværdighed, baryonladning osv.) bragte os tættere på den korrekte klassificering af partikler. En stor rolle i klassificeringen af mikropartikler hører til princippet om symmetri. Det er let at bemærke, at elementarpartikler af hver klasse (fotoner, leptoner, mesoner, hyperoner) har visse symmetriegenskaber, der er fælles for dem, men vi vil overveje dette spørgsmål mere detaljeret i løbet af den videre præsentation.
J. Chu, M. Gell-Mann og I. Neeman (21, 5E) foreslog en ny klassificering af stærkt interagerende partikler af stof, hvor opdelingen af partikler i elementære og komplekse (sammensatte) mister sin betydning. Disse forfattere foreslog at overveje partikler forenet i grupper (supermultipletter), således at partikler med forskellige hvilemasser i hver gruppe kan betragtes som forskellige exciterede tilstande i det samme system. Massespektret af partikler i dette skema har en tæt analogi med spektret af energitilstande for atomet. Hver af partiklerne kan betragtes med lige store grunde både som simple og komplekse. For at finde massespektret foreslås to metoder: Den ene er baseret på egenskaberne ved symmetri og gruppeteori, den anden er baseret på brugen af såkaldte Regge-baner, dvs. kurver, der forbinder massen af en partikel med dens indre vinkelmomentum (spin) i hver gruppe.
Mange fysikere mener i øjeblikket, at Gell-Mann-oktetordningen er den mest succesfulde. Det er baseret på princippet S.U.(3) symmetri. De otte kendte baryoner anses for at være en supermultiplet svarende til højere symmetri; denne symmetri brydes, og supermultipletten opdeles i isotopiske spin-multipletter. Stærkt interagerende partikler er beskrevet i rummet af "unitary spin", som har otte komponenter: de første tre er isospin-komponenter, de næste fire fungerer som mærkværdighedsmodificerende operatorer, og den sidste er proportional med hyperladningen. Når højere symmetri ("unitary") brydes, bevares isospin og hypercharge, og komponenterne i unitary spin, der svarer til mærkværdigheden, ændres; Som et resultat opdeles supermultipletten i isotopiske spin-multipletter. Gell-Mann-teorien tager således til en vis grad hensyn til den dybe dialektiske enhed af symmetri og asymmetri i elementarpartiklernes verden. Dette er det, der tillod denne teori at forene stærkt interagerende partikler i henhold til et harmonisk skema og samtidig afspejle deres specificitet (asymmetri af egenskaber). Gell-Mann oktetskemaet demonstrerer endnu en gang symmetriprincippets enorme heuristiske kraft. Inden for rammerne af "8-fold path"-hypotesen, baseret på begreberne symmetri og bevarelseslove, blev eksistensen af Ω-hyperonet forudsagt, som blev opdaget ved Brookhaven-acceleratoren i USA (214). På et tidspunkt skrev vi, at de succeser, der var resultatet af at tage højde for egenskaben ved enhedssymmetri i teorien, giver os håb om, at eksperimentelle undersøgelser vil føre til opdagelsen af andre partikler med en fraktioneret elektrisk ladning forudsagt af teorien (± 1/ 3 og ± 2/3 af elektronladningen), de såkaldte kvarker. Den efterfølgende udvikling af fysikken begrundede disse håb.
Lad os pege på nogle flere forsøg på at systematisere elementarpartikler. Således foreslog M.A. Markov (204) for flere år siden en original model Maximonov. Med udgangspunkt i ideerne fra den generelle relativitetsteori viste han, at makro- og mikroverdenen kan krydse hinanden tæt. Det formelle grundlag for indførelsen af nye hypotetiske elementer var det faktum, at af de vigtigste verdenskonstanter i moderne fysisk teori kan der laves to kombinationer med dimensionen masse. En af disse mængder har en numerisk værdi på en milliontedel af et gram, og den anden har en numerisk værdi ti gange større. Maksimonerne introduceret på denne måde er 10 19 gange større i masse end rigtige hadroner (stærkt interagerende partikler). Maximoner er så tunge for deres rumlige dimensioner, at "disse partikler ikke kan detekteres i noget fartøj på Jordens overflade De falder til planetens centrum under påvirkning af tyngdekraften... Siden fødslen af maximoner kræver en energi på 10 28 eV, er muligheden for fødslen af maximoner selv ved acceleratorer i den fjerne fremtid udelukket" (53.1966.51, 878).
Analyse af eksisterende modeller viser nogle forskelle i deres forfatteres tilgang til problemet med systematisering af mikroobjekter. Nogle går ud fra visse egenskaber ved elementarpartikler og felter og forsøger at løse problemet med strukturen af mikroobjekter ved at introducere nye egenskaber ved rum-tidssymmetri, andre bevarer tværtimod de kendte egenskaber for rum og tid, men at forklare strukturen af mikropartikler de introducerer nye karakteristika for egenskaberne af materielle mikroobjekter og felter. En sådan forskel i tilgange til at løse det samme problem er fuldstændig berettiget.
Montering af plastvinduer i Tomsk til en attraktiv pris fra BFK firmaet.