Elementaarosakeste füüsika on tihedalt seotud aatomituuma füüsikaga. See piirkond kaasaegne teadus põhineb kvantkontseptsioonidel ja tungib oma arengus veelgi mateeria sügavustesse, paljastades selle aluspõhimõtete salapärase maailma. Elementaarosakeste füüsikas on teooria roll äärmiselt oluline. Kuna selliseid materiaalseid objekte ei ole võimalik vahetult jälgida, seostatakse nende kujutisi matemaatilised võrrandid, millele on kehtestatud keelavad ja lubavad reeglid.
Definitsiooni järgi on elementaarosakesed esmased lagunematud moodustised, millest oletuse kohaselt koosneb kogu aine. Tegelikult kasutatakse seda terminit laiemas tähenduses - tähistamaks suurt aine mikroosakeste rühma, mis ei ole struktuurselt ühendatud tuumadeks ja aatomiteks. Enamik osakeste füüsika uurimisobjekte ei vasta elementaarsuse rangele määratlusele, kuna need on liitsüsteemid. Seetõttu nimetatakse seda nõuet rahuldavaid osakesi tavaliselt tõeliselt elementaarseteks.
Esimene elementaarosake, mis avastati mikrokosmose uurimise käigus 19. sajandi lõpus, oli elektron. Järgmisena avastati prooton (1919), seejärel tuli neutron, mis avastati 1932. Positroni olemasolu ennustas teoreetiliselt P. Dirac 1931. aastal ja 1932. aastal avastati see positiivselt laetud elektroni “kaksik”. kosmilised kiired Karl Anderson. Oletuse neutriinode olemasolust looduses esitas W. Pauli 1930. aastal ja see avastati katseliselt alles 1953. Kosmiliste kiirte koostises leiti 1936. aastal mu-mesoneid (muone) - mõlema märgi osakesi. elektrilaeng massiga umbes 200 elektroni massi. Muus osas on müüonite omadused väga lähedased elektroni ja positroni omadustele. Ka kosmilistes kiirtes avastati 1947. aastal positiivsed ja negatiivsed pi-mesonid, mille olemasolu ennustas Jaapani füüsik Hideki Yukawa aastal 1935. Hiljem selgus, et on olemas ka neutraalne pi-meson.
50ndate alguses. suur osakeste rühm väga ebatavalised omadused, mis ajendas neid nimetama "veidraks". Selle rühma esimesed osakesed avastati kosmilistes kiirtes, need on mõlema märgi K-mesonid ja K-hüperon (lambda-hüperon). Pange tähele, et mesonid said oma nime kreeka keelest. "keskmine, keskmine" tuleneb asjaolust, et esimeste seda tüüpi osakeste (pi-mesonite, mu-mesonite) massidel on nukleoni ja elektroni massi vahepealne mass. Hüperonid on saanud oma nime kreeka keelest. "üleval, kõrgemal", kuna nende mass ületab nukleoni massi. Järgnevad kummaliste osakeste avastused tehti laetud osakeste kiirendite abil, millest sai põhiline elementaarosakeste uurimise tööriist.
Nii avastati antiprooton, antineutron ja hulk hüperoneid. 60ndatel Avastati märkimisväärne hulk ülilühikese elueaga osakesi, mida nimetati resonantsideks. Nagu selgus, kuulub enamik teadaolevaid elementaarosakesi resonantsidesse. 70ndate keskel. avastati uus elementaarosakeste perekond, mis sai romantilise nime "võlutud", ja 80ndate alguses - "ilusate" osakeste perekond ja nn vahepealsed vektorbosonid. Nende osakeste avastamine oli hiilgav kinnitus elementaarosakeste kvargimudelil põhinevale teooriale, mis ennustas uute osakeste olemasolu ammu enne nende avastamist.
Seega avastati loodusest aja jooksul pärast esimese elementaarosakese – elektroni – avastamist palju (umbes 400) aine mikroosakest ning uute osakeste avastamise protsess jätkub. Selgus, et elementaarosakeste maailm on väga-väga keeruline ning nende omadused on mitmekesised ja sageli äärmiselt ootamatud.
Kõik elementaarosakesed on äärmiselt väikese massi ja suurusega materiaalsed moodustised. Enamiku nende mass on suurusjärgus prootoni mass (~10–24 g) ja mõõtmed suurusjärgus 10–13 m. See määrab nende käitumise puhtalt kvantspetsiifilisuse. Kõigi elementaarosakeste (sealhulgas nende juurde kuuluva footoni) oluline kvantomadus on see, et kõik nendega toimuvad protsessid toimuvad emissiooni- ja neeldumisaktide jada kujul (võime sündida ja hävida teiste osakestega suhtlemisel) . Protsessid, mis hõlmavad elementaarosakesi, on seotud kõigi nelja põhilise interaktsiooni tüübiga: tugev, elektromagnetiline, nõrk ja gravitatsiooniline. Tugev interaktsioon vastutab nukleonide sidumise eest aatomituumas. Elektromagnetiline vastastikmõju tagab elektronide ühenduse tuumadega aatomis, samuti aatomite ühenduse molekulides. Nõrk interaktsioon põhjustab eelkõige kvaasistabiilsete (st suhteliselt pikaealiste) osakeste lagunemise, mille eluiga on 10–12–10–14 sekundit. Gravitatsiooniline vastastikmõju elementaarosakestele ~10 -13 cm iseloomulikel kaugustel on nende massi väiksuse tõttu äärmiselt madala intensiivsusega, kuid võib olla oluline ülilühikestel vahemaadel. Tugevate, elektromagnetiliste, nõrkade ja gravitatsiooniliste vastasmõjude intensiivsused on protsesside mõõduka energia korral vastavalt 1, 10 -2, 10 -10, 10 -38. Üldiselt, kui osakeste energia suureneb, see suhe muutub.
Elementaarosakesed Neid klassifitseeritakse erinevate kriteeriumide alusel ja tuleb öelda, et üldiselt on nende aktsepteeritud klassifikatsioon üsna keeruline.
Olenevalt nende osalemisest erinevat tüüpi interaktsioonides jagunevad kõik teadaolevad osakesed kahte põhirühma: hadronid ja leptonid.
Hadronid osalevad igasugustes interaktsioonides, sealhulgas tugevates. Nad said oma nime kreeka keelest. "suur, tugev."
Leptonid ei osale tugevas interaktsioonis. Nende nimi pärineb kreeka keelest. "kerge, õhuke", kuna massid olid teada kuni 70ndate keskpaigani. selle klassi osakesed olid märgatavalt väiksemad kui kõigi teiste osakeste massid (välja arvatud footon).
Hadronite hulka kuuluvad kõik barüonid (osakeste rühm, mille mass ei ole väiksem kui prootoni mass, mida nimetatakse kreekakeelseks "raskeks") ja mesonid. Kergeim barüon on prooton.
Leptonid on eelkõige elektron ja positron, mõlema märgi müüonid, kolme tüüpi neutriinod (kerged, elektriliselt neutraalsed osakesed, mis osalevad ainult nõrkades ja gravitatsioonilistes vastasmõjudes). Eeldatakse, et neutriinod on looduses sama levinud kui footonid ning nende tekkeni viivad paljud erinevad protsessid. Neutriino eripäraks on selle tohutu läbitungimisvõime, eriti madala energia korral. Täiendades klassifikatsiooni interaktsiooni tüüpide järgi, tuleb märkida, et footon osaleb ainult elektromagnetilistes ja gravitatsioonilistes vastasmõjudes. Lisaks on teoreetiliste mudelite kohaselt, mille eesmärk on ühendada kõik neli interaktsiooni tüüpi, hüpoteetiline osake, mis kannab gravitatsioonivälja, mida nimetatakse gravitoniks. Gravitoni eripära on see, et ta (teooria järgi) osaleb ainult gravitatsioonilises vastasmõjus. Pange tähele, et teooria on seotud kvantprotsessid gravitatsiooniline interaktsioon veel kaks hüpoteetilised osakesed— gravitino ja gravifoton. Gravitonite, st sisuliselt gravitatsioonikiirguse eksperimentaalne tuvastamine on ülimalt keeruline selle ülimalt nõrga vastasmõju tõttu ainega.
Sõltuvalt nende elueast jagatakse elementaarosakesed stabiilseteks, kvaasistabiilseteks ja ebastabiilseteks (resonants).
Stabiilsed osakesed on elektron (selle eluiga t > 10 21 aastat), prooton (t > 10 31 aastat), neutriino ja footon. Elektromagnetilise ja nõrga vastastikmõju tõttu lagunevaid osakesi peetakse kvaasistabiilseteks, nende eluiga on t > 10 -20 s. Resonantsid on osakesed, mis lagunevad tugeva interaktsiooni tulemusena, nende eluiga jääb vahemikku 10 -22 ^10 -24 s.
Levinud on teist tüüpi elementaarosakeste alajaotus. Null- ja täisarvuliste spinniga osakeste süsteemid järgivad Bose-Einsteini statistikat, mistõttu selliseid osakesi nimetatakse tavaliselt bosoniteks. Pooltäisarvulise spinniga osakeste kogumit kirjeldab Fermi-Dirac statistika, sellest ka selliste osakeste nimi – fermioonid.
Iga elementaarosakest iseloomustab teatud hulk diskreetsust füüsikalised kogused- kvantarvud. Kõigile osakestele ühised karakteristikud on mass m, eluiga t, spin J ja elektrilaeng Q. Elementaarosakeste spinn saab väärtusi, mis on võrdsed Plancki konstandi täis- või pooltäisarvu kordsetega. Osakeste elektrilaengud on elektronlaengu täisarvulised kordsed, mida loetakse elementaarseks elektrilaenguks.
Lisaks iseloomustavad elementaarosakesi täiendavalt nn sisemised kvantarvud. Leptonitele on määratud spetsiifiline leptonilaeng L = ±1, pooltäisarvulise spinniga hadronid kannavad barüoni laengut B = ±1 (hadronid, mille B = 0 moodustavad mesonite alarühma).
Hadronite oluliseks kvantkarakteristikuks on sisepaarsus P, mis võtab väärtuseks ±1 ja peegeldab osakeste lainefunktsiooni sümmeetriaomadust ruumilise inversiooni (peegelpilt) suhtes. Vaatamata pariteedi mittesäilitamisele, kui nõrk interaktsioon, hea täpsusega osakesed võtavad sisemise paarsuse väärtused, mis on võrdsed kas +1 või -1.
Hadronid jagunevad veel tavalisteks osakesteks (prooton, neutron, pi-meson), kummalisteks osakesteks (^-mesonid, hüperonid, mõned resonantsid), “võlutud” ja “ilusateks” osakesteks. Need vastavad spetsiaalsetele kvantarvudele: kummalisus S, võlu C ja ilu b. Need kvantarvud sisestatakse vastavalt kvarkide mudelile, et tõlgendada nendele osakestele iseloomulikke spetsiifilisi protsesse.
Hadronite hulgas on sarnase massiga, identse sisekvantarvuga, kuid elektrilaengu poolest erineva osakeste rühmi (perekondi). Selliseid rühmi nimetatakse isotoopmultiplettideks ja neid iseloomustab ühine kvantarv – isotoopspinn, mis, nagu tavaline spin, võtab täis- ja pooltäisarvu väärtusi.
Mis on juba korduvalt mainitud hadronite kvarkmudel?
Hadronite multiplettideks rühmitamise mustri avastamine oli aluseks spetsiaalsete struktuursete moodustiste olemasolu oletamisele, millest hadronid on ehitatud - kvargid. Eeldades selliste osakeste olemasolu, võime eeldada, et kõik hadronid on kvarkide kombinatsioonid. Selle julge ja heuristiliselt produktiivse hüpoteesi esitas 1964. aastal Ameerika füüsik Murray Gell-Man. Selle olemus oli kolme pooltäisarvulise spinniga põhiosakese olemasolu eeldus, mis on hadronite, u-, d- ja s-kvarkide ehitamise materjaliks. Seejärel täiendati hadronite ehituse kvarkide mudelit uute eksperimentaalsete andmete põhjal veel kahe kvargiga, “võlutud” (c) ja “ilusad” (b). Teist tüüpi kvarkide olemasolu peetakse võimalikuks. Kvarkide eripäraks on see, et neil on elektri- ja barüonlaengute murdosa väärtused, mida üheski teadaolevas osakeses ei leidu. Kõik nõustuvad kvarkide mudeliga katsetulemused elementaarosakeste uurimisest.
Kvargimudeli järgi koosnevad barüonid kolmest kvargist, mesonid - kvargist ja antikvargist. Kuna mõned barüonid on kombinatsioon kolmest samas olekus olevast kvargist, mis on Pauli põhimõttega keelatud (vt ülal), omistati igale kvargitüübile ("maitsele") täiendav sisemine kvantarv "värv". Iga kvargitüüp (“maitse” – u, d, s, c, b) võib olla kolmes “värvi” olekus. Seoses värvimõistete kasutamisega nimetatakse kvarkide tugeva interaktsiooni teooriat kvantkromodünaamikaks (kreeka keelest "värv").
Võime eeldada, et kvargid on uued elementaarosakesed ja nad väidavad, et nad on aine hadronilise vormi jaoks tõeliselt elementaarosakesed. Lahendamata on aga vabade kvarkide ja gluoonide vaatlemise probleem. Hoolimata süstemaatilisest kosmiliste kiirte otsingutest suure energiaga kiirendite juures, pole neid veel vabas olekus õnnestunud tuvastada. On põhjust arvata, et siin seisab füüsika silmitsi eriline nähtus loodus – nn kvarkide suletus.
Asi on selles, et on olemas tõsised teoreetilised ja eksperimentaalsed argumendid, mis toetavad eeldust, et kvarkide vastasmõju jõud ei nõrgene kaugusega. See tähendab, et kvarkide eraldamiseks kulub lõpmatult rohkem energiat, mistõttu kvarkide ilmumine vabas olekus on võimatu. See asjaolu annab kvarkidele aine täiesti eriliste struktuuriüksuste staatuse. Võib-olla on just kvarkidest lähtudes aine killustumise etappide eksperimentaalne jälgimine põhimõtteliselt võimatu. Kvarkide tunnustamine materiaalse maailma reaalselt eksisteerivate objektidena ei kujuta endast mitte ainult silmatorkavat näidet idee ülimuslikkusest materiaalse olemi olemasolu suhtes. Tekib küsimus maailma põhikonstantide tabeli ülevaatamise kohta, kuna kvargi laeng on kolm korda väiksem kui prootoni ja seega ka elektroni laeng.
Alates positroni avastamisest on teadus kohanud antiaine osakesi. Tänapäeval on ilmne, et kõigi elementaarosakeste jaoks, mille vähemalt ühe kvantarvu nullist erinevad väärtused, nagu elektrilaeng Q, leptonlaeng L, barüonilaeng B, kummalisus S, võlu C ja ilu b, on olemas. antiosakesed, millel on samad massiväärtused , eluiga, spinn, kuid ülaltoodud kvantarvude vastandmärkidega. Tuntakse osakesi, mis on nende antiosakestega identsed, neid nimetatakse tõeliselt neutraalseteks. Tõeliselt neutraalsete osakeste näideteks on footon ja üks kolmest pi-mesonist (teised kaks on üksteise suhtes osakesed ja antiosakesed).
Osakeste ja antiosakeste vastastikmõju iseloomulik tunnus on nende hävitamine kokkupõrkel, st vastastikune hävitamine koos teiste osakeste moodustumisega ning energia, impulsi, laengu jne jäävuse seaduste täitmine. paar on elektroni ja selle antiosakese – positroni – muundumine elektromagnetkiirguseks (footonites või gamma-kvantides). Paaride hävitamine ei toimu mitte ainult siis, kui elektromagnetiline interaktsioon, aga ka tugeva interaktsiooniga. Suure energia korral võivad kerged osakesed hävida, moodustades raskemad osakesed – eeldusel, et koguenergia osakeste hävitamine ületab raskete osakeste tootmise künnise ( võrdne summaga nende puhkeenergiad).
Tugeva ja elektromagnetilise vastastikmõju korral on osakeste ja nende antiosakeste vahel täielik sümmeetria, st kõik esimeste vahel toimuvad protsessid on võimalikud ka viimaste puhul. Seetõttu võivad antiprootonid ja antineutronid moodustada antiaine aatomite tuumasid, s.t põhimõtteliselt saab antiainet ehitada antiosakestest. Tekib ilmselge küsimus: kui igal osakesel on antiosake, siis miks ei ole Universumi uuritavas piirkonnas antiaine kuhjumisi? Tõepoolest, nende olemasolu universumis, isegi kusagil universumi “lähedal”, saab hinnata võimsa annihilatsioonikiirguse järgi, mis tuleb Maale aine ja antiaine kokkupuutepiirkonnast. Kaasaegsel astrofüüsikal pole aga andmeid, mis võimaldaksid isegi oletada antiainega täidetud piirkondade olemasolu Universumis.
Kuidas sündis Universumis valik mateeria kasuks ja antiaine kahjuks, kuigi sümmeetriaseadused on põhimõtteliselt täidetud? Selle nähtuse põhjuseks oli tõenäoliselt just sümmeetria rikkumine, st kõikumine aine põhialuste tasemel.
Üks on selge: kui sellist kõikumist poleks toimunud, oleks Universumi saatus olnud kurb – kogu selle aine oleks eksisteerinud lõputu footonite pilvena, mis on tekkinud aineosakeste ja antiaine osakeste hävimise tulemusena.
Edasine tungimine mikromaailma sügavustesse on seotud üleminekuga aatomite tasemelt elementaarosakeste tasemele. Esimese elementaarosakesena 19. sajandi lõpus. elektron avastati ja seejärel 20. sajandi esimestel kümnenditel. – footon, prooton, positron ja neutron.
Pärast Teist maailmasõda, tänu kaasaegse eksperimentaaltehnoloogia ja eelkõige võimsate kiirendite kasutamisele, kus luuakse suure energia ja tohutu kiirusega tingimused, tuvastati suur hulk elementaarosakesi – üle 300. Nende hulgas. on nii eksperimentaalselt avastatud kui ka teoreetiliselt arvutatud, sealhulgas resonantse, kvarke ja virtuaalseid osakesi.
Tähtaeg elementaarosake algselt tähendas see lihtsamaid, edasi lagunematuid osakesi, mis on mis tahes materjalimoodustiste aluseks. Hiljem mõistsid füüsikud mikroobjektide suhtes mõiste "elementaarne" kogu kokkuleppe. Nüüd pole kahtlust, et osakestel on üks või teine struktuur, kuid sellegipoolest on ajalooliselt väljakujunenud nimi endiselt olemas.
Elementaarosakeste peamised omadused on mass, laeng, keskmine eluiga, spinn ja kvantarvud.
Puhkemass elementaarosakesed määratakse elektroni puhkemassi suhtes. On elementaarosakesi, millel ei ole puhkemassi. footonid. Ülejäänud osakesed vastavalt sellele kriteeriumile jagunevad leptonid– kerged osakesed (elektron ja neutriino); mesonid– keskmise suurusega osakesed massiga ühest kuni tuhande elektroni massini; barüonid– rasked osakesed, mille mass ületab tuhande elektroni massi ja mis sisaldavad prootoneid, neutroneid, hüperoneid ja palju resonantse.
Elektrilaeng on elementaarosakeste teine oluline omadus. Kõigil teadaolevatel osakestel on positiivne, negatiivne või null laeng. Iga osake, välja arvatud footon ja kaks mesonit, vastavad vastupidise laenguga antiosakestele. Umbes 1963–1964 olemasolu kohta püstitati hüpotees kvargid– murdosa elektrilaenguga osakesed. Seda hüpoteesi pole veel eksperimentaalselt kinnitatud.
Eluaja järgi osakesed jagunevad stabiilne Ja ebastabiilne . Stabiilseid osakesi on viis: footon, kahte tüüpi neutriinod, elektron ja prooton. Just stabiilsed osakesed mängivad makrokehade struktuuris kõige olulisemat rolli. Kõik ülejäänud osakesed on ebastabiilsed, eksisteerivad umbes 10 -10 -10 -24 s, pärast mida nad lagunevad. Elementaarosakesi, mille keskmine eluiga on 10–23–10–22 s, nimetatakse resonantse. Lühikese eluea tõttu lagunevad nad isegi enne aatomist või aatomituumast lahkumist. Resonantsseisundid arvutati välja teoreetiliselt, neid ei olnud võimalik reaalsetes katsetes tuvastada.
Lisaks laengule, massile ja elueale kirjeldavad elementaarosakesi ka mõisted, millel pole klassikalises füüsikas analooge: mõiste tagasi . Spin on osakese sisemine nurkimment, mis ei ole seotud selle liikumisega. Spinile on iseloomulik spin-kvantarv s, mis võib võtta täisarvu (±1) või pooltäisarvu (±1/2). Täisarvulise spinniga osakesed – bosonid, pooltäisarvuga – fermionid. Elektronid klassifitseeritakse fermioonideks. Pauli põhimõtte kohaselt ei saa aatomil olla rohkem kui üks sama kvantarvude komplektiga elektron n,m,l,s. Elektronid, mis vastavad sama arvuga n lainefunktsioonidele, on energialt väga lähedased ja moodustavad aatomis elektronkihi. Arvu l erinevused määravad "alamkesta", ülejäänud kvantarvud määravad selle täitmise, nagu eespool mainitud.
Elementaarosakeste omadustes on veel üks oluline idee interaktsioonid. Nagu varem märgitud, on elementaarosakeste vahel teada nelja tüüpi interaktsioone: gravitatsiooniline,nõrk,elektromagnetiline Ja tugev(tuuma).
Kõik osakesed, millel on puhkemass ( m 0), osalevad gravitatsioonilises interaktsioonis ja laetud inimesed osalevad ka elektromagnetilises interaktsioonis. Leptonid osalevad ka nõrkades interaktsioonides. Hadronid osalevad kõigis neljas põhilises interaktsioonis.
Kvantvälja teooria kohaselt toimuvad kõik interaktsioonid vahetuse tõttu virtuaalsed osakesed st osakesi, mille olemasolu saab hinnata ainult kaudselt, nende mõne avaldumise järgi mõne sekundaarse mõju kaudu ( tõelised osakesed saab instrumentide abil otse salvestada).
Selgub, et kõigil neljal teadaoleval vastasmõjul – gravitatsioonilisel, elektromagnetilisel, tugeval ja nõrgal – on gabariidi iseloom ja neid kirjeldatakse gabariidi sümmeetriate abil. See tähendab, et kõik interaktsioonid on justkui tehtud "samast tühjast". See annab lootust, et on võimalik leida “ainus võti kõikidele teadaolevatele lukkude juurde” ja kirjeldada Universumi arengut ühest supersümmeetrilisest superväljast kujutatud olekust, olekust, kus interaktsioonitüüpide erinevused, kõikvõimalike aineosakeste ja väljakvantide vahel pole veel tekkinud.
Elementaarosakeste klassifitseerimiseks on tohutult palju võimalusi. Näiteks jagunevad osakesed fermionideks (Fermi osakesed) - aineosakesed ja bosoniteks (Bose osakesed) - väljakvantideks.
Teise lähenemise järgi jaotatakse osakesed 4 klassi: footonid, leptonid, mesonid, barüonid.
Footonid (elektromagnetvälja kvantid) osalevad elektromagnetilistes vastasmõjudes, kuid neil ei ole tugevat, nõrka ega gravitatsioonilist vastasmõju.
Leptonid said oma nime kreekakeelsest sõnast leptos- lihtne. Nende hulka kuuluvad osakesed, millel puudub tugev vastastikmõju: müüonid (μ – , μ +), elektronid (е – , у +), elektronneutriinod (v e – ,v e +) ja müüonneutriinod (v – m, v + m). Kõigi leptonite spinn on ½ ja seetõttu on nad fermioonid. Kõigil leptonitel on nõrk interaktsioon. Neil, millel on elektrilaeng (see tähendab müüonid ja elektronid), on ka elektromagnetiline jõud.
Mesonid – tugevalt interakteeruvad ebastabiilsed osakesed, mis ei kanna nn barüoni laengut. Nende hulgas on R-mesonid või pionid (π +, π –, π 0), TO-mesonid ehk kaonid (K +, K –, K 0) ja see-mesonid (η) . Kaal TO-mesons on ~970me (494 MeV laetud ja 498 MeV neutraalne TO-mesonid). Eluaeg TO-mesonite suurusjärk on 10–8 s. Need lagunevad ja moodustuvad I-mesonid ja leptonid või ainult leptonid. Kaal see-mesonite võimsus on 549 MeV (1074 me), eluiga on umbes 10–19 s. See-mesonid lagunevad, moodustades π-mesoneid ja γ-footoneid. Erinevalt leptonitest ei ole mesonitel mitte ainult nõrk (ja kui need on laetud, siis elektromagnetiline) vastastikmõju, vaid ka tugev vastastikmõju, mis avaldub nende omavahelisel interaktsioonil, samuti mesonite ja barüonide vastasmõjul. Kõigil mesonitel on null spin, seega on nad bosonid.
Klass barüonid ühendab nukleonid (p,n) ja ebastabiilsed osakesed massiga, mis on suurem kui nukleonide mass, mida nimetatakse hüperoniteks. Kõigil barüonitel on tugev interaktsioon ja seetõttu suhtlevad nad aktiivselt aatomituumadega. Kõigi barüonide pöörlemine on ½, seega on barüonid fermionid. Kõik barüonid, välja arvatud prooton, on ebastabiilsed. Barüonide lagunemise käigus koos teiste osakestega tekib paratamatult barüon. See muster on üks ilmingutest barüoni laengu kaitseseadus.
Lisaks ülalloetletud osakestele on avastatud suur hulk tugevalt interakteeruvaid lühiealisi osakesi, mida nimetatakse nn. resonantse . Need osakesed on resonantsolekud, mille moodustavad kaks või suur hulk elementaarosakesed. Resonantsi eluiga on ainult ~ 10 –23 –10 –22 s.
Elementaarosakesi ja ka keerulisi mikroosakesi saab jälgida tänu jälgedele, mis nad jätavad ainet läbides. Jälgede olemus võimaldab hinnata osakese laengu märki, energiat, impulssi jne. Laetud osakesed põhjustavad molekulide ionisatsiooni oma teel. Neutraalsed osakesed ei jäta jälgi, kuid võivad end paljastada laetud osakesteks lagunemise hetkel või mis tahes tuumaga kokkupõrke hetkel. Järelikult tuvastatakse neutraalsed osakesed lõpuks ka nende tekitatud laetud osakeste põhjustatud ionisatsiooni abil.
Osakesed ja antiosakesed. Inglise füüsikul P. Diracil õnnestus 1928. aastal leida elektroni jaoks relativistlik kvantmehaaniline võrrand, millest tulenevad mitmed tähelepanuväärsed tagajärjed. Esiteks saame sellest võrrandist loomulikul teel, ilma lisaeeldusteta, spinni ja numbriline väärtus elektroni enda magnetmoment. Nii selgus, et spin on nii kvant- kui ka relativistlik suurus. Kuid see ei ammenda Diraci võrrandi olulisust. Samuti võimaldas see ennustada elektroni antiosakese olemasolu – positron. Diraci võrrandist saadakse vaba elektroni koguenergia jaoks mitte ainult positiivsed, vaid ka negatiivsed väärtused. Võrrandi uuringud näitavad, et antud osakese impulsi jaoks on energiatele vastavad võrrandi lahendid: .
Kõige suuremate vahel negatiivne energia (–m e Koos 2) ja kõige vähem positiivset energiat (+ m e c 2) on energiaväärtuste intervall, mida ei saa realiseerida. Selle intervalli laius on 2 m e Koos 2. Järelikult saadakse kaks energia omaväärtuste piirkonda: üks algab + m e Koos 2 ja ulatub kuni +∞, teine algab punktist – m e Koos 2 ja ulatub kuni –∞.
Negatiivse energiaga osakesel peavad olema väga kummalised omadused. Üleminek üha väiksema energiaga olekutesse (st negatiivse energia suurusjärgus suureneb), võib see vabastada energiat näiteks kiirguse kujul ja kuna | E| piiramatult võib negatiivse energiaga osake eraldada lõpmatult palju energiat. Sarnasele järeldusele võib jõuda järgmiselt: suhtest E=m e Koos 2 järeldub, et negatiivse energiaga osakesel on ka negatiivne mass. Pidurdusjõu mõjul ei tohiks negatiivse massiga osake mitte aeglustada, vaid kiirendada, tehes pidurdusjõu allikale lõpmatult palju tööd. Neid raskusi silmas pidades näib, et negatiivse energiaga riik tuleks absurdsete tulemusteni viivast kaalutlusest välja jätta. See aga oleks vastuolus mõnede kvantmehaanika üldpõhimõtetega. Seetõttu valis Dirac teise tee. Ta tegi ettepaneku, et elektronide üleminekuid negatiivse energiaga olekutesse ei täheldata tavaliselt põhjusel, et kõik saadaolevad negatiivse energiaga tasemed on juba elektronide poolt hõivatud. 
Diraci järgi on vaakum seisund, kus kõik negatiivse energia tasemed on elektronide poolt hõivatud ja positiivse energiaga tasemed on vabad. Kuna kõik tasandid, mis jäävad allapoole keelatud riba, on eranditult hõivatud, siis nendel tasemetel olevad elektronid ei ilmuta end kuidagi. Kui ühele negatiivsel tasemel paiknevatest elektronidest antakse energiat E≥ 2m e Koos 2, siis läheb see elektron positiivse energiaga olekusse ja käitub tavapärasel viisil, nagu positiivse massi ja negatiivse laenguga osake. Seda esimest teoreetiliselt ennustatud osakest nimetati positroniks. Kui positron kohtub elektroniga, siis nad annihileeruvad (kaovad) – elektron liigub positiivselt tasemelt vabale negatiivsele. Nende tasemete erinevusele vastav energia vabaneb kiirguse kujul. Joonisel fig. 4 kujutab nool 1 elektron-positroni paari loomise protsessi ja nool 2 – nende hävitamist. Mõistet "annihilatsioon" ei tohiks võtta sõna-sõnalt. Sisuliselt ei toimu mitte kadumine, vaid mõnede osakeste (elektronid ja positronid) muundumine teisteks (γ-footoniteks).
On osakesi, mis on identsed nende antiosakestega (st neil pole antiosakesi). Selliseid osakesi nimetatakse absoluutselt neutraalseteks. Nende hulka kuuluvad footon, π 0 meson ja η meson. Osakesed, mis on identsed nende antiosakestega, ei ole võimelised hävitama. See aga ei tähenda, et need ei saaks üldse muudeks osakesteks muutuda.
Kui barüonitele (st nukleonidele ja hüperonidele) on määratud barüonlaeng (või barüoninumber) IN= +1, antibarüonid – barüonilaeng IN= –1 ja kõigil teistel osakestel on barüonlaeng IN= 0, siis kõiki barüonide ja antibarüonide osalusel toimuvaid protsesse iseloomustab laengubarüonide säilimine, nii nagu protsesse iseloomustab elektrilaengu säilimine. Barüoni laengu jäävuse seadus määrab kõige pehmema barüoni, prootoni stabiilsuse. Kõikide füüsikalist süsteemi kirjeldavate suuruste teisendust, milles kõik osakesed on asendatud antiosakestega (näiteks elektronid prootonitega ja prootonid elektronidega jne), nimetatakse konjugatsioonilaenguks.
Kummalised osakesed.TO-mesonid ja hüperonid avastati kosmiliste kiirte osana XX sajandi 50ndate alguses. Alates 1953. aastast on neid toodetud kiirendites. Nende osakeste käitumine osutus nii ebatavaliseks, et neid nimetati kummaliseks. Kummaliste osakeste ebatavaline käitumine seisnes selles, et nad sündisid selgelt tugevate interaktsioonide tõttu iseloomuliku ajaga suurusjärgus 10–23 s ja nende elueaks osutus 10–8–10–10 s. Viimane asjaolu viitas sellele, et osakeste lagunemine toimub nõrkade interaktsioonide tagajärjel. Oli täiesti ebaselge, miks kummalised osakesed nii kaua elasid. Kuna samad osakesed (π-mesonid ja prootonid) osalevad nii λ-hüperoni tekkes kui ka lagunemises, oli üllatav, et mõlema protsessi kiirus (st tõenäosus) oli nii erinev. Edasised uuringud näitasid, et kummalised osakesed sünnivad paarikaupa. See viis mõttele, et tugevad vastasmõjud ei saa osakeste lagunemisel rolli mängida, kuna nende avaldumiseks on vajalik kahe kummalise osakese olemasolu. Samal põhjusel osutub kummaliste osakeste ühekordne loomine võimatuks.
Kummaliste osakeste ühekordse tootmise keelu selgitamiseks võtsid M. Gell-Mann ja K. Nishijima kasutusele uue kvantarvu, mille koguväärtus nende eelduse kohaselt peaks tugeva interaktsiooni korral säilima. See on kvantarv S oli nimetatud osakese veidrus. Nõrga interaktsiooni korral ei pruugi kummalisus säilida. Seetõttu omistatakse see ainult tugevalt interakteeruvatele osakestele - mesonitele ja barüonidele.
Neutriino. Neutriino on ainus osake, mis ei osale ei tugevates ega elektromagnetilistes vastasmõjudes. Välja arvatud gravitatsiooniline vastastikmõju, milles osalevad kõik osakesed, saavad neutriinod osaleda ainult nõrkades interaktsioonides.
Pikka aega jäi ebaselgeks, mille poolest neutriino erineb antineutriinost. Kombineeritud pariteedi jäävuse seaduse avastamine võimaldas sellele küsimusele vastata: need erinevad helilisuse poolest. Under helilisus mõistetakse teatud seost impulsi suundade vahel R ja tagasi S osakesed. Helicity loetakse positiivseks, kui spin ja impulss on samas suunas. Sel juhul osakeste liikumise suund ( R) ja pöörlemisele vastav pöörlemissuund moodustavad parempoolse kruvi. Kui pöörlemine ja impulss on vastupidises suunas, on helilisus negatiivne (translatsiooniline liikumine ja "pöörlemine" moodustavad vasakpoolse kruvi). Yangi, Lee, Landau ja Salami välja töötatud pikisuunaliste neutriinode teooria kohaselt on kõik looduses eksisteerivad neutriinod sõltumata nende päritolumeetodist alati täielikult pikisuunas polariseeritud (st nende spinn on suunatud impulsiga paralleelselt või antiparalleelselt). R). Neutrinol on negatiivne(vasakul) helilisus (vastab suundade suhtele). S Ja R, näidatud joonisel fig. 5 (b), antineutriino – positiivne (paremakäeline) helilisus (a). Seega on helilisus see, mis eristab neutriinosid antineutriinodest.
Riis. 5. Elementaarosakeste helilisuse skeem
Elementaarosakeste süstemaatika. Elementaarosakeste maailmas täheldatud mustreid saab sõnastada säilivusseaduste kujul. Selliseid seadusi on juba päris palju kogunenud. Mõned neist ei osutu täpseks, vaid ainult ligikaudseks. Iga säilivusseadus väljendab süsteemi teatud sümmeetriat. Impulsi jäävuse seadused R, nurkmoment L ja energiat E peegeldavad ruumi ja aja sümmeetria omadusi: säilivus E on aja homogeensuse, säilimise tagajärg R ruumi homogeensuse ja säilimise tõttu L- selle isotroopsus. Pariteedi jäävuse seadus on seotud parema ja vasaku vahelise sümmeetriaga ( R-invariantsus). Laengu konjugatsiooni sümmeetria (osakeste ja antiosakeste sümmeetria) viib laengu pariteedi säilimiseni ( KOOS-invariantsus). Elektri-, barüoni- ja leptonilaengute jäävuse seadused väljendavad erilist sümmeetriat KOOS-funktsioonid. Lõpuks peegeldab isotoopide spinni jäävuse seadus isotoopruumi isotroopiat. Ühe looduskaitseseaduse täitmata jätmine tähendab selles interaktsioonis vastavat tüüpi sümmeetria rikkumist.
Elementaarosakeste maailmas kehtib reegel: kõik, mis pole looduskaitseseadustega keelatud, on lubatud. Viimased täidavad osakeste vastastikust muundumist reguleerivate välistamisreeglite rolli. Kõigepealt pangem tähele energia, impulsi ja elektrilaengu jäävuse seadusi. Need kolm seadust selgitavad elektroni stabiilsust. Energia ja impulsi jäävusest järeldub, et lagunemissaaduste kogu puhkemass peab olema väiksem kui laguneva osakese ülejäänud mass. See tähendab, et elektron võib laguneda ainult neutriinodeks ja footoniteks. Kuid need osakesed on elektriliselt neutraalsed. Seega selgub, et elektronil pole lihtsalt kellelegi oma elektrilaengut üle kanda, seega on ta stabiilne.
Kvargid. Osakesi, mida nimetatakse elementaarseteks, on nii palju, et nende elementaarsuses on tekkinud tõsised kahtlused. Igat tugevalt interakteeruvat osakest iseloomustavad kolm sõltumatut aditiivset kvantarvu: laeng K, ülelaadimine U ja barüonlaeng IN. Sellega seoses tekkis hüpotees, et kõik osakesed on üles ehitatud kolmest põhiosakesest - nende laengute kandjatest. 1964. aastal esitasid Gell-Mann ja temast sõltumatult Šveitsi füüsik Zweig hüpoteesi, mille kohaselt on kõik elementaarosakesed üles ehitatud kolmest osakesest, mida nimetatakse kvarkideks. Nendele osakestele on määratud murdosa kvantarvud, eelkõige elektrilaeng, mis on võrdne +⅔; –⅓; +⅓ vastavalt iga kolme kvargi kohta. Neid kvarke tähistatakse tavaliselt tähtedega U,D,S. Lisaks kvarkidele peetakse silmas antikvarke ( u,d,s). Praeguseks on teada 12 kvarki – 6 kvarki ja 6 antikvarki. Mesonid moodustuvad kvark-antikvargi paarist ja barüonid moodustuvad kolmest kvargist. Näiteks prooton ja neutron koosnevad kolmest kvargist, mis muudab prootoni või neutroni värvituks. Sellest lähtuvalt eristatakse kolme tugeva interaktsiooni laengut - punane ( R), kollane ( Y) ja roheline ( G).
Igale kvargile on määratud sama magnetmoment(μV), mille väärtust ei määrata teooria järgi. Selle eelduse põhjal tehtud arvutused annavad prootoni magnetmomendi väärtuse μ p = μ kv ja neutroni puhul μ n = – ⅔μ ruutmeetrit
Seega saadakse magnetmomentide suhte jaoks väärtus μ p / μn = –⅔, suurepäraselt kooskõlas katseväärtusega.
Põhimõtteliselt hakkas kvargi värvus (nagu elektrilaengu märk) väljendama erinevust omaduses, mis määrab kvarkide vastastikuse külgetõmbe ja tõukejõu. Analoogiliselt erinevate interaktsioonide väljade kvantidega (fotoonid elektromagnetilises interaktsioonis, R-mesonid tugevas vastasmõjus jne) võeti kasutusele osakesed, mis kandsid kvarkide vahelist vastasmõju. Neid osakesi nimetati gluoonid. Nad kannavad värvi ühelt kvargilt teisele, põhjustades kvarkide kooshoidmist. Kvarkide füüsikas formuleeriti piiramise hüpotees (inglise keelest. kinnipidamised– kvarkide püüdmine), mille kohaselt ei ole võimalik kvarki tervikust lahutada. See saab eksisteerida ainult terviku elemendina. Kvarkide kui reaalsete osakeste olemasolu füüsikas on usaldusväärselt põhjendatud.
Kvarkide idee osutus väga viljakaks. See võimaldas mitte ainult süstematiseerida juba teadaolevaid osakesi, vaid ka ennustada tervet rida uusi. Olukord, mis on kujunenud elementaarosakeste füüsikas, meenutab olukorda, mis tekkis aatomifüüsikas pärast perioodilise seaduse avastamist 1869. aastal D. I. Mendelevi poolt. Kuigi selle seaduse olemus sai selgeks alles umbes 60 aastat pärast kvantmehaanika loomist, võimaldas see süstematiseerida selleks ajaks teadaolevaid keemilisi elemente ning lisaks võimaldas ennustada uute elementide olemasolu ja nende omadusi. . Samamoodi on füüsikud õppinud süstematiseerima elementaarosakesi ning arenenud taksonoomia on harvadel juhtudel võimaldanud uute osakeste olemasolu ennustada ja nende omadusi ette näha.
Seega võib praegu kvarke ja leptoneid pidada tõeliselt elementaarseteks; Neid on 12 ehk koos anti-vestlustega - 24. Lisaks on osakesi, mis pakuvad nelja fundamentaalset vastasmõju (interaction quanta). Neid osakesi on 13: graviton, footon, W± - ja Z-osakesed ja 8 gluooni.
Olemasolevad elementaarosakeste teooriad ei suuda näidata, mis on seeria algus: aatomid, tuumad, hadronid, kvargidSelles seerias sisaldab iga keerulisem materjalistruktuur komponendina lihtsamat. Ilmselt ei saa see lõputult kesta. Eeldati, et kirjeldatud materiaalsete struktuuride ahel põhineb põhimõtteliselt erineva iseloomuga objektidel. Näidatakse, et sellised objektid ei pruugi olla punktitaolised, vaid väljaulatuvad, ehkki üliväikesed (~10-33 cm) moodustised, nn. superstringid. Kirjeldatud idee ei ole meie neljamõõtmelises ruumis teostatav. See füüsikavaldkond on üldiselt äärmiselt abstraktne ja väga raske on leida visuaalseid mudeleid, mis aitaksid lihtsustada elementaarosakeste teooriatele omaste ideede tajumist. Sellegipoolest võimaldavad need teooriad füüsikutel väljendada "kõige elementaarsemate" mikroobjektide vastastikust transformatsiooni ja vastastikust sõltuvust, nende seost neljamõõtmelise aegruumi omadustega. Kõige lootustandvam on nn M-teooria (M – alates müsteerium- mõistatus, saladus). Ta opereerib kaheteistkümnemõõtmeline ruum . Lõppkokkuvõttes, üleminekul neljamõõtmelisse maailma, mida me vahetult tajume, on kõik "lisadimensioonid" "kokku kukkunud". M-teooria on seni ainus teooria, mis võimaldab taandada neli fundamentaalset interaktsiooni üheks - nn. Supervõimsus. Oluline on ka see, et M-teooria võimaldab erinevate maailmade olemasolu ja paneb paika tingimused, mis tagavad meie maailma tekkimise. M-teooria pole veel piisavalt arenenud. Arvatakse, et finaal "kõige teooria" M-teoorial põhinev ehitatakse 21. sajandil.
Vene Föderatsiooni ministeerium
Saratovi õigusinstituut
PI ja PCTRP osakond
Essee
Teemal: ” Elementaarosakesed ”
Lõpetanud: kadett 421 treeninggrupp
politsei reamees
Sizonenko A.A.
Kontrollis: osakonna õpetaja
Kuznetsov S.I.
Samara 2002
Plaan
1) Sissejuhatus.
2)
3) Elementaarosakeste põhiomadused. Interaktsiooni klassid .
4)
5)
a) Ühtne sümmeetria.
b) Hadronite kvarkmudel
6)
7) Järeldus. Mõned elementaarosakeste teooria üldised probleemid.
Sissejuhatus .
E . h selle mõiste täpses tähenduses - primaarsed, edasi lagunematud osakesed, millest oletatavasti koosneb kogu aine. Kontseptsioonis "E.h." kaasaegses füüsikas väljendub idee kõike määravatest ürgüksustest tuntud omadused materiaalne maailm, idee, mis sai alguse varajased staadiumid loodusteaduse kujunemist ja on selle arengus alati olulist rolli mänginud.
Mõiste "E.h." tekkis tihedas seoses aine struktuuri diskreetsuse tuvastamisega mikroskoopilisel tasandil. Avastus 19.-20. sajandi vahetusel. aine omaduste väikseimad kandjad - molekulid ja aatomid - ning tõdemus, et molekulid koosnevad aatomitest, võimaldasid esimest korda kõike kirjeldada tuntud ained lõpliku, kuigi suure hulga struktuurikomponentide - aatomite - kombinatsioonina. Koostisosade aatomite - elektronide ja tuumade - olemasolu edasine tuvastamine, tuumade keeruka olemuse kindlakstegemine, mis osutusid ehitatud ainult kahte tüüpi osakestest (prootonid ja neutronid) , vähendas oluliselt mateeria omadusi moodustavate diskreetsete elementide arvu ja andis alust oletada, et aine koostisosade ahel lõpeb diskreetsete struktuuritute moodustistega - E. ptk. Selline oletus on üldiselt ekstrapolatsioon teadaolevad faktid ja seda ei saa kuidagi rangelt põhjendada. Ei saa kindlalt väita, et ülaltoodud määratluse tähenduses elementaarsed osakesed eksisteerivad. Prootonid ja neutronid, näiteks kaua aega E.-ks peetavatel elementidel, nagu selgus, on keeruline struktuur. Ei saa välistada, et aine struktuurikomponentide jada on põhimõtteliselt lõpmatu. Samuti võib selguda, et väide “koosneb...” osutub aine uurimise mõnes etapis sisutuks. Sel juhul tuleb ülaltoodud "elementaarse" määratlusest loobuda. E. ch olemasolu on omamoodi postulaat ja selle kehtivuse testimine on üks tähtsamad ülesanded Füüsika.
Mõiste "E.h." kasutatakse kaasaegses füüsikas sageli mitte selle täpses tähenduses, vaid vähem rangelt - suure rühma väikseimate aineosakeste nimetamiseks tingimusel, et need ei ole aatomid ega aatomituumad (erandiks on vesinikuaatomi lihtsaim tuum - prooton). Uuringud on näidanud, et see osakeste rühm on ebatavaliselt lai. Lisaks mainitud prootonile (p), neutronile (n) ja elektronile (e -) kuuluvad siia: footon (g), pi-mesonid (p), müüonid (m), neutriinod kolme tüüpi(elektrooniline v e, muuon v m ja seotud nn. raske lepton v t), nn kummalised osakesed (K-mesonid ja hüperonid) , 1974-77 avastatud mitmesugused resonantsid y-osakesed, “võlutud” osakesed, upsiloni osakesed (¡) ja rasked leptonid (t + , t -) - kokku üle 350 osakese, enamasti ebastabiilsed. Sellesse rühma kuuluvate osakeste arv kasvab jätkuvalt ja on tõenäoliselt piiramatu; Pealegi ei vasta enamik loetletud osakestest elementaarsuse rangele määratlusele, kuna tänapäevaste kontseptsioonide kohaselt on need liitsüsteemid (vt allpool). Nime "E.h." Kõigile nendele osakestele on ajaloolised põhjused ja see on seotud selle uurimisperioodiga (20. sajandi 30. aastate algus), mil selle rühma ainsad teadaolevad esindajad olid prooton, neutron, elektron ja elektromagnetvälja osake – footon. Siis oli loomulik pidada neid nelja osakest elementaarseteks, kuna need olid meid ümbritseva aine ja sellega interakteeruva elektromagnetvälja ehituse aluseks ning prootoni ja neutroni keeruline struktuur polnud teada.
Uute mikroskoopiliste aineosakeste avastamine hävitas selle lihtsa pildi järk-järgult. Äsja avastatud osakesed olid aga paljudes aspektides lähedased neljale esimesele teadaolevale osakesele. Nende ühendav omadus on see, et nad kõik on aine olemasolu spetsiifilised vormid, mis ei ole seotud tuumadeks ja aatomiteks (mõnikord nimetatakse neid sel põhjusel "alltuumaosakesteks"). Kuigi selliste osakeste arv ei olnud väga suur, jäi arvamus, et nad mängivad aine struktuuris fundamentaalset rolli, ja need liigitati E. osakesteks Subtuumaosakeste arvu suurenemine, keeruka struktuuri tuvastamine paljudes neist näitasid, et neil reeglina ei ole elementaarseid omadusi, vaid traditsiooniline nimi "E. ch." neile säilinud.
Väljakujunenud tava kohaselt kasutatakse mõistet "E. h." kasutatakse allpool üldnimena. subnukleaarsed osakesed. Juhtudel, kui räägime osakestest, mis väidavad end olevat mateeria esmased elemendid, kasutatakse vajadusel terminit “tõeline E. osake”.
Lühike ajalooline teave.
Elektronosakeste avastamine oli loomulik tulemus 19. sajandi lõpus füüsikas saavutatud üldisele edule aine struktuuri uurimisel. See valmistati aatomite optiliste spektrite põhjalike uuringute põhjal elektrilised nähtused vedelikes ja gaasides fotoelektri, röntgenikiirguse ja loodusliku radioaktiivsuse avastamine, mis viitas aine keerulise struktuuri olemasolule.
Ajalooliselt oli esimene avastatud elektronelement elektron, aatomite negatiivse elektrilaengu kandja. 1897. aastal tegi J. J. Thomson kindlaks, et nn. katoodkiired moodustuvad väikeste osakeste voost, mida nimetatakse elektronideks. 1911. aastal lasi E. Rutherford looduslikust radioaktiivsest allikast pärit alfaosakesed läbi õhukeste kilede erinevaid aineid, avastas, et aatomite positiivne laeng on koondunud kompaktsetesse moodustistesse – tuumadesse ja avastas 1919. aastal välja löödud osakeste hulgast. aatomi tuumad, prootonid on osakesed, mille ühik positiivne laeng ja mass on 1840 korda suurem kui elektroni mass. Teise tuuma osaks oleva osakese, neutroni, avastas 1932. aastal J. Chadwick, uurides alfaosakeste vastasmõju berülliumiga. Neutroni mass on lähedane prootoni massile, kuid sellel puudub elektrilaeng. Neutroni avastamine viis lõpule osakeste – aatomite struktuurielementide ja nende tuumade – identifitseerimise.
Järeldus elektromagnetvälja osakese – footoni – olemasolu kohta pärineb M. Plancki (1900) tööst. Eeldusel, et energia elektromagnetiline kiirgus Absoluutne must keha kvantifitseeritakse, Planck sai õige valemi kiirgusspektri jaoks. Plancki ideed arendades oletas A. Einstein (1905), et elektromagnetkiirgus (valgus) on tegelikult üksikute kvantide (footonite) voog, ning selgitas selle põhjal fotoelektrilise efekti seaduspärasusi. Otsesed eksperimentaalsed tõendid footoni olemasolu kohta andsid R. Millikan (1912-1915) ja A. Compton (1922; vt Comptoni efekt).
Neutriino, ainega peaaegu mitte interakteeruva osakese avastamine pärineb W. Pauli (1930) teoreetilisest oletusest, mis tänu sellise osakese sünni eeldusele võimaldas kõrvaldada raskused seadusega. energia säilitamine radioaktiivsete tuumade beeta-lagunemise protsessides. Neutriinode olemasolu sai eksperimentaalse kinnituse alles 1953. aastal (F. Reines ja K. Cowan, USA).
30ndatest 50ndate alguseni. Elektronosakeste uurimine oli tihedalt seotud kosmiliste kiirte uurimisega. 1932. aastal avastas K. Anderson kosmilistes kiirtes positroni (e +) – elektroni massiga, kuid positiivse elektrilaenguga osakese. Positron oli esimene avastatud antiosake (vt allpool). e+ olemasolu tulenes otseselt elektroni relativistlikust teooriast, mille töötas välja P. Dirac (1928-31) vahetult enne positroni avastamist. 1936. aastal avastasid Ameerika füüsikud K. Anderson ja S. Neddermeyer osmilisi kiiri uurides müüonid (mõlemad elektrilaengu märgid) – osakesi massiga ligikaudu 200 elektronmassi, kuid mis on muidu üllatavalt sarnased e-, e +-ga. .
1947. aastal avastas S. Powelli rühm ka kosmilistes kiirtes p + ja p - mesonid massiga 274 elektroni massi, mis mängivad olulist rolli prootonite vastasmõjus tuumades neutronitega. Selliste osakeste olemasolu pakkus välja H. Yukawa 1935. aastal.
40ndate lõpp - 50ndate algus. neid iseloomustas suure ebaharilike omadustega osakeste rühma avastamine, mida nimetatakse "kummaliseks". Selle rühma esimesed osakesed K + - ja K - -mesonid, L-, S + -, S - -, X - - hüperonid avastati kosmilistes kiirtes, hilisemad kummaliste osakeste avastused tehti kiirendites - installatsioonides, mis luua intensiivseid kiirete prootonite ja elektronide voogusid. Kui kiirendatud prootonid ja elektronid põrkuvad ainega, sünnivad neist uued elektronosakesed, millest saavadki uurimisobjektid.
Alates 50ndate algusest. Kiirendid said 70ndatel peamiseks vahendiks elektronosakeste uurimisel. Kiirendites kiirendatud osakeste energiad ulatusid kümnetesse ja sadadesse miljarditesse elektronvoltidesse ( Gav). Osakeste energiate suurendamise soov on tingitud sellest, et suured energiad avavad võimaluse uurida aine ehitust lühematel vahemaadel, mida suurem on osakeste kokkupõrke energia. Kiirendid on oluliselt suurendanud uute andmete hankimise tempot ja lühiajaline laiendas ja rikastas meie teadmisi mikromaailma omadustest. Kiirendite kasutamine kummaliste osakeste uurimiseks võimaldas täpsemalt uurida nende omadusi, eelkõige lagunemise iseärasusi, ning viis peagi olulise avastuseni: selgitati välja võimalus muuta peegli töötamise ajal mõningate mikroprotsesside omadusi. peegeldus (vt Ruumiline inversioon) - nö ruumide rikkumine. pariteet (1956). Miljardites energiaga prootonkiirendite kasutuselevõtt ev võimaldas avastada rasked antiosakesed: antiprooton (1955), antineutron (1956), antisigma hüperonid (1960). 1964. aastal avastati raskeim hüperon W - (massiga umbes kaks prootoni massi). 1960. aastatel Kiirendites avastati suur hulk äärmiselt ebastabiilseid (võrreldes teiste ebastabiilsete elektronosakestega) osakesi, mida nimetatakse "resonantsideks". Enamiku resonantside massid ületavad prootoni massi. Neist esimene, D 1 (1232), on tuntud aastast 1953. Selgus, et elektronide sagedusest moodustavad põhiosa resonantsid.
1962. aastal avastati, et on olemas kaks erinevat neutriinot: elektron ja müüon. 1964. aastal neutraalsete K-mesonite lagunemisel. mittesäilitamine nn kombineeritud pariteet (võtsid kasutusele Li Tsung-dao ja Yang Zhen-ning ning iseseisvalt L. D. Landau 1956. aastal; vt Kombineeritud inversioon) , mis tähendab vajadust revideerida tavalisi vaateid füüsikaliste protsesside käitumisele aja peegelduse toimimise ajal (vt CPT teoreem) .
1974. aastal avastati massiivsed (3-4 prootoni massi) ja samal ajal suhteliselt stabiilsed y-osakesed, mille eluiga on resonantsi jaoks ebatavaliselt pikk. Need osutusid tihedalt seotud uue elektronosakeste perekonnaga - "võlutud" osakestega, mille esimesed esindajad (D 0, D +, L c) avastati 1976. aastal. 1975. aastal saadi esimene teave elektronosakeste perekonnast. elektroni ja müüoni raske analoogi olemasolu (heavy lepton t). 1977. aastal avastati β-osakesed massiga umbes kümne prootoni massiga.
Seega on elektroni avastamisest möödunud aastate jooksul tuvastatud tohutul hulgal erinevaid aine mikroosakesi. E. h maailm osutus üsna keeruliseks. Avastatud elektronosakeste omadused olid mitmes mõttes ootamatud. Nende kirjeldamiseks tuli lisaks klassikalisest füüsikast laenatud omadustele, nagu elektrilaeng, mass ja nurkimment, tutvustada palju uusi eriomadusi, eelkõige. kirjeldada kummalisi elektronosakesi - kummalisus (K. Nishijima, M. Gell-Man, 1953), "lummatud" E. . h - "võlu" (Ameerika füüsikud J. Bjorken, S. Glashow, 1964); Antud tunnuste nimetused peegeldavad juba nendes kirjeldatavate elementide omaduste ebatavalist olemust.
Õppimine sisemine struktuur alates selle esimestest sammudest kaasnes mateeria ja energia omaduste arenguga paljude väljakujunenud kontseptsioonide ja ideede radikaalne revideerimine. Aine käitumist väikeses reguleerivad seadused osutusid klassikalise mehaanika ja elektrodünaamika seadustest niivõrd erinevateks, et nõudsid kirjeldamiseks täiesti uusi. teoreetilised konstruktsioonid. Sellised uued fundamentaalsed konstruktsioonid teoorias olid eri- (eri-) ja üldrelatiivsusteooria (A. Einstein, 1905 ja 1916; vt Relatiivsusteooria, Gravitatsioon) ja kvantmehaanika (1924–27; N. Bohr, L. de Broglie, V. Heisenberg, E. Schrödinger, M. Born) . Relatiivsusteooria ja kvantmehaanika tähistasid tõelist revolutsiooni loodusteaduses ja panid aluse mikromaailma nähtuste kirjeldamisele. Kvantmehaanika osutus aga elektronosakestes toimuvate protsesside kirjeldamiseks ebapiisavaks. Vaja oli järgmist sammu – klassikaliste väljade kvantiseerimist (nn sekundaarne kvantiseerimine) ja kvantväljateooria väljatöötamist. Olulisemad etapid selle arenguteel olid: kvantelektrodünaamika formuleerimine (P. Dirac, 1929), b-lagunemise kvantteooria (E. Fermi, 1934), mis pani aluse kaasaegsele nõrkade vastastikmõjude teooriale, kvantmesodünaamikale. (Yukawa, 1935). Viimase vahetuks eelkäijaks oli nn. b-tuumajõudude teooria (I.E. Tamm, D.D. Ivanenko, 1934; vt Tugev vastastikmõju). See periood lõppes kvantelektrodünaamika jaoks järjepideva arvutusaparaadi loomisega (S. Tomonaga, R. Feynman, J. Schwinger; 1944–49), mis põhines renormaliseerimistehnika kasutamisel (vt Kvantväljateooria). Seda tehnikat üldistati hiljem kvantväljateooria teistele variantidele.
Kvantväljateooria areneb ja täiustub ning on aluseks elektronosakeste vastastikmõju kirjeldamisele. Sellel teoorial on mitmeid olulisi edusamme, kuid see on siiski veel väga kaugel täielikust ega saa väita, et see on terviklik elektronosakeste teooria. Paljude elektronide omaduste päritolu ja nende loomupärase interaktsiooni olemus jäävad suures osas ebaselgeks. Võimalik, et enne elektronosakeste teooria konstrueerimist on vaja rohkem kui ühte kõigi ideede ümberstruktureerimist ja palju sügavamat arusaamist mikroosakeste omaduste ja aegruumi geomeetriliste omaduste vahelisest seosest.
Elementaarosakeste põhiomadused. Interaktsiooni klassid.
Kõik elektronosakesed on äärmiselt väikese massi ja suurusega objektid. Enamiku nende mass on prootoni massi suurusjärgus, võrdne 1,6 × 10 -24 g (ainult elektronide mass on märgatavalt väiksem: 9 × 10 -28 g). Eksperimentaalselt määratud prootoni, neutroni ja p-mesoni suurused on suurusjärgus 10 -13 cm. Elektroni ja müüoni suurusi ei ole võimalik kindlaks teha, on teada, et need on väiksemad kui 10 -15 cm Elektronosakeste mikroskoopilised massid ja suurused moodustavad nende käitumise kvantspetsiifilisuse. Iseloomulikud lainepikkused, mis tuleks kvantteoorias omistada elektronosakestele (, kus - Plancki konstant, m - osakeste mass, c - valguse kiirus) on suurusjärgus lähedased tüüpilistele mõõtmetele, mille juures nende koostoime toimub (näiteks p-mesoni puhul 1,4 × 10 -13 cm). See toob kaasa asjaolu, et elektronosakeste jaoks on määravad kvantseadused.
Kõigi elektronosakeste kõige olulisem kvantomadus on nende võime tekitada ja hävitada (kiirgada ja neelduda) suhtlemisel teiste osakestega. Selles suhtes on nad footonitega täiesti analoogsed. E. osakesed on aine spetsiifilised kvantid, täpsemalt vastavate füüsikaliste väljade kvantid (vt allpool). Kõik protsessid, mis hõlmavad elektronosakesi, kulgevad läbi neeldumis- ja emissioonitoimingute jada. Ainult selle põhjal saab mõista näiteks p + mesoni sündimise protsessi kahe prootoni (p + p ® p + n+ p +) kokkupõrkes või elektroni ja positroni annihilatsiooni protsessi, kui kadunud osakeste asemele ilmub näiteks kaks g-kvanti ( e + +e - ® g + g). Kuid osakeste, näiteks e - +p ® e - + p, elastse hajumise protsesse seostatakse ka algosakeste imendumise ja lõpposakeste sünniga. Ebastabiilsete elektronosakeste lagunemine kergemateks osakesteks, millega kaasneb energia vabanemine, järgib sama skeemi ja on protsess, mille käigus lagunemissaadused sünnivad lagunemise enda hetkel ja neid ei eksisteeri kuni selle hetkeni. Selles suhtes on elektronosakese lagunemine sarnane ergastatud aatomi lagunemisega põhiolekus aatomiks ja footoniks. Elektrokeemiliste lagunemiste näidete hulka kuuluvad: ; p + ® m + + v m ; К + ® p + + p 0 (osakese sümboli kohal olev tildemärk tähistab edaspidi vastavaid antiosakesi).
Erinevad protsessid E. h-ga erinevad märgatavalt nende esinemise intensiivsuse poolest. Selle kohaselt võib elektromagnetiliste osakeste vastastikmõju fenomenoloogiliselt jagada mitmeks klassiks: tugev, elektromagnetiline ja nõrk vastastikmõju. Kõigil elektronosakestel on ka gravitatsiooniline vastastikmõju.
Tugevaid interaktsioone nimetatakse vastastikmõjudeks, mis põhjustavad protsesse, mis toimuvad kõigist teistest protsessidest suurima intensiivsusega. Need viivad ka selleni tugev ühendus E. h Just tugevad vastasmõjud määravad prootonite ja neutronite ühenduse aatomituumades ning annavad nendele moodustistele erakordse tugevuse, mis on aluseks aine stabiilsusele maapealsetes tingimustes.
Elektromagnetilisi interaktsioone iseloomustatakse kui interaktsioone, mis põhinevad ühendusel elektromagnetväljaga. Nende poolt põhjustatud protsessid on tugevate vastastikmõjude protsessidest vähem intensiivsed ning nende poolt tekitatud elektronjõudude vaheline seos on märgatavalt nõrgem. Kommunikatsiooni eest vastutavad eelkõige elektromagnetilised vastasmõjud aatomi elektronid tuumadega ja aatomite seos molekulides.
Nõrk vastastikmõju, nagu nimi ise näitab, põhjustavad väga aeglaselt toimuvaid protsesse elektronosakestega. Nende madalat intensiivsust võib illustreerida asjaoluga, et neutriinod, millel on ainult nõrk vastastikmõju, tungivad takistamatult läbi näiteks Maa ja Päikese paksuse. . Nõrgad interaktsioonid põhjustavad ka aeglast lagunemist nn. kvaasistabiilsete elektronosakeste eluiga on vahemikus 10 -8 -10 -10 sekundit, samas kui elektronosakeste tugevate interaktsioonide tüüpiline aeg on 10 -23 -10 -24 sekundit.
Gravitatsioonilised interaktsioonid, mis on hästi tuntud oma makroskoopiliste ilmingute poolest, tekitavad elektronosakeste puhul, mis asuvad iseloomulike kaugustega ~10–13 cm, elektronosakeste väikese massi tõttu äärmiselt väikese efekti.
Erinevate interaktsiooniklasside tugevust saab ligikaudselt iseloomustada mõõtmeteta parameetritega, mis on seotud vastavate interaktsioonide konstantide ruutudega. Prootonite tugevate, elektromagnetiliste, nõrkade ja gravitatsiooniliste interaktsioonide korral keskmise protsessienergiaga ~1 GeV on need parameetrid korrelatsioonis 1:10 -2: l0 -10:10 -38. Vajadus näidata protsessi keskmist energiat tuleneb asjaolust, et nõrkade vastasmõjude korral sõltub dimensioonitu parameeter energiast. Lisaks sõltuvad erinevate protsesside intensiivsused energiast erinevalt. See toob kaasa asjaolu, et suhteline roll mitmesugused interaktsioonidÜldiselt muutub interakteeruvate osakeste energia suurenedes, nii et interaktsioonide jagamine klassidesse, mis põhineb protsesside intensiivsuse võrdlusel, toimub usaldusväärselt mitte liiga kõrgete energiate juures. Erinevatel interaktsiooniklassidel on aga ka teisi spetsiifilisi tunnuseid, mis on seotud nende sümmeetria erinevate omadustega (vt sümmeetria füüsikas), mis aitab kaasa nende eraldamisele kõrgemate energiate korral. Kas selline interaktsioonide jaotus klassideks säilib ka kõrgeimate energiate piirides, jääb ebaselgeks.
Olenevalt nende osalemisest teatud tüüpi interaktsioonides jagatakse kõik uuritud elektronosakesed, välja arvatud footon, kahte põhirühma: hadronid (kreeka keelest hadros – suured, tugevad) ja leptonid (kreeka keelest leptos – väikesed, õhuke, kerge). Hadroneid iseloomustab eelkõige see, et neil on tugev vastastikmõju koos elektromagnetilise ja nõrga vastasmõjuga, leptonid aga ainult elektromagnetilises ja nõrgas vastasmõjus. (See eeldab mõlemale rühmale ühiste gravitatsiooniliste vastasmõjude olemasolu.) Hadroni massid on suurusjärgus lähedased prootoni massile (m p); P-mesonil on hadronite hulgas minimaalne mass: t p "m 1/7×t p. Enne 1975-76 teadaolevad leptonite massid olid väikesed (0,1 m p), kuid viimased andmed viitavad ilmselt nende olemasolu võimalikkusele. Hadronitega sama massiga rasked leptonid Esimesed uuritud hadronite esindajad olid ainult elektromagnetilist vastasmõju omavad elektronid, mida ei saa liigitada ei hadroniteks ega leptoniteks ja see tuleks liigitada eraldi rühma 70ndatel välja töötatud ideedest on footon (null puhkemassiga osake) samasse rühma arvatud väga massiivsete osakestega – nn vahepealsete vektorbosonitega, mis vastutavad nõrkade interaktsioonide eest ja mida pole veel eksperimentaalselt vaadeldud (vt. osa Elementaarosakesed ja kvantväljateooria).
Elementaarosakeste omadused.
Iga elementi koos sellele omaste spetsiifiliste interaktsioonidega kirjeldatakse teatud füüsikaliste suuruste või selle omaduste diskreetsete väärtuste komplektiga. Mõnel juhul väljendatakse neid diskreetseid väärtusi täis- või murdarvude ja mõne ühise teguri - mõõtühikuna; Nendest arvudest räägitakse kui E. arvude kvantarvudest ja ainult neid täpsustatakse, jättes välja mõõtühikud.
Üldised omadused Kõik elektronosakesed on mass (m), eluiga (t), spin (J) ja elektrilaeng (Q). Endiselt puudub piisav arusaam elektronosakeste masside jaotumise seadusest ja sellest, kas nende jaoks on mingi mõõtühik.
Sõltuvalt elueast jagatakse elektronosakesed stabiilseteks, kvaasistabiilseteks ja ebastabiilseteks (resonants). Stabiilsed, tänapäevaste mõõtmiste täpsuse piires, on elektron (t > 5×10 21 aastat), prooton (t > 2×10 30 aastat), footon ja neutriino. Kvaasistabiilsete osakeste hulka kuuluvad osakesed, mis lagunevad elektromagnetilise ja nõrga vastastikmõju tõttu. Nende eluiga on > 10 -20 sek (vaba neutroni puhul isegi ~ 1000 sek). Tugeva vastastikmõju tõttu lagunevaid elementaarosakesi nimetatakse resonantsideks. Nende iseloomulikud ajad eluiga 10 -23 -10 -24 sek. Mõnel juhul surutakse maha tugevate interaktsioonide põhjustatud raskete resonantside (massiga ³ 3 GeV) vaibumine ja eluiga pikeneb väärtusteni ~10-20 sek.
E. h spin on väärtuse täis- või pooltäisarv. Nendes ühikutes on p- ja K-mesonite spinn 0, prootonil, neutronil ja elektronil J = 1/2, footonil J = 1. On osakesi, millel on suurem spinn. Elektronosakese spinni suurus määrab identsete (identsete) osakeste ansambli käitumise ehk nende statistika (W. Pauli, 1940). Pooltäisarvulise spinni osakesed järgivad Fermi-Dirac statistikat (sellest ka nimi fermionid), mis nõuab süsteemi lainefunktsiooni antisümmeetriat osakeste paari (või paaritu arvu paaride) permutatsiooni suhtes ja seetõttu "keelab" kahel pooltäisarvulise spinni osakesel olla samas olekus (Pauli põhimõte). Täisarvulise spinni osakeste suhtes kohaldatakse Bose-Einsteini statistikat (sellest ka nimetus bosonid), mis eeldab lainefunktsiooni sümmeetriat osakeste permutatsioonide suhtes ja võimaldab mis tahes arvu osakesi olla samas olekus. Elektronosakeste statistilised omadused osutuvad oluliseks juhtudel, kui sünni või lagunemise käigus tekib mitu identset osakest. Fermi-Dirac statistika mängib samuti äärmiselt olulist rolli tuumade struktuuris ja määrab elektronidega täitumise mustrid aatomi kestad, mis on D.I Mendelejevi perioodilise elementide süsteemi aluseks.
Uuritud E. osakeste elektrilaengud on väärtuse e "1,6×10 -19 k täisarvulised kordsed ja neid nimetatakse elementaarelektrilaenguks. Tuntud E. osakeste puhul Q = 0, ±1, ±2.
Lisaks näidatud suurustele iseloomustatakse energiaosakesi täiendavalt mitmete kvantarvudega ja neid nimetatakse sisemisteks. Leptonitel on kahte tüüpi spetsiifiline leptonlaeng L: elektrooniline (L e) ja müoniline (L m); L e = +1 elektron- ja elektronneutriino jaoks, L m = +1 negatiivse müüoni ja müüonneutriino jaoks. Raske lepton t; ja sellega seotud neutriinod on ilmselt uut tüüpi leptonilaengu L t kandjad.
Hadronite puhul L = 0 ja see on veel üks ilming nende erinevusest leptonitest. Omakorda tuleks olulised osad hadronitest omistada spetsiaalsele barüonilaengule B (|E| = 1). Hadronid B = +1 moodustavad barüonide alarühma (siia kuuluvad prootonid, neutronid, hüperonid, barüoni resonants) ja hadronid, mille B = 0 moodustavad mesonite alarühma (p- ja K-mesonid, bosoonresonants). Hadronite alarühmade nimetus tuleneb kreeka sõnadest barýs - raske ja mesos - keskmine, mis esialgne etapp E. Ch. uuringud peegeldasid tol ajal tuntud barüonide ja mesonite masside võrdlevaid väärtusi. Hilisemad andmed näitasid, et barüonide ja mesonite massid on võrreldavad. Leptonitele B = 0. Footonitele B = 0 ja L = 0.
Barüonid ja mesonid jagunevad juba mainitud agregaatideks: tavalised (mitteveidrad) osakesed (prooton, neutron, p-mesonid), kummalised osakesed (hüperonid, K-mesonid) ja võlutud osakesed. See jaotus vastab eriliste kvantarvude olemasolule hadronites: kummalisus S ja võlu (inglise võlu) Ch koos vastuvõetavad väärtused: 151 = 0, 1, 2, 3 ja |Ch| = 0, 1, 2, 3. Tavaliste osakeste puhul S = 0 ja Ch = 0, kummaliste osakeste puhul |S| ¹ 0, Ch = 0, võlutud osakeste jaoks |Ch| ¹ 0 ja |S| = 0, 1, 2. Kummalise asemel kasutatakse sageli kvantarvude hüperlaengut Y = S + B, millel on ilmselt fundamentaalsem tähendus.
Juba esimesed uuringud tavaliste hadronitega näitasid, et nende hulgas on osakeste perekondi, mis on massilt sarnased, väga suure massiga. sarnased omadused tugevate interaktsioonide suhtes, kuid erinevate elektrilaengu väärtustega. Prooton ja neutron (nukleonid) olid sellise perekonna esimene näide. Hiljem avastati sarnaseid perekondi kummaliste ja (1976. aastal) võlutud hadronite hulgast. Sellistesse perekondadesse kuuluvate osakeste omaduste sarnasus peegeldab erilise kvantarvu - isotoopspin I - sama väärtuse olemasolu neis, mis, nagu tavaline spin, võtab täis- ja pooltäisarvu väärtusi. Perekondi endid nimetatakse tavaliselt isotoopmultiplettideks. Osakeste arv multipletis (n) on seotud I-ga seosega: n = 2I + 1. Ühe isotoopmultipleti osakesed erinevad üksteisest isotoopspinni I 3 “projektsiooni” väärtuse poolest ja
Hadronite oluline omadus on ka sisemine paarsus P, mis on seotud ruumide toimimisega, inversioon: P võtab väärtused ±1.
Kõigi elektronosakeste puhul, mille vähemalt ühe laengu O, L, B, Y (S) ja võlu Ch on nullist erinevad väärtused, on antiosakesed samade massi m, eluea t, spin J ja samade väärtustega. isotoopse spinni 1 hadronite jaoks, kuid kõigi laengute vastandmärkidega ja barüonide puhul, mille sisepaarsus on vastupidine P. Osakesi, millel pole antiosakesi, nimetatakse absoluutselt (tõeliselt) neutraalseteks. Absoluutselt neutraalsetel hadronitel on spetsiaalne kvantarv - laengu paarsus (st paarsus laengu konjugatsioonioperatsiooni suhtes) C väärtustega ±1; selliste osakeste näideteks on footon ja p 0 .
Elektronide kvantarvud jagunevad täpseteks (st need, mis on seotud füüsikaliste suurustega, mis säilivad kõigis protsessides) ja ebatäpseteks (mille jaoks vastavad füüsikalised kogused mõnes protsessis ei säili). Spin J on seotud range seadus nurkimpulsi säilimine ja on seetõttu täpne kvantarv. Teised täpsed kvantarvud: Q, L, B; Kaasaegsetel andmetel säilivad need elektronelemendi kõigi transformatsioonide käigus Prootoni stabiilsus on B jäävuse otsene väljendus (näiteks ei toimu lagunemist p ® e + + g). Enamik hadronite kvantnumbreid on aga ebatäpsed. Isotoopne spin, kuigi see säilib tugevas interaktsioonis, ei säili elektromagnetilise ja nõrga interaktsiooni korral. Kummalisus ja võlu säilivad tugevas ja elektromagnetilises vastasmõjus, kuid mitte nõrgas vastasmõjus. Nõrk interaktsioon muudab ka sise- ja laengupaarsust. CP kombineeritud paarsus säilib palju suurema täpsusega, kuid seda rikutakse ka mõnes nõrga interaktsiooni põhjustatud protsessis. Paljude hadronite kvantarvude mittesäilimise põhjused on ebaselged ja ilmselt on need seotud nii nende kvantarvude olemuse kui ka elektromagnetiliste ja nõrkade interaktsioonide süvastruktuuriga. Teatud kvantarvude säilimine või mittesäilimine on elektronosakeste interaktsiooniklasside erinevuste üks olulisi ilminguid.
Elementaarosakeste klassifikatsioon.
Ühtne sümmeetria. Leptonite klassifitseerimine ei tekita veel probleeme juba 50ndate alguses tuntud hadronite suur hulk, mis andis aluse barüonide ja mesonite masside ja kvantarvude jaotumise mustrite otsimiseks, mis võiksid olla aluseks; nende klassifitseerimiseks. Hadronite isotoopmultiplettide tuvastamine oli esimene samm sellel teel. Matemaatilisest vaatenurgast peegeldab hadronite rühmitamine isotoopmultiplettideks pöörlemisrühmaga seotud sümmeetria olemasolu (vt rühm) , ametlikumalt, grupiga S.U.(2) - kompleksse kahemõõtmelise ruumi unitaarsete teisenduste rühm. Eeldatakse, et need teisendused toimivad mingis konkreetses siseruumis - "isotoopruumis", mis erineb tavapärasest. Isotoopruumi olemasolu avaldub ainult sümmeetria jälgitavates omadustes. Matemaatilises keeles on isotoopmultipletid sümmeetriarühma taandamatud esitused S.U. (2).
Hadronite ja teiste elektronosakeste klassifikatsioonis domineerib sümmeetria kui elektronosakeste rühmade ja perekondade olemasolu määrav tegur tänapäeva teoorias. Eeldatakse, et elektronosakeste sisemised kvantarvud võimaldavad eristavad teatud osakeste rühmi, on seotud eritüüpi sümmeetriatega, mis tulenevad transformatsioonide vabadusest spetsiaalsetes "sisemistes" ruumides. Siit pärineb nimi "sisemised kvantarvud".
Hoolikas uurimine näitab, et kummalised ja tavalised hadronid moodustavad koos laiemad sarnaste omadustega osakeste ühendused kui isotoopmultipletid. Neid nimetatakse supermultiplettideks. Vaadeldud supermultiplettidesse kaasatud osakeste arv on 8 ja 10. Sümmeetriate seisukohalt tõlgendatakse supermultiplettide tekkimist kui sümmeetriarühma olemasolu ilmingut rühmast laiemates hadronites. S.U.(2), nimelt: S.U.(3) - unitaarsete teisenduste rühmad kolmemõõtmelises kompleksruumis (M. Gell-Man ja iseseisvalt Y. Neeman, 1961). Vastavat sümmeetriat nimetatakse ühtne sümmeetria. Grupp S.U.(3) sisaldab eelkõige taandamatuid esitusi komponentide arvuga 8 ja 10, mis vastavad vaadeldavatele supermultipletidele: oktett ja dekuplet. Näited hõlmavad järgmisi osakeste rühmi samad väärtused JP:
Kõigile supermultipleti osakestele on ühised kahe suuruse väärtused, mis vastavalt matemaatiline olemus on isotoopspinnile lähedased ja seetõttu nimetatakse neid sageli unitaarseks spinniks. Okteti puhul on nende suurustega seotud kvantarvude väärtused võrdsed (1, 1), dekupleti puhul - (3, 0).
Ühtne sümmeetria on vähem täpne kui isotoopsümmeetria. Selle kohaselt on oktettides ja dekuplettides sisalduvate osakeste masside erinevus üsna märkimisväärne. Samal põhjusel on hadronite jagamine supermultiplettideks suhteliselt lihtne ka mitte väga suure massiga elektronosakeste puhul. Suurte masside korral, kui on palju erinevaid sarnase massiga osakesi, on see jaotus vähem usaldusväärne. Elementaarosakeste omadustes on aga palju erinevaid ühtse sümmeetria ilminguid.
Võlutud hadronite kaasamine elementaarosakeste süstemaatikasse võimaldab rääkida supersupermultipletidest ja ühtse rühmaga seotud veelgi laiema sümmeetria olemasolust. S.U.(4). Täielikult täidetud supersupermultiplettide näiteid veel pole. S.U.(4)-sümmeetria rikutakse veelgi tugevamini kui S.U.(3)-sümmeetria ja selle ilmingud on vähem väljendunud.
Ühtsete rühmadega seotud hadronite sümmeetriaomaduste ja multiplettideks jagunemise mustrite avastamine, mis vastavad nende rühmade rangelt määratletud esitustele, oli aluseks järeldusele, et hadronites on olemas spetsiaalsed struktuurielemendid - kvargid.
Hadronite kvarkmudel. Hadronite klassifitseerimise töö väljatöötamisega kaasnesid juba esimestest sammudest peale katsed tuvastada nende hulgas osakesi, mis olid teistest fundamentaalsemad ja millest võiks saada kõigi hadronite ehitamise aluseks. Selle uurimissuuna algatasid E. Fermi ja Yang Chen-ning (1949), kes väitsid, et sellised põhiosakesed on nukleon (N) ja antinukleon () ning p-mesonid on nende seotud olekud (). Selle idee edasiarendamisel arvati fundamentaalosakeste hulka ka kummalised barüonid (M. A. Markov, 1955; Jaapani füüsik S. Sakata, 1956; L. B. Okun, 1957). Sellel alusel ehitatud mudelid kirjeldasid mesonmultiplete hästi, kuid ei andnud barüonmultiplette õiget kirjeldust. Nende mudelite kõige olulisem element – väikese arvu fermioonide kasutamine hadronite “konstrueerimiseks” – lisati orgaaniliselt kõigi hadronite kirjeldamise probleemi kõige edukamalt lahendavasse mudelisse – kvargimudelisse (Austria füüsik G. Zweig ja sõltumatult M. Gell-Man, 1964).
Algses versioonis põhines mudel eeldusel, et kõik teadaolevad hadronid on ehitatud kolme tüüpi osakestest spin 1/2, nn. p-, n-, l-kvargid, mis ei kuulu vaadeldud hadronite hulka ja millel on väga ebatavalised omadused. Nimi "kvargid" on laenatud J. Joyce'i romaanist (vt Quarks) . Mudeli kaasaegne versioon eeldab vähemalt nelja tüüpi kvarkide olemasolu. Neljas kvark on vajalik võlutud hadronite kirjeldamiseks.
Kvarkide ideele viitab ühtne sümmeetria. Ühtsete rühmade matemaatiline struktuur avab võimaluse kirjeldada kõiki rühma esitusi S.U. (n) (ja seega kõik hadroni multipletid), mis põhinevad kõige lihtsamal rühmaesitlusel, mis sisaldab n komponent. Grupi puhul S.U.(3) selliseid komponente on kolm. On vaja ainult eeldada selle lihtsaima esitusega seotud osakeste olemasolu. Need osakesed on kvargid. Mesonite ja barüonide kvarkide koostis tuletati sellest, et mesoni supermultipletid sisaldavad reeglina 8 osakest ning barüonid - 8 ja 10 osakest. Seda mustrit on lihtne reprodutseerida, kui eeldame, et mesonid koosnevad kvarkidest q ja antikvark - sümboolselt: , ja kolme kvargi barüonid - sümboolselt: IN = (qqq). Rühma omaduste tõttu S.U.(3) 9 mesonit jagunevad 1 ja 8 osakeste supermultiplettideks ning 27 barüoni supermultiplettideks, mis sisaldavad 1, 10 ja kaks korda 8 osakest, mis seletab oktettide ja dekupletide täheldatud eraldumist.
Neljanda kvargi (ja vajadusel uute lisakvarkide) lisamine skeemi viiakse läbi, säilitades samal ajal kvargimudeli põhieelduse hadronite struktuuri kohta:
B = (qqq).
Kõik katseandmed on hästi kooskõlas hadronite antud kvarkide koostisega. Ilmselt on sellest struktuurist vaid väikesed kõrvalekalded, mis hadronite omadusi oluliselt ei mõjuta.
Hadronite näidatud struktuur ja kvarkide matemaatilised omadused kui objektid, mis on seotud rühma teatud (lihtsaima) esitusega S.U.(4), viige järgmiseni. kvarkide kvantarvud (tabel 2). Märkimisväärsed on elektrilaengu ebaharilikud - murdosa - väärtused. K, ja B, S Ja Y, mida ei leidu üheski vaadeldud elektronosakestest. Iga kvargi tüübi indeks on a qi (i = 1, 2, 3, 4) on seotud kvarkide eripära - “värvus”, mida uuritud hadronites ei esine. Indeks a võtab väärtusi 1, 2, 3, st igat tüüpi kvarki qi esitletakse kolmes sordis qi a (N. N. Bogolyubov ja kaastöötajad, 1965; Ameerika füüsikud I. Nambu ja M. Khan, 1965; Jaapani füüsik I. Miyamoto, 1965). Igat tüüpi kvargi kvantarvud ei muutu, kui “värv” muutub ja seega ka tabel. 2 kehtib mis tahes värvi kvarkide kohta.
Kogu hadronite mitmekesisus tekib tänu erinevaid kombinatsioone R -, P-, g- ja Koos-seotud olekuid moodustavad kvargid. Tavalised hadronid vastavad ainult nendest konstrueeritud seotud olekutele R- Ja n-kvarkid [mesonite jaoks koos võimaliku kombinatsioonide ja ] osalusega. Kohalolek seotud olekus koos R- Ja n-ühe g kvarkid- või Koos-kvark tähendab, et vastav hadron on kummaline ( S= -1) või võlutud ( Ch =+ 1). Barüon võib sisaldada vastavalt kahte ja kolme g-kvarki Koos-kvark), st võimalikud on kahe- ja kolmekordsed kummalised (võlu)barüonid. Erinevate arvude g- ja kombinatsioonid Koos- kvargid (eriti barüonites), mis vastavad hadronite “hübriidsetele” vormidele (“kummaline võlu”). Ilmselgelt, mida suurem on g- või Koos-kvarkid sisaldavad hadronit, seda raskem see on. Kui võrrelda hadronite maapealseid (ergastamata) olekuid, siis on just selline pilt, mida vaadeldakse (vt tabel 1, samuti tabelid 3 ja 5).
Kuna kvarkide spin on võrdne 1/2-ga, annab ülaltoodud hadronite kvarkide struktuur mesonite jaoks täisarvulise spinni ja barüonide jaoks pooltäisarvulise spinni, mis on täielikult kooskõlas katsega. Pealegi orbiidi impulsile vastavates olekutes l= 0, eriti põhiseisundites peaks mesonite spinn olema võrdne 0 või 1-ga (kvarkide spinnide antiparalleelse ґ¯ ja paralleelse ґґ orientatsiooni korral) ning barüonite spinn peaks olema 1/2 või 3/2 ( spin-konfiguratsioonide jaoks ¯ґґ ja ґґґ) . Võttes arvesse, et kvark-antikvark süsteemi sisemine paarsus on negatiivne, on väärtused JP mesonite jaoks kl l= 0 on 0- ja 1-, barüonide puhul -1/2+ ja 3/2+. Need on väärtused JP mida täheldati väikseima massiga hadronites antud väärtused I Ja Y(vt tabel 1).
Kuna indeksid i, k, l struktuurivalemites jooksevad väärtused läbi 1, 2, 3, 4, mesonite arvu Mik antud spinniga peaks olema võrdne 16. Barüonide puhul Bikl antud spinni (64) maksimaalset võimalikku olekute arvu ei realiseerita, kuna Pauli põhimõtte kohaselt on antud koguspinni puhul lubatud ainult sellised kolmekvargi olekud, millel on permutatsioonide suhtes täpselt määratletud sümmeetria indeksitest i, k, 1, nimelt: täissümmeetriline spin 3/2 ja segasümmeetria spin 1/2 jaoks. See tingimus on l = 0 valib 20 barüoni olekut pöörlemiseks 3/2 ja 20 pöörlemiseks 1/2.
Täpsem uurimine näitab, et kvargisüsteemi kvarkide koostise ja sümmeetriaomaduste väärtus võimaldab määrata hadroni kõik põhikvantarvud ( J, P, B, Q, I, Y, Ch), välja arvatud mass; massi määramiseks on vaja teadmisi kvarkide vastasmõju dünaamikast ja kvarkide massist, mis pole veel kättesaadavad.
Väikseima massiga hadronite spetsiifika korrektne edasiandmine etteantud väärtustel Y Ja Ch, Kvargimudel seletab loomulikult ka hadronite üldist suurt arvu ja resonantside ülekaalu nende seas. Hadronite suur arv peegeldab nende keerulist struktuuri ja kvargisüsteemide erinevate ergastatud olekute olemasolu. Võimalik, et selliste ergastatud olekute arv on piiramatu. Kõik kvargisüsteemide ergastatud olekud on kiirete üleminekute suhtes ebastabiilsed, mis on tingitud tugevast interaktsioonist alusolekutesse. Need moodustavad suurema osa resonantsidest. Väike osa resonantsidest koosneb ka paralleelse spinni orientatsiooniga kvargisüsteemidest (välja arvatud W -). Kvarkide konfiguratsioonid antiparalleelse spin-orientatsiooniga, mis on seotud põhilisega. olekud, moodustavad kvaasistabiilsed hadronid ja stabiilse prootoni.
Kvargisüsteemide ergastused tekivad nii kvarkide pöörlemisliikumise muutuste (orbitaalsete ergastuste) kui ka nende ruumide muutumise tõttu. asukoht (radiaalsed ergastused). Esimesel juhul kaasneb süsteemi massi suurenemisega kogu spinni muutus J ja võrdsus R süsteemi, teisel juhul toimub massi suurenemine muutumata J P . Näiteks mesonid koos JP= 2 + on esimene orbiidi ergutus ( l = 1) mesonid koos J P = 1 - . Identsete kvargistruktuuride 2 + mesoni ja 1 - mesoni vastavus on selgelt näha paljude osakeste paaride näites:
Mesonid r" ja y" on näited vastavalt r- ja y-mesonite radiaalsetest ergastustest (vt.
Orbitaalsed ja radiaalsed ergastused tekitavad resonantside jadasid, mis vastavad samale algsele kvarkide struktuurile. Usaldusväärse teabe puudumine kvarkide vastasmõju kohta ei võimalda veel teha kvantitatiivseid arvutusi ergastusspektrite kohta ja teha järeldusi selliste ergastatud olekute võimaliku arvu kohta Kvarkide mudeli koostamisel käsitleti kvarke kui hüpoteetilisi konstruktsioonielemendid, avades võimaluse hadronite väga mugavaks kirjeldamiseks. Seejärel viidi läbi katsed, mis võimaldavad rääkida kvarkidest kui hadronite sees asuvatest tõelistest ainelistest moodustistest. Esimesed olid katsed elektronide hajutamise kohta nukleonide poolt väga suurte nurkade all. Need katsed (1968), mis meenutasid Rutherfordi klassikalisi katseid alfaosakeste hajutamise kohta aatomitele, näitasid punktlaenguga moodustiste olemasolu nukleonis. Nende katsete andmete võrdlemine sarnaste andmetega neutriinode hajumise kohta nukleonitel (1973–1975) võimaldas meil järeldada, et keskmine nende punktmoodustiste elektrilaengu ruut. Tulemus osutus üllatavalt lähedaseks väärtusele 1/2 [(2/3 e) 2 +(1 / 3 e) 2 ]. Hadronite tootmise protsessi uurimine elektroni ja positroni annihilatsiooni ajal, mis väidetavalt läbib protsesside jada: ® hadronid, näitasid kahe hadronite rühma olemasolu, mis on geneetiliselt seotud iga saadud kvargiga, ja tegi selle. võimalik määrata kvarkide spinni. See osutus võrdseks 1/2-ga. Ka selles protsessis sündinud hadronite koguarv näitab, et kolme sorti kvargid ilmuvad vahepealses olekus, st kvargid on kolmevärvilised.
Seega on teoreetiliste kaalutluste alusel kasutusele võetud kvarkide kvantarvud leidnud kinnitust mitmete katsetega. Kvargid omandavad järk-järgult uute elektronosakeste staatuse. Kui edasised uuringud seda järeldust kinnitavad, on kvargid tõsised kandidaatid tõeliste elektronosakeste rollile hadroonilises vormis. Kuni pikkuseni ~ 10 -15 cm kvargid toimivad struktuuritute punktmoodustistena. Teadaolevaid kvarkitüüpe on vähe. Tulevikus võib see muidugi muutuda: ei saa garanteerida, et kõrgemate energiate juures ei avastata uute kvantarvudega hadroneid, mis tulenevad nende olemasolust uut tüüpi kvarkidest. Märkamine Y-mesons kinnitab seda seisukohta. Kuid on täiesti võimalik, et kvarkide arvukuse kasv jääb väikeseks, mis üldised põhimõtted kehtestada piiranguid täisarv kvargid, kuigi need piirid pole veel teada. Ka kvarkide struktuuritus peegeldab võib-olla ainult nende materiaalsete moodustiste uurimise saavutatud taset. Mitmed kvarkide eripärad annavad aga põhjust eeldada, et kvargid on osakesed, mis lõpetavad aine struktuurikomponentide ahela.
Kvargid erinevad kõigist teistest elektronosakestest selle poolest, et neid ei ole veel vaadeldud vabas olekus, kuigi on tõendeid nende olemasolust seotud olekus. Kvarkide mittevaatlemise üheks põhjuseks võib olla nende väga suur mass, mis takistab nende teket tänapäevaste kiirendite energiate juures. Siiski on võimalik, et kvargid ei saa oma interaktsiooni eripära tõttu põhimõtteliselt olla vabas olekus. On teoreetilised ja eksperimentaalsed argumendid selle poolt, et kvarkide vahel mõjuvad jõud ei nõrgene kaugusega. See tähendab, et kvarkide üksteisest eraldamiseks on vaja lõpmatult rohkem energiat või vastasel juhul on kvarkide tekkimine vabas olekus võimatu. Suutmatus vabas olekus kvarke isoleerida teeb neist täiesti uut tüüpi aine struktuuriüksused. Näiteks on ebaselge, kas on võimalik tõstatada küsimust komponendid kvargid, kui kvarke endid ei ole võimalik vaadelda vabas olekus. Võimalik, et nendes tingimustes ei avaldu kvarkide osad füüsiliselt üldse ja seetõttu toimivad kvargid hadroonaine killustumise viimase etapina.
Elementaarosakesed ja kvantväljateooria.
Elektronosakeste omaduste ja vastastikmõjude kirjeldamiseks tänapäeva teoorias on füüsika mõiste hädavajalik. väljale, mis on määratud igale osakesele. Väli on aine spetsiifiline vorm; seda kirjeldab funktsioon, mis on määratud kõigis punktides ( X)aegruum ja millel on teatud transformatsiooniomadused seoses Lorentzi rühma (skalaar, spinor, vektor jne) ja “sisemiste” sümmeetriate rühmade (isotoopskalaar, isotoopspinor jne) teisendustega. Omadustega elektromagnetväli neljamõõtmeline vektor Ja m (x) (m = 1, 2, 3, 4) on ajalooliselt esimene näide füüsilisest väljast. Väljad, mis on seotud E. h kvantloodus st nende energia ja impulss koosnevad paljudest osadest. osad - kvantid ning kvanti energia E k ja impulss p k on seotud erirelatiivsusteooria seosega: E k 2 = p k 2 c 2 + m 2 c 2 . Iga selline kvant on etteantud energiaga E k, impulsi p k ja massiga m. Elektromagnetvälja kvantid on footonid, teiste väljade kvantid vastavad kõigile teistele teadaolevatele elektronosakestele lõpmatu osakeste kogumi – kvantide – olemasolu peegeldus. Eriline matemaatiline aparaat kvantväljateooria võimaldab kirjeldada osakese sündi ja hävimist igas punktis x.
Välja teisendusomadused määravad kõik E. osakeste kvantarvud Teisendusomadused seoses aegruumi teisendustega (Lorentzi rühm) määravad osakeste spinni. Seega vastab skalaar spinnile 0, spinor - spin 1/2, vektor - spin 1 jne. Järgneb selliste kvantarvude olemasolu nagu L, B, 1, Y, Ch ning kvarkide ja gluoonide puhul "värv". väljade teisendusomadustest seoses „siseruumide” teisendustega („laenguruum”, „isotoopruum”, „ühtne ruum” jne). Eelkõige "värvi" olemasolu kvarkides on seotud spetsiaalse "värvilise" ühtse ruumiga. "Siseruumide" kasutuselevõtt teoreetilises aparaadis on siiski puhtformaalne vahend, mis aga võib olla viide, et füüsilise aegruumi mõõde, mis kajastub E. Ch. omadustes, on tegelikult suurem. kui neli – kõikidele makroskoopilistele füüsikalistele protsessidele iseloomulik aegruumi mõõde. Elektronosakeste mass ei ole otseselt seotud väljade teisendusomadustega; see on nende lisaomadus.
Elektronosakestega toimuvate protsesside kirjeldamiseks on vaja teada, kuidas erinevad füüsikalised väljad on omavahel seotud, ehk teada väljade dünaamikat. IN kaasaegne aparaat Kvantväljateoorias sisaldab info väljade dünaamika kohta spetsiaalses väljade kaudu väljendatavas suuruses - Lagrange'i (täpsemalt Lagrange'i tiheduses) L. L-i tundmine võimaldab põhimõtteliselt arvutada ühest hulgast üleminekute tõenäosusi. osakeste teisenemine erinevate interaktsioonide mõjul. Need tõenäosused on antud nn. hajumismaatriks (W. Heisenberg, 1943), mida väljendatakse L-i kaudu. Lagrange L koosneb Lagrange L in-st, mis kirjeldab vabade väljade käitumist, ja interaktsioonist Lagrange L in, mis on konstrueeritud väljadest. erinevad osakesed ja peegeldades nende vastastikuse muutumise võimalust. Lz tundmine on määrav protsesside kirjeldamisel E. h.
L3 vormi määravad üheselt suhtelise Lorentzi rühma väljade teisendusomadused ja invariantsi nõue selle rühma suhtes (relativistlik invariantsus). Pikka aega polnud aga teada L3 leidmise kriteeriumid (erandiks on elektromagnetilised vastasmõjud) ning eksperimendist saadud info elektromagnetiliste osakeste vastastikmõjude kohta ei võimaldanud enamikul juhtudel usaldusväärset valikut erinevate võimaluste vahel. Nendes tingimustes laialdane kasutamine sai interaktsioonide kirjeldamisel fenomenoloogilise käsitluse, mis põhines kas L insi kõige lihtsamate vormide valikul, mis viivad vaadeldavate protsessideni, või hajumismaatriksi elementide iseloomulike omaduste otsesel uurimisel. Sellel teel on saavutatud märkimisväärset edu erinevate valitud energiapiirkondade elektronosakestega protsesside kirjeldamisel. Paljud teooria parameetrid olid aga laenatud eksperimendist ja lähenemine ise ei saanud pretendeerida universaalsusele.
Perioodil 50-70. Märkimisväärseid edusamme on tehtud L3 struktuuri mõistmisel, mis on võimaldanud oluliselt viimistleda selle vormi tugevate ja nõrkade interaktsioonide jaoks. Otsustav roll Seda edu soodustas elektronosakeste vastastikmõjude sümmeetriaomaduste ja Lv kuju vahelise tiheda seose selgitamine.
Elektronosakeste vastastikmõjude sümmeetria peegeldub teatud füüsikaliste suuruste jäävusseaduste olemasolus ja sellest tulenevalt nendega seotud elektronosakeste kvantarvude säilimises (vt Jäävusseadused). Täpne sümmeetria, mis esineb kõigi interaktsiooniklasside korral, vastab täpsete kvantarvude olemasolule elektronides; ligikaudne sümmeetria, mis on iseloomulik ainult teatud interaktsioonide klassidele (tugev, elektromagnetiline), põhjustab ebatäpseid kvantarvusid. Eespool mainitud interaktsiooniklasside erinevus seoses elektronide kvantarvude säilimisega peegeldab erinevusi nende sümmeetria omadustes.
Tuntud vorm L üles el. m on elektromagnetiliste interaktsioonide puhul Lagrange L ilmse sümmeetria olemasolu selles sisalduvate laetud osakeste kompleksväljade j korrutamise suhtes j*j tüüpi kombinatsioonides (siin * tähendab kompleksset konjugatsiooni). tegur e ia, kus a on suvaline reaalarv. See sümmeetria tekitab ühelt poolt elektrilaengu jäävuse seaduse, teisest küljest, kui nõuame sümmeetria täitmist tingimusel, et a sõltub suvaliselt aegruumi punktist x, viib see üheselt interaktsiooni Lagrangiani:
L üles el. m = j m el. m (x) A m (x) (1)
kus j m el. m - neljamõõtmeline elektromagnetvool (vt Elektromagnetilised vastasmõjud). Nagu selgub, on sellel tulemusel üldine tähendus. Kõigil juhtudel, kui interaktsioonidel on "sisemine" sümmeetria, st Lagrange on "siseruumi" teisenduste korral invariantne ja vastavad kvantarvud tekivad E. arvudes, tuleks nõuda, et invariantsus toimuks mis tahes sõltuvuse korral teisendusparameetrid punktis x (nn kohaliku gabariidi invariantsus; Yang Zhen-ning, Ameerika füüsik R. Mills, 1954). Füüsiliselt on see nõue tingitud asjaolust, et interaktsiooni ei saa koheselt punktist punkti üle kanda. See tingimus on täidetud, kui Lagrange'i väljade hulgas on vektorvälju (A m (x) analooge), mis muutuvad "sisemise" sümmeetria teisenemise käigus ja interakteeruvad osakeste väljadega väga spetsiifilisel viisil, nimelt:
L in = å r=1 n j m r (x) V m r (x), (2)
kus j m r (x) on osakeste väljadest koosnevad voolud, V m r (x) on vektorväljad, mida sageli nimetatakse gabariidiväljadeks. Seega fikseerib "sisemise" sümmeetria lokaalsuse nõue L kuju ja identifitseerib vektorväljad interaktsioonide universaalsete kandjatena. Vektorväljade omadused ja nende arv "n" määratakse "sisemise" sümmeetriarühma omadustega. Kui sümmeetria on täpne, siis on väljakvanti mass V m r 0. Ligikaudse sümmeetria korral kvanti mass vektorväli erineb nullist. Voolu tüüp j m r määratakse nullist erineva kvantarvuga osakeste väljade järgi, mis on seotud “sisemise” sümmeetriarühmaga.
Eelpool välja toodud põhimõtetest lähtudes osutus võimalikuks läheneda küsimusele kvarkide vastasmõjust nukleonis. Nukleonide poolt neutriinode ja antineutriinode hajutamise katsed on näidanud, et nukleoni impulsi kannavad kvargid üle vaid osaliselt (umbes 50%), ülejäänud osa aga teist tüüpi aine, mis neutriinodega ei interakteeru. Arvatavasti koosneb see aineosa osakestest, mida kvargid vahetavad ja mille tõttu neid nukleonis hoitakse. Neid osakesi nimetatakse "gluoonideks" (inglise keelest liim - liim). Ülaltoodud interaktsioonide vaatepunktist on loomulik pidada neid osakesi vektorosakesteks. Kaasaegses teoorias seostatakse nende olemasolu sümmeetriaga, mis määrab kvarkides “värvi” välimuse. Kui see sümmeetria on täpne (värv SU (3) sümmeetria), siis on gluoonid massita osakesed ja nende arv on kaheksa (Ameerika füüsik I. Nambu, 1966). Kvarkide vastastikmõju gluoonidega annab L vz struktuuriga (2), kus voolutugevus j m r koosneb kvargiväljadest. Samuti on põhjust oletada, et kvarkide vastasmõju, mis on põhjustatud massivabade gluoonide vahetusest, viib kvarkide vahel jõududeni, mis vahemaa kasvades ei vähene, kuid seda pole rangelt tõestatud.
Põhimõtteliselt võiks teadmised kvarkide omavahelisest vastasmõjust olla aluseks kõikide hadronite omavahelise vastasmõju ehk kõigi tugevate vastastikmõjude kirjeldamisel. See hadronifüüsika suund areneb kiiresti.
Sümmeetria (sealhulgas ligikaudse) määrava rolli põhimõtte kasutamine interaktsioonistruktuuri kujunemisel võimaldas edeneda ka nõrkade interaktsioonide Lagrangi olemuse mõistmisel. Samal ajal sügav intercom nõrk ja elektromagnetiline vastastikmõju. Selle lähenemisviisi puhul ei peeta sama leptonilaenguga leptonipaaride olemasolu: e - , v e ja m - , v m, kuid erineva massi ja elektrilaengutega mitte juhuslikuks, vaid peegeldavaks isotoonilise laengu katkenud sümmeetria olemasolu. tüüp (rühm SU (2)). Kohalikkuse printsiibi rakendamine sellele “sisemisele” sümmeetriale viib iseloomuliku Lagrangiani (2), milles tekivad samaaegselt nii elektromagnetilise kui ka nõrga vastasmõju eest vastutavad terminid (Ameerika füüsik S. Weinberg, 1967; A. Salam, 1968):
L õhk = 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)
Siin j m sl. h. , j m sl. n. - nõrga interaktsiooni laetud ja neutraalsed voolud, mis on ehitatud leptonite väljadest, W m +, W m -, Z m 0 - massiivsete (sümmeetria purunemise tõttu) vektorosakeste väljad, mis selles skeemis on nõrkade interaktsioonide kandjad ( nn vahepealsed bosonid), A m - footoniväli. Idee laetud vahepealse bosoni olemasolust esitati juba ammu (H. Yukawa, 1935). Siiski on oluline, et selles elektronide magnetilise ja nõrga interaktsiooni ühtse teooria mudelis ilmneb laetud vaheboson võrdsel alusel footoni ja neutraalse vahebosoniga. 1973. aastal avastati neutraalsete voolude põhjustatud nõrkade vastasmõjude protsessid, mis kinnitab äsja välja toodud lähenemise õigsust nõrkade vastastikmõjude dünaamika sõnastamisel. Võimalikud on ka muud võimalused Lagrange L-i kirjutamiseks suure hulga neutraalsete ja laetud vahebosonitega; Katseandmed pole veel piisavad Lagrangiani lõplikuks valikuks.
Vahebosoneid pole veel eksperimentaalselt avastatud. Olemasolevate andmete põhjal on Weinberg-Salami mudeli massid W ± ja Z 0 hinnanguliselt umbes 60 ja 80 GeV.
Kvarkide elektromagnetilist ja nõrka vastastikmõju saab kirjeldada Weinberg-Salami mudeliga sarnase mudeli raames. Elektromagnetiliste ja nõrkade hadronite vastastikmõjude arvestamine sellel alusel annab vaadeldud andmetega hästi kokku. Üldine probleem selliste mudelite koostamisel on seni teadmata kvarkide ja leptonite koguarv, mis ei võimalda kindlaks teha algsümmeetria tüüpi ja selle rikkumise olemust. Seetõttu on edasised eksperimentaalsed uuringud väga olulised.
Elektromagnetiliste ja nõrkade vastastikmõjude ainuke päritolu tähendab, et teoreetiliselt kaob nõrk interaktsioonikonstant iseseisva parameetrina. Ainsaks konstantiks jääb elektrilaeng e Nõrkade protsesside mahasurumine madalate energiate juures on seletatav suur mass vahepealsed bosonid. Massisüsteemi keskmes olevate energiate korral, mis on võrreldavad vahepealsete bosonite massidega, peaksid elektromagnetilise ja nõrga vastastikmõju mõju olema samas suurusjärgus. Viimased erinevad aga mitme kvantarvu (P, Y, Ch jne) mittesäilimise poolest.
Püütakse käsitleda ühtselt mitte ainult elektromagnetilist ja nõrka vastastikmõju, vaid ka tugevat vastastikmõju. Selliste katsete lähtepunktiks on eeldamine, et elektronosakeste igat tüüpi vastastikmõjud on samad (ilma gravitatsioonilise vastasmõjuta). Täheldatud tugevaid erinevusi interaktsioonide vahel peetakse oluliseks sümmeetria purunemiseks. Need katsed ei ole veel piisavalt arenenud ja neil on tõsiseid raskusi, eriti kvarkide ja leptonite omaduste erinevuste selgitamisel.
Sümmeetriaomaduste kasutamisel põhineva Lagrangi interaktsiooni saamise meetodi väljatöötamine oli oluline samm E. Ch. dünaamilise teooriani viival teel On põhjust arvata, et mõõtevälja teooriad on olulised koostisosa edasised teoreetilised konstruktsioonid.
Järeldus
Mõned elementaarosakeste teooria üldised probleemid. Elektronosakeste füüsika uusim areng eristab kõigist elektronosakestest selgelt osakeste rühma, mis määravad oluliselt mikromaailma protsesside eripära. Need osakesed on võimalikud kandidaadid tõeliste elektronosakeste rolliks. Nende hulka kuuluvad: spinniga 1/2 osakesed – leptonid ja kvargid, aga ka spinniga 1 osakesed – gluoonid, footonid, massiivsed vahebosonid, mis teostavad erinevat tüüpi interaktsioone. spinniga osakeste 12 . Sellesse rühma peaks tõenäoliselt kuuluma ka osake, mille spinn 2 – graviton; kvant gravitatsiooniväli, mis ühendab kõiki E. h Selles skeemis vajavad paljud küsimused aga edasist uurimist. Pole teada, milline on leptonite, kvarkide ja erinevate vektorosakeste (J = 1) koguarv ning kas on olemas füüsikalised põhimõtted, mis selle arvu määravad. Põhjused, miks osakesed jagunevad spinniga 1/2 kaheks, on ebaselged erinevad rühmad: leptonid ja kvargid. Leptonite ja kvarkide sisemiste kvantarvude (L, B, 1, Y, Ch) ning kvarkide ja gluoonide selliste omaduste nagu “värvus” päritolu on ebaselge. Milliseid vabadusastmeid seostatakse sisemiste kvantarvudega? Tavalise neljamõõtmelise aegruumiga seostuvad ainult sellised elektronosakese omadused nagu J ja P. Milline mehhanism määrab tõelise elektronosakese massid? Mis on erinevate sümmeetriaomadustega elektronide erinevate interaktsiooniklasside esinemise põhjus? Need ja teised küsimused tuleb lahendada E. ch. tulevase teooriaga.
Nagu märgitud, on elektronosakeste vastastikmõjude kirjeldus seotud mõõtevälja teooriatega. Nendel teooriatel on välja töötatud matemaatiline aparaat, mis võimaldab arvutada elektronosakestega protsesse (vähemalt põhimõtteliselt) samal rangustasemel kui kvantelektrodünaamikas. Kuid praegusel kujul on gabariidivälja teooriatel üks tõsine puudus, mis on ühine kvantelektrodünaamikaga - nendes ilmuvad arvutuste käigus mõttetud lõpmata suured avaldised. Kasutades vaadeldavate suuruste (massi ja laengu) ümberdefineerimiseks spetsiaalset tehnikat – renormaliseerimist – on võimalik arvutuste lõpptulemustest kõrvaldada lõpmatused. Kõige paremini uuritud elektrodünaamikas ei mõjuta see veel teoreetiliste ennustuste ja katse vastavust. Ümbernormaliseerimisprotseduur on aga puhtformaalne möödapääs teoreetilises aparaadis esinevast raskusest, mis peaks mingil täpsuse tasemel mõjutama arvutuste ja mõõtmiste vahelise kokkukõla astet.
Lõpmatuste ilmnemine arvutustes on tingitud sellest, et interaktsioonide Lagrangianides on erinevate osakeste väljad viidatud ühele punktile x, st eeldatakse, et osakesed on punktitaolised ja neljamõõtmeline aegruum jääb tasaseks kuni väikseimad vahemaad. Tegelikkuses on need eeldused ilmselt valed mitmel põhjusel: a) tõelised E. elemendid on suure tõenäosusega piiratud ulatusega materiaalsed objektid; b) aegruumi omadused väikeses (nn fundamentaalse pikkusega määratud skaalal) erinevad suure tõenäosusega kardinaalselt selle makroskoopilistest omadustest; c) kõige väiksematel vahemaadel (~ 10 -33 cm) mõjutab gravitatsioonist tingitud aegruumi geomeetriliste omaduste muutus. Võib-olla on need põhjused omavahel tihedalt seotud. Seega annab gravitatsiooni arvessevõtmine kõige loomulikumalt tõelise E. osakese suuruse suurusjärgus 10–33 cm ja vundamendi pikkust l 0 saab seostada gravitatsioonikonstandiga f: "10 -33 cm, kuigi ükski neist põhjustest peaks viima teooria muutmiseni ja lõpmatuste kõrvaldamiseni praktiline rakendamine See modifikatsioon võib olla üsna keeruline.
Tundub väga huvitav võtta arvesse gravitatsiooni mõju lühikestel vahemaadel. Gravitatsiooniline interaktsioon ei saa mitte ainult kõrvaldada lahknevusi kvantväljateoorias, vaid ka määrata primaarse aine olemasolu (M. A. Markov, 1966). Kui tõelise E.H aine tihedus on piisavalt suur, võib gravitatsiooniline külgetõmme olla tegur, mis määrab nende materiaalsete moodustiste stabiilse olemasolu. Selliste moodustiste mõõtmed peaksid olema ~10 -33 cm. Enamikes katsetes käituvad nad nagu punktobjektid, nende gravitatsiooniline vastastikmõju on tühine ja ilmneb ainult kõige väiksematel vahemaadel, piirkonnas, kus ruumi geomeetria oluliselt muutub.
Seega peaks tekkiv suund E. ch erinevate interaktsioonide klasside samaaegsele kaalumisele loogiliselt lõpule viima üldine skeem gravitatsiooniline interaktsioon. Kõige tõenäolisemalt eeldatakse tulevase elektronosakeste teooria loomist, võttes samaaegselt arvesse kõiki interaktsioonitüüpe.
Bibliograafia
1) Markov M.A. Aine olemusest. M., 1976
2) Gaziorovich S. Elementaarosakeste füüsika, tlk. inglise keelest, M. 1969
3) Kokkede Ya., Kvarkide teooria, tlk. inglise keelest, M., 1971
4) I., Ioffe B. L., Okun L. B., uued elementaarosakesed, "Advances" füüsikalised teadused", 1975, t. 117, v. 2, lk 227
5) Bogolyubov N.N., Shirkov D.V., Sissejuhatus kvantväljade teooriasse, 3. väljaanne, M., 1976;
6) Uudised fundamentaalne füüsika, trans. inglise keelest, M., 1977, lk 120-240 .
ELEMENTAARILISED OSAKED, V kitsamas mõttes- osakesed, mida ei saa pidada teistest osakestest koosnevaks. Kaasaegses Füüsikas kasutatakse mõistet “elementaarosakesed” laiemas tähenduses: nn. aine väikseimad osakesed tingimusel, et need ei ole ja (erand on); Mõnikord nimetatakse sel põhjusel elementaarosakesi subnukleaarseteks osakesteks. Enamik Sellised osakesed (ja neist on teada üle 350) on liitsüsteemid.
E elementaarosakesed osalevad elektromagnetilises, nõrgas, tugevas ja gravitatsioonilises vastasmõjus. Elementaarosakeste väikese massi tõttu nende gravitatsiooniline vastastikmõju. tavaliselt ei võeta arvesse. Kõik elementaarosakesed jagunevad kolmeks peamiseks. rühmad. Esimene koosneb nn. Bosonid on elektrinõrga interaktsiooni kandjad. See hõlmab footonit või elektromagnetilise kiirguse kvanti. Footoni puhkemass on null, seetõttu tähistab elektromagnetlainete (sh valguslainete) levimiskiirus füüsikalise leviku maksimaalset kiirust. mõju ja on üks fondidest. füüsiline püsiv; aktsepteeritakse, et c = (299792458 1,2) m/s.
Teine elementaarosakeste rühm on leptonid, mis osalevad elektromagnetilises ja nõrgas vastasmõjus. Tuntud on 6 leptonit: , elektron, müüon, raske-lepton ja vastav. (sümbol e) loetakse looduses väikseima massiga materjaliks m c, mis võrdub 9,1 x 10 -28 g (energiaühikutes 0,511 MeV) ja väikseima negatiivsega. elektriline laeng e = 1,6 x 10 -19 C. (sümbol) - osakesed massiga u. 207 mass (105,7 MeV) ja elektriline. tasu, võrdne laenguga; Raske leptoni mass on u. 1,8 GeV. Nendele osakestele vastavad kolm tüüpi on elektron (sümbol v c), müüon (sümbol) ja neutriino (sümbol) – kerged (võimalik, et massita) elektriliselt neutraalsed osakesed.
Kõigil leptonitel on ( - ), st statistiliselt. Püha te olete fermionid (vt.).
Iga lepton vastab , millel on samad massiväärtused ja muud omadused, kuid erinevad elektrimärgi poolest. tasu. On (sümbol e +) - positiivselt laetud (sümbol) ja kolme tüüpi antineutriinosid (sümbol), millele omistatakse vastupidine märk spetsiaalne kvantarv, nn leptoni laeng (vt allpool).
Kolmas elementaarosakeste rühm on hadronid, nad osalevad tugevas, nõrgas ja elektromagnetilises vastasmõjus. Hadronid on "rasked" osakesed, mille mass on oluliselt suurem kui . See on kõige rohkem suur rühm elementaarosakesi. Hadronid jagunevad barüoniteks – mesonidega osakesteks – täisarvuga osakesteks (O või 1); samuti nn resonantsid on lühiealised hadronid. Barüonid hõlmavad (sümbol p) - tuum, mille mass on ~ 1836 korda suurem kui m s ja võrdne 1,672648 x 10 -24 g (938,3 MeV), ja panna. elektriline laeng, mis on võrdne laenguga, ja ka (sümbol n) - elektriliselt neutraalne osake, mille mass ületab veidi massi. Alates ja kõik on üles ehitatud, nimelt tugev interaktsioon. määrab nende osakeste seose üksteisega. Tugevas interaktsioonis ja samade omadustega ning neid peetakse kaheks ühest osakestest - isotoopiga nukleonideks. (vt allpool). Barüonite hulka kuuluvad ka hüperonid – elementaarosakesed, mille mass on suurem kui nukleon: hüperoni mass on 1116 MeV, hüperoni mass 1190 MeV, hüperoni mass 1320 MeV ja hüperoni mass 1670 MeV. MeV. Mesonite massid on masside ja (-mesoni, K-mesoni) vahepealsed. On neutraalseid ja laetud mesoneid (positiivse ja negatiivse elementaarelektrilaenguga). Kõigil mesonitel on oma omadused. Püha kuulud bosonitesse.
Elementaarosakeste põhiomadused. Iga elementaarosakest kirjeldab diskreetsete füüsikaliste väärtuste kogum. kogused (kvantarvud). Kõikide elementaarosakeste üldised omadused - mass, eluiga, elekter. tasu.
Sõltuvalt nende elueast jagatakse elementaarosakesed stabiilseteks, kvaasistabiilseteks ja ebastabiilseteks (resonants). Stabiilsed (tänapäevaste mõõtmiste täpsuse piires) on: (eluiga üle 5 -10 21 aasta), (üle 10 31 aasta), footon ja . Kvaasistabiilsete osakeste hulka kuuluvad osakesed, mis lagunevad elektromagnetilise ja nõrga vastasmõju tõttu, nende eluiga on üle 10–20 s. Resonantsid lagunevad tugevate vastastikmõjude tõttu, nende iseloomulik eluiga on 10 -22 -10 -24 s.
Elementaarosakeste sisemised karakteristikud (kvantarvud) on leptoni (sümbol L) ja barüoni (sümbol B) laengud; neid numbreid peetakse igat tüüpi fondide puhul rangelt säilitatavateks kogusteks. interaktsiooni Sest leptoonikutel ja nende L-l on vastupidised märgid; barüonitele B = 1, vastavatele B = -1.
Hadroneid iseloomustab spetsiaalsete kvantarvude olemasolu: “veidrus”, “võlu”, “ilu”. Tavalised (mitteveidrad) hadronid on ,-mesonid. Erinevates hadronite rühmades on osakeste perekondi, mis on massilt sarnased ja tugeva interaktsiooni poolest sarnaste omadustega, kuid erinevate omadustega. elektrilised väärtused tasu; lihtsaim näide on prooton ja . Selliste elementaarosakeste summaarne kvantarv on nn. isotoop , mis, nagu tavaline , aktsepteerib täis- ja pooltäisarvu väärtusi. TO eriomadused hadronid sisaldab ka sisemist pariteeti, mis võtab väärtused 1.
Elementaarosakeste oluliseks omaduseks on nende võime elektromagnetiliste või muude vastastikmõjude tagajärjel vastastikku muunduda. Üks vastastikuste teisenduste liike on nn. sünd ehk osakese tekkimine samal ajal ja (üldjuhul - vastandlike leptoon- või barüonlaengutega elementaarosakeste teke). Võimalike protsesside hulka kuuluvad elektron-positroni e - e + sünd, leptonite kokkupõrgetes uued rasked osakesed müonid ning cc- ja bb-olekute teke kvarkidest (vt allpool). Teine elementaarosakeste vastastikuse muundamise tüüp on annihilatsioon osakeste kokkupõrke ajal koos lõpliku arvu footonite (kvantide) moodustumisega. Tavaliselt tekib 2 footoni, kui põrkuvate osakeste koguarv on null, ja 3 footoni, kui kogusumma on 1 (laengu pariteedi jäävuse seaduse ilming).
Teatud tingimustel, eriti osakeste kokkupõrke väikesel kiirusel, moodustub ühendatud süsteem - e - e + ja Neid ebastabiilseid süsteeme nimetatakse sageli. , nende eluiga aines sõltub suuresti aine omadustest, mis võimaldab struktuuri uurimiseks kasutada kondensaatorit. kiirkemikaalide ained ja kineetika. ringkonnad (vt,).
Hadronite kvarkmudel. Hadronite kvantarvude üksikasjalik uurimine neid silmas pidades võimaldas meil järeldada, et kummalised hadronid ja tavalised hadronid moodustavad koos lähedaste omadustega osakeste ühendused, mida nimetatakse unitaarseteks multiplettideks. Nendes sisalduvate osakeste arv on 8 (oktett) ja 10 (dekuplet). Ühtse multipletti kuuluvatel osakestel on sama sisemine osa pariteeti, kuid erinevad elektriliste väärtuste poolest. laeng (isotoopmultipleti osakesed) ja kummalisus. Ühtsete rühmadega seotud omadused, nende avastamine oli aluseks järeldusele spetsiaalsete struktuuriüksuste olemasolu kohta, millest konstrueeritakse hadroneid ja kvarke. Arvatakse, et hadronid on kombinatsioonid kolmest põhialusest. osakesed 1/2-ga: up-kvargid, d-kvargid ja s-kvargid. Seega koosnevad mesonid kvargist ja antikvargist, barüonid 3 kvargist.
Eeldus, et hadronid koosnevad 3 kvargist, tehti 1964. aastal (J. Zweig ja sõltumatult M. Gell-Mann). Seejärel lisati hadronite struktuuri mudelisse veel kaks kvarki (eelkõige selleks, et vältida vastuolusid ) - "võlutud" (c) ja "ilusad" (b), ning tutvustati ka kvarkide eriomadusi - "maitse" ja "värv". Hadronite komponentidena toimivaid kvarke pole vabas olekus täheldatud. Kogu hadronite mitmekesisus on tingitud erinevatest teguritest. ja-, d-, s-, c- ja b-kvarkide kombinatsioonid, mis moodustavad ühendatud olekuid. Tavalised hadronid ( , -mesonid) vastavad üles- ja d-kvarkidest ehitatud ühendatud olekutele. Ühe s-, c- või b-kvargi olemasolu hadronis koos up- ja d-kvarkidega tähendab, et vastav hadron on “veider”, “võlutud” või “ilus”.
Hadronite ehituse kvargimudel leidis kinnitust lõpus tehtud katsete tulemusena. 60ndad – varakult
70ndad 20. sajandil Kvarke hakati tegelikult pidama uuteks elementaarosakesteks – aine hadronilise vormi jaoks tõeliselt elementaarosakesteks. Vabade kvarkide jälgimatus on ilmselt fundamentaalne ja viitab sellele, et need on need elementaarosakesed, mis sulgevad keha struktuurikomponentide ahela. On teoreetilised ja katsetada. argumendid selle poolt, et kvarkide vahel mõjuvad jõud ei nõrgene distantsiga, st kvarkide üksteisest eraldamiseks on vaja lõpmatult palju energiat ehk teisisõnu on kvarkide tekkimine vabas olekus võimatu . See teeb neist saarel täiesti uut tüüpi struktuuriüksused. Võimalik, et kvargid toimivad mateeria viimase etapina.
Lühike ajalooline teave. Esimene avastatud elementaarosake oli neg. elektriline laadige mõlemas elektrimärgis. laeng (K. Anderson ja S. Neddermeyer, 1936) ning K-mesonid (S. Powelli rühm, 1947; selliste osakeste olemasolu pakkus 1935. aastal välja H. Yukawa). In con. 40ndad – varakult 50ndad avastati "veidrad" osakesed. Selle rühma esimesed osakesed - K + - ja K - -mesonid, A-hüperonid - registreeriti ka kosmoses. kiired
Algusest peale 50ndad kiirendid on saanud peamiseks elementaarosakeste uurimise tööriist. Antiprooton (1955), antineutron (1956), anti-hüperon (1960) ja 1964. aastal avastati kõige raskem. W -hüperoon. 1960. aastatel Kiirendites avastati suur hulk äärmiselt ebastabiilseid resonantse. 1962. aastal selgus, et neid on kaks erinevat: elektron ja müüon. 1974. aastal avastati massiivsed (3-4 prootoni massi) ja samal ajal suhteliselt stabiilsed (tavaliste resonantsidega võrreldes) osakesed, mis osutusid tihedalt seotud uue elementaarosakeste perekonnaga - "võlutud", nende esimesed esindajad. 1976. aastal avastati 1975. aastal avastati leptoni raske analoog, 1977. aastal umbes kümne prootoni massiga osakesed, 1981. aastal "ilusad" osakesed. 1983. aastal avastati teadaolevalt raskeimad elementaarosakesed – bosonid (mass 80 GeV) ja Z° (91 GeV).
Seega on aastate jooksul pärast avastust tuvastatud tohutul hulgal erinevaid mikroosakesi. Elementaarosakeste maailm osutus keeruliseks ja nende omadused olid mitmes mõttes ootamatud.
Lit.: Kokkede Ya., Kvarkide teooria, [tlk. inglise keelest], M., 1971; Markov M. A., Aine olemusest, M., 1976; Okun L.B., Leptonid ja kvargid, 2. väljaanne, M., 1990.
Elementaarosakesed– füüsikalise aine väikseimad teadaolevad osakesed, mida võib teatud määral pidada universumi mõningateks “ehituskivideks” tänapäevasel ainetundmise tasemel. Selle sõna kitsamas tähenduses võib elementaarosakesi nimetada osakesteks, milles sisemine struktuur pole kunagi täheldatud. Nende hulka kuuluvad näiteks elektron ja footon. Valdav enamik elementaarosakesi (mesonid, barüonid) on sisestruktuuriga.
Elementaarosakeste avastamise ajalugu võtab ühe sajandi. 20ndatel XX sajand elementaarosakeste teooria oli äärmiselt lihtne. Tunti kahte osakest – elektroni ja prootonit, samuti kahte tüüpi vastastikmõjusid – gravitatsioonilist ja elektromagnetilist. Nende põhjal selgitati kõiki loodusnähtusi.
Eristada saab kahte peamist uute elementaarosakeste avastamise voolu. Esimene esineb 30-50ndatel. 20. sajand, mil avastati ennekõike neutron ja positron. Positron on elektroni suhtes antiosake; see on igas mõttes nagu elektron, kuid sellel on pigem positiivne kui negatiivne laeng. Elektroni põrkumisel positroniga, samuti kui suvaline osake põrkub talle vastava antiosakesega, võib toimuda nende annihilatsioon, s.t. osakeste vastastikune hävitamine, millega kaasneb uute mikroosakeste sünd ja energia vabanemine. Seega tekitab elektron, mis interakteerub positroniga, kaks footoni.
Järgmisena avastati neutriinod. Praegu on teada mitut tüüpi neutriinosid. 1937. aastal avastati esimene meson. See on seotud tuuma vastasmõjuga. 1960. aastaks hõlmas teooria 32 elementaarosakest ja iga uus osake oli seotud põhimõtteliselt uue ringi avastamisega. füüsikalised nähtused. Teine elementaarosakeste avastuste voog toimus aastatel 1960–1965. Selle perioodi lõpuks ületas osakeste arv 200. 1990. aastate lõpuks. avastatud osakeste ja antiosakeste arv läheneb 400-le.
Subatomaarsete osakeste tunnused on mass, elektrilaeng, spin, eluiga, magnetmoment, ruumiline paarsus jne. Juba elementaarsuse mõiste on kaotanud oma tähenduse, kuna elementaarsuse kriteeriumi pole. Stabiilseid (iselagunematuid) elementaarosakesi* on ainult neli: elektron, prooton, footon ja kõik neutriinotüübid. Nende osakeste põhjal on võimatu ehitada kõiki teisi, millel on võime spontaanselt laguneda. Sellistest osakestest elab vaba neutron kõige kauem (17 minutit) ja neutraalne π-meson kõige lühemalt (10 -16 s). Kuid osakeste eluea erinevustel põhinevat klassifitseerimispõhimõtet ei suudetud kehtestada.
Mikromaailma objektide oluline klassifitseerimistunnus on nende võime osaleda tugevas vastasmõjus. Tugevas interaktsioonis osalevaid osakesi nimetatakse hadronid, nimetatakse osakesi, mis osalevad nõrkades interaktsioonides ja ei osale tugevates leptonid. Lisaks on olemas osakesed – vastastikmõjude kandjad.
Leptonite hulka kuuluvad elektron, müon, tau lepton, kolme tüüpi neutriinod ja neile vastavad antiosakesed. Seega koguarv leptonid on võrdsed kaheteistkümnega. 60ndatel avastatud neutriinod. XX sajand on universumi kõige levinumad osakesed. Universumit võib ette kujutada piiritu neutriinomerena, milles aeg-ajalt leidub aatomite kujul saari. Osalemata tugevas või elektromagnetilises vastasmõjus, tungivad nad läbi mateeria, nagu poleks seda üldse olemas. Seetõttu on neid väga raske uurida. Muuon on üks esimesi teadaolevaid ebastabiilseid subatomilisi osakesi, mis avastati 1936. aastal. See meenutab igati elektroni: tal on sama laeng ja spin, osaleb samades interaktsioonides, kuid sellel on suurem mass ja see on ebastabiilne (umbes kahes). sekundi miljondiku jooksul laguneb see elektroniks ja kaheks neutriinoks). Tau lepton on samuti laetud osake. See avati 70ndatel. XX sajand ja sellel on väga suur mass - 3500 elektroni massi.
Hadronete arv on mitusada, välja arvatud neutron ja prooton, on lühiealised ja lagunevad kiiresti. Hadronite ebastabiilsus ja nende suur mitmekesisus näitavad, et need ei ole elementaarsed objektid, vaid on ehitatud väiksematest osakestest - kvargid. Enamik hadroneid avastati 50ndatel ja 60ndatel. XX sajand Hadronid osalevad tugevates, nõrkades ja elektromagnetilistes vastasmõjudes.
Kui leptonid ja hadronid on mateeria ehitusplokid, siis on olemas ka nelja vastastikmõju pakkuvad osakesed, mis on omamoodi “liim”, mis takistab maailma lagunemist. Elektromagnetilise interaktsiooni kandjad on footonid, tugevateks interaktsioonideks gluoonid (prootoni sees siduvad kvargid), nõrkadeks interaktsioonideks W +, W -, Z º -bosonid (mida iseloomustab suur puhkemass ja lühike kestus eluiga - ainult 10-26 s). Avaldatakse arvamust gravitatsioonivälja kandja – gravitonide – olemasolu kohta. Teadlaste arvutuste kohaselt peaks neil nagu footonitel olema nullmass ja nad peaksid liikuma valguse kiirusel. Kui aga footoni spinn on 1 ja elektromagnetilise interaktsiooni käigus sarnaselt laetud osakesed tõrjuvad, siis gravitoni spinn on 2. See võimaldab kõiki osakesi üksteise külge tõmmata. Kuna gravitatsiooniline vastastikmõju on väga nõrk, pole gravitoneid katsetes veel suudetud otseselt tuvastada.
Praegu on avastatud nn antiosakesed, millel on osakestele (positron, antiprooton jne) vastandlaeng. Nii avastati 1932. aastal kosmilistes kiirtes positronid*. Antiprootonid, mis tekkisid kokkupõrkes vasest sihtmärkide tuumadega, avastati 1955. aastal Berkeley uues kiirendis. 1956. aastal avastati antineutron. Kui elektron positronist ja prooton antiprootonist erinevad ennekõike laengute märgi poolest, siis mille poolest erinevad neutron ja antineutron? Neutronil puudub elektrilaeng, kuid sellega on seotud magnetväli. Selle põhjus pole päris selge, kuigi on kindlaks tehtud, et neutroni magnetväli on orienteeritud ühes suunas, antineutroni magnetväli aga vastupidises suunas.
Lisaks erinevustele laengus on antiosakestel osakestega võrreldes muidki fundamentaalseid omadusi. Seega, maailmast antimaailmale üleminekul vahetavad „paremale“ ja „vasakule“ aeg antimaailmas tulevikust minevikku, mitte aga minevikust tulevikku, nagu on juhtunud; maailmas. Erinevalt osakestest, mis on meie maailma ehituskivid, on antiosakesed vaid külalised, kes ilmuvad hetkeks siia maailma. Kui antiosakesed puutuvad kokku osakestega, toimub plahvatus, mille tagajärjel need vastastikku hävivad, vabastades tohutul hulgal energiat. Tuginedes arvukatele antiosakeste vaatlustele ja uurides nende käitumist meie maailmas, on mõned teadlased jõudnud ideeni terve antimaailma olemasolust, mis sarnaneb meie maailmaga ja eksisteerib sellega koos, kuid erineb sellele vastupidise märgi poolest. .
Selle teooria üks juhtivaid arendajaid oli Eesti akadeemik G. Naan. Selle põhipunkt on seisukoht, et universumi mõlemad pooled – maailm ja antimaailm – tekivad lõpuks absoluutsest vaakumist. Ta kirjutas: „Väide eimillestki (tühjusest, vaakumist) tekkimise võimalikkusest säilivusseadusi rangelt järgides peaks tunduma äärmiselt paradoksaalne. Looduskaitseseaduste mõte on ju see, et miski ei tule millestki, millestki ei saa midagi tekkida. Siin välja töötatud hüpotees ei sea seda seisukohta kuidagi kahtluse alla. Miski ei saa tegelikult sünnitada (ainult) midagi, kuid see sünnitab midagi enamat - midagi ja anti-midagi samaaegselt! Siin välja pakutud hüpotees põhineb lõpuks elementaarsel tõsiasjal, et võrdsust (-1)+(+1)=0 saab lugeda ka vastupidi, paremalt vasakule: 0=(-1)+(+1). Viimane võrdsus ei väljenda mitte ainult kosmoloogiat, vaid ka kosmogooniat. originaal" ehitusmaterjal Universum" on tühjus, vaakum. Keskmiselt ei koosne kogu sümmeetriline universum muust kui tühjusest. Seetõttu võib see tekkida tühjusest, järgides rangelt kõiki looduskaitseseadusi. "Kõik aegruumi intervallid ja koordinaadid on identselt võrdsed nulliga. Sümmeetriline universum on selline, et see ei sisalda keskmiselt midagi, isegi mitte ruumi ja aega. G. Naani teooria näitel on selgelt näha sümmeetriaprintsiibi universaalsus, millest tuleb juttu järgmises lõigus.
Kust meie universumist pärinevad elementaarosakesed ja antiosakesed? Teadlased väidavad, et füüsilisest vaakumist. Füüsiline vaakum ei ole absoluutselt mitte midagi, vaid tõeline füüsiline süsteem, näiteks elektromagnetväli ühes selle olekus. Veelgi enam, kvantväljateooria järgi saab vaakumolekust saada kõik muud väljaolekud ja elementaarosakesed. Füüsika tegeleb teatud tüübid ja aine olekud, mitte aine kui sellisega. Samamoodi sisse füüsikalised uuringud nad ei käsitle "absoluutset tühjust" kui mateeria ja materjali täielikku puudumist, vaid "suhtelist tühjust", mida tuleks mõista kui materiaalsete objektide teatud klasside ja nende omaduste puudumist.
Vaakumit võib määratleda kui minimaalse energiaga välja. Kuid see ei tähenda, et selles poleks üldse midagi. Füüsilises vaakumis toimuvad pidevalt kõige keerulisemad sündmused. füüsikalised protsessid näiteks virtuaalsete osakeste sünd ja surm, eriline liik elektromagnetvälja vaakumvõnkumised, mis sellest ei välju ega levi. Kuid teatud ajavahemike järel võivad virtuaalsed osakesed muutuda reaalseteks osakesteks.
Sümmeetria ja invariantsuse põhimõtted füüsikas
Sõnal "sümmeetria" on Kreeka päritolu ja tähendab "proportsionaalsust". IN igapäevane keel Sümmeetria all mõistetakse enamasti korrastatust, harmooniat ja proportsionaalsust. Osade ja terviku harmooniline sidusus on sümmeetria esteetilise väärtuse peamine allikas. Kristallid on meid pikka aega rõõmustanud oma täiuslikkuse ja vormide range sümmeetriaga. Sümmeetrilised mosaiigid, freskod, arhitektuursed ansamblidäratada inimestes ilumeelt, muusika- ja poeetilised teosed tekitada imetlust just nende harmoonia pärast. Seega saame rääkida ilu kategooriasse kuuluvast sümmeetriast.
Sümmeetria teaduslik määratlus kuulub suurele saksa matemaatikule Herman Weil(1885 – 1955), kes oma imelises raamatus “Sümmeetria” analüüsis üleminekut sümmeetria lihtsast sensoorsest tajumisest selle sümmeetriale. teaduslik arusaam. G. Weili järgi all sümmeetria tuleks mõista objekti omaduste muutumatust (muutmatust) teatud tüüpi teisenduse korral. Võime öelda, et sümmeetria on objekti muutumatute omaduste kogum. Näiteks võib kristall teatud pöörete, peegelduste ja nihete korral endaga joondada. Paljudel loomadel on ligikaudne peegelsümmeetria, kui keha vasak pool peegeldub paremale ja vastupidi. Kuid mitte ainult materiaalne objekt, vaid ka näiteks matemaatiline objekt võib alluda sümmeetriaseadustele. Funktsiooni või võrrandi muutumisest saame rääkida teatud koordinaatsüsteemi teisenduste korral. See omakorda võimaldab sümmeetria kategooriat rakendada füüsikaseadustele. Nii siseneb sümmeetria matemaatikasse ja füüsikasse, kus see toimib ka ilu ja armu allikana.
Füüsika avastab järk-järgult üha uusi loodusseaduste sümmeetriatüüpe: kui algul käsitleti ainult aegruumi (geomeetrilisi) sümmeetriatüüpe, siis hiljem seda enam ei avastatud. geomeetrilised tüübid(permutatsioon, gabariit, unitaar jne). Viimased on seotud vastastikmõju seadustega ja on ühtsed üldnimetus"dünaamiline sümmeetria".
Invariantsuse printsiibid mängivad kaasaegses füüsikas väga olulist rolli: nende abil põhjendatakse vanu jäävusseadusi ja ennustatakse uusi ning lahendatakse paljusid fundamentaalseid ja rakendatud probleemid ja mis kõige tähtsam, oli võimalik saavutada esimesi edusamme fundamentaalsete vastastikmõjude ühendamisel (elektronõrga interaktsiooni teooria ja Grand Unification). Nendel põhimõtetel on suur üldistus. Väljapaistev Ameerika teoreetiline füüsik Yu Wigner märkis, et need printsiibid seostuvad loodusseadustega samamoodi nagu loodusseadused on seotud nähtustega, s.t. sümmeetria "juhib" seadusi ja seadused "kontrollivad" nähtusi. Kui poleks näiteks loodusseaduste muutumatust seoses nihketega ruumis ja ajas, siis on ebatõenäoline, et teadus suudaks neid seadusi üldse kehtestada.