Elementaarosakesed ja nende avastamise ajalugu. Elementaarosakeste avastamise ajalugu

JA KIIRENDID

1. Uued suundumused osakeste füüsikas

2. Laetud osakeste kiirendid on peamine vahend materiaalse maailma uurimisel (kaasaegne kiirendi arsenal)

3. Teadlaste rahvusvaheline koostöö on stabiilsuse tegur

teaduslikud projektid. JINR – koostöö näide

Järeldus

KÕRGENERGIA FÜÜSIKA ARENG

JA KIIRENDID

1. UUED TRENDID FÜÜSIKAS

ELEMENTAARILISED OSAKED

1.1. Mis on suure energiaga füüsika ja natuke ajalugu? Osakeste füüsika (või mis on tänapäeval identne kõrgenergiafüüsika) uurib loodust väga lühikeste vahemaade tagant eesmärgiga uurida aine põhikomponente ja nende vastastikmõju.

Aine sügavustesse tungimine nõuab üha suuremaid põrkuvate osakeste energiaid, kuna määramatuse printsiibi tõttu on energia ja mikromaailmas protsesside toimumise kauguste (ja ka iseloomulike aegade) vahel teatud seos.

Määramatuse printsiip on kvantteooria alusseadus, mis ütleb, et füüsikalist süsteemi iseloomustavad nn täiendavad füüsikalised suurused (näiteks koordinaadid ja impulss, energia ja aeg) ei saa samaaegselt võtta täpseid väärtusi (px, kus on Plancki konstant). See peegeldab elementaarosakeste kahekordset, osakeste lainelist olemust (aine lainelised omadused avastas 1924. aastal prantsuse füüsik Louis de Broglie).

Üleminekuga üha kõrgematele energiatele on alati kaasnenud põhimõtteliselt uute füüsikaliste nähtuste avastamine.

Et saada aimu füüsika valdkondade seostest ruumilise ja energiaskaalaga, meenutagem, millistel vahemaadel ja millistel energiatel teatud füüsikanähtused toimuvad:

molekulaarfüüsika - 105 107 cm, energia 1 eV – 1 keV;

aatomifüüsika, antiaine - 1011 cm, energia 10 MeV;

tuumafüüsika - 1013 cm, energia 100 MeV - 1 GeV;

* International School of Young Scientists “Problems of Acceleration of Charged Particles”, Dubna, 2.–9. 1996 Dubna, 1997. lk 5–37.

Kõrgenergia füüsika ja kiirendite arendamine kõrgenergia füüsika, tugevad vastasmõjud, nn hadronifüüsika - 1013 1015 cm, energiad 10–100 GeV;

"ülikõrgete" energiate füüsika, protsessid ülilühikestel vahemaadel alla 1015 cm, energiad üle 100 GeV.

Tänapäeval on teadlastel juurdepääs energiatele suurusjärgus 1 TeV.

Joonisel fig. 1 näitab kauguste, aja ja energia iseloomulikke skaalasid.

Ümber tuleks pöörata ainult (energia) telg, sest järjest suuremad energiad vastavad üha väiksematele iseloomulikele ajavahemikele ja üha väiksematele ruumilistele intervallidele, millel sündmused mikromaailmas arenevad.

Täna oleme “W-, Z-bosonite massi” (energiaskaalal), “resonantsolekute eluea” (ajaskaala), “kvarkide vahekauguste” (kaugusskaala) tasemel.

On rabav, et viimase sajandi jooksul on elementaarosakeste ja aatomituuma füüsikas saavutatud tõeliselt hiiglaslikke edusamme.

Riis. 1. Kauguste (a), aja (b) ja energiate (c) skaalad tuumade ja osakeste füüsikas 86 Osakestefüüsika loengud Tuumafüüsika alustas oma loendust mitu aastat enne 20. sajandi algust: täpselt sada aastat tagasi 1896. aastal avastati kuulus radioaktiivsuse fenomen. Rääkides radioaktiivsuse fenomenist, ei saa mainimata jätta ka nimesid: inglise füüsik Ernest Rutherford - üks radioaktiivse lagunemise teooria loojatest (koos kaasmaalase Frederick Soddyga (1903), aatomi planeedimudeli looja (1911); Prantsuse teadlased Pierre ja Marie Curie, kes andsid olulise panuse radioaktiivsuse uurimisse;

radioaktiivsuse avastaja, prantsuse füüsik Antoine Henri Becquerel.

1897. aastal avastati elektron (inglise teadlase Joseph John Thomsoni poolt), st leiti aatomi üks olulisemaid komponente.

1932. aastal avastati neutron (inglise füüsiku James Chadwicki poolt), st määrati kindlaks üks aatomituuma komponente.

Intensiivsed teadusuuringud kõrgenergia füüsika vallas algasid 1950. aastatel pärast tõhusate laetud osakeste kiirendite loomist.

Seega koosneb aine põhikomponentide ahelas (aine koosneb molekulidest, molekul koosneb aatomitest, aatom - elektronidest ja aatomituumadest, aatomituum koosneb nukleonitest - prootonitest ja neutronitest, nukleon - kvarkidest. .) märkimisväärne osa linkidest "tekkis "tegelikult viimaste põlvkondade teadlaste silme all.

Lubage mul veel kord märkida, et tänu väga suure energiaga osakeste kiirtega kiirenditele (need "supermikroskoobid" mikromaailma uurimiseks) said võimalikuks aineuuringud nii väikeste vahemaade tagant*. Viimastel aastatel on toimunud vastastikune tungimine lühimaafüüsika ja Universumi makrostruktuuride omaduste uurimise vahel. See on suure energiaga füüsika ja astrofüüsika ühtsuse ilming.

Kõrge energiaga füüsika määratlemisel tsiteeritakse sageli Abdus Salami väidet. Ta ütles, et varem teostas seda teadust "troika", mis koosnes: 1) teooriast, 2) katsest, 3) kiirenditest ja detektoritest. Seejärel kinnitati "troika" külge veel kaks "hobust":

4) varajane kosmoloogia, mis kirjeldab Universumit 1043 s pärast selle tekkimist kuni esimese kolme minuti möödumiseni, 5) puhas matemaatika.

Proovime "Salami skeemi" abil jälgida tänapäevaseid suundumusi elementaarosakeste füüsika arengus.

* Ausalt öeldes tuletan meelde, et oluline teave mikrokosmose kohta saadi kosmiliste kiirte uurimisel maapealsete, maapealsete ja "satelliit" detektorite (arvutiseadmetega) abil, samuti reaktoripaigaldiste abil.

Kõrge energiaga füüsika ja kiirendite arendamine 1.2. Teoreetilised ideed osakeste struktuuri kohta Tänapäeval teame eksperimentaalsete avastuste ja teoreetiliste konstruktsioonide põhjal, et elektronid, prootonid ja neutronid, mis moodustavad meid ümbritseva aine (st aine aatomid), ei ole üldiselt elementaarne „ehitis universumi plokid."

Tänapäeval kirjeldatakse punktitaoliste elementaarosakestena ainult elektrone. Prootonid ja neutronid on "valmistatud" põhikomponentidest, mida nimetatakse kvarkideks.

Tugevaid vastastikmõjusid * kirjeldab kvarkide ja gluoonide fundamentaalne teooria – kvantkromodünaamika (QCD). Selles teoorias on gluoonid tugevate interaktsioonide kandjad, mis hoiavad kvarke prootonites ja neutronites ("sulgumisefekt"). Seda teooriat saab tõhusalt kasutada enamiku täheldatud nähtuste uurimiseks tugevate vastastikmõjude füüsikas.

Teised jõud, elektromagnetilised ja nõrgad, näivad olevat täiesti erinevad. Tänapäeval teame aga, et need on ühe elektronõrga teooria ilmingud (Glashow, Weinberg, Salam). Leptonid on elektrinõrga sektori "universumi ehituskivid". Elektronõrga interaktsiooni kandjad on kaks vahepealset bosonit (W, Z) ja footon ().

Ühtne elektronõrgateooria ja QCD (üldiselt nimetatakse seda standardmudeliks – SM) määravad elementaarosakeste (kvarkide ja leptonite) vastasmõjud skaalal kuni 1016 cm.

Kolmas, lisaks tugevale ja elektrinõrgale teadaolevatest interaktsioonitüüpidest – gravitatsiooniline – jääb standardmudeli raamidest väljapoole. See interaktsioon on tihedalt seotud meie ettekujutustega ruumist ja ajast. Teatavasti toimivad ruum ja aeg erirelatiivsusteooria raames koos ühtse 4-mõõtmelise maailmana.

Üldrelatiivsusteoorias on selle 4-mõõtmelise maailma geomeetria gravitatsiooniväljaga lahutamatult seotud. Mitmed huvitavad "spekulatsioonid" maailma "mitteunikaalsuse" teemal, mida me vaatleme, eksisteerivad mitte ainult ulmes, vaid ka teoreetilistes teaduslikes konstruktsioonides.

Tahaksin märkida, et standardmudelist kaugemale jõudmist uuritakse täna mitmes suunas. Me räägime neist allpool.

1996. aasta juulis Varssavis toimunud XXVIII rahvusvahelisel (Rochesteri) kõrge energiaga füüsika konverentsil tõdeti aga, et standardmudel on kooskõlas kõigi praegu saadaolevate katseandmetega.

Tugevalt interakteeruvaid osakesi nimetatakse hadroniteks.

Niisiis, täna teame, et meie 4-mõõtmelises aegruumis, mis on täidetud tinglikult punktfermionidega* (leptonid ja kvargid) täpsusega 1016 cm, on kolme tüüpi interaktsioonid, mida põhjustavad spetsiaalsed kandjad: gluoonid, W- ja Z-bosonid. ja hüpoteetilised gravitonid.

1.3. Mõned katsesaavutused Enamiku viimaste aastate katsete põhieesmärk on olnud standardmudeli traditsiooniliste testide läbiviimine erinevatel kiirenditel, kuid eelkõige LEP-is (CERN) ja SLAC e+ e põrkuris. Peaaegu kõik mõõtmised ühtivad standardmudeliga hämmastava 1% täpsusega.

Enne nende uuringute mõningate silmatorkavate eksperimentaalsete tulemuste kommenteerimist korraldagem "universumi ehituskivid" tabeli kujul (vt tabel 1).

Seega oli viimase kahe aasta üks suuremaid saavutusi tippkvargi (t) avastamine. See oli viimane jälgimata kvark, mis on standardmudeli aluseks. Määratud mass (peaaegu 200 GeV) hinnati õigesti kaudsete meetoditega (LEP). Ülemine kvark avastati FNAL-i Hadroni põrkeseadmes, kasutades kahte suurt detektori massiivi (CDF ja D0), kasutades haruldaste sündmuste eraldamiseks keerukaid töötlemismeetodeid. Siin ilmneb veel üks oluline moodsate laetud osakeste kiirendite omadus, mis lisaks kõrgetele energiatele annavad ka kõrge intensiivsusega (põrgutajate puhul heledused):

Eksperimentaalsed faktid näitavad, et täisarvu spinniga süsteemid (bosonid) järgivad Bose-Einsteini statistika seadusi ja pooltäisarvu spinniga süsteemid (fermionid) järgivad Fermi-Dirac statistika seadusi. Matemaatilises füüsikas on tõestatud teoreem, mis seostab spinni statistikaga.

st osakeste arv, mis lendavad ajaühikus läbi pindalaühiku. Suured heledused võimaldavad uurida haruldasi protsesse (suurendab nende vaatlemise tõenäosust). Mõistet “tehas” kasutatakse suure heledusega masinate kiirendamiseks (-tehas, c--tehas, B-tehas, Z-tehas...).

Eksperimentaalsed uuringud ja teoreetiline arusaam t-kvargi füüsikast täna (ja homme) taanduvad vastamisele küsimustele: miks on t-kvark nii raske? Millised on selle omadused?

Katse eesmärk on ka täpselt mõõta ülemise kvargi massi.

Mõnevõrra varem (90ndate alguses) LEP-kiirendikompleksis tehti kindlaks, et praegusel teadmiste staadiumil on tegemist kolme põlvkonna osakestega. Suure täpsusega mõõdeti Z 0 bosoni massi ja kogulaiust, mis võimaldas tuvastada Z 0 neutriino lagunemiskanalite arvu ja määrata põlvkondade arvu.

Tulevaste kõrgenergiafüüsika eksperimentide mõistatused on järgmised küsimused: mitu perekonda (põlvkonda) on looduses? Kas kvarkidel ja leptonitel on struktuur (kaugustel alla 1016 cm)?

Need küsimused kuuluvad mikromaailma füüsika klassikaliste põhiprobleemide kategooriasse. Nad määravad suuna meie praegusest arusaamast kaugemale jõudmiseks.

Läheme siiski veidi tagasi ja selgitame elementaarosakeste põlvkondade rolli.

Kõik aatomid ehk jämedalt öeldes koosnevad u-, d-kvarkidest ja elektronidest. Elektronneutriino e ei kuulu aatomite hulka, kuid osaleb Päikese sügavustes toimuvate tuumareaktsioonide prootoni-prootoni tsüklis ja tagab selle “põlemise”.

II ja III põlvkonna fermioonid on u, d, e ja e kaalutud vasted ning arvatakse, et neil on varase universumi dünaamikas oluline roll. Tänapäeval ilmnevad need kosmiliste kiirte tekitatud protsessides ja osakeste kokkupõrgetes tänapäevastes kiirendites.

Kvarke, erinevalt leptonitest, iseloomustab värvus – diskreetne muutuja, mis võtab kolm väärtust. Selle muutuja võtsid 1965. aastal kasutusele Bogolyubov, Struminsky, Tavkhelidze, Khan ja Nambu, et säilitada Pauli põhimõte hadronite kvarkide mudelis.

Veel üks kvarkide salapärane omadus on nende elektrilaengute Q fraktsionaalsus. Q = 2/3e u, c, t kvarkide ja Q = 1/3e d, s ja b korral. "Värvitud" leptonid on kas elektriliselt neutraalsed (kõik neutriinod) või neil on laeng Q = e (e, µ ja).

Viimased 2–3 aastat on toonud nukleonide struktuuri funktsiooni mõistmisse väga suurel ülekantud momentil q palju uut (e p-põrgetaja HERA, DESY jne), mis selgitab hadronite ehitust. Märkimisväärne arusaam raskete kvarkide (b-kvarkide) füüsikast on saavutatud katsetega Cornelli ja teistes CLEO rajatises.

CERNi, BNL-i ja JINR-i eksperimentaalsetes programmides on tuumade ja tuumade kokkupõrked suurel energial olulisel kohal. Selle uurimisvaldkonna eesmärk on tuvastada kvargi-gluooni interaktsiooni ilminguid tuumapõrgete ajal ja saada ka uut teavet aine struktuuri kohta (kumulatiivne efekt, kvark-gluoonplasma jne).

Loengu piiratud aja jooksul on väga raske teha täielikku ülevaadet viimaste aastate saavutustest. Näidete valik (osaliselt subjektiivne) oli mõeldud selleks, et anda üldine ettekujutus kõrgenergia füüsika suundumustest. Liigume Salami “skeemi” järgides edasi standardmudeli matemaatilise tausta juurde, jättes praegu kõrvale varajase kosmoloogia saladused ja kaasaegse osakeste füüsika kiirendiarsenali seisu.

1.4. Matemaatiline vaade kaasaegsele kõrgenergiafüüsikale ja uute saladuste esilekerkimisele Rääkides puhta matemaatika mõjust kõrgenergiafüüsika arengule, peame mõistma, et jutt käib osakeste teooria matemaatilise aparaadi süvendamisest ja täiustamisest. Varem puhtmatemaatiline rühmateooria, matemaatilise füüsika meetodid ja paljud teised matemaatilised teooriad on nüüdseks saanud muuhulgas füüsikute aparaadiks ja keeleks.

Matemaatilises mõttes on SM mõõturkvantvälja teooria (koos kõigi selle eeliste ja puudustega, nagu lahknevused ja renormalisatsioonid), millel on sümmeetriarühm. Mõõteteooriad on tähelepanuväärsed selle poolest, et need fikseerivad peaaegu üheselt Lagrangi interaktsiooni struktuuri.

Sel juhul on interaktsiooni kandjateks vektorosakesed, mille arv võrdub sümmeetriarühma parameetrite arvuga.

Nendel osakestel puudub igasugune liitstruktuur, s.t.

on sama elementaarsed kui näiteks kvargid ja leptonid.

Rühm (1) sõltub 8+3+1 = 12 parameetrist. Arv kaheksa vastab tegurile SU(3)C, QCD aluseks olevale värvisümmeetriarühmale. Vastav vektorbosonite oktett, mida nimetatakse gluoonideks, vahendab interaktsioone värvikvarkide vahel.

SU(3)C sümmeetriat peetakse täpseks ja gluoonid massituteks.

On kindlaks tehtud, et lühikestel vahemaadel (suure ülekantud momenti korral) väheneb efektiivne kvargi-gluooni interaktsioon (“asümptootiline vabadus”). Seetõttu on selles valdkonnas võimalik arvutuste tegemiseks rakendada häireteteooria aparatuuri, näiteks Feynmani diagrammi tehnikat, ja saada usaldusväärseid kvantitatiivseid ennustusi.

1013 cm kaugusel peaksid kromodünaamilised jõud olema suured, kasvõi juba sellepärast, et need peavad siduma kvarke hadroniteks ja tagama viimaste “tugeva” vastasmõju. Perturbatsiooniteooria ei ole antud juhul rakendatav. "Kaugmaa-QCD", nagu selles valdkonnas tavaliselt nimetatakse kvargi ja gluooni interaktsioonide teooriat, on nii teoreetiliselt kui ka eksperimentaalselt intensiivse uurimistöö objektiks. Probleemiks number üks, mis on olnud teoreetikutele juba aastaid otse väljakutse, võib pidada lahenduseks suletusmehhanismile, st kvarkide hadronite sees suletumise põhjuse ja nende vabas olekus eksisteerimise võimatuse selgitamiseks. .

Pöördume nüüd standardmudeli raames elektronõrga interaktsiooni (EWI) teooria poole. Selle teooria sõnastasid Weinberg, Salam ja Glashow. ESP gabariidi sümmeetriarühm sisaldab teist ja kolmandat tegurit (1):

ja määratakse vastavalt parameetrite arvuga, mis on võrdne 3 + 1 = 4.

See tähendab, et siin peaks olema 4 gabariiti vektorbosoneid. Need on W ±, Z 0. Footon, nagu gluoonid, on massita osake, vektorbosonitel W, Z 0 on aga massid:

Viimane asjaolu viitab sellele, et sümmeetria (2) ei saa olla täpne, vaid peab paratamatult olema rikutud.

ESP teooria sisaldab SU (2)L U (1) sümmeetria spontaanse katkemise Higgsi mehhanismi, mis tagab masside ilmumise W, Z 0, kvarkides ja leptonites, kaotamata seejuures täieliku ESP Lagrange'i mõõteinvariantsust. Teooria lihtsaim versioon sisaldab üht neutraalset Higgsi skalaarbosonit H 0, mille massi aga ei ennustata. Kaasaegsete ideede kohaselt peitub see intervallis Search H on kindlasti kaasatud maailma suurimate kiirendilaborite paljutõotavatesse katseprogrammidesse.

2004. aasta andmetel on intervall ilmselt kitsam: ülempiir on umbes 260 GeV. - Märge. komp.

SU (2)L U (1) sümmeetria raames realiseerub kvarkide ja leptonite elektromagnetiliste ja nõrkade vastastikmõjude ühtne kirjeldus. See süntees osutus nii põhjalikuks, et universaalse termini "elektroekne interaktsioon" kasutamine on üsna õigustatud.

Üldiselt teab füüsika palju näiteid selle kohta, kui viljakas võib olla ühtne lähenemine esmapilgul täiesti seosetute ja isegi heterogeensete nähtuste kirjeldamisel.

Nii ühendati tänu Newtonile maapealne ja taevane gravitatsioon üheks mõisteks "universaalne gravitatsioon". Faraday avastas, et elektri- ja magnetjõud on ühe olemi – elektromagnetismi – ilming. Maxwell ühendas elektromagnetismi ja optika, mõistes, et need kirjeldavad nähtusi, millel on ühine olemus. Ta, ühendades analüütilise mehaanika ja termodünaamika, töötas välja gaasi kineetilise teooria.

Standardmudelis eksisteerivad ühelt poolt kvargi-gluooni interaktsioon ja teiselt poolt elektronõrk interaktsioon üksteisest täiesti sõltumatult. Katsed ühendada need vastasmõjud üldisemas teoreetilises raamistikus suurejoonelise nimega "suure ühendamine"

siiani pole need kahjuks tõelise eduni viinud. Sellegipoolest jätkatakse ambitsioonikamate projektide väljatöötamist, väites, et nad loovad "tervikliku teooria" ("kõige teooria").

Esiteks viitab see juba mainitud superstringiteooriatele, milles toimub kvark-gluoon elektronõrga ja gravitatsioonilise vastasmõju süntees ning viimase kirjeldus on kooskõlas kvantmehaanika nõudega.

Lõppkokkuvõttes ühendas "superstringi" teooria SM-i ja gravitatsiooni, kasutades punktosakeste asemel väikese stringi kontseptsiooni. See on veel üks huvitav valdkond, mis ületab mikromaailma füüsika standardideed.

Kahtlemata pakub huvi teooria konstrueerimine, kasutades mõistet "fundamentaalne pikkus" (Tamm, Kadõševski jt) - see on ka üks uurimisvaldkondi väljaspool tavapärast raamistikku.

Mis võib olla usaldusväärne suunis SM-ist kaugemale jõudmiseks? Millistel vahemaadel (millistel energiatel) SM ilmselgelt lõpetab "töötamise"? Millise üldisema teooria jaoks on SM madalenergia piir? Nendele küsimustele saavad vastata ainult tulevased katsed. Nagu teada, võib neid olla kahte tüüpi. Esimene hõlmab osakesi suuremate energiateni kiirendavate kiirendite abil edasiliikumist väikeste vahemaade piirkonda, teine ​​hõlmab täppismõõtmisi nende väärtuste juba saavutatud energiate juures, mille väärtusele aitavad kaasa lühikestel vahemaadel toimuvad protsessid.

Puudub kindel ja usaldusväärne teoreetiline alus „füüsikale väljaspool SM-i”. Siin saame rääkida ainult teatud uurimisvaldkondadest. Kõige populaarsemad nende hulgas on:

Supersümmeetria, liitkvargid ja leptonid, “suur ühtlus”, superstringid, tehnikolor ja mõned teised.

Superstringiteooriate puhul on iseloomulikuks skaalaks Plancki mass MP = 1019 GeV. Interaktsioonide "suur ühtlustamine" peaks toimuma energiatel, mis on suurusjärgus 1015 GeV.

Oleme eespool juba käsitlenud mitmeid võimalikke teoreetilisi skeeme.

Ütleme paar sõna supersümmeetriast (SUSY), mis on viimasel kahel aastakümnel palju tähelepanu pälvinud. SUSY on uut tüüpi sümmeetria elementaarosakeste maailmas, mis põhineb bosonite ja fermioonide ühtsel kirjeldusel. SUSI raames on iga osake seotud superosakesega, mille spinn erineb 1/2 võrra. Seega vastavad footonid, W - ja Z-bosonid spinniga 1 Diraci superosakestele "photino", "vein" W ja "zino" Z; Kvargid ja leptonid vastavad skalaarsetele "squarkidele" ja "sleptonitele" ning skalaarsed "Higgid" vastavad "Shiggidele", mille pöörlemine on 1/2.

Kõik ühes supermultipletis sisalduvad osakesed ja superosakesed peavad olema ühesuguse massiga. Midagi sarnast olemasolevate fermioonide ja bosonite massispektri degeneratsiooniga siiski ei täheldata. Veelgi enam, isegi kui me masside erinevusi ei arvesta, tuleb nentida, et meile teadaolevaid fermione ei saa tõlgendada olemasolevate bosonite superpartneritena.

Seega, kui suhtuda SUSI kontseptsiooni optimistlikult, tuleb teha kaks järeldust:

Elementaarosakeste supersümmeetria realiseerub purustatud kujul masside suure jagunemisega supermultiplettideks;

superosakesed tuleb avastada.

Pole kahtlust, et superosakeste avastamine oleks ere signaal uuest, mittestandardsest füüsikast. Seni pole nende otsingud aga olnud edukad. Täna saadaolevatest andmetest saadakse ainult nende objektide masside hinnangud:

Teoreetilise skeemina vastab SUSI kõrgeimatele esteetilistele nõuetele. Superstringiteooriad võlgnevad suure osa oma veetlusest neile omasele supersümmeetriale.

SUSI idee kombineerimine gabariitprintsiibiga tõi kaasa gravitatsiooniteooria mittetriviaalse üldistuse – supergravitatsiooni. Fermioonide ja bosonite universaalse supersümmeetrilise kirjelduse raames kustutatakse erinevused ühelt poolt aine struktuurikomponentide ja teiselt poolt vastastikmõju kandjate vahel. Lõpuks kaotab supersümmeetriliste väljateooriates ultraviolettkiirguse lahknevuste probleem aktuaalsuse: kas need kaovad siin täielikult või on vastav renormaliseerimisprotseduur oluliselt lihtsustatud.

Varem öeldi, et kuni 1014 cm täpsusega võib kvarke ja leptoneid pidada elementaarseteks struktuurita objektideks ning just see idee nendest fermionidest on SM-ile omane.

Põlvkondade kordumine ning kvarkide ja leptonite tohutu rohkus (kolmes kvarkide põlvkonnas on 18 kvarki (koos värviga) ja leptoneid võib aga vihjata nende keerulisele olemusele.

Välja on pakutud palju vastavaid mudeleid. Neis olevad kvargid ja leptonid on üles ehitatud vähesest hulgast fundamentaalsematest fermionidest (prakvargid, subkvargid, preoonid... - nendele “koostisosadele” pole veel üldtunnustatud nimetust).

Teine müsteerium osakeste füüsikas on seotud aine ja antiaine asümmeetria probleemiga universumis. Seda saab seletada kahe tingimusega - barüonide ebastabiilsus - tugevalt interakteeruvad osakesed (uurimisobjektiks suurtes mittekiirendajatega katsetes) ja CP rikkumine (neid uuritakse järgmise põlvkonna katsetes intensiivsete K-mesoni kiirtega uued paigaldused, mis võimaldavad jälgida CP rikkumisi B-mesonite lagunemisel). Samuti on olemas hüpotees teise Universumi olemasolu kohta, kus erinevalt meie omast on ülekaalus antiosakesed.

Osakeste füüsika võib anda vastuse ka tumeaine mõistatusele universumis. Kõik vaatlused nõuavad mittebarüoonse tumeaine uusi vorme. Need võivad olla uued supersümmeetrilised osakesed ja/või massiivsed neutriinod. Võimalusi on teisigi.

Siiani pole selget vastust küsimusele, kas neutriinodel on mass. Katsed neutriino massi otseseks vaatlemiseks või ühe neutriino teiseks muutmiseks ("neutriino võnkumised")

Pontecorvo ja teised) on kavandatud kiirendite tulevastes uurimisprogrammides.

Selle osa lõpetuseks võib lühidalt kokku võtta, et viimased aastad on andnud standardmudelile täpse kinnituse. Siiski on palju mõistatusi, mida nii teooria kui ka katsed pakuvad ning tänapäeval on jõupingutused suunatud sellest olukorrast väljapääsu leidmisele. “Väljumise” suunad on mitmetähenduslikud ning täielikkust pretendeerimata oleme vaadanud vaid mõningaid (loodetavasti peamisi) trende.

Lähme nüüd tagasi päris algusesse...

Kaasaegsete ideede kohaselt, mis põhinevad nn standardsel kosmoloogilisel mudelil, oli Universum oma eksisteerimise esimesel mikrosekundil nii kuum, et võis koosneda ainult põhijõududega seotud elementaarosakestest. See oli ainulaadne kõrge energiaga füüsika labor, mille looja loodus ise.

Moodsates maapealsetes laborites osakesi kiirendades ja üksteisega kokku põrgades saame põhimõtteliselt palju teada universumis algselt toimunud põhiprotsessidest. Veelgi enam, mida suurem on põrkuvate osakeste energia, seda varem langeb universumi ajaloo periood meie vaatevälja.

Küll aga on teada, et kiirendite mõõtmed kasvavad üsna kiiresti, kui suureneb maksimaalne energia, mille jaoks need on mõeldud.

Siin ammenduvad meie võimalused üsna ruttu, kui põhimõtteliselt uusi ideid ja tehnoloogilisi lahendusi ei teki.

Lubage mul teile meelde tuletada, et osakeste kiirendamine energiani 1015 GeV, mis vastab tugeva ja elektrinõrga interaktsiooni "suurele ühendamisele", eeldaks Päikesesüsteemi suuruse kiirendi ehitamist. Ja kui me tahaksime jõuda Plancki energiani 1019 GeV (sellel hetkel muutuvad kvantgravitatsiooniefektid oluliseks), peaksime ehitama kiirendi, mille rõnga pikkus oleks suurusjärgus 10 valgusaastat. aastat.

Sellised masinad saavad eksisteerida vaid ulmekirjanike ettekujutuses. Teoreetiline mõte tungib aga julgelt praktiliselt kättesaamatute energiate valdkonda. Samas määratakse elementaarosakeste interaktsiooni kirjeldavate mudelite realistlikkus ja elujõulisus kogu energiavahemikus eelkõige nende mudelite “sidumisel” varajase Universumi standardse kosmoloogilise mudeliga. Selle tulemusena tuuakse kõrge energiaga füüsikasse väärtuslikud heuristilised ideed ja piirangud.

Seda peab Salam silmas, kui ta peab varajast kosmoloogiat üheks kaasaegse osakeste füüsika edasiviivaks jõuks. Toon näiteid, et illustreerida selle vaatenurga õiguspärasust. Mõned neist kordavad tahtmatult ülal öeldut.

Primaarsete 4 levimuse astrofüüsikaliste hinnangute põhjal ei ole võimalik hinnata erinevat tüüpi valgusneutriinode arvu ja sellest tulenevalt leptonite ja kvarkide põlvkondade arvu. Maailma täheldatud barüoni asümmeetriat võib seostada kvarkide ülekaalu tekkimisega varases universumis antikvarkide üle interaktsioonides, mis rikuvad barüoni laengu ja CP sümmeetria jäävuse seadust.

Väga oluline ja sügav probleem, mille lahendamisest on huvitatud nii kosmoloogia kui ka elementaarosakeste teooria, on kosmoloogilise konstandi hindamine. Varase universumi enesejärjekindlaks kirjeldamiseks peetakse selle parameetri kasutuselevõttu nüüd vajalikuks. Seevastu astronoomilistel andmetel on uusajal väärtus väga väike (|| 1056 cm2), kui mitte null.

Kvantväljateoorias, mis ei kasuta supersümmeetriat, väljendatakse konstanti vaakumenergiana ja formaalselt on see lõpmatu suurus. Kui vastavatesse lahknevatesse Feynmani integraalidesse sisestatakse mõistlik piirväärtus, siis saadud hinnang || erineb astronoomilisest 50–100 suurusjärku. Kuid supersümmeetrilise väljateoorias tühistavad kõik lahknevad vaakumdiagrammid, mis on võrdne = 0-ga. Sellega seoses tekib küsimus: kas täpse supersümmeetria hülgamisega on võimalik valida mehhanism selle purunemiseks nii, et kosmoloogiline konstant on nullist erinev, aga väike?

Pange tähele, et väärtuslikku teavet elementaarosakeste füüsika jaoks pärineb ka astrofüüsikalistest vaatlustest, mis ei ole otseselt seotud varajase kosmoloogiaga. Seega on ainulaadne stiimul uute neutraalsete osakeste otsimisel astrofüüsikute järeldus, et umbes 95% meie universumi massist moodustab salapärane "tumeaine". Erilisel kohal on neutriinode astrofüüsika, mille jaoks oli esmatähtis sündmus 1987. aasta veebruaris supernoova plahvatuse SN1987A vaatlemine Suures Magellani pilves.

Niisiis, võti mõne mikrokosmose füüsika pakilise probleemi lahendamiseks võib leida makrokosmose uurimisest ja vastupidi, makrokosmose füüsilise pildi teatud eredad fragmendid põhinevad makrokosmose uurimisel avastatud mustritel. mikrokosmos.

2. LAEDUD OSAKESTE KIIRENDID –

PEAMISED UURIMISVAHENDID

MATERIAALSEST MAAILMAST

(kaasaegne KIIRENDAV ARSENAL)

Kiirendid on kiirendatud osakeste (elektronid, prootonid jne) allikad, mis edastavad (nagu valgust mikroskoobis) füüsikalist ainet, aatomituumi või elementaarosakesi, põhjustades keerulisi vastastikmõjusid sõltuvalt kiirendatud osakeste tüübist, sihtmärgist, energiast. kiirendatud osakeste ja muude katsetingimuste kohta.

Osakeste (sh kõrgete energiate) allikaks võib lisaks kiirenditele olla ka kosmoses sündinud osakeste voog – nn kosmilised kiired. Kuid "kosmilise" intensiivsus

allikad on väikesed ja vähenevad energia suurenedes kiiresti.

Praegu kasutatakse kiirendeid praktiliste probleemide lahendamiseks (materjaliteadus, meditsiiniseadmete steriliseerimine, vigade tuvastamine, subnukleaarsed filtrid, kasvajaravi, põllumajandussaaduste säilitamine, keskkonnaprobleemid jne), kuid kõige võimsamad ja kallimad kiirendid luuakse teaduse jaoks. eesmärkidel. Kiirendi magnetraja (mööda elementaarosakesi liikumisel kiirendatakse) pikkus ulatub tänapäeval mitme kilomeetrini ning kiirendi maksumus koos vajaliku uurimisseadmega ulatub mitmetesse miljonitesse rubladesse. Alusuuringute kiirendi rajamine on sündmus, mis nõuab suurte materiaalsete ja inimressursside kaasamist ning uute instrumentide ja tehnoloogiate väljatöötamist.

VBA – “väga suure kiirendi” – ehitamise võimalust kogu füüsikakogukonna jaoks on arutatud mitu aastat.

Teaduslike vajaduste jaoks on aga vaja erinevaid kiirendikomplekse - elektronide, prootonite, raskete ioonide kiirendamiseks, põrkuvate kiirte ja paigalseisva sihtmärgiga. Seetõttu liigub rahvusvaheline füüsikute kogukond praegu seda teed, et leppida kokku erinevates piirkondades ehitatavate kiirendite tüüpide osas, erinevate riikide osalemises kiirendite ja eriti uurimisseadmete - detektorite - arendamisel ja ehitamisel.

Rõhutame veel kord: kiirendite abil toimuvad kiirendatud osakeste ja sihtosakeste kokkupõrke ajal protsessid piisavalt kõrgete energiatega, mis on inimesel maapealsetes tingimustes saavutatavad. Laetud osakesi kiirendatakse vaakumkambris. Osakeste trajektoori moodustamiseks luuakse mitmekilomeetrised rõngamagnetsüsteemid ja osakesi kiirendab kõrgsageduslik elektriväli.

Albert Einsteini kehtestatud massi ja energia võrdväärsuse tõttu määrab osakeste kokkupõrke ajal tekkiva protsessi maksimaalne energia ära selle protsessi tulemusena tekkiva materiaalse objekti maksimaalse massi. Seetõttu on juba kiirendi konstruktsioonis endas (piirav energia, põrkuvad kiired või paigalseisev sihtmärk, kiire intensiivsus) seatud piirangud sellel uuritavate osakeste parameetritele.

Rääkides laetud osakeste kiirendite füüsika ja tehnoloogia arengust, tahaksin märkida kodumaiste spetsialistide silmapaistvat panust: füüsikud, kiirendid, insenerid ja nende hulgas G. I. Budker, V. I. Veksler, A. I. Alikhanov, A. I. Alikhanyan, A. L. Mints, A. N. Skrinsky, A. P. Komar, A. A. Logunov, A. M. Baldin, M. A. Markova, G. N. Flerova, M. G. Meshcheryakova, 4 A. N. Sisakyan V. P. Dzhelepova, V. P. Sarantseva jt (Ühest küljest on materjalide esitamisel raske vältida nimede mainimist, teisalt jäävad paljud suurteadlaste nimed tahes-tahtmata joone taha. Vabandan inimeste ees ja nende inimeste mälu ees, kellega see nii juhtus.) Allolevad tabelid ja joonised annavad maailma suurimate parameetrite karakteristikud. kiirendid (töötavad ja ehitatavad) ja näitavad kaasaegse kiirendi arsenali võimalusi.

Riis. 2 annab energiaskaala võrdluse ootuspärase pildiga ühtsete teooriate tekkest. See pilt on muidugi hüpoteetiline.

Tänaseks on meil LEP ja Tevatroni energia (1011 1012 eV) ning oleme juba saavutanud elektromagnetiliste ja nõrkade jõudude ühendamise.

Piirkonnas 1024 eV ennustatakse suurt ühinemist ja 1028 eV piirkonnas kõigi olemasolevate loodusjõudude täielikku ühinemist.

Joonisel fig. Joonisel 3 on graafik, mis näitab seost kiirenditel saavutatud rekordenergiate ja kalendriaja vahel. Tuleb rõhutada, et viimase poole sajandi jooksul on ühe põlvkonna silme all saavutatud tohutuid edusamme.

Riis. 4 ühendab “kalendri” kiirenditehnoloogia saavutustega. Y-telg on energiaskaala ning erinevad harud ja punktid vastavad kiirendi tüübile, mille kaudu neid energiaid on võimalik saavutada.

Joonisel fig. Joonisel 5 on näidatud suurimate töötavate ja kavandatavate kiirendusmasinate energia ja heleduse saavutused - kõige olulisemad parameetrid.

Kõrge energiaga füüsika ja kiirendite arendamine Jooniselt fig. 6 näitab maailma suurimate kiirendite füüsikaliste katsete algusaastaid.

Joonisel fig. Joonisel 7 on näha, milliste energiate juures muutuvad märgatavaks mitmete praegu intensiivselt uuritud osakeste tootmisristlõiked (Z - LEP energiad; J/ - BNL energiad jne).

Kõrge energiaga füüsika ja kiirendite arendamine Jooniselt fig. 8 saame järeldada, millistel heledustel töötavad maailma suurimad kiirendid (millised osakesed sünnivad ja mida saab uurida).

Suured energiad nõuavad (kahjuks) ka suurt kiirendusrõnga suurust (kui just ei teki põhimõtteliselt uusi kiirendusmeetodeid) (vt joonis 9).

Tabelis Tabelis 2 on näidatud projekteeritud lineaarpõrgetite parameetrid.

102 Osakestefüüsika loengud Joon. 10. LEP põrketunnel Nominaalne heledus, 1033 cm2 s Tegelik heledus, 1033 cm2 s Nr. osakesi/hunnik IP-l (1010) Linaki põhigradient, laadimata/laaditud, MV/m 25/25 21/17 31/- 40/32 73/58 50/37 100/91 80/ x /y, mrad x / , mm d enne pigistamist, nm Häired Dx /Dy n (arvud e kohta) Npaarid (p = 20 MeV/c, min = 0,15) Nhadronit / ristuvad Njets · 102 s (p = 3,2 GeV/c) Riis . 11. SPS-tunnel (SuperProton Synchrotron)

3. RAHVUSVAHELINE KOOSTÖÖ

TEADLASED – TEADUSLIKU STABIILSUSE TEGUR

PROJEKTID. JINR – KOOSTÖÖ NÄIDE

Teadlaste jõupingutuste ühendamine kõrgenergiafüüsika vallas pole mitte ainult austusavaldus füüsikutevahelise koostöö traditsioonile, vaid ka tungiv vajadus, aja märk. Tänapäeval on kõik kolm suure energiaga füüsika kogemuse komponenti (kiirendi, detektor, elektrooniline arvuti) ainulaadsed ja kallid paigaldused. Selle teadusvaldkonna kiire arenguga sammu pidamiseks on täna ainult üks võimalus – jõud ühendada.

Füüsika eeldab, et järgmise põlvkonna kiirendid lahendavad mitmed põhiprobleemid, sealhulgas:

looduses eksisteerivate vastastikmõjude ühendamine (elektroheak, tugev ja gravitatsiooniline);

elementaarosakeste süstemaatika loomine (st lõpuks nende struktuuri paljastamine).

Kõrge energiatarbega füüsika ja kiirendite arendamine Nende tulemuste saavutamine tasuks tagasi kolossaalsed intellektuaalsed ja materiaalsed kulud, mida ühiskond on nende nimel kandnud. Kui luua pilt mikromaailmast (selles teadmiste staadiumis), annaks see teaduse ja tehnika arengu hiiglasliku tõuke. Piisab, kui meenutada elektri- ja magnetjõudude ühendamise elektromagnetiliseks interaktsiooniks tagajärgi, aatomi ja tuuma lõhenemist... Tuleb rõhutada, et lisaks oma üldisele ülesandele, milleks on meie mikromaailma ideede kujundamise probleem, on kõrge -energiafüüsika on tulvil rikkalikke võimalusi tehnoloogilist arengut mõjutada nii tänu füüsika avastustele kui ka mõjule teistele teadustele. Seda vaadeldava probleemi aspektide kogumit võib tinglikult omistada osakeste füüsika alusuuringute otsestele mõjudele. Kuid tuleb arvestada, et lisaks sellele on nende uuringute mõjud ja kaudne mõju tehnika arengule, mida on väga raske majanduslikku hinnangut anda, samas kui kasu neist on äärmiselt suur. Fakt on see, et fundamentaalfüüsika arenguga kaasneb põhimõtteliselt uute, väga kaasaegsete füüsikaliste seadmete, põhimõtteliselt uute seadmete ja meetodite tekkimine, mida kasutatakse paljudes teaduse ja tehnika valdkondades.

Poleks liialdus eeldada, et mikromaailma saladuste paljastamine, selle seotuse süvendamine kosmoloogiaga ja praktiliste probleemide lahendamine laia rahvusvahelise koostöö raames näitavad, milliseid keerulisi probleeme on võimalik lahendada teadlaste ühisel jõul.

Teadlastevahelise rahvusvahelise koostöö rolli mõisteti taas 1993. aastal. S. Drelli juhitud Ameerika spetsialistide rühma analüüsitud SSC – sajandi projekti Dallases – sulgemise kurb kogemus näitab, et teaduse rahvusvahelisus. projektid on võimas stabiliseeriv tegur. Kuigi SSC on väga koostöövalmis, loodi riikliku programmi osana. “Pole olemas rahvusteadust, nagu pole ka rahvuslikku korrutustabelit. Kui teadus on rahvuslik, pole see enam teadus,” tsiteerisid eksperdid Tšehhovi avaldust oma aruandes SSC sulgemise kohta.

Ida ja lääne tuumafüüsikute koostöö ajalugu sisaldab palju eredaid lehti, mis näitavad selle kõrget efektiivsust. Sellega seoses on illustreerivad näited CERNist ja JINRist ning koostööst nende organisatsioonide sees ja vahel.

JINRil ja CERNil – Euroopa Tuumauuringute Keskusel* on tihedad teaduslikud sidemed. Need teaduskeskused on väga noored, septembris 2004 saab CERN 50-aastaseks.

on teinud üksteisega tõhusat koostööd oma eksisteerimise algusest peale.

Hea näide on ühendinstituudi osalemine paljutõotavas teadusprogrammis CERNis loodava suure hadronipõrgeti (LHC) projekti elluviimiseks. Lisaks on JINRi ja CERNi vaieldamatu eelis see, et kogu oma tegevusega, mis algas esimesel sõjajärgsel kümnendil, aitasid nad kaasa rahvaste lähendamisele, ühendades kümnete riikide teadlaste jõupingutused. rahumeelne aatom”.

Kokkuvõtteks annan ainult väga lühikese "visiitkaardi"

meie instituudist.

Oma nelja aastakümne jooksul on Ühisinstituudist* saanud suurim mitmekülgne tuumaalase fundamentaaluuringute keskus, mis ühendab teadlaste jõupingutused nende püüdlustes mõista, kuidas meid ümbritsev maailm toimib.

Praegu on instituudi liikmed 18 osariiki:

Aserbaidžaan, Armeenia, Valgevene, Bulgaaria, Vietnam, Gruusia, Kasahstan, Põhja-Korea, Kuuba, Moldova, Mongoolia, Poola, Venemaa, Rumeenia, Slovakkia, Usbekistan, Ukraina ja Tšehhi.

Instituudis töötab ligikaudu 6000 inimest (koos teenindusosakondadega), kellest üle 1000 on teadustöötajad, ligikaudu 2000 inseneri-tehnilised töötajad. Instituut koosneb 7 suurest laborist, millest igaüks on oma uuringute ulatuse ja ulatuse poolest võrreldav suure instituudiga.

JINR-il on osakeste ja tuumade kiirgusallikad, mis on oma klassis ainulaadsed laias energiavahemikus. Lisaks sünkrotsüklotronile ja sünkrofasotronile on siin ehitatud ja töötavad rasked ioonide kiirendid U-200 ja U-400. 1993. aastal saadi tsüklotronist U-400M ekstraheeritud ioonide kiir. 1994. aastal pandi tööle relativistlike tuumade ülijuhtiv kiirendi Nuclotron ning uuringud toimuvad impulss-kiireneutronreaktorite IBR-30 (alates 1969. aastast) ja IBR-2 (alates 1984. aastast) abil.

Alusuuringute väljavaade on seotud instituudis rakendatava kaasaegsete baasrajatiste loomise programmiga. 1994. aastal alustati projekti IREN elluviimist, mille eesmärk oli luua resonantsneutronite suure vooga impulssallikas. Arendamisel on c-tau tehase projekt - universaalse detektoriga elektronpositroni põrkur ja spetsiaalse sünkrotronkiirguse allika projekt.

JINR-i teaduslikest suundadest ja laiaulatuslikust koostööst võiks palju rääkida, kuid ilmselt märkasite, et nende nimede hulgas, mida ma kaugeltki mittetäielikus teadlaste nimekirjas mainisin, on JINR (rahvusvahelise organisatsioonina) poolteist aastat noorem kui CERN (JINRi moodustamise lepingu allkirjastamise päev 26. märtsil 1956). - Märge. komp.

Seal oli palju Dubna füüsikute nimesid, kes andsid olulise panuse kõrgenergiafüüsika arengusse.

KOKKUVÕTE

Liigume nüüd vaimselt edasi 1928. aastasse... Professor Max Born, kohtudes grupiga Göttingeni ülikooli külastajatega, ütles:

"Füüsika, nagu me seda mõistame, lõpeb 6 kuu pärast."

Peab ütlema, et Bornil oli selleks ajaks väga kõrge maine teoreetilise füüsikuna ja tema taiplikkust ei saanud eitada. Just tema selgitas Heisenbergile, kes avastas kvantmehaanika maatriksvormi, et ta ei tegele millegi muuga kui maatriksitega. Ta töötas välja ka kvantmehaanilise lainefunktsiooni tõenäosusliku tõlgenduse.

Borni illusioon "füüsika lõpust" ei tekkinud juhuslikult. Vahetult enne seda avastas Dirac oma tähelepanuväärse võrrandi, mis, nagu autor arvas, kirjeldas korraga nii elektroni kui ka prootonit. Kuna tol ajal teati vaid neid osakesi ja kuna Diraci võrrand lahendas põhimõtteliselt kvantmehaanika ja relatiivsusteooria nõuete omavahel ühitamise probleemi, siis tundus Bornile, et füüsika kui teadus on end ammendanud.

Sellest on möödas mitte 6 kuud, vaid peaaegu 70 aastat. Füüsika mitte ainult ei lõppenud, vaid vastupidi, kõik need aastad on see pidevalt, mõnikord ettearvamatult arenenud. Kõrgenergia füüsikast on saanud selle selge liider.

Just sel perioodil tekkisid ja täiustati kiirendeid ning füüsiliste mõõteriistade arendamisel toimus tõeline revolutsioon. Selle tulemusena avastati kiirendite, eksperimentaatorite ja teoreetikute ühiste jõupingutustega palju olulisi ja sügavaid mikromaailma mustreid. Ja Pascalil oli õigus, kui ta ütles: "Kujutlusvõime väsib varem rasestumisest kui loomus toimetamast." Siinkohal tahaksin lõpetada.

BIBLIOGRAAFIA

1. Salam A. // Osakeste füüsika. 1987. IC/87/402.

2. Feynman R. QED – kummaline valguse ja mateeria teooria. M.: Nauka, 1988. (Raamatukogu “Kvant”, nr 66).

3. Howking S. W. Brief History of Time. Bantom Books, 1988.

4. Okun L. B. Leptonid ja kvargid. M.: Nauka, 1981.

5. Rubbia C. Kõrgenergia füüsika "tulevik": CERN-EP/88-130.

6. Bjorken J. D. B-füüsika teemad // Fermilab-Conf-88-134-T.

7. Kadõševski V. G. Loeng Internatsionaalis. Laetud osakeste kiirendite noorte teadlaste kool, Dubna, 1988.

Sarnased tööd:

“1 2 3 Sisu 5. Seletuskiri 5.1 meditsiinilise biofüüsika eesmärk ja eesmärgid ning koht õppeprotsessis 5.1.1 Meditsiinilise biofüüsika õpetamise eesmärk 5.1.2 Meditsiinilise biofüüsika õppe eesmärgid 5.1.3 Distsipliini koht OOP struktuuris. 5.1.4 Interdistsiplinaarsed seosed 5.1.5 Distsipliini pädevusmaatriks. 5.1.6 Kontrolli tüübid. Töös kasutatavad jooksva kontrolli vormid 6. Distsipliini ülesehitus ja sisu 6.1 Distsipliini ulatus ja kasvatustöö liigid 6.2 Teemade nimetused, nende sisu, maht...”

VENEMAA FÖDERATSIOONI HARIDUS- JA TEADUSMINISTEERIUM RIIKLIK KUTSEHARIDUSASUTUS Voroneži Riiklik Ülikool KINNITAS rektori D.A. Endovitski 2011 m.p. KUTSEHARIDUSE TÄIENDAV PROGRAMM kõrg- ja kraadiõppe süsteemis tegutsevate riiklike kutsekõrgkoolide ning riiklike teadusorganisatsioonide teadus- ja pedagoogiliste töötajate täiendusõppeks...”

„Föderaalne Raudteetranspordiagentuur Föderaalne riigieelarveline kutsekõrgharidusasutus Uurali osariigi transpordiülikool (Uurali osariigi transpordiülikool) BIBLIOGRAAFILISTE RENDITE SARJA TÖÖTAJATE TÖÖD USUPS Sergey Petrovich BAUTIN BIBLIOGRAAFILISTE AASTAARUANNE 2719. Jekaterinburgi kirjastus UrGUPS 2012 BBK Ch 755.3 B29 seeria asutati 2005. aastal Bautin Sergei Petrovitš: aastapäev...”

“Uudised kahvatu eontoloogia ja stratigraafia kohta, 201 O, nr. 14, lk 111-140 J/SURNA geoloogia ja geofüüsika lisa, T. 51 UDC 575.321:564. 1 UUED ANDMED perekonna OXYTOMIDAE ICHlKAWA juura- ja kriidiajastu kahepoolmeliste SÜSTEMAATIKA KOHTA, 1958 o. A. Lutikov 1, B. N. Shurygin 2 / Paleontoloogia, stratigraafia ja sedimentoloogia uurimisinstituut, Novosibirsk, st. B. Hmelnitski, välja. 14; Venemaa 630110, 60, 2Nafta ja Gaasi Geoloogia ja Geofüüsika Instituut IM. A.A. Trofimuka SO RAD...”

«iiexs ieuex reweveex howmnyn hrm ©oryi iuyh ueqs §xhrexy ¦vseuex reeeywxis rewe hssvis xhs wesx eFHIFHP ( 4hiferenil hvsrowmner4 msngitow$ym fizikm$ttikkyownk doktorniknkniknnin! osow$yn i¤weqs iiex ( PHII YEREVAN STATE ÜLIKOOL Dumanyan Vagram Zhoraevich DIRICHLET-PROBLEEMIST TEISE JÄRKU ÜLDELLIPTILISE VÕRDENDI KOHTA Füüsika- ja matemaatikateaduste doktori kraadi väitekirja KOMPLEKT, eriala 01.01.02 – Diferentsiaal...”

“14-Geofüüsika: maakoor, ookean, atmosfäär Polina Viktorovna Abdrakhimova, 5. kursus Ufa, Baškiiri Riiklik Ülikool, Temperatuurivälja füüsikalised omadused mitmekihilises süsteemis kolonni induktsioonkuumutamisel Ramil Fayzyrovich Sharafutdinov, füüsika- ja matemaatikateaduste doktor. e-post: [e-postiga kaitstud] lk 457 Abdrašitov Vakil Khaidarovitš, magistrant 2 aastat õpinguid Ufa, Baškiiri Riiklik Ülikool, Füüsika ja Tehnoloogia Instituut Temperatuurijaotuse eksperimentaalne uuring...”

“AJA LÜHIAJALUGU STEPHEN HAWKING Leonard Mlodinov AJA LÜHIAJALUGU St. Petersburg AMPHORA 2011 Stephen Hawking, Leonard Mlodinow: Aja lühiajalugu UDC 524.8 BBK 22.68 X70 Ajaloost, mille autorid on Bakk. zhan Oralbekov Teaduslik toimetaja A. G. Sergeev Kirjastus avaldab tänu kirjandusagentuuridele Writers House LLC ja Synopsis abi eest õiguste omandamisel. Intellektuaalomandi kaitse ja õiguste...”

« Riiklik Ülikool KINNITUD Füüsika- ja Tehnoloogiateaduskonna dekaani B.B. Pedko 2012 Õppe- ja metoodiline kompleks distsipliinile ÜLDFÜÜSIKA PRAKTIKA. MOLEKULAARFÜÜSIKA 010700.62 Füüsika, erialade 010801.65 Raadiofüüsika ja elektroonika, 010704.65 Füüsika kondenseerunud..."

“Vene Föderatsiooni Föderaalne Haridusagentuur RIIKLIKU TUUMEADUURINGU ÜLIKOOLI MEPhI S. N. Borisovi füüsika käsiraamat 8. klassi õpilaste abistamiseks Moskva 2009 UDC 53 (075) BBK 22.3ya7 B82 Borisov S.N. Füüsika käsiraamat. 8. klassi õpilaste abistamiseks. – M.: National Research Nuclear University MEPhI, 2009. – 84 lk. Käesolevas juhendis esitatakse viis teemat, mida õpitakse 8. klassi füüsikakursusel. Iga teema kohta esitatakse vajalik teoreetiline materjal, vaadeldakse näiteid probleemide lahendamisest....“

"B.M. Sinelnikov, A.G. Khramtsov, I.A. Evdokimov, S.A. Rjabtseva, A.V. Serov Laktoos ja selle derivaadid Teaduslik toimetaja Venemaa Põllumajandusteaduste Akadeemia akadeemik A.G. Khramtsov Välja antud MTÜ Venemaa Piimatööstusettevõtete Liidu (Venemaa Piimatööstuse Liit) kaasabil Peterburi 2007 UDC 637.044+637.345 BBK 36.95 Lac19 Arvustajad: K. K. Poljanski - haridusministeeriumi teadus- ja tehnikavaldkonna ekspert ja Vene Föderatsiooni teadus, Dr. tech. Teadused, prof., juhataja. osakond Voroneži Riiklik Põllumajandusülikool;..."

“Vernadski Moskva teadus 1993 UDC 614.7 Dioksiinid kui keskkonnaoht: tagasivaade ja väljavaated / L.A. Fedorov. M.: Teadus. 1993. - 266 lk. - ISBN 5-02-001674-8 Monograafias käsitletakse lühidalt väga toksiliste senobiootikumide, nagu polühalogeenitud dibenso-n-dioksiinid, polühalogeenitud dibensofuraanid ja..."

“2012 Mis on tuumameditsiin Kuzmina N.B. Nukleaarmeditsiini keskus NRNU MEPhI Sisukord Sissejuhatus Mis on nukleaarmeditsiin? Üksfootoni emissiooniga kompuutertomograafia Positronemissioontomograafia PET loomadele Kompuutertomograafia Magnetresonantstomograafia Radionukliid- ja kiiritusravi Tehnoloogiad Radiofarmatseutiliste ainete tootmine Laetud osakeste kiirendid isotoopide tootmiseks ja kiiritusraviks.18 Infotehnoloogiad tuumameditsiinis Perspektiivid...”

“1961 detsember T. LXXV, number. 4 FÜÜSIKATEADUSTE ADVANCED AJALISES FÜÜSIKATEADUSTE AVALIKUD ARTIKLITE RIIK, I - L X X V KÖIDE (1918-1961)*) 630 I. Autorite tähestikuline register II. Õppeaine indeks 707 727 Akustika 707 Aine kristalne olek 728 Arhitektuurne akustika.... 707 Luminestsents Astrofüüsika 708 Ainete magnetilised omadused... Aatom 708 Aatomituuma magnetohüdrodünaamika lõhustumine 709 Aatomi p.7. ."

„VV HARIDUS- JA TEADUSMINISTEERIUM Föderaalne Riigieelarveline Kutsekõrgharidusasutus Tveri Riiklik Ülikool KINNITUD Bioloogiateaduskonna dekaan _ S.M. "

„1 Vene Föderatsiooni Haridus- ja Teadusministeerium Aleksander Grigorjevitši ja Nikolai Grigorjevitš Stoletovi nimeline föderaalne riigieelarveline kutsekõrgharidusasutus Vladimiri Riiklik Ülikool Radiofüüsika, elektroonika ja meditsiinitehnoloogia teaduskonna 2012/13. õppeaasta aruanne Vladimir 2013 1 2 ARUANNE FREMT 2012/2013 õppeaasta töö kohta I. FREMT nõukogu 2012/2013 õppeaasta tööplaani täitmine. aastal. Seoses instituudi moodustamisega...”

“1945 FÜÜSIKATEADUSTE EDENDUSED T. XXVII, nr. 1 ELEKTRONIDE KIIRENDAMINE ELEKTROMAGNETILISE INDUKTSIOONI (KERST'S BETATRON) KASUTAMISEGA A.P. Grinberg 1940. aastal ehitas Ameerika füüsik Donald Kerst Illinoisi ülikoolis (Erbana) induktsioonelektronide kiirendi. Füüsika tehniline arsenal on täienenud uue tähelepanuväärse seadme, uue meetodiga. Kerst oli esimene, kes viis edukalt ellu kaua kerkinud idee elektromagnetilise induktsiooni fenomeni kasutamisest elektronide kiirendamiseks ja see...”

"Suur haruldaste raamatute raamatukogu aadressil www:goldbiblioteca.ru Bhagavata Purana müsteeriumid 1-12: I II III IV V VI VII VIII IX X XI XII "Bhagavata Purana on veedaliku kirjanduse puu küps vili." (1.1.3.) “PRAKTILISE METAFÜÜSIKA INSTITUUT” Peterburi 2001 Surendra Mohan Das (napoli S. M.) Bhagavata Purana müsteeriumid (Cantos 1-12). - Peterburi: “Praktilise Metafüüsika Instituut”, 2001. - 432 lk. Raamat annab üksikasjaliku ülevaate ühest kuulsaimast ja autoriteetsemast veedast..."

“UDC 91:327 Lõssenko A. V. Matemaatiline modelleerimine kui meetod autonismi fenomeni uurimiseks poliitilises geograafias V. I. Vernadski nimeline Tauride'i rahvusülikool, Simferopoli e-post: [e-postiga kaitstud] Annotatsioon. Artiklis vaadeldakse võimalust kasutada matemaatilist modelleerimist poliitilise geograafia uurimismeetodina, tuuakse välja territoriaalse autonismi mõiste, samuti selle tekketegurid. Märksõnad: matemaatiline modelleerimine,...”

« Mamin-Sibiryak) Sissejuhatus Meie aja suurim füüsik ja mõtleja M. Planck ütles: Teadus on sisemine ühtne tervik. Selle jagunemine eraldi valdkondadeks ei tulene mitte niivõrd asjade olemusest, kuivõrd inimese tunnetuse piiratusest. Tegelikkuses on katkematu kett füüsikast ja keemiast bioloogiani...”

„UKRAINA HARIDUS- JA TEADUSMINISTEERIUM DONETSK RIIKLIKU ÜLIKOOLI DONNU TEADUSRAAMATUKOGU Donetski Riikliku Ülikooli Vidatni Vcheni sari Asutati 2005. aastal ANATOLI IVANOVICH BAZHIN Biobibliograafiline register Lõuna-Donetski 70. sünniaastapäevaks302BB201K01. jah1 UDC 532(09) Bazhin Koostanud: Klimenko L.E., DonNU teadusliku raamatukogu juhtiv bibliograaf Makarova T.I., DonNU teadusliku raamatukogu peabibliograaf Teaduslik toimetaja: Bazhin A.I., arst...”

Elementaarosakeste füüsika on tihedalt seotud aatomituuma füüsikaga. See kaasaegse teaduse valdkond põhineb kvantkontseptsioonidel ja tungib oma arengus veelgi mateeria sügavustesse, paljastades selle aluspõhimõtete salapärase maailma. Elementaarosakeste füüsikas on teooria roll äärmiselt oluline. Selliste materiaalsete objektide vahetu vaatlemise võimatuse tõttu seostatakse nende kujutisi matemaatiliste võrranditega, neile kehtestatud keelavate ja lubavate reeglitega.

Definitsiooni järgi on elementaarosakesed esmased lagunematud moodustised, millest oletatavasti 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 tavaliselt sellele nõudele vastavaid osakesi tõeliselt elementaarne.

Esimene elementaarosake, mis avastati mikrokosmose uurimise käigus 19. sajandi lõpus, oli elektron . Järgmine avati prooton (1919), siis tuli pööre neutron , avatud 1932. aastal . Olemasolu positron Teoreetiliselt ennustas P. Dirac 1931. aastal ja 1932. aastal avastati see positiivselt laetud elektroni "kaksik" kosmilistes kiirtes. Karl Anderson. Looduses eksisteerimise oletus neutriino W. Pauli esitas 1930. aastal ja avastati eksperimentaalselt alles 1953. aastal. Kosmiliste kiirte koostisest leiti need 1936. aastal. mu mesonid (müüonid ) – mõlema elektrilaengu märgiga osakesed massiga umbes 200 elektronmassi. Muus osas on müüonite omadused väga lähedased elektroni ja positroni omadustele. Ka kosmilistes kiirtes 1947. aastal positiivset ja negatiivset pi mesonid , mille olemasolu ennustas Jaapani füüsik Hideki Yukawa aastal 1935. Hiljem selgus, et on olemas ka neutraalne pi meson.

50ndate alguses. avastati suur rühm väga ebatavaliste omadustega osakesi, mis ajendas neile nime panema "kummaline". Selle rühma esimesed osakesed avastati kosmilistes kiirtes, need on K-mesonid nii märgid kui L-hüperoon (lambda hüperoon). 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 et nad olid avatud antiprooton , antineutron ja mitmed hüperonid. 60ndatel avastati märkimisväärne hulk ülilühikese elueaga osakesi, mida nimetati resonantse . Nagu selgus, kuulub enamik teadaolevaid elementaarosakesi resonantsidesse. 70ndate keskel. avastati uus elementaarosakeste perekond, mis sai romantilise nime "lummatud "ja 80ndate alguses - pered « ilus » osakesed ja nn vahepealne vektorbosonid . Nende osakeste avastamine oli hiilgav kinnitus sellel põhinevale teooriale kvargi mudel elementaarosakesed, mis ennustasid 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 prootoni massi suurusjärgus (~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) . Elementaarosakesi hõlmavad protsessid on seotud kõigi nelja põhilise vastastikmõjuga: tugev, elektromagnetiline, nõrk ja gravitatsiooniline. Tugev interaktsioon nukleonide sidumise tõttu aatomituumas. Elektromagnetiline interaktsioon tagab elektronide ühenduse tuumadega aatomis, samuti aatomite ühenduse molekulides. Nõrk interaktsiooni põhjustab eelkõige kvaasistabiilsete (st suhteliselt pikaealiste) osakeste lagunemist, mille eluiga jääb vahemikku 10–12 ÷ 10–14 s. Gravitatsiooniline interaktsioon elementaarosakestele ~10–13 cm iseloomulikel kaugustel on nende massi väiksuse tõttu ülimadala intensiivsusega, kuid ülilühikestel vahemaadel võib see olla märkimisväärne. Interaktsioonide intensiivsused: tugev, elektromagnetiline, nõrk ja gravitatsiooniline – protsesside mõõduka energia korral on vastavalt 1:10 –2:10 –10:10 –38. Üldiselt muutub see suhe, kui osakeste energia suureneb.

Elementaarosakesi klassifitseeritakse erinevate kriteeriumide alusel ja tuleb öelda, et üldiselt on nende aktsepteeritud klassifikatsioon üsna keeruline.

Sõltuvalt nende osalemisest erinevat tüüpi interaktsioonides jagatakse kõik teadaolevad osakesed kahte põhirühma: hadronid Ja leptonid.

Hadronid osaleda igat tüüpi suhtluses, sealhulgas tugevates. Nad said oma nime kreeka keelest. "suur, tugev."

Leptonid ei osale tugevas suhtluses. 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 kreeka keelest "raske") ja mesonid . Kergeim barüon on prooton.

Leptonid on eelkõige elektron Ja positron,müüonid mõlemad märgid neutriino kolme tüüpi (kaasatud on kerged, elektriliselt neutraalsed osakesed ainult nõrga ja gravitatsioonilise vastastikmõju korral). 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. Koostoime tüüpide järgi klassifitseerimist lõpetades tuleb märkida, et footon osaleb ainult elektromagnetilistes ja gravitatsioonilistes vastasmõjudes. Lisaks on kõigi nelja interaktsioonitüübi ühendamisele suunatud teoreetiliste mudelite kohaselt gravitatsioonivälja kandev hüpoteetiline osake, mis on nn. graviton . Gravitoni eripära on see, et ta (teooria järgi) osaleb ainult gravitatsioonilises vastasmõjus. Pange tähele, et teooria seostab gravitatsioonilise interaktsiooni kvantprotsessidega veel kahte hüpoteetilist osakest - gravitino Ja gravifoton . Gravitonite, st sisuliselt gravitatsioonikiirguse eksperimentaalne tuvastamine on ülimalt keeruline selle ülimalt nõrga vastasmõju tõttu ainega.

Sõltuvalt nende elueast jagunevad elementaarosakesed stabiilne, peaaegu stabiilne Ja ebastabiilne (resonantse ).

Stabiilsed osakesed on elektron (selle eluiga τ > 10 21 aastat), prooton (τ > 10 31 aastat), neutriino ja footon. Elektromagnetiliste ja nõrkade vastasmõjude tõttu lagunevaid osakesi peetakse kvaasistabiilseteks; nende eluiga on τ > 10–20 s. Resonantsid– tugeva vastasmõju tulemusena lagunevad osakesed, nende eluiga jääb vahemikku 10 – 22 ÷ 10 – 24 s.

Levinud on ka teine ​​elementaarosakeste alajaotuse tüüp. Null- ja täisarvuliste spinniga osakeste süsteemid järgivad Bose statistika–Einstein, seetõttu nimetatakse selliseid osakesi tavaliselt bosonid . Kirjeldatakse pooltäisarvulise spinniga osakeste kogumit Fermi statistika–Dirac, sellest ka selliste osakeste nimi - fermionid .

Iga elementaarosakest iseloomustab teatud hulk diskreetseid füüsikalisi suurusi – kvantarvud. Kõigile osakestele ühised omadused on kaalm,eluaegτ, keerutadaJ Ja elektrilaengK. Elementaarosakeste spinn võtab väärtused, mis on võrdsed Plancki konstandi täis- või pooltäisarvu kordadega. Osakeste elektrilaengud on elektronlaengu täisarvud, mida vaadeldakse elementaarne elektrilaeng.

Lisaks iseloomustab elementaarosakesi täiendavalt nn sisemised kvantarvud . Leptonitele omistatakse spetsiifiline leptoni laengL= ±1, pooltäisarvulise spinni kandmisega hadronid barüonlaeng B = ±1 (hadronid, mille B = 0 moodustavad mesonite alamrühma).

Hadronite oluline kvantomadus on sisemine pariteet R, võttes väärtuseks ±1 ja peegeldades osakeste lainefunktsiooni sümmeetriaomadust ruumilise inversiooni suhtes (peegelpilt). Vaatamata pariteedi mittesäilivusele nõrkade interaktsioonide korral, on hea täpsusega osakesed sisemise paarsuse väärtused, mis on võrdsed kas +1 või –1.

Lisaks jagunevad hadronid tavalisteks osakesteks (prootonid, neutronid, pi-mesonid), kummalisteks osakesteks ( TO-mesonid, hüperonid, mõned resonants), "võluvad" ja "ilusad" osakesed. Need vastavad spetsiaalsetele kvantarvudele: veidrusS,VõluKOOS Ja ilub. Need kvantarvud sisestatakse vastavalt kvargi mudel nendele osakestele iseloomulike spetsiifiliste protsesside tõlgendamiseks.

Hadronite hulgas on sarnase massiga, identse sisekvantarvuga, kuid elektrilaengu poolest erineva osakeste rühmi (perekondi). Selliseid rühmi nimetatakse isotoopmultipletid ja neid iseloomustab kogu kvantarv – isotoopne spin , mis, nagu tavaline spin, aktsepteerib täis- ja pooltäisarvu väärtusi.

Mis on juba korduvalt mainitud hadronite kvarkmudel ?

Hadronite multiplettideks rühmitamise mustri avastamine oli aluseks spetsiaalsete struktuurimoodustiste 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 seisnes eelduses, et on olemas kolm pooltäisarvulise spinniga põhiosakest, mis on hadronite ehitamise materjaliks: u-,d- Ja s-kvargid. Seejärel täiendati uute eksperimentaalsete andmete põhjal hadronite struktuuri kvarkide mudelit veel kahe kvargiga: "võlu" ( Koos) ja ilus" ( b). Teist tüüpi kvarkide olemasolu peetakse võimalikuks. Kvarkide eripäraks on see, et neil on murdarvud elektri- ja barüonlaenguid, mida ei leidu üheski teadaolevas osakeses. Kõik elementaarosakeste uurimise eksperimentaalsed tulemused on kooskõlas kvargimudeliga.

Kvargimudeli järgi koosnevad barüonid kolmest kvargist, mesonid - kvargist ja antiikne . Kuna mõned barüonid on kombinatsioon kolmest samas olekus kvargist, mis on Pauli põhimõttega keelatud (vt ülal), on iga tüüp ( "aroom") kvargile määrati täiendav sisemine kvantnumber "värv". Igat tüüpi kalk ("maitse" - u, d, s, c, b) võib olla kolmes “värvilises” olekus. Seoses värvimõistete kasutamisega hakati nimetama kvarkide tugeva vastasmõju teooriat kvantkromodünaamika (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, ei ole neid veel vabas olekus õnnestunud tuvastada. On põhjust arvata, et siin seisab füüsika silmitsi erilise loodusnähtusega – nn kvarki kinnipidamine.

Fakt on see, 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 puhul, mille vähemalt ühe kvantarvu väärtused on nullist erinevad, näiteks elektrilaengK,leptoni laengL,barüonlaengIN,veidrusS,VõluKOOS Ja ilub, olemas antiosakesed samade massi, eluea, spinni väärtustega, kuid ülaltoodud kvantarvude vastandlike märkidega. On teada osakesed, mis on identsed nende antiosakestega, neid nimetatakse tõsi neutraalne . Tõeliselt neutraalsete osakeste näideteks on footon ja üks kolmest pi-mesonist (teised kaks on üksteise suhtes osakesed ja antiosakesed).

Osakeste ja antiosakeste koostoime iseloomulik tunnus on nende hävitamine kokkupõrkel, st vastastikune hävitamine koos teiste osakeste moodustumisega ja energia, impulsi, laengu jne jäävuse seaduste täitumisega. Tüüpiline näide paari hävitamisest on elektroni ja selle antiosakese teisenemise protsess - a positron - elektromagnetiliseks kiirguseks (footoniteks või gamma kvantideks). Paaride annihilatsioon ei toimu mitte ainult elektromagnetilise interaktsiooni, vaid ka tugeva interaktsiooni ajal. Kõrge energiaga kerged osakesed võivad hävitada, moodustades raskemad osakesed– tingimusel, et hävitavate osakeste koguenergia ületab raskete osakeste sünniläve (võrdne nende puhkeenergia summaga).

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 aatomite tuumasid antiaine , st põhimõtteliselt saab antiainet ehitada antiosakestest. Tekib ilmne 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.

KÜSIMUSED ENESEKOHTA

1. Mis on teadusrevolutsioonide fenomen? Kuidas on see seotud üldiste filosoofiliste seadustega?

2. Mis on teaduslik meetod? Mis on selle algoritm? Millist rolli mängib hüpoteeside väljatöötamine selle elluviimisel?

3. Selgitage N. Bohri välja toodud vastavusprintsiibi tähendust. Kuidas ta määrab vananenud teooriate saatuse?

4. Mis on I. Newtoni põhikontseptsioon, mille ta pani klassikalise füüsika aluseks?

5. Millised asjaolud viisid valguse korpuskulaarse teooria asendamiseni laineteooriaga?

6. Millistel materiaalsete objektide vastasmõjudel on fundamentaalne staatus?

7. Millisest vaidlusest tekkis vajadus erirelatiivsusteooria väljatöötamiseks?

8. Mille poolest erinevad inertsiaalsed ja mitteinertsiaalsed tugisüsteemid? Kuidas tekkis üldine relatiivsusteooria?

9. Milles seisneb põhimõtteline erinevus makroobjektide ja kvantosakeste liikumises? Kuidas aine aatomid kiirgavad kiirguskvante?

10. Mis on aine laine-osakeste duaalsuse mõiste? Kas elektronil on lainepikkus?

ÜLESANDED ISESEISEV TÖÖKS

1 . Hüpoteeside püstitamise ja loogilise testimise abil lahendage järgmised vastuolud:

1.1. Aatomituum koosneb elektriliselt neutraalsetest neutronitest ja positiivselt laetud prootonitest. Teadaolevalt samanimelised laengud tõrjuvad (kirjutage Coulombi elektrostaatilise seaduse klassikaline valem, pidage meeles, milline Newtoni seadustest on kirjutatud sarnasel kujul).

_____________________________________________________________________________________________________________________

_____________________________________________________________________________________________________________________

1.2. Selgitage, kuidas tuum säilitab stabiilsuse ja suure tiheduse. Kasutage järgmisi viiteandmeid:

– südamiku tihedus on suurusjärgus 10 13 g/cm 3, mis on 11 suurusjärku suurem kui metallide tihedus;

– aatomi suurus on umbes 10–8 cm, tuuma suurus on 10–13 cm;

– looduses on teada nelja tüüpi fundamentaalseid vastastikmõjusid: gravitatsiooniline, elektromagnetiline, tugev ja nõrk;

– fundamentaalsete vastastikmõjude intensiivsus väheneb tugevast elektromagnetiliseks ning seejärel nõrgaks ja gravitatsiooniliseks vahekorras: 1:10 –2:10 –8:10 –38.

_____________________________________________________________________________________________________________________

_____________________________________________________________________________________________________________________

_____________________________________________________________________________________________________________________

Kontrollige kõiki võimalikke hüpoteese ja leidke ainus loogiliselt järjekindel. Alustage üldise hüpoteesi püstitamisest.

2 . Valguse laineteooria sai kinnistunud pärast paljude valgusnähtuste, sealhulgas difraktsiooni ja interferentsi nähtuste edukat selgitamist, mida ei saa seletada korpuskulaarse valguse teooriaga.

Seletama:

2.1. Kuidas valgus kustub valguse toimel interferentsi ajal ja kas energia jäävuse seadust ei rikuta?

_____________________________________________________________________________________________________________________

_____________________________________________________________________________________________________________________

_____________________________________________________________________________________________________________________

2.2. Millised on sarnasused ja erinevused nähtuste vahel, mida määratlevad selgelt kaashäälikulised terminid “murdumine” ja “difraktsioon”.

_____________________________________________________________________________________________________________________

_____________________________________________________________________________________________________________________

_____________________________________________________________________________________________________________________

Vasta järgmistele küsimustele:

2.3. Milliseid nähtusi ei saa valguse laineteooria abil seletada?

_____________________________________________________________________________________________________________________

_____________________________________________________________________________________________________________________

_____________________________________________________________________________________________________________________

2.4. Mis on laine-osakeste dualismi mõiste ja millist üldist filosoofilist seadust see peegeldab?

_____________________________________________________________________________________________________________________

_____________________________________________________________________________________________________________________

_____________________________________________________________________________________________________________________

2.5. Milliste katsetega saab empiiriliselt kontrollida hüpoteesi, et aineosakestel (näiteks elektronidel) on lainelised omadused?

_____________________________________________________________________________________________________________________

_____________________________________________________________________________________________________________________

_____________________________________________________________________________________________________________________

2.6. Millise kaasaegse seadme töö põhineb elektronide laineomaduste kasutamisel?

_____________________________________________________________________________________________________________________

_____________________________________________________________________________________________________________________

_____________________________________________________________________________________________________________________

3 . Vastavalt elementaarosakeste klassifikatsioonile nende osalemise järgi fundamentaalsetes interaktsioonides osaleb footon mitte ainult elektromagnetilises, vaid ka gravitatsioonilises interaktsioonis. Samuti on teada, et footoni ülejäänud mass on null.

Järelikult, kui juhinduda Newtoni universaalse gravitatsiooni seadusest, tekib ilmne vastuolu.

3.1. Lahendage see vastuolu järgmiste andmete põhjal:

– universaalse gravitatsiooni seadus ennustab täpselt mõõtmistulemust, kuid ei paljasta gravitatsiooni olemust;

– gravitatsiooni olemust seletab üldine relatiivsusteooria, mis näitab, et graviteeriv aine muudab aegruumi geomeetriat.

_____________________________________________________________________________________________________________________

_____________________________________________________________________________________________________________________

_____________________________________________________________________________________________________________________

3.2. Selgitage, kuidas määratakse relativistliku osakese mass.

_____________________________________________________________________________________________________________________

_____________________________________________________________________________________________________________________

_____________________________________________________________________________________________________________________

3.3. Miks ei suuda ükski relativistlik osake, välja arvatud ülirelativistlik footon, saavutada valguse kiirust?

_____________________________________________________________________________________________________________________

_____________________________________________________________________________________________________________________

_____________________________________________________________________________________________________________________

KIRJANDUS

Peamine :

1. Azimov A. Katastroofide valik. – M.: Amfora, 2001.

2. Vernadski V.I. Loodusuurija filosoofilised mõtted. – M., 1988.

3. Dubnischeva T. Ya. Kaasaegse loodusteaduse kontseptsioonid. - Novosibirsk, 1988.

4. Prigogine I., Stengers I. Kord kaosest. – M., 1986.

5. Salopov E. F. Kaasaegse loodusteaduse kontseptsioonid. – M.: Vlados, 1998.

Lisaks :

6. Weinberg S. Esimesed kolm minutit. Kaasaegne vaade universumi tekkele - M.: Nauka, 1981.

7. Gaidenko V. B., Smirnov G. A. Lääne-Euroopa teadus keskajal. – M.: Nauka, 1989.

8. Kapitsa P. L. Eksperiment, teooria, praktika. – M.: Nauka, 1981.

9. Kirillin V. A. Teaduse ja tehnika ajaloo lehekülgi. – M.: Teadus. 1986. aastal.

10. Klimenko I. S., Engver N. N. Kaasaegse loodusteaduse kontseptsioonid. – M., 2002.

11. Kuhn T. Teadusrevolutsioonide struktuur - M.: Progress, 1975.

12. Lakatos I. Teaduslike uurimisprogrammide metoodika // Filosoofia küsimused. – 1995. – nr 4.

13. Losev A.F., Taho-Godi A.A. Platon. Aristoteles. – M.: Noor kaardivägi, 1993.

14. Einstein A., Infeld L. Füüsika evolutsioon. – M.: Noorkaart, 1966.

15. Emslie J. Element. – M.: Mir, 1993.

TERMINOLOOGILINE SÕNARAK

Hadronid(kreeka keelest αδpos - suur, tugev) - elementaarosakeste klass, mis osaleb tugev interaktsioon. Hadronite hulka kuuluvad kõik barüonid Ja mesonid, kaasa arvatud resonantse.

Algoritm(ladinakeelsest algoritmist - Kesk-Aasia teadlase al-Khorezmi nime transliteratsioon, millel oli suur mõju matemaatika arengule Euroopas) - piiratud reeglistik, mis võimaldab puhtmehaanilist lahendust mis tahes konkreetsele probleemile. teatud klassi sarnaseid probleeme.

Analüüs(ladina analüüs - lagunemine, tükeldamine) - teadusliku uurimise meetod, mis seisneb terviku vaimses või tegelikus lagunemises selle koostisosadeks (elementideks); kasutatakse sageli üldise teadusliku uurimistöö sünonüümina; analüüs on lahutamatult seotud süntees(elementide ühendamine ühtseks tervikuks).

Hävitamine(hilisladina keelest annihilatio - kadumine, muutumine eimillekski) - elementaarosakeste vastastikuse teisenemise tüüp, mis tekib osakese põrkumisel antiosakesega; hävitamisel asja ei kao, vaid muundub ühest vormist teise, näiteks annihilatsiooni käigus elektron Ja positron tekkida kvantid elektromagnetiline kiirgus.

Antiosakesed(kreeka keelest αυτι - vastu) - elementaarosakesed, millel on sama mass, spin, eluiga ja muud sisemised omadused kui nende "kaksikutel", kuid erinevad neist mõne interaktsiooniomaduse märgi (näiteks elektrilaeng, magnetmoment) poolest. ) .

Atom(kreeka keelest αтομοs - jagamatu) - keemilise elemendi väikseim osake, mis säilitab oma omadused; koosneb rasketest tuumad, millel on positiivne elektrilaeng, ja seda ümbritsevad valgusosakesed - elektronid negatiivsete elektrilaengutega, mis moodustavad aatomi elektronkatted.

Barüonid(kreeka keelest βαρυς - raske) - pooltäisarvuga "raskete" elementaarosakeste rühm keerutada ja mass, mis ei ole väiksem kui mass prooton; osaleda kõigis teadaolevates fundamentaalsetes interaktsioonides. Barüonid hõlmavad nukleonid(prooton Ja neutron),hüperonid, nagu ka paljud resonantse ja " võlutud osakesed.

Lähedus– idee, mille kohaselt toimub vastastikmõju üksteisest kaugemal asuvate kehade vahel vahemeediumi või vahelülide kaudu, mis edastavad vastastikmõju lõpliku kiirusega punktist punkti.

Kontrollimine(ladina keelest verus - tõsi ja facio - ma teen) - teaduse teoreetiliste sätete kontrollimine, empiiriline kinnitamine, võrreldes neid vaadeldavate objektide, katseandmetega.

Laine funktsioon– kvantmehaanikas suurus, mis kirjeldab täielikult mikroobjekti ja üldiselt mis tahes kvantsüsteemi olekut. Lainefunktsiooni ruut annab nende suuruste tõenäosused, millest sõltub lainefunktsioon ise. Lainefunktsiooni nimetatakse ka tõenäosusamplituudiks.

Hüpotees(kreeka keelest υποθεσις - sihtasutus) - nähtuse selgitamiseks esitatud teaduslik eeldus, mis nõuab eksperimentaalset kontrollimist ja teoreetilist põhjendust, et saada usaldusväärseks teaduslikuks teooriaks.

Pikamaa– idee, mille kohaselt kandub kehade mõju üksteisele koheselt läbi tühjuse meelevaldselt suurtele kaugustele; Elektromagnetvälja avastamine näitas, et kaugtegevuse kontseptsioon oli vale.

Determinism(ladina keelest determino - määrama) - filosoofiline õpetus kõigi nähtuste objektiivsest, loomulikust seosest ja põhjuslikkusest.

Diskreetsus(ladina keelest discretus - jagatud) - katkestus; vastandub järjepidevusele, moodustab koos sellega kategooriad, mis iseloomustavad aine struktuuri ja selle arenguprotsessi.

Difraktsioon(ladina keelest diffractus - katki) - lainete kõrvalekaldumine, mis tekib siis, kui need levivad ebahomogeenses keskkonnas, paindudes ümber takistuste.

Invariantsus(ladina keelest invariantis - muutumatu) - mis tahes suuruse muutumatus füüsikaliste tingimuste muutumisel või seoses mõne teisendusega, tavaliselt koordinaatide ja aja teisendustega.

Integratsioon(ladina keelest integratio - taastamine) - teaduste lähenemise ja ühendamise protsess, mis toimub koos nende protsessidega eristamist; üldiselt mõiste, mis tähendab süsteemi üksikute osade seotust tervikuks, samuti protsessi, mis viib sellise seisundini.

Lainehäired– nähtus, mida täheldatakse kahe või mitme laine samaaegsel levimisel ruumis, kui nende liitmisel erinevates ruumipunktides tekkiv laine tugevneb või nõrgeneb. Häired on tüüpilised mis tahes laadi lainetele.

Kvant– M. Plancki poolt kasutusele võetud mõiste energia elementaarse diskreetse osa tähistamiseks.

Kvargid– hüpoteetilised materjaliosakesed, millest moodsa idee järgi kõik koosneb hadronid. Teooria kõige levinum versioon postuleerib nelja kvargi (ja vastavate antikvarkide) olemasolu, millest igaüks võib eksisteerida kolmes olekus, mis erinevad kvantarvu poolest - “värvus”.

Kontseptsioon(ladina keelest conceptio - süsteem) - teatud mõistmise viis, mis tahes nähtuste tõlgendamine, peamine seisukoht, nende valgustamise juhtidee; juhtidee, erinevat tüüpi intellektuaalse tegevuse konstruktiivne põhimõte.

Laine-osakeste duaalsus– asend, et mis tahes aine mikroobjektid ( footonid, elektronid, prootonid jne) omavad nii osakeste (kehakeste) kui ka lainete omadusi.

Leptonid(kreeka keelest λεπτος - valgus) - elementaarosakesed pooltäisarvuga keerutada, ei osale tugevas suhtluses. Leptonid hõlmavad elektron,muuon,neutriino ja muud osakesed.

Mesonid(kreeka keelest μεσος - keskmine, keskmine) - ebastabiilne elementaarosakesedKoos null või täisarv keerutada klassi kuuluv hadronid ja millel puudub barüoonlaeng; on tuumajõudude kandjad.

Neutriino(Itaalia k. neutriino – “neutroni” deminutiv) – stabiilne, laenguta elementaarosake, millel on pooltäisarvuline spin ja eeldatavasti nullmass; viitab leptonid, osaleb ainult nõrkades ja gravitatsioonilistes vastasmõjudes.

Neutron(Inglise neutron, ladina keelest neutraalne – ei üks ega teine) – elektriliselt neutraalne elementaarosake pooltäisarvuga keerutada ja massist veidi suurem mass prooton; kuulub klassi hadronid ja on osa grupist barüonid. Kõik on ehitatud neutronitest ja prootonitest aatomituumad.

Määramatuse põhimõte– kvantteooria fundamentaalne seisukoht, mis väidab, et ükski füüsiline süsteem ei saa olla olekutes, milles selle inertskeskme ja impulsi koordinaadid omandavad üheaegselt täpselt määratletud väärtused.

Nucleon(ladina keelest tuum - tuum) - üldnimetus prooton Ja neutron, mis on komponendid aatomisüdamikud.

Paradigma(kreeka keelest παραδειγμα - valim) - esialgne kontseptuaalne mudel probleemide ja nende lahenduste püstitamiseks, uurimismeetodid, mis valitsesid teatud ajaloolisel perioodil teadusringkondades.

Positroon(ladina keelest positivus - positiivne) - positiivse elektrilaenguga elementaarosake, antiosake poole elektron.

Postulaat(ladina keelest postulatum - nõue) - väide, mida aktsepteeritakse mis tahes teadusliku teooria raames tõeseks, kuigi mitte selle vahenditega tõestatavaks, ja mängib seetõttu selles aksioomi rolli.

Prooton(kreeka keelest πρωτος - esimene) - stabiilne elementaarosake pooltäisarvu spinniga ja massiga 1836 elektroni massi.

Korrespondentsi põhimõte– N. Bohri sõnastatud teineteist järjest muutvate teooriate omavahelise suhte printsiip, mis seisneb selles, et iga uus teooria ei lükka eelmist täielikult tagasi, vaid sisaldab selle erijuhuna.

Keeruta(inglise keelest spin - rotation) - mikroosakese sisemine nurkimment (liikumismoment), millel on kvant iseloom ja mis ei ole seotud osakese kui terviku liikumisega; mõõdetuna Plancki konstandi ühikutes.

Võltsimispõhimõte(ladina keelest falsifico - võltsiks) - teaduslike ja mitteteaduslike teadmiste eristamise põhimõte, mis seisneb selles, et teooria teadusliku olemuse kriteeriumiks on selle falsifitseeritavus, s.o. ümberlükkatavus.

Footon(kreeka keelest φωτος - valgus) - elektromagnetvälja kvant, neutraalne elementaarosake nullmassi ja ühikulise spinniga.

Kõikumised(ladina keelest fluctuatio - fluktuatsioon) - juhuslikud kõrvalekalded vaadeldud koguste keskmistest väärtustest, mis iseloomustavad suure hulga osakeste süsteemi; mis tahes juhuslike protsesside jaoks.

Evolutsioon(ladina keelest evolutio - kasutuselevõtt) - ettekujutus muutustest looduses ja ühiskonnas, nende suunast, korrast ja mustritest.

elektron- esiteks elementaarosake, füüsikas avastatud, väikseima massi ja väikseima elektrilaengu materjalikandja looduses.

Elementaarosakesed

Entroopia(kreeka keelest εν + τροπη – transformatsioon) – termodünaamilise süsteemi oleku funktsioon. Mittetasakaaluliste protsessidega isoleeritud süsteemis kaasneb entroopia suurenemine. Entroopia mõistet kasutatakse laialdaselt füüsikas, keemias, bioloogias ja infoteoorias.

Aatomituum– aatomi keskne massiivne osa, mis koosneb nukleonid(prootonid ja neutronid), mis on seotud tuumajõududega.

Elementaarosakeste avastamine oli loomulik tulemus 19. sajandi lõpus füüsikas saavutatud üldisele edule aine struktuuri uurimisel.

See valmistati ette aatomite optiliste spektrite põhjalike uuringute, vedelike ja gaaside elektrinähtuste uurimise, fotoelektri, röntgenikiirguse ja loodusliku radioaktiivsuse avastamise, mis viitas aine keeruka struktuuri olemasolule.

Ajalooliselt oli esimene avastatud elementaarosake elektron, aatomite negatiivse elektrilaengu kandja. 1897. aastal avastas J. J. Thomson, et katoodkiiri toodab pisikeste osakeste voog, mida nimetatakse elektronideks.

1911. aastal avastas E. Rutherford looduslikust radioaktiivsest allikast pärinevaid alfaosakesi läbi erinevate ainete õhukeste fooliumite juhtides, et aatomite positiivne laeng on koondunud kompaktsetesse moodustistesse - tuumadesse, ja 1919. aastal avastas ta prootonid välja löödud osakeste hulgast. aatomituumad - osakesed, mille ühik positiivne laeng ja mass on 1840 korda suurem elektroni massist. 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. Eeldades, et absoluutselt musta keha elektromagnetilise kiirguse energia on kvantiseeritud, sai Planck kiirgusspektri õige valemi. 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).

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. elementaarosakeste 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. 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 kosmilisi kiiri uurides müüonid (mõlemad elektrilaengu märgid) – osakesed massiga ligikaudu 200 elektronmassi, kuid muidu oma omadustelt üllatavalt lähedased e-, e+-le.

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, järgnevad kummaliste osakeste avastused tehti kiirendites – installatsioonides, mis tekitavad intensiivseid kiirgusvooge. kiired prootonid ja elektronid. Ainega kokkupõrkel sünnivad kiirendatud prootonid ja elektronid uusi elementaarosakesi, mis saavad uurimisobjektiks.

Alates 50ndate algusest. kiirendid on saanud peamiseks vahendiks elementaarosakeste uurimisel. 70ndatel Kiirendites kiirendatud osakeste energiad ulatusid kümnetesse ja sadadesse miljarditesse elektronvoltidesse (GeV). 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 kiirust ning lühikese ajaga laiendanud ja rikastanud 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 - ruumide rikkumine, pariteedi (1956). Miljardite elektronvoltide energiaga prootonkiirendite kasutuselevõtt võimaldas avastada raskeid antiosakesi: antiprooton (1955), antineutron (1956), anti-sigma hüperonid (1960). 1964. aastal avastati raskeim W-hüperon (massiga umbes kaks prootoni massi). 1960. aastatel Kiirendites avastati suur hulk äärmiselt ebastabiilseid (võrreldes teiste ebastabiilsete elementaarosakestega) osakesi, mida nimetatakse "resonantsideks". Enamiku resonantside massid ületavad prootoni massi. Neist esimene, D1, on tuntud alates 1953. aastast. Selgus, et põhiosa elementaarosakestest moodustavad resonantsid.

1962. aastal avastati, et on olemas kaks erinevat neutriinot: elektron ja müüon. 1964. aastal avastati neutraalsete K-mesonite lagunemisel nn mittesäilivus. kombineeritud pariteet (mille tutvustasid Li Tsung-dao ja Yang Zhen-ning ning iseseisvalt L.D. Landau 1956. aastal), mis tähendab vajadust revideerida tavalisi vaateid füüsiliste protsesside käitumisele aja peegelduse toimimise ajal.

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 elementaarosakeste perekonnaga - "võlutud" osakestega, mille esimesed esindajad (D0, D+, Lc) avastati 1976. aastal. 1975. aastal saadi esimene teave osakeste olemasolust. elektroni ja müüoni raske analoog (heavy lepton t). 1977. aastal avastati umbes kümne prootoni massiga Ў-osakesed.

PLAAN

Sissejuhatus

1. Elementaarosakeste avastamine

2. Elementaarosakeste teooriad

2.1. Kvantelektrodünaamika (QED)

2.2. Kvarkide teooria

2.3. Electroweaki teooria

2.4. Kvantkromodünaamika

Järeldus

Kirjandus

Sissejuhatus.

Kahekümnenda sajandi keskel ja teisel poolel saadi aine põhistruktuuri uurivates füüsikaharudes tõeliselt hämmastavaid tulemusi. Esiteks avaldus see terve hulga uute subatomaarsete osakeste avastamises. Neid nimetatakse tavaliselt elementaarosakesteks, kuid mitte kõik neist pole tõeliselt elementaarsed. Paljud neist omakorda koosnevad veelgi enam elementaarosakestest.

Subatomiliste osakeste maailm on tõeliselt mitmekesine. Nende hulka kuuluvad aatomituumadest koosnevad prootonid ja neutronid, aga ka tuumade ümber tiirlevad elektronid. Kuid on ka osakesi, mida meid ümbritsevas aines praktiliselt ei leidu. Nende eluiga on äärmiselt lühike, see on sekundi väikseim murdosa. Pärast seda äärmiselt lühikest aega lagunevad nad tavalisteks osakesteks. Selliseid ebastabiilseid lühiealisi osakesi on hämmastavalt palju: neist on teada juba mitusada.

1960. ja 1970. aastatel olid füüsikud äsja avastatud subatomaarsete osakeste arvu, mitmekesisuse ja kummalisuse pärast täiesti hämmingus. Näis, et neil pole lõppu. On täiesti ebaselge, miks seal nii palju osakesi on. Kas need elementaarosakesed on kaootilised ja juhuslikud ainefragmendid? Või võib-olla on neil võti universumi struktuuri mõistmiseks? Füüsika areng järgnevatel aastakümnetel näitas, et sellise struktuuri olemasolus pole kahtlust. Kahekümnenda sajandi lõpus. füüsika on hakanud mõistma iga elementaarosakese tähtsust.

Subatomiliste osakeste maailma iseloomustab sügav ja ratsionaalne kord. See järjekord põhineb fundamentaalsetel füüsilistel vastasmõjudel.

1. Elementaarosakeste avastamine.

Elementaarosakeste avastamine oli loomulik tulemus 19. sajandi lõpus füüsikas saavutatud üldisele edule aine struktuuri uurimisel. See valmistati ette aatomite optiliste spektrite põhjalike uuringute, vedelike ja gaaside elektriliste nähtuste uurimise, fotoelektri, röntgenikiirguse ja loodusliku radioaktiivsuse avastamise kaudu, mis näitasid aine keeruka struktuuri olemasolu.

Ajalooliselt oli esimene avastatud elementaarosake elektron, aatomite negatiivse elektrilaengu kandja. 1897. aastal tegi J. J. Thomson kindlaks, et nn. katoodkiired moodustuvad väikeste osakeste voost, mida nimetatakse elektronideks. 1911. aastal leidis E. Rutherford, lastes looduslikust radioaktiivsest allikast pärit alfaosakesi läbi erinevate ainete õhukeste fooliumide, et positiivne laeng aatomites on koondunud kompaktsetesse moodustistesse – tuumadesse ja 1919. aastal avastas prootonid – ühikulise positiivse laenguga osakesed. 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. Eeldades, et absoluutselt musta keha elektromagnetilise kiirguse energia on kvantiseeritud, sai Planck kiirgusspektri õige valemi. 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).

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. elementaarosakeste 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. 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 osmiliste kiirte uurimisel müüonid (mõlemad elektrilaengu märgid) – osakesed massiga ligikaudu 200 elektronmassi, kuid muidu oma omadustelt üllatavalt lähedased e-, e+-le.

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, järgnevad kummaliste osakeste avastused tehti kiirendites – installatsioonides, mis tekitavad intensiivseid kiirgusvooge. kiired prootonid ja elektronid. Ainega kokkupõrkel sünnivad kiirendatud prootonid ja elektronid uusi elementaarosakesi, mis saavad uurimisobjektiks.

Alates 50ndate algusest. kiirendid on saanud peamiseks vahendiks elementaarosakeste uurimisel. 70ndatel Kiirendites kiirendatud osakeste energiad ulatusid kümnetesse ja sadadesse miljarditesse elektronvoltidesse (GeV). 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 kiirust ning lühikese ajaga laiendanud ja rikastanud 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 - nn. tühikute, pariteedi rikkumine (1956). Miljardite elektronvoltide energiaga prootonkiirendite kasutuselevõtt võimaldas avastada raskeid antiosakesi: antiprooton (1955), antineutron (1956), anti-sigma hüperonid (1960). 1964. aastal avastati raskeim W-hüperon (massiga umbes kaks prootoni massi). 1960. aastatel Kiirendites avastati suur hulk äärmiselt ebastabiilseid (võrreldes teiste ebastabiilsete elementaarosakestega) osakesi, mida nimetatakse "resonantsideks". Enamiku resonantside massid ületavad prootoni massi. Neist esimene, D1 (1232), on tuntud aastast 1953. Selgus, et põhiosa elementaarosakestest moodustavad resonants.

1962. aastal avastati, et on olemas kaks erinevat neutriinot: elektron ja müüon. 1964. aastal avastati neutraalsete K-mesonite lagunemisel nn mittesäilivus. kombineeritud pariteet (mille tutvustasid Li Tsung-dao ja Yang Zhen-ning ning iseseisvalt L.D. Landau 1956. aastal), mis tähendab vajadust revideerida tavalisi vaateid füüsiliste protsesside käitumisele aja peegelduse toimimise ajal.

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 elementaarosakeste perekonnaga - "võlutud" osakestega, mille esimesed esindajad (D0, D+, Lс) avastati 1976. aastal. 1975. aastal saadi esimene teave osakeste olemasolu kohta. elektroni ja müüoni raske analoog (heavy lepton t). 1977. aastal avastati umbes kümne prootoni massiga Ў-osakesed.

Seega on elektroni avastamisest möödunud aastate jooksul tuvastatud tohutul hulgal erinevaid aine mikroosakesi. Elementaarosakeste maailm osutus üsna keeruliseks. Avastatud elementaarosakeste omadused osutusid mitmes mõttes ootamatuteks. Nende kirjeldamiseks oli lisaks klassikalisest füüsikast laenatud tunnustele nagu elektrilaeng, mass, nurkimment vaja sisse tuua palju uusi eriomadusi, eelkõige kirjeldada kummalisi elementaarosakesi – kummalisust (K. Nishijima, M. Gell -Man , 1953), “võlutud” elementaarosakesed – “võlu” (Ameerika füüsikud J. Bjorken, S. Glashow, 1964); Antud tunnuste nimetused peegeldavad juba nende poolt kirjeldatud elementaarosakeste omaduste ebatavalisust.

Aine sisestruktuuri ja elementaarosakeste omaduste uurimisega alates selle esimestest sammudest kaasnes paljude väljakujunenud kontseptsioonide ja ideede radikaalne revideerimine. Aine käitumist reguleerivad seadused väikeses osutusid klassikalise mehaanika ja elektrodünaamika seadustest niivõrd erinevateks, et nende kirjeldamiseks oli vaja täiesti uusi teoreetilisi konstruktsioone.

2. Elementaarosakeste teooriad

2.1. Kvantelektrodünaamika (QED)

Kvantmehaanika võimaldab kirjeldada elementaarosakeste liikumist, kuid mitte nende tekkimist või hävitamist, st seda kasutatakse ainult konstantse osakeste arvuga süsteemide kirjeldamiseks. Kvantmehaanika üldistus on kvantväljateooria – see on lõpmatu arvu vabadusastmetega (füüsikaliste väljadega) süsteemide kvantteooria. Vajaduse sellise teooria järele genereerib kvantlaine dualism, laineomaduste olemasolu kõigis osakestes. Kvantväljateoorias kujutatakse interaktsiooni väljakvantide vahetuse tulemusena.

Kahekümnenda sajandi keskel. loodi elektromagnetilise interaktsiooni teooria - kvantelektrodünaamika QED on peensusteni läbi mõeldud ja täiusliku matemaatilise aparaadiga varustatud footonite ja elektronide vastastikmõju teooria. QED põhineb elektromagnetilise interaktsiooni kirjeldusel, kasutades virtuaalsete footonite – selle kandjate – kontseptsiooni. See teooria rahuldab nii kvantteooria kui ka relatiivsusteooria aluspõhimõtteid.

Teooria keskmes on ühe laetud osakese poolt ühe footoni emissiooni- või neeldumisaktide analüüs, samuti elektron-positroni paari annihilatsioon footoniks või sellise paari tekitamine footonite abil.

Kui klassikalises kirjelduses on elektronid kujutatud tahkepunktilise kuulina, siis QED-s käsitletakse elektroni ümbritsevat elektromagnetvälja virtuaalsete footonite pilvena, mis järgib halastamatult elektroni, ümbritsedes seda energiakvantidega. Pärast seda, kui elektron kiirgab footoni, tekitab see (virtuaalse) elektron-positroni poori, mis võib annihileeruda, moodustades uue footoni. Viimast saab neelata algne footon, kuid see võib tekitada uue paari jne. Seega on elektron kaetud virtuaalsete footonite, elektronide ja positronite pilvega, mis on dünaamilises tasakaalus. Footonid tekivad ja kaovad väga kiiresti ning elektronid ei liigu ruumis mööda täpselt määratletud trajektoore. Endiselt on võimalik ühel või teisel viisil määrata tee algus- ja lõpp-punkt - enne ja pärast hajumist, kuid tee ise liikumise alguse ja lõpu vahelises intervallis jääb ebakindlaks.

Koostoime kirjeldus kandjaosakese abil viis footoni mõiste laiendamiseni. Tutvustatakse mõisteid reaalne (meile nähtav valguskvant) ja virtuaalne (põgus, kummituslik) footon, mida “näevad” vaid hajumist läbivad laetud osakesed.

Et kontrollida, kas teooria vastab tegelikkusele, keskendusid füüsikud kahele eriti huvipakkuvale efektile. Esimene puudutas vesinikuaatomi, kõige lihtsama aatomi energiataset. QED kohaselt tuleks tasemeid veidi nihutada võrreldes positsiooniga, mille nad hõivaksid virtuaalsete footonite puudumisel. QED teine ​​otsustav test puudutas elektroni enda magnetmomendi üliväikest korrektsiooni. QED testimise teoreetilised ja eksperimentaalsed tulemused langevad kokku suurima täpsusega – rohkem kui üheksa kohta pärast koma. Selline silmatorkav kirjavahetus annab õiguse pidada QED-d olemasolevatest loodusteaduslikest teooriatest kõige arenenumaks.

Pärast seda triumfi võeti QED kasutusele kolme ülejäänud põhilise interaktsiooni kvantkirjelduse mudelina. Loomulikult peavad muude interaktsioonidega seotud väljad vastama teistele kandjaosakestele.

2.2. Kvarkide teooria

Kvarkide teooria on hadronite ehituse teooria. Selle teooria põhiidee on väga lihtne. Kõik hadronid on valmistatud väiksematest osakestest, mida nimetatakse kvarkideks. See tähendab, et kvargid on rohkem elementaarosakesed kui hadronid. Kvargid kannavad murdosa elektrilaengut: neil on laeng, mille väärtus on kas -1/3 või +2/3 põhiühikust – elektroni laengust. Kahe ja kolme kvargi kombinatsiooni kogulaeng võib olla null või üks. Kõikidel kvarkidel on spin S, seega klassifitseeritakse nad fermioonideks. Kvarkide teooria rajajad olid Gell-Mann ja Zweig, et võtta arvesse kõike 60ndatel teadaolevat. hadronid tutvustasid kolme tüüpi (maitset) kvarke: u (ülevalt-ülevalt), d (alla-alt) ja s (veidralt-veidralt).

Kvargid võivad omavahel kombineerida kahel võimalikul viisil: kas kolmikutena või kvarkide-antikvarkide paaridena. Kolm kvarki moodustavad suhteliselt raskeid osakesi – barüone, mis tähendab "rasked osakesed". Tuntumad barüonid on neutron ja prooton. Kergemad kvark-antikvark paarid moodustavad osakesi, mida nimetatakse mesoniteks - "vaheosakesed". Näiteks prooton koosneb kahest u-kvargist ja ühest d-kvargist (uud) ning neutron kahest d-kvargist ja ühest u-kvargist (udd). Et see kvarkide “kolmik” ei laguneks , on vaja hoidejõudu, teatud “liimi”.

Selgub, et neutronite ja prootonite vaheline interaktsioon tuumas on lihtsalt kvarkide endi vahelise võimsama interaktsiooni jääkefekt. See selgitas, miks tugevad vastasmõjud tunduvad nii keerulised. Kui prooton "kleepub" neutroni või mõne teise prootoni külge, hõlmab interaktsioon kuut kvarki, millest igaüks interakteerub kõigi teistega. Märkimisväärne osa jõust kulub kvarkide kolmiku tugevale liimimisele ja väike osa kahe kvargitrio üksteise külge kinnitamisele. (Kuid selgus, et nõrgas vastasmõjus osalevad ka kvargid. Nõrk vastastikmõju võib muuta kvargi maitset. Nii laguneb neutron. Neutronis üks d-kvark muutub u-kvargiks ja üleliigse laengu kannab ära samal ajal sündinud elektron. Samamoodi viib maitse muutumine, nõrk vastastikmõju teiste hadronite lagunemiseni.)

Asjaolu, et kõiki teadaolevaid hadroneid oli võimalik saada kolme põhiosakese erinevatest kombinatsioonidest, oli kvarkide teooria võidukäik. Aga 70ndatel. Avastati uusi hadroneid (psi osakesed, upsiloni meson jne). See andis löögi kvarkide teooria esimesele versioonile, kuna selles ei olnud enam ruumi ühelegi uuele osakesele. Kõik võimalikud kvarkide ja nende antikvarkide kombinatsioonid on juba ammendatud.

Probleem lahendati kolme uue maitse kasutuselevõtuga. Nad said nime - võlu (võlu) või koos; b -kvark (alt - alt ja sagedamini ilu - ilu või võlu); Seejärel võeti kasutusele veel üks maitse - t (ülevalt - ülemine).

Kvarke hoiab koos tugev vastastikmõju. Tugeva interaktsiooni kandjad on gluoonid (värvilaengud). Kvarkide ja gluoonide vastasmõju uurivat osakestefüüsika valdkonda nimetatakse kvantkromodünaamikaks. Nii nagu kvantelektrodünaamika on elektromagnetilise interaktsiooni teooria, on kvantkromodünaamika tugeva interaktsiooni teooria.

Kuigi kvarkide skeemi osas valitseb mõningane rahulolematus, peab enamik füüsikuid kvarke tõeliselt elementaarseteks osakesteks – punkt-sarnasteks, jagamatuteks ja sisemise struktuurita. Selles suhtes meenutavad nad leptoneid ja pikka aega on eeldatud, et nende kahe erineva, kuid struktuurilt sarnase perekonna vahel peab olema sügav seos.

Seega on tõenäolisem tõeliselt elementaarsete osakeste arv (arvestamata fundamentaalsete vastastikmõjude kandjaid) 20. sajandi lõpus 48. Nendest: leptonid (6x2) = 12 pluss kvargid (6x3)x2 = 36.

2.3. Electroweaki teooria

Kahekümnenda sajandi 70ndatel leidis loodusteadustes aset silmapaistev sündmus: füüsika neljast koostoimest kaks ühendati üheks. Pilt looduse aluspõhimõtetest on muutunud mõnevõrra lihtsamaks. Elektromagnetilised ja nõrgad vastastikmõjud, näiliselt oma olemuselt väga erinevad, osutusid tegelikult üheainsa nn kahte sorti. elektrinõrk interaktsioon. Elektrinõrga interaktsiooni teoorial oli kahekümnenda sajandi lõpus otsustav mõju elementaarosakeste füüsika edasisele arengule.

Selle teooria ülesehitamise põhiideeks oli nõrka interaktsiooni kirjeldamine mõõtevälja mõiste keeles, mille kohaselt on interaktsioonide olemuse mõistmise võtmeks sümmeetria. Üks kahekümnenda sajandi teise poole füüsika põhiideed. - see on usk, et kõik vastasmõjud eksisteerivad ainult selleks, et säilitada looduses teatud abstraktsete sümmeetriate kogum. Mida on sümmeetrial pistmist fundamentaalsete interaktsioonidega? Juba ainuüksi oletus sellise seose olemasolust tundub esmapilgul paradoksaalne ja arusaamatu.

Kõigepealt sellest, mida sümmeetria all mõeldakse. Üldtunnustatud seisukoht on, et objektil on sümmeetria, kui objekt jääb ühe või teise teisendustoimingu tulemusena muutumatuks. Seega on kera sümmeetriline, kuna see näeb oma keskpunkti suhtes mis tahes nurga all pööratuna välja samasugune. Elektriseadused on sümmeetrilised positiivsete laengute asendamisel negatiivsetega ja vastupidi. Seega peame sümmeetria all silmas muutumatust teatud tehte all.

Sümmeetriat on erinevat tüüpi: geomeetriline, peegel, mittegeomeetriline. Mittegeomeetriliste hulgas on nn mõõteriistade sümmeetriad. Mõõtmete sümmeetriad on oma olemuselt abstraktsed ega ole otseselt fikseeritud. Need on seotud viite muutumisega tase, ulatus või väärtus mingi füüsiline suurus . Süsteemil on gabariidi sümmeetria, kui selle olemus jääb sellise teisenduse korral muutumatuks. Nii et näiteks füüsikas sõltub töö kõrguste erinevusest, mitte absoluutsest kõrgusest; pinge - potentsiaalide erinevusest, mitte nende absoluutväärtustest jne. Sümmeetriad, millel põhineb nelja fundamentaalse vastastikmõju mõistmise revideerimine, on just seda laadi. Mõõtmete teisendused võivad olla globaalsed või kohalikud. Punktiti varieeruvaid gabariiditeisendusi nimetatakse "kohalikeks" gabariiditeisendusteks. Looduses on mitmeid lokaalseid rööpmelaiuse sümmeetriaid ja nende gabariidimuutuste kompenseerimiseks on vaja sobivat arvu välju. Jõuvälju võib käsitleda kui vahendit, mille abil looduses luuakse loodusele omaseid lokaalseid gabariidisümmeetriaid. Gabariidi sümmeetria kontseptsiooni tähtsus seisneb selles, et see modelleerib teoreetiliselt kõiki nelja looduses leiduvat fundamentaalset vastastikmõju. Neid kõiki võib pidada gabariidiväljadeks.

Esitades nõrka interaktsiooni mõõteväljana, lähtuvad füüsikud asjaolust, et kõik nõrgas interaktsioonis osalevad osakesed on uut tüüpi välja - nõrkade jõudude välja - allikad. Nõrgalt interakteeruvad osakesed, nagu elektronid ja neutriinod, kannavad "nõrget laengut", mis on analoogne elektrilaenguga ja seob need osakesed nõrga väljaga.

Nõrga interaktsioonivälja kujutamiseks gabariidiväljana on kõigepealt vaja kindlaks määrata vastava gabariidi sümmeetria täpne vorm. Fakt on see, et nõrga vastasmõju sümmeetria on palju keerulisem kui elektromagnetilisel. Lõppude lõpuks osutub selle interaktsiooni mehhanism ise keerulisemaks. Esiteks, näiteks neutroni lagunemisel hõlmab nõrk interaktsioon vähemalt nelja erinevat tüüpi osakesi (neutron, prooton, elektron ja neutriino). Teiseks viib nõrkade jõudude toime nende olemuse muutumiseni (mõnede osakeste muutumine teisteks nõrga vastasmõju tõttu). Vastupidi, elektromagnetiline interaktsioon ei muuda selles osalevate osakeste olemust.

See määrab asjaolu, et nõrk interaktsioon vastab keerukamale gabariidi sümmeetriale, mis on seotud osakeste olemuse muutumisega. Selgus, et sümmeetria säilitamiseks on siin vaja kolme uut jõuvälja, vastandina ühele elektromagnetväljale. Saadi ka nende kolme välja kvantkirjeldus: uut tüüpi osakesi - interaktsiooni kandjaid - peaks olema kolm, iga välja jaoks üks. Neid kõiki nimetatakse rasketeks vektorbosoniteks spin 1-ga ja need on nõrga interaktsiooni kandjad.

Osakesed W + ja W - on kahe nõrga interaktsiooniga seotud välja kolmest kandjad. Kolmas väli vastab elektriliselt neutraalsele kandeosakesele, mida nimetatakse Z-osakeseks. Z-osakese olemasolu tähendab, et nõrga vastasmõjuga ei pruugi kaasneda elektrilaengu ülekanne.

Elektronõrga interaktsiooni teooria loomisel mängis võtmerolli spontaanse sümmeetria katkemise kontseptsioon: igal probleemilahendusel ei pea olema kõiki selle algse taseme omadusi. Seega võivad osakesed, mis on madalal energial täiesti erinevad, suure energia juures tegelikult osutuda üheks ja samaks osakeseks, kuid erinevates olekutes. Tuginedes spontaanse sümmeetria katkemise ideele, õnnestus elektronõrga interaktsiooni teooria autoritel Weinbergil ja Salamil lahendada suur teoreetiline probleem – nad ühendasid näiliselt kokkusobimatuid asju (ühest küljest märkimisväärne mass nõrkade interaktsioonikandjaid ja gabariidi invariantsi idee, mis eeldab gabariidivälja pikamaa olemust ja teiselt poolt tähendab kandeosakeste nullmassi) ning ühendab seega elektromagnetismi ja nõrga interaktsiooni ühtses gabariidivälja teoorias.

See teooria esitab ainult neli välja: elektromagnetväli ja kolm välja, mis vastavad nõrgale interaktsioonile. Lisaks on kasutusele võetud konstantne skalaarväli (nn Higgsi väli), millega osakesed interakteeruvad erinevalt, mis määrab nende masside erinevuse. (Skalaarväljakvandid on uued nullspinniga elementaarosakesed. Neid nimetatakse Higgsideks (nimetatud füüsiku P. Higgsi järgi, kes pakkus nende olemasolule). Selliste Higgsi bosonite arv võib ulatuda mitmekümneni. Selliseid bosoneid pole veel eksperimentaalselt avastatud. Veelgi enam, paljud füüsikud peavad nende olemasolu valikuliseks, kuid täiuslikku teoreetilist mudelit ilma Higgsi bosoniteta pole veel leitud) Esialgu pole W- ja Z-kvantidel massi, kuid sümmeetria purunemine viib selleni, et mõned Higgsi osakesed ühinevad W-ga ja Z osakesed, andes neile massi.

Teooria selgitab elektromagnetilise ja nõrga vastastikmõju omaduste erinevusi sümmeetria purustamisega. Kui sümmeetriat ei rikutaks, oleksid mõlemad vastasmõjud suurusjärgus võrreldavad. Sümmeetria katkestamine toob kaasa nõrga interaktsiooni järsu vähenemise. Võime öelda, et nõrk interaktsioon on nii väike, kuna W ja Z osakesed on väga massiivsed. Leptonid tulevad harva kokku nii lühikestel vahemaadel (r< 1 0 n см., где n = - 1 6). Но при больших энергиях (>1 0 0 GeV), kui W- ja Z-osakesi saab vabalt toota, toimub W- ja Z-bosonite vahetus sama lihtsalt kui footonite vahetus (massivabad osakesed). Footonite ja bosonite erinevus kustub Nendes tingimustes peaks elektromagnetilise ja nõrga vastastikmõju vahel olema täielik sümmeetria – elektronõrk vastastikmõju.

Uue teooria testimine seisnes hüpoteetiliste W- ja Z-osakeste olemasolu kinnitamises. Nende avastamine sai võimalikuks alles uusimat tüüpi väga suurte kiirendite loomisega. W- ja Z-osakeste avastamine 1983. aastal tähendas elektrinõrga interaktsiooni teooria võidukäiku. Neljast põhimõttelisest koostoimest polnud enam vaja rääkida. Neid on jäänud kolm.

2.4. Kvantkromodünaamika

Järgmine samm teel fundamentaalsete interaktsioonide suure ühendamise poole on tugeva interaktsiooni ühendamine elektrinõrga interaktsiooniga. Selleks on vaja anda mõõtevälja tunnused tugevale interaktsioonile ja tutvustada üldistatud ideed isotoopsümmeetriast. Tugevat interaktsiooni võib pidada gluoonide vahetuse tulemuseks, mis tagab kvarkide (paaris või kolmikutes) sidumise hadroniteks.

Idee on siin järgmine. Igal kvargil on elektrilaengu analoog, mis toimib gluoonvälja allikana. Seda kutsuti värviks (Loomulikult pole sellel nimel tavalise värviga midagi pistmist). Kui elektromagnetvälja tekitab ainult ühte tüüpi laeng, siis keerukama gluoonvälja loomiseks oli vaja kolme erinevat värvi laengut. Iga kvark on "värvitud" ühte kolmest võimalikust värvist, mida nimetati üsna meelevaldselt punaseks, roheliseks ja siniseks. Ja vastavalt antiikesemed on anti-punane, anti-roheline ja anti-sinine.

Järgmises etapis töötatakse välja tugeva interaktsiooni teooria sama skeemi järgi nagu nõrga interaktsiooni teooria. Kohaliku gabariidi sümmeetria nõue (st invariantsus värvimuutuste suhtes igas ruumipunktis) toob kaasa vajaduse kehtestada kompenseerivad jõuväljad. Kokku on vaja kaheksat uut kompenseerivat jõuvälja. Osakesed, mis neid välju kannavad, on gluoonid ja seega eeldab teooria, et gluuone peaks olema kuni kaheksa erinevat tüüpi. (Kusjuures on ainult üks elektromagnetilise interaktsiooni kandja (footon) ja kolm nõrga interaktsiooni kandjat.) Gluoonide puhkemass on null ja spinn 1. Gluoonidel on ka erinevad värvid, kuid mitte puhtad, vaid segatud (näiteks , sinine- anti-roheline). Seetõttu kaasneb gluooni emissiooni või neeldumisega kvargi värvuse muutumine (“värvide mäng”). Näiteks punane kvark, mis kaotab punase anti-sinise gluooni, muutub siniseks kvargiks ja roheline kvark, mis neelab sinist anti-rohelist glükooni, muutub siniseks kvargiks. Näiteks prootonis vahetavad kolm kvarki pidevalt gluoone, muutes nende värvi. Sellised muutused ei ole aga olemuselt meelevaldsed, vaid alluvad rangele reeglile: igal ajahetkel peab kolme kvargi “kogu” värv olema valge hele, s.t. summa "punane + roheline + sinine". See kehtib ka mesonite kohta, mis koosnevad kvark-antikvark paarist. Kuna antikvarkile on iseloomulik antivärv, on selline kombinatsioon ilmselgelt värvitu (“valge”), näiteks punane kvark koos antipunase kvargiga moodustab värvitu mesoni.

Kvantkromodünaamika (kvantvärviteooria) seisukohalt pole tugev interaktsioon midagi muud kui soov säilitada teatud abstraktne looduse sümmeetria: kõigi hadronite valge värvuse säilitamine, muutes samal ajal nende koostisosade värvi. Kvantkromodünaamika selgitab suurepäraselt reegleid, millele alluvad kõik kvarkide kombinatsioonid, gluoonide vastastikmõju (gluoon võib laguneda kaheks gluooniks või liita kaks gluooni üheks – seepärast ilmuvad gluoonivälja võrrandisse mittelineaarsed terminid), keerukat struktuuri. hadronist, mis koosneb kvarkide pilvedeks "riidetud" jne.

Võib olla ennatlik hinnata kvantkromodünaamikat tugeva interaktsiooni lõpliku ja täieliku teooriana, kuid selle saavutused on siiski paljulubavad.

Järeldus.

Paljude elementaarosakeste omaduste päritolu ja nende loomupärase interaktsiooni olemus jäävad suures osas ebaselgeks. Võib juhtuda, et enne elementaarosakeste teooria loomist on vaja rohkem kui ühte kõigi ideede ümberstruktureerimist ja palju sügavamat arusaamist mikroosakeste omaduste ja aegruumi geomeetriliste omaduste vahelisest seosest.

KIRJANDUS

Aleksejev V.P. Inimkonna kujunemine. M., 1984. Bohr N. Aatomifüüsika ja inimese tunnetus. M., 1961 Sündis M. Einsteini relatiivsusteooriana. M., 1964.

Dorfman Ya.G. Maailma füüsika ajalugu 19. sajandi algusest 20. sajandi keskpaigani. M., 1979.

Kempfer F. Tee kaasaegsesse füüsikasse. M., 1972.

Naydysh V.M. Kaasaegse loodusteaduse kontseptsioonid. Õpetus. M., 1999.

Bazhenov L.B. Loodusteaduste teooria struktuur ja funktsioonid. M., 1978.

Rosenthal I.L. Elementaarosakesed ja Universumi ehitus. M, 1984.

Ideel, et maailm koosneb põhiosakestest, on pikk ajalugu. Kreeka filosoof Demokritos väljendas 400 aastat eKr esimest korda ideed väikseimate nähtamatute osakeste olemasolust, mis moodustavad kõik ümbritsevad objektid. Ta nimetas neid osakesi aatomiteks, see tähendab jagamatuteks osakesteks. Teadus hakkas aatomite ideed kasutama alles 19. sajandi alguses, kui selle põhjal oli võimalik selgitada mitmeid keemilisi nähtusi. 19. sajandi 30. aastatel ilmus M. Faraday välja töötatud elektrolüüsi teoorias iooni mõiste ja mõõdeti elementaarlaeng. Kuid umbes 19. sajandi keskpaigast hakkasid ilmnema eksperimentaalsed faktid, mis seadsid kahtluse alla aatomite jagamatuse idee. Nende katsete tulemused näitasid, et aatomitel on keeruline struktuur ja need sisaldavad elektriliselt laetud osakesi. Seda kinnitas prantsuse füüsik Henri Becquerel, kes avastas radioaktiivsuse fenomeni 1896. aastal.

Sellele järgnes esimese elementaarosakese avastamine inglise füüsiku Thomsoni poolt 1897. aastal. See oli elektron, mis lõpuks omandas reaalse füüsilise objekti staatuse ja sai esimeseks teadaolevaks elementaarosakeseks inimkonna ajaloos. Selle mass on ligikaudu 2000 korda väiksem kui vesinikuaatomi mass ja on võrdne:

m = 9,11*10^(-31) kg.

Elektroni negatiivset elektrilaengut nimetatakse elementaarseks ja see on võrdne:

e = 0,60*10^(-19) Cl.

Aatomispektrite analüüs näitab, et elektroni spinn on võrdne 1/2-ga ja selle magnetmoment on võrdne ühe Bohri magnetoniga. Elektronid järgivad Fermi statistikat, kuna neil on pooltäisarvu spin. See on kooskõlas eksperimentaalsete andmetega aatomite struktuuri ja elektronide käitumise kohta metallides. Elektronid osalevad elektromagnetilistes, nõrkades ja gravitatsioonilistes vastasmõjudes.

Teine avastatud elementaarosake oli prooton (kreeka keelest protos – esimene). Selle elementaarosakese avastas 1919. aastal Rutherford, uurides erinevate keemiliste elementide aatomituumade lõhustumisprodukte. Sõna otseses mõttes on prooton vesiniku kergeima isotoobi - protiumi - aatomi tuum. Prootoni spin on 1/2. Prootonil on positiivne elementaarlaeng +e. Selle mass on:

m = 1,67*10^(-27) kg.

ehk ligikaudu 1836 elektroni massi. Prootonid on osa kõigi keemiliste elementide aatomite tuumadest. Pärast seda, 1911. aastal, pakkus Rutherford välja aatomi planeedimudeli, mis aitas teadlastel aatomite koostise edasisel uurimisel.

1932. aastal avastas J. Chadwick kolmanda elementaarosakese, neutroni (ladina neutraalsest – ei üks ega teine), millel puudub elektrilaeng ja mille mass on ligikaudu 1839 korda suurem elektroni massist. Neutronite spinn on samuti 1/2.

Järeldus elektromagnetvälja osakese – footoni – olemasolu kohta pärineb M. Plancki (1900) tööst. Eeldusel, et absoluutselt musta keha elektromagnetkiirguse energia on kvantiseeritud (st koosneb kvantidest), sai Planck kiirgusspektri õige valemi. 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 aastatel 1912 - 1915 ja A. Compton 1922. aastal.

Neutriino – ainega peaaegu mittemõjuva osakese – avastamine pärineb W. Pauli teoreetilisest oletusest 1930. aastal, mis tänu sellise osakese sünni eeldusele võimaldas kõrvaldada raskused jäävusseadusega. energiast radioaktiivsete tuumade beeta-lagunemisprotsessides. Neutriinode olemasolu kinnitasid eksperimentaalselt alles 1953. aastal F. Reines ja K. Cowan.

Kuid aine koosneb enamast kui lihtsalt osakestest. On ka antiosakesi - elementaarosakesi, millel on sama mass, spinn, eluiga ja mõned muud sisemised omadused nagu nende "kaksikutel" - osakesed, kuid erinevad osakestest elektrilaengu ja magnetmomendi tunnuste, barüonilaengu, leptonilaengu, veidruste poolest. jne. Kõikidel elementaarosakestel, välja arvatud absoluutselt neutraalsetel, on oma antiosakesed.

Esimene avastatud antiosake oli positron (ladina sõnast positivus – positiivne) – elektroni massiga, kuid positiivse elektrilaenguga osake. Selle antiosakese avastas kosmilistes kiirtes Ameerika füüsik Carl David Anderson 1932. aastal. Huvitaval kombel ennustas positroni olemasolu teoreetiliselt ligi aasta enne eksperimentaalset avastust inglise füüsik Paul Dirac. Veelgi enam, Dirac ennustas nn annihilatsiooni (kadumise) protsesse ja elektron-positroni paari sündi. Paari enda hävitamine on üks elementaarosakeste teisenemise tüüpe, mis toimuvad osakese põrkumisel antiosakesega. Annihilatsiooni käigus osake ja antiosake kaovad, muutudes teisteks osakesteks, mille hulka ja tüüpi piiravad säilivusseadused. Annihilatsiooni vastupidine protsess on paari sünd. Positron ise on stabiilne, kuid aines eksisteerib väga lühikest aega elektronidega annihilatsiooni tõttu. Elektroni ja positroni annihilatsioon seisneb selles, et kui nad kohtuvad, kaovad nad, muutudes ümber γ- kvantid (footonid). Ja kokkupõrkes γ- Kui mis tahes massiivse tuumaga tekib kvant, sünnib elektron-positroni paar.

1955. aastal avastati veel üks antiosake – antiprooton ja veidi hiljem – antineutron. Antineutronil, nagu ka neutronil, puudub elektrilaeng, kuid see kuulub kahtlemata antiosakeste hulka, kuna osaleb annihilatsiooniprotsessis ja neutron-antineutron paari sünnis.

Antiosakeste saamise võimalus viis teadlased antiaine loomise ideeni. Antiaine aatomid tuleks üles ehitada nii: aatomi keskmes on negatiivselt laetud tuum, mis koosneb antiprootonitest ja antineutronitest ning ümber tuuma tiirlevad positiivse laenguga positronid. Üldiselt osutub aatom samuti neutraalseks. See idee sai hiilgava eksperimentaalse kinnituse. 1969. aastal leidsid Nõukogude füüsikud Serpuhhovi linnas prootonikiirendis antiheeliumi aatomite tuumad. Ka 2002. aastal toodeti CERNi kiirendis Genfis 50 000 antivesiniku aatomit. Kuid vaatamata sellele pole antiaine kogunemist universumis veel avastatud. Samuti saab selgeks, et antiaine vähimalgi interaktsioonil mis tahes ainega toimub nende annihilatsioon, millega kaasneb tohutu energia vabanemine, mis on mitu korda suurem kui aatomituumade energia, mis on inimestele ja keskkonnale äärmiselt ohtlik. .

Praeguseks on eksperimentaalselt avastatud peaaegu kõigi teadaolevate elementaarosakeste antiosakesed.

Suurt rolli elementaarosakeste füüsikas mängivad säilivusseadused, mis kehtestavad võrdsuse teatud suuruste kombinatsioonide vahel, mis iseloomustavad süsteemi alg- ja lõppseisundit. Jäävusseaduste arsenal on kvantfüüsikas suurem kui klassikalises füüsikas. Seda täiendati erinevate pariteetide (ruumiline, laeng), laengute (leptooniline, barüon jne), ühele või teisele interaktsioonitüübile iseloomulike sisesümmeetriate säilivusseadustega.

Üksikute subatomaarsete osakeste omaduste eraldamine on oluline, kuid alles nende maailma mõistmise esialgne etapp. Järgmises etapis peame ikkagi aru saama, mis on iga üksiku osakese roll, millised on tema funktsioonid aine struktuuris.

Füüsikud on leidnud, et ennekõike määrab osakese omadused tema võime (või suutmatus) osaleda tugevas vastasmõjus. Tugevas interaktsioonis osalevad osakesed moodustavad eriklassi ja neid nimetatakse hadroniteks. Osakesi, mis osalevad nõrgas interaktsioonis ja ei osale tugevas interaktsioonis, nimetatakse leptoniteks. Lisaks on osakesed, mis kannavad vastastikmõju.

Leptonid.

Leptoneid peetakse tõeliselt elementaarseteks osakesteks. Kuigi leptonitel võib olla või mitte olla elektrilaeng, on nende kõigi pöörlemissagedus 1/2. Leptonitest on kõige kuulsam elektron. Elektron on avastatud elementaarosakestest esimene. Nagu kõik teised leptonid, näib elektron olevat elementaarne (selle sõna õiges tähenduses) objekt. Teadaolevalt ei koosne elektron teistest osakestest.

Teine tuntud lepton on neutriino. Neutriinod on kõige levinumad osakesed kogu universumis. Universumit võib ette kujutada piiritu neutriinomerena, milles aeg-ajalt leidub aatomite kujul saari. Kuid hoolimata neutriinode sellisest levimusest on neid väga raske uurida. Nagu me juba märkisime, on neutriinod peaaegu tabamatud. Osalemata tugevas või elektromagnetilises vastasmõjus, tungivad nad läbi mateeria, nagu poleks seda üldse olemas. Neutriinod on mingid "füüsilise maailma kummitused".

Muuonid on looduses üsna laialt levinud, moodustades olulise osa kosmilisest kiirgusest. Paljuski meenutab müüon elektroni: sellel on sama laeng ja spin, ta osaleb neis vastasmõjudes, kuid sellel on suur mass (umbes 207 elektroni massi) ja see on ebastabiilne. Umbes kahe miljondiku sekundiga laguneb müüon elektroniks ja kaheks neutriinoks. 1970. aastate lõpus avastati kolmas laetud lepton, mida nimetatakse tau leptoniks. See on väga raske osake. Selle mass on umbes 3500 elektroni massi. Kuid kõigis muudes aspektides käitub see nagu elektron ja müüon.

60ndatel laienes leptonite nimekiri oluliselt. Leiti, et neutriinosid on mitut tüüpi: elektronneutriinod, muuonneutriinod ja tau-neutriinod. Seega on neutriinosorte kokku kolm ja leptoneid kokku kuus. Loomulikult on igal leptonil oma antiosake; seega on erinevate leptonite koguarv kaksteist. Neutraalsed leptonid osalevad ainult nõrkades interaktsioonides; laetud - nõrkades ja elektromagnetilistes. Kõik leptonid osalevad gravitatsioonilistes vastasmõjudes, kuid ei ole võimelised tugevaks.

Hadronid.

Kui leptoneid on veidi üle tosina, siis hadroneid on sadu. Selline hadronite rohkus viitab sellele, et hadronid ei ole elementaarosakesed, vaid on ehitatud väiksematest osakestest. Kõiki hadroneid leidub kahte tüüpi – elektriliselt laetud ja neutraalsed. Hadronitest on tuntumad ja levinumad neutron ja prooton, mis omakorda kuuluvad nukleonide klassi. Ülejäänud hadronid on lühiealised ja lagunevad kiiresti. Hadronid osalevad kõigis fundamentaalsetes interaktsioonides. Need jagunevad barüoniteks ja mesoniteks. Barüonite hulka kuuluvad nukleonid ja hüperonid.

Nukleonide vastastikmõju tuumajõudude olemasolu selgitamiseks nõudis kvantteooria spetsiaalsete elementaarosakeste olemasolu, mille mass on suurem kui elektroni mass, kuid väiksem kui prootoni mass. Neid osakesi, mida kvantteooria ennustas, nimetati hiljem mesoniteks. Mesonid avastati eksperimentaalselt. Selgus, et neid on terve pere. Kõik need osutusid lühiajalisteks ebastabiilseteks osakesteks, mis elasid vabas olekus sekundi miljardikuid. Näiteks laetud pi-mesoni või pioni puhkemass on 273 elektroni massi ja eluiga:

t = 2,6*10^(-8) s.

Lisaks avastati laetud osakeste kiirenditega tehtud uuringute käigus osakesed, mille mass ületas prootoni massi. Neid osakesi nimetati hüperoniteks. Neid avastati isegi rohkem kui mesoneid. Hüperoonide perekonda kuuluvad: lambda-, sigma-, xi- ja oomega-miinus hüperonid.

Enamiku tuntud hadronite olemasolu ja omadused tehti kindlaks kiirendikatsetes. Paljude erinevate hadronite avastamine 50-60ndatel tekitas füüsikutele suurt hämmingut. Kuid aja jooksul klassifitseeriti hadronid massi, laengu ja pöörlemise järgi. Tasapisi hakkas enam-vähem selge pilt tekkima. Tekkisid konkreetsed ideed, kuidas süstematiseerida empiiriliste andmete kaost ja paljastada hadronite mõistatus teadusteoorias. Otsustav samm siin tehti 1963. aastal, mil pakuti välja kvarkide teooria.

Kvarkide teooria.

Kvarkide teooria on hadronite ehituse teooria. Selle teooria põhiidee on väga lihtne. Kõik hadronid on valmistatud väiksematest osakestest, mida nimetatakse kvarkideks. See tähendab, et kvargid on rohkem elementaarosakesed kui hadronid. Kvargid on hüpoteetilised osakesed, sest vabas riigis ei täheldatud. Kvarkide barüonlaeng on 1/3. Nad kannavad murdosa elektrilaengut: neil on laeng, mille väärtus on kas -1/3 või +2/3 põhiühikust – elektroni laengust. Kahe ja kolme kvargi kombinatsiooni kogulaeng võib olla null või üks. Kõikidel kvarkidel on spin S, seega klassifitseeritakse nad fermioonideks. Kvarkide teooria rajajad Gell-Mann ja Zweig, et võtta arvesse kõiki 60ndatel tuntud hadroneid, tutvustasid kolme tüüpi (värvi) kvarke: u (ülevalt - ülemine), d (alla - madalam) ja s (veidrast - imelik) .

Kvargid võivad omavahel kombineerida kahel võimalikul viisil: kas kolmikutena või kvarkide-antikvarkide paaridena. Suhteliselt rasked osakesed – barüonid – koosnevad kolmest kvargist. Tuntumad barüonid on neutron ja prooton. Kergemad kvark-antikvark paarid moodustavad osakesi, mida nimetatakse mesoniteks - "vaheosakesed". Näiteks prooton koosneb kahest u-kvargist ja ühest d-kvargist (uud) ning neutron kahest d-kvargist ja ühest u-kvargist (udd). Selleks, et see kvarkide “kolmik” ei laguneks, on vaja hoidejõudu, teatud “liimi”.

Selgub, et neutronite ja prootonite vaheline interaktsioon tuumas on lihtsalt kvarkide endi vahelise võimsama interaktsiooni jääkefekt. See selgitas, miks tugevad vastasmõjud tunduvad nii keerulised. Kui prooton "kleepub" neutroni või mõne teise prootoni külge, hõlmab interaktsioon kuut kvarki, millest igaüks interakteerub kõigi teistega. Märkimisväärne osa jõust kulub kvarkide kolmiku tugevale liimimisele ja väike osa kahe kvargitrio üksteise külge kinnitamisele. Kuid hiljem selgus, et kvargid osalevad ka nõrkades interaktsioonides. Nõrk interaktsioon võib muuta kvargi värvi. Nii toimub neutronite lagunemine. Üks neutronis leiduv d-kvark muutub u-kvargiks ja liigne laeng kannab samal ajal sündinud elektroni minema. Samamoodi põhjustab maitset muutes nõrk koostoime teiste hadronite lagunemise.

Asjaolu, et kõiki teadaolevaid hadroneid oli võimalik saada kolme põhiosakese erinevatest kombinatsioonidest, oli kvarkide teooria võidukäik. Kuid 70ndatel avastati uued hadronid (psi osakesed, upsiloni meson jne). See andis löögi kvarkide teooria esimesele versioonile, kuna selles ei olnud enam ruumi ühelegi uuele osakesele. Kõik võimalikud kvarkide ja nende antikvarkide kombinatsioonid on juba ammendatud.

Probleem lahendati kolme uue värvi kasutuselevõtuga. Neid nimetati c - kvark (võlu), b - kvark (alt - alt ja sagedamini ilu - ilu või võlu) ning seejärel võeti kasutusele veel üks värv - t (ülevalt - ülevalt).

Seni pole kvarke ja antikvarke vabal kujul täheldatud. Nende olemasolu reaalsuses pole aga praktiliselt mingit kahtlust. Lisaks otsitakse kvarkidele järgnevaid “päris” elementaarosakesi – gluuone, mis on kvarkide vaheliste interaktsioonide kandjad, sest Kvarke hoiab koos tugev vastastikmõju ja gluoonid (värvilaengud) on tugeva interaktsiooni kandjad. Kvarkide ja gluoonide vastasmõju uurivat osakestefüüsika valdkonda nimetatakse kvantkromodünaamikaks. Nii nagu kvantelektrodünaamika on elektromagnetilise interaktsiooni teooria, on kvantkromodünaamika tugeva interaktsiooni teooria. Kvantkromodünaamika on kvarkide ja gluoonide tugeva interaktsiooni kvantväljateooria, mis toimub nende - gluoonide (kvantelektrodünaamika footonite analoogid) vahelise vahetuse kaudu. Erinevalt footonitest interakteeruvad gluoonid üksteisega, mis põhjustab eelkõige kvarkide ja gluoonide vastastikmõju tugevuse suurenemist, kui nad üksteisest eemalduvad. Eeldatakse, et just see omadus määrab tuumajõudude lühimaategevuse ning vabade kvarkide ja gluoonide puudumise looduses.

Kaasaegsete kontseptsioonide kohaselt on hadronitel keeruline sisemine struktuur: barüonid koosnevad 3 kvargist, mesonid - kvargist ja antikvargist.

Kuigi kvarkide skeemi osas valitseb mõningane rahulolematus, peab enamik füüsikuid kvarke tõeliselt elementaarseteks osakesteks – punkt-sarnasteks, jagamatuteks ja sisemise struktuurita. Selles suhtes meenutavad nad leptoneid ja pikka aega on eeldatud, et nende kahe erineva, kuid struktuurilt sarnase perekonna vahel peab olema sügav seos.

Seega on tõenäolisem tõeliselt elementaarosakeste arv (arvestamata fundamentaalsete vastastikmõjude kandjaid) 20. sajandi lõpus 48. Nendest: leptonid (6x2) = 12 ja kvargid (6x3)x2 = 36.