Mõiste "elementaarosake" selge määratlus puudub; tavaliselt on näidatud ainult teatud füüsikaliste suuruste väärtuste kogum, mis iseloomustab neid osakesi ja nende mõningaid väga olulisi eristavaid omadusi. Elementaarosakestel on:
1) elektrilaeng
2) sisemine nurkimpulss ehk spin
3) magnetmoment
4) oma mass - "puhkemass"
Tulevikus võidakse avastada ka teisi osakesi iseloomustavaid suurusi, mistõttu seda elementaarosakeste põhiomaduste loetelu ei tohiks lugeda täielikuks.
Siiski ei ole kõigil elementaarosakestel (nende loetelu on toodud allpool) kõiki ülaltoodud omadusi. Mõnel neist on ainult elektrilaeng ja -mass, kuid mitte spin (laetud pionid ja kaoonid). teistel osakestel on mass, spinn ja magnetmoment, kuid neil puudub elektrilaeng (neutron, lambda-hüperon); teistel on ainult mass (neutraalsed pionid ja kaoonid) või ainult spin (footonid, neutriinod). Elementaarosakestel peab olema vähemalt üks ülaltoodud omadustest. Pange tähele, et kõige olulisemaid aineosakesi - jookse ja elektrone - iseloomustab nende omaduste täielik komplekt. Tuleb rõhutada: elektrilaeng ja spinn on aineosakeste põhiomadused, st nende arvväärtused jäävad kõikides tingimustes konstantseks.
OSAKESED JA ANTIOSAKESED
Igal elementaarosakel on oma vastand - "antiosake". Osakese ja antiosakese mass, spinn ja magnetmoment on samad, kuid kui osakesel on elektrilaeng, siis tema antiosakesel on laeng vastupidise märgiga. Prootonil, positronil ja antineutronil on samad magnetmomendid ja spinnid, samas kui elektronil, neutronil ja antiprootonil on vastupidine orientatsioon.
Osakese interaktsioon selle antiosakesega erineb oluliselt vastastikmõjust teiste osakestega. See erinevus väljendub selles, et osake ja selle antiosake on võimelised annihilatsiooniks, st protsessiks, mille tulemusena nad kaovad ja nende asemele ilmuvad teised osakesed. Nii tekivad näiteks elektroni ja positroni annihilatsiooni tulemusena footonid, prootonid ja antiprootonid-pioonid jne.
ELUAEG
Stabiilsus ei ole elementaarosakeste kohustuslik omadus. Stabiilsed on ainult elektronid, prootonid, neutriinod ja nende antiosakesed, aga ka footonid. Ülejäänud osakesed muudetakse stabiilseteks kas otse, nagu juhtub näiteks neutroniga, või järjestikuste teisenduste ahela kaudu; Näiteks ebastabiilne negatiivne pioon muutub esmalt müüoniks ja neutriinoks ning seejärel muutub müüon elektroniks ja teiseks neutriinoks:
Sümbolid tähistavad "muon" neutriinosid ja antineutriinosid, mis erinevad "elektroonilistest" neutriinodest ja antineutriinodest.
Osakeste ebastabiilsust hinnatakse nende eksisteerimise aja järgi "sünni" kuni lagunemise hetkeni; mõlemad need ajahetked on mõõteseadmetes tähistatud osakeste jälgedega. Kui antud “tüüpi” osakesi on palju vaadeldakse, siis arvutatakse välja kas “keskmine eluiga” või lagunemise poolestusaeg. Oletame, et mingil ajahetkel on lagunevate osakeste arv võrdne. ja sel hetkel muutub see arv võrdseks, eeldades, et osakeste lagunemine järgib tõenäosusseadust
saate arvutada keskmise eluea (mille jooksul osakeste arv väheneb teguri võrra) ja poolestusaja
(mille jooksul see arv poole võrra väheneb).
Huvitav on märkida, et:
1) kõik laenguta osakesed, välja arvatud neutriinod ja footonid, on ebastabiilsed (neutriinod ja footonid paistavad teiste elementaarosakeste seas silma selle poolest, et neil puudub oma puhkemass);
2) laetud osakestest on stabiilsed ainult elektron ja prooton (ja nende antiosakesed).
Siin on nimekiri olulisematest osakestest (nende arv kasvab praegu), märkides ära tähistused ja peamised
omadused; elektrilaeng on tavaliselt näidatud elementaarühikutes mass - elektronmassi ühikutes spin - ühikutes
(vaata skannimist)
OSAKESTE KLASSIFIKATSIOON
Elementaarosakeste uurimine on näidanud, et nende rühmitamine põhiomaduste (laeng, mass, pöörlemine) väärtuste järgi on ebapiisav. Selgus, et need osakesed tuleb jagada oluliselt erinevateks "perekondadeks":
1) footonid, 2) leptonid, 3) mesonid, 4) barüonid
ja tutvustada osakeste uusi omadusi, mis näitaksid, et antud osake kuulub ühte neist perekondadest. Neid omadusi nimetatakse tavapäraselt "tasudeks" või "numbriteks". Tasusid on kolme tüüpi:
1) lepton-elektron laeng;
2) lepton-müüonlaeng
3) barüonlaeng
Nendele laengutele antakse arvväärtused: ja -1 (osakestel on plussmärk, antiosakestel miinusmärk; footonitel ja mesonitel on null laeng).
Elementaarosakesed järgivad kahte järgmist reeglit:
iga elementaarosake kuulub ainult ühte perekonda ja seda iseloomustab ainult üks ülaltoodud laengutest (arvudest).
Näiteks:
Üks elementaarosakeste perekond võib aga sisaldada mitmeid erinevaid osakesi; näiteks barüonite rühma kuuluvad prooton, neutron ja suur hulk hüperoneid. Tutvustame elementaarosakeste jagunemist perekondadeks:
"elektroonilised" leptonid: nende hulka kuuluvad elektronpositron-elektronneutriino ja elektron-antineutriino
"muoonilised" leptonid: nende hulka kuuluvad negatiivse ja positiivse elektrilaenguga müüonid ning müonneutriinod ja antineutriinod. Nende hulka kuuluvad prootonid, neutronid, hüperonid ja kõik nende antiosakesed.
Elektrilaengu olemasolu või puudumine ei ole seotud kuulumisega ühtegi loetletud perekonda. On märgata, et kõigil osakestel, mille spinn on 1/2, on tingimata üks ülaltoodud laengutest. Footonitel (mille spinn võrdub ühtsusega), mesonitel – pionitel ja kaoonidel (mille spinn võrdub nulliga) pole ei leptoon- ega barüonlaenguid.
Kõigis füüsikalistes nähtustes, milles osalevad elementaarosakesed - lagunemisprotsessides; sünd, hävitamine ja vastastikused muutused, järgitakse teist reeglit:
Iga laengutüübi eraldi arvude algebralisi summasid hoitakse alati konstantsena.
See reegel on samaväärne kolme looduskaitseseadusega:
Need seadused tähendavad ka seda, et erinevatesse perekondadesse kuuluvate osakeste vastastikused transformatsioonid on keelatud.
Mõnede osakeste – kaoonide ja hüperoonide – puhul osutus vajalikuks täiendavalt kasutusele võtta veel üks tunnus, mida nimetatakse kummalisuseks ja mida tähistatakse kaonidega, on lambda ja sigma hüperonid – xi-hüperoonid – (osakeste puhul ülemine, antiosakeste puhul alumine märk). Protsessides, milles täheldatakse kummaliste osakeste ilmumist (sündi), järgitakse järgmist reeglit:
Kummalise jäävuse seadus. See tähendab, et ühe kummalise osakese ilmumisega peab tingimata kaasnema ühe või mitme kummalise antiosakese ilmumine, nii et enne ja pärast olevate arvude algebraline summa
sünniprotsess jäi konstantseks. Samuti märgitakse, et kummaliste osakeste lagunemisel ei järgita kummalisuse jäävuse seadust, st see seadus toimib ainult kummaliste osakeste sünniprotsessides. Seega on kummaliste osakeste tekke- ja lagunemisprotsessid pöördumatud. Näiteks lambda-hüperon (veidrus võrdub lagunemisega prootoniks ja negatiivseks piooniks:
Selles reaktsioonis ei järgita kummalisuse jäävuse seadust, kuna pärast reaktsiooni saadud prootoni ja pioni kummalisus on võrdne nulliga. Kuid pöördreaktsioonis, kui negatiivne pion põrkab kokku prootoniga, ei ilmu üksainus lambda-hüperon; reaktsioon kulgeb kahe vastupidise märgiga veidrustega osakese moodustumisega:
Järelikult järgitakse lambda-hüperoni loomise reaktsioonis kummalisuse jäävuse seadust: enne ja pärast reaktsiooni on “veidrate” arvude algebraline summa võrdne nulliga. On teada ainult üks lagunemisreaktsioon, milles täheldatakse kummaliste arvude summa püsivust - see on neutraalse sigma-hüperoni lagunemine lambda-hüperoniks ja footoniks:
Veel üks kummaliste osakeste tunnus on sünniprotsesside kestuse (suurusjärgus ) ja keskmise eksisteerimisaja (umbes ) järsk erinevus; teiste (mitteveidrate) osakeste puhul on need ajad samas suurusjärgus.
Pange tähele, et leptoni- ja barüoniarvude või -laengute juurutamise vajadus ning ülaltoodud säilivusseaduste olemasolu sunnivad eeldama, et need laengud väljendavad kvalitatiivset erinevust erinevat tüüpi osakeste, aga ka osakeste ja antiosakeste vahel. Asjaolu, et osakestele ja antiosakestele tuleb omistada vastupidise märgiga laengud, viitab nendevahelise vastastikuse teisenduse võimatusele.
Edasine tungimine mikromaailma sügavustesse on seotud üleminekuga aatomite tasemelt elementaarosakeste tasemele. Esimese elementaarosakesena 19. sajandi lõpus. elektron avastati ja seejärel 20. sajandi esimestel kümnenditel. – footon, prooton, positron ja neutron.
Pärast Teist maailmasõda, tänu kaasaegse eksperimentaaltehnoloogia ja eelkõige võimsate kiirendite kasutamisele, kus luuakse suure energia ja tohutu kiirusega tingimused, tuvastati suur hulk elementaarosakesi – üle 300. Nende hulgas. on nii eksperimentaalselt avastatud kui ka teoreetiliselt arvutatud, sealhulgas resonantse, kvarke ja virtuaalseid osakesi.
Tähtaeg elementaarosake algselt tähendas see lihtsamaid, edasi lagunematuid osakesi, mis on mis tahes materjalimoodustiste aluseks. Hiljem mõistsid füüsikud mikroobjektide suhtes mõiste "elementaarne" kogu kokkuleppe. Nüüd pole kahtlust, et osakestel on üks või teine struktuur, kuid sellegipoolest on ajalooliselt väljakujunenud nimi jätkuvalt olemas.
Elementaarosakeste peamised omadused on mass, laeng, keskmine eluiga, spinn ja kvantarvud.
Puhkemass elementaarosakesed määratakse elektroni puhkemassi suhtes. On elementaarosakesi, millel ei ole puhkemassi. footonid. Ülejäänud osakesed vastavalt sellele kriteeriumile jagunevad leptonid– kerged osakesed (elektron ja neutriino); mesonid– keskmise suurusega osakesed massiga ühest kuni tuhande elektroni massini; barüonid– rasked osakesed, mille mass ületab tuhande elektroni massi ja kuhu kuuluvad prootonid, neutronid, hüperonid ja palju resonantse.
Elektrilaeng on elementaarosakeste teine oluline omadus. Kõigil teadaolevatel osakestel on positiivne, negatiivne või null laeng. Iga osake, välja arvatud footon ja kaks mesonit, vastavad vastandliku laenguga antiosakestele. Umbes 1963–1964 olemasolu kohta püstitati hüpotees kvargid– murdosa elektrilaenguga osakesed. Seda hüpoteesi pole veel eksperimentaalselt kinnitatud.
Eluaja järgi osakesed jagunevad stabiilne Ja ebastabiilne . Stabiilseid osakesi on viis: footon, kahte tüüpi neutriinod, elektron ja prooton. Just stabiilsed osakesed mängivad makrokehade struktuuris kõige olulisemat rolli. Kõik ülejäänud osakesed on ebastabiilsed, eksisteerivad umbes 10 -10 -10 -24 s, pärast mida nad lagunevad. Elementaarosakesi, mille keskmine eluiga on 10–23–10–22 s, nimetatakse resonantse. Lühikese eluea tõttu lagunevad nad isegi enne aatomist või aatomituumast lahkumist. Resonantsseisundid arvutati välja teoreetiliselt, neid ei olnud võimalik reaalsetes katsetes tuvastada.
Lisaks laengule, massile ja elueale kirjeldavad elementaarosakesi ka mõisted, millel pole klassikalises füüsikas analooge: mõiste tagasi . Spin on osakese sisemine nurkimment, mis ei ole seotud selle liikumisega. Spinile on iseloomulik spin-kvantarv s, mis võib võtta täisarvu (±1) või pooltäisarvu (±1/2). Täisarvulise spinniga osakesed – bosonid, pooltäisarvuga – fermionid. Elektronid liigitatakse fermioonideks. Pauli põhimõtte kohaselt ei saa aatomil olla rohkem kui üks sama kvantarvude komplektiga elektron n,m,l,s. Elektronid, mis vastavad sama arvuga n lainefunktsioonidele, on energialt väga lähedased ja moodustavad aatomis elektronkihi. Arvu l erinevused määravad "alamkesta", ülejäänud kvantarvud määravad selle täitmise, nagu eespool mainitud.
Elementaarosakeste omadustes on veel üks oluline idee interaktsioonid. Nagu varem märgitud, on elementaarosakeste vahel teada nelja tüüpi interaktsioone: gravitatsiooniline,nõrk,elektromagnetiline Ja tugev(tuuma).
Kõik osakesed, millel on puhkemass ( m 0), osalevad gravitatsioonilises interaktsioonis ja laetud inimesed osalevad ka elektromagnetilises interaktsioonis. Leptonid osalevad ka nõrkades interaktsioonides. Hadronid osalevad kõigis neljas põhilises interaktsioonis.
Kvantvälja teooria kohaselt toimuvad kõik interaktsioonid vahetuse tõttu virtuaalsed osakesed st osakesed, mille olemasolu saab hinnata ainult kaudselt, nende mõne avaldumise järgi mõne sekundaarse mõju kaudu ( tõelised osakesed saab instrumentide abil otse salvestada).
Selgub, et kõigil neljal teadaoleval interaktsioonitüübil – gravitatsioonilisel, elektromagnetilisel, tugeval ja nõrgal – on gabariidi iseloom ja neid kirjeldavad gabariidi sümmeetriad. See tähendab, et kõik interaktsioonid on justkui tehtud "samast tühjast". See annab lootust, et on võimalik leida “ainuke võti kõikidele teadaolevatele lukkude juurde” ja kirjeldada Universumi arengut ühest supersümmeetrilisest superväljast kujutatud olekust, seisundist, kus interaktsioonitüüpide erinevused, kõikvõimalike aineosakeste ja väljakvantide vahel pole veel tekkinud.
Elementaarosakeste klassifitseerimiseks on tohutult palju võimalusi. Näiteks jagunevad osakesed fermionideks (Fermi osakesed) - aineosakesed ja bosoniteks (Bose osakesed) - väljakvantideks.
Teise lähenemise järgi jaotatakse osakesed 4 klassi: footonid, leptonid, mesonid, barüonid.
Footonid (elektromagnetvälja kvantid) osalevad elektromagnetilistes vastasmõjudes, kuid neil ei ole tugevat, nõrka ega gravitatsioonilist vastasmõju.
Leptonid said oma nime kreekakeelsest sõnast leptos- lihtne. Nende hulka kuuluvad osakesed, millel puudub tugev vastastikmõju: müüonid (μ – , μ +), elektronid (е – , у +), elektronneutriinod (v e – ,v e +) ja müüonneutriinod (v – m, v + m). Kõigi leptonite spinn on ½ ja seetõttu on nad fermioonid. Kõigil leptonitel on nõrk interaktsioon. Neil, millel on elektrilaeng (see tähendab müüonid ja elektronid), on ka elektromagnetiline jõud.
Mesonid – tugevalt interakteeruvad ebastabiilsed osakesed, mis ei kanna nn barüoni laengut. Nende hulgas on R-mesonid ehk pionid (π + , π – , π 0), TO-mesonid ehk kaonid (K +, K –, K 0) ja see-mesonid (η) . Kaal TO-mesons on ~970me (494 MeV laetud ja 498 MeV neutraalne TO-mesonid). Eluaeg TO-mesonite suurusjärk on 10–8 s. Need lagunevad ja moodustuvad I-mesonid ja leptonid või ainult leptonid. Kaal see-mesonite võimsus on 549 MeV (1074 me), eluiga on umbes 10–19 s. See-mesonid lagunevad, moodustades π-mesoneid ja γ-footoneid. Erinevalt leptonitest ei ole mesonitel mitte ainult nõrk (ja kui need on laetud, siis elektromagnetiline) vastastikmõju, vaid ka tugev vastastikmõju, mis avaldub nende omavahelisel interaktsioonil, samuti mesonite ja barüonide vastasmõjul. Kõigil mesonitel on null spin, seega on nad bosonid.
Klass barüonid ühendab nukleonid (p,n) ja ebastabiilsed osakesed, mille mass on suurem kui nukleonide mass, mida nimetatakse hüperoniteks. Kõigil barüonitel on tugev interaktsioon ja seetõttu suhtlevad nad aktiivselt aatomituumadega. Kõigi barüonide pöörlemine on ½, seega on barüonid fermionid. Kõik barüonid, välja arvatud prooton, on ebastabiilsed. Barüonide lagunemise käigus koos teiste osakestega tekib paratamatult barüon. See muster on üks ilmingutest barüoni laengu kaitseseadus.
Lisaks ülalloetletud osakestele on avastatud suur hulk tugevalt interakteeruvaid lühiealisi osakesi, mida nimetatakse nn. resonantse . Need osakesed on resonantsolekud, mille moodustavad kaks või enam elementaarosakest. Resonantsi eluiga on ainult ~ 10 –23 –10 –22 s.
Elementaarosakesi ja ka keerulisi mikroosakesi saab jälgida tänu jälgedele, mis nad jätavad ainet läbides. Jälgede olemus võimaldab hinnata osakese laengu märki, energiat, impulssi jne. Laetud osakesed põhjustavad molekulide ionisatsiooni oma teel. Neutraalsed osakesed ei jäta jälgi, kuid võivad end paljastada laetud osakesteks lagunemise hetkel või mis tahes tuumaga kokkupõrke hetkel. Järelikult tuvastatakse neutraalsed osakesed lõpuks ka nende tekitatud laetud osakeste põhjustatud ionisatsiooni abil.
Osakesed ja antiosakesed. Inglise füüsikul P. Diracil õnnestus 1928. aastal leida elektroni jaoks relativistlik kvantmehaaniline võrrand, millest tulenevad mitmed tähelepanuväärsed tagajärjed. Esiteks saadakse sellest võrrandist loomulikult, ilma täiendavate eeldusteta elektroni enda magnetmomendi spin ja arvväärtus. Nii selgus, et spin on nii kvant- kui ka relativistlik suurus. Kuid see ei ammenda Diraci võrrandi olulisust. Samuti võimaldas see ennustada elektroni antiosakese olemasolu – positron. Diraci võrrandist saadakse vaba elektroni koguenergia jaoks mitte ainult positiivsed, vaid ka negatiivsed väärtused. Võrrandi uuringud näitavad, et antud osakese impulsi jaoks on energiatele vastavad võrrandi lahendid: .
Suurima negatiivse energia vahel (- m e Koos 2) ja kõige vähem positiivset energiat (+ m e c 2) on energiaväärtuste intervall, mida ei saa realiseerida. Selle intervalli laius on 2 m e Koos 2. Järelikult saadakse kaks energia omaväärtuste piirkonda: üks algab + m e Koos 2 ja ulatub kuni +∞, teine algab punktist – m e Koos 2 ja ulatub kuni –∞.
Negatiivse energiaga osakesel peavad olema väga kummalised omadused. Üleminek üha väiksema energiaga olekutesse (st negatiivse energia suurusjärgus suureneb), võib see vabastada energiat näiteks kiirguse kujul ja kuna | E| piiramatult võib negatiivse energiaga osake eraldada lõpmatult palju energiat. Sarnasele järeldusele võib jõuda järgmiselt: suhtest E=m e Koos 2 järeldub, et negatiivse energiaga osakesel on ka negatiivne mass. Pidurdusjõu mõjul ei tohiks negatiivse massiga osake mitte aeglustada, vaid kiirendada, tehes pidurdusjõu allikale lõpmatult palju tööd. Neid raskusi silmas pidades tundub, et oleks vaja tunnistada, et negatiivse energiaga riik tuleks absurdsete tulemusteni viivana vaatluse alt välja jätta. See aga oleks vastuolus mõnede kvantmehaanika üldpõhimõtetega. Seetõttu valis Dirac teise tee. Ta tegi ettepaneku, et elektronide üleminekuid negatiivse energiaga olekutesse ei täheldata tavaliselt põhjusel, et kõik saadaolevad negatiivse energiaga tasemed on juba elektronide poolt hõivatud. 
Diraci järgi on vaakum seisund, kus kõik negatiivse energia tasemed on elektronide poolt hõivatud ja positiivse energiaga tasemed on vabad. Kuna kõik tasandid, mis jäävad allapoole keelatud riba, on eranditult hõivatud, siis nendel tasemetel olevad elektronid ei ilmuta end kuidagi. Kui ühele negatiivsel tasemel paiknevatest elektronidest antakse energiat E≥ 2m e Koos 2, siis läheb see elektron positiivse energiaga olekusse ja käitub tavapärasel viisil, nagu positiivse massi ja negatiivse laenguga osake. Seda esimest teoreetiliselt ennustatud osakest nimetati positroniks. Kui positron kohtub elektroniga, siis nad annihileeruvad (kaovad) – elektron liigub positiivselt tasemelt vabale negatiivsele. Nende tasemete erinevusele vastav energia vabaneb kiirguse kujul. Joonisel fig. 4 kujutab nool 1 elektron-positroni paari loomise protsessi ja nool 2 – nende hävitamist. Mõistet "annihilatsioon" ei tohiks võtta sõna-sõnalt. Sisuliselt ei toimu mitte kadumine, vaid mõnede osakeste (elektronid ja positronid) muundumine teisteks (γ-footoniteks).
On osakesi, mis on identsed nende antiosakestega (st neil pole antiosakesi). Selliseid osakesi nimetatakse absoluutselt neutraalseteks. Nende hulka kuuluvad footon, π 0 meson ja η meson. Osakesed, mis on identsed nende antiosakestega, ei ole võimelised hävitama. See aga ei tähenda, et neid ei saaks üldse muudeks osakesteks muuta.
Kui barüonitele (st nukleonidele ja hüperonidele) on määratud barüonlaeng (või barüoninumber) IN= +1, antibarüonid – barüonilaeng IN= –1 ja kõigil teistel osakestel on barüonlaeng IN= 0, siis kõiki barüonide ja antibarüonide osalusel toimuvaid protsesse iseloomustab laengubarüonide säilimine, nii nagu protsesse iseloomustab elektrilaengu säilimine. Barüoni laengu jäävuse seadus määrab kõige pehmema barüoni, prootoni stabiilsuse. Kõikide füüsikalist süsteemi kirjeldavate suuruste teisendust, milles kõik osakesed on asendatud antiosakestega (näiteks elektronid prootonitega ja prootonid elektronidega jne), nimetatakse konjugatsioonilaenguks.
Kummalised osakesed.TO-mesonid ja hüperonid avastati kosmiliste kiirte osana XX sajandi 50ndate alguses. Alates 1953. aastast on neid toodetud kiirendites. Nende osakeste käitumine osutus nii ebatavaliseks, et neid nimetati kummaliseks. Kummaliste osakeste ebatavaline käitumine seisnes selles, et nad sündisid selgelt tugevate interaktsioonide tõttu iseloomuliku ajaga suurusjärgus 10–23 s ja nende elueaks osutus 10–8–10–10 s. Viimane asjaolu viitas sellele, et osakeste lagunemine toimub nõrkade interaktsioonide tagajärjel. Oli täiesti ebaselge, miks kummalised osakesed nii kaua elasid. Kuna samad osakesed (π-mesonid ja prootonid) osalevad nii λ-hüperoni tekkes kui ka lagunemises, oli üllatav, et mõlema protsessi kiirus (st tõenäosus) oli nii erinev. Edasised uuringud näitasid, et kummalised osakesed sünnivad paarikaupa. See viis mõttele, et tugevad vastasmõjud ei saa osakeste lagunemisel rolli mängida, kuna nende avaldumiseks on vajalik kahe kummalise osakese olemasolu. Samal põhjusel osutub kummaliste osakeste ühekordne loomine võimatuks.
Kummaliste osakeste ühekordse tootmise keelu selgitamiseks võtsid M. Gell-Mann ja K. Nishijima kasutusele uue kvantarvu, mille koguväärtus nende eelduse kohaselt peaks tugeva interaktsiooni korral säilima. See on kvantarv S oli nimetatud osakese kummalisus. Nõrga interaktsiooni korral ei pruugi kummalisus säilida. Seetõttu omistatakse see ainult tugevalt interakteeruvatele osakestele - mesonitele ja barüonidele.
Neutriino. Neutriino on ainus osake, mis ei osale ei tugevas ega elektromagnetilises vastasmõjus. Välja arvatud gravitatsiooniline vastastikmõju, milles osalevad kõik osakesed, saavad neutriinod osaleda ainult nõrkades interaktsioonides.
Pikka aega jäi ebaselgeks, mille poolest neutriino erineb antineutriinost. Kombineeritud pariteedi jäävuse seaduse avastamine võimaldas sellele küsimusele vastata: need erinevad helilisuse poolest. Under helilisus mõistetakse teatud seost impulsi suundade vahel R ja tagasi S osakesed. Helicity loetakse positiivseks, kui spin ja impulss on samas suunas. Sel juhul osakeste liikumise suund ( R) ja pöörlemisele vastav pöörlemissuund moodustavad parempoolse kruvi. Kui pöörlemine ja impulss on vastupidises suunas, on helilisus negatiivne (translatsiooniline liikumine ja "pöörlemine" moodustavad vasakpoolse kruvi). Yangi, Lee, Landau ja Salami välja töötatud pikisuunaliste neutriinode teooria kohaselt on kõik looduses eksisteerivad neutriinod sõltumata nende päritolumeetodist alati täielikult pikisuunas polariseeritud (st nende spinn on suunatud impulsiga paralleelselt või antiparalleelselt). R). Neutrinol on negatiivne(vasakul) helilisus (vastab suundade suhtele). S Ja R, näidatud joonisel fig. 5 (b), antineutriino – positiivne (paremakäeline) helilisus (a). Seega on helilisus see, mis eristab neutriinosid antineutriinodest.
Riis. 5. Elementaarosakeste helilisuse skeem
Elementaarosakeste süstemaatika. Elementaarosakeste maailmas täheldatud mustreid saab sõnastada säilivusseaduste kujul. Selliseid seadusi on juba päris palju kogunenud. Mõned neist ei osutu täpseks, vaid ainult ligikaudseks. Iga säilivusseadus väljendab süsteemi teatud sümmeetriat. Impulsi jäävuse seadused R, nurkmoment L ja energiat E peegeldavad ruumi ja aja sümmeetria omadusi: säilivus E on aja homogeensuse, säilimise tagajärg R ruumi homogeensuse ja säilimise tõttu L- selle isotroopsus. Pariteedi jäävuse seadus on seotud parema ja vasaku vahelise sümmeetriaga ( R-invariantsus). Laengu konjugatsiooni sümmeetria (osakeste ja antiosakeste sümmeetria) viib laengu pariteedi säilimiseni ( KOOS-invariantsus). Elektri-, barüoni- ja leptonilaengute jäävuse seadused väljendavad erilist sümmeetriat KOOS-funktsioonid. Lõpuks peegeldab isotoopide spinni jäävuse seadus isotoopruumi isotroopiat. Ühe looduskaitseseaduse täitmata jätmine tähendab selles interaktsioonis vastavat tüüpi sümmeetria rikkumist.
Elementaarosakeste maailmas kehtib järgmine reegel: kõik, mis pole looduskaitseseadustega keelatud, on lubatud. Viimased täidavad osakeste vastastikust muundumist reguleerivate välistamisreeglite rolli. Kõigepealt pangem tähele energia, impulsi ja elektrilaengu jäävuse seadusi. Need kolm seadust selgitavad elektroni stabiilsust. Energia ja impulsi jäävusest järeldub, et lagunemissaaduste kogu puhkemass peab olema väiksem kui laguneva osakese ülejäänud mass. See tähendab, et elektron võib laguneda ainult neutriinodeks ja footoniteks. Kuid need osakesed on elektriliselt neutraalsed. Seega selgub, et elektronil pole lihtsalt kellelegi oma elektrilaengut üle kanda, seega on ta stabiilne.
Kvargid. Osakesi, mida nimetatakse elementaarseteks, on nii palju, et nende elementaarsuses on tekkinud tõsised kahtlused. Igat tugevalt interakteeruvat osakest iseloomustavad kolm sõltumatut aditiivset kvantarvu: laeng K, ülelaadimine U ja barüonlaeng IN. Sellega seoses tekkis hüpotees, et kõik osakesed on üles ehitatud kolmest põhiosakesest - nende laengute kandjatest. 1964. aastal esitasid Gell-Mann ja temast sõltumatult Šveitsi füüsik Zweig hüpoteesi, mille kohaselt on kõik elementaarosakesed üles ehitatud kolmest osakesest, mida nimetatakse kvarkideks. Nendele osakestele on määratud murdosa kvantarvud, eelkõige elektrilaeng, mis on võrdne +⅔; –⅓; +⅓ vastavalt iga kolme kvargi kohta. Neid kvarke tähistatakse tavaliselt tähtedega U,D,S. Lisaks kvarkidele peetakse silmas antikvarke ( u,d,s). Praeguseks on teada 12 kvarki – 6 kvarki ja 6 antikvarki. Mesonid moodustuvad kvark-antikvargi paarist ja barüonid moodustuvad kolmest kvargist. Näiteks prooton ja neutron koosnevad kolmest kvargist, mis muudab prootoni ehk neutroni värvituks. Sellest lähtuvalt eristatakse kolme tugeva interaktsiooni laengut - punane ( R), kollane ( Y) ja roheline ( G).
Igale kvargile on määratud sama magnetmoment (μV), mille väärtust ei määrata teooria järgi. Selle eelduse põhjal tehtud arvutused annavad prootoni magnetmomendi väärtuse μ p = μ kv ja neutroni puhul μ n = – ⅔μ ruutmeetrit
Seega saadakse magnetmomentide suhte jaoks väärtus μ p / μn = –⅔, suurepäraselt kooskõlas katseväärtusega.
Põhimõtteliselt hakkas kvargi värvus (nagu elektrilaengu märk) väljendama erinevust omaduses, mis määrab kvarkide vastastikuse külgetõmbe ja tõukejõu. Analoogiliselt erinevate interaktsioonide väljade kvantidega (fotoonid elektromagnetilises interaktsioonis, R-mesonid tugevas vastasmõjus jne) võeti kasutusele osakesed, mis kandsid kvarkide vahelist vastasmõju. Neid osakesi nimetati gluoonid. Nad kannavad värvi ühelt kvargilt teisele, põhjustades kvarkide kooshoidmist. Kvarkide füüsikas formuleeriti piiramise hüpotees (inglise keelest. vangistused– kvarkide püüdmine), mille kohaselt ei ole võimalik kvarki tervikust lahutada. See saab eksisteerida ainult terviku elemendina. Kvarkide kui reaalsete osakeste olemasolu füüsikas on usaldusväärselt põhjendatud.
Kvarkide idee osutus väga viljakaks. See võimaldas mitte ainult süstematiseerida juba teadaolevaid osakesi, vaid ka ennustada tervet rida uusi. Olukord, mis on kujunenud elementaarosakeste füüsikas, meenutab olukorda, mis tekkis aatomifüüsikas pärast perioodilise seaduse avastamist 1869. aastal D. I. Mendelevi poolt. Kuigi selle seaduse olemus sai selgeks alles umbes 60 aastat pärast kvantmehaanika loomist, võimaldas see süstematiseerida selleks ajaks teadaolevaid keemilisi elemente ning lisaks võimaldas ennustada uute elementide olemasolu ja nende omadusi. . Samamoodi on füüsikud õppinud süstematiseerima elementaarosakesi ning arenenud taksonoomia on harvadel juhtudel võimaldanud uute osakeste olemasolu ennustada ja nende omadusi ette näha.
Seega võib praegu kvarke ja leptoneid pidada tõeliselt elementaarseteks; Neid on 12 ehk koos anti-vestlustega - 24. Lisaks on osakesi, mis pakuvad nelja fundamentaalset interaktsiooni (interaction quanta). Neid osakesi on 13: graviton, footon, W± - ja Z-osakesed ja 8 gluooni.
Olemasolevad elementaarosakeste teooriad ei suuda näidata, mis on seeria algus: aatomid, tuumad, hadronid, kvargidSelles seerias sisaldab iga keerulisem materjalistruktuur komponendina lihtsamat. Ilmselt ei saa see lõputult kesta. Eeldati, et kirjeldatud materiaalsete struktuuride ahel põhineb põhimõtteliselt erineva iseloomuga objektidel. Näidatakse, et sellised objektid ei pruugi olla punktitaolised, vaid väljaulatuvad, ehkki üliväikesed (~10-33 cm) moodustised, nn. superstringid. Kirjeldatud idee ei ole meie neljamõõtmelises ruumis teostatav. See füüsikavaldkond on üldiselt äärmiselt abstraktne ja väga raske on leida visuaalseid mudeleid, mis aitaksid lihtsustada elementaarosakeste teooriatele omaste ideede tajumist. Sellegipoolest võimaldavad need teooriad füüsikutel väljendada "kõige elementaarsemate" mikroobjektide vastastikust transformatsiooni ja vastastikust sõltuvust, nende seost neljamõõtmelise aegruumi omadustega. Kõige lootustandvam on nn M-teooria (M – alates müsteerium- mõistatus, saladus). Ta opereerib kaheteistkümnemõõtmeline ruum . Lõppkokkuvõttes, üleminekul neljamõõtmelisse maailma, mida me vahetult tajume, on kõik "lisadimensioonid" "kokku kukkunud". M-teooria on seni ainus teooria, mis võimaldab taandada neli fundamentaalset interaktsiooni üheks - nn. Supervõimsus. Oluline on ka see, et M-teooria võimaldab erinevate maailmade olemasolu ja paneb paika tingimused, mis tagavad meie maailma tekkimise. M-teooria pole veel piisavalt arenenud. Arvatakse, et finaal "kõige teooria" M-teoorial põhinev ehitatakse 21. sajandil.
Elementaarosakesed selle mõiste täpses tähenduses on primaarsed, edasi lagunematud osakesed, millest oletatavalt koosneb kogu aine. "Elementaarosakeste" mõiste kaasaegses loodusteaduses väljendab ideed ürgsetest entiteetidest, mis määravad kõik materiaalse maailma teadaolevad omadused, ideed, mis tekkisid loodusteaduse kujunemise algfaasis ja on alati mänginud olulist rolli. selle arengus. Mõiste "elementaarosakesed" tekkis tihedas seoses aine struktuuri diskreetsuse tuvastamisega mikroskoopilisel tasemel. Avastus 19.-20. sajandi vahetusel. aine omaduste väikseimad kandjad – molekulid ja aatomid – ning fakti väljaselgitamine, et molekulid koosnevad aatomitest, võimaldasid esmakordselt kirjeldada kõiki teadaolevaid aineid lõpliku, ehkki suure hulga struktuursete elementide kombinatsioonidena. komponendid - aatomid. Hilisem koostisaatomite - elektronide ja tuumade - olemasolu tuvastamine, tuumade keeruka olemuse kindlakstegemine, mis osutus ehitatud ainult kahte tüüpi osakestest (prootonid ja neutronid), vähendas oluliselt moodustavate diskreetsete elementide arvu. aine omadusi, ja andis põhjust oletada, et aine koostisosade ahel lõpeb diskreetsete struktuurita moodustistega - Elementaarosakesed Selline oletus on üldiselt teadaolevate faktide ekstrapolatsioon ja seda ei saa rangelt põhjendada. Ei saa kindlalt väita, et ülaltoodud määratluse tähenduses elementaarsed osakesed eksisteerivad. Näiteks pikka aega elementaarosakesteks peetud prootonitel ja neutronitel, nagu selgus, on keeruline struktuur. Ei saa välistada, et aine struktuurikomponentide jada on põhimõtteliselt lõpmatu. Samuti võib selguda, et väide “koosneb...” osutub aine uurimise mõnes etapis sisutuks. Sel juhul tuleb ülaltoodud "elementaarse" määratlusest loobuda. Elementaarosade olemasolu on omamoodi postulaat ja selle kehtivuse kontrollimine on loodusteaduse üks tähtsamaid ülesandeid.
Elementaarosake on koondnimetus, mis viitab subnukleaarses skaalas olevatele mikroobjektidele, mida ei saa osadeks jagada (või mida pole veel tõestatud). Nende ehitust ja käitumist uurib osakeste füüsika. Elementaarosakeste mõiste põhineb aine diskreetse struktuuri faktil. Paljudel elementaarosakestel on keeruline sisemine struktuur, kuid neid on võimatu osadeks eraldada. Teised elementaarosakesed on struktuurita ja neid võib pidada primaarseteks põhiosakesteks.
Alates elementaarosakese (elektroni) esmaavastamisest 1897. aastal on avastatud üle 400 elementaarosakese.
Kõik elementaarosakesed jagunevad nende pöörlemise suuruse järgi kahte klassi:
fermioonid - pooltäisarvulise spinniga osakesed (näiteks elektron, prooton, neutron, neutriino);
bosonid on täisarvulise spinniga osakesed (näiteks footon).
Sõltuvalt interaktsiooni tüüpidest jagatakse elementaarosakesed järgmistesse rühmadesse:
Osakesed:
hadronid on osakesed, mis osalevad igat tüüpi fundamentaalsetes interaktsioonides. Need koosnevad kvarkidest ja jagunevad omakorda:
mesonid (täisarvulise spinniga hadronid, st bosonid);
barüonid (pooltäisarvulise spinniga hadronid, st fermionid). Nende hulka kuuluvad eelkõige osakesed, mis moodustavad aatomi tuuma – prooton ja neutron.
Põhilised (struktuurita) osakesed:
leptonid on punktosakeste kujulised (st mitte millestki koosnevad) suurusjärgus 10–18 m. Nad ei osale tugevas vastasmõjus. Elektromagnetilistes interaktsioonides osalemist täheldati eksperimentaalselt ainult laetud leptonite (elektronid, müüonid, tau leptonid) puhul ja neutriinode puhul seda ei täheldatud. Leptoneid on teada 6 tüüpi.
kvargid on fraktsioneeriva laenguga osakesed, mis on osa hadronitest. Vabariigis neid ei täheldatud. Nagu leptonid, jagunevad nad 6 tüüpi ja on struktuurita, kuid erinevalt leptonitest osalevad nad tugevas interaktsioonis.
mõõtebosonid - osakesed, mille vahetuse kaudu toimub interaktsioon:
footon - osake, mis kannab elektromagnetilist vastasmõju;
kaheksa gluooni - osakesed, mis kannavad tugevat vastasmõju;
kolm vahevektori bosonit W+, W− ja Z0, mis kannavad nõrka interaktsiooni;
graviton on hüpoteetiline osake, mis kannab edasi gravitatsioonilist vastasmõju. Gravitonite olemasolu, kuigi gravitatsioonilise vastasmõju nõrkuse tõttu pole veel eksperimentaalselt tõestatud, peetakse üsna tõenäoliseks; standardmudelisse graviton siiski ei kuulu.
Hadronid ja leptonid moodustavad aine. Mõõtebosonid on erinevat tüüpi kiirguse kvantid.
Lisaks sisaldab standardmudel tingimata Higgsi bosonit, mida aga pole veel eksperimentaalselt avastatud.
Kõigi elementaarosakeste kõige olulisem omadus on vastastikuste muundumiste võime. Elementaarosakesed on võimelised sündima ja hävima (eralduma ja neelduma). See kehtib ka stabiilsete osakeste kohta, ainsa erinevusega, et stabiilsete osakeste transformatsioonid ei toimu spontaanselt, vaid interaktsiooni kaudu teiste osakestega. Näiteks võib tuua elektroni ja positroni hävimise (s.o kadumise), millega kaasneb suure energiaga footonite sünd. Võib toimuda ka pöördprotsess – näiteks elektron-positroni paari sünd, kui piisavalt suure energiaga footon põrkub tuumaga. Prootonil on ka selline ohtlik kaksik nagu elektroni jaoks positron. Seda nimetatakse antiprootoniks. Antiprootoni elektrilaeng on negatiivne. Praegu on antiosakesi leitud kõigist osakestest. Antiosakesed vastanduvad osakestele, sest kui mõni osake kohtub oma antiosakesega, toimub nende annihilatsioon, st mõlemad osakesed kaovad, muutudes kiirguskvantideks või muudeks osakesteks.
Seni tuntud elementaarosakeste hulgas on leitud enam-vähem harmooniline klassifikatsioonisüsteem. Paljude elementaarosakeste kõige mugavam taksonoomia on nende klassifitseerimine vastavalt interaktsioonitüüpidele, milles nad osalevad. Seoses tugeva interaktsiooniga jagunevad kõik elementaarosakesed kahte suurde rühma: hadronid (kreeka keelest hadros - suured, tugevad) ja leptonid (kreeka keelest leptos - valgus).
Algselt tähendas mõiste “elementaarosake” midagi absoluutselt elementaarset, aine esimest tellist. Kui aga 1950. ja 1960. aastatel avastati sadu sarnaste omadustega hadroneid, selgus, et hadronitel on vähemalt sisemised vabadusastmed, s.t nad pole elementaarsed selle sõna otseses mõttes. See kahtlus leidis hiljem kinnitust, kui selgus, et hadronid koosnevad kvarkidest.
Seega on inimkond mateeria struktuuris pisut sügavamale arenenud: leptoneid ja kvarke peetakse praegu aine kõige elementaarsemateks, punktitaolisteks osadeks. Nende jaoks (koos mõõtmisbosonitega) kasutatakse mõistet "põhiosakesed".
2. ELEMENTAARILISTE OSAKESTE OMADUSED
Kõik elementaarosakesed on äärmiselt väikese massi ja suurusega objektid. Enamiku nende mass on prootoni massi suurusjärgus, võrdne 1,6 × 10 -24 g (ainult elektronide mass on märgatavalt väiksem: 9 × 10 -28 g). Eksperimentaalselt määratud prootoni, neutroni, p-mesoni suurused on suurusjärgus 10 -13 cm Elektroni ja müüoni suurusi ei õnnestunud määrata, on teada vaid, et need on alla 10 -15 cm. Mikroskoopilised massid ja suurused Elementaarosakesed on nende käitumise kvantspetsiifilisuse aluseks. Iseloomulikud lainepikkused, mis tuleks kvantteoorias elementaarosakestele omistada (kus on Plancki konstant, m on osakese mass, c on valguse kiirus), on suurusjärgus lähedased tüüpilistele suurustele, mille juures nende vastastikmõju toimub ( näiteks p-mesoni jaoks 1 .4×10 -13 cm). See toob kaasa asjaolu, et kvantseadused on elementaarosakeste jaoks määravad.
; p + ® m + + v m ; К + ®p + + p 0 (osakese sümboli kohal olev tildemärk tähistab edaspidi vastavaid antiosakesi). Erinevad protsessid elementaarosakestega erinevad märgatavalt nende esinemise intensiivsuse poolest. Selle järgi võib elementaarosakeste vastastikmõjud fenomenoloogiliselt jagada mitmeks klassiks: tugevad, elektromagnetilised ja nõrgad vastasmõjud. Kõigil elementaarosakestel on ka gravitatsiooniline vastastikmõju.
Tugevad vastasmõjudpaistavad silma vastastikmõjudena, mis põhjustavad protsesse, mis toimuvad kõigist teistest protsessidest suurima intensiivsusega. Need toovad kaasa ka tugevaima seose elementaarosakeste vahel. Just tugevad vastasmõjud määravad prootonite ja neutronite ühenduse aatomituumades ning annavad nendele moodustistele erakordse tugevuse, mis on aluseks aine stabiilsusele maapealsetes tingimustes.
Elektromagnetilised vastasmõjudiseloomustatakse kui interaktsioone, mis põhinevad suhtlemisel elektromagnetväljaga. Nende põhjustatud protsessid on tugevate vastasmõjude protsessidest vähem intensiivsed ja nende tekitatud seos on märgatavalt nõrgem. Eelkõige vastutavad elektromagnetilised interaktsioonid aatomi elektronide ühendamise eest tuumadega ja aatomite ühendamise eest molekulides.
Nõrk interaktsioon, nagu nimi ise näitab, põhjustavad elementaarosakestega väga aeglaselt toimuvaid protsesse. Nende madalat intensiivsust illustreerib asjaolu, et neutriinod, millel on ainult nõrk vastastikmõju, tungivad vabalt näiteks Maa ja Päikese paksusesse. Nõrgad interaktsioonid põhjustavad ka nn kvaasistabiilsete elementaarosakeste aeglast lagunemist. Nende osakeste eluiga on vahemikus 10 -8 -10 -10 sekundit, samas kui tüüpilised ajad elementaarosakeste tugevaks interaktsiooniks on 10 -23 -10 -24 sekundit.
Gravitatsioonilised interaktsioonid, mis on hästi tuntud oma makroskoopiliste ilmingute poolest, tekitavad elementaarosakeste puhul, mis asuvad iseloomulike kaugustega ~10–13 cm, äärmiselt väikeseid efekte, kuna elementaarosakeste massid on väikesed.
Erinevate interaktsiooniklasside tugevust saab ligikaudselt iseloomustada mõõtmeteta parameetritega, mis on seotud vastavate interaktsioonide konstantide ruutudega. Prootonite tugevate, elektromagnetiliste, nõrkade ja gravitatsiooniliste interaktsioonide korral keskmise protsessienergiaga ~1 GeV on need parameetrid korrelatsioonis 1:10 -2: l0 -10:10 -38. Vajadus näidata protsessi keskmist energiat tuleneb asjaolust, et nõrkade vastasmõjude korral sõltub dimensioonitu parameeter energiast. Lisaks sõltuvad erinevate protsesside intensiivsused energiast erinevalt. See toob kaasa asjaolu, et erinevate interaktsioonide suhteline roll üldiselt muutub koos interakteeruvate osakeste energia suurenemisega, nii et interaktsioonide klassidesse jagamine, mis põhineb protsesside intensiivsuse võrdlusel, viiakse usaldusväärselt läbi mitte. liiga kõrged energiad. Erinevatel interaktsiooniklassidel on aga ka teisi spetsiifilisi tunnuseid, mis on seotud nende sümmeetria erinevate omadustega, mis aitab kaasa nende eraldamisele kõrgemate energiate juures. Kas selline interaktsioonide jaotus klassideks säilib ka kõrgeimate energiate piirides, jääb ebaselgeks.
Sõltuvalt nende osalemisest teatud tüüpi interaktsioonides jagunevad kõik uuritud elementaarosakesed, välja arvatud footon, kahte põhirühma: hadronid (kreeka keelest hadros - suured, tugevad) ja leptonid (kreeka keelest leptos - väikesed, õhuke, kerge). Hadroneid iseloomustab eelkõige see, et neil on tugev vastastikmõju koos elektromagnetilise ja nõrga vastasmõjuga, leptonid aga ainult elektromagnetilises ja nõrgas vastasmõjus. (See eeldab mõlemale rühmale ühiste gravitatsiooniliste vastasmõjude olemasolu.) Hadroni massid on suurusjärgus lähedased prootoni massile (m p); P-mesonil on hadronite hulgas minimaalne mass: t p »m 1/7×t p. Enne 1975-76 tuntud leptonite massid olid väikesed (0,1 m p), kuid viimased andmed viitavad ilmselt ka hadronitega sama massiga raskete leptonite olemasolule. Esimesed uuritud hadronite esindajad olid prooton ja neutron ning leptonid - elektron. Footonit, millel on ainult elektromagnetiline vastastikmõju, ei saa klassifitseerida ei hadroniteks ega leptoniteks ning see tuleb eraldada eraldi sektsiooniks. Grupp. Vastavalt 70ndatel väljatöötatutele. Meie arvates on footon (null puhkemassiga osake) väga massiivsete osakestega samasse rühma - nn. vahepealsed vektorbosonid, mis vastutavad nõrkade interaktsioonide eest ja mida pole veel eksperimentaalselt täheldatud.
Iga elementaarosakest koos selle loomupäraste interaktsioonide spetsiifikaga kirjeldatakse teatud füüsikaliste suuruste või selle omaduste diskreetsete väärtuste komplektiga. Mõnel juhul väljendatakse neid diskreetseid väärtusi täis- või murdarvude ja mõne ühise teguri - mõõtühikuna; neist arvudest räägitakse kui elementaarosakeste kvantarvudest ja täpsustatakse ainult neid, jättes välja mõõtühikud.
Kõigi elementaarosakeste ühised omadused on mass (m), eluiga (t), spin (J) ja elektrilaeng (Q). Ei ole veel piisavalt aru saadud seadustest, mille järgi elementaarosakeste massid jagunevad ja kas nende jaoks on mõni ühik
mõõdud.
Sõltuvalt nende elueast jagatakse elementaarosakesed stabiilseteks, kvaasistabiilseteks ja ebastabiilseteks (resonants). Stabiilsed, tänapäevaste mõõtmiste täpsuse piires, on elektron (t > 5×10 21 aastat), prooton (t > 2×10 30 aastat), footon ja neutriino. Kvaasistabiilsete osakeste hulka kuuluvad osakesed, mis lagunevad elektromagnetilise ja nõrga vastastikmõju tõttu. Nende eluiga on > 10 -20 sek (vaba neutroni puhul isegi ~ 1000 sek). Resonants on elementaarosakesed, mis lagunevad tugeva vastastikmõju tõttu. Nende iseloomulik eluiga on 10 -23 -10 -24 sek. Mõnel juhul surutakse maha tugevate interaktsioonide põhjustatud raskete resonantside (massiga ³ 3 GeV) vaibumine ja eluiga pikeneb väärtusteni ~10-20 sek.
Keeruta elementaarosakeste on täis- või pooltäisarv kordne . Nendes ühikutes on p- ja K-mesonite spinn 0, prootonil, neutronil ja elektronil J = 1/2, footonil J = 1. On osakesi, millel on suurem spinn. Elementaarosakeste spinni suurus määrab identsete (identsete) osakeste ansambli käitumise ehk nende statistika (W. Pauli, 1940). Pooltäisarvulise spinni osakeste suhtes kohaldatakse Fermi-Dirac statistikat (sellest ka nimi fermionid), mis nõuab süsteemi lainefunktsiooni antisümmeetriat osakeste paari (või paaritu arvu paaride) permutatsiooni suhtes ja seetõttu “keelab” kahel pooltäisarvulise spinni osakesel olla samas olekus (Pauli põhimõte). Täisarvulise spinni osakeste suhtes kohaldatakse Bose-Einsteini statistikat (sellest ka nimetus bosonid), mis eeldab lainefunktsiooni sümmeetriat osakeste permutatsioonide suhtes ja võimaldab mis tahes arvu osakesi olla samas olekus. Elementaarosakeste statistilised omadused osutuvad oluliseks juhtudel, kui sünni või lagunemise käigus tekib mitu identset osakest. Fermi-Dirac statistika mängib samuti äärmiselt olulist rolli tuumade struktuuris ja määrab ära aatomikestade elektronidega täitmise mustrid, mis on D. I. Mendelejevi perioodilise elementide süsteemi aluseks.
Uuritud elementaarosakeste elektrilaengud on täisarvulised kordsed väärtusest e » 1,6×10 -19 k, mida nimetatakse elementaarelektrilaenguks. Tuntud elementaarosakeste puhul Q = 0, ±1, ±2.
Lisaks näidatud suurustele iseloomustavad elementaarosakesi täiendavalt mitmed kvantarvud, mida nimetatakse sisemisteks. Leptonitel on kahte tüüpi spetsiifiline leptonlaeng L: elektrooniline (L e) ja müoniline (L m); L e = +1 elektron- ja elektronneutriino jaoks, L m = +1 negatiivse müüoni ja müüonneutriino jaoks. Raske lepton t; ja sellega seotud neutriinod on ilmselt uut tüüpi leptonilaengu L t kandjad.
Hadronite puhul L = 0 ja see on veel üks ilming nende erinevusest leptonitest. Omakorda tuleks olulised osad hadronitest omistada spetsiaalsele barüonilaengule B (|E| = 1). Hadronid B = +1 moodustavad alarühma
barüonid (siia kuuluvad prootonid, neutronid, hüperonid, barüonresonants) ja hadronid, mille B = 0 on mesonite (p- ja K-mesonid, bosooniresonants) alamrühm. Hadronite alarühmade nimetus pärineb kreeka sõnadest barýs - raske ja mésos - keskmine, mis uurimise algfaasis peegeldasid elementaarosakesed tol ajal tuntud barüonide ja mesonite masside võrdlusväärtusi. Hilisemad andmed näitasid, et barüonide ja mesonite massid on võrreldavad. Leptonitele B = 0. Footonitele B = 0 ja L = 0.
Barüonid ja mesonid jagunevad juba mainitud agregaatideks: tavalised (mitteveidrad) osakesed (prooton, neutron, p-mesonid), kummalised osakesed (hüperonid, K-mesonid) ja võlutud osakesed. See jaotus vastab eriliste kvantarvude olemasolule hadronites: kummalisus S ja võlu (inglise võlu) Ch lubatud väärtustega: 151 = 0, 1, 2, 3 ja |Ch| = 0, 1, 2, 3. Tavaliste osakeste puhul S = 0 ja Ch = 0, kummaliste osakeste puhul |S| ¹ 0, Ch = 0, võlutud osakeste jaoks |Ch| ¹0 ja |S| = 0, 1, 2. Kummalise asemel kasutatakse sageli kvantarvude hüperlaengut Y = S + B, millel on ilmselt fundamentaalsem tähendus.
Juba esimesed uuringud tavaliste hadronitega näitasid, et nende hulgas on osakeste perekondi, mis on massilt sarnased, tugevate vastasmõjude suhtes väga sarnaste omadustega, kuid erineva elektrilaengu väärtusega. Prooton ja neutron (nukleonid) olid sellise perekonna esimene näide. Hiljem avastati sarnaseid perekondi kummaliste ja (1976. aastal) võlutud hadronite hulgast. Sellistesse perekondadesse kuuluvate osakeste omaduste sarnasus on peegeldus
erilise kvantarvu sama väärtuse olemasolu - isotoopspin I, mis võtab sarnaselt tavalise spinniga täis- ja pooltäisarvu väärtused. Perekondi endid nimetatakse tavaliselt isotoopmultiplettideks. Osakeste arv multipletis (n) on seotud I-ga seosega: n = 2I + 1. Ühe isotoopmultipleti osakesed erinevad üksteisest isotoopspinni I 3 “projektsiooni” väärtuse poolest ja Q vastavad väärtused antakse avaldisega: 
Hadronite oluline omadus on ka sisemine paarsus P, mis on seotud ruumide toimimisega, inversioon: P võtab väärtused ±1.
Kõigi elementaarosakeste puhul, mille vähemalt ühe laengu O, L, B, Y (S) ja võlu Ch on nullist erinevad väärtused, on antiosakesed, mille mass m, eluiga t, spin J ja hadronite puhul, mille isotoopne spinn on 1, kuid kõigi laengute vastandmärkidega ja barüonide puhul, mille sisepaarsus on vastupidine P. Osakesi, millel pole antiosakesi, nimetatakse absoluutselt (tõeliselt) neutraalseteks. Absoluutselt neutraalsetel hadronitel on spetsiaalne kvantarv - laengu paarsus (st paarsus laengu konjugatsioonioperatsiooni suhtes) C väärtustega ±1; selliste osakeste näideteks on footon ja p 0 .
Kvantarvud elementaarosakesed jagunevad täpseteks (st need, mis on seotud füüsikaliste suurustega, mis säilivad kõigis protsessides) ja ebatäpseteks (mille jaoks vastavad füüsikalised kogused mõnes protsessis ei säili). Spin J on seotud nurkimpulsi jäävuse range seadusega ja on seetõttu täpne kvantarv. Teised täpsed kvantarvud: Q, L, B; tänapäevastel andmetel säilivad need kõikide transformatsioonide käigus Elementaarosakesed Prootoni stabiilsus on B jäävuse otsene väljendus (näiteks ei toimu lagunemist p ® e + + g). Enamik hadronite kvantnumbreid on aga ebatäpsed. Isotoopne spin, kuigi see säilib tugevas interaktsioonis, ei säili elektromagnetilise ja nõrga interaktsiooni korral. Kummalisus ja võlu säilivad tugevas ja elektromagnetilises vastasmõjus, kuid mitte nõrgas vastasmõjus. Nõrk interaktsioon muudab ka sise- ja laengupaarsust. CP kombineeritud paarsus säilib palju suurema täpsusega, kuid seda rikutakse ka mõnes nõrga interaktsiooni põhjustatud protsessis. Paljude hadronite kvantarvude mittesäilimise põhjused on ebaselged ja ilmselt on need seotud nii nende kvantarvude olemuse kui ka elektromagnetiliste ja nõrkade interaktsioonide süvastruktuuriga. Teatud kvantarvude säilimine või mittesäilitamine on elementaarosakeste interaktsiooniklasside erinevuste üks olulisi ilminguid.
KOKKUVÕTE
Esmapilgul tundub, et elementaarosakeste uurimine on puhtalt teoreetilise tähendusega. Aga see pole tõsi. Elementaarosakesi on kasutatud paljudes eluvaldkondades.
Lihtsaim elementaarosakeste rakendus on tuumareaktorites ja kiirendites. Tuumareaktorites kasutatakse neutroneid radioaktiivsete isotoopide tuumade lõhustamiseks energia tootmiseks. Kiirendites kasutatakse uurimistööks elementaarosakesi.
Elektronmikroskoobid kasutavad optilise mikroskoobiga võrreldes väiksemate objektide nägemiseks "kõvade" elektronide kiiri.
Pommitades polümeerkilesid teatud elementide tuumadega, saate omamoodi “sõela”. Selles olevate aukude suurus võib olla 10–7 cm. Nende aukude tihedus ulatub miljardini ruutsentimeetri kohta. Selliseid “sõelu” saab kasutada ülipeeneks puhastamiseks. Nad filtreerivad vett ja õhku kõige väiksematest viirustest, söetolmust, steriliseerivad ravimlahuseid ning on asendamatud keskkonnaseisundi jälgimiseks.
Tulevikus aitavad neutriinod teadlastel tungida universumi sügavustesse ja saada teavet galaktikate arengu varase perioodi kohta.
Elementaarosakeste omaduste ja käitumise selgitamiseks tuleb neile lisaks massile, elektrilaengule ja tüübile anda mitmeid neile iseloomulikke lisakoguseid (kvantarvud), millest allpool räägime.
Elementaarosakesed jagunevad tavaliselt neli klassi . Lisaks nendele klassidele eeldatakse teise osakeste klassi olemasolu - gravitonid (gravitatsioonivälja kvantid). Neid osakesi pole veel eksperimentaalselt avastatud.
Kirjeldame lühidalt nelja elementaarosakeste klassi.
Ühele neist kuulub ainult üks osake - footon .
Footonid (elektromagnetvälja kvantid) osalevad elektromagnetilises vastasmõjus, kuid neil ei ole tugevat ja nõrka vastastikmõju.
Moodustatakse teine klass leptonid , kolmas - hadronid ja lõpuks neljas - mõõta bosoneid (Tabel 2)
tabel 2
| Elementaarosakesed |
|||
| Leptonid |
Kalibreerimine bosonid |
Hadronid |
|
|
|
|||
| n, lk, hüperonid Barüooniline resonantse |
Mesooniline resonantse |
||
Leptonid (kreeka" leptos"- lihtne) - osakesed,osalevad elektromagnetilistes ja nõrkades interaktsioonides. Nende hulka kuuluvad osakesed, millel puudub tugev interaktsioon: elektronid (), müüonid (), taoonid (), aga ka elektronneutriinod (), müüonneutriinod () ja tau neutriinod (). Kõigi leptonite spinnid on võrdsed 1/2-ga ja on seega fermionid . Kõigil leptonitel on nõrk interaktsioon. Neil, millel on elektrilaeng (st. müüonid ja elektronid), on ka elektromagnetiline vastastikmõju. Neutriinod osalevad ainult nõrkades interaktsioonides.
Hadronid (kreeka" adros"- suur, massiivne) - osakesed,osaledes tugevas,elektromagnetiline ja nõrk vastastikmõju. Tänapäeval teatakse üle saja hadroni ja need jagunevad barüonid Ja mesonid .
Barüonid - hadronid,koosneb kolmest kvargist (qqq) ja millel on barüon number B = 1.
Barüonide klass ühendab nukleonid ( lk, n) ja ebastabiilsed osakesed, mille mass on suurem kui nukleonide mass, nn hüperonid (). Kõigil hüperonitel on tugev interaktsioon ja seetõttu suhtlevad nad aktiivselt aatomituumadega. Kõigi barüonide pöörlemine on 1/2, seega on barüonid fermionid . Kõik barüonid, välja arvatud prooton, on ebastabiilsed. Kui barüon laguneb koos teiste osakestega, tekib paratamatult barüon. See muster on üks barüonlaengu jäävuse seaduse ilmingud.
Mesonid - hadronid,mis koosneb kvargist ja antikvargist () ja millel on barüonnumber B = 0.
Mesonid on tugevas vastasmõjus ebastabiilsed osakesed, mis ei kanna nn barüoni laengut. Nende hulka kuuluvad -mesonid või pionid (), K-mesonid või kaonid ( 
) ja -mesonid. Massid ja mesonid on samad ja võrdsed vastavalt 273,1, 264,1 elueaga ja s. K-mesonite mass on 970. K-mesonite eluiga on suurusjärgus s. Eta mesonite mass on 1074, eluiga on suurusjärgus s. Erinevalt leptonitest ei ole mesonitel mitte ainult nõrk (ja kui nad on laetud, siis elektromagnetiline) vastastikmõju, vaid ka tugev vastastikmõju, mis avaldub nende omavahelisel interaktsioonil, samuti mesonite ja barüonide vastasmõjul. Kõigi mesonite spinn on null, nii et nad on bosonid.
Mõõtke bosoneid - osakesed,interaktsioonis fundamentaalsete fermioonide vahel(kvargid ja leptonid). Need on osakesed W + , W – , Z 0 ja kaheksa tüüpi gluoonid g. See hõlmab ka footonit γ.
Elementaarosakeste omadused
Iga osakest kirjeldab füüsikaliste suuruste kogum – kvantarvud, mis määravad selle omadused. Kõige sagedamini kasutatavad osakeste omadused on järgmised.
Osakeste mass , m. Osakeste massid varieeruvad suuresti vahemikus 0 (footon) kuni 90 GeV ( Z-boson). Z-boson on kõige raskem teadaolev osake. Siiski võib esineda ka raskemaid osakesi. Hadronite massid sõltuvad neis sisalduvate kvarkide tüüpidest ja ka nende pöörlemisolekutest.
Eluaeg , τ. Sõltuvalt nende elueast jagunevad osakesed stabiilsed osakesed, millel on suhteliselt pikk kasutusiga ja ebastabiilne.
TO stabiilsed osakesed hõlmab osakesi, mis lagunevad nõrga või elektromagnetilise interaktsiooni tõttu. Osakeste jagunemine stabiilseteks ja ebastabiilseteks on meelevaldne. Seetõttu hõlmavad stabiilsed osakesed selliseid osakesi nagu elektron, prooton, mille lagunemist pole praegu tuvastatud, ja π 0 meson, mille eluiga on τ = 0,8 × 10–16 s.
TO ebastabiilsed osakesed hõlmavad osakesi, mis lagunevad tugeva interaktsiooni tulemusena. Tavaliselt kutsutakse neid resonantse . Resonantside iseloomulik eluiga on 10 - 23 -10 - 24 s.
Keeruta J. Pöörlemisväärtust mõõdetakse ühikutes ħ ja võib võtta 0, pool- ja täisarvu väärtused. Näiteks π- ja K-mesonite spinn võrdub 0-ga. Elektroni ja müüoni spin on võrdne 1/2-ga. Footoni spinn on 1. On osakesi, mille pöörlemisväärtus on suurem. Pooltäisarvulise spinniga osakesed järgivad Fermi-Dirac statistikat ja täisarvulise spinniga osakesed Bose-Einsteini statistikat.
Elektrilaeng q. Elektrilaeng on täisarvuline kordne e= 1,6×10 - 19 C, mida nimetatakse elementaarelektrilaenguks. Osakeste laengud võivad olla 0, ±1, ±2.
Sisemine pariteet R. Kvantarv R iseloomustab lainefunktsiooni sümmeetriaomadust ruumiliste peegelduste suhtes. Kvantarv R on väärtus +1, -1.
Lisaks kõikidele osakestele ühistele omadustele kasutavad nad ka kvantarvud, mis on määratud ainult üksikutele osakeste rühmadele.
Kvantarvud : barüoni number IN, veidrus s, Võlu (võlu) Koos, ilu (põhjalikkus või ilu) b, ülemine (tippus) t, isotoopne spin I omistatakse ainult tugevalt interakteeruvatele osakestele - hadronid.
Leptoni numbrid
L e, L μ , Lτ. Leptoninumbrid on määratud osakestele, mis moodustavad leptonite rühma. Leptonid e, μ ja τ osalevad ainult elektromagnetilistes ja nõrkades interaktsioonides. Leptonid ν e, n μ ja n τ osalevad ainult nõrkades interaktsioonides. Leptoni numbritel on tähendus L e, L μ , Lτ = 0, +1, -1. Näiteks e - , elektronneutriino n e on L e= +l; , on L e= - l. Kõikidel hadronitel on 
.
Barüoni number IN. Barüoniarv on oluline IN= 0, +1, -1. Baryonid näiteks n, R, Λ, Σ, nukleoni resonantsidel on barüonarv IN= +1. Mesonidel, mesoni resonantsidel on IN= 0, antibarüonitel on IN = -1.
Imelikkus s. Kvantarvud s võivad võtta väärtusi -3, -2, -1, 0, +1, +2, +3 ja need määratakse hadronite kvarkide koostise järgi. Näiteks hüperonitel Λ, Σ on s= -l; K + - , K– – mesonitel on s= + l.
Võlu Koos. Kvantarv Koos Koos= 0, +1 ja -1. Näiteks Λ+ barüonil on Koos = +1.
Põhjalikkus b. Kvantarv b võib võtta väärtusi -3, -2, -1, 0, +1, +2, +3. Praegu on avastatud osakesed, millel on b= 0, +1, -1. Näiteks, IN+ -mesonil on b = +1.
Topness t. Kvantarv t võib võtta väärtusi -3, -2, -1, 0, +1, +2, +3. Praegu on avastatud ainult üks haigusseisund t = +1.
Isospin I. Tugevalt interakteeruvad osakesed võib jagada osakeste rühmadesse, millel on sarnased omadused (sama spinni, paarsuse, barüoniarvu, veidruse ja muude kvantarvude väärtus, mis tugevas interaktsioonis säilivad) - isotoopmultipletid. Isospin väärtus I määrab ühes isotoopmultipletis sisalduvate osakeste arvu, n Ja R moodustab isotoopdubleti I= 1/2; Σ +, Σ -, Σ 0 sisalduvad isotoopkolmik I= 1, Λ - isotoopne singlett I= 0, ühes sisalduvate osakeste arv isotoopmultilett, 2I + 1.
G - võrdsus on kvantarv, mis vastab sümmeetriale laengu konjugatsiooni samaaegse toimimise suhtes Koos ja muutused kolmanda komponendi märgis I isospin. G- pariteet säilib ainult tugevas interaktsioonis.