Fizik zarah asas berkait rapat dengan fizik nukleus atom. Kawasan ini sains moden adalah berdasarkan konsep kuantum dan dalam perkembangannya menembusi lebih jauh ke dalam kedalaman jirim, mendedahkan dunia misteri prinsip asasnya. Dalam fizik zarah asas, peranan teori adalah sangat penting. Oleh kerana ketidakmungkinan pemerhatian langsung terhadap objek material tersebut, imej mereka dikaitkan dengan persamaan matematik, dengan melarang dan membenarkan peraturan yang dikenakan ke atas mereka.
Mengikut takrifan, zarah asas ialah pembentukan primer yang tidak boleh terurai yang mana, dengan andaian, semua jirim terdiri. Malah, istilah ini digunakan dalam erti kata yang lebih luas - untuk menunjuk sekumpulan besar zarah mikro jirim yang tidak bersatu secara struktur menjadi nukleus dan atom. Kebanyakan objek kajian dalam fizik zarah tidak memenuhi takrifan yang ketat tentang unsur, kerana ia adalah sistem komposit. Oleh itu, zarah yang memenuhi keperluan ini biasanya dipanggil benar-benar asas.
Zarah asas pertama yang ditemui dalam proses mengkaji mikrokosmos pada akhir abad ke-19 ialah elektron. Proton ditemui seterusnya (1919), kemudian muncul neutron, ditemui pada tahun 1932. Kewujudan positron secara teorinya diramalkan oleh P. Dirac pada tahun 1931, dan pada tahun 1932 "kembar" elektron bercas positif ini ditemui dalam sinaran kosmik Karl Anderson. Andaian kewujudan neutrino dalam alam semula jadi telah dikemukakan oleh W. Pauli pada tahun 1930, dan ia ditemui secara eksperimen hanya pada tahun 1953. Dalam komposisi sinar kosmik pada tahun 1936, mu-meson (muon) ditemui - zarah kedua-dua tanda cas elektrik dengan jisim kira-kira 200 jisim elektron. Dalam semua aspek lain, sifat muon sangat hampir dengan sifat elektron dan positron. Juga dalam sinar kosmik, meson pi positif dan negatif telah ditemui pada tahun 1947, yang kewujudannya telah diramalkan oleh ahli fizik Jepun Hideki Yukawa pada tahun 1935. Kemudian ternyata meson pi neutral juga wujud.
Pada awal 50-an. sekumpulan besar zarah dengan sangat sifat luar biasa, yang mendorong mereka untuk dipanggil "pelik." Zarah pertama kumpulan ini ditemui dalam sinar kosmik, ini adalah K-meson kedua-dua tanda dan K-hyperon (lambda hyperon). Perhatikan bahawa meson mendapat nama mereka daripada bahasa Yunani. "purata, perantaraan" disebabkan oleh fakta bahawa jisim zarah pertama yang ditemui jenis ini (pi-meson, mu-meson) mempunyai perantaraan jisim antara jisim nukleon dan elektron. Hyperon mengambil nama mereka daripada bahasa Yunani. "di atas, lebih tinggi", kerana jisim mereka melebihi jisim nukleon. Penemuan seterusnya zarah aneh dibuat menggunakan pemecut zarah bercas, yang menjadi alat utama untuk mengkaji zarah asas.
Beginilah cara antiproton, antineutron dan beberapa hiperon ditemui. Pada tahun 60-an. Sebilangan besar zarah dengan jangka hayat yang sangat singkat telah ditemui, yang dipanggil resonans. Ternyata, kebanyakan zarah asas yang diketahui tergolong dalam resonans. Pada pertengahan 70-an. keluarga baru zarah asas ditemui, yang menerima nama romantis "terpesona", dan pada awal 80-an - keluarga zarah "cantik" dan boson vektor perantaraan yang dipanggil. Penemuan zarah ini adalah pengesahan cemerlang teori berdasarkan model quark zarah asas, yang meramalkan kewujudan zarah baru lama sebelum ia ditemui.
Oleh itu, pada masa selepas penemuan zarah asas pertama - elektron - banyak (kira-kira 400) mikrozarah jirim ditemui dalam alam semula jadi, dan proses penemuan zarah baru berterusan. Ternyata dunia zarah asas adalah sangat, sangat kompleks, dan sifatnya berbeza-beza dan selalunya sangat tidak dijangka.
Semua zarah asas adalah pembentukan bahan dengan jisim dan saiz yang sangat kecil. Kebanyakan daripada mereka mempunyai jisim mengikut urutan jisim proton (~10 -24 g) dan dimensi tertib 10 -13 m Ini menentukan kekhususan kuantum semata-mata kelakuan mereka. Sifat kuantum yang penting bagi semua zarah asas (termasuk foton kepunyaan mereka) ialah semua proses dengannya berlaku dalam bentuk urutan tindakan pelepasan dan penyerapan (keupayaan untuk dilahirkan dan dimusnahkan apabila berinteraksi dengan zarah lain) . Proses yang melibatkan zarah asas berkaitan dengan semua empat jenis interaksi asas, kuat, elektromagnet, lemah dan graviti. Interaksi yang kuat bertanggungjawab untuk ikatan nukleon dalam nukleus atom. Interaksi elektromagnet memastikan sambungan elektron dengan nukleus dalam atom, serta sambungan atom dalam molekul. Interaksi yang lemah menyebabkan, khususnya, pereputan zarah separa stabil (iaitu, jangka hayat yang agak lama) dengan hayat dalam 10 -12 -10 -14 saat. Interaksi graviti pada jarak ciri zarah asas ~10 -13 cm, disebabkan oleh jisimnya yang kecil, mempunyai keamatan yang sangat rendah, tetapi boleh menjadi ketara pada jarak ultra-pendek. Keamatan interaksi, kuat, elektromagnet, lemah dan graviti - pada tenaga sederhana proses masing-masing adalah 1, 10 -2, 10 -10, 10 -38. Secara umum, apabila tenaga zarah meningkat, nisbah ini berubah.
Zarah asas Mereka dikelaskan mengikut pelbagai kriteria, dan mesti dikatakan bahawa secara umum klasifikasi yang diterima mereka agak rumit.
Bergantung pada penyertaan mereka dalam pelbagai jenis interaksi, semua zarah yang diketahui dibahagikan kepada dua kumpulan utama: hadron dan lepton.
Hadron mengambil bahagian dalam semua jenis interaksi, termasuk yang kuat. Mereka mendapat nama mereka daripada bahasa Yunani. "besar, kuat."
Lepton tidak mengambil bahagian dalam interaksi yang kuat. Nama mereka berasal dari bahasa Yunani. "ringan, nipis", sejak orang ramai dikenali sehingga pertengahan 70-an. zarah kelas ini nyata lebih kecil daripada jisim semua zarah lain (kecuali foton).
Hadron merangkumi semua baryon (sekumpulan zarah dengan jisim tidak kurang daripada jisim proton, dinamakan demikian daripada bahasa Yunani "berat") dan meson. Baryon yang paling ringan ialah proton.
Lepton, khususnya, elektron dan positron, muon bagi kedua-dua tanda, neutrino daripada tiga jenis (zarah neutral elektrik ringan yang hanya mengambil bahagian dalam interaksi lemah dan graviti). Diandaikan bahawa neutrino adalah seperti biasa dalam alam semula jadi seperti foton, dan banyak proses yang berbeza membawa kepada pembentukannya. Ciri khas neutrino ialah kuasa penembusannya yang besar, terutamanya pada tenaga yang rendah. Melengkapkan pengelasan mengikut jenis interaksi, perlu diperhatikan bahawa foton mengambil bahagian hanya dalam interaksi elektromagnet dan graviti. Di samping itu, mengikut model teori yang bertujuan untuk menyatukan semua empat jenis interaksi, terdapat zarah hipotesis yang membawa medan graviti, yang dipanggil graviton. Keanehan graviton ialah ia (mengikut teori) hanya mengambil bahagian dalam interaksi graviti. Perhatikan bahawa teori itu bersambung dengan proses kuantum interaksi graviti dua lagi zarah hipotesis- gravitino dan graviphoton. Pengesanan eksperimen graviti, iaitu, pada asasnya, sinaran graviti, adalah amat sukar kerana interaksinya yang sangat lemah dengan jirim.
Bergantung pada hayatnya, zarah asas dibahagikan kepada stabil, separa stabil dan tidak stabil (resonans).
Zarah stabil ialah elektron (seumur hidup t > 10 21 tahun), proton (t > 10 31 tahun), neutrino dan foton. Zarah yang mereput akibat interaksi elektromagnet dan lemah dianggap seakan-akan stabil; hayatnya ialah t > 10 -20 s. Resonans ialah zarah yang mereput akibat interaksi yang kuat; hayatnya adalah dalam julat 10 -22 ^10 -24 s.
Satu lagi jenis pembahagian zarah asas adalah biasa. Sistem zarah dengan putaran sifar dan integer mematuhi statistik Bose-Einstein, itulah sebabnya zarah tersebut biasanya dipanggil boson. Koleksi zarah dengan putaran separuh integer diterangkan oleh statistik Fermi-Dirac, oleh itu nama zarah tersebut - fermion.
Setiap zarah asas dicirikan oleh set diskret tertentu kuantiti fizik- nombor kuantum. Ciri-ciri biasa kepada semua zarah ialah jisim m, seumur hidup t, putaran J dan cas elektrik Q. Putaran zarah asas mengambil nilai yang sama dengan gandaan integer atau separuh integer pemalar Planck. Caj elektrik zarah adalah gandaan integer bagi cas elektron, yang dianggap sebagai cas elektrik asas.
Di samping itu, zarah asas juga dicirikan oleh apa yang dipanggil nombor kuantum dalaman. Lepton diberikan cas lepton tertentu L = ±1, hadron dengan putaran separuh integer membawa cas baryon B = ±1 (hadron dengan B = 0 membentuk subkumpulan meson).
Ciri kuantum penting hadron ialah pariti dalaman P, yang mengambil nilai ±1 dan mencerminkan sifat simetri fungsi gelombang zarah berkenaan dengan penyongsangan spatial (imej cermin). Walaupun tidak pemuliharaan pariti apabila interaksi yang lemah, zarah dengan ketepatan yang baik mengambil nilai pariti dalaman sama dengan +1 atau -1.
Hadron dibahagikan lagi kepada zarah biasa (proton, neutron, pi-meson), zarah aneh (^-meson, hyperon, beberapa resonans), zarah "terpesona" dan "cantik". Mereka sepadan dengan nombor kuantum khas: keanehan S, daya tarikan C dan kecantikan b. Nombor kuantum ini diperkenalkan mengikut model quark untuk mentafsir ciri proses khusus bagi zarah ini.
Di antara hadron terdapat kumpulan (keluarga) zarah dengan jisim yang sama, nombor kuantum dalaman yang sama, tetapi berbeza dalam cas elektrik. Kumpulan sedemikian dipanggil gandaan isotop dan dicirikan oleh nombor kuantum biasa—putaran isotop, yang, seperti putaran biasa, mengambil nilai integer dan separuh integer.
Apakah model quark hadron yang telah berulang kali disebut?
Penemuan corak pengelompokan hadron menjadi multiplet berfungsi sebagai asas untuk andaian kewujudan formasi struktur khas dari mana hadron dibina - quark. Dengan mengandaikan kewujudan zarah sedemikian, kita boleh menganggap bahawa semua hadron adalah gabungan kuark. Hipotesis yang berani dan produktif secara heuristik ini dikemukakan pada tahun 1964 oleh ahli fizik Amerika Murray Gell-Man. Intipatinya ialah andaian kehadiran tiga zarah asas dengan putaran separuh integer, yang merupakan bahan untuk pembinaan hadron, u-, d- dan s-quark. Selepas itu, berdasarkan data eksperimen baharu, model quark bagi struktur hadron telah ditambah dengan dua lagi quark, "terpesona" (c) dan "cantik" (b). Kewujudan jenis kuark lain dianggap mungkin. Ciri khas quark ialah ia mempunyai nilai pecahan cas elektrik dan baryon, yang tidak terdapat dalam mana-mana zarah yang diketahui. Semua orang bersetuju dengan model quark keputusan eksperimen mengenai kajian zarah asas.
Menurut model quark, baryon terdiri daripada tiga quark, meson - daripada quark dan antiquark. Memandangkan beberapa baryon adalah gabungan tiga quark dalam keadaan yang sama, yang dilarang oleh prinsip Pauli (lihat di atas), setiap jenis ("rasa") quark diberi nombor kuantum dalaman tambahan "warna". Setiap jenis quark ("rasa" - u, d, s, c, b) boleh dalam tiga keadaan "warna". Sehubungan dengan penggunaan konsep warna, teori interaksi kuat quark dipanggil kromodinamik kuantum (dari bahasa Yunani "warna").
Kita boleh mengandaikan bahawa kuark adalah zarah asas baru, dan ia mendakwa sebagai zarah asas untuk bentuk jirim hadronik. Walau bagaimanapun, masalah memerhatikan kuark dan gluon bebas masih tidak dapat diselesaikan. Walaupun carian sistematik dalam sinar kosmik pada pemecut bertenaga tinggi, masih belum dapat mengesannya dalam keadaan bebas. Terdapat sebab yang baik untuk mempercayai bahawa di sini fizik dihadapi fenomena khas alam semula jadi - apa yang dipanggil kurungan kuark.
Intinya ialah terdapat hujah teori dan eksperimen yang serius yang memihak kepada andaian bahawa daya interaksi antara quark tidak melemah dengan jarak. Ini bermakna bahawa lebih banyak tenaga yang tidak terhingga diperlukan untuk memisahkan quark, oleh itu, penampilan quark dalam keadaan bebas adalah mustahil. Keadaan ini memberikan quark status unit struktur jirim yang istimewa sepenuhnya. Mungkin tepat bermula dari kuark bahawa pemerhatian percubaan peringkat pemecahan jirim pada asasnya mustahil. Pengiktirafan quark sebagai objek yang benar-benar wujud dalam dunia material bukan sahaja mewakili satu kes yang menarik tentang keutamaan idea berhubung dengan kewujudan entiti material. Timbul persoalan untuk menyemak semula jadual pemalar dunia asas, kerana cas quark adalah tiga kali kurang daripada cas proton, dan oleh itu elektron.
Sejak penemuan positron, sains telah menemui zarah antimateri. Hari ini adalah jelas bahawa untuk semua zarah asas dengan nilai bukan sifar sekurang-kurangnya satu daripada nombor kuantum, seperti cas elektrik Q, cas lepton L, cas baryon B, keanehan S, daya tarikan C dan kecantikan b, terdapat antizarah dengan nilai jisim yang sama , seumur hidup, putaran, tetapi dengan tanda yang bertentangan dengan nombor kuantum di atas. Zarah diketahui yang sama dengan antizarah mereka dipanggil benar-benar neutral. Contoh zarah yang benar-benar neutral ialah foton dan salah satu daripada tiga pi-meson (dua yang lain adalah zarah dan antizarah dalam hubungan antara satu sama lain).
Ciri ciri interaksi zarah dan antizarah ialah pemusnahannya apabila berlanggar, iaitu pemusnahan bersama dengan pembentukan zarah lain dan pemenuhan undang-undang pemuliharaan tenaga, momentum, cas, dsb. Contoh tipikal penghapusan sesuatu pasangan ialah proses perubahan elektron dan antizarahnya - positron - kepada sinaran elektromagnet (dalam foton atau gamma quanta). Penghapusan pasangan berlaku bukan sahaja apabila interaksi elektromagnet, tetapi juga dengan interaksi yang kuat. Pada tenaga yang tinggi, zarah cahaya boleh memusnahkan untuk membentuk zarah yang lebih berat - dengan syarat itu jumlah tenaga zarah penghapusan melebihi ambang untuk penghasilan zarah berat ( sama dengan jumlah tenaga rehat mereka).
Dengan interaksi yang kuat dan elektromagnet, terdapat simetri lengkap antara zarah dan antizarahnya, iaitu semua proses yang berlaku antara yang pertama juga mungkin untuk yang terakhir. Oleh itu, antiproton dan antineutron boleh membentuk nukleus atom antijirim, iaitu, pada dasarnya, antijirim boleh dibina daripada antizarah. Persoalan yang jelas timbul: jika setiap zarah mempunyai antizarah, maka mengapa tidak ada pengumpulan antimateri di rantau Alam Semesta yang dikaji? Sesungguhnya, kehadiran mereka di Alam Semesta, walaupun di suatu tempat "berhampiran" Alam Semesta, boleh dinilai oleh sinaran penghapusan yang kuat yang datang ke Bumi dari kawasan sentuhan antara jirim dan antijirim. Walau bagaimanapun, astrofizik moden tidak mempunyai data yang membolehkan kita menganggap kehadiran kawasan yang dipenuhi dengan antijirim di Alam Semesta.
Bagaimanakah pilihan yang memihak kepada jirim dan merugikan antijirim berlaku di Alam Semesta, walaupun undang-undang simetri pada dasarnya dipenuhi? Sebab fenomena ini, kemungkinan besar, adalah tepatnya pelanggaran simetri, iaitu, turun naik pada tahap asas-asas jirim.
Satu perkara yang jelas: jika turun naik sedemikian tidak berlaku, nasib Alam Semesta akan menyedihkan - semua jirimnya akan wujud dalam bentuk awan foton yang tidak berkesudahan yang terhasil daripada pemusnahan zarah jirim dan antijirim.
Penembusan lanjut ke dalam kedalaman dunia mikro dikaitkan dengan peralihan dari tahap atom ke tahap zarah asas. Sebagai zarah asas pertama pada akhir abad ke-19. elektron ditemui, dan kemudian pada dekad pertama abad ke-20. – foton, proton, positron dan neutron.
Selepas Perang Dunia Kedua, terima kasih kepada penggunaan teknologi eksperimen moden, dan di atas semua pemecut yang berkuasa, di mana keadaan tenaga tinggi dan kelajuan yang besar dicipta, kewujudan sejumlah besar zarah asas telah ditubuhkan - lebih 300. Antaranya terdapat kedua-duanya ditemui secara eksperimen dan dikira secara teori, termasuk resonans, kuark dan zarah maya.
Penggal zarah asas pada asalnya bermaksud zarah yang paling mudah dan tidak boleh terurai lagi yang mendasari sebarang pembentukan bahan. Kemudian, ahli fizik menyedari keseluruhan konvensyen istilah "elemen" berhubung dengan objek mikro. Sekarang tidak ada keraguan bahawa zarah mempunyai satu struktur atau yang lain, tetapi, bagaimanapun, nama yang ditubuhkan secara sejarah terus wujud.
Ciri-ciri utama zarah asas ialah jisim, cas, purata hayat, putaran dan nombor kuantum.
Jisim berehat zarah asas ditentukan berhubung dengan jisim rehat elektron Terdapat zarah asas yang tidak mempunyai jisim rehat -. foton. Zarah yang tinggal mengikut kriteria ini dibahagikan kepada lepton– zarah cahaya (elektron dan neutrino); meson– zarah sederhana dengan jisim antara satu hingga seribu jisim elektron; baryon– zarah berat yang jisimnya melebihi seribu jisim elektron dan termasuk proton, neutron, hiperon dan banyak resonans.
Caj elektrik adalah satu lagi ciri penting zarah asas. Semua zarah yang diketahui mempunyai cas positif, negatif atau sifar. Setiap zarah, kecuali foton dan dua meson, sepadan dengan antizarah dengan cas yang bertentangan. Sekitar tahun 1963–1964 satu hipotesis dikemukakan tentang kewujudan kuark– zarah dengan cas elektrik pecahan. Hipotesis ini masih belum disahkan secara eksperimen.
Dengan seumur hidup zarah terbahagi kepada stabil Dan tidak stabil . Terdapat lima zarah yang stabil: foton, dua jenis neutrino, elektron dan proton. Ia adalah zarah stabil yang memainkan peranan paling penting dalam struktur badan makro. Semua zarah lain tidak stabil, ia wujud selama kira-kira 10 -10 -10 -24 s, selepas itu ia reput. Zarah asas dengan jangka hayat purata 10–23–10–22 s dipanggil resonans. Oleh kerana jangka hayatnya yang singkat, mereka mereput sebelum mereka meninggalkan atom atau nukleus atom. Keadaan resonan dikira secara teori; ia tidak dapat dikesan dalam eksperimen sebenar.
Selain cas, jisim dan seumur hidup, zarah asas juga diterangkan oleh konsep yang tidak mempunyai analog dalam fizik klasik: konsep belakang . Putaran ialah momentum sudut intrinsik bagi zarah yang tidak dikaitkan dengan pergerakannya. Spin dicirikan oleh nombor kuantum putaran s, yang boleh mengambil nilai integer (±1) atau separuh integer (±1/2). Zarah dengan putaran integer – boson, dengan separuh integer - fermion. Elektron dikelaskan sebagai fermion. Menurut prinsip Pauli, atom tidak boleh mempunyai lebih daripada satu elektron dengan set nombor kuantum yang sama n,m,l,s. Elektron, yang sepadan dengan fungsi gelombang dengan nombor n yang sama, sangat rapat dalam tenaga dan membentuk petala elektron dalam atom. Perbezaan dalam nombor l menentukan "subkulit", nombor kuantum yang selebihnya menentukan pengisiannya, seperti yang dinyatakan di atas.
Dalam ciri-ciri zarah asas terdapat satu lagi idea penting interaksi. Seperti yang dinyatakan sebelum ini, empat jenis interaksi antara zarah asas diketahui: graviti,lemah,elektromagnet Dan kuat(nuklear).
Semua zarah yang mempunyai jisim rehat ( m 0), mengambil bahagian dalam interaksi graviti; yang bercas juga mengambil bahagian dalam interaksi elektromagnet. Lepton juga mengambil bahagian dalam interaksi yang lemah. Hadron mengambil bahagian dalam keempat-empat interaksi asas.
Menurut teori medan kuantum, semua interaksi dilakukan kerana pertukaran zarah maya , iaitu zarah yang kewujudannya hanya boleh dinilai secara tidak langsung, dengan beberapa manifestasinya melalui beberapa kesan sekunder ( zarah sebenar boleh dirakam terus menggunakan instrumen).
Ternyata semua empat jenis interaksi yang diketahui - graviti, elektromagnet, kuat dan lemah - mempunyai sifat tolok dan diterangkan oleh simetri tolok. Iaitu, semua interaksi, seolah-olah, dibuat "daripada tempat kosong yang sama." Ini memberi kita harapan bahawa adalah mungkin untuk mencari "satu-satunya kunci kepada semua kunci yang diketahui" dan menerangkan evolusi Alam Semesta daripada keadaan yang diwakili oleh medan super supersimetri tunggal, dari keadaan di mana perbezaan antara jenis interaksi, antara semua jenis zarah jirim dan medan quanta masih belum muncul.
Terdapat banyak cara untuk mengklasifikasikan zarah asas. Sebagai contoh, zarah dibahagikan kepada fermion (zarah Fermi) - zarah jirim dan boson (zarah Bose) - kuanta medan.
Mengikut pendekatan lain, zarah dibahagikan kepada 4 kelas: foton, lepton, meson, baryon.
foton (quanta medan elektromagnet) mengambil bahagian dalam interaksi elektromagnet, tetapi tidak mempunyai interaksi yang kuat, lemah, atau graviti.
Lepton mendapat nama mereka daripada perkataan Yunani leptos- mudah. Ini termasuk zarah yang tidak mempunyai interaksi yang kuat: muon (μ – , μ +), elektron (е – , у +), neutrino elektron (v e – ,v e +) dan neutrino muon (v – m, v + m). Semua lepton mempunyai putaran ½ dan oleh itu adalah fermion. Semua lepton mempunyai interaksi yang lemah. Mereka yang mempunyai cas elektrik (iaitu muon dan elektron) juga mempunyai daya elektromagnet.
Mesons – zarah tidak stabil yang berinteraksi kuat yang tidak membawa cas baryon yang dipanggil. Antaranya ialah R-meson, atau pion (π +, π –, π 0), KEPADA-meson, atau kaon (K +, K –, K 0), dan ini-mesons (η) . Berat badan KEPADA-meson ialah ~970me (494 MeV untuk dicas dan 498 MeV untuk neutral KEPADA-mesons). Seumur hidup KEPADA-meson mempunyai magnitud tertib 10 –8 s. Mereka hancur untuk membentuk saya-meson dan lepton atau hanya lepton. Berat badan ini-mesons ialah 549 MeV (1074me), jangka hayat adalah kira-kira 10–19 s. ini-meson mereput untuk membentuk π-meson dan γ-foton. Tidak seperti lepton, meson bukan sahaja mempunyai interaksi yang lemah (dan, jika ia dicas, elektromagnet), tetapi juga interaksi yang kuat, yang menunjukkan dirinya apabila mereka berinteraksi antara satu sama lain, serta semasa interaksi antara meson dan baryon. Semua meson mempunyai putaran sifar, jadi ia adalah boson.
Kelas baryon menggabungkan nukleon (p,n) dan zarah tidak stabil dengan jisim lebih besar daripada jisim nukleon, dipanggil hiperon. Semua baryon mempunyai interaksi yang kuat dan, oleh itu, secara aktif berinteraksi dengan nukleus atom. Putaran semua baryon ialah ½, jadi baryon adalah fermion. Kecuali proton, semua baryon tidak stabil. Semasa pereputan baryon, bersama dengan zarah lain, baryon semestinya terbentuk. Corak ini adalah salah satu manifestasi undang-undang pemuliharaan caj baryon.
Sebagai tambahan kepada zarah yang disenaraikan di atas, sejumlah besar zarah jangka pendek yang berinteraksi kuat telah ditemui, yang dipanggil resonans . Zarah ini adalah keadaan resonan yang dibentuk oleh dua atau sebilangan besar zarah asas. Jangka hayat resonans hanya ~ 10 –23 –10 –22 s.
Zarah asas, serta zarah mikro kompleks, boleh diperhatikan terima kasih kepada kesan yang mereka tinggalkan semasa ia melalui jirim. Sifat kesan membolehkan kita menilai tanda cas zarah, tenaga, momentum, dll. Zarah bercas menyebabkan pengionan molekul di sepanjang laluannya. Zarah neutral tidak meninggalkan kesan, tetapi ia boleh mendedahkan diri mereka pada saat pereputan menjadi zarah bercas atau pada saat perlanggaran dengan mana-mana nukleus. Akibatnya, zarah neutral akhirnya juga dikesan oleh pengionan yang disebabkan oleh zarah bercas yang dihasilkannya.
Zarah dan antizarah. Pada tahun 1928, ahli fizik Inggeris P. Dirac berjaya menemui persamaan mekanik kuantum relativistik untuk elektron, yang daripadanya beberapa akibat yang luar biasa berlaku. Pertama sekali, daripada persamaan ini kita perolehi secara semula jadi, tanpa sebarang andaian tambahan, putaran dan nilai angka momen magnet elektron itu sendiri. Oleh itu, ternyata putaran adalah kuantum dan kuantiti relativistik. Tetapi ini tidak menghilangkan kepentingan persamaan Dirac. Ia juga memungkinkan untuk meramalkan kewujudan antizarah elektron - positron. Daripada persamaan Dirac, bukan sahaja nilai positif tetapi juga negatif diperoleh untuk jumlah tenaga elektron bebas. Kajian persamaan menunjukkan bahawa untuk momentum zarah tertentu, terdapat penyelesaian kepada persamaan yang sepadan dengan tenaga: .
Antara yang terhebat tenaga negatif (–m e Dengan 2) dan tenaga positif paling sedikit (+ m e c 2) terdapat selang nilai tenaga yang tidak dapat direalisasikan. Lebar selang ini ialah 2 m e Dengan 2. Akibatnya, dua kawasan nilai eigen tenaga diperolehi: satu bermula dengan + m e Dengan 2 dan memanjang ke +∞, yang lain bermula dari – m e Dengan 2 dan memanjang ke –∞.
Zarah dengan tenaga negatif mesti mempunyai sifat yang sangat aneh. Beralih kepada keadaan dengan tenaga yang semakin berkurangan (iaitu, dengan tenaga negatif meningkat dalam magnitud), ia boleh membebaskan tenaga, katakan, dalam bentuk sinaran, dan, sejak | E| tanpa kekangan, zarah dengan tenaga negatif boleh mengeluarkan jumlah tenaga yang tidak terhingga. Kesimpulan yang sama boleh dicapai dengan cara berikut: dari hubungan E=m e Dengan 2 ia berikutan bahawa zarah dengan tenaga negatif juga akan mempunyai jisim negatif. Di bawah pengaruh daya brek, zarah dengan jisim negatif tidak seharusnya melambatkan, tetapi memecut, melakukan jumlah kerja yang tidak terhingga pada sumber daya brek. Memandangkan kesukaran ini, nampaknya adalah perlu untuk mengakui bahawa negara yang mempunyai tenaga negatif harus dikecualikan daripada pertimbangan sebagai membawa kepada keputusan yang tidak masuk akal. Ini, bagaimanapun, akan bercanggah dengan beberapa prinsip umum mekanik kuantum. Oleh itu, Dirac memilih jalan yang berbeza. Beliau mencadangkan bahawa peralihan elektron kepada keadaan dengan tenaga negatif biasanya tidak diperhatikan kerana semua tahap yang ada dengan tenaga negatif sudah diduduki oleh elektron. 
Menurut Dirac, vakum adalah keadaan di mana semua peringkat tenaga negatif diduduki oleh elektron, dan tahap dengan tenaga positif adalah bebas. Oleh kerana semua peringkat yang terletak di bawah jalur terlarang diduduki tanpa pengecualian, elektron pada tahap ini tidak mendedahkan diri mereka dalam apa jua cara. Jika salah satu elektron yang terletak pada tahap negatif diberi tenaga E≥ 2m e Dengan 2, maka elektron ini akan pergi ke keadaan dengan tenaga positif dan akan berkelakuan seperti biasa, seperti zarah dengan jisim positif dan cas negatif. Zarah pertama yang diramalkan secara teori ini dipanggil positron. Apabila positron bertemu elektron, ia memusnahkan (hilang) - elektron bergerak dari tahap positif ke tahap negatif kosong. Tenaga yang sepadan dengan perbezaan antara tahap ini dikeluarkan dalam bentuk sinaran. Dalam Rajah. 4, anak panah 1 menggambarkan proses penciptaan pasangan elektron-positron, dan anak panah 2 - pemusnahan mereka Istilah "pemusnahan" tidak boleh diambil secara literal. Pada asasnya, apa yang berlaku bukanlah kehilangan, tetapi perubahan beberapa zarah (elektron dan positron) kepada yang lain (γ-foton).
Terdapat zarah yang sama dengan antizarahnya (iaitu, ia tidak mempunyai antizarah). Zarah sedemikian dipanggil neutral mutlak. Ini termasuk foton, π 0 meson dan η meson. Zarah-zarah yang sama dengan antizarahnya tidak mampu dimusnahkan. Ini, bagaimanapun, tidak bermakna bahawa mereka tidak boleh bertukar menjadi zarah lain sama sekali.
Jika baryon (iaitu, nukleon dan hiperon) diberikan caj baryon (atau nombor baryon) DALAM= +1, antibaryon – caj baryon DALAM= –1, dan semua zarah lain mempunyai cas baryon DALAM= 0, maka semua proses yang berlaku dengan penyertaan baryon dan antibaryon akan dicirikan oleh pemuliharaan baryon cas, sama seperti proses dicirikan oleh pemuliharaan cas elektrik. Hukum pemuliharaan cas baryon menentukan kestabilan baryon paling lembut, proton. Transformasi semua kuantiti yang menerangkan sistem fizikal, di mana semua zarah digantikan oleh antizarah (contohnya, elektron dengan proton, dan proton dengan elektron, dll.), dipanggil caj konjugasi.
Zarah pelik.KEPADA-meson dan hyperon ditemui sebagai sebahagian daripada sinar kosmik pada awal 50-an abad XX. Sejak 1953, mereka telah dihasilkan di pemecut. Tingkah laku zarah ini ternyata sangat luar biasa sehingga mereka dipanggil aneh. Tingkah laku luar biasa zarah-zarah pelik adalah bahawa mereka jelas dilahirkan disebabkan oleh interaksi yang kuat dengan masa ciri urutan 10-23 s, dan jangka hayat mereka ternyata dalam urutan 10-8-10-10 s. Keadaan terakhir menunjukkan bahawa pereputan zarah berlaku akibat interaksi yang lemah. Ia sama sekali tidak jelas mengapa zarah-zarah aneh itu hidup begitu lama. Oleh kerana zarah yang sama (π-meson dan proton) terlibat dalam kedua-dua penciptaan dan pereputan λ-hyperon, adalah mengejutkan bahawa kadar (iaitu, kebarangkalian) kedua-dua proses adalah sangat berbeza. Kajian lanjut menunjukkan bahawa zarah aneh dilahirkan secara berpasangan. Ini membawa kepada idea bahawa interaksi yang kuat tidak boleh memainkan peranan dalam pereputan zarah kerana fakta bahawa kehadiran dua zarah aneh diperlukan untuk manifestasinya. Atas sebab yang sama, penciptaan tunggal zarah aneh ternyata mustahil.
Untuk menjelaskan larangan pengeluaran tunggal zarah aneh, M. Gell-Mann dan K. Nishijima memperkenalkan nombor kuantum baru, jumlah nilainya, mengikut andaian mereka, harus dipelihara di bawah interaksi yang kuat. Ini adalah nombor kuantum S telah dinamakan keanehan zarah itu. Dalam interaksi yang lemah, keanehan mungkin tidak dapat dipelihara. Oleh itu, ia hanya dikaitkan dengan zarah yang berinteraksi kuat - meson dan baryon.
Neutrino. Neutrino adalah satu-satunya zarah yang tidak mengambil bahagian dalam interaksi kuat atau elektromagnet. Tidak termasuk interaksi graviti, di mana semua zarah mengambil bahagian, neutrino hanya boleh mengambil bahagian dalam interaksi lemah.
Untuk masa yang lama, ia masih tidak jelas bagaimana neutrino berbeza daripada antineutrino. Penemuan undang-undang pemuliharaan pariti gabungan memungkinkan untuk menjawab soalan ini: mereka berbeza dalam heliks. Di bawah heliksiti hubungan tertentu antara arah impuls difahami R dan kembali S zarah. Helicity dianggap positif jika putaran dan momentum berada dalam arah yang sama. Dalam kes ini, arah pergerakan zarah ( R) dan arah "putaran" yang sepadan dengan putaran membentuk skru tangan kanan. Apabila putaran dan momentum diarahkan secara bertentangan, heliks akan menjadi negatif (pergerakan translasi dan "putaran" membentuk skru tangan kiri). Menurut teori neutrino longitudinal yang dibangunkan oleh Yang, Lee, Landau dan Salam, semua neutrino yang wujud dalam alam semula jadi, tanpa mengira kaedah asalnya, sentiasa terkutub membujur sepenuhnya (iaitu, putarannya diarahkan selari atau antiselari dengan momentum R). Neutrino mempunyai negatif(kiri) helicity (bersesuaian dengan nisbah arah S Dan R, ditunjukkan dalam Rajah. 5 (b), antineutrino – heliksiti positif (tangan kanan) (a). Oleh itu, helicity adalah apa yang membezakan neutrino daripada antineutrino.
nasi. 5. Skema heliks zarah asas
Sistematik zarah asas. Corak yang diperhatikan dalam dunia zarah asas boleh dirumuskan dalam bentuk undang-undang pemuliharaan. Cukup banyak undang-undang sebegitu telah terkumpul. Sebahagian daripada mereka ternyata tidak tepat, tetapi hanya anggaran. Setiap undang-undang pemuliharaan menyatakan simetri tertentu sistem. Undang-undang pengekalan momentum R, momentum sudut L dan tenaga E mencerminkan sifat simetri ruang dan masa: pemuliharaan E adalah akibat daripada kehomogenan masa, pemeliharaan R disebabkan oleh kehomogenan ruang, dan pemeliharaan L– isotropinya. Hukum pemuliharaan pariti dikaitkan dengan simetri antara kanan dan kiri ( R-invarian). Simetri berkenaan dengan konjugasi cas (simetri zarah dan antizarah) membawa kepada pemuliharaan pariti cas ( DENGAN-invarian). Undang-undang pemuliharaan cas elektrik, baryon dan lepton menyatakan simetri khas DENGAN-fungsi. Akhir sekali, undang-undang pemuliharaan putaran isotop mencerminkan isotropik ruang isotop. Kegagalan untuk mematuhi salah satu undang-undang pemuliharaan bermakna pelanggaran jenis simetri yang sepadan dalam interaksi ini.
Dalam dunia zarah asas peraturan berikut terpakai: semua yang tidak dilarang oleh undang-undang pemuliharaan adalah dibenarkan. Yang terakhir memainkan peranan peraturan pengecualian yang mengawal penukaran antara zarah. Pertama sekali, mari kita perhatikan undang-undang pemuliharaan tenaga, momentum dan cas elektrik. Ketiga-tiga hukum ini menerangkan kestabilan elektron. Daripada pemuliharaan tenaga dan momentum, jumlah jisim rehat produk pereputan mestilah kurang daripada jisim rehat zarah reput. Ini bermakna bahawa elektron hanya boleh mereput menjadi neutrino dan foton. Tetapi zarah-zarah ini neutral secara elektrik. Jadi ternyata elektron itu tidak mempunyai sesiapa untuk memindahkan cas elektriknya, jadi ia stabil.
Kuark. Terdapat begitu banyak zarah yang dipanggil asas sehingga keraguan serius telah timbul tentang sifat asasnya. Setiap zarah yang berinteraksi kuat dicirikan oleh tiga nombor kuantum aditif bebas: caj Q, hypercharge U dan caj baryon DALAM. Dalam hal ini, satu hipotesis timbul bahawa semua zarah dibina daripada tiga zarah asas - pembawa cas ini. Pada tahun 1964, Gell-Mann dan, secara bebas daripadanya, ahli fizik Switzerland Zweig mengemukakan hipotesis mengikut mana semua zarah asas dibina daripada tiga zarah yang dipanggil quark. Zarah-zarah ini diberikan nombor kuantum pecahan, khususnya, cas elektrik bersamaan dengan +⅔; –⅓; +⅓ masing-masing untuk setiap tiga quark. Quark ini biasanya ditetapkan dengan huruf U,D,S. Selain quark, antiquark dianggap ( u,d,s). Sehingga kini, 12 quark diketahui - 6 quark dan 6 antiquark. Meson terbentuk daripada pasangan quark-antiquark, dan baryon terbentuk daripada tiga quark. Sebagai contoh, proton dan neutron terdiri daripada tiga kuark, yang menjadikan proton atau neutron tidak berwarna. Sehubungan itu, tiga caj interaksi kuat dibezakan - merah ( R), kuning ( Y) dan hijau ( G).
Setiap quark ditugaskan sama momen magnetik(μV), yang nilainya tidak ditentukan daripada teori. Pengiraan yang dibuat berdasarkan andaian ini memberikan nilai momen magnet μ p untuk proton = μ kv, dan untuk neutron μ n = – ⅔μ persegi
Oleh itu, untuk nisbah momen magnet nilai μ p diperolehi / μn = –⅔, dalam persetujuan yang sangat baik dengan nilai percubaan.
Pada asasnya, warna quark (seperti tanda cas elektrik) mula menyatakan perbezaan sifat yang menentukan tarikan dan tolakan bersama quark. Dengan analogi dengan kuanta medan pelbagai interaksi (foton dalam interaksi elektromagnet, R-meson dalam interaksi kuat, dsb.) zarah yang membawa interaksi antara kuark diperkenalkan. Zarah-zarah ini dipanggil gluon. Mereka memindahkan warna dari satu quark ke yang lain, menyebabkan quark dipegang bersama. Dalam fizik quark, hipotesis kurungan telah dirumuskan (dari bahasa Inggeris. berpantang– penangkapan) quark, mengikut mana mustahil untuk menolak quark dari keseluruhannya. Ia hanya boleh wujud sebagai elemen keseluruhan. Kewujudan quark sebagai zarah sebenar dalam fizik boleh dibuktikan dengan pasti.
Idea quark ternyata sangat membuahkan hasil. Ia membolehkan bukan sahaja untuk mensistematisasikan zarah yang sudah diketahui, tetapi juga untuk meramalkan keseluruhan siri yang baru. Keadaan yang telah berkembang dalam fizik zarah asas mengingatkan situasi yang dicipta dalam fizik atom selepas penemuan undang-undang berkala pada tahun 1869 oleh D. I. Mendelev. Walaupun intipati undang-undang ini dijelaskan hanya kira-kira 60 tahun selepas penciptaan mekanik kuantum, ia memungkinkan untuk mensistematisasikan unsur-unsur kimia yang diketahui pada masa itu dan, sebagai tambahan, membawa kepada ramalan kewujudan unsur-unsur baru dan sifat-sifatnya. . Dengan cara yang sama, ahli fizik telah belajar untuk mensistemkan zarah asas, dan taksonomi yang dibangunkan, dalam kes yang jarang berlaku, memungkinkan untuk meramalkan kewujudan zarah baru dan menjangka sifatnya.
Jadi, pada masa ini, quark dan lepton boleh dianggap benar-benar asas; Terdapat 12 daripadanya, atau bersama-sama dengan anti-chatits - 24. Di samping itu, terdapat zarah yang menyediakan empat interaksi asas (interaction quanta). Terdapat 13 zarah ini: graviton, foton, W± - dan Z-zarah dan 8 gluon.
Teori zarah asas yang sedia ada tidak dapat menunjukkan permulaan siri: atom, nukleus, hadron, kuarkDalam siri ini, setiap struktur bahan yang lebih kompleks termasuk yang lebih ringkas sebagai komponen. Nampaknya, ini tidak boleh berterusan selama-lamanya. Diandaikan bahawa rantaian struktur material yang diterangkan adalah berdasarkan objek yang pada asasnya berbeza. Ditunjukkan bahawa objek sedemikian mungkin tidak berbentuk seperti titik, tetapi memanjang, walaupun formasi yang sangat kecil (~10‑33 cm), dipanggil superstrings. Idea yang diterangkan tidak dapat direalisasikan dalam ruang empat dimensi kami. Bidang fizik ini secara amnya sangat abstrak, dan sangat sukar untuk mencari model visual yang membantu memudahkan persepsi idea yang wujud dalam teori zarah asas. Namun begitu, teori-teori ini membenarkan ahli fizik untuk menyatakan transformasi bersama dan saling bergantung antara objek mikro "paling asas", hubungannya dengan sifat ruang masa empat dimensi. Yang paling menjanjikan adalah apa yang dipanggil M-teori (M – daripada misteri- teka-teki, rahsia). Dia beroperasi ruang dua belas dimensi . Akhirnya, semasa peralihan kepada dunia empat dimensi yang kita anggap secara langsung, semua dimensi "tambahan" "runtuh". Teori-M setakat ini merupakan satu-satunya teori yang memungkinkan untuk mengurangkan empat interaksi asas kepada satu - yang dipanggil kuasa besar. Ia juga penting bahawa teori-M membenarkan kewujudan dunia yang berbeza dan menetapkan keadaan yang memastikan kemunculan dunia kita. Teori-M masih belum cukup berkembang. Adalah dipercayai bahawa perlawanan akhir "teori segala-galanya" berdasarkan teori-M akan dibina pada abad ke-21.
Kementerian Persekutuan Rusia
Institut Undang-undang Saratov
Jabatan PI dan PCTRP
Esei
Mengenai topik: ” Zarah asas ”
Diisi oleh: kumpulan latihan kadet 421
polis persendirian
Sizonenko A.A.
Disemak oleh: guru jabatan
Kuznetsov S.I.
Samara 2002
Rancang
1) pengenalan.
2)
3) Sifat asas zarah asas. Kelas interaksi .
4)
5)
a) Simetri kesatuan.
b) Model kuark hadron
6)
7) Kesimpulan. Beberapa masalah umum teori zarah asas.
pengenalan .
E . h. dalam maksud tepat istilah ini - zarah utama yang tidak dapat diurai, yang mana, dengan andaian, semua jirim terdiri. Dalam konsep "E.h." dalam fizik moden idea entiti primordial yang menentukan segala-galanya dinyatakan sifat yang diketahui dunia material, idea yang berasal dari peringkat awal pembentukan sains semula jadi dan sentiasa memainkan peranan penting dalam perkembangannya.
Konsep "E.h." dibentuk berhubung rapat dengan penubuhan sifat diskret struktur jirim pada tahap mikroskopik. Penemuan pada pergantian abad ke-19-20. pembawa terkecil sifat jirim - molekul dan atom - dan penubuhan fakta bahawa molekul dibina daripada atom, buat pertama kalinya memungkinkan untuk menggambarkan segala-galanya bahan yang diketahui sebagai gabungan bilangan komponen struktur terhingga, walaupun besar - atom. Pengenalpastian lebih lanjut mengenai kehadiran atom konstituen - elektron dan nukleus, pembentukan sifat kompleks nukleus, yang ternyata dibina daripada hanya dua jenis zarah (proton dan neutron) , mengurangkan dengan ketara bilangan unsur diskret yang membentuk sifat jirim, dan memberi alasan untuk menganggap bahawa rantaian bahagian konstituen jirim berakhir dengan pembentukan tanpa struktur diskret - E. ch Andaian sedemikian, secara amnya, adalah ekstrapolasi fakta yang diketahui dan tidak boleh dibuktikan dengan cara yang tegas. Adalah mustahil untuk mengatakan dengan pasti bahawa zarah yang asas dalam pengertian definisi di atas wujud. Proton dan neutron, contohnya, masa yang lama Unsur-unsur yang dianggap sebagai E., ternyata, mempunyai struktur yang kompleks. Kemungkinan tidak boleh diketepikan bahawa jujukan komponen struktur jirim pada asasnya tidak terhingga. Ia juga mungkin ternyata bahawa pernyataan "terdiri daripada ..." pada beberapa peringkat kajian jirim akan menjadi tidak mempunyai kandungan. Dalam kes ini, takrifan "elementary" yang diberikan di atas perlu ditinggalkan. Kewujudan E. ch adalah sejenis postulat, dan menguji kesahihannya adalah salah satu daripada tugas paling penting fizik.
Istilah "E.h." sering digunakan dalam fizik moden bukan dalam makna yang tepat, tetapi kurang tegas - untuk menamakan sekumpulan besar zarah terkecil jirim, tertakluk kepada syarat bahawa ia bukan atom atau nukleus atom (pengecualian adalah nukleus paling ringkas atom hidrogen - proton). Penyelidikan telah menunjukkan bahawa kumpulan zarah ini adalah luar biasa luas. Sebagai tambahan kepada proton (p), neutron (n) dan elektron (e -) yang disebutkan, ia termasuk: foton (g), pi-meson (p), muon (m), neutrino tiga jenis(elektronik v e, muon v m dan berkaitan dengan apa yang dipanggil. lepton berat v t), dipanggil zarah aneh (K-meson dan hyperon) , pelbagai resonans ditemui pada 1974-77 y-zarah, zarah "terpesona", zarah upsilon (¡) dan lepton berat (t + , t -) - dalam jumlah lebih daripada 350 zarah, kebanyakannya tidak stabil. Bilangan zarah yang termasuk dalam kumpulan ini terus berkembang dan kemungkinan besar tidak terhad; Lebih-lebih lagi, kebanyakan zarah yang disenaraikan tidak memenuhi definisi asas asas yang ketat, kerana, menurut konsep moden, ia adalah sistem komposit (lihat di bawah). Penggunaan nama "E.h." kepada semua zarah ini mempunyai sebab sejarah dan dikaitkan dengan tempoh penyelidikan itu (awal 30-an abad ke-20), apabila satu-satunya wakil kumpulan ini yang diketahui ialah proton, neutron, elektron dan zarah medan elektromagnet - foton. Adalah wajar untuk menganggap empat zarah ini sebagai asas, kerana ia berfungsi sebagai asas untuk pembinaan perkara yang mengelilingi kita dan medan elektromagnet yang berinteraksi dengannya, dan struktur kompleks proton dan neutron tidak diketahui.
Penemuan zarah mikroskopik baru bahan secara beransur-ansur memusnahkan gambaran mudah ini. Zarah-zarah yang baru ditemui, bagaimanapun, adalah hampir dalam banyak aspek dengan empat zarah pertama yang diketahui. Sifat penyatuan mereka adalah bahawa mereka semua adalah bentuk khusus kewujudan jirim, tidak dikaitkan dengan nukleus dan atom (kadang-kadang atas sebab ini ia dipanggil "zarah subnuklear"). Walaupun bilangan zarah tersebut tidak begitu besar, kepercayaan kekal bahawa ia memainkan peranan asas dalam struktur jirim, dan ia diklasifikasikan sebagai zarah E. Peningkatan bilangan zarah subnuklear, pengenalan struktur kompleks dalam banyak daripada mereka menunjukkan bahawa mereka, sebagai peraturan, tidak mempunyai sifat asas, tetapi nama tradisional "E. ch." terpelihara untuk mereka.
Selaras dengan amalan yang ditetapkan, istilah "E. h." akan digunakan di bawah sebagai nama am. zarah subnuklear. Dalam kes di mana kita bercakap tentang zarah yang mendakwa sebagai unsur utama jirim, istilah "zarah E. benar" akan digunakan, jika perlu.
Maklumat sejarah ringkas.
Penemuan zarah elektron adalah hasil semula jadi daripada kejayaan umum dalam kajian struktur jirim yang dicapai oleh fizik pada akhir abad ke-19. Ia telah disediakan oleh kajian komprehensif spektrum optik atom, mengkaji fenomena elektrik dalam cecair dan gas, penemuan fotoelektrik, sinar-x, dan radioaktiviti semula jadi, yang menunjukkan kewujudan struktur jirim yang kompleks.
Dari segi sejarah, unsur elektron pertama yang ditemui ialah elektron, pembawa cas elektrik asas negatif dalam atom. Pada tahun 1897, J. J. Thomson menetapkan bahawa apa yang dipanggil. sinar katod dibentuk oleh aliran zarah-zarah kecil yang dipanggil elektron. Pada tahun 1911, E. Rutherford meluluskan zarah alfa daripada sumber radioaktif semula jadi melalui kerajang nipis pelbagai bahan, mendapati bahawa cas positif dalam atom tertumpu dalam pembentukan padat - nukleus, dan pada tahun 1919 dia menemui antara zarah yang tersingkir daripada nukleus atom, proton ialah zarah dengan cas positif tunggal dan jisim 1840 kali lebih besar daripada jisim elektron. Satu lagi zarah yang merupakan sebahagian daripada nukleus, neutron, ditemui pada tahun 1932 oleh J. Chadwick semasa mengkaji interaksi zarah alfa dengan berilium. Neutron mempunyai jisim yang hampir dengan proton, tetapi tidak mempunyai cas elektrik. Penemuan neutron melengkapkan pengenalpastian zarah - unsur struktur atom dan nukleusnya.
Kesimpulan tentang kewujudan zarah medan elektromagnet - foton - berasal dari kerja M. Planck (1900). Dengan mengandaikan bahawa tenaga radiasi elektromagnetik Badan hitam mutlak dikuantisasi, Planck memperoleh formula yang betul untuk spektrum sinaran. Membangunkan idea Planck, A. Einstein (1905) berpendapat bahawa sinaran elektromagnet (cahaya) sebenarnya adalah aliran kuanta individu (foton), dan atas dasar ini menjelaskan undang-undang kesan fotoelektrik. Bukti eksperimen langsung tentang kewujudan foton telah diberikan oleh R. Millikan (1912-1915) dan A. Compton (1922; lihat kesan Compton).
Penemuan neutrino, zarah yang hampir tidak berinteraksi dengan jirim, berasal dari tekaan teori W. Pauli (1930), yang, disebabkan oleh andaian kelahiran zarah sedemikian, memungkinkan untuk menghapuskan kesukaran dengan undang-undang pemuliharaan tenaga dalam proses pereputan beta nukleus radioaktif. Kewujudan neutrino disahkan secara eksperimen hanya pada tahun 1953 (F. Reines dan K. Cowan, Amerika Syarikat).
Dari 30-an hingga awal 50-an. Kajian tentang zarah elektron berkait rapat dengan kajian sinar kosmik. Pada tahun 1932, K. Anderson menemui positron (e +) dalam sinar kosmik - zarah dengan jisim elektron, tetapi dengan cas elektrik positif. Positron ialah antizarah pertama yang ditemui (lihat di bawah). Kewujudan e+ secara langsung diikuti daripada teori relativistik elektron, yang dibangunkan oleh P. Dirac (1928-31) sejurus sebelum penemuan positron. Pada tahun 1936, ahli fizik Amerika K. Anderson dan S. Neddermeyer menemui, semasa mengkaji sinar osmik, muon (kedua-dua tanda cas elektrik) - zarah dengan jisim kira-kira 200 jisim elektron, tetapi sebaliknya menghairankan serupa dalam sifat kepada e -, e + .
Pada tahun 1947, juga dalam sinar kosmik, kumpulan S. Powell menemui p + dan p - meson dengan jisim 274 jisim elektron, yang memainkan peranan penting dalam interaksi proton dengan neutron dalam nukleus. Kewujudan zarah tersebut telah dicadangkan oleh H. Yukawa pada tahun 1935.
Lewat 40an - awal 50an. telah ditandakan dengan penemuan sekumpulan besar zarah dengan sifat luar biasa, yang dipanggil "pelik". Zarah pertama kumpulan ini, K + - dan K - -meson, L-, S + -, S - -, X - - hiperon, ditemui dalam sinar kosmik, penemuan zarah aneh seterusnya dibuat pada pemecut - pemasangan yang mencipta aliran sengit proton dan elektron yang laju. Apabila proton dan elektron dipercepatkan berlanggar dengan jirim, mereka melahirkan zarah elektron baru, yang menjadi subjek kajian.
Sejak awal 50-an. pemecut menjadi alat utama untuk mengkaji zarah elektron Pada tahun 70-an. Tenaga zarah yang dipercepatkan dalam pemecut berjumlah puluhan dan ratusan bilion elektronvolt ( Gav). Keinginan untuk meningkatkan tenaga zarah adalah disebabkan oleh fakta bahawa tenaga yang tinggi membuka kemungkinan mengkaji struktur jirim pada jarak yang lebih pendek, semakin tinggi tenaga zarah yang berlanggar. Pemecut telah meningkatkan dengan ketara kadar mendapatkan data baharu dan jangka pendek mengembangkan dan memperkaya pengetahuan kita tentang sifat-sifat dunia mikro. Penggunaan pemecut untuk mengkaji zarah-zarah pelik memungkinkan untuk mengkaji sifatnya dengan lebih terperinci, khususnya ciri-ciri pereputannya, dan tidak lama kemudian membawa kepada penemuan penting: menjelaskan kemungkinan mengubah ciri-ciri beberapa mikroproses semasa operasi cermin refleksi (lihat penyongsangan ruang) - kononnya pelanggaran ruang. pariti (1956). Pentauliahan pemecut proton dengan tenaga dalam berbilion-bilion ev membenarkan penemuan antizarah berat: antiproton (1955), antineutron (1956), antisigma hyperon (1960). Pada tahun 1964, hyperon yang paling berat, W - (dengan jisim kira-kira dua jisim proton) ditemui. Pada tahun 1960-an Sebilangan besar zarah yang sangat tidak stabil (berbanding dengan zarah elektron tidak stabil lain), yang dipanggil "resonans," ditemui pada pemecut. Jisim kebanyakan resonans melebihi jisim proton. Yang pertama daripada mereka, D 1 (1232), telah diketahui sejak 1953. Ternyata resonans membentuk bahagian utama frekuensi elektron.
Pada tahun 1962, didapati bahawa terdapat dua neutrino berbeza: elektron dan muon. Pada tahun 1964 dalam pereputan K-mesons neutral. bukan pemeliharaan apa yang dipanggil pariti gabungan (diperkenalkan oleh Li Tsung-dao dan Yang Zhen-ning dan secara bebas oleh L. D. Landau pada tahun 1956; lihat Penyongsangan gabungan) , bermakna keperluan untuk menyemak semula pandangan biasa tentang kelakuan proses fizikal semasa operasi refleksi masa (lihat Teorem CPT) .
Pada tahun 1974, besar-besaran (3-4 jisim proton) dan pada masa yang sama zarah-y yang agak stabil ditemui, dengan jangka hayat yang luar biasa panjang untuk resonans. Mereka ternyata berkait rapat dengan keluarga baru zarah elektron - yang "terpesona", wakil pertama yang (D 0, D +, L c) ditemui pada tahun 1976. Pada tahun 1975, maklumat pertama diperolehi mengenai kewujudan analog berat elektron dan muon (lepton t berat). Pada tahun 1977, zarah-β dengan jisim kira-kira sepuluh jisim proton ditemui.
Oleh itu, selama bertahun-tahun sejak penemuan elektron, sejumlah besar zarah mikro jirim yang berbeza telah dikenal pasti. Dunia E. h ternyata agak kompleks. Sifat-sifat zarah elektron yang ditemui adalah tidak dijangka dalam banyak aspek Untuk menerangkannya, sebagai tambahan kepada ciri-ciri yang dipinjam daripada fizik klasik, seperti cas elektrik, jisim, dan momentum sudut, adalah perlu untuk memperkenalkan banyak ciri khas baru, khususnya. untuk menerangkan zarah elektron pelik - keanehan (K. Nishijima, M. Gell-Man, 1953), "terpesona" oleh E. . h. - "pesona" (ahli fizik Amerika J. Bjorken, S. Glashow, 1964); Nama-nama ciri yang diberikan sudah mencerminkan sifat luar biasa sifat unsur yang diterangkannya.
belajar struktur dalaman dari langkah pertamanya, perkembangan jirim dan sifat tenaga disertai dengan semakan radikal terhadap banyak konsep dan idea yang telah ditetapkan. Undang-undang yang mengawal tingkah laku jirim dalam kecil ternyata sangat berbeza daripada undang-undang mekanik klasik dan elektrodinamik sehingga mereka memerlukan yang benar-benar baru untuk penerangannya. pembinaan teori. Pembinaan asas baharu tersebut dalam teori ialah teori relativiti (khusus) dan umum (A. Einstein, 1905 dan 1916; lihat teori Relativiti, Graviti) dan mekanik kuantum (1924-27; N. Bohr, L. de Broglie, V. . Heisenberg, E. Schrödinger, M. Born) . Teori relativiti dan mekanik kuantum menandakan revolusi sebenar dalam sains alam dan meletakkan asas untuk menerangkan fenomena alam mikro. Walau bagaimanapun, mekanik kuantum ternyata tidak mencukupi untuk menerangkan proses yang berlaku dalam zarah elektron. Langkah seterusnya diperlukan - kuantisasi medan klasik (yang dipanggil kuantisasi sekunder) dan pembangunan teori medan kuantum. Peringkat yang paling penting di laluan perkembangannya ialah: perumusan elektrodinamik kuantum (P. Dirac, 1929), teori kuantum pereputan b (E. Fermi, 1934), yang meletakkan asas bagi teori moden interaksi lemah, mesodinamik kuantum (Yukawa, 1935). Pendahulu segera yang terakhir adalah yang dipanggil. b-teori daya nuklear (I.E. Tamm, D.D. Ivanenko, 1934; lihat Interaksi yang kuat). Tempoh ini berakhir dengan penciptaan radas pengkomputeran yang konsisten untuk elektrodinamik kuantum (S. Tomonaga, R. Feynman, J. Schwinger; 1944-49), berdasarkan penggunaan teknik penormalan semula (lihat teori medan Kuantum). Teknik ini kemudiannya digeneralisasikan kepada varian lain teori medan kuantum.
Teori medan kuantum terus berkembang dan bertambah baik dan merupakan asas untuk menerangkan interaksi zarah elektron Teori ini mempunyai beberapa kejayaan yang ketara, namun ia masih jauh dari lengkap dan tidak boleh mendakwa sebagai teori zarah elektron yang komprehensif. Asal-usul banyak sifat elektron h dan sifat interaksi yang wujud sebahagian besarnya masih tidak jelas. Ada kemungkinan bahawa lebih daripada satu penstrukturan semula semua idea dan pemahaman yang lebih mendalam tentang hubungan antara sifat-sifat mikrozarah dan sifat geometri ruang-masa akan diperlukan sebelum teori zarah elektron akan dibina.
Sifat asas zarah asas. Kelas interaksi.
Semua zarah elektron adalah objek dengan jisim dan saiz yang sangat kecil. Kebanyakannya mempunyai jisim mengikut susunan jisim proton, bersamaan dengan 1.6×10 -24 g (hanya jisim elektron yang ketara lebih kecil: 9×10 -28 g). Saiz proton, neutron, dan p-meson yang ditentukan secara eksperimen adalah sama mengikut magnitud hingga 10 -13 cm Saiz elektron dan muon tidak dapat ditentukan hanya ianya kurang daripada 10 -15 cm. Jisim dan saiz mikroskopik zarah elektron membentuk kekhususan kuantum asas kelakuannya. Panjang gelombang ciri yang harus dikaitkan dengan zarah elektron dalam teori kuantum (, di mana - pemalar Planck, m - jisim zarah, c - kelajuan cahaya) adalah hampir mengikut urutan magnitud dengan dimensi tipikal di mana interaksinya berlaku (contohnya, untuk p-meson 1.4 × 10 -13 cm). Ini membawa kepada fakta bahawa hukum kuantum adalah penentu bagi zarah elektron.
Sifat kuantum yang paling penting bagi semua zarah elektron ialah keupayaannya untuk dicipta dan dimusnahkan (dipancarkan dan diserap) apabila berinteraksi dengan zarah lain. Dalam hal ini, ia sama sepenuhnya dengan foton. E. zarah ialah kuanta jirim tertentu, lebih tepat lagi, kuanta medan fizikal yang sepadan (lihat di bawah). Semua proses yang melibatkan zarah elektron diteruskan melalui urutan tindakan penyerapan dan pelepasan. Hanya atas dasar ini seseorang boleh memahami, sebagai contoh, proses kelahiran p + meson dalam perlanggaran dua proton (p + p ® p + n+ p +) atau proses penghapusan elektron dan positron, apabila bukannya zarah yang hilang, contohnya, dua g-quanta muncul ( e + +e - ® g + g). Tetapi proses penyerakan elastik zarah, contohnya e - +p ® e - + p, juga dikaitkan dengan penyerapan zarah awal dan kelahiran zarah akhir. Pereputan zarah elektron yang tidak stabil menjadi zarah yang lebih ringan, disertai dengan pembebasan tenaga, mengikut corak yang sama dan merupakan proses di mana produk pereputan dilahirkan pada saat pereputan itu sendiri dan tidak wujud sehingga saat itu. Dalam hal ini, pereputan zarah elektron adalah serupa dengan pereputan atom teruja menjadi atom dalam keadaan dasar dan foton. Contoh pereputan elektrokimia termasuk: ; p + ® m + + v m ; К + ® p + + p 0 (tanda "tilde" di atas simbol zarah selepas ini menandakan antizarah yang sepadan).
Pelbagai proses dengan E. h berbeza dengan ketara dalam keamatan kejadiannya. Selaras dengan ini, interaksi zarah elektromagnet boleh dibahagikan secara fenomenologi kepada beberapa kelas: interaksi kuat, elektromagnet dan lemah. Semua zarah elektron juga mempunyai interaksi graviti.
Interaksi yang kuat dikenal pasti sebagai interaksi yang menimbulkan proses yang berlaku dengan intensiti yang paling besar di antara semua proses lain. Mereka juga membawa kepada sambungan yang kuat E. h. Interaksi kuat yang menentukan sambungan proton dan neutron dalam nukleus atom dan memberikan kekuatan luar biasa bagi pembentukan ini, yang mendasari kestabilan jirim di bawah keadaan daratan.
Interaksi elektromagnet dicirikan sebagai interaksi yang berdasarkan sambungan dengan medan elektromagnet. Proses yang disebabkan oleh mereka adalah kurang sengit daripada proses interaksi yang kuat, dan hubungan antara daya elektron yang dihasilkan oleh mereka adalah lebih lemah. Interaksi elektromagnet khususnya bertanggungjawab untuk komunikasi elektron atom dengan nukleus dan sambungan atom dalam molekul.
Interaksi yang lemah, seperti yang ditunjukkan oleh namanya, menyebabkan proses yang berlaku dengan sangat perlahan dengan zarah elektron. Keamatan rendah mereka boleh digambarkan oleh fakta bahawa neutrino, yang hanya mempunyai interaksi yang lemah, menembusi tanpa halangan, contohnya, ketebalan Bumi dan Matahari. . Interaksi yang lemah juga menyebabkan pereputan perlahan yang dipanggil. zarah elektron seakan stabil Jangka hayat zarah ini terletak dalam julat 10 -8 -10 -10 saat, manakala masa biasa untuk interaksi kuat zarah elektron ialah 10 -23 -10 -24 saat.
Interaksi graviti, yang terkenal dengan manifestasi makroskopiknya, dalam kes zarah elektron pada jarak ciri ~10 -13 cm menghasilkan kesan yang sangat kecil disebabkan oleh jisim zarah elektron yang kecil.
Kekuatan pelbagai kelas interaksi boleh lebih kurang dicirikan oleh parameter tak berdimensi yang dikaitkan dengan kuasa dua pemalar interaksi yang sepadan. Untuk interaksi kuat, elektromagnet, lemah dan graviti proton dengan purata tenaga proses ~1 GeV, parameter ini berkorelasi sebagai 1:10 -2: l0 -10:10 -38. Keperluan untuk menunjukkan tenaga purata proses adalah disebabkan oleh fakta bahawa untuk interaksi yang lemah parameter tanpa dimensi bergantung pada tenaga. Di samping itu, keamatan pelbagai proses itu sendiri bergantung secara berbeza pada tenaga. Ini membawa kepada hakikat bahawa peranan relatif pelbagai interaksi, secara amnya, berubah dengan peningkatan tenaga zarah berinteraksi, jadi pembahagian interaksi ke dalam kelas, berdasarkan perbandingan keamatan proses, dijalankan dengan pasti pada tenaga yang tidak terlalu tinggi. Walau bagaimanapun, kelas interaksi yang berbeza juga mempunyai ciri khusus lain yang dikaitkan dengan sifat simetri yang berbeza (lihat Simetri dalam fizik), yang menyumbang kepada pemisahan mereka pada tenaga yang lebih tinggi. Sama ada pembahagian interaksi ke dalam kelas ini akan dikekalkan dalam had tenaga tertinggi masih tidak jelas.
Bergantung pada penyertaan mereka dalam jenis interaksi tertentu, semua zarah elektron yang dikaji, kecuali foton, dibahagikan kepada dua kumpulan utama: hadron (dari bahasa Yunani hadros - besar, kuat) dan lepton (dari bahasa Yunani leptos - kecil, nipis, ringan). Hadron dicirikan terutamanya oleh fakta bahawa mereka mempunyai interaksi yang kuat, bersama-sama dengan interaksi elektromagnet dan lemah, manakala lepton hanya mengambil bahagian dalam interaksi elektromagnet dan lemah. (Kehadiran interaksi graviti yang biasa kepada kedua-dua kumpulan adalah tersirat.) Jisim hadron adalah hampir mengikut urutan magnitud dengan jisim proton (m p); P-meson mempunyai jisim minimum antara hadron: t p "m 1/7×t p. Jisim lepton yang diketahui sebelum 1975-76 adalah kecil (0.1 m p), namun, data terkini nampaknya menunjukkan kemungkinan kewujudan lepton berat dengan jisim yang sama dengan hadron Wakil hadron yang pertama dikaji ialah proton dan neutron, elektron, yang hanya mempunyai interaksi elektromagnet, tidak boleh dikelaskan sebagai hadron atau lepton dan harus dikelaskan sebagai kumpulan yang berasingan idea yang dibangunkan pada tahun 70-an, foton (zarah dengan jisim rehat sifar) termasuk dalam kumpulan yang sama dengan zarah yang sangat besar - boson vektor perantaraan yang dipanggil, yang bertanggungjawab untuk interaksi yang lemah dan belum lagi diperhatikan secara eksperimen (lihat bahagian Zarah asas dan teori medan kuantum).
Ciri-ciri zarah asas.
Setiap elemen, bersama-sama dengan interaksi khusus yang wujud di dalamnya, diterangkan oleh satu set nilai diskret kuantiti fizik tertentu, atau ciri-cirinya. Dalam sesetengah kes, nilai diskret ini dinyatakan melalui nombor integer atau pecahan dan beberapa faktor sepunya - satu unit ukuran; Nombor-nombor ini disebut sebagai nombor kuantum E. nombor dan hanya mereka yang dinyatakan, mengetepikan unit ukuran.
Ciri-ciri umum Semua zarah elektron adalah jisim (m), seumur hidup (t), putaran (J), dan cas elektrik (Q). Masih belum ada kefahaman yang mencukupi tentang undang-undang di mana jisim zarah elektron diagihkan dan sama ada terdapat sebarang unit ukuran untuknya.
Bergantung pada jangka hayat, zarah elektron dibahagikan kepada stabil, kuasi-stabil, dan tidak stabil (resonans). Stabil, dalam ketepatan ukuran moden, ialah elektron (t > 5×10 21 tahun), proton (t > 2×10 30 tahun), foton dan neutrino. Zarah separa stabil termasuk zarah yang reput akibat interaksi elektromagnet dan lemah. Hayat mereka ialah > 10 -20 saat (untuk neutron percuma walaupun ~ 1000 saat). Zarah asas yang mereput kerana interaksi yang kuat dipanggil resonans. mereka masa ciri hayat 10 -23 -10 -24 saat. Dalam sesetengah kes, pereputan resonans berat (dengan jisim ³ 3 GeV) disebabkan oleh interaksi yang kuat ditindas dan jangka hayat meningkat kepada nilai ~10 -20 saat.
Putaran E. h ialah nombor bulat atau gandaan separuh integer bagi nilai itu. Dalam unit ini, putaran p- dan K-mesons ialah 0, untuk proton, neutron dan elektron J = 1/2, untuk foton J = 1. Terdapat zarah dengan putaran yang lebih tinggi. Magnitud putaran zarah elektron menentukan kelakuan ensembel zarah yang sama (serupa), atau statistiknya (W. Pauli, 1940). Zarah putaran separuh integer mematuhi statistik Fermi-Dirac (oleh itu dinamakan fermion), yang memerlukan antisimetri fungsi gelombang sistem berkenaan dengan pilih atur sepasang zarah (atau bilangan pasangan ganjil) dan, oleh itu, "melarang" dua zarah putaran separuh integer daripada berada dalam keadaan yang sama (prinsip Pauli). Zarah putaran integer tertakluk kepada statistik Bose-Einstein (oleh itu dinamakan boson), yang memerlukan simetri fungsi gelombang berkenaan dengan pilih atur zarah dan membenarkan sebarang bilangan zarah berada dalam keadaan yang sama. Sifat statistik zarah elektron ternyata penting dalam kes di mana beberapa zarah yang sama terbentuk semasa kelahiran atau pereputan. Statistik Fermi-Dirac juga memainkan peranan yang sangat penting dalam struktur nukleus dan menentukan corak pengisian dengan elektron. cengkerang atom, yang mendasari sistem berkala unsur D.I.
Caj elektrik bagi zarah E. yang dikaji ialah gandaan integer bagi nilai e "1.6 × 10 -19 k, dan dipanggil cas elektrik asas. Untuk zarah E. yang diketahui Q = 0, ±1, ±2.
Sebagai tambahan kepada kuantiti yang ditunjukkan, zarah tenaga juga dicirikan oleh beberapa nombor kuantum dan dipanggil dalaman. Lepton membawa cas lepton tertentu L daripada dua jenis: elektronik (L e) dan muonik (L m); L e = +1 untuk neutrino elektron dan elektron, L m = +1 untuk muon negatif dan neutrino muon. Lepton berat t; dan neutrino yang dikaitkan dengannya, nampaknya, adalah pembawa jenis baru cas lepton L t.
Untuk hadron L = 0, dan ini adalah satu lagi manifestasi perbezaan mereka daripada lepton. Sebaliknya, bahagian penting hadron harus dikaitkan dengan caj baryon khas B (|E| = 1). Hadron dengan B = +1 membentuk subkumpulan baryon (ini termasuk proton, neutron, hiperon, resonans baryon), dan hadron dengan B = 0 membentuk subkumpulan meson (p- dan K-mesons, resonans boson). Nama subkumpulan hadron berasal dari perkataan Yunani barýs - berat dan mesos - sederhana, yang peringkat awal Penyelidikan E. Ch mencerminkan nilai perbandingan jisim baryon dan meson yang diketahui pada masa itu. Data kemudian menunjukkan bahawa jisim baryon dan meson adalah setanding. Untuk lepton B = 0. Untuk foton B = 0 dan L = 0.
Baryon dan meson dibahagikan kepada agregat yang telah disebutkan: zarah biasa (bukan pelik) (proton, neutron, p-meson), zarah pelik (hiperon, K-meson) dan zarah terpesona. Pembahagian ini sepadan dengan kehadiran nombor kuantum khas dalam hadron: keanehan S dan daya tarikan (azimat Inggeris) Ch dengan nilai yang boleh diterima: 151 = 0, 1, 2, 3 dan |Ch| = 0, 1, 2, 3. Untuk zarah biasa S = 0 dan Ch = 0, untuk zarah pelik |S| ¹ 0, Ch = 0, untuk zarah terpesona |Ch| ¹ 0 dan |S| = 0, 1, 2. Daripada keanehan, hypercharge nombor kuantum Y = S + B sering digunakan, yang nampaknya mempunyai makna yang lebih asas.
Kajian pertama dengan hadron biasa mendedahkan kehadiran di kalangan mereka keluarga zarah yang serupa dalam jisim, dengan sangat sifat yang serupa berkenaan dengan interaksi yang kuat, tetapi dengan nilai cas elektrik yang berbeza. Proton dan neutron (nukleon) adalah contoh pertama keluarga sedemikian. Kemudian, keluarga yang serupa ditemui di kalangan pelik dan (pada tahun 1976) di kalangan hadron yang terpesona. Kesamaan sifat zarah yang termasuk dalam keluarga tersebut adalah gambaran kewujudan di dalamnya nilai yang sama dari nombor kuantum khas - putaran isotop I, yang, seperti putaran biasa, mengambil nilai integer dan separuh integer. Keluarga itu sendiri biasanya dipanggil multipel isotop. Bilangan zarah dalam gandaan (n) dikaitkan dengan I dengan hubungan: n = 2I + 1. Zarah satu gandaan isotop berbeza antara satu sama lain dalam nilai "unjuran" putaran isotop I 3, dan
Ciri penting hadron juga ialah pariti dalaman P, dikaitkan dengan operasi ruang, penyongsangan: P mengambil nilai ±1.
Untuk semua zarah elektron dengan nilai bukan sifar sekurang-kurangnya satu cas O, L, B, Y (S) dan daya tarikan Ch, terdapat antizarah dengan nilai jisim m yang sama, t seumur hidup, putaran J dan untuk hadron putaran isotop 1, tetapi dengan tanda berlawanan bagi semua cas dan untuk baryon dengan tanda berlawanan pariti dalaman P. Zarah yang tidak mempunyai antizarah dipanggil neutral mutlak (benar-benar). Hadron neutral mutlak mempunyai nombor kuantum khas - pariti cas (iaitu pariti berkenaan dengan operasi konjugasi cas) C dengan nilai ±1; contoh zarah tersebut ialah foton dan p 0 .
Nombor kuantum elektron dibahagikan kepada tepat (iaitu, yang dikaitkan dengan kuantiti fizik yang dipelihara dalam semua proses) dan tidak tepat (yang mana kuantiti fizik yang sepadan tidak dipelihara dalam beberapa proses). Spin J berkaitan dengan undang-undang yang ketat pemuliharaan momentum sudut dan oleh itu merupakan nombor kuantum yang tepat. Nombor kuantum tepat lain: Q, L, B; Menurut data moden, ia dikekalkan semasa semua transformasi unsur elektron Kestabilan proton adalah ungkapan langsung pemuliharaan B (contohnya, tiada pereputan p ® e + + g). Walau bagaimanapun, kebanyakan nombor kuantum hadron adalah tidak tepat. Putaran isotopik, semasa dipelihara dalam interaksi kuat, tidak dipelihara dalam interaksi elektromagnet dan lemah. Keanehan dan daya tarikan dikekalkan dalam interaksi yang kuat dan elektromagnet, tetapi tidak dalam interaksi yang lemah. Interaksi yang lemah juga mengubah pariti dalaman dan caj. Pariti gabungan CP dikekalkan dengan tahap ketepatan yang lebih tinggi, tetapi ia juga dilanggar dalam beberapa proses yang disebabkan oleh interaksi yang lemah. Sebab-sebab yang menyebabkan tidak pemuliharaan banyak nombor kuantum hadron adalah tidak jelas dan, nampaknya, dikaitkan dengan sifat nombor kuantum ini dan dengan struktur mendalam interaksi elektromagnet dan lemah. Pemuliharaan atau bukan pemuliharaan nombor kuantum tertentu adalah salah satu manifestasi ketara perbezaan dalam kelas interaksi zarah elektron.
Pengelasan zarah asas.
Simetri kesatuan. Klasifikasi lepton belum lagi menimbulkan sebarang masalah; bilangan hadron yang besar, yang telah diketahui pada awal 50-an, menyediakan asas untuk mencari pola dalam pengedaran jisim dan bilangan kuantum baryon dan meson, yang boleh menjadi asas. untuk klasifikasi mereka. Pengenalpastian gandaan isotop hadron adalah langkah pertama di laluan ini. Dari sudut pandangan matematik, pengelompokan hadron ke dalam gandaan isotop mencerminkan kehadiran simetri yang dikaitkan dengan kumpulan putaran (lihat Kumpulan) , lebih formal, dengan kumpulan S.U.(2) - sekumpulan transformasi kesatuan dalam ruang dua dimensi yang kompleks. Diandaikan bahawa transformasi ini beroperasi dalam beberapa ruang dalaman tertentu - "ruang isotop", berbeza daripada yang biasa. Kewujudan ruang isotop dimanifestasikan hanya dalam sifat simetri yang boleh diperhatikan. Dalam bahasa matematik, gandaan isotop ialah perwakilan yang tidak boleh dikurangkan bagi kumpulan simetri S.U. (2).
Konsep simetri sebagai faktor yang menentukan kewujudan pelbagai kumpulan dan keluarga zarah elektron dalam teori moden adalah dominan dalam klasifikasi hadron dan zarah elektron lain Ia diandaikan bahawa nombor kuantum dalaman zarah elektron, yang memungkinkan untuk membezakan kumpulan zarah tertentu, dikaitkan dengan jenis simetri khas yang timbul kerana kebebasan transformasi dalam ruang "dalaman" khas. Di sinilah nama "nombor kuantum dalaman" berasal.
Pemeriksaan yang teliti menunjukkan bahawa hadron pelik dan biasa bersama-sama membentuk persatuan zarah yang lebih luas dengan sifat yang serupa daripada gandaan isotop. Mereka dipanggil supermultiplets. Bilangan zarah yang termasuk dalam supermultiplet yang diperhatikan ialah 8 dan 10. Dari sudut simetri, kemunculan supermultiplets ditafsirkan sebagai manifestasi kewujudan kumpulan simetri dalam hadron yang lebih luas daripada kumpulan itu. S.U.(2), iaitu: S.U.(3) - kumpulan transformasi kesatuan dalam ruang kompleks tiga dimensi (M. Gell-Man dan secara bebas Y. Neeman, 1961). Simetri yang sepadan dipanggil simetri kesatuan. Kumpulan S.U.(3) mempunyai, khususnya, perwakilan tidak boleh dikurangkan dengan bilangan komponen 8 dan 10, sepadan dengan supermultiplet yang diperhatikan: oktet dan decuplet. Contohnya termasuk kumpulan zarah berikut dengan nilai yang sama JP:
Biasa kepada semua zarah dalam supermultiplet ialah nilai dua kuantiti, yang, mengikut sifat matematik adalah hampir dengan putaran isotop dan oleh itu sering dipanggil putaran kesatuan. Untuk oktet, nilai nombor kuantum yang dikaitkan dengan kuantiti ini adalah sama dengan (1, 1), untuk decuplet - (3, 0).
Simetri unitari kurang tepat daripada simetri isotop. Selaras dengan ini, perbezaan jisim zarah yang termasuk dalam oktet dan decuplet adalah agak ketara. Atas sebab yang sama, pembahagian hadron kepada supermultiplet adalah agak mudah untuk zarah elektron yang tidak berjisim sangat tinggi. Pada jisim yang besar, apabila terdapat banyak zarah yang berbeza dengan jisim yang sama, pembahagian ini kurang boleh dipercayai. Walau bagaimanapun, dalam sifat zarah asas terdapat banyak manifestasi simetri kesatuan yang berbeza.
Kemasukan hadron terpesona dalam sistematik zarah asas membolehkan kita bercakap tentang supersupermultiplets dan kewujudan simetri yang lebih luas yang dikaitkan dengan kumpulan unitari S.U.(4). Belum ada contoh supersupermultiplet yang diisi sepenuhnya. S.U.(4)-simetri rosak lebih kuat daripada S.U.(3)-simetri, dan manifestasinya kurang jelas.
Penemuan sifat simetri dalam hadron yang dikaitkan dengan kumpulan unitari dan corak pembahagian ke dalam gandaan yang sepadan dengan perwakilan yang ditakrifkan dengan ketat bagi kumpulan ini adalah asas untuk kesimpulan tentang kewujudan unsur struktur khas dalam hadron - quark.
Model kuark hadron. Dari langkah pertamanya, pembangunan kerja pada klasifikasi hadron disertai dengan percubaan untuk mengenal pasti di antara mereka zarah yang lebih asas daripada yang lain, yang boleh menjadi asas untuk pembinaan semua hadron. Barisan penyelidikan ini telah dimulakan oleh E. Fermi dan Yang Chen-ning (1949), yang mencadangkan bahawa zarah asas tersebut ialah nukleon (N) dan antinukleon (), dan p-meson ialah keadaan terikatnya (). Dengan perkembangan selanjutnya idea ini, baryon pelik juga termasuk di antara zarah asas (M. A. Markov, 1955; ahli fizik Jepun S. Sakata, 1956; L. B. Okun, 1957). Model yang dibina atas dasar ini menerangkan gandaan meson dengan baik, tetapi tidak memberikan penerangan yang betul tentang gandaan baryon. Elemen paling penting dalam model ini - penggunaan sebilangan kecil fermion untuk "membina" hadron - dimasukkan secara organik dalam model yang paling berjaya menyelesaikan masalah menggambarkan semua hadron - model quark (ahli fizik Austria G. Zweig dan secara bebas M. Gell-Man, 1964).
Dalam versi asal, model itu berdasarkan andaian bahawa semua hadron yang diketahui dibina daripada tiga jenis zarah putaran 1/2, dipanggil p-, n-, l-quark, yang tidak tergolong dalam bilangan hadron yang diperhatikan dan mempunyai sifat yang sangat luar biasa. Nama "quarks" dipinjam daripada novel oleh J. Joyce (lihat Quarks) . Versi moden model mengandaikan kewujudan sekurang-kurangnya empat jenis quark. Quark keempat diperlukan untuk menggambarkan hadron yang terpesona.
Idea kuark dicadangkan oleh simetri kesatuan. Struktur matematik kumpulan unitari membuka kemungkinan untuk menerangkan semua perwakilan kumpulan S.U. (n) (dan dengan itu semua gandaan hadron) berdasarkan perwakilan kumpulan termudah yang mengandungi n komponen. Dalam kes kumpulan S.U.(3) terdapat tiga komponen tersebut. Ia hanya perlu untuk menganggap kewujudan zarah yang dikaitkan dengan perwakilan paling mudah ini. Zarah ini adalah quark. Komposisi kuark meson dan baryon disimpulkan daripada fakta bahawa supermultiplets meson mengandungi, sebagai peraturan, 8 zarah, dan baryon - 8 dan 10 zarah. Corak ini mudah dihasilkan semula jika kita mengandaikan bahawa meson terdiri daripada kuark q dan antiquark - secara simbolik: , dan baryon tiga quark - secara simbolik: DALAM = (qqq). Oleh kerana sifat-sifat kumpulan S.U.(3) 9 meson dibahagikan kepada supermultiplets 1 dan 8 zarah, dan 27 baryon dibahagikan kepada supermultiplets yang mengandungi 1, 10 dan dua kali 8 zarah, yang menerangkan pemisahan diperhatikan oktet dan decuplets.
Penambahan quark keempat (dan, jika perlu, quark tambahan baru) kepada skema dijalankan sambil mengekalkan andaian asas model quark tentang struktur hadron:
B = (qqq).
Semua data eksperimen adalah dalam persetujuan yang baik dengan komposisi kuark hadron yang diberikan. Nampaknya hanya terdapat penyelewengan kecil dari struktur ini, yang tidak menjejaskan sifat hadron dengan ketara.
Struktur hadron yang ditunjukkan dan sifat matematik quark, sebagai objek yang dikaitkan dengan perwakilan tertentu (paling mudah) kumpulan S.U.(4), membawa kepada yang berikut. nombor kuantum kuark (Jadual 2). Nilai luar biasa - pecahan - cas elektrik patut diberi perhatian. Q, dan B, S Dan Y, tidak terdapat dalam mana-mana zarah elektron yang diperhatikan Dengan indeks a untuk setiap jenis quark qi (i = 1, 2, 3, 4) ciri khas quark dikaitkan - "warna", yang tidak terdapat dalam hadron yang dikaji. Indeks a mengambil nilai 1, 2, 3, iaitu, setiap jenis quark qi dibentangkan dalam tiga jenis qi a (N.N. Bogolyubov dan rakan sekerja, 1965; ahli fizik Amerika I. Nambu dan M. Khan, 1965; ahli fizik Jepun I. Miyamoto, 1965). Nombor kuantum setiap jenis quark tidak berubah apabila "warna" berubah dan oleh itu jadual. 2 terpakai kepada kuark mana-mana "warna".
Semua kepelbagaian hadron timbul kerana pelbagai kombinasi R -, P-, g- dan Dengan-kuark membentuk keadaan terikat. Hadron biasa sepadan dengan keadaan terikat yang dibina hanya dari R- Dan n-quark [untuk meson dengan kemungkinan penyertaan gabungan dan ]. Kehadiran dalam keadaan terikat bersama dengan R- Dan n-kuark satu g- atau Dengan-quark bermaksud hadron yang sepadan adalah pelik ( S= -1) atau terpesona ( Ch =+ 1). Baryon boleh mengandungi dua dan tiga g-quark (masing-masing Dengan-quark), iaitu, baryon pelik dua dan tiga kali ganda (pesona) mungkin. Gabungan nombor berbeza g- dan dengan- quark (terutamanya dalam baryon), yang sepadan dengan bentuk "hibrid" hadron ("azimat pelik"). Jelas sekali, semakin besar g- or Dengan-quark mengandungi hadron, semakin berat ia. Jika kita membandingkan keadaan tanah (tidak teruja) hadron, ini betul-betul gambaran yang diperhatikan (lihat Jadual 1, serta Jadual 3 dan 5).
Memandangkan putaran kuark adalah sama dengan 1/2, struktur quark hadron di atas menghasilkan putaran integer untuk meson dan putaran separuh integer untuk baryon, mengikut sepenuhnya eksperimen. Selain itu, dalam keadaan yang sepadan dengan momentum orbit l= 0, khususnya dalam keadaan dasar, putaran meson hendaklah sama dengan 0 atau 1 (untuk orientasi ґ¯ dan selari ґґ bagi putaran quark yang selari), dan putaran baryon hendaklah 1/2 atau 3/2 ( untuk konfigurasi putaran ¯ґґ dan ґґґ) . Dengan mengambil kira bahawa pariti dalaman sistem quark-antiquark adalah negatif, nilai JP untuk meson di l= 0 adalah sama dengan 0 - dan 1 - , untuk baryon - 1 / 2 + dan 3 / 2 + . Inilah nilai-nilainya JP diperhatikan dalam hadron yang mempunyai jisim terkecil pada nilai yang diberikan saya Dan Y(lihat Jadual 1).
Sejak indeks i, k, l dalam formula struktur nilai berjalan melalui 1, 2, 3, 4, bilangan meson Mik dengan putaran yang diberikan hendaklah sama dengan 16. Bagi baryon Bikl bilangan keadaan maksimum yang mungkin untuk putaran tertentu (64) tidak direalisasikan, kerana berdasarkan prinsip Pauli, untuk jumlah putaran tertentu, hanya keadaan tiga kuark dibenarkan yang mempunyai simetri yang jelas berkenaan dengan pilih atur indeks i, k, 1, iaitu: simetri sepenuhnya untuk putaran 3/2 dan simetri campuran untuk putaran 1/2. Syarat ini ialah l = 0 memilih 20 keadaan baryon untuk putaran 3/2 dan 20 untuk putaran 1/2.
Pemeriksaan yang lebih terperinci menunjukkan bahawa nilai komposisi quark dan sifat simetri sistem quark memungkinkan untuk menentukan semua nombor kuantum asas hadron ( J, P, B, Q, I, Y, Ch), tidak termasuk jisim; menentukan jisim memerlukan pengetahuan tentang dinamik interaksi quark dan jisim quark, yang belum tersedia.
Menyampaikan dengan betul spesifikasi hadron dengan jisim dan putaran terendah pada nilai yang diberikan Y Dan Ch, Model quark juga secara semula jadi menerangkan keseluruhan bilangan hadron yang besar dan penguasaan resonans di kalangan mereka. Bilangan hadron yang besar adalah gambaran struktur kompleks mereka dan kemungkinan kewujudan pelbagai keadaan teruja sistem quark. Ada kemungkinan bilangan keadaan teruja itu tidak terhad. Semua keadaan teruja sistem quark tidak stabil berkenaan dengan peralihan pantas disebabkan interaksi yang kuat ke dalam keadaan asas. Mereka membentuk sebahagian besar resonans. Sebahagian kecil resonans juga terdiri daripada sistem quark dengan orientasi putaran selari (dengan pengecualian W -). Konfigurasi kuark dengan orientasi putaran antiselari, berkaitan dengan asas. menyatakan, membentuk hadron kuasi-stabil dan proton yang stabil.
Pengujaan sistem quark berlaku disebabkan oleh perubahan dalam gerakan putaran quark (pengujaan orbital) dan disebabkan oleh perubahan dalam ruang mereka. lokasi (pengujaan radial). Dalam kes pertama, peningkatan dalam jisim sistem disertai dengan perubahan dalam jumlah putaran J dan pariti R sistem, dalam kes kedua peningkatan jisim berlaku tanpa perubahan J P . Sebagai contoh, mesons dengan JP= 2 + ialah pengujaan orbit pertama ( l = 1) meson dengan J P = 1 - . Korespondensi 2 + meson dan 1 - meson struktur quark yang sama jelas dilihat dalam contoh banyak pasangan zarah:
Meson r" dan y" masing-masing adalah contoh pengujaan jejari r- dan y-mesons (lihat.
Pengujaan orbital dan jejari menjana urutan resonans yang sepadan dengan struktur quark awal yang sama. Kekurangan maklumat yang boleh dipercayai tentang interaksi quark belum lagi membolehkan kita membuat pengiraan kuantitatif spektrum pengujaan dan membuat sebarang kesimpulan tentang kemungkinan bilangan keadaan teruja tersebut Apabila merumuskan model quark, quark dianggap sebagai hipotesis elemen struktur, membuka kemungkinan perihalan hadron yang sangat mudah. Selepas itu, eksperimen telah dijalankan yang membolehkan kita bercakap tentang kuark sebagai pembentukan bahan sebenar di dalam hadron. Yang pertama ialah eksperimen mengenai penyerakan elektron oleh nukleon pada sudut yang sangat besar. Eksperimen ini (1968), mengingatkan eksperimen klasik Rutherford mengenai penyerakan zarah alfa pada atom, mendedahkan kehadiran pembentukan bercas titik di dalam nukleon. Perbandingan data daripada eksperimen ini dengan data yang serupa mengenai penyebaran neutrino pada nukleon (1973-75) membolehkan kami membuat kesimpulan bahawa purata kuasa dua cas elektrik bagi pembentukan titik ini. Hasilnya ternyata menghairankan hampir dengan nilai 1 / 2 [(2 / 3 e) 2 +(1 / 3 e) 2 ]. Kajian tentang proses pengeluaran hadron semasa penghapusan elektron dan positron, yang kononnya melalui urutan proses: ® hadron, menunjukkan kehadiran dua kumpulan hadron yang dikaitkan secara genetik dengan setiap quark yang terhasil, dan menjadikannya mungkin untuk menentukan putaran kuark. Ia ternyata sama dengan 1/2. Jumlah bilangan hadron yang dilahirkan dalam proses ini juga menunjukkan bahawa kuark tiga jenis muncul dalam keadaan pertengahan, iaitu kuark adalah tiga warna.
Oleh itu, bilangan kuantum kuark, yang diperkenalkan berdasarkan pertimbangan teori, telah disahkan dalam beberapa eksperimen. Kuark secara beransur-ansur memperoleh status zarah elektron baru Jika penyelidikan lanjut mengesahkan kesimpulan ini, maka quark adalah pesaing serius untuk peranan zarah elektron sebenar untuk bentuk hadronik. Sehingga panjang ~ 10 -15 cm quark bertindak sebagai pembentukan titik tanpa struktur. Bilangan jenis kuark yang diketahui adalah kecil. Pada masa hadapan, ia mungkin, sudah tentu, berubah: seseorang tidak dapat menjamin bahawa pada tenaga yang lebih tinggi hadron dengan nombor kuantum baru, disebabkan kewujudannya kepada jenis quark baru, tidak akan ditemui. Pengesanan Y-meson mengesahkan pandangan ini. Tetapi agak mungkin bahawa peningkatan bilangan kuark akan menjadi kecil, yang mana prinsip umum mengenakan sekatan ke atas nombor penuh quark, walaupun had ini belum diketahui. Ketidakstrukturan kuark juga mungkin mencerminkan hanya tahap penyelidikan yang dicapai ke dalam pembentukan bahan ini. Walau bagaimanapun, beberapa ciri khusus quark memberikan beberapa sebab untuk menganggap bahawa quark ialah zarah yang melengkapkan rantaian komponen struktur jirim.
Kuark berbeza daripada semua zarah elektron lain kerana ia belum lagi diperhatikan dalam keadaan bebas, walaupun terdapat bukti kewujudannya dalam keadaan terikat. Salah satu sebab untuk tidak memerhatikan kuark mungkin jisimnya yang sangat besar, yang menghalang pengeluarannya pada tenaga pemecut moden. Walau bagaimanapun, ada kemungkinan bahawa quark pada asasnya, kerana sifat khusus interaksi mereka, tidak boleh berada dalam keadaan bebas. Terdapat hujah teori dan eksperimen yang menyokong fakta bahawa daya yang bertindak antara quark tidak melemah dengan jarak. Ini bermakna bahawa lebih banyak tenaga yang tidak terhingga diperlukan untuk memisahkan quark antara satu sama lain, atau, jika tidak, kemunculan quark dalam keadaan bebas adalah mustahil. Ketidakupayaan untuk mengasingkan kuark dalam keadaan bebas menjadikannya jenis unit struktur jirim yang benar-benar baru. Ia tidak jelas, sebagai contoh, sama ada ia mungkin untuk menimbulkan persoalan komponen quark, jika quark itu sendiri tidak dapat diperhatikan dalam keadaan bebas. Ada kemungkinan bahawa di bawah keadaan ini, bahagian kuark tidak menampakkan diri secara fizikal sama sekali, dan oleh itu kuark bertindak sebagai peringkat terakhir dalam pemecahan bahan hadronik.
Zarah asas dan teori medan kuantum.
Untuk menerangkan sifat dan interaksi zarah elektron dalam teori moden, konsep fizik adalah penting. medan, yang diberikan kepada setiap zarah. Medan ialah bentuk jirim tertentu; ia diterangkan oleh fungsi yang ditentukan di semua titik ( X)ruang-masa dan memiliki sifat transformasi tertentu berhubung dengan transformasi kumpulan Lorentz (skalar, spinor, vektor, dll.) dan kumpulan simetri "dalaman" (skalar isotop, spinor isotop, dll.). Medan elektromagnet dengan sifat vektor empat dimensi Dan m (x) (m = 1, 2, 3, 4) secara sejarah adalah contoh pertama medan fizikal. Medan yang berkaitan dengan E. h sifat kuantum, iaitu tenaga dan momentum mereka terdiri daripada banyak bahagian. bahagian - quanta, dan tenaga E k dan momentum p k kuantum dikaitkan dengan hubungan teori relativiti khas: E k 2 = p k 2 c 2 + m 2 c 2 . Setiap kuantum itu ialah zarah elektron dengan tenaga tertentu E k , momentum p k dan jisim m Kuantum medan elektromagnet adalah foton, kuantum medan lain sepadan dengan semua zarah elektron lain yang diketahui Medan itu adalah fizik refleksi kewujudan koleksi zarah yang tidak terhingga - quanta. Istimewa radas matematik teori medan kuantum membolehkan kita menerangkan kelahiran dan pemusnahan zarah pada setiap titik x.
Sifat penjelmaan medan menentukan semua nombor kuantum zarah E. Sifat penjelmaan berhubung dengan penjelmaan ruang-masa (kumpulan Lorentz) menentukan putaran zarah. Oleh itu, skalar sepadan dengan putaran 0, spinor - putaran 1/2, vektor - putaran 1, dll. Kewujudan nombor kuantum seperti L, B, 1, Y, Ch dan untuk kuark dan gluon "warna" berikut daripada sifat transformasi medan berhubung dengan transformasi "ruang dalaman" ("ruang cas", "ruang isotop", "ruang kesatuan", dll.). Kewujudan "warna" dalam kuark, khususnya, dikaitkan dengan ruang kesatuan "berwarna" khas. Pengenalan "ruang dalaman" dalam radas teori masih merupakan peranti formal semata-mata, yang, bagaimanapun, boleh berfungsi sebagai petunjuk bahawa dimensi ruang-masa fizikal, yang dicerminkan dalam sifat-sifat E. Ch., sebenarnya lebih besar. daripada empat - dimensi ciri ruang-masa semua proses fizikal makroskopik. Jisim zarah elektron tidak berkaitan secara langsung dengan sifat transformasi medan; ini adalah ciri tambahan mereka.
Untuk menerangkan proses yang berlaku dengan zarah elektron, adalah perlu untuk mengetahui bagaimana pelbagai medan fizikal berkaitan antara satu sama lain, iaitu untuk mengetahui dinamik medan. DALAM peralatan moden Dalam teori medan kuantum, maklumat tentang dinamik medan terkandung dalam kuantiti khas yang dinyatakan melalui medan - Lagrangian (lebih tepat, ketumpatan Lagrangian) L. Pengetahuan tentang L membolehkan, pada dasarnya, mengira kebarangkalian peralihan daripada satu set zarah kepada yang lain di bawah pengaruh pelbagai interaksi. Kebarangkalian ini diberikan oleh apa yang dipanggil. matriks serakan (W. Heisenberg, 1943), dinyatakan melalui L. Lagrangian L terdiri daripada Lagrangian L dalam, yang menerangkan tingkah laku medan bebas, dan interaksi Lagrangian L dalam, dibina daripada medan zarah yang berbeza dan mencerminkan kemungkinan transformasi bersama mereka. Pengetahuan tentang Lz adalah penentu untuk menerangkan proses dengan E. h.
Bentuk L3 ditentukan secara unik oleh sifat transformasi medan kumpulan Lorentz relatif dan keperluan invarian berkenaan dengan kumpulan ini (invarian relativistik). Walau bagaimanapun, untuk masa yang lama, kriteria untuk mencari L3 tidak diketahui (dengan pengecualian interaksi elektromagnet), dan maklumat tentang interaksi zarah elektromagnet yang diperoleh daripada eksperimen, dalam kebanyakan kes tidak membenarkan pilihan yang boleh dipercayai antara kemungkinan yang berbeza. Dalam keadaan ini penggunaan yang meluas menerima pendekatan fenomenologi kepada perihalan interaksi, berdasarkan sama ada pada pilihan bentuk termudah L in, yang membawa kepada proses yang boleh diperhatikan, atau pada kajian langsung sifat ciri unsur-unsur matriks serakan. Sepanjang laluan ini, kejayaan ketara telah dicapai dalam menerangkan proses dengan zarah elektron untuk pelbagai kawasan tenaga terpilih. Walau bagaimanapun, banyak parameter teori telah dipinjam daripada eksperimen, dan pendekatan itu sendiri tidak boleh menuntut kesejagatan.
Dalam tempoh 50-70an. Kemajuan yang ketara telah dicapai dalam memahami struktur L3, yang telah memungkinkan untuk memperhalusi bentuknya dengan ketara untuk interaksi yang kuat dan lemah. Peranan penentu Kemajuan ini difasilitasi oleh penjelasan hubungan rapat antara sifat simetri interaksi zarah elektron dan bentuk Lv.
Simetri interaksi zarah elektron dicerminkan dalam kewujudan undang-undang pemuliharaan kuantiti fizik tertentu dan, akibatnya, dalam pemuliharaan nombor kuantum zarah elektron yang berkaitan dengannya (lihat undang-undang Pemuliharaan). Simetri tepat, yang berlaku untuk semua kelas interaksi, sepadan dengan kehadiran nombor kuantum tepat dalam elektron; simetri anggaran, ciri hanya untuk kelas interaksi tertentu (kuat, elektromagnet), membawa kepada nombor kuantum yang tidak tepat. Perbezaan antara kelas interaksi yang dinyatakan di atas berkaitan dengan pemuliharaan nombor kuantum elektron mencerminkan perbezaan dalam sifat simetrinya.
Bentuk yang diketahui L naik el. m untuk interaksi elektromagnet adalah akibat daripada kewujudan simetri yang jelas bagi Lagrangian L berkenaan dengan pendaraban medan kompleks j zarah bercas termasuk di dalamnya dalam kombinasi jenis j*j (di sini * bermaksud konjugasi kompleks) dengan faktor e ia, dengan a ialah nombor nyata arbitrari. Simetri ini, dalam satu pihak, menimbulkan undang-undang pemuliharaan cas elektrik, sebaliknya, jika kita memerlukan pemenuhan simetri di bawah syarat sewenang-wenangnya bergantung pada titik x ruang-masa, ia dengan jelas membawa kepada Lagrangian interaksi:
L naik el. m. = j m el. m. (x) A m (x) (1)
di mana j m el. m. - arus elektromagnet empat dimensi (lihat interaksi elektromagnet). Ternyata, keputusan ini mempunyai kepentingan umum. Dalam semua kes apabila interaksi mempamerkan simetri "dalaman", iaitu Lagrangian adalah invarian di bawah transformasi "ruang dalaman", dan nombor kuantum yang sepadan timbul dalam nombor E., ia harus dikehendaki bahawa invarian berlaku untuk sebarang pergantungan bagi parameter transformasi pada titik x (yang dipanggil invarian tolok tempatan; Yang Zhen-ning, ahli fizik Amerika R. Mills, 1954). Secara fizikal, keperluan ini disebabkan oleh fakta bahawa interaksi tidak boleh dihantar dengan serta-merta dari satu titik ke satu titik. Keadaan ini dipenuhi apabila antara medan yang termasuk dalam Lagrangian terdapat medan vektor (analog A m (x)), yang berubah semasa transformasi simetri "dalaman" dan berinteraksi dengan medan zarah dengan cara yang sangat spesifik, iaitu:
L dalam = å r=1 n j m r (x) V m r (x), (2)
di mana j m r (x) ialah arus yang terdiri daripada medan zarah, V m r (x) ialah medan vektor, selalunya dipanggil medan tolok. Oleh itu, keperluan lokaliti simetri "dalaman" membetulkan bentuk L dan mengenal pasti medan vektor sebagai pembawa interaksi sejagat. Sifat medan vektor dan nombornya "n" ditentukan oleh sifat kumpulan simetri "dalaman". Jika simetri adalah tepat, maka jisim medan kuantum V m r adalah sama dengan 0. Untuk simetri anggaran, jisim kuantum medan vektor adalah berbeza daripada sifar. Jenis arus j m r ditentukan oleh medan zarah dengan nombor kuantum bukan sifar yang dikaitkan dengan kumpulan simetri "dalaman".
Berdasarkan prinsip yang digariskan di atas, ternyata mungkin untuk mendekati persoalan interaksi kuark dalam nukleon. Eksperimen mengenai penyerakan neutrino dan antineutrino oleh nukleon telah menunjukkan bahawa momentum nukleon hanya sebahagian (kira-kira 50%) dipindahkan oleh quark, dan selebihnya dipindahkan oleh jenis jirim lain yang tidak berinteraksi dengan neutrino. Mungkin bahagian jirim ini terdiri daripada zarah-zarah yang ditukar antara kuark dan disebabkan olehnya ia dipegang dalam nukleon. Zarah ini dipanggil "gluon" (dari bahasa Inggeris gam - gam). Dari sudut pandangan di atas mengenai interaksi, adalah wajar untuk menganggap zarah ini sebagai zarah vektor. Dalam teori moden, kewujudan mereka dikaitkan dengan simetri, yang menentukan rupa "warna" dalam kuark. Jika simetri ini tepat (warna SU (3) simetri), maka gluon ialah zarah tidak berjisim dan bilangannya ialah lapan (ahli fizik Amerika I. Nambu, 1966). Interaksi kuark dengan gluon diberikan oleh L vz dengan struktur (2), di mana j m r semasa terdiri daripada medan kuark. Terdapat juga sebab untuk mengandaikan bahawa interaksi kuark, yang disebabkan oleh pertukaran gluon tak berjisim, membawa kepada daya antara kuark yang tidak berkurangan dengan jarak, tetapi ini belum terbukti dengan teliti.
Pada dasarnya, pengetahuan tentang interaksi antara kuark boleh menjadi asas untuk menerangkan interaksi semua hadron antara satu sama lain, iaitu, semua interaksi yang kuat. Arah dalam fizik hadron ini berkembang pesat.
Penggunaan prinsip penentuan peranan simetri (termasuk anggaran) dalam pembentukan struktur interaksi juga memungkinkan untuk memajukan dalam memahami sifat Lagrangian interaksi lemah. Pada masa yang sama, dalam interkom interaksi lemah dan elektromagnet. Dalam pendekatan ini, kehadiran pasangan lepton dengan cas lepton yang sama: e - , v e dan m - , v m , tetapi dengan jisim dan cas elektrik yang berbeza dianggap tidak rawak, tetapi mencerminkan kewujudan simetri pecah isotonik. jenis (kumpulan SU (2)). Penggunaan prinsip lokaliti kepada simetri "dalaman" ini membawa kepada ciri Lagrangian (2), di mana istilah yang bertanggungjawab untuk interaksi elektromagnet dan lemah secara serentak timbul (ahli fizik Amerika S. Weinberg, 1967; A. Salam, 1968):
L udara = j m el. m. + A m + j m sl. h. W m + + j m sl. h. W m - + j m sl. n. Z m 0 (3)
Di sini j m sl. h. , j m sl. n. - arus bercas dan neutral interaksi lemah, dibina dari medan lepton, W m +, W m -, Z m 0 - medan zarah vektor masif (disebabkan pecah simetri), yang dalam skema ini adalah pembawa interaksi lemah ( boson perantaraan yang dipanggil), A m - medan foton. Idea kewujudan boson perantaraan bercas telah dikemukakan lama dahulu (H. Yukawa, 1935). Walau bagaimanapun, adalah penting bahawa dalam model teori bersatu interaksi magnetik dan lemah elektron ini, boson perantaraan bercas muncul pada asas yang sama dengan foton dan boson perantaraan neutral. Proses interaksi lemah yang disebabkan oleh arus neutral ditemui pada tahun 1973, yang mengesahkan ketepatan pendekatan yang baru digariskan kepada perumusan dinamik interaksi lemah. Pilihan lain untuk menulis Lagrangian L dengan sejumlah besar boson perantaraan neutral dan bercas juga mungkin; Data eksperimen belum lagi mencukupi untuk pilihan terakhir Lagrangian.
Boson perantaraan masih belum ditemui secara eksperimen. Daripada data yang ada, jisim W ± dan Z 0 untuk model Weinberg-Salam dianggarkan kira-kira 60 dan 80 GeV.
Interaksi elektromagnet dan lemah quark boleh diterangkan dalam model yang serupa dengan model Weinberg-Salam. Pertimbangan interaksi hadron elektromagnet dan lemah atas dasar ini memberikan persetujuan yang baik dengan data yang diperhatikan. Masalah biasa dalam membina model sedemikian ialah jumlah bilangan quark dan lepton yang masih tidak diketahui, yang tidak membenarkan kita menentukan jenis simetri awal dan sifat pelanggarannya. Oleh itu, kajian eksperimen lanjutan adalah sangat penting.
Asal tunggal interaksi elektromagnet dan lemah bermakna secara teori pemalar interaksi lemah hilang sebagai parameter bebas. Satu-satunya pemalar kekal cas elektrik e Penindasan proses lemah pada tenaga rendah dijelaskan oleh jisim besar boson perantaraan. Pada tenaga di tengah sistem jisim yang setanding dengan jisim boson perantaraan, kesan interaksi elektromagnet dan lemah hendaklah dalam susunan yang sama. Yang terakhir ini, bagaimanapun, akan berbeza dalam bukan pemuliharaan beberapa nombor kuantum (P, Y, Ch, dll.).
Terdapat percubaan untuk mempertimbangkan secara bersatu bukan sahaja interaksi elektromagnet dan lemah, tetapi juga interaksi yang kuat. Titik permulaan bagi percubaan tersebut ialah andaian sifat yang sama bagi semua jenis interaksi zarah elektron (tanpa interaksi graviti). Perbezaan kukuh yang diperhatikan antara interaksi dianggap disebabkan oleh pecahan simetri yang ketara. Percubaan ini masih belum cukup dibangunkan dan menghadapi kesukaran yang serius, khususnya dalam menerangkan perbezaan sifat quark dan lepton.
Pembangunan kaedah untuk mendapatkan interaksi Lagrangian berdasarkan penggunaan sifat simetri adalah langkah penting di jalan yang membawa kepada teori dinamik E. Ch. Terdapat banyak sebab untuk berfikir bahawa teori medan tolok adalah penting unsur konstituen pembinaan teori selanjutnya.
Kesimpulan
Beberapa masalah umum teori zarah asas. Perkembangan terkini fizik zarah elektron dengan jelas membezakan daripada semua zarah elektron sekumpulan zarah yang secara signifikan menentukan spesifik proses dunia mikro. Zarah ini adalah calon yang mungkin untuk peranan zarah elektron sebenar Ini termasuk: zarah dengan putaran 1/2 - lepton dan kuark, serta zarah dengan putaran 1 - gluon, foton, boson perantaraan besar-besaran, yang menjalankan pelbagai jenis interaksi. zarah dengan putaran 12 . Kumpulan ini kemungkinan besar juga harus memasukkan zarah dengan putaran 2 - graviton; kuantum medan graviti, menghubungkan semua E. h Dalam skema ini, banyak isu, bagaimanapun, memerlukan penyelidikan lanjut. Tidak diketahui berapa jumlah zarah lepton, kuark dan pelbagai vektor (dengan J = 1) dan sama ada terdapat prinsip fizik yang menentukan nombor ini. Sebab-sebab pembahagian zarah dengan putaran 1/2 kepada 2 tidak jelas pelbagai kumpulan: lepton dan kuark. Asal-usul nombor kuantum dalaman lepton dan kuark (L, B, 1, Y, Ch) dan ciri kuark dan gluon seperti "warna" tidak jelas. Apakah darjah kebebasan yang dikaitkan dengan nombor kuantum dalaman? Hanya ciri-ciri zarah elektron seperti J dan P dikaitkan dengan ruang-masa empat dimensi biasa Apakah mekanisme yang menentukan jisim zarah elektron sebenar? Apakah sebab kehadiran kelas interaksi yang berbeza dalam elektron dengan sifat simetri yang berbeza? Soalan-soalan ini dan lain-lain perlu diselesaikan oleh teori masa depan E. ch.
Penerangan tentang interaksi zarah elektron, seperti yang dinyatakan, dikaitkan dengan teori medan tolok. Teori-teori ini mempunyai alat matematik yang dibangunkan yang membolehkan pengiraan proses dengan zarah elektron (sekurang-kurangnya pada dasarnya) pada tahap ketegasan yang sama seperti dalam elektrodinamik kuantum. Tetapi dalam bentuknya sekarang, teori medan tolok mempunyai satu kelemahan yang serius, biasa dengan elektrodinamik kuantum - di dalamnya, dalam proses pengiraan, ungkapan besar yang tidak terhingga muncul. Menggunakan teknik khas untuk mentakrifkan semula kuantiti yang boleh diperhatikan (jisim dan cas) - penormalan semula - adalah mungkin untuk menghapuskan infiniti daripada keputusan akhir pengiraan. Dalam elektrodinamik yang paling dikaji, ini belum menjejaskan persetujuan ramalan teori dengan eksperimen. Walau bagaimanapun, prosedur penormalan semula adalah pintasan formal semata-mata bagi kesukaran yang wujud dalam radas teori, yang pada beberapa tahap ketepatan harus mempengaruhi tahap persetujuan antara pengiraan dan pengukuran.
Kemunculan infiniti dalam pengiraan adalah disebabkan oleh fakta bahawa dalam interaksi Lagrangian medan zarah yang berbeza dirujuk kepada satu titik x, iaitu diandaikan bahawa zarah adalah seperti titik, dan ruang-masa empat dimensi kekal rata ke bawah. jarak terkecil. Pada hakikatnya, andaian ini nampaknya tidak betul kerana beberapa sebab: a) unsur E. benar, kemungkinan besar, adalah objek material pada tahap terhingga; b) sifat ruang-masa dalam kecil (pada skala yang ditentukan oleh panjang asas yang dipanggil) kemungkinan besar berbeza secara radikal daripada sifat makroskopiknya; c) pada jarak terkecil (~ 10 -33 cm), perubahan dalam sifat geometri ruang-masa akibat graviti memberi kesan. Mungkin sebab-sebab ini berkait rapat. Oleh itu, ia mengambil kira graviti yang paling semula jadi membawa kepada saiz zarah E. sebenar urutan 10 -33 cm, dan asas, panjang l 0 boleh dikaitkan dengan pemalar graviti f: "10 -33 cm. Mana-mana sebab ini harus membawa kepada pengubahsuaian teori dan penghapusan infiniti, walaupun pelaksanaan praktikal Pengubahsuaian ini boleh menjadi agak rumit.
Nampak sangat menarik untuk mengambil kira pengaruh graviti pada jarak yang dekat. Interaksi graviti bukan sahaja boleh menghapuskan perbezaan dalam teori medan kuantum, tetapi juga menentukan kewujudan jirim primer (M. A. Markov, 1966). Jika ketumpatan bahan E.H yang benar adalah cukup besar, tarikan graviti boleh menjadi faktor yang menentukan kewujudan stabil pembentukan bahan ini. Dimensi formasi sedemikian hendaklah ~10 -33 cm Dalam kebanyakan eksperimen, ia akan berkelakuan seperti objek titik, interaksi gravitinya akan diabaikan dan akan muncul hanya pada jarak terkecil, di kawasan di mana geometri ruang berubah dengan ketara.
Oleh itu, trend yang muncul ke arah pertimbangan serentak pelbagai kelas interaksi E. ch kemungkinan besar harus diselesaikan secara logik dengan memasukkan skim umum interaksi graviti. Ia adalah berdasarkan pertimbangan serentak semua jenis interaksi yang kemungkinan besar mengharapkan penciptaan teori zarah elektron masa depan.
Bibliografi
1) Markov M.A. Mengenai sifat jirim. M., 1976
2) Gaziorovich S. Fizik zarah asas, trans. daripada bahasa Inggeris, M. 1969
3) Kokkede Ya., Teori kuark, terj. daripada English, M., 1971
4) I., Ioffe B. L., Okun L. B., Zarah asas baharu, "Advances Sains fizikal", 1975, t. 117, v. 2, hlm. 227
5) Bogolyubov N.N., Shirkov D.V., Pengenalan kepada teori medan terkuantisasi, 3rd ed., M., 1976;
6) Berita fizik asas, trans. daripada English, M., 1977, ms 120-240 .
ZARAH ELEMEN, V dalam erti kata yang sempit- zarah yang tidak boleh dianggap terdiri daripada zarah lain. Dalam moden Dalam fizik, istilah "zarah asas" digunakan dalam erti kata yang lebih luas: apa yang dipanggil. zarah terkecil jirim, tertakluk kepada syarat bahawa ia bukan dan (pengecualian adalah); Kadang-kadang atas sebab ini zarah asas dipanggil zarah subnuklear. Kebanyakan daripada Zarah sedemikian (dan lebih daripada 350 daripadanya diketahui) adalah sistem komposit.
E zarah asas mengambil bahagian dalam interaksi elektromagnet, lemah, kuat dan graviti. Oleh kerana jisim zarah asas yang kecil, interaksi graviti mereka. biasanya tidak diambil kira. Semua zarah asas dibahagikan kepada tiga yang utama. kumpulan. Yang pertama terdiri daripada apa yang dipanggil. Boson adalah pembawa interaksi elektrolemah. Ini termasuk foton, atau kuantum sinaran elektromagnet. Jisim selebihnya foton adalah sifar, oleh itu kelajuan perambatan gelombang elektromagnet (termasuk gelombang cahaya) mewakili kelajuan maksimum perambatan fizikal. impak dan merupakan salah satu dana. fizikal kekal; adalah diterima bahawa c = (299792458 1.2) m/s.
Kumpulan kedua zarah asas ialah lepton, mengambil bahagian dalam interaksi elektromagnet dan lemah. Terdapat 6 lepton yang diketahui: , elektron, muon, heavy-lepton dan yang sepadan. (simbol e) dianggap sebagai bahan jisim terkecil dalam alam m c, bersamaan dengan 9.1 x 10 -28 g (dalam unit tenaga 0.511 MeV) dan negatif terkecil. elektrik cas e = 1.6 x 10 -19 C. (simbol) - zarah dengan jisim lebih kurang. 207 jisim (105.7 MeV) dan elektrik. caj, sama dengan pertuduhan; Lepton berat mempunyai jisim lebih kurang. 1.8 GeV. Tiga jenis yang sepadan dengan zarah ini ialah elektron (simbol v c), muon (simbol) dan neutrino (simbol) - zarah neutral elektrik ringan (mungkin tidak berjisim).
Semua lepton mempunyai ( - ), iaitu, secara statistik. St. anda adalah fermion (lihat).
Setiap lepton sepadan dengan , yang mempunyai nilai jisim yang sama dan ciri-ciri lain, tetapi berbeza dalam tanda elektrik. caj. Terdapat (simbol e +) - berhubung dengan, bercas positif (simbol) dan tiga jenis antineutrino (simbol), yang dikaitkan dengan tanda bertentangan nombor kuantum khas, dipanggil cas lepton (lihat di bawah).
Kumpulan ketiga zarah asas ialah hadron, mereka mengambil bahagian dalam interaksi yang kuat, lemah dan elektromagnet. Hadron ialah zarah "berat" dengan jisim yang jauh lebih besar daripada . Ini yang paling banyak sekumpulan besar zarah asas. Hadron dibahagikan kepada baryon - zarah dengan meson - zarah dengan integer (O atau 1); serta apa yang dipanggil resonans adalah hadron jangka pendek. Baryon termasuk (simbol p) - nukleus dengan jisim ~ 1836 kali lebih besar daripada m s dan bersamaan dengan 1.672648 x 10 -24 g (938.3 MeV), dan letakkan. elektrik caj sama dengan caj, dan juga (simbol n) - zarah neutral elektrik, jisimnya sedikit melebihi jisim. Dari dan semuanya dibina, iaitu interaksi yang kuat. menentukan sambungan zarah-zarah ini antara satu sama lain. Dalam interaksi yang kuat dan mempunyai sifat yang sama dan dianggap sebagai dua daripada satu zarah - nukleon dengan isotop. (lihat di bawah). Baryon juga termasuk hiperon - zarah asas dengan jisim lebih besar daripada nukleon: hiperon mempunyai jisim 1116 MeV, hiperon mempunyai jisim 1190 MeV, hiperon mempunyai jisim 1320 MeV, dan hiperon mempunyai jisim 1670 MeV. Meson mempunyai jisim perantaraan antara jisim dan (-meson, K-meson). Terdapat meson neutral dan bercas (dengan cas elektrik asas positif dan negatif). Semua meson mempunyai ciri-ciri mereka sendiri. St. anda tergolong dalam boson.
Sifat asas zarah asas. Setiap zarah asas diterangkan oleh satu set nilai fizikal diskret. kuantiti (nombor kuantum). Ciri umum semua zarah asas - jisim, seumur hidup, elektrik. caj.
Bergantung pada hayatnya, zarah asas dibahagikan kepada stabil, separa stabil dan tidak stabil (resonans). Stabil (dalam ketepatan ukuran moden) ialah: (seumur hidup lebih daripada 5 -10 21 tahun), (lebih daripada 10 31 tahun), foton dan . Zarah separa stabil termasuk zarah yang reput akibat interaksi elektromagnet dan lemah adalah lebih daripada 10–20 saat; Resonans mereput kerana interaksi yang kuat, jangka hayat ciri mereka adalah 10 -22 -10 -24 s.
Ciri dalaman (nombor kuantum) zarah asas ialah cas lepton (simbol L) dan baryon (simbol B); nombor ini dianggap sebagai kuantiti yang dipelihara dengan ketat untuk semua jenis dana. interaksi Untuk leptonics dan L mereka mempunyai tanda yang bertentangan; untuk baryon B = 1, untuk yang sepadan B = -1.
Hadron dicirikan oleh kehadiran nombor kuantum khas: "keanehan", "pesona", "kecantikan". Hadron biasa (bukan pelik) ialah ,-meson. Dalam kumpulan hadron yang berbeza terdapat keluarga zarah yang serupa dalam jisim dan dengan sifat yang serupa berkenaan dengan interaksi yang kuat, tetapi dengan ciri yang berbeza. nilai elektrik caj; contoh paling mudah ialah proton dan . Jumlah nombor kuantum untuk zarah asas tersebut adalah yang dipanggil. isotop , yang, seperti biasa, menerima nilai integer dan separuh integer. KEPADA ciri khas hadron juga termasuk pariti dalaman, yang mengambil nilai 1.
Sifat penting zarah asas ialah keupayaan mereka untuk menjalani transformasi bersama hasil daripada interaksi elektromagnet atau lain-lain. Salah satu jenis transformasi bersama ialah apa yang dipanggil. kelahiran, atau pembentukan pada masa yang sama zarah dan (dalam kes umum - pembentukan zarah asas dengan caj leptonik atau baryon yang bertentangan). Proses yang mungkin termasuk kelahiran elektron-positron e - e + , zarah berat baru muon dalam perlanggaran lepton, dan pembentukan keadaan cc dan bb daripada quark (lihat di bawah). Satu lagi jenis pertukaran zarah asas ialah penghapusan semasa perlanggaran zarah dengan pembentukan bilangan foton terhingga (quanta). Lazimnya, 2 foton dihasilkan apabila jumlah zarah yang berlanggar adalah sifar dan 3 foton dihasilkan apabila jumlahnya bersamaan dengan 1 (manifestasi undang-undang pemuliharaan pariti cas).
Dalam keadaan tertentu, khususnya pada kelajuan rendah zarah berlanggar, pembentukan sistem berganding - e - e + dan Sistem tidak stabil ini sering dipanggil. , hayat mereka dalam bahan sebahagian besarnya bergantung pada sifat bahan, yang memungkinkan untuk menggunakan pemeluwap untuk mengkaji struktur. bahan dan kinetik bahan kimia cepat. daerah (lihat,).
Model kuark hadron. Pemeriksaan terperinci tentang bilangan kuantum hadron dengan pandangan kepada mereka membolehkan kami membuat kesimpulan bahawa hadron aneh dan hadron biasa bersama-sama membentuk persatuan zarah dengan sifat rapat, dipanggil gandaan unitari. Bilangan zarah yang termasuk di dalamnya ialah 8 (oktet) dan 10 (decuplet). Zarah-zarah yang merupakan sebahagian daripada gandaan unitari mempunyai dalaman yang sama pariti, tetapi berbeza dalam nilai elektrik. cas (zarah gandaan isotop) dan keanehan. Sifat-sifat yang dikaitkan dengan kumpulan kesatuan, penemuan mereka adalah asas untuk kesimpulan tentang kewujudan unit struktur khas dari mana hadron dan quark dibina. Adalah dipercayai bahawa hadron adalah gabungan 3 asas. zarah dengan 1/2: up-quarks, d-quarks dan s-quarks. Oleh itu, meson terdiri daripada quark dan antiquark, baryon terdiri daripada 3 quark.
Andaian bahawa hadron terdiri daripada 3 quark telah dibuat pada tahun 1964 (J. Zweig dan, secara bebas, M. Gell-Mann). Selepas itu, dua lagi quark dimasukkan ke dalam model struktur hadron (khususnya, untuk mengelakkan percanggahan dengan ) - "terpesona" (c) dan "cantik" (b), dan juga ciri khas quark telah diperkenalkan - “rasa” dan “warna”. Kuark, bertindak sebagai komponen hadron, tidak diperhatikan dalam keadaan bebas. Semua kepelbagaian hadron adalah disebabkan oleh faktor yang berbeza. gabungan kuark dan-, d-, s-, c- dan b membentuk keadaan bersambung. Hadron biasa ( , -meson) sepadan dengan keadaan bersambung yang dibina daripada kuark atas dan d. Kehadiran dalam hadron, bersama-sama dengan up dan d quark, satu s-, c- atau b-quark bermakna hadron yang sepadan adalah "pelik", "terpesona" atau "cantik".
Model quark struktur hadron telah disahkan hasil daripada eksperimen yang dijalankan pada akhirnya. 60an - awal
70an abad ke-20 Kuark sebenarnya mula dianggap sebagai zarah asas baharu - zarah asas sebenar untuk bentuk jirim hadronik. Ketidakcerapan kuark bebas, nampaknya, adalah sifat asas dan menunjukkan bahawa ia adalah zarah asas yang menutup rantaian komponen struktur badan. Terdapat teori dan eksperimen. hujah yang memihak kepada fakta bahawa daya yang bertindak antara quark tidak melemahkan dengan jarak, iaitu, untuk memisahkan quark antara satu sama lain sejumlah besar tenaga yang tidak terhingga diperlukan atau, dengan kata lain, kemunculan quark dalam keadaan bebas adalah mustahil. . Ini menjadikan mereka jenis unit struktur yang baru di pulau itu. Ada kemungkinan quark bertindak sebagai peringkat terakhir jirim.
Maklumat sejarah ringkas. Zarah asas pertama yang ditemui ialah - neg. elektrik cas dalam kedua-dua tanda elektrik. cas (K. Anderson dan S. Neddermeyer, 1936), dan K-mesons (kumpulan S. Powell, 1947; kewujudan zarah tersebut telah dicadangkan oleh H. Yukawa pada tahun 1935). Pada akhirnya 40-an - awal 50an zarah "pelik" ditemui. Zarah pertama kumpulan ini - K + - dan K - -meson, A-hyperon - juga direkodkan di angkasa. sinaran
Dari permulaan 50an pemecut telah menjadi yang utama alat penyelidikan zarah asas. Antiproton (1955), antineutron (1956), anti-hiperon (1960), dan pada tahun 1964 yang paling berat ditemui W -hiperon. Pada tahun 1960-an Sebilangan besar resonans yang sangat tidak stabil ditemui pada pemecut. Pada tahun 1962 ternyata terdapat dua yang berbeza: elektron dan muon. Pada tahun 1974, zarah besar (3-4 proton) dan pada masa yang sama agak stabil (berbanding dengan resonans biasa) ditemui, yang ternyata berkait rapat dengan keluarga zarah asas baru - "terpesona", wakil pertama mereka telah ditemui pada tahun 1976 Pada tahun 1975, analog berat lepton ditemui, pada tahun 1977 - zarah dengan jisim kira-kira sepuluh jisim proton, pada tahun 1981 - zarah "cantik". Pada tahun 1983, zarah asas yang paling berat diketahui ditemui - boson (jisim 80 GeV) dan Z° (91 GeV).
Oleh itu, selama bertahun-tahun sejak penemuan itu, sejumlah besar zarah mikro yang berbeza telah dikenal pasti. Dunia zarah asas ternyata kompleks, dan sifatnya tidak dijangka dalam banyak aspek.
Lit.: Kokkede Ya., Teori kuark, [terj. daripada bahasa Inggeris], M., 1971; Markov M. A., Mengenai sifat jirim, M., 1976; Okun L.B., Lepton dan quark, ed. ke-2, M., 1990.
Zarah asas- zarah terkecil bahan fizikal yang diketahui, yang pada tahap tertentu boleh dianggap sebagai "blok binaan" alam semesta pada tahap pengetahuan moden tentang jirim. Dalam erti kata sempit, zarah asas boleh dipanggil zarah di mana struktur dalaman tidak pernah diperhatikan. Ini termasuk, sebagai contoh, elektron dan foton. Sebahagian besar zarah asas (meson, baryon) mempunyai struktur dalaman.
Sejarah penemuan zarah asas mengambil masa satu abad. Dalam 20-an abad XX teori zarah asas adalah sangat mudah. Dua zarah diketahui - elektron dan proton, serta dua jenis interaksi - graviti dan elektromagnet. Atas dasar mereka, semua fenomena semula jadi dijelaskan.
Dua aliran utama penemuan zarah asas baru boleh dibezakan. Yang pertama berlaku pada 30-an - 50-an. Abad ke-20, apabila, pertama sekali, neutron dan positron ditemui. Positron ialah antizarah berhubung dengan elektron; ia adalah seperti elektron dalam semua cara, tetapi mempunyai positif berbanding cas negatif. Apabila elektron berlanggar dengan positron, dan juga apabila mana-mana zarah berlanggar dengan antizarah yang sepadan, penghapusan mereka boleh berlaku, i.e. pemusnahan bersama zarah, disertai dengan kelahiran mikrozarah baru dan pembebasan tenaga. Oleh itu, elektron yang berinteraksi dengan positron menghasilkan dua foton.
Seterusnya, neutrino ditemui. Beberapa jenis neutrino kini diketahui. Pada tahun 1937, meson pertama ditemui. Ia mempunyai kaitan dengan interaksi nuklear. Menjelang tahun 1960, teori itu meliputi 32 zarah asas, dan setiap zarah baru dikaitkan dengan penemuan bulatan asas yang baru. fenomena fizikal. Aliran kedua penemuan zarah asas berlaku pada tahun 1960–1965. Menjelang akhir tempoh ini, bilangan zarah melebihi 200. Menjelang akhir 1990-an. bilangan zarah dan antizarah yang ditemui menghampiri 400.
Ciri-ciri zarah subatom ialah jisim, cas elektrik, putaran, seumur hidup, momen magnet, pariti ruang, dll. Konsep asas asas telah kehilangan maknanya, kerana tiada kriteria asas. Terdapat hanya empat zarah asas yang stabil (tidak hancur sendiri)*: elektron, proton, foton dan semua jenis neutrino. Berdasarkan zarah-zarah ini adalah mustahil untuk membina semua yang lain yang mempunyai keupayaan untuk hancur secara spontan. Antara zarah tersebut, neutron bebas hidup paling lama (17 minit), dan π-meson neutral hidup paling pendek (10 -16 s). Walau bagaimanapun, prinsip pengelasan berdasarkan perbezaan dalam hayat zarah tidak dapat diwujudkan.
Ciri pengelasan penting bagi objek dunia mikro ialah keupayaan mereka untuk mengambil bahagian dalam interaksi yang kuat. Zarah yang mengambil bahagian dalam interaksi kuat dipanggil hadron, zarah yang mengambil bahagian dalam interaksi yang lemah dan tidak mengambil bahagian dalam yang kuat dipanggil lepton. Di samping itu, terdapat zarah – pembawa interaksi.
Lepton termasuk elektron, muon, tau lepton, tiga jenis neutrino dan antizarah yang sepadan. Oleh itu, jumlah nombor lepton adalah sama dengan dua belas. Neutrino ditemui pada tahun 60-an. Abad XX, adalah zarah yang paling biasa di Alam Semesta. Alam Semesta boleh dibayangkan sebagai laut neutrino tanpa sempadan, di mana pulau-pulau dalam bentuk atom kadang-kadang ditemui. Tanpa mengambil bahagian dalam sama ada interaksi kuat atau elektromagnet, mereka menembusi melalui jirim seolah-olah ia tidak ada sama sekali. Oleh itu, sangat sukar untuk mempelajarinya. Muon ialah salah satu zarah subatomik tidak stabil pertama yang diketahui, ditemui pada tahun 1936. Dalam semua aspek ia menyerupai elektron: ia mempunyai cas dan putaran yang sama, mengambil bahagian dalam interaksi yang sama, tetapi mempunyai jisim yang lebih besar dan tidak stabil (dalam kira-kira dua sepersejuta saat ia mereput menjadi elektron dan dua neutrino). Tau lepton juga merupakan zarah bercas. Ia dibuka pada tahun 70-an. abad XX dan mempunyai jisim yang sangat besar - 3500 jisim elektron.
Bilangan hadron adalah beberapa ratus; kesemuanya, kecuali neutron dan proton, berumur pendek dan cepat reput. Ketidakstabilan hadron dan kepelbagaian besarnya menunjukkan bahawa mereka bukan objek asas, tetapi dibina daripada zarah yang lebih kecil - kuark. Kebanyakan hadron ditemui pada tahun 50-an dan 60-an. abad XX Hadron mengambil bahagian dalam interaksi yang kuat, lemah dan elektromagnet.
Jika lepton dan hadron adalah bahan binaan jirim, maka terdapat juga zarah yang menyediakan empat interaksi, iaitu sejenis "gam" yang menghalang dunia daripada runtuh. Pembawa interaksi elektromagnet ialah foton, interaksi kuat ialah gluon (kuark pengikat di dalam proton), interaksi lemah ialah W +, W -, Z º -boson (dicirikan oleh jisim rehat yang besar dan tempoh yang singkat hayat - hanya 10 -26 s). Pendapat dinyatakan tentang kewujudan pembawa medan graviti - graviton. Menurut pengiraan saintis, mereka sepatutnya, seperti foton, mempunyai jisim rehat sifar dan bergerak pada kelajuan cahaya. Walau bagaimanapun, jika foton mempunyai putaran 1 dan semasa interaksi elektromagnet zarah bercas serupa menolak, maka graviton mempunyai putaran 2. Ini membolehkan semua zarah tertarik antara satu sama lain. Oleh kerana interaksi graviti adalah sangat lemah, ia masih belum dapat mengesan secara langsung graviti dalam eksperimen.
Pada masa ini, apa yang dipanggil antizarah telah ditemui yang mempunyai cas yang bertentangan dengan zarah (positron, antiproton, dll.). Oleh itu, pada tahun 1932, positron ditemui dalam sinar kosmik*. Antiproton, yang dihasilkan dalam perlanggaran dengan nukleus sasaran tembaga, ditemui pada tahun 1955 di pemecut baru di Berkeley. Pada tahun 1956, antineutron ditemui. Jika elektron daripada positron dan proton daripada antiproton berbeza, pertama sekali, dalam tanda caj, maka bagaimanakah neutron dan antineutron berbeza? Neutron tidak mempunyai cas elektrik, tetapi mempunyai medan magnet yang berkaitan dengannya. Sebab untuk ini tidak sepenuhnya jelas, walaupun telah ditetapkan bahawa medan magnet neutron berorientasikan satu arah, dan medan magnet antineutron berorientasikan ke arah yang bertentangan.
Sebagai tambahan kepada perbezaan cas, antizarah mempunyai sifat asas lain berbanding zarah. Oleh itu, semasa peralihan dari dunia ke anti-dunia, "kanan" dan "kiri" menukar tempat; masa dalam anti-dunia mengalir dari masa depan ke masa lalu, dan bukan dari masa lalu ke masa depan, seperti dalam dunia. Tidak seperti zarah, yang merupakan blok bangunan dunia kita, antizarah hanyalah tetamu yang muncul seketika di dunia ini. Apabila antizarah bertemu zarah, letupan berlaku, akibatnya ia saling dimusnahkan, melepaskan sejumlah besar tenaga. Berdasarkan banyak pemerhatian terhadap antizarah dan mengkaji tingkah laku mereka di dunia kita, beberapa saintis telah mendapat idea tentang kewujudan seluruh antidunia, yang serupa dengan dunia kita dan wujud bersamanya, tetapi berbeza dalam tanda yang bertentangan dengannya. .
Salah seorang pemaju utama teori ini ialah ahli akademik Estonia G. Naan. Perkara utamanya ialah kedudukan bahawa kedua-dua belahan Alam Semesta - dunia dan antidunia - akhirnya timbul daripada kekosongan mutlak. Dia menulis: "Pernyataan tentang kemungkinan munculnya dari ketiadaan (kekosongan, kekosongan) dengan pematuhan ketat kepada undang-undang pemuliharaan sepatutnya kelihatan sangat paradoks. Lagipun, maksud undang-undang pemuliharaan ialah tiada yang datang daripada tiada, tiada yang boleh menimbulkan sesuatu. Hipotesis yang dibangunkan di sini sama sekali tidak mencabar kedudukan ini. Tidak ada yang benar-benar boleh melahirkan (hanya) sesuatu, tetapi ia melahirkan sesuatu yang lebih - sesuatu dan anti-sesuatu pada masa yang sama! Hipotesis yang dicadangkan di sini akhirnya berdasarkan fakta asas bahawa kesamaan (-1)+(+1)=0 boleh dibaca sebaliknya, dari kanan ke kiri: 0=(-1)+(+1). Persamaan terakhir menyatakan bukan sahaja kosmologi, tetapi juga kosmogoni. asal" bahan binaan Alam Semesta" adalah kekosongan, vakum. Secara purata, jumlah Alam Semetri simetri terdiri daripada kekosongan. Oleh itu, ia boleh timbul daripada kekosongan dengan pematuhan ketat semua undang-undang pemuliharaan. "Semua selang dan koordinat ruang-masa adalah sama dengan sifar. Alam Semesta yang simetri adalah sedemikian rupa sehingga secara purata ia tidak mengandungi apa-apa, walaupun ruang dan masa. Dengan menggunakan contoh teori G. Nahan, kesejagatan prinsip simetri, yang akan dibincangkan dalam perenggan seterusnya, jelas kelihatan.
Dari manakah zarah asas dan antizarah berasal dari Alam Semesta kita? Para saintis mencadangkan bahawa dari vakum fizikal. Vakum fizikal bukanlah "ketiadaan mutlak" sama sekali, tetapi nyata sistem fizikal, sebagai contoh, medan elektromagnet di salah satu keadaannya. Selain itu, menurut teori medan kuantum, semua keadaan medan lain dan zarah asas boleh diperolehi daripada keadaan vakum. Fizik berurusan dengan jenis tertentu dan keadaan jirim, dan bukan dengan jirim seperti itu. Begitu juga dalam penyelidikan fizikal mereka tidak berurusan dengan "kekosongan mutlak" sebagai ketiadaan sepenuhnya jirim dan bahan, tetapi dengan "kekosongan relatif," yang harus difahami sebagai ketiadaan kelas objek material tertentu dan ciri-cirinya.
Vakum boleh ditakrifkan sebagai medan dengan tenaga yang minimum. Tetapi ini tidak bermakna bahawa tiada apa-apa di dalamnya sama sekali. Dalam vakum fizikal, peristiwa paling kompleks sentiasa berlaku. proses fizikal, sebagai contoh, kelahiran dan kematian zarah maya, jenis istimewa ayunan vakum medan elektromagnet yang tidak terlepas daripadanya dan tidak merambat. Walau bagaimanapun, pada selang masa tertentu zarah maya boleh bertukar menjadi zarah sebenar.
Simetri dan prinsip invarian dalam fizik
Perkataan "simetri" mempunyai asal Yunani dan bermaksud "perkadaran". DALAM bahasa seharian Simetri selalunya difahami sebagai keteraturan, keharmonian dan kekadaran. Kesepaduan harmoni bahagian dan keseluruhan adalah sumber utama nilai estetik simetri. Kristal telah lama menggembirakan kami dengan kesempurnaan dan simetri bentuk yang ketat. mozek simetri, lukisan dinding, ensembel seni bina membangkitkan dalam diri orang rasa keindahan, muzik dan karya puitis menyebabkan kekaguman tepat untuk keharmonian mereka. Oleh itu, kita boleh bercakap tentang simetri yang tergolong dalam kategori kecantikan.
Takrif saintifik simetri adalah kepunyaan ahli matematik utama Jerman Herman Weil(1885 - 1955), yang dalam bukunya yang indah "Simetri" menganalisis peralihan daripada persepsi deria mudah simetri kepada pemahaman saintifik. Menurut G. Weil, di bawah simetri seseorang harus memahami invarians (ketidakbolehubah) sifat-sifat objek di bawah jenis transformasi tertentu. Kita boleh mengatakan bahawa simetri ialah satu set sifat invarian sesuatu objek. Sebagai contoh, kristal boleh sejajar dengan dirinya di bawah putaran, pantulan dan anjakan tertentu. Banyak haiwan mempunyai simetri cermin anggaran apabila separuh kiri badan dipantulkan ke kanan dan sebaliknya. Walau bagaimanapun, bukan sahaja objek material, tetapi juga, sebagai contoh, objek matematik boleh mematuhi undang-undang simetri. Kita boleh bercakap tentang invarian fungsi atau persamaan di bawah transformasi tertentu sistem koordinat. Ini seterusnya membolehkan kategori simetri digunakan untuk undang-undang fizik. Ini adalah bagaimana simetri memasuki matematik dan fizik, di mana ia juga berfungsi sebagai sumber keindahan dan keanggunan.
Secara beransur-ansur, fizik menemui lebih banyak jenis simetri baru undang-undang alam: jika pada mulanya hanya jenis simetri ruang-masa (geometrik) yang dipertimbangkan, kemudian ia tidak ditemui. jenis geometri(permutasi, tolok, unitari, dll.). Yang terakhir berkaitan dengan undang-undang interaksi, dan mereka bersatu nama yang selalu digunakan"simetri dinamik".
Prinsip invarian memainkan peranan yang sangat penting dalam fizik moden: dengan bantuan mereka, undang-undang pemuliharaan lama dibuktikan dan undang-undang baru diramalkan, dan penyelesaian banyak asas dan masalah yang diterapkan dan, yang paling penting, adalah mungkin untuk mencapai kejayaan pertama ke arah penyatuan interaksi asas (teori interaksi elektrolemah dan Penyatuan Besar). Prinsip-prinsip ini mempunyai keluasan yang besar. Ahli fizik teoretikal Amerika yang cemerlang Yu Wigner menyatakan bahawa prinsip-prinsip ini berkaitan dengan undang-undang alam dengan cara yang sama seperti undang-undang alam berkaitan dengan fenomena, i.e. simetri "mentadbir" undang-undang, dan undang-undang "mengawal" fenomena. Jika bukan kerana, sebagai contoh, invarian undang-undang alam berkenaan dengan anjakan dalam ruang dan masa, maka tidak mungkin sains akan dapat menetapkan undang-undang ini sama sekali.