Cząstki elementarne i ich użyteczne właściwości. Cząstki elementarne i ich główne cechy

Fizyka cząstek elementarnych jest ściśle związana z fizyką jądra atomowego. Ten teren nowoczesna nauka opiera się na koncepcjach kwantowych i w swoim rozwoju wnika głębiej w głąb materii, odsłaniając tajemniczy świat jej podstawowych zasad. W fizyce cząstek elementarnych rola teorii jest niezwykle ważna. Ze względu na niemożność bezpośredniej obserwacji takich obiektów materialnych, kojarzone są z nimi ich obrazy równania matematyczne, wraz z nałożonymi na nie zasadami zakazującymi i zezwalającymi.

Z definicji cząstki elementarne są pierwotnymi, nierozkładalnymi formacjami, z których, z założenia, składa się cała materia. W rzeczywistości termin ten jest używany w szerszym znaczeniu - do określenia dużej grupy mikrocząstek materii, które nie są strukturalnie zjednoczone w jądrach i atomach. Większość obiektów badań fizyki cząstek elementarnych nie spełnia ścisłej definicji elementarności, gdyż są to układy złożone. Dlatego cząstki spełniające ten wymóg zwykle nazywa się prawdziwie elementarnymi.

Pierwszą cząstką elementarną odkrytą w trakcie badań mikrokosmosu pod koniec XIX wieku był elektron. Następnie odkryto proton (1919 r.), potem neutron odkryty w 1932 r. Istnienie pozytonu teoretycznie przepowiedział P. Dirac w 1931 r., a w 1932 r. odkryto tego dodatnio naładowanego „bliźniaka” elektronu w promieniowanie kosmiczne Karla Andersona. Założenie o istnieniu neutrin w przyrodzie wysunął W. Pauli w 1930 r., a eksperymentalnie odkryto je dopiero w 1953 r. W składzie promieni kosmicznych w 1936 r. odkryto mu-mezony (miony) – cząstki obu znaków ładunku elektrycznego o masie około 200 elektronów. Pod wszystkimi innymi względami właściwości mionów są bardzo zbliżone do właściwości elektronu i pozytonu. Również w promieniowaniu kosmicznym w 1947 roku odkryto dodatnie i ujemne mezony pi, których istnienie przepowiedział japoński fizyk Hideki Yukawa w 1935 roku. Później okazało się, że istnieje również neutralny mezon pi.

Na początku lat 50. duża grupa cząstek z bardzo niezwykłe właściwości, co spowodowało, że nazwano je „dziwnymi”. Pierwsze cząstki z tej grupy odkryto w promieniowaniu kosmicznym, są to mezony K obu znaków oraz hiperon K (lambda hyperon). Należy pamiętać, że mezony mają swoją nazwę od języka greckiego. „średnie, pośrednie” ze względu na fakt, że masy pierwszych odkrytych cząstek tego typu (pi-mezony, mu-mezony) mają masę pośrednią pomiędzy masą nukleonu i elektronu. Hyperony wzięły swoją nazwę od języka greckiego. „powyżej, wyżej”, gdyż ich masy przekraczają masę nukleonu. Późniejszych odkryć dziwnych cząstek dokonano za pomocą akceleratorów cząstek naładowanych, które stały się głównym narzędziem do badania cząstek elementarnych.

W ten sposób odkryto antyproton, antyneutron i szereg hiperonów. W latach 60. Odkryto znaczną liczbę cząstek o niezwykle krótkim czasie życia, które nazwano rezonansami. Jak się okazało, większość znanych cząstek elementarnych należy do rezonansów. W połowie lat 70. odkryto nową rodzinę cząstek elementarnych, która otrzymała romantyczną nazwę „czarowane”, a na początku lat 80. - rodzinę „pięknych” cząstek i tak zwanych bozonów wektorów pośrednich. Odkrycie tych cząstek było znakomitym potwierdzeniem teorii opartej na kwarkowym modelu cząstek elementarnych, która przewidywała istnienie nowych cząstek na długo przed ich odkryciem.

Tak więc w czasie po odkryciu pierwszej cząstki elementarnej – elektronu – w przyrodzie odkryto wiele (około 400) mikrocząstek materii, a proces odkrywania nowych cząstek trwa. Okazało się, że świat cząstek elementarnych jest bardzo, bardzo złożony, a ich właściwości są różnorodne i często niezwykle nieoczekiwane.

Wszystkie cząstki elementarne są formacjami materialnymi o niezwykle małych masach i rozmiarach. Większość z nich ma masy rzędu masy protonu (~10 -24 g) i wymiary rzędu 10 -13 m. Decyduje to o czysto kwantowej specyfice ich zachowania. Ważną właściwością kwantową wszystkich cząstek elementarnych (w tym należącego do nich fotonu) jest to, że wszystkie procesy z nimi zachodzą w postaci sekwencji aktów emisji i absorpcji (zdolność do narodzin i zniszczenia podczas interakcji z innymi cząstkami). . Procesy z udziałem cząstek elementarnych dotyczą wszystkich czterech typów oddziaływań podstawowych: silnych, elektromagnetycznych, słabych i grawitacyjnych. Oddziaływanie silne odpowiada za wiązanie nukleonów w jądrze atomowym. Oddziaływanie elektromagnetyczne zapewnia połączenie elektronów z jądrami w atomie, a także połączenie atomów w cząsteczkach. Oddziaływanie słabe powoduje w szczególności rozpad quasi-stabilnych (tj. stosunkowo długowiecznych) cząstek o czasie życia w granicach 10 -12 -10 -14 s. Oddziaływanie grawitacyjne w odległościach charakterystycznych dla cząstek elementarnych rzędu ~10 -13 cm, ze względu na małą masę ich masy, ma wyjątkowo małą intensywność, ale może być znaczące na ultrakrótkich dystansach. Natężenia oddziaływań silnych, elektromagnetycznych, słabych i grawitacyjnych - przy umiarkowanej energii procesów wynoszą odpowiednio 1, 10 -2, 10 -10, 10 -38. Ogólnie rzecz biorąc, wraz ze wzrostem energii cząstek stosunek ten się zmienia.

Cząstki elementarne Klasyfikuje się je według różnych kryteriów i trzeba przyznać, że ogólnie przyjęta klasyfikacja jest dość złożona.

W zależności od ich udziału w różnego rodzaju oddziaływaniach, wszystkie znane cząstki dzielą się na dwie główne grupy: hadrony i leptony.

Hadrony biorą udział we wszystkich rodzajach oddziaływań, także tych silnych. Swoją nazwę otrzymali od języka greckiego. „duży, silny”.

Leptony nie biorą udziału w oddziaływaniach silnych. Ich nazwa pochodzi od języka greckiego. „lekki, cienki”, gdyż masy były znane aż do połowy lat 70-tych. cząstki tej klasy były zauważalnie mniejsze od mas wszystkich innych cząstek (z wyjątkiem fotonu).

Do hadronów zaliczamy wszystkie bariony (grupę cząstek o masie nie mniejszej niż masa protonu, tak zwaną od greckiego „ciężki”) oraz mezony. Najlżejszy barion to proton.

Leptonami są w szczególności elektron i pozyton, miony obu znaków, neutrina trzech typów (lekkie, elektrycznie obojętne cząstki uczestniczące jedynie w oddziaływaniach słabych i grawitacyjnych). Zakłada się, że neutrina są w przyrodzie równie powszechne jak fotony, a do ich powstania prowadzi wiele różnych procesów. Charakterystyczną cechą neutrina jest jego ogromna siła penetracji, szczególnie przy niskich energiach. Uzupełniając klasyfikację ze względu na rodzaje oddziaływań należy zauważyć, że foton bierze udział jedynie w oddziaływaniach elektromagnetycznych i grawitacyjnych. Ponadto, zgodnie z modelami teoretycznymi mającymi na celu ujednolicenie wszystkich czterech rodzajów interakcji, istnieje hipotetyczna cząstka niosąca pole grawitacyjne, która nazywa się grawitonem. Osobliwością grawitonu jest to, że (zgodnie z teorią) uczestniczy on jedynie w oddziaływaniu grawitacyjnym. Zauważ, że teoria łączy się z procesy kwantowe oddziaływanie grawitacyjne jeszcze dwa hipotetyczne cząstki— grawitino i grawifoton. Eksperymentalna detekcja grawitonów, czyli w zasadzie promieniowania grawitacyjnego, jest niezwykle trudna ze względu na jego wyjątkowo słabe oddziaływanie z materią.

W zależności od czasu życia cząstki elementarne dzielą się na stabilne, quasi-stabilne i niestabilne (rezonanse).

Cząstkami stabilnymi są elektron (czas życia t > 10 21 lat), proton (t > 10 31 lat), neutrino i foton. Cząstki, które rozpadają się pod wpływem oddziaływań elektromagnetycznych i słabych, uważane są za quasi-stabilne; ich czas życia wynosi t > 10 -20 s. Rezonanse to cząstki, które rozpadają się w wyniku oddziaływań silnych; ich czas życia mieści się w przedziale 10 -22 ^10 -24 s.

Powszechny jest inny rodzaj podziału cząstek elementarnych. Układy cząstek o spinie zerowym i całkowitym podlegają statystyce Bosego-Einsteina, dlatego cząstki takie nazywane są zwykle bozonami. Zbiór cząstek o spinie półcałkowitym opisuje statystyka Fermiego-Diraca, stąd nazwa takich cząstek – fermiony.

Każda cząstka elementarna charakteryzuje się pewnym zbiorem dyskretnym wielkości fizyczne- liczby kwantowe. Cechami wspólnymi dla wszystkich cząstek są masa m, czas życia t, spin J i ładunek elektryczny Q. Spin cząstek elementarnych przyjmuje wartości równe całkowitej lub półcałkowitej wielokrotności stałej Plancka. Ładunki elektryczne cząstek są całkowitymi wielokrotnościami ładunku elektronu, który jest uważany za elementarny ładunek elektryczny.

Ponadto cząstki elementarne charakteryzują się dodatkowo tzw. wewnętrznymi liczbami kwantowymi. Leptonom przypisuje się specyficzny ładunek leptonowy L = ±1, hadrony o spinie półcałkowitym mają ładunek barionowy B = ±1 (hadrony z B = 0 tworzą podgrupę mezonów).

Ważną cechą kwantową hadronów jest parzystość wewnętrzna P, która przyjmuje wartość ±1 i odzwierciedla właściwość symetrii funkcji falowej cząstki względem inwersji przestrzennej (odbicie lustrzane). Pomimo niezachowania parytetu kiedy słaba interakcja, cząstki z dobrą dokładnością przyjmują wartości parzystości wewnętrznej równe +1 lub -1.

Hadrony dzielą się dalej na cząstki zwykłe (proton, neutron, mezony pi), cząstki dziwne (^-mezony, hiperony, niektóre rezonanse), cząstki „czarowane” i „piękne”. Odpowiadają one specjalnym liczbom kwantowym: obcości S, urokowi C i pięknu b. Te liczby kwantowe wprowadza się zgodnie z modelem kwarkowym, aby zinterpretować specyficzne procesy charakterystyczne dla tych cząstek.

Wśród hadronów istnieją grupy (rodziny) cząstek o podobnych masach, identycznych wewnętrznych liczbach kwantowych, ale różniących się ładunkiem elektrycznym. Takie grupy nazywane są multipletami izotopowymi i charakteryzują się wspólną liczbą kwantową – spinem izotopowym, który podobnie jak zwykły spin przyjmuje wartości całkowite i półcałkowite.

Jaki jest wielokrotnie wspominany już kwarkowy model hadronów?

Odkrycie wzoru grupowania hadronów w multiplety posłużyło jako podstawa do założenia o istnieniu specjalnych formacji strukturalnych, z których zbudowane są hadrony – kwarków. Zakładając istnienie takich cząstek, można założyć, że wszystkie hadrony są kombinacjami kwarków. Ta odważna i heurystycznie produktywna hipoteza została wysunięta w 1964 roku przez amerykańskiego fizyka Murraya Gell-Mana. Jej istotą było założenie o istnieniu trzech cząstek elementarnych o spinie półcałkowitym, które są materiałem do budowy hadronów, kwarków u, d i s. Następnie, w oparciu o nowe dane eksperymentalne, kwarkowy model budowy hadronów uzupełniono o dwa kolejne kwarki: „czarowany” (c) i „piękny” (b). Uważa się, że możliwe jest istnienie innych typów kwarków. Charakterystyczną cechą kwarków jest to, że mają one ułamkowe wartości ładunków elektrycznych i barionowych, których nie ma w żadnej ze znanych cząstek. Wszyscy zgadzają się z modelem kwarkowym wyniki eksperymentalne w badaniu cząstek elementarnych.

Według modelu kwarkowego bariony składają się z trzech kwarków, mezony z kwarka i antykwarka. Ponieważ niektóre bariony są kombinacją trzech kwarków znajdujących się w tym samym stanie, czego zabrania zasada Pauliego (patrz wyżej), każdemu typowi („smakowi”) kwarku przypisano dodatkową wewnętrzną liczbę kwantową „kolor”. Każdy rodzaj kwarku („smak” - u, d, s, c, b) może występować w trzech stanach „koloru”. W związku ze stosowaniem koncepcji koloru teorię silnego oddziaływania kwarków nazywa się chromodynamiką kwantową (od greckiego „koloru”).

Możemy założyć, że kwarki są nowymi cząstkami elementarnymi i podają się za prawdziwie elementarne cząstki hadronowej formy materii. Jednak problem obserwacji swobodnych kwarków i gluonów pozostaje nierozwiązany. Pomimo systematycznych poszukiwań promieni kosmicznych w akceleratorach wysokoenergetycznych nie udało się dotychczas wykryć ich w stanie swobodnym. Istnieją dobre powody, aby sądzić, że mamy tu do czynienia z fizyką szczególne zjawisko natury – tzw. uwięzienie kwarków.

Rzecz w tym, że istnieją poważne argumenty teoretyczne i eksperymentalne przemawiające za założeniem, że siły oddziaływania pomiędzy kwarkami nie słabną wraz z odległością. Oznacza to, że do rozdzielenia kwarków potrzeba nieskończenie więcej energii, dlatego pojawienie się kwarków w stanie swobodnym jest niemożliwe. Ta okoliczność nadaje kwarkom status zupełnie specjalnych jednostek strukturalnych materii. Być może właśnie wychodząc od kwarków eksperymentalna obserwacja etapów fragmentacji materii jest zasadniczo niemożliwa. Uznanie kwarków za rzeczywiście istniejące obiekty świata materialnego stanowi nie tylko uderzający przypadek prymatu idei w stosunku do istnienia bytu materialnego. Powstaje pytanie o rewizję tabeli podstawowych stałych światowych, ponieważ ładunek kwarku jest trzykrotnie mniejszy niż ładunek protonu, a zatem i elektronu.

Od czasu odkrycia pozytonu nauka natrafiła na cząstki antymaterii. Dziś jest już oczywiste, że dla wszystkich cząstek elementarnych o niezerowych wartościach przynajmniej jednej z liczb kwantowych, takich jak ładunek elektryczny Q, ładunek leptonowy L, ładunek barionowy B, dziwność S, urok C i piękno b, istnieją antycząstki o tych samych masach, czasie życia i spinie, ale o przeciwnych znakach powyższych liczb kwantowych. Znane są cząstki identyczne ze swoimi antycząstkami; nazywa się je prawdziwie neutralnymi. Przykładami prawdziwie neutralnych cząstek są foton i jeden z trzech mezonów pi (pozostałe dwa to cząstka i antycząstka względem siebie).

Charakterystyczną cechą oddziaływania cząstek i antycząstek jest ich anihilacja przy zderzeniu, czyli wzajemne niszczenie z powstawaniem innych cząstek i spełnieniem praw zachowania energii, pędu, ładunku itp. Typowym przykładem anihilacji cząstki para to proces przemiany elektronu i jego antycząstki – pozytonu – w promieniowanie elektromagnetyczne (w fotonach lub kwantach gamma). Anihilacja pary następuje nie tylko wtedy, gdy oddziaływanie elektromagnetyczne, ale także z silną interakcją. Przy wysokich energiach lekkie cząstki mogą anihilować, tworząc cięższe cząstki – pod warunkiem, że to nastąpi całkowita energia anihilacja cząstek przekracza próg produkcji ciężkich cząstek ( równa sumie ich energię spoczynkową).

Przy oddziaływaniach silnych i elektromagnetycznych pomiędzy cząstkami i ich antycząstkami występuje pełna symetria, czyli wszystkie procesy zachodzące pomiędzy pierwszymi są możliwe także dla tych drugich. Dlatego antyprotony i antyneutrony mogą tworzyć jądra atomów antymaterii, czyli w zasadzie antymateria może być zbudowana z antycząstek. Powstaje oczywiste pytanie: jeśli każda cząstka ma antycząstkę, to dlaczego w badanym obszarze Wszechświata nie ma nagromadzeń antymaterii? Rzeczywiście, ich obecność we Wszechświecie, nawet gdzieś „w pobliżu” Wszechświata, można było ocenić na podstawie potężnego promieniowania anihilacyjnego docierającego do Ziemi z obszaru kontaktu materii z antymaterią. Jednak współczesna astrofizyka nie dysponuje danymi, które pozwoliłyby nam choćby założyć obecność we Wszechświecie obszarów wypełnionych antymaterią.

Jak we Wszechświecie doszło do wyboru na korzyść materii i ze szkodą dla antymaterii, mimo że prawa symetrii są w zasadzie spełnione? Przyczyną tego zjawiska najprawdopodobniej było właśnie naruszenie symetrii, czyli fluktuacji na poziomie podstaw materii.

Jedno jest pewne: gdyby nie doszło do takiego wahania, los Wszechświata byłby smutny – cała jego materia istniałaby w postaci nieskończonej chmury fotonów powstałych w wyniku anihilacji cząstek materii i antymaterii.

Dalsza penetracja w głąb mikroświata wiąże się z przejściem z poziomu atomów na poziom cząstek elementarnych. Jako pierwsza cząstka elementarna pod koniec XIX wieku. odkryto elektron, a następnie w pierwszych dekadach XX wieku. – foton, proton, pozyton i neutron.

Po drugiej wojnie światowej, dzięki zastosowaniu nowoczesnej technologii eksperymentalnej, a przede wszystkim potężnych akceleratorów, w których powstają warunki dużych energii i ogromnych prędkości, ustalono istnienie dużej liczby cząstek elementarnych – ponad 300. Wśród nich istnieją zarówno odkrywane eksperymentalnie, jak i obliczane teoretycznie, w tym rezonanse, kwarki i cząstki wirtualne.

Termin cząstka elementarna pierwotnie oznaczało najprostsze, dalsze nierozkładalne cząstki, które leżą u podstaw wszelkich formacji materialnych. Później fizycy zrealizowali całą konwencję terminu „elementarny” w odniesieniu do mikroobiektów. Teraz nie ma wątpliwości, że cząstki mają taką czy inną strukturę, niemniej jednak historycznie ustalona nazwa nadal istnieje.

Głównymi cechami cząstek elementarnych są masa, ładunek, średni czas życia, spin i liczby kwantowe.

Masa spoczynkowa cząstki elementarne określa się w odniesieniu do masy spoczynkowej elektronu. Istnieją cząstki elementarne, które nie mają masy spoczynkowej - fotony. Pozostałe cząstki według tego kryterium są podzielone na leptony– cząstki lekkie (elektron i neutrino); mezony– cząstki średnie o masie od jednego do tysiąca elektronów; bariony– ciężkie cząstki, których masa przekracza masę tysiąca elektronów, w skład których wchodzą protony, neutrony, hiperony i wiele rezonansów.

Ładunek elektryczny to kolejna ważna cecha cząstek elementarnych. Wszystkie znane cząstki mają ładunek dodatni, ujemny lub zerowy. Każdej cząstce, z wyjątkiem fotonu i dwóch mezonów, odpowiadają antycząstki o przeciwnych ładunkach. Około 1963–1964 wysunięto hipotezę na temat istnienia kwarki– cząstki posiadające ułamkowy ładunek elektryczny. Hipoteza ta nie została jeszcze potwierdzona eksperymentalnie.

Przez całe życie cząstki dzielą się na stabilny I nietrwały . Istnieje pięć stabilnych cząstek: foton, dwa rodzaje neutrin, elektron i proton. W budowie makrociał najważniejszą rolę odgrywają cząstki stabilne. Wszystkie pozostałe cząstki są niestabilne, istnieją około 10 -10 -10 -24 s, po czym ulegają rozpadowi. Cząstki elementarne, których średni czas życia wynosi 10–23–10–22 s, nazywane są cząstkami elementarnymi rezonanse. Ze względu na krótki czas życia ulegają rozpadowi zanim opuszczą atom lub jądro atomowe. Stany rezonansowe obliczono teoretycznie; w rzeczywistych eksperymentach nie można było ich wykryć.

Oprócz ładunku, masy i czasu życia cząstki elementarne opisywane są także przez pojęcia, które nie mają analogii w fizyce klasycznej: pojęcie z powrotem . Spin to wewnętrzny moment pędu cząstki, który nie jest powiązany z jej ruchem. Spin charakteryzuje się spinowa liczba kwantowa S, które mogą przyjmować wartości całkowite (±1) lub półcałkowite (±1/2). Cząstki o spinie całkowitym – bozony, z półliczbą całkowitą - fermiony. Elektrony dzielimy na fermiony. Zgodnie z zasadą Pauliego atom nie może mieć więcej niż jednego elektronu o tym samym zestawie liczb kwantowych N,M,l,S. Elektrony, które odpowiadają funkcjom falowym o tej samej liczbie n, mają bardzo zbliżoną energię i tworzą powłokę elektronową w atomie. Różnice w liczbie l określają „podpowłokę”, pozostałe liczby kwantowe określają jej wypełnienie, jak wspomniano powyżej.

W charakterystyce cząstek elementarnych istnieje jeszcze jedna ważna idea interakcja. Jak wspomniano wcześniej, znane są cztery typy oddziaływań pomiędzy cząstkami elementarnymi: grawitacyjny,słaby,elektromagnetyczny I mocny(jądrowy).

Wszystkie cząstki posiadające masę spoczynkową ( M 0), uczestniczą w oddziaływaniach grawitacyjnych, a naładowane również uczestniczą w oddziaływaniach elektromagnetycznych. Leptony uczestniczą także w oddziaływaniach słabych. Hadrony uczestniczą we wszystkich czterech podstawowych interakcjach.

Według kwantowej teorii pola wszystkie interakcje zachodzą w wyniku wymiany cząstki wirtualne , czyli cząstki, których istnienie można ocenić jedynie pośrednio, na podstawie niektórych ich przejawów poprzez pewne efekty wtórne ( prawdziwe cząstki można bezpośrednio nagrać za pomocą instrumentów).

Okazuje się, że wszystkie cztery znane rodzaje oddziaływań – grawitacyjne, elektromagnetyczne, silne i słabe – mają charakter cechowania i są opisane symetrią cechowania. Oznacza to, że wszystkie interakcje powstają „z tego samego pustego miejsca”. Daje to nadzieję, że uda się znaleźć „jedyny klucz do wszystkich znanych zamków” i opisać ewolucję Wszechświata od stanu reprezentowanego przez pojedyncze supersymetryczne superpole, od stanu, w którym różnice pomiędzy rodzajami oddziaływań, pomiędzy wszystkimi rodzaje cząstek materii i kwantów pola jeszcze się nie ujawniły.

Istnieje ogromna liczba sposobów klasyfikacji cząstek elementarnych. Przykładowo cząstki dzielą się na fermiony (cząstki Fermiego) – cząstki materii i bozony (cząstki Bosego) – kwanty pola.

Według innego podejścia cząstki dzieli się na 4 klasy: fotony, leptony, mezony, bariony.

Fotony (kwanty pola elektromagnetycznego) uczestniczą w oddziaływaniach elektromagnetycznych, ale nie wchodzą w interakcje silne, słabe ani grawitacyjne.

Leptony swoją nazwę zawdzięczają greckiemu słowu leptos- łatwy. Należą do nich cząstki, które nie oddziałują silnie: miony (μ – , μ +), elektrony (е – , у +), neutrina elektronowe (v e – , v e +) i neutrina mionowe (v – m, v + m). Wszystkie leptony mają spin ½ i dlatego są fermionami. Wszystkie leptony oddziałują słabo. Te, które mają ładunek elektryczny (to znaczy miony i elektrony), mają również siłę elektromagnetyczną.

Mezony – silnie oddziałujące cząstki niestabilne, które nie przenoszą tzw. ładunku barionowego. Wśród nich jest R-mezony, czyli piony (π +, π –, π 0), DO-mezony lub kaony (K +, K –, K 0) i Ten-mezony (η) . Waga DO-mezony wynoszą ~970me (494 MeV dla naładowanego i 498 MeV dla neutralnego DO-mezony). Dożywotni DO-mezony mają wielkość rzędu 10 – 8 s. Rozpadają się, aby uformować I-mezony i leptony lub tylko leptony. Waga Ten-mezony mają energię 549 MeV (1074me), czas życia wynosi około 10–19 s. Ten-mezony rozpadają się tworząc π-mezony i γ-fotony. W przeciwieństwie do leptonów mezony oddziałują nie tylko słabo (a jeśli są naładowane, elektromagnetycznie), ale także silnie, co objawia się podczas wzajemnego oddziaływania, a także podczas oddziaływania mezonów z barionami. Wszystkie mezony mają zerowy spin, więc są bozonami.

Klasa bariony łączy nukleony (p,n) i cząstki niestabilne o masie większej niż masa nukleonów, zwane hiperonami. Wszystkie bariony oddziałują silnie i dlatego aktywnie oddziałują z jądrami atomowymi. Spin wszystkich barionów wynosi ½, więc bariony są fermionami. Z wyjątkiem protonu wszystkie bariony są niestabilne. Podczas rozpadu barionów wraz z innymi cząstkami koniecznie powstaje barion. Ten wzór jest jednym z przejawów Prawo zachowania ładunku barionowego.

Oprócz cząstek wymienionych powyżej odkryto dużą liczbę silnie oddziałujących cząstek krótkotrwałych, które tzw rezonanse . Cząstki te są stanami rezonansowymi utworzonymi przez dwa lub duża liczba cząstki elementarne. Żywotność rezonansu wynosi tylko ~ 10 –23 –10 –22 s.

Cząstki elementarne, a także mikrocząstki złożone można obserwować dzięki śladom, jakie pozostawiają podczas przechodzenia przez materię. Charakter śladów pozwala ocenić znak ładunku cząstki, jej energię, pęd itp. Naładowane cząstki powodują jonizację cząsteczek na swojej drodze. Cząstki neutralne nie pozostawiają śladów, ale mogą ujawnić się w momencie rozpadu na cząstki naładowane lub w momencie zderzenia z dowolnym jądrem. W rezultacie cząstki obojętne są ostatecznie wykrywane również w wyniku jonizacji spowodowanej przez generowane przez nie naładowane cząstki.

Cząstki i antycząstki. W 1928 roku angielskiemu fizykowi P. Diracowi udało się znaleźć relatywistyczne równanie mechaniki kwantowej dla elektronu, z którego wynika szereg niezwykłych konsekwencji. Przede wszystkim z tego równania otrzymujemy w sposób naturalny, bez żadnych dodatkowych założeń, spin i wartość numeryczna własny moment magnetyczny elektronu. Okazało się zatem, że spin jest wielkością zarówno kwantową, jak i relatywistyczną. Ale to nie wyczerpuje znaczenia równania Diraca. Umożliwiło także przewidzenie istnienia antycząstki elektronu – pozyton. Z równania Diraca uzyskuje się nie tylko wartości dodatnie, ale także ujemne dla całkowitej energii swobodnego elektronu. Badania równania pokazują, że dla danego pędu cząstki istnieją rozwiązania równania odpowiadające energiom: .

Między największymi negatywna energia (–M mi Z 2) i najmniejsza energia dodatnia (+ M mi C 2) istnieje przedział wartości energii, którego nie można zrealizować. Szerokość tego przedziału wynosi 2 M mi Z 2. W rezultacie uzyskuje się dwa obszary wartości własnych energii: jeden zaczyna się od + M mi Z 2 i rozciąga się do +∞, drugi zaczyna się od – M mi Z 2 i rozciąga się do –∞.

Cząstka o energii ujemnej musi mieć bardzo dziwne właściwości. Przechodząc w stany o coraz mniejszej energii (to znaczy o rosnącej energii ujemnej), mógłby uwolnić energię, powiedzmy, w postaci promieniowania, a ponieważ | mi| bez ograniczeń cząstka o energii ujemnej może wyemitować nieskończenie dużą ilość energii. Do podobnego wniosku można dojść w następujący sposób: z relacji mi=M mi Z 2 wynika, że ​​cząstka o energii ujemnej będzie miała również ujemną masę. Pod wpływem siły hamowania cząstka o ujemnej masie nie powinna zwalniać, lecz przyspieszać, wykonując nieskończenie dużą pracę na źródle siły hamowania. Wobec tych trudności wydaje się, że należałoby uznać, że stan o energii ujemnej należy wykluczyć z rozważań jako prowadzący do absurdalnych rezultatów. Byłoby to jednak sprzeczne z niektórymi ogólnymi zasadami mechaniki kwantowej. Dlatego Dirac wybrał inną ścieżkę. Zaproponował, że przejść elektronów do stanów o energii ujemnej zwykle nie obserwuje się, ponieważ wszystkie dostępne poziomy o energii ujemnej są już zajęte przez elektrony.

Według Diraca próżnia to stan, w którym wszystkie poziomy o energii ujemnej są zajęte przez elektrony, a poziomy o energii dodatniej są wolne. Ponieważ wszystkie poziomy leżące poniżej zabronionego pasma są bez wyjątku zajęte, elektrony na tych poziomach nie ujawniają się w żaden sposób. Jeśli jeden z elektronów znajdujących się na poziomach ujemnych otrzyma energię mi≥ 2M mi Z 2, wówczas elektron ten przejdzie w stan o energii dodatniej i będzie się zachowywał w zwykły sposób, jak cząstka o dodatniej masie i ładunku ujemnym. Tę pierwszą teoretycznie przewidzianą cząstkę nazwano pozytonem. Kiedy pozyton spotyka elektron, następuje anihilacja (znikanie) - elektron przemieszcza się z poziomu dodatniego na wolny ujemny. Energia odpowiadająca różnicy między tymi poziomami jest uwalniana w postaci promieniowania. Na ryc. 4, strzałka 1 przedstawia proces powstawania pary elektron-pozyton, a strzałka 2 – ich anihilację Terminu „anihilacja” nie należy rozumieć dosłownie. Zasadniczo nie następuje zniknięcie, ale transformacja niektórych cząstek (elektronów i pozytonów) w inne (fotony γ).

Istnieją cząstki, które są identyczne ze swoimi antycząstkami (to znaczy nie mają antycząstek). Takie cząstki nazywane są absolutnie neutralnymi. Należą do nich foton, mezon π 0 i mezon η. Cząstki identyczne ze swoimi antycząstkami nie są zdolne do anihilacji. Nie oznacza to jednak, że w ogóle nie da się ich przekształcić w inne cząstki.

Jeśli barionom (to znaczy nukleonom i hiperonom) przypisany jest ładunek barionowy (lub liczba barionowa) W= +1, antybariony – ładunek barionowy W= –1, a wszystkie pozostałe cząstki mają ładunek barionowy W= 0, wówczas wszystkie procesy zachodzące z udziałem barionów i antybarionów będą charakteryzowały się zachowaniem ładunku barionów, podobnie jak procesy charakteryzują się zachowaniem ładunku elektrycznego. Prawo zachowania ładunku barionowego określa stabilność najmiększego barionu, protonu. Transformacja wszystkich wielkości opisujących układ fizyczny, w którym wszystkie cząstki są zastępowane przez antycząstki (na przykład elektrony z protonami i protony z elektronami itp.), Nazywa się ładunkiem koniugacyjnym.

Dziwne cząstki.DO-mezony i hiperony odkryto jako część promieni kosmicznych na początku lat 50. XX wieku. Od 1953 roku produkowane są w akceleratorach. Zachowanie tych cząstek okazało się na tyle niezwykłe, że nazwano je dziwnymi. Niezwykłe zachowanie dziwnych cząstek polegało na tym, że wyraźnie narodziły się w wyniku silnych oddziaływań z charakterystycznym czasem rzędu 10–23 s, a ich czas życia okazał się rzędu 10–8–10–10 s. Ta ostatnia okoliczność wskazywała, że ​​rozpad cząstek następuje w wyniku oddziaływań słabych. Nie było całkowicie jasne, dlaczego dziwne cząsteczki żyły tak długo. Ponieważ te same cząstki (mezony π i protony) biorą udział zarówno w tworzeniu, jak i rozpadzie hiperonu λ, zaskakujące było, że tempo (tj. prawdopodobieństwo) obu procesów było tak różne. Dalsze badania wykazały, że dziwne cząstki rodzą się parami. Doprowadziło to do poglądu, że oddziaływania silne nie mogą odgrywać roli w rozpadzie cząstek, ponieważ do ich manifestacji konieczna jest obecność dwóch obcych cząstek. Z tego samego powodu pojedyncze stworzenie dziwnych cząstek okazuje się niemożliwe.

Aby wyjaśnić zakaz jednorazowego wytwarzania cząstek dziwnych, M. Gell-Mann i K. Nishijima wprowadzili nową liczbę kwantową, której całkowita wartość, według ich założenia, powinna być zachowana przy oddziaływaniach silnych. To jest liczba kwantowa S został nazwany dziwność cząstki. W słabych interakcjach obcość może nie zostać zachowana. Dlatego przypisuje się go jedynie cząstkom silnie oddziałującym – mezonom i barionom.

Neutrino. Neutrino jest jedyną cząstką, która nie uczestniczy ani w oddziaływaniach silnych, ani elektromagnetycznych. Pomijając oddziaływanie grawitacyjne, w którym uczestniczą wszystkie cząstki, neutrina mogą brać udział jedynie w oddziaływaniach słabych.

Przez długi czas nie było jasne, czym neutrino różni się od antyneutrina. Odkrycie prawa zachowania połączonej parzystości pozwoliło odpowiedzieć na to pytanie: różnią się one helikalnością. Pod skrętność rozumie się pewną zależność między kierunkami impulsu R i z powrotem S cząsteczki. Heliczność uważa się za dodatnią, jeśli spin i pęd są w tym samym kierunku. W tym przypadku kierunek ruchu cząstek ( R) i kierunek „obrotu” odpowiadający obrotowi tworzą śrubę prawoskrętną. Kiedy spin i pęd są skierowane przeciwnie, śrubowość będzie ujemna (ruch translacyjny i „obrót” tworzą lewoskrętną śrubę). Zgodnie z teorią neutrin podłużnych opracowaną przez Yanga, Lee, Landaua i Salama, wszystkie neutrina występujące w przyrodzie, niezależnie od sposobu ich powstania, są zawsze całkowicie spolaryzowane podłużnie (tzn. ich spin jest skierowany równolegle lub antyrównolegle do pędu R). Neutrino ma negatywny(po lewej) helikalność (odpowiadająca stosunkowi kierunków S I R, pokazany na ryc. 5 (b), antyneutrino – dodatnia (prawostronna) helikalność (a). Zatem helikalność jest tym, co odróżnia neutrina od antyneutrin.

Ryż. 5. Schemat helikalności cząstek elementarnych

Systematyka cząstek elementarnych. Wzorce obserwowane w świecie cząstek elementarnych można sformułować w postaci praw zachowania. Nagromadziło się już całkiem sporo takich praw. Niektóre z nich okazują się nie dokładne, a jedynie przybliżone. Każde prawo zachowania wyraża pewną symetrię układu. Prawa zachowania pędu R, moment pędu L i energia mi odzwierciedlają właściwości symetrii przestrzeni i czasu: ochrona mi jest konsekwencją jednorodności czasu, zachowania R ze względu na jednorodność przestrzeni i zachowanie L– jego izotropia. Prawo zachowania parytetu jest związane z symetrią między prawą i lewą stroną ( R-niezmienniczość). Symetria względem koniugacji ładunku (symetria cząstek i antycząstek) prowadzi do zachowania parytetu ładunku ( Z-niezmienniczość). Prawa zachowania ładunków elektrycznych, barionowych i leptonowych wyrażają szczególną symetrię Z-Funkcje. Wreszcie prawo zachowania spinu izotopowego odzwierciedla izotropię przestrzeni izotopowej. Nieprzestrzeganie jednego z praw zachowania oznacza naruszenie odpowiedniego rodzaju symetrii w tej interakcji.

W świecie cząstek elementarnych obowiązuje zasada: wszystko, czego nie zabraniają przepisy konserwatorskie, jest dozwolone. Te ostatnie pełnią rolę reguł wykluczających rządzących wzajemną konwersją cząstek. Przede wszystkim zwróćmy uwagę na prawa zachowania energii, pędu i ładunku elektrycznego. Te trzy prawa wyjaśniają stabilność elektronu. Z zasady zachowania energii i pędu wynika, że ​​całkowita masa spoczynkowa produktów rozpadu musi być mniejsza niż masa spoczynkowa rozpadającej się cząstki. Oznacza to, że elektron może rozpadać się jedynie na neutrina i fotony. Ale te cząstki są elektrycznie obojętne. Okazuje się więc, że elektron po prostu nie ma komu przekazać swojego ładunku elektrycznego, więc jest stabilny.

Kwarki. Cząstek zwanych elementarnymi stało się tak wiele, że pojawiły się poważne wątpliwości co do ich elementarnej natury. Każda z silnie oddziałujących cząstek charakteryzuje się trzema niezależnymi addytywnymi liczbami kwantowymi: ładunkiem Q, hiperładowanie U i ładunek barionowy W. W związku z tym powstała hipoteza, że ​​wszystkie cząstki zbudowane są z trzech cząstek podstawowych - nośników tych ładunków. W 1964 roku Gell-Mann i niezależnie od niego szwajcarski fizyk Zweig wysunęli hipotezę, według której wszystkie cząstki elementarne zbudowane są z trzech cząstek zwanych kwarkami. Cząstkom tym przypisuje się ułamkowe liczby kwantowe, w szczególności ładunek elektryczny równy +⅔; –⅓; +⅓ odpowiednio dla każdego z trzech kwarków. Kwarki te są zwykle oznaczone literami U,D,S. Oprócz kwarków bierze się pod uwagę antykwarki ( ty,D,S). Do chwili obecnej znanych jest 12 kwarków - 6 kwarków i 6 antykwarków. Mezony powstają z pary kwark-antykwark, a bariony powstają z trzech kwarków. Na przykład proton i neutron składają się z trzech kwarków, co sprawia, że ​​proton lub neutron są bezbarwne. W związku z tym wyróżnia się trzy ładunki silnych oddziaływań - czerwony ( R), żółty ( Y) i zielony ( G).

Każdemu kwarkowi przypisano to samo Moment magnetyczny(µV), którego wartość nie jest określona na podstawie teorii. Obliczenia wykonane na podstawie tego założenia dają wartość momentu magnetycznego μ p dla protonu = μ kv, a dla neutronu μ n = – ⅔µ kwadrat.

W ten sposób dla stosunku momentów magnetycznych uzyskuje się wartość μ p / μn = –⅔, doskonale zgadzając się z wartością eksperymentalną.

Zasadniczo kolor kwarku (podobnie jak znak ładunku elektrycznego) zaczął wyrażać różnicę we właściwości decydującej o wzajemnym przyciąganiu i odpychaniu kwarków. Przez analogię do kwantów pól różnych oddziaływań (fotonów w oddziaływaniach elektromagnetycznych, R-mezony w oddziaływaniach silnych itp.) wprowadzono cząstki przenoszące oddziaływanie pomiędzy kwarkami. Cząstki te nazwano gluony. Przenoszą kolor z jednego kwarku na drugi, powodując sklejanie kwarków. W fizyce kwarków sformułowano hipotezę uwięzienia (z ang. ograniczenia– wychwytywanie) kwarków, zgodnie z którym nie da się odjąć kwarka od całości. Może istnieć jedynie jako element całości. Istnienie kwarków jako cząstek rzeczywistych w fizyce zostało wiarygodnie udowodnione.

Pomysł na kwarki okazał się bardzo owocny. Umożliwiło to nie tylko usystematyzowanie już znanych cząstek, ale także przewidzenie całej serii nowych. Sytuacja, jaka rozwinęła się w fizyce cząstek elementarnych, przypomina sytuację, jaka powstała w fizyce atomowej po odkryciu prawa okresowości w 1869 roku przez D. I. Mendelewa. Choć istota tego prawa została wyjaśniona dopiero około 60 lat po powstaniu mechaniki kwantowej, umożliwiła ona usystematyzowanie znanych wówczas pierwiastków chemicznych, a ponadto doprowadziła do przewidywania istnienia nowych pierwiastków i ich właściwości . W ten sam sposób fizycy nauczyli się systematyzować cząstki elementarne, a opracowana taksonomia w rzadkich przypadkach umożliwiła przewidywanie istnienia nowych cząstek i przewidywanie ich właściwości.

Zatem obecnie kwarki i leptony można uznać za prawdziwie elementarne; Jest ich 12, czyli łącznie z antychatitami – 24. Ponadto istnieją cząstki, które zapewniają cztery podstawowe interakcje (kwanty interakcji). Jest 13 takich cząstek: grawiton, foton, W± - i Z-cząstki i 8 gluonów.

Istniejące teorie cząstek elementarnych nie są w stanie wskazać początku szeregu: atomy, jądra, hadrony, kwarki. W tym szeregu każda bardziej złożona struktura materialna zawiera jako składnik prostszą strukturę. Najwyraźniej nie można tego ciągnąć w nieskończoność. Założono, że opisywany łańcuch struktur materialnych opiera się na obiektach o zasadniczo odmiennym charakterze. Pokazano, że obiekty tego typu mogą nie mieć charakteru punktowego, lecz rozciągłe, aczkolwiek niezwykle małe (~10‑33 cm) formacje, tzw. superstruny. Opisany pomysł nie jest możliwy do zrealizowania w naszej czterowymiarowej przestrzeni. Ta dziedzina fizyki jest na ogół niezwykle abstrakcyjna i bardzo trudno jest znaleźć modele wizualne, które pomogłyby uprościć postrzeganie idei tkwiących w teoriach cząstek elementarnych. Niemniej jednak teorie te pozwalają fizykom wyrazić wzajemne przekształcenia i współzależność „najbardziej elementarnych” mikroobiektów, ich powiązanie z właściwościami czterowymiarowej czasoprzestrzeni. Najbardziej obiecujący jest tzw M-teoria (Jestem z tajemnica- zagadka, sekret). Ona działa przestrzeń dwunastwymiarowa . Ostatecznie podczas przejścia do czterowymiarowego świata, który bezpośrednio postrzegamy, wszystkie „dodatkowe” wymiary „zapadają się”. M-teoria jest jak dotąd jedyną teorią, która pozwala zredukować cztery podstawowe oddziaływania do jednego – tzw Supermoc. Ważne jest również to, że M-teoria dopuszcza istnienie różnych światów i ustanawia warunki, które zapewniają powstanie naszego świata. M-teoria nie jest jeszcze dostatecznie rozwinięta. Uważa się, że finał „teoria wszystkiego” oparte na M-teorii zostaną zbudowane w XXI wieku.

Ministerstwo Federacji Rosyjskiej

Instytut Prawa w Saratowie

Oddział Samara

Katedra PI i PCTRP

Praca pisemna

Na temat: ” Cząstki elementarne ”

Ukończyli: grupa szkoleniowa kadetów 421

policja prywatna

Sizonenko A.A.

Sprawdził: nauczyciel wydziału

Kuzniecow S.I.

Samara 2002

Plan

1) Wstęp.

2)

3) Podstawowe właściwości cząstek elementarnych. Zajęcia interakcyjne .

4)

5)

a) Jednolita symetria.

b) Kwarkowy model hadronów

6)

7) Wniosek. Niektóre ogólne problemy teorii cząstek elementarnych.

Wstęp .

mi . h. w ścisłym znaczeniu tego terminu - pierwotne, dalsze nierozkładalne cząstki, z których z założenia składa się cała materia. W koncepcji „E. h.” we współczesnej fizyce wyraża się idea pierwotnych bytów, które determinują wszystko znane właściwościświat materialny, idea, która zrodziła się w wczesne stadia kształtowała się nauka przyrodnicza i zawsze odgrywała ważną rolę w jej rozwoju.

Pojęcie „E.h.” powstały w ścisłym związku z ustaleniem dyskretnego charakteru struktury materii na poziomie mikroskopowym. Odkrycie na przełomie XIX i XX wieku. najmniejsze nośniki właściwości materii - cząsteczki i atomy - oraz ustalenie faktu, że cząsteczki zbudowane są z atomów, po raz pierwszy umożliwiły opisanie wszystkiego znane substancje jako połączenie skończonej, choć dużej liczby elementów strukturalnych - atomów. Dalsza identyfikacja obecności atomów składowych - elektronów i jąder, ustalenie złożonej natury jąder, które okazały się zbudowane tylko z dwóch rodzajów cząstek (protonów i neutronów) , znacznie zmniejszyło liczbę odrębnych elementów tworzących właściwości materii i dało podstawę do przypuszczenia, że ​​łańcuch części składowych materii kończy się dyskretnymi formacjami bez struktury - E. rozdz. Takie założenie jest, ogólnie rzecz biorąc, ekstrapolacją znane fakty i nie może być w żaden sposób uzasadniony. Nie można z całą pewnością stwierdzić, że istnieją cząstki elementarne w rozumieniu powyższej definicji. Protony i neutrony, np. długi czas Elementy uznawane za E., jak się okazało, mają złożoną strukturę. Nie można wykluczyć, że kolejność składników strukturalnych materii jest zasadniczo nieskończona. Może się też okazać, że stwierdzenie „składa się z…” na którymś etapie badania materii okaże się pozbawione treści. W takim wypadku trzeba będzie porzucić podaną powyżej definicję słowa „elementarny”. Istnienie E. rozdz. jest swego rodzaju postulatem, a sprawdzenie jego zasadności jest jednym z nich najważniejsze zadania fizyka.

Termin „E.h.” często używane we współczesnej fizyce nie w jego ścisłym znaczeniu, ale mniej ściśle - aby nazwać dużą grupę najmniejszych cząstek materii, pod warunkiem, że nie są to atomy lub jądra atomowe (wyjątek stanowi najprostsze jądro atomu wodoru - proton). Badania wykazały, że ta grupa cząstek jest niezwykle szeroka. Oprócz wspomnianego protonu (p), neutronu (n) i elektronu (e -) obejmuje: foton (g), pi-mezony (p), miony (m), neutrina trzy typy(elektroniczny w e, mioniczny w m i związane z tzw. ciężki lepton w t), tzw dziwne cząstki (K-mezony i hiperony) , różne rezonanse odkryte w latach 1974-77: cząstki y, cząstki „czarowane”, cząstki upsilon (¡) i ciężkie leptony (t + , t -) - w sumie ponad 350 cząstek, w większości niestabilnych. Liczba cząstek zaliczanych do tej grupy stale rośnie i najprawdopodobniej jest nieograniczona; Co więcej, większość wymienionych cząstek nie spełnia ścisłej definicji elementarności, ponieważ według współczesnych koncepcji są to układy złożone (patrz poniżej). Użycie nazwy „E.h.” wszystkich tych cząstek ma podłoże historyczne i wiąże się z tamtym okresem badań (początek lat 30. XX w.), kiedy jedynymi znanymi przedstawicielami tej grupy byli proton, neutron, elektron oraz cząstka pola elektromagnetycznego – foton. Naturalne było wówczas uznanie tych czterech cząstek za elementarne, gdyż posłużyły one jako podstawa do budowy otaczającej nas materii i oddziałującego z nią pola elektromagnetycznego, a złożona budowa protonu i neutronu nie była znana.

Odkrycie nowych mikroskopijnych cząstek materii stopniowo burzyło ten prosty obraz. Jednakże nowo odkryte cząstki były pod wieloma względami zbliżone do pierwszych czterech znanych cząstek. Ich jednoczącą właściwością jest to, że wszystkie są specyficznymi formami istnienia materii, niezwiązanymi z jądrami i atomami (czasami z tego powodu nazywane są „cząstkami subjądrowymi”). Choć liczba takich cząstek nie była zbyt duża, utrzymywało się przekonanie, że odgrywają one zasadniczą rolę w budowie materii i zaliczono je do cząstek E. Wzrost liczby cząstek podjądrowych, identyfikacja złożonej struktury w wielu z nich wykazano, że z reguły nie mają one elementarnych właściwości, ale tradycyjną nazwę „E. ch.” dla nich zachowane.

Zgodnie z ustaloną praktyką termin „E.h.” będzie używana poniżej jako nazwa ogólna. cząstki podjądrowe. W przypadkach, gdy mówimy o cząstkach, które twierdzą, że są pierwotnymi pierwiastkami materii, w razie potrzeby zostanie użyty termin „prawdziwa cząstka E”.

Krótka informacja historyczna.

Odkrycie cząstek elektronowych było naturalnym następstwem ogólnych sukcesów w badaniu struktury materii, jakie fizyka osiągnęła pod koniec XIX wieku. Został on przygotowany poprzez kompleksowe badania widm optycznych atomów, studiując zjawiska elektryczne w cieczach i gazach, odkrycie fotoelektryczności, promieni rentgenowskich i naturalnej radioaktywności, które wskazało na istnienie złożonej struktury materii.

Historycznie rzecz biorąc, pierwszym odkrytym pierwiastkiem elektronowym był elektron, nośnik ujemnego elementarnego ładunku elektrycznego w atomach. W 1897 roku J. J. Thomson ustalił, że tzw. promienie katodowe powstają ze strumienia maleńkich cząstek zwanych elektronami. W 1911 roku E. Rutherford przepuścił cząstki alfa z naturalnego źródła radioaktywnego przez cienkie folie różne substancje, odkrył, że ładunek dodatni w atomach koncentruje się w zwartych formacjach - jądrach, a w 1919 r. odkrył wśród wybijanych cząstek jądra atomowe, protony to cząstki o jednostkowym ładunku dodatnim i masie 1840 razy większej niż masa elektronu. Inną cząstkę wchodzącą w skład jądra, neutron, odkrył w 1932 roku J. Chadwick podczas badania interakcji cząstek alfa z berylem. Neutron ma masę zbliżoną do protonu, ale nie ma ładunku elektrycznego. Odkrycie neutronu zakończyło identyfikację cząstek – elementów strukturalnych atomów i ich jąder.

Wniosek o istnieniu cząstki pola elektromagnetycznego – fotonu – wywodzi się z prac M. Plancka (1900). Zakładając, że energia promieniowanie elektromagnetyczne Kwantuje się absolutne ciało doskonale czarne, a Planck otrzymuje prawidłowy wzór na widmo promieniowania. Rozwijając koncepcję Plancka, A. Einstein (1905) postulował, że promieniowanie elektromagnetyczne (światło) jest w rzeczywistości przepływem pojedynczych kwantów (fotonów) i na tej podstawie wyjaśnił prawa efektu fotoelektrycznego. Bezpośrednie eksperymentalne dowody na istnienie fotonu przedstawili R. Millikan (1912-1915) i A. Compton (1922; patrz efekt Comptona).

Odkrycie neutrina, cząstki prawie nie oddziałującej z materią, wywodzi się z teoretycznych przypuszczeń W. Pauliego (1930), które dzięki założeniu o narodzinach takiej cząstki pozwoliły wyeliminować trudności z prawem zasady zachowania energii w procesach rozpadu beta jąder promieniotwórczych. Istnienie neutrin zostało potwierdzone eksperymentalnie dopiero w 1953 roku (F. Reines i K. Cowan, USA).

Od lat 30. do początku lat 50. Badanie cząstek elektronów było ściśle powiązane z badaniem promieni kosmicznych. W 1932 roku K. Anderson odkrył w promieniach kosmicznych pozyton (e+) – cząstkę o masie elektronu, ale o dodatnim ładunku elektrycznym. Pozyton był pierwszą odkrytą antycząstką (patrz poniżej). Istnienie e+ wynika bezpośrednio z relatywistycznej teorii elektronu, opracowanej przez P. Diraca (1928-31) na krótko przed odkryciem pozytonu. W 1936 roku amerykańscy fizycy K. Anderson i S. Neddermeyer odkryli, badając promienie osmiczne, miony (oba oznaki ładunku elektrycznego) - cząstki o masie około 200 mas elektronów, ale poza tym zaskakująco podobne pod względem właściwości do e -, e + .

W 1947 roku także w promieniowaniu kosmicznym grupa S. Powella odkryła mezony p+ i p - o masie 274 mas elektronów, które odgrywają ważną rolę w oddziaływaniach protonów z neutronami w jądrach. Istnienie takich cząstek zasugerował H. Yukawa w 1935 roku.

Późne lata 40. - początek 50. zaznaczyły się odkryciem dużej grupy cząstek o niezwykłych właściwościach, zwanych „dziwnymi”. Pierwsze cząstki tej grupy, K+ - i K - -mezony, L-, S+ -, S - -, X - - hiperony odkryto w promieniach kosmicznych, kolejnych odkryć dziwnych cząstek dokonano przy akceleratorach - instalacjach, które wytwarzają intensywne przepływy szybkich protonów i elektronów. Kiedy przyspieszone protony i elektrony zderzają się z materią, rodzą się nowe cząstki elektronowe, które stają się przedmiotem badań.

Od początku lat 50. Akceleratory stały się głównym narzędziem badania cząstek elektronowych w latach 70-tych. Energie cząstek przyspieszanych w akceleratorach sięgały dziesiątek i setek miliardów elektronowoltów ( Gaw). Chęć zwiększenia energii cząstek wynika z faktu, że wysokie energie otwierają możliwość badania struktury materii na krótszych dystansach, im większa jest energia zderzających się cząstek. Akceleratory znacząco zwiększyły tempo pozyskiwania nowych danych i krótkoterminowy poszerzyła i wzbogaciła naszą wiedzę o właściwościach mikroświata. Zastosowanie akceleratorów do badania dziwnych cząstek umożliwiło dokładniejsze zbadanie ich właściwości, w szczególności cech ich rozpadu, i wkrótce doprowadziło do ważnego odkrycia: wyjaśnienia możliwości zmiany charakterystyki niektórych mikroprocesów podczas działania zwierciadła odbicie (patrz Inwersja przestrzenna ) - tak zwana naruszenie spacji. parytet (1956). Uruchomienie akceleratorów protonów o miliardowych energiach ew pozwoliło na odkrycie ciężkich antycząstek: antyprotonu (1955), antyneutronu (1956), antysigmy hiperonów (1960). W 1964 roku odkryto najcięższy hiperon W - (o masie około dwóch mas protonów). W 1960 roku W akceleratorach odkryto dużą liczbę wyjątkowo niestabilnych (w porównaniu do innych niestabilnych cząstek elektronów) cząstek, zwanych „rezonansami”. Masy większości rezonansów przekraczają masę protonu. Pierwszy z nich, D 1 (1232), znany jest od 1953 roku. Okazało się, że główną część częstotliwości elektronów stanowią rezonanse.

W 1962 roku odkryto, że istnieją dwa różne neutrina: elektron i mion. W 1964 r. w rozpadach obojętnych K-mezonów. niezachowanie tzw parytet kombinowany (wprowadzony przez Li Tsung-dao i Yang Zhen-ninga oraz niezależnie przez LD Landau w 1956; patrz Inwersja kombinowana ) , co oznacza konieczność zrewidowania utartych poglądów na temat zachowania procesów fizycznych podczas działania odbicia czasu (patrz Twierdzenie CPT) .

W 1974 roku odkryto masywne (3-4 masy protonów), a jednocześnie stosunkowo stabilne cząstki y, o czasie życia niezwykle długim jak na rezonanse. Okazały się one blisko spokrewnione z nową rodziną cząstek elektronowych – „czarowanymi”, których pierwszych przedstawicieli (D 0, D +, L c) odkryto w 1976 r. W 1975 r. uzyskano pierwszą informację o istnienie ciężkiego analogu elektronu i mionu (ciężki lepton t). W 1977 roku odkryto cząstki β o masie około dziesięciu mas protonów.

Tak więc na przestrzeni lat od odkrycia elektronu zidentyfikowano ogromną liczbę różnych mikrocząstek materii. Świat E. h. okazał się dość skomplikowany. Właściwości odkrytych cząstek elektronów były pod wieloma względami nieoczekiwane. Aby je opisać, oprócz cech zapożyczonych z fizyki klasycznej, takich jak ładunek elektryczny, masa i moment pędu, konieczne było wprowadzenie wielu nowych, specjalnych cech, w szczególności. do opisu dziwnych cząstek elektronowych - obcość (K. Nishijima, M. Gell-Man, 1953), „zafascynowany” E. . h. - „urok” (amerykańscy fizycy J. Bjorken, S. Glashow, 1964); Nazwy danych cech odzwierciedlają już niezwykły charakter właściwości opisywanych przez nie elementów.

Uczenie się Struktura wewnętrzna od pierwszych kroków rozwojowi materii i właściwości energii towarzyszyła radykalna rewizja wielu utrwalonych koncepcji i idei. Prawa rządzące zachowaniem materii w małym okazały się tak odmienne od praw mechaniki klasycznej i elektrodynamiki, że do ich opisu potrzebne były zupełnie nowe. konstrukcje teoretyczne. Takimi nowymi, podstawowymi konstrukcjami teoretycznymi były szczególna (szczególna) i ogólna teoria względności (A. Einstein, 1905 i 1916; zob. Teoria względności, Grawitacja) i mechanika kwantowa (1924-27; N. Bohr, L. de Broglie, V. Heisenberga, E. Schrödingera, M. Borna) . Teoria względności i mechanika kwantowa dokonały prawdziwej rewolucji w nauce przyrody i położyły podwaliny pod opis zjawisk mikroświata. Mechanika kwantowa okazała się jednak niewystarczająca do opisania procesów zachodzących w cząstkach elektronów. Konieczny był kolejny krok – kwantyzacja pól klasycznych (tzw. kwantyzacja wtórna) i rozwój kwantowej teorii pola. Najważniejsze etapy na ścieżce jej rozwoju znalazły się: sformułowanie elektrodynamiki kwantowej (P. Dirac, 1929), kwantowa teoria rozpadu b (E. Fermi, 1934), która położyła podwaliny pod współczesną teorię oddziaływań słabych, mezodynamika kwantowa (Yukawa, 1935). Bezpośrednim poprzednikiem tego ostatniego był tzw. b-teoria sił nuklearnych (I.E. Tamm, D.D. Ivanenko, 1934; patrz Silne interakcje). Okres ten zakończył się powstaniem spójnego aparatu obliczeniowego elektrodynamiki kwantowej (S. Tomonaga, R. Feynman, J. Schwinger; 1944-49), opartego na zastosowaniu techniki renormalizacji (patrz Kwantowa teoria pola). Technikę tę następnie uogólniono na inne warianty kwantowej teorii pola.

Kwantowa teoria pola wciąż się rozwija i doskonali, stanowiąc podstawę opisu oddziaływań cząstek elektronowych. Teoria ta ma na swoim koncie szereg znaczących sukcesów, lecz wciąż jest bardzo odległa od ukończenia i nie może pretendować do miana kompleksowej teorii cząstek elektronowych. Pochodzenie wielu właściwości elektronów i natura ich nieodłącznych interakcji pozostają w dużej mierze niejasne. Możliwe, że zanim zbudowana zostanie teoria cząstek elektronowych, konieczna będzie więcej niż jedna restrukturyzacja wszystkich idei i znacznie głębsze zrozumienie związku pomiędzy właściwościami mikrocząstek a geometrycznymi właściwościami czasoprzestrzeni.

Podstawowe właściwości cząstek elementarnych. Zajęcia interakcyjne.

Wszystkie cząstki elektronów są obiektami o niezwykle małych masach i rozmiarach. Większość z nich ma masy rzędu masy protonu równe 1,6×10 -24 g (tylko masa elektronu jest zauważalnie mniejsza: 9×10 -28 g). Ustalone eksperymentalnie rozmiary protonu, neutronu i p-mezonu są rzędu wielkości rzędu 10–13 cm. Nie udało się określić rozmiarów elektronu i mionu; wiadomo jedynie, że są one mniejsze niż 10–15 cm. Mikroskopijne masy i rozmiary cząstek elektronów stanowią podstawę kwantowej specyficzności ich zachowania. Charakterystyczne długości fal, które należy przypisać cząstkom elektronów w teorii kwantowej (gdzie - Stała Plancka, m - masa cząstki, c - prędkość światła) są pod względem wielkości zbliżone do typowych wymiarów, przy których zachodzi ich interakcja (na przykład dla p-mezonu 1,4 × 10 -13 cm). Prowadzi to do tego, że dla cząstek elektronowych decydujące znaczenie mają prawa kwantowe.

Najważniejszą właściwością kwantową wszystkich cząstek elektronów jest ich zdolność do tworzenia i niszczenia (emisji i absorpcji) podczas interakcji z innymi cząstkami. Pod tym względem są całkowicie analogiczne do fotonów. E. cząstki to specyficzne kwanty materii, a dokładniej kwanty odpowiednich pól fizycznych (patrz niżej). Wszystkie procesy z udziałem cząstek elektronów przebiegają poprzez sekwencję aktów absorpcji i emisji. Tylko na tej podstawie można zrozumieć np. proces narodzin mezonu p+ w zderzeniu dwóch protonów (p + p ® p + n+ p +) czy proces anihilacji elektronu i pozytonu, gdy zamiast znikających cząstek pojawiają się na przykład dwa kwanty g ( e + +e - ® g + g). Ale procesy elastycznego rozpraszania cząstek, na przykład e - +p ® e - + p, są również związane z absorpcją cząstek początkowych i narodzinami cząstek końcowych. Rozpad niestabilnych cząstek elektronów na cząstki lżejsze, któremu towarzyszy wyzwolenie energii, przebiega według tego samego schematu i jest procesem, w którym produkty rozpadu powstają w momencie samego rozpadu i do tego momentu nie istnieją. Pod tym względem rozpad cząstki elektronu jest podobny do rozpadu wzbudzonego atomu na atom w stanie podstawowym i foton. Przykłady rozpadów elektrochemicznych obejmują: ; p + ® m + + v m ; К + ® p + + p 0 (znak „tylda” nad symbolem cząstki oznacza w dalszej części odpowiednie antycząstki).

Różne procesy z E. h. różnią się znacznie intensywnością ich występowania. Zgodnie z tym oddziaływania cząstek elektromagnetycznych można fenomenologicznie podzielić na kilka klas: oddziaływania silne, elektromagnetyczne i słabe. Wszystkie cząstki elektronów podlegają również oddziaływaniu grawitacyjnemu.

Silne interakcje identyfikuje się jako interakcje, które powodują procesy, które zachodzą z największą intensywnością spośród wszystkich innych procesów. Prowadzą także silne połączenie E. h. To właśnie oddziaływania silne determinują połączenie protonów i neutronów w jądrach atomów i zapewniają wyjątkową wytrzymałość tych formacji, która leży u podstaw stabilności materii w warunkach ziemskich.

Oddziaływania elektromagnetyczne charakteryzują się oddziaływaniami, które opierają się na połączeniu z polem elektromagnetycznym. Wywoływane przez nie procesy są mniej intensywne niż procesy oddziaływań silnych, a powiązanie pomiędzy generowanymi przez nie siłami elektronowymi jest zauważalnie słabsze. Za komunikację odpowiedzialne są w szczególności oddziaływania elektromagnetyczne elektrony atomowe z jądrami i połączeniami atomów w cząsteczkach.

Oddziaływania słabe, jak sama nazwa wskazuje, powodują bardzo wolno zachodzące procesy z cząstkami elektronów. Ich małą intensywność można zilustrować faktem, że neutrina, które oddziałują jedynie słabo, bez przeszkód przenikają np. przez grubość Ziemi i Słońca. . Oddziaływania słabe powodują także powolne zaniki tzw. Quasi-stabilne cząstki elektronowe Czasy życia tych cząstek mieszczą się w przedziale 10 -8 -10 -10 s, podczas gdy typowe czasy silnych oddziaływań cząstek elektronowych wynoszą 10 -23 -10 -24 s.

Oddziaływania grawitacyjne, dobrze znane ze swoich makroskopowych przejawów, w przypadku cząstek elektronowych w charakterystycznych odległościach ~10 -13 cm dają niezwykle małe efekty ze względu na małe masy cząstek elektronów.

Siłę różnych klas oddziaływań można w przybliżeniu scharakteryzować za pomocą bezwymiarowych parametrów związanych z kwadratami stałych odpowiednich oddziaływań. Dla oddziaływań silnych, elektromagnetycznych, słabych i grawitacyjnych protonów o średniej energii procesu ~1 GeV parametry te korelują jako 1:10 -2:l0 -10:10 -38. Konieczność wskazania średniej energii procesu wynika z faktu, że dla oddziaływań słabych parametr bezwymiarowy zależy od energii. Ponadto intensywność różnych procesów sama w sobie zależy w różny sposób od energii. Prowadzi to do tego, że rola jest względna różne interakcje, ogólnie rzecz biorąc, zmienia się wraz ze wzrostem energii oddziałujących cząstek, dlatego podział oddziaływań na klasy, na podstawie porównania natężeń procesów, jest rzetelnie przeprowadzany przy niezbyt wysokich energiach. Różne klasy oddziaływań mają jednak także inne specyficzne cechy związane z różnymi właściwościami ich symetrii (patrz Symetria w fizyce), co przyczynia się do ich separacji przy wyższych energiach. Nie jest jasne, czy ten podział oddziaływań na klasy zostanie zachowany w granicy najwyższych energii.

W zależności od ich udziału w określonych typach oddziaływań, wszystkie badane cząstki elektronowe, z wyjątkiem fotonu, dzielą się na dwie główne grupy: hadrony (z greckiego hadros – duży, silny) i leptony (z greckiego leptos – mały, cienki, lekki). Hadrony charakteryzują się przede wszystkim tym, że podlegają oddziaływaniom silnym, obok oddziaływań elektromagnetycznych i słabym, natomiast leptony uczestniczą jedynie w oddziaływaniach elektromagnetycznych i słabych. (Sugeruje się obecność oddziaływań grawitacyjnych wspólnych dla obu grup.) Masy hadronów są o rząd wielkości zbliżone do masy protonu (mp); P-mezon ma minimalną masę wśród hadronów: t p "m 1/7×t p. Znane przed latami 1975-76 masy leptonów były niewielkie (0,1 m p), jednak najnowsze dane najwyraźniej wskazują na możliwość istnienia ciężkimi leptonami o takich samych masach jak hadrony Pierwszymi zbadanymi przedstawicielami hadronów były proton i neutron, elektron, który podlega jedynie oddziaływaniom elektromagnetycznym, nie może być zaliczony ani do hadronów, ani do leptonów i należy go sklasyfikować jako odrębną grupę pomysłów opracowanych w latach 70. foton (cząstka o zerowej masie spoczynkowej) zaliczany jest do tej samej grupy co cząstki bardzo masywne – tzw. bozony wektorów pośrednich, które odpowiadają za oddziaływania słabe i nie zostały jeszcze zaobserwowane eksperymentalnie (patrz rozdział Cząstki elementarne i kwantowa teoria pola).

Charakterystyka cząstek elementarnych.

Każdy element wraz z właściwymi mu interakcjami jest opisany zbiorem dyskretnych wartości określonych wielkości fizycznych lub jego cech. W niektórych przypadkach te dyskretne wartości wyrażane są za pomocą liczb całkowitych lub ułamkowych i pewnego wspólnego czynnika - jednostki miary; Liczby te nazywane są liczbami kwantowymi liczb E. i tylko one są określone, pomijając jednostki miary.

Ogólna charakterystyka Wszystkie cząstki elektronów mają masę (m), czas życia (t), spin (J) i ładunek elektryczny (Q). Nadal nie ma wystarczającego zrozumienia prawa, według którego rozkładają się masy cząstek elektronów i tego, czy istnieje dla nich jakakolwiek jednostka miary.

W zależności od czasu życia cząstki elektronów dzielą się na stabilne, quasi-stabilne i niestabilne (rezonanse). Stabilne, w granicach dokładności współczesnych pomiarów, są elektron (t > 5×10 21 lat), proton (t > 2×10 30 lat), foton i neutrino. Cząstki quasi-stabilne obejmują cząstki, które rozpadają się w wyniku oddziaływań elektromagnetycznych i słabych. Ich czas życia wynosi > 10 -20 s (dla swobodnego neutronu nawet ~ 1000 s). Cząstki elementarne, które rozpadają się w wyniku silnych oddziaływań, nazywane są rezonansami. Ich charakterystyczne czasyżycie 10 -23 -10 -24 sek. W niektórych przypadkach zanik ciężkich rezonansów (o masie ³ 3 GeV) na skutek silnych oddziaływań jest tłumiony, a czas życia wzrasta do wartości ~10 -20 sek.

Spin E. h. jest liczbą całkowitą lub półcałkowitą wielokrotnością wartości. W tych jednostkach spin mezonów p i K wynosi 0, dla protonu, neutronu i elektronu J = 1/2, dla fotonu J = 1. Istnieją cząstki o wyższym spinie. Wielkość spinu cząstki elektronu determinuje zachowanie zespołu identycznych (identycznych) cząstek lub ich statystykę (W. Pauli, 1940). Cząstki o spinie półcałkowitym podlegają statystyce Fermiego-Diraca (stąd nazwa fermiony), co wymaga antysymetrii funkcji falowej układu względem permutacji pary cząstek (lub nieparzystej liczby par), a zatem „zabrania” przebywania dwóch cząstek o spinie półcałkowitym w tym samym stanie (zasada Pauliego). Cząstki o spinie całkowitym podlegają statystyce Bosego-Einsteina (stąd nazwa bozony), która wymaga symetrii funkcji falowej względem permutacji cząstek i pozwala na przebywanie dowolnej liczby cząstek w tym samym stanie. Statystyczne właściwości cząstek elektronowych okazują się istotne w przypadkach, gdy podczas narodzin lub rozpadu powstaje kilka identycznych cząstek. Statystyka Fermiego-Diraca odgrywa również niezwykle ważną rolę w budowie jąder i określa wzorce napełniania elektronami powłoki atomowe, leżący u podstaw układu okresowego pierwiastków D.I. Mendelejewa.

Ładunki elektryczne badanych cząstek E. są całkowitymi wielokrotnościami wartości e „1,6×10 -19 k i nazywane są elementarnym ładunkiem elektrycznym. Dla znanych cząstek E. Q = 0, ±1, ±2.

Oprócz wskazanych wielkości cząstki energii charakteryzują się dodatkowo szeregiem liczb kwantowych i nazywane są wewnętrznymi. Leptony niosą specyficzny ładunek leptonowy L dwojakiego rodzaju: elektroniczny (L e) i mionowy (L m); L e = +1 dla elektronu i neutrina elektronowego, L m = +1 dla ujemnego mionu i neutrina mionowego. Ciężki lepton t; i związane z nim neutrino najwyraźniej są nośnikami nowego typu ładunku leptonowego L t.

Dla hadronów L = 0 i jest to kolejny przejaw ich odmienności od leptonów. Z kolei znaczną część hadronów należy przypisać specjalnemu ładunkowi barionowemu B (|E| = 1). Hadrony z B = +1 tworzą podgrupę barionów (obejmuje to proton, neutron, hiperony, rezonanse barionowe), a hadrony z B = 0 tworzą podgrupę mezonów (mezony p i K, rezonanse bozonowe). Nazwa podgrup hadronów pochodzi od greckich słów barýs – ciężki i mesos – średni, które etap początkowy Badania E. Ch. odzwierciedlały znane wówczas wartości porównawcze mas barionów i mezonów. Późniejsze dane wykazały, że masy barionów i mezonów są porównywalne. Dla leptonów B = 0. Dla fotonów B = 0 i L = 0.

Bariony i mezony dzielą się na wspomniane już agregaty: cząstki zwykłe (niedziwne) (proton, neutron, p-mezony), cząstki dziwne (hiperony, K-mezony) oraz cząstki powabne. Podział ten odpowiada obecności w hadronach specjalnych liczb kwantowych: dziwności S i uroku (angielski urok) Ch z dopuszczalne wartości: 151 = 0, 1, 2, 3 i |Ch| = 0, 1, 2, 3. Dla cząstek zwykłych S = 0 i Ch = 0, dla cząstek obcych |S| ¹ 0, Ch = 0, dla zaczarowanych cząstek |Ch| ¹ 0 i |S| = 0, 1, 2. Zamiast dziwności często stosuje się hiperładunek liczby kwantowej Y = S + B, który najwyraźniej ma bardziej fundamentalne znaczenie.

Już pierwsze badania zwykłych hadronów wykazały obecność wśród nich rodzin cząstek o podobnych masach, z bardzo podobne właściwości w odniesieniu do oddziaływań silnych, ale przy różnych wartościach ładunku elektrycznego. Pierwszym przykładem takiej rodziny były proton i neutron (nukleony). Później podobne rodziny odkryto wśród hadronów dziwnych i (w 1976 r.) wśród hadronów zaczarowanych. Wspólność właściwości cząstek zaliczanych do takich rodzin jest odzwierciedleniem istnienia w nich tej samej wartości specjalnej liczby kwantowej – spinu izotopowego I, który podobnie jak spin zwykły przyjmuje wartości całkowite i półcałkowite. Same rodziny nazywane są zwykle multipletami izotopowymi. Liczbę cząstek w multiplecie (n) wiąże się z I zależnością: n = 2I + 1. Cząstki jednego multipletu izotopowego różnią się między sobą wartością „rzutu” spinu izotopowego I 3 oraz

Ważną cechą hadronów jest także parzystość wewnętrzna P, związana z działaniem przestrzeni, inwersja: P przyjmuje wartości ±1.

Dla wszystkich cząstek elektronowych o niezerowych wartościach co najmniej jednego z ładunków O, L, B, Y (S) i uroku Ch istnieją antycząstki o takich samych wartościach masy m, czasu życia t, spinu J i dla hadronów o spinie izotopowym 1, ale o przeciwnych znakach wszystkich ładunków i dla barionów o przeciwnym znaku parzystości wewnętrznej P. Cząstki, które nie mają antycząstek, nazywane są absolutnie (prawdziwie) obojętnymi. Całkowicie neutralne hadrony mają specjalną liczbę kwantową - parzystość ładunku (tj. parzystość w odniesieniu do operacji sprzęgania ładunku) C o wartościach ±1; przykładami takich cząstek są foton i p 0 .

Liczby kwantowe elektronów dzielą się na dokładne (to znaczy takie, które są związane z wielkościami fizycznymi, które są zachowywane we wszystkich procesach) i nieprecyzyjne (dla których odpowiednie wielkości fizyczne nie są zachowane w niektórych procesach). Spin J jest powiązany z surowe prawo zasada zachowania momentu pędu, a zatem jest dokładną liczbą kwantową. Inne dokładne liczby kwantowe: Q, L, B; Według współczesnych danych zachowują się one podczas wszystkich przemian pierwiastka elektronowego. Stabilność protonu jest bezpośrednim wyrazem zachowania B (na przykład nie ma rozpadu p ® e + + g). Jednakże większość liczb kwantowych hadronów jest nieprecyzyjna. Spin izotopowy, choć zachowany w oddziaływaniach silnych, nie jest zachowany w oddziaływaniach elektromagnetycznych i słabych. Dziwność i urok zachowują się w oddziaływaniach silnych i elektromagnetycznych, ale nie w oddziaływaniach słabych. Słabe interakcje zmieniają również parytet wewnętrzny i ładunkowy. Łączna parzystość CP jest zachowywana ze znacznie większym stopniem dokładności, ale w niektórych procesach jest również naruszana na skutek słabych oddziaływań. Przyczyny niezachowania wielu liczb kwantowych hadronów są niejasne i najwyraźniej mają związek zarówno z naturą tych liczb kwantowych, jak i z głęboką strukturą oddziaływań elektromagnetycznych i słabych. Zachowanie lub niezachowanie pewnych liczb kwantowych jest jednym z istotnych przejawów różnic w klasach oddziaływań cząstek elektronowych.

Klasyfikacja cząstek elementarnych.

Jednolita symetria. Klasyfikacja leptonów nie nastręcza jeszcze żadnych problemów; znana już na początku lat 50. duża liczba hadronów dała podstawę do poszukiwania wzorców rozkładu mas i liczb kwantowych barionów i mezonów, które mogłyby stanowić podstawę. dla ich klasyfikacji. Pierwszym krokiem na tej drodze była identyfikacja multipletów izotopowych hadronów. Z matematycznego punktu widzenia grupowanie hadronów w multiplety izotopowe odzwierciedla obecność symetrii związanej z grupą rotacyjną (patrz Grupa) , bardziej formalnie, z grupą SU(2) - grupa przekształceń unitarnych w złożonej przestrzeni dwuwymiarowej. Zakłada się, że przekształcenia te zachodzą w jakiejś określonej przestrzeni wewnętrznej – „przestrzeni izotopowej”, innej niż zwykle. Istnienie przestrzeni izotopowej objawia się jedynie w obserwowalnych właściwościach symetrii. W języku matematycznym multiplety izotopowe są nieredukowalnymi reprezentacjami grupy symetrii SU (2).

Pojęcie symetrii jako czynnika decydującego o istnieniu różnych grup i rodzin cząstek elektronowych we współczesnej teorii dominuje w klasyfikacji hadronów i innych cząstek elektronowych. Zakłada się, że wewnętrzne liczby kwantowe cząstek elektronowych to umożliwiają wyróżnić pewne grupy cząstek, wiążą się ze szczególnymi typami symetrii wynikającymi ze swobody przekształceń w specjalnych przestrzeniach „wewnętrznych”. Stąd wzięła się nazwa „wewnętrzne liczby kwantowe”.

Dokładne badanie pokazuje, że dziwne i zwyczajne hadrony tworzą razem szersze asocjacje cząstek o podobnych właściwościach niż multiplety izotopowe. Nazywa się je supermultipletami. Liczba cząstek wchodzących w skład obserwowanych supermultipletów wynosi 8 i 10. Z punktu widzenia symetrii pojawienie się supermultipletów interpretowane jest jako przejaw istnienia grupy symetrii w hadronach szerszych od grupy SU(2), a mianowicie: SU(3) - grupy transformacji unitarnych w trójwymiarowej przestrzeni zespolonej (M. Gell-Man i niezależnie Y. Neeman, 1961). Nazywa się odpowiednią symetrię jednolita symetria. Grupa SU(3) ma w szczególności nieredukowalne reprezentacje z liczbą składowych 8 i 10, odpowiadających obserwowanym supermultipletom: oktetowi i decypletowi. Przykłady obejmują następujące grupy cząstek z te same wartości JP:

Wspólne dla wszystkich cząstek w supermultiplecie są wartości dwóch wielkości, które wg charakter matematyczny są bliskie spinowi izotopowemu i dlatego często nazywane są spinem unitarnym. Dla oktetu wartości liczb kwantowych związanych z tymi wielkościami są równe (1, 1), dla dekletu - (3, 0).

Symetria jednostkowa jest mniej precyzyjna niż symetria izotopowa. Zgodnie z tym różnica w masach cząstek wchodzących w skład oktetów i decupletów jest dość znaczna. Z tego samego powodu podział hadronów na supermultiplety jest stosunkowo prosty w przypadku cząstek elektronowych o niezbyt dużych masach. Przy dużych masach, gdy istnieje wiele różnych cząstek o podobnych masach, podział ten jest mniej niezawodny. Jednak we właściwościach cząstek elementarnych istnieje wiele różnych przejawów jednolitej symetrii.

Włączenie zaczarowanych hadronów do systematyki cząstek elementarnych pozwala mówić o supersupermultipletach i istnieniu jeszcze szerszej symetrii związanej z grupą unitarną SU(4). Nie ma jeszcze przykładów całkowicie wypełnionych supersupermultipletów. SU(4)-symetria jest łamana jeszcze silniej niż SU(3)-symetria, a jej przejawy są mniej wyraźne.

Odkrycie właściwości symetrii hadronów związanych z grupami unitarnymi oraz wzorców podziału na multiplety odpowiadające ściśle określonym reprezentacjom tych grup było podstawą do wniosku o istnieniu w hadronach specjalnych elementów strukturalnych – kwarków.

Kwarkowy model hadronów. Od pierwszych kroków rozwojowi prac nad klasyfikacją hadronów towarzyszyły próby wyodrębnienia spośród nich cząstek bardziej fundamentalnych od pozostałych, które mogłyby stać się podstawą konstrukcji wszystkich hadronów. Ten kierunek badań zapoczątkowali E. Fermi i Yang Chen-ning (1949), którzy zasugerowali, że cząstkami podstawowymi są nukleon (N) i antynukleon (), a p-mezony są ich stanami związanymi (). Wraz z dalszym rozwojem tej idei do cząstek elementarnych zaliczono także dziwne bariony (M. A. Markov, 1955; japoński fizyk S. Sakata, 1956; L. B. Okun, 1957). Zbudowane na tej podstawie modele dobrze opisywały multiplety mezonowe, natomiast nie zapewniały prawidłowego opisu multipletów barionowych. Najważniejszy element tych modeli – wykorzystanie niewielkiej liczby fermionów do „konstruowania” hadronów – został organicznie włączony do modelu, który najskuteczniej rozwiązuje problem opisu wszystkich hadronów – modelu kwarkowego (austriacki fizyk G. Zweig i niezależnie M. Gell-Man, 1964).

W pierwotnej wersji model opierał się na założeniu, że wszystkie znane hadrony zbudowane są z trzech rodzajów cząstek o spinie 1/2, tzw. p-, n-, l-kwarki, które nie należą do liczby obserwowanych hadronów i mają bardzo nietypowe właściwości. Nazwa „kwarki” została zapożyczona z powieści J. Joyce’a (patrz Kwarki) . Współczesna wersja modelu zakłada istnienie co najmniej czterech typów kwarków. Czwarty kwark jest niezbędny do opisu zaczarowanych hadronów.

Ideę kwarków sugeruje symetria jednostkowa. Struktura matematyczna grup unitarnych otwiera możliwość opisu wszystkich reprezentacji tej grupy SU (N) (a co za tym idzie wszystkie multiplety hadronów) w oparciu o najprostszą reprezentację grupową zawierającą N część. W przypadku grupy SU(3) istnieją trzy takie elementy. Należy jedynie założyć istnienie cząstek powiązanych z tą najprostszą reprezentacją. Cząstki te to kwarki. Skład kwarkowy mezonów i barionów wywnioskowano z faktu, że supermultiplety mezonów zawierają z reguły 8 cząstek, a bariony - 8 i 10 cząstek. Wzór ten można łatwo odtworzyć, jeśli założymy, że mezony składają się z kwarków Q i antykwark - symbolicznie: , oraz bariony trzech kwarków - symbolicznie: W = (qqq). Ze względu na właściwości grupy SU(3) 9 mezonów dzieli się na supermultiplety składające się z 1 i 8 cząstek, a 27 barionów dzieli się na supermultiplety zawierające 1, 10 i dwukrotnie 8 cząstek, co wyjaśnia obserwowaną separację oktetów i decupletów.

Dodanie do schematu czwartego kwarku (oraz w razie potrzeby nowych dodatkowych kwarków) odbywa się przy zachowaniu podstawowych założeń modelu kwarkowego o budowie hadronów:

B = (qqq).

Wszystkie dane doświadczalne są w dobrej zgodzie z podanym składem kwarkowym hadronów. Pozornie występują jedynie niewielkie odchylenia od tej struktury, które nie wpływają znacząco na właściwości hadronów.

Wskazana budowa hadronów i właściwości matematyczne kwarków, jako obiektów związanych z pewną (najprostszą) reprezentacją grupy SU(4) prowadzą do następujących kwestii. liczby kwantowe kwarków (tabela 2). Zwróć uwagę na niezwykłe - ułamkowe - wartości ładunku elektrycznego Q, I B, S I Y, nie występujący w żadnej z obserwowanych cząstek elektronowych, o indeksie a dla każdego typu kwarku q ja (ja = 1, 2, 3, 4) wiąże się ze szczególną cechą kwarków – „kolorem”, którego nie ma w badanych hadronach. Indeks a przyjmuje wartości 1, 2, 3, czyli każdy rodzaj kwarka q ja prezentowane w trzech odmianach q ja a (N.N. Bogolyubov i współpracownicy, 1965; amerykańscy fizycy I. Nambu i M. Khan, 1965; japoński fizyk I. Miyamoto, 1965). Liczby kwantowe każdego rodzaju kwarków nie zmieniają się, gdy zmienia się „kolor”, a zatem tabela. 2 dotyczy kwarków dowolnego „koloru”.

Cała różnorodność hadronów powstaje dzięki różne kombinacje R -, P-, g- i Z-kwarki tworzące stany związane. Zwykłe hadrony odpowiadają stanom związanym zbudowanym tylko z R- I N-kwarki [dla mezonów z możliwym udziałem kombinacji i ]. Obecność w stanie związanym wraz z R- I N-kwarki jednego g- lub Z-kwark oznacza, że ​​odpowiadający mu hadron jest dziwny ( S= -1) lub zaczarowany ( Ch =+ 1). Barion może zawierać dwa i trzy kwarki g (odpowiednio Z-kwark), tj. możliwe są podwójne i potrójne dziwne (czarujące) bariony. Kombinacje różnych liczb g- i Z- kwarki (szczególnie w barionach), które odpowiadają „hybrydowym” formom hadronów („dziwnie zaklętych”). Oczywiście, im większe g- lub Z-kwarki zawierają hadron, tym są cięższe. Jeśli porównamy stany podstawowe (niewzbudzone) hadronów, otrzymamy dokładnie taki obraz (patrz tabela 1 oraz tabele 3 i 5).

Ponieważ spin kwarków jest równy 1/2, powyższa struktura kwarkowa hadronów daje spin całkowity dla mezonów i spin półcałkowity dla barionów, w pełnej zgodności z eksperymentem. Ponadto w stanach odpowiadających pędowi orbitalnemu l= 0, w szczególności w stanach podstawowych spin mezonów powinien wynosić 0 lub 1 (dla antyrównoległej orientacji spinów kwarków ─ i równoległej ─ ─ ─), a spin barionów powinien wynosić 1/2 lub 3/2 ( dla konfiguracji wirowania ¯``` i ``````'') . Biorąc pod uwagę, że wewnętrzna parzystość układu kwark-antykwark jest ujemna, wartości JP dla mezonów przy l= 0 są równe 0 - i 1 - , dla barionów - 1 / 2 + i 3 / 2 + . To są wartości JP obserwowane w hadronach o najmniejszej masie przy dane wartości I I Y(patrz tabela 1).

Ponieważ indeksy ja, k, l we wzorach strukturalnych wartości przebiegają przez 1, 2, 3, 4, liczbę mezonów Mik przy danym spinie powinno być równe 16. Dla barionów Rower maksymalna możliwa liczba stanów dla danego spinu (64) nie jest realizowana, gdyż na mocy zasady Pauliego dla danego spinu całkowitego dopuszczalne są tylko stany trójkwarkowe, które mają dobrze określoną symetrię względem permutacji indeksy ja, k, 1, mianowicie: w pełni symetryczna dla spinu 3/2 i mieszana symetria dla spinu 1/2. Ten warunek jest l = 0 wybiera 20 stanów barionowych dla spinu 3/2 i 20 dla spinu 1/2.

Bardziej szczegółowe badania pokazują, że wartość składu kwarkowego i właściwości symetrii układu kwarkowego pozwala wyznaczyć wszystkie podstawowe liczby kwantowe hadronu ( J, P, B, Q, I, Y, Ch), z wyłączeniem masy; określenie masy wymaga wiedzy o dynamice oddziaływania kwarków i masie kwarków, która nie jest jeszcze dostępna.

Prawidłowe oddanie specyfiki hadronów o najniższych masach i spinach przy zadanych wartościach Y I Ch, Model kwarkowy w naturalny sposób wyjaśnia także ogólną dużą liczbę hadronów i przewagę między nimi rezonansów. Duża liczba hadronów jest odzwierciedleniem ich złożonej budowy i możliwości istnienia różnych stanów wzbudzonych układów kwarkowych. Możliwe jest, że liczba takich stanów wzbudzonych jest nieograniczona. Wszystkie stany wzbudzone układów kwarkowych są niestabilne pod względem szybkich przejść z powodu silnych interakcji ze stanami podstawowymi. Stanowią większość rezonansów. Niewielki ułamek rezonansów składa się również z układów kwarkowych o równoległych orientacjach spinów (z wyjątkiem W -). Konfiguracje kwarków o antyrównoległej orientacji spinu, powiązane z konfiguracją podstawową. stany, tworzą quasi-stabilne hadrony i stabilny proton.

Wzbudzenia układów kwarkowych zachodzą zarówno na skutek zmian ruchu obrotowego kwarków (wzbudzenia orbitalne), jak i na skutek zmian w ich przestrzeniach. lokalizacja (wzbudzenia promieniowe). W pierwszym przypadku wzrostowi masy układu towarzyszy zmiana całkowitego spinu J i parytet R układu, w drugim przypadku przyrost masy następuje bez zmian JP. Na przykład mezony z JP= 2 + to pierwsze wzbudzenie orbitalne ( l = 1) mezony z JP = 1 - . Zgodność mezonów 2 + i 1 - mezonów o identycznych strukturach kwarkowych widać wyraźnie na przykładzie wielu par cząstek:

Mezony r” i y” są przykładami promieniowych wzbudzeń odpowiednio mezonów r i y (patrz.

Wzbudzenia orbitalne i radialne generują sekwencje rezonansów odpowiadające tej samej początkowej strukturze kwarku. Brak wiarygodnych informacji o oddziaływaniu kwarków nie pozwala jeszcze na ilościowe obliczenia widm wzbudzeń i wyciąganie wniosków na temat możliwej liczby takich stanów wzbudzonych. Formułując model kwarków, kwarki traktowano jako hipotetyczne elementy konstrukcyjne, otwierając możliwość bardzo wygodnego opisu hadronów. Następnie przeprowadzono eksperymenty, które pozwalają mówić o kwarkach jako o rzeczywistych formacjach materialnych wewnątrz hadronów. Pierwszą z nich były eksperymenty dotyczące rozpraszania elektronów przez nukleony pod bardzo dużymi kątami. Eksperymenty te (1968), przypominające klasyczne eksperymenty Rutherforda dotyczące rozpraszania cząstek alfa na atomach, ujawniły obecność naładowanych formacji punktowych wewnątrz nukleonu. Porównanie danych z tych eksperymentów z podobnymi danymi dotyczącymi rozpraszania neutrin na nukleonach (1973-75) pozwoliło nam stwierdzić, że przeciętny kwadrat ładunku elektrycznego tych formacji punktowych. Wynik okazał się zaskakująco bliski wartości 1/2 [(2/3 mi) 2 +(1 / 3 mi) 2 ]. Badanie procesu powstawania hadronów podczas anihilacji elektronu i pozytonu, który rzekomo przebiega przez sekwencję procesów: ® hadronów, wskazało na obecność dwóch grup hadronów genetycznie związanych z każdym z powstających kwarków i sprawiło, że możliwe jest określenie spinu kwarków. Okazało się, że jest to 1/2. Całkowita liczba hadronów powstałych w tym procesie wskazuje również, że kwarki trzech odmian pojawiają się w stanie pośrednim, czyli są trójkolorowe.

Tym samym wprowadzone na podstawie rozważań teoretycznych liczby kwantowe kwarków zostały potwierdzone w szeregu eksperymentów. Kwarki stopniowo zyskują status nowych cząstek elektronowych. Jeśli dalsze badania potwierdzą ten wniosek, to kwarki są poważnymi pretendentami do roli prawdziwych cząstek elektronowych w hadronowej formie materii. Do długości ~ 10 -15 cm kwarki działają jak bezstrukturalne formacje punktowe. Liczba znanych typów kwarków jest niewielka. W przyszłości może to się oczywiście zmienić: nie można zagwarantować, że przy wyższych energiach hadrony o nowych liczbach kwantowych, wynikające z istnienia nowych typów kwarków, nie zostaną odkryte. Wykrycie Y-mezony potwierdzają ten punkt widzenia. Ale jest całkiem możliwe, że wzrost liczby kwarków będzie niewielki, co ogólne zasady nałożyć ograniczenia na pełny numer kwarków, choć granice te nie są jeszcze znane. Być może brak struktury kwarków odzwierciedla jedynie osiągnięty poziom badań nad tymi formacjami materialnymi. Jednak szereg specyficznych cech kwarków daje pewne podstawy do przyjęcia, że ​​kwarki są cząstkami, które uzupełniają łańcuch składników strukturalnych materii.

Kwarki różnią się od wszystkich innych cząstek elektronów tym, że nie zaobserwowano ich jeszcze w stanie wolnym, chociaż istnieją dowody na ich istnienie w stanie związanym. Jedną z przyczyn braku obserwacji kwarków może być ich bardzo duża masa, która uniemożliwia ich wytwarzanie przy energiach współczesnych akceleratorów. Możliwe jest jednak, że kwarki zasadniczo, ze względu na specyfikę swojego oddziaływania, nie mogą znajdować się w stanie swobodnym. Istnieją argumenty teoretyczne i eksperymentalne przemawiające za tym, że siły działające pomiędzy kwarkami nie słabną wraz z odległością. Oznacza to, że do oddzielenia kwarków od siebie potrzeba nieskończenie więcej energii, w przeciwnym razie pojawienie się kwarków w stanie swobodnym jest niemożliwe. Brak możliwości wyodrębnienia kwarków w stanie swobodnym czyni z nich zupełnie nowy rodzaj jednostek strukturalnych materii. Nie jest jasne, czy możliwe jest podniesienie kwestii np składniki kwarki, jeśli samych kwarków nie da się zaobserwować w stanie wolnym. Możliwe, że w tych warunkach części kwarków w ogóle nie manifestują się fizycznie, dlatego kwarki pełnią rolę ostatniego etapu fragmentacji materii hadronowej.

Cząstki elementarne i kwantowa teoria pola.

Aby opisać właściwości i interakcje cząstek elektronów we współczesnej teorii, niezbędne jest pojęcie fizyki. pole, które jest przypisane do każdej cząstki. Pole jest specyficzną formą materii; jest on opisany funkcją określoną we wszystkich punktach ( X)przestrzeni i posiadające pewne właściwości transformacyjne w odniesieniu do transformacji grupy Lorentza (skalar, spinor, wektor itp.) oraz grup o „wewnętrznych” symetrii (skalar izotopowy, spinor izotopowy itp.). Pole elektromagnetyczne o właściwościach wektor czterowymiarowy A m (x) (m = 1, 2, 3, 4) jest historycznie pierwszym przykładem pola fizycznego. Pola powiązane z E. h natura kwantowa, czyli ich energia i pęd składają się z wielu części. części - kwanty, a energia E k i pęd p k kwantu powiązane są zależnością szczególnej teorii względności: E k 2 = p k 2 do 2 + m 2 do 2 . Każdy taki kwant jest cząstką elektronu o danej energii E k, pędzie p k i masie m. Kwantami pola elektromagnetycznego są fotony, kwanty pozostałych pól odpowiadają wszystkim innym znanym cząstkom elektronów. Pole jest zatem fizyczne odzwierciedlenie istnienia nieskończonych zbiorów cząstek – kwantów. Specjalny aparat matematyczny kwantowa teoria pola pozwala nam opisać narodziny i zniszczenie cząstki w każdym punkcie x.

Właściwości transformacyjne pola determinują wszystkie liczby kwantowe cząstek E. Właściwości transformacyjne w odniesieniu do transformacji czasoprzestrzennych (grupa Lorentza) determinują spin cząstek. Zatem skalar odpowiada spinowi 0, spinorowi - spinowi 1/2, wektorowi - spinowi 1 itd. Istnienie takich liczb kwantowych jak L, B, 1, Y, Ch oraz dla kwarków i gluonów wynika z "koloru" z właściwości transformacyjnych pól w odniesieniu do transformacji „przestrzeni wewnętrznych” („przestrzeni ładunkowej”, „przestrzeni izotopowej”, „przestrzeni unitarnej” itp.). W szczególności istnienie „koloru” w kwarkach wiąże się ze specjalną „kolorową” przestrzenią jednostkową. Wprowadzenie „przestrzeni wewnętrznych” do aparatu teoretycznego jest w dalszym ciągu zabiegiem czysto formalnym, co jednak może służyć jako wskazówka, że ​​wymiar czasoprzestrzeni fizycznej, odzwierciedlony we właściwościach E. Ch., jest w rzeczywistości większy niż cztery - wymiar czasoprzestrzeni charakterystyczny dla wszystkich makroskopowych procesów fizycznych. Masa cząstek elektronów nie jest bezpośrednio związana z właściwościami transformacyjnymi pól; to jest ich dodatkowa cecha.

Aby opisać procesy zachodzące z cząstkami elektronów, należy wiedzieć, w jaki sposób różne pola fizyczne są ze sobą powiązane, czyli znać dynamikę pól. W nowoczesna aparatura W kwantowej teorii pola informacja o dynamice pól zawarta jest w specjalnej wielkości wyrażonej poprzez pola - Lagrangianie (a dokładniej gęstości Lagrangianu) L. Znajomość L pozwala w zasadzie obliczyć prawdopodobieństwa przejść z jednego zbioru cząstek do drugiej pod wpływem różnorodnych oddziaływań. Prawdopodobieństwa te dane są przez tzw. macierz rozpraszania (W. Heisenberg, 1943), wyrażona za pomocą L. Lagrangianu L składa się z Lagrangianu L in, który opisuje zachowanie wolnych pól, oraz interakcji Lagrangianu L in, zbudowanego z pól różne cząstki i odzwierciedlających możliwość ich wzajemnych przekształceń. Znajomość Lz jest decydująca dla opisu procesów za pomocą E. h.

Postać L3 jest jednoznacznie określona przez właściwości transformacyjne pól względnej grupy Lorentza i wymóg niezmienności względem tej grupy (niezmienniczość relatywistyczna). Przez długi czas nie były jednak znane kryteria znalezienia L3 (z wyjątkiem oddziaływań elektromagnetycznych), a informacje o oddziaływaniach cząstek elektromagnetycznych uzyskane z eksperymentów w większości przypadków nie pozwalały na miarodajny wybór pomiędzy różnymi możliwościami. W tych warunkach szerokie zastosowanie otrzymało fenomenologiczne podejście do opisu oddziaływań, polegające albo na wyborze najprostszych form L in, prowadzących do obserwowalnych procesów, albo na bezpośrednim badaniu charakterystycznych właściwości elementów macierzy rozpraszania. Na tej ścieżce osiągnięto znaczny sukces w opisywaniu procesów z cząstkami elektronowymi dla różnych wybranych obszarów energii. Jednak wiele parametrów teorii zostało zapożyczonych z eksperymentu, a samo podejście nie mogło rościć sobie prawa do uniwersalności.

W latach 50-70. Dokonano znacznego postępu w zrozumieniu struktury L3, co umożliwiło znaczne udoskonalenie jego formy dla oddziaływań silnych i słabych. Rola decydująca Postęp ten umożliwił wyjaśnienie ścisłego związku pomiędzy właściwościami symetrii oddziaływań cząstek elektronów a kształtem powietrza L.

Symetria oddziaływań cząstek elektronowych znajduje odzwierciedlenie w istnieniu praw zachowania pewnych wielkości fizycznych, a co za tym idzie, w zachowaniu liczb kwantowych cząstek elektronowych z nimi związanych (patrz Prawa zachowania). Dokładna symetria, która występuje dla wszystkich klas oddziaływań, odpowiada obecności dokładnych liczb kwantowych w elektronach; przybliżona symetria, charakterystyczna tylko dla niektórych klas oddziaływań (silnych, elektromagnetycznych), prowadzi do niedokładnych liczb kwantowych. Wskazana powyżej różnica klas oddziaływań w odniesieniu do zachowania liczb kwantowych elektronów odzwierciedla różnice we właściwościach ich symetrii.

Znana forma L w górę el. m. dla oddziaływań elektromagnetycznych jest konsekwencją istnienia oczywistej symetrii Lagrangianu L w odniesieniu do mnożenia zespolonych pól j cząstek naładowanych w nim zawartych w kombinacjach typu j*j (tu * oznacza koniugację zespoloną) przez współczynnik e ia, gdzie a jest dowolną liczbą rzeczywistą. Z tej symetrii wynika z jednej strony prawo zachowania ładunku elektrycznego, z drugiej strony, jeśli wymagamy spełnienia symetrii pod warunkiem, że a arbitralnie zależy od punktu x czasoprzestrzeni, to jednoznacznie prowadzi do Lagrangianu interakcji:

L w górę el. m. = jm el. m. (x) A m (x) (1)

gdzie jm el. m. - czterowymiarowy prąd elektromagnetyczny (patrz Oddziaływania elektromagnetyczne). Jak się okazuje, wynik ten ma znaczenie ogólne. We wszystkich przypadkach, gdy oddziaływania wykazują symetrię „wewnętrzną”, tj. Lagrangian jest niezmienniczy przy przekształceniach „przestrzeni wewnętrznej”, a odpowiadające im liczby kwantowe powstają w liczbach E., należy wymagać, aby niezmienność zachodziła dla dowolnej zależności parametry transformacji w punkcie x (tzw. niezmienność cechowania lokalnego; Yang Zhen-ning, Amerykański fizyk R. Millsa, 1954). Fizycznie wymóg ten wynika z faktu, że interakcji nie można natychmiast przenieść z punktu do punktu. Warunek ten jest spełniony, gdy wśród pól wchodzących w skład Lagrangianu znajdują się pola wektorowe (analogi Am (x)), które zmieniają się podczas transformacji „wewnętrznej” symetrii i oddziałują z polami cząstek w bardzo specyficzny sposób, a mianowicie:

L in = å r=1 n jot m r (x) V m r (x), (2)

gdzie j m r (x) to prądy złożone z pól cząsteczkowych, V m r (x) to pola wektorowe, często nazywane polami cechowania. Zatem wymóg lokalności „wewnętrznej” symetrii ustala postać L i identyfikuje pola wektorowe jako uniwersalne nośniki oddziaływań. Właściwości pól wektorowych i ich liczba „n” są określone przez właściwości „wewnętrznej” grupy symetrii. Jeżeli symetria jest dokładna, to masa kwantu pola V m r jest równa 0. Dla przybliżonej symetrii masa kwantu pole wektorowe jest różna od zera. Rodzaj prądu j m r wyznaczają pola cząstek o niezerowych liczbach kwantowych, związane z „wewnętrzną” grupą symetrii.

W oparciu o zarysowane powyżej zasady okazało się możliwe podejście do zagadnienia oddziaływania kwarków w nukleonie. Eksperymenty z rozpraszaniem neutrin i antyneutrin przez nukleony wykazały, że pęd nukleonu tylko częściowo (około 50%) przenoszony jest przez kwarki, a pozostałą część przez inny rodzaj materii, która nie oddziałuje z neutrinami. Prawdopodobnie ta część materii składa się z cząstek, które podlegają wymianie pomiędzy kwarkami i dzięki temu są utrzymywane w nukleonie. Cząsteczki te nazywane są „gluonami” (od angielskiego kleju – klej). Z powyższego punktu widzenia oddziaływań naturalne jest traktowanie tych cząstek jako cząstek wektorowych. We współczesnej teorii ich istnienie wiąże się z symetrią, która decyduje o pojawieniu się „koloru” w kwarkach. Jeśli ta symetria jest dokładna (symetria koloru SU (3)), to gluony są cząstkami bezmasowymi, a ich liczba wynosi osiem (amerykański fizyk I. Nambu, 1966). Oddziaływanie kwarków z gluonami jest określone przez L vz ze strukturą (2), gdzie prąd j m r składa się z pól kwarkowych. Istnieją również podstawy, aby przypuszczać, że oddziaływanie kwarków, spowodowane wymianą bezmasowych gluonów, prowadzi do powstania sił między kwarkami, które nie zmniejszają się wraz z odległością, ale nie zostało to rygorystycznie udowodnione.

W zasadzie wiedza o oddziaływaniach pomiędzy kwarkami mogłaby być podstawą do opisu oddziaływań wszystkich hadronów między sobą, czyli wszystkich oddziaływań silnych. Ten kierunek w fizyce hadronów szybko się rozwija.

Zastosowanie zasady wyznaczającej rolę symetrii (w tym przybliżonej) w tworzeniu struktury oddziaływań umożliwiło także postęp w zrozumieniu natury Lagrangianu oddziaływań słabych. Jednocześnie głęboko awiofon oddziaływania słabe i elektromagnetyczne. W tym podejściu obecność par leptonów o tym samym ładunku leptonowym: e - , ve i m - , v m , ale o różnych masach i ładunkach elektrycznych uważa się nie za przypadkową, ale za odzwierciedlenie istnienia złamanej symetrii układu izotonicznego typ (grupa SU (2)). Zastosowanie zasady lokalności do tej „wewnętrznej” symetrii prowadzi do charakterystycznego Lagrangianu (2), w którym powstają jednocześnie człony odpowiedzialne za oddziaływania elektromagnetyczne i słabe (amerykański fizyk S. Weinberg, 1967; A. Salam, 1968):

L powietrze = 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)

Tutaj j m sl. H. , j m sl. N. - naładowane i neutralne prądy oddziaływań słabych, zbudowane z pól leptonów, W m +, W m -, Z m 0 - pola masywnych (w wyniku łamania symetrii) cząstek wektorowych, które w tym schemacie są nośnikami słabych oddziaływań ( tzw. bozony pośrednie), A m – pole fotonowe. Pomysł istnienia naładowanego bozonu pośredniego wysunięto już dawno temu (H. Yukawa, 1935). Ważne jest jednak, że w tym modelu jednolitej teorii oddziaływań magnetycznych i słabych elektronów, naładowany bozon pośredni występuje na równi z fotonem i obojętnym bozonem pośrednim. Procesy oddziaływań słabych wywołane prądami neutralnymi odkryto w 1973 roku, co potwierdza słuszność zarysowanego powyżej podejścia do formułowania dynamiki oddziaływań słabych. Możliwe są również inne opcje zapisu Lagrangianu L z dużą liczbą obojętnych i naładowanych bozonów pośrednich; Dane eksperymentalne nie są jeszcze wystarczające do ostatecznego wyboru Lagrangianu.

Bozony pośrednie nie zostały jeszcze odkryte eksperymentalnie. Z dostępnych danych wynika, że ​​masy W ± i Z 0 dla modelu Weinberga-Salama szacuje się na około 60 i 80 GeV.

Oddziaływania elektromagnetyczne i słabe kwarków można opisać w ramach modelu podobnego do modelu Weinberga-Salama. Uwzględnienie na tej podstawie oddziaływań elektromagnetycznych i słabych hadronów daje dobrą zgodność z obserwowanymi danymi. Częstym problemem przy konstruowaniu takich modeli jest wciąż nieznana całkowita liczba kwarków i leptonów, co nie pozwala określić rodzaju symetrii początkowej i charakteru jej naruszenia. Dlatego bardzo ważne są dalsze badania eksperymentalne.

Pojedyncze pochodzenie oddziaływań elektromagnetycznych i słabych oznacza, że ​​teoretycznie stała oddziaływania słabego zanika jako niezależny parametr. Jedyną stałą pozostaje ładunek elektryczny e. Tłumienie słabych procesów przy niskich energiach jest wyjaśnione przez duża masa bozony pośrednie. Przy energiach środka układu mas porównywalnych z masami bozonów pośrednich skutki oddziaływań elektromagnetycznych i słabych powinny być tego samego rzędu. Te ostatnie będą się jednak różnić niezachowaniem szeregu liczb kwantowych (P, Y, Ch itp.).

Podejmowane są próby ujednoliconego rozpatrywania nie tylko oddziaływań elektromagnetycznych i słabych, ale także oddziaływań silnych. Punktem wyjścia do takich prób jest założenie jednakowego charakteru wszystkich rodzajów oddziaływań cząstek elektronowych (bez oddziaływania grawitacyjnego). Uważa się, że zaobserwowane silne różnice między interakcjami wynikają ze znacznego złamania symetrii. Próby te nie są jeszcze dostatecznie rozwinięte i napotykają poważne trudności, zwłaszcza w wyjaśnieniu różnic we właściwościach kwarków i leptonów.

Opracowano metodę otrzymywania Lagrangianu interakcji w oparciu o wykorzystanie własności symetrii ważny krok na ścieżce prowadzącej do dynamicznej teorii E. Ch. Istnieją podstawy, aby sądzić, że teorie pola cechowania będą niezbędne element składowy dalsze konstrukcje teoretyczne.

Wniosek

Niektóre ogólne problemy teorii cząstek elementarnych. Najnowsze osiągnięcia fizyki cząstek elektronowych wyraźnie odróżniają od wszystkich cząstek elektronowych grupę cząstek, które w istotny sposób determinują specyfikę procesów zachodzących w mikroświecie. Cząstki te są potencjalnymi kandydatami do roli prawdziwych cząstek elektronowych. Należą do nich: cząstki o spinie 1/2 – leptony i kwarki, a także cząstki o spinie 1 – gluony, fotony, masywne bozony pośrednie, które przeprowadzają różnego rodzaju oddziaływania. cząstek o spinie 12 . W tej grupie najprawdopodobniej powinna znaleźć się także cząstka o spinie 2 – grawiton; kwant pole grawitacyjne, łącząc wszystkie E. h. W tym schemacie wiele zagadnień wymaga jednak dalszych badań. Nie wiadomo, jaka jest całkowita liczba leptonów, kwarków i różnych cząstek wektorowych (przy J = 1) oraz czy istnieją zasady fizyczne określające tę liczbę. Przyczyny podziału cząstek o spinie 1/2 na 2 są niejasne różne grupy: leptony i kwarki. Pochodzenie wewnętrznych liczb kwantowych leptonów i kwarków (L, B, 1, Y, Ch) oraz takich cech kwarków i gluonów jak „kolor” jest niejasne. Jakie stopnie swobody są powiązane z wewnętrznymi liczbami kwantowymi? Tylko takie cechy cząstki elektronowej jak J i P są powiązane ze zwykłą czterowymiarową czasoprzestrzenią. Jaki mechanizm determinuje masy prawdziwej cząstki elektronowej? Jaka jest przyczyna występowania różnych klas oddziaływań w elektronach o różnych właściwościach symetrii? Te i inne pytania będą musiały zostać rozwiązane przez przyszłą teorię E. rozdz.

Jak zauważono, opis oddziaływań cząstek elektronów jest powiązany z teoriami pola cechowania. Teorie te mają rozwinięty aparat matematyczny, który pozwala na obliczenia procesów z cząstkami elektronowymi (przynajmniej w zasadzie) na tym samym poziomie rygorystyczności, co w elektrodynamice kwantowej. Ale w swojej obecnej formie teorie pola cechowania mają jedną poważną wadę, wspólną dla elektrodynamiki kwantowej - w procesie obliczeń pojawiają się w nich bezsensowne, nieskończenie duże wyrażenia. Stosując specjalną technikę redefinicji wielkości obserwowalnych (masy i ładunku) – renormalizację – możliwe jest wyeliminowanie nieskończoności z końcowych wyników obliczeń. W najlepiej poznanej elektrodynamice nie wpływa to jeszcze na zgodność przewidywań teoretycznych z eksperymentem. Procedura renormalizacyjna jest jednak czysto formalnym ominięciem trudności istniejącej w aparacie teoretycznym, która przy pewnym poziomie dokładności powinna wpływać na stopień zgodności obliczeń z pomiarami.

Pojawianie się nieskończoności w obliczeniach wynika z faktu, że w Lagrangianach oddziaływań pola różnych cząstek odnoszone są do jednego punktu x, czyli zakłada się, że cząstki są punktowe, a czterowymiarowa czasoprzestrzeń pozostaje płaska aż do najmniejsze odległości. W rzeczywistości założenia te są najwyraźniej błędne z kilku powodów: a) prawdziwe elementy E. najprawdopodobniej są obiektami materialnymi o skończonym zakresie; b) właściwości czasoprzestrzeni w małej (w skali wyznaczanej przez tzw. długość podstawową) najprawdopodobniej radykalnie różnią się od jej właściwości makroskopowych; c) w najmniejszych odległościach (~ 10 -33 cm) wpływa na zmianę właściwości geometrycznych czasoprzestrzeni pod wpływem grawitacji. Być może te przyczyny są ze sobą ściśle powiązane. Zatem uwzględnienie grawitacji w najbardziej naturalny sposób prowadzi do wielkości prawdziwej cząstki E. rzędu 10 -33 cm, a długość podstawy l 0 można powiązać ze stałą grawitacji f: "10 -33 cm. Każdy z tych powodów powinien jednak prowadzić do modyfikacji teorii i wyeliminowania nieskończoności praktyczne wdrożenie Ta modyfikacja może być dość złożona.

Bardzo interesujące wydaje się uwzględnienie wpływu grawitacji na krótkich dystansach. Oddziaływanie grawitacyjne może nie tylko wyeliminować rozbieżności w kwantowej teorii pola, ale także określić samo istnienie materii pierwotnej (M. A. Markov, 1966). Jeśli gęstość prawdziwej substancji E.H. jest wystarczająco duża, czynnikiem decydującym o stabilnym istnieniu tych formacji materialnych może być przyciąganie grawitacyjne. Wymiary takich formacji powinny wynosić ~10 -33 cm. W większości eksperymentów będą się one zachowywać jak obiekty punktowe, ich oddziaływanie grawitacyjne będzie znikome i będzie pojawiać się tylko w najmniejszych odległościach, w obszarze, w którym geometria przestrzeni ulega znaczącym zmianom.

Zatem wyłaniający się trend w kierunku jednoczesnego uwzględniania różnych klas interakcji E. rozdz. najprawdopodobniej logicznie powinien zostać uzupełniony o włączenie ogólny schemat oddziaływanie grawitacyjne. To właśnie na podstawie jednoczesnego uwzględnienia wszystkich rodzajów oddziaływań można najprawdopodobniej spodziewać się powstania przyszłej teorii cząstek elektronowych.

Bibliografia

1) Markov MA O naturze materii. M., 1976

2) Gaziorovich S. Fizyka cząstek elementarnych, przeł. z języka angielskiego, M. 1969

3) Kokkede Ya., Teoria kwarków, przeł. z języka angielskiego, M., 1971

4) I., Ioffe B. L., Okun L. B., Nowe cząstki elementarne, „Postępy nauk fizycznych", 1975, t. 117, t. 2, s. 227

5) Bogolyubov N.N., Shirkov D.V., Wprowadzenie do teorii pól skwantowanych, wyd. 3, M., 1976;

6) Aktualności fizyka podstawowa, przeł. z języka angielskiego, M., 1977, s. 120-240 .

CZĄSTECZKI ELEMENTARNE, V w wąskim znaczeniu- cząstki, których nie można uznać za składające się z innych cząstek. W nowoczesnym W fizyce terminu „cząstki elementarne” używa się w szerszym znaczeniu: tzw. najmniejsze cząstki materii, pod warunkiem, że nimi nie są i (wyjątek stanowi); Czasami z tego powodu cząstki elementarne nazywane są cząstkami subjądrowymi. Większość Cząstki takie (znanych jest ponad 350) są układami złożonymi.
mi cząstki elementarne uczestniczą w oddziaływaniach elektromagnetycznych, słabych, silnych i grawitacyjnych. Ze względu na małe masy cząstek elementarnych ich oddziaływanie grawitacyjne. zwykle nie brane pod uwagę. Wszystkie cząstki elementarne dzielą się na trzy główne. grupy. Pierwsza składa się z tzw. Bozony są nośnikami oddziaływań elektrosłabych. Obejmuje to foton lub kwant promieniowania elektromagnetycznego. Masa spoczynkowa fotonu wynosi zero, dlatego prędkość propagacji fal elektromagnetycznych (w tym fal świetlnych) reprezentuje maksymalną prędkość propagacji fal fizycznych. wpływ i jest jednym z funduszy. fizyczny stały; przyjmuje się, że c = (299792458 · 1,2) m/s.
Drugą grupą cząstek elementarnych są leptony, uczestniczące w oddziaływaniach elektromagnetycznych i słabych. Znanych jest 6 leptonów: elektron, mion, ciężki lepton i odpowiedni. (symbol e) uważany jest za materiał o najmniejszej w przyrodzie masie m c, równej 9,1 x 10 -28 g (w jednostkach energii 0,511 MeV) i najmniejszej ujemności. elektryczny ładunek e = 1,6 x 10 -19 C. (symbol) - cząstki o masie ok. 207 (105,7 MeV) i elektryczny. opłata, równy ładunkowi; Ciężki lepton ma masę ok. 1,8 GeV. Trzy typy odpowiadające tym cząstkom to elektron (symbol vc), mion (symbol) i neutrino (symbol) – lekkie (prawdopodobnie bezmasowe) cząstki elektrycznie obojętne.
Wszystkie leptony mają (-), tj. statystycznie. Św. jesteście fermionami (patrz).
Każdy z leptonów odpowiada , który ma te same wartości mas i inne cechy, ale różni się znakiem elektrycznym. opłata. Istnieją (symbol e +) - w odniesieniu do, naładowanych dodatnio (symbol) i trzy rodzaje antyneutrin (symbol), którym przypisuje się przeciwny znak specjalna liczba kwantowa, tzw ładunek leptonowy (patrz poniżej).
Trzecią grupą cząstek elementarnych są hadrony, które uczestniczą w oddziaływaniach silnych, słabych i elektromagnetycznych. Hadrony to „ciężkie” cząstki o masie znacznie większej niż . To jest najbardziej duża grupa cząstek elementarnych. Hadrony dzielą się na bariony – cząstki z mezonami – cząstki z liczbą całkowitą (O lub 1); a także tzw rezonanse to krótkotrwałe hadrony. Bariony obejmują (symbol p) - jądro o masie ~ 1836 razy większej niż m s i równej 1,672648 x 10 -24 g (938,3 MeV) i put. elektryczny ładunek równy ładunkowi, a także (symbol n) - cząstka obojętna elektrycznie, której masa nieznacznie przekracza masę. Z i wszystko jest zbudowane, a mianowicie silna interakcja. określa połączenie tych cząstek ze sobą. W silnym oddziaływaniu mają te same właściwości i są uważane za dwie z jednej cząstki - nukleony o izotopie. (patrz poniżej). Do barionów zalicza się także hiperony – cząstki elementarne o masie większej od nukleonu: hiperon ma masę 1116 MeV, hiperon ma masę 1190 MeV, hiperon ma masę 1320 MeV, a hiperon ma masę 1670 MeV. MeV. Mezony mają masy pośrednie pomiędzy masami a (-mezon, K-mezon). Istnieją mezony neutralne i naładowane (z dodatnim i ujemnym elementarnym ładunkiem elektrycznym). Wszystkie mezony mają swoje własne cechy. Św. należysz do bozonów.

Podstawowe właściwości cząstek elementarnych. Każda cząstka elementarna jest opisana zbiorem dyskretnych wartości fizycznych. ilości (liczby kwantowe). Ogólna charakterystyka wszystkich cząstek elementarnych - masa, czas życia, elektryczność. opłata.
W zależności od czasu życia cząstki elementarne dzielą się na stabilne, quasi-stabilne i niestabilne (rezonanse). Stabilne (w zakresie dokładności współczesnych pomiarów) są: (czas życia powyżej 5 -10 21 lat), (ponad 10 31 lat), foton i . Cząstki quasi-stabilne obejmują cząstki, które rozpadają się w wyniku oddziaływań elektromagnetycznych i słabych; ich czas życia przekracza 10–20 sekund. Rezonanse zanikają na skutek oddziaływań silnych, ich charakterystyczny czas życia wynosi 10 -22 -10 -24 s.
Wewnętrzną charakterystyką (liczbami kwantowymi) cząstek elementarnych są ładunki leptonowe (symbol L) i barionowe (symbol B); liczby te uważa się za wielkości ściśle konserwowane dla wszystkich rodzajów funduszy. interakcja Bowiem leptonika i jej L mają przeciwne znaki; dla barionów B = 1, dla odpowiednich B = -1.
Hadrony charakteryzują się obecnością specjalnych liczb kwantowych: „dziwności”, „uroku”, „piękna”. Zwykłe (nie dziwne) hadrony to ,-mezony. W obrębie różnych grup hadronów istnieją rodziny cząstek o podobnej masie i podobnych właściwościach w zakresie oddziaływania silnego, ale o różnych charakterystykach. wartości elektryczne opłata; najprostszym przykładem jest proton i . Całkowita liczba kwantowa takich cząstek elementarnych to tzw. izotopowy , który podobnie jak zwykły akceptuje wartości całkowite i półcałkowite. DO szczególne cechy hadrony obejmują także parzystość wewnętrzną, która przyjmuje wartości 1.
Ważną właściwością cząstek elementarnych jest ich zdolność do ulegania wzajemnym przemianom w wyniku oddziaływań elektromagnetycznych lub innych. Jednym z rodzajów wzajemnych przekształceń jest tzw. narodziny, czyli jednoczesne powstanie cząstki i (w ogólnym przypadku - powstanie cząstek elementarnych o przeciwnych ładunkach leptonowych lub barionowych). Możliwe procesy obejmują narodziny elektron-pozyton e - e + , nowe ciężkie cząstki mionowe w zderzeniach leptonów oraz powstawanie stanów cc i bb z kwarków (patrz poniżej). Innym rodzajem wzajemnej konwersji cząstek elementarnych jest anihilacja podczas zderzeń cząstek z utworzeniem skończonej liczby fotonów (kwantów). Zwykle powstają 2 fotony, gdy suma zderzających się cząstek wynosi zero, a 3 fotony, gdy suma jest równa 1 (przejaw prawa zachowania parzystości ładunku).
W pewnych warunkach, zwłaszcza przy małej prędkości zderzających się cząstek, często dochodzi do powstania układu sprzężonego – e – e+. Te układy niestabilne nazywane są często. , ich czas życia w substancji w dużej mierze zależy od właściwości substancji, co pozwala na wykorzystanie kondensatora do badania struktury. Substancje i kinetyka szybkich substancji chemicznych. dzielnice (patrz,).

Kwarkowy model hadronów. Szczegółowe badanie liczb kwantowych hadronów pod ich kątem pozwoliło stwierdzić, że hadrony dziwne i zwykłe hadrony tworzą razem asocjacje cząstek o zbliżonych właściwościach, zwane multipletami unitarnymi. Liczba cząstek w nich zawartych wynosi 8 (oktet) i 10 (decuplet). Cząstki wchodzące w skład multipletu unitarnego mają to samo wnętrze parzystość, ale różnią się wartościami elektrycznymi. ładunek (cząstki multipletu izotopowego) i obcość. Właściwości związane z grupami unitarnymi, ich odkrycie było podstawą do wniosku o istnieniu specjalnych jednostek strukturalnych, z których zbudowane są hadrony i kwarki. Uważa się, że hadrony są kombinacją 3 pierwiastków. cząstki z 1/2: kwarki górne, kwarki d i kwarki s. Zatem mezony składają się z kwarka i antykwarku, bariony składają się z 3 kwarków.
Założenie, że hadrony składają się z 3 kwarków, przyjęto w 1964 roku (J. Zweig i niezależnie M. Gell-Mann). Następnie do modelu struktury hadronów włączono jeszcze dwa kwarki (w szczególności w celu uniknięcia sprzeczności z ) - „czarowany” (c) i „piękny” (b), a także wprowadzono specjalne cechy kwarków - „smak” i „kolor”. Kwarki, będące składnikami hadronów, nie były obserwowane w stanie wolnym. Cała różnorodność hadronów wynika z różnych czynników. kombinacje kwarków and-, d-, s-, c- i b tworzące stany połączone. Zwykłe hadrony ( , -mezony) odpowiadają stanom połączonym zbudowanym z kwarków górnych i d. Obecność w hadronie, obok kwarków górnych i d, jednego kwarku s, c lub b oznacza, że ​​odpowiadający mu hadron jest „dziwny”, „czarowany” lub „piękny”.
Kwarkowy model budowy hadronów został potwierdzony w wyniku przeprowadzonych na końcu eksperymentów. Lata 60. – początek
lata 70 XX wiek Kwarki faktycznie zaczęto uważać za nowe cząstki elementarne – prawdziwie elementarne cząstki hadronowej formy materii. Nieobserwowalność wolnych kwarków ma najwyraźniej charakter fundamentalny i sugeruje, że są to cząstki elementarne zamykające łańcuch elementów strukturalnych ciała. Istnieją teoretyczne i eksperymentuj. argumenty przemawiające za tym, że siły działające pomiędzy kwarkami nie słabną wraz z odległością, czyli aby oddzielić kwarki od siebie potrzebna jest nieskończenie duża ilość energii, czyli inaczej pojawienie się kwarków w stanie swobodnym jest niemożliwe . Czyni to z nich zupełnie nowy typ jednostek strukturalnych na wyspie. Możliwe, że kwarki stanowią ostatni etap materii.

Krótka informacja historyczna. Pierwszą odkrytą cząstką elementarną była - neg. elektryczny ładunek w obu znakach elektrycznych. ładunek (K. Anderson i S. Neddermeyer, 1936) oraz K-mezony (grupa S. Powella, 1947; istnienie takich cząstek sugerował H. Yukawa w 1935). w kon. 40. - wcześnie lata 50 odkryto „dziwne” cząstki. Pierwsze cząstki z tej grupy - K+ - i K - -mezony, A-hiperony - również zarejestrowano w kosmosie. promienie
Od początku lata 50 akceleratory stały się głównymi narzędzie do badania cząstek elementarnych. Odkryto antyproton (1955), antyneutron (1956), antyhiperon (1960), a w 1964 najcięższy z nich W -hiperon. W 1960 roku W akceleratorach odkryto dużą liczbę niezwykle niestabilnych rezonansów. W 1962 roku okazało się, że istnieją dwa różne: elektron i mion. W 1974 roku odkryto masywne (3-4 masy protonów), a jednocześnie stosunkowo stabilne (w porównaniu ze zwykłymi rezonansami) cząstki, które okazały się blisko spokrewnione z nową rodziną cząstek elementarnych – „czarowanymi”, ich pierwszymi przedstawicielami odkryto w 1976 r. W 1975 r. odkryto ciężki analog leptonu, w 1977 r. - cząstki o masie około dziesięciu mas protonów, w 1981 r. - „piękne” cząstki. W 1983 roku odkryto najcięższe znane cząstki elementarne - bozony (masa 80 GeV) i Z° (91 GeV).
Tak więc na przestrzeni lat od odkrycia zidentyfikowano ogromną liczbę różnych mikrocząstek. Świat cząstek elementarnych okazał się złożony, a ich właściwości pod wieloma względami nieoczekiwane.

Dosł.: Kokkede Ya., Teoria kwarków, [tłum. z języka angielskiego], M., 1971; Markov M. A., O naturze materii, M., 1976; Okun L.B., Leptony i kwarki, wyd. 2, M., 1990.

Cząstki elementarne– najmniejsze znane cząstki materii fizycznej, które w pewnym stopniu można uznać za „cegiełki” wszechświata na współczesnym poziomie wiedzy o materii. W wąskim znaczeniu tego słowa cząstki elementarne można nazwać cząstkami, w których Struktura wewnętrzna nigdy nie zaobserwowano. Należą do nich na przykład elektron i foton. Zdecydowana większość cząstek elementarnych (mezony, bariony) ma budowę wewnętrzną.

Historia odkrycia cząstek elementarnych trwa jeden wiek. W latach 20 XX wiek teoria cząstek elementarnych była niezwykle prosta. Znane były dwie cząstki – elektron i proton, a także dwa rodzaje oddziaływań – grawitacyjne i elektromagnetyczne. Na ich podstawie wyjaśniono wszystkie zjawiska naturalne.

Można wyróżnić dwa główne nurty odkryć nowych cząstek elementarnych. Pierwszy ma miejsce w latach 30. – 50. XX wieku. XX w., kiedy to odkryto przede wszystkim neutron i pozyton. Pozyton jest antycząstką w stosunku do elektronu; jest pod każdym względem podobny do elektronu, tyle że ma raczej dodatnią stronę ładunek ujemny. Kiedy elektron zderza się z pozytonem, a także kiedy jakakolwiek cząstka zderza się z odpowiadającą jej antycząstką, może nastąpić ich anihilacja, tj. wzajemne niszczenie cząstek, któremu towarzyszą narodziny nowych mikrocząstek i uwalnianie energii. Zatem elektron oddziałujący z pozytonem wytwarza dwa fotony.

Następnie odkryto neutrina. Obecnie znanych jest kilka rodzajów neutrin. W 1937 roku odkryto pierwszy mezon. Ma to związek z oddziaływaniami jądrowymi. Do 1960 roku teoria obejmowała 32 cząstki elementarne, a każda nowa cząstka była związana z odkryciem zasadniczo nowego koła zjawiska fizyczne. Drugi nurt odkryć cząstek elementarnych przypadł na lata 1960–1965. Pod koniec tego okresu liczba cząstek przekroczyła 200. Pod koniec lat 90. XX wieku. liczba odkrytych cząstek i antycząstek zbliża się do 400.

Cechami cząstek subatomowych są masa, ładunek elektryczny, spin, czas życia, moment magnetyczny, parzystość przestrzenna itp. Samo pojęcie elementarności straciło na znaczeniu, ponieważ nie ma kryterium elementarności. Istnieją tylko cztery stabilne (nie ulegające samorozpadowi) cząstki elementarne*: elektron, proton, foton i wszystkie rodzaje neutrin. Na bazie tych cząstek nie da się zbudować wszystkich innych, które mają zdolność samorzutnego rozpadu. Spośród takich cząstek najdłużej żyje wolny neutron (17 minut), a najkrócej obojętny π-mezon (10 -16 s). Nie udało się jednak ustalić zasady klasyfikacji opartej na różnicach w czasie życia cząstek.

Ważną cechą klasyfikującą obiekty mikroświata jest ich zdolność do uczestniczenia w silnych interakcjach. Cząstki uczestniczące w oddziaływaniach silnych nazywane są cząstkami hadrony, nazywamy cząstki uczestniczące w oddziaływaniach słabych i nieuczestniczące w oddziaływaniach silnych leptony. Ponadto istnieją cząstki – nośniki oddziaływań.

Do leptonów zalicza się elektron, mion, lepton tau, trzy rodzaje neutrin i odpowiadające im antycząstki. Zatem, Łączna leptony są równe dwanaście. Neutrina odkryte w latach 60. XX wieku, są najpowszechniejszymi cząstkami we Wszechświecie. Wszechświat można sobie wyobrazić jako nieograniczone morze neutrin, w którym czasami można znaleźć wyspy w postaci atomów. Nie uczestnicząc w oddziaływaniach silnych ani elektromagnetycznych, przenikają przez materię tak, jakby jej w ogóle nie było. Dlatego bardzo trudno jest je badać. Mion to jedna z pierwszych znanych niestabilnych cząstek subatomowych, odkryta w 1936 roku. Pod każdym względem przypomina elektron: ma ten sam ładunek i spin, uczestniczy w tych samych oddziaływaniach, ale ma większą masę i jest niestabilny (w ciągu około dwóch milionowych części sekundy rozpada się na elektron i dwa neutrina). Lepton tau jest również cząstką naładowaną. Został otwarty w latach 70-tych. XX wiek i ma bardzo dużą masę - 3500 mas elektronów.

Liczba hadronów wynosi kilkaset; wszystkie z wyjątkiem neutronu i protonu są krótkotrwałe i szybko się rozpadają. Niestabilność hadronów i ich duża różnorodność wskazują, że nie są to obiekty elementarne, lecz zbudowane są z mniejszych cząstek - kwarki. Większość hadronów odkryto w latach 50. i 60. XX wieku. XX wiek Hadrony biorą udział w oddziaływaniach silnych, słabych i elektromagnetycznych.

Jeśli leptony i hadrony są budulcem materii, to istnieją również cząstki zapewniające cztery oddziaływania, które stanowią swego rodzaju „klej” zapobiegający rozpadowi świata. Nośnikami oddziaływań elektromagnetycznych są fotony, oddziaływania silne to gluony (wiążące kwarki wewnątrz protonu), oddziaływania słabe to bozony W+, W -, Z º (charakteryzujące się dużą masą spoczynkową i krótki czas trwaniażycie - tylko 10 -26 s). Wyraża się opinię o istnieniu nośnika pola grawitacyjnego – grawitonów. Według obliczeń naukowców powinny one, podobnie jak fotony, mieć zerową masę spoczynkową i poruszać się z prędkością światła. Jeśli jednak foton ma spin 1, a podczas oddziaływania elektromagnetycznego podobnie naładowane cząstki odpychają się, to grawiton ma spin 2. Dzięki temu wszystkie cząstki mogą się przyciągać. Ponieważ oddziaływanie grawitacyjne jest bardzo słabe, bezpośrednie wykrycie grawitonu w eksperymentach nie było jeszcze możliwe.

Obecnie odkryto tak zwane antycząstki, które mają ładunek przeciwny do cząstek (pozyton, antyproton itp.). I tak w 1932 roku odkryto pozytony w promieniowaniu kosmicznym*. Antyprotony powstające w zderzeniach z jądrami docelowymi miedzi odkryto w 1955 roku w nowym akceleratorze w Berkeley. W 1956 roku odkryto antyneutron. Jeżeli elektron z pozytonu i proton z antyprotonu różnią się przede wszystkim znakiem ładunku, to czym różnią się neutron i antyneutron? Neutron nie ma ładunku elektrycznego, ale towarzyszy mu pole magnetyczne. Przyczyna tego nie jest do końca jasna, chociaż ustalono, że pole magnetyczne neutronu jest zorientowane w jednym kierunku, a pole magnetyczne antyneutronu jest zorientowane w kierunku przeciwnym.

Oprócz różnic w ładunkach antycząstki mają inne podstawowe właściwości w porównaniu z cząstkami. Zatem podczas przejścia ze świata do antyświata „prawa” i „lewa” zamieniają się miejscami; czas w antyświecie płynie od przyszłości do przeszłości, a nie od przeszłości do przyszłości, jak w świat. W przeciwieństwie do cząstek, z których składa się nasz świat, antycząstki są po prostu gośćmi, którzy na chwilę pojawiają się w tym świecie. Kiedy antycząstki spotykają się z cząstkami, następuje eksplozja, w wyniku której ulegają one wzajemnemu zniszczeniu, uwalniając ogromną ilość energii. Na podstawie licznych obserwacji antycząstek i badania ich zachowania w naszym świecie, niektórzy naukowcy doszli do idei istnienia całego antyświata, który jest podobny do naszego świata i współistnieje z nim, ale różni się od niego przeciwnym znakiem .

Jednym z czołowych twórców tej teorii był estoński akademik G. Naan. Jego głównym punktem jest stanowisko, że obie połowy Wszechświata – świat i antyświat – ostatecznie powstają z absolutnej próżni. Pisał: „Stwierdzenie o możliwości powstania z niczego (pustki, próżni) przy ścisłym przestrzeganiu praw zachowania powinno wydawać się niezwykle paradoksalne. Przecież znaczenie praw zachowania jest takie, że nic nie powstaje z niczego, nic nie może dać początek czemuś. Postawiona hipoteza w żaden sposób nie podważa tego stanowiska. Nic tak naprawdę nie może zrodzić (tylko) czegoś, ale rodzi coś więcej - coś i jednocześnie anty-coś! Zaproponowana tutaj hipoteza ostatecznie opiera się na elementarnym fakcie, że równość (-1)+(+1)=0 można czytać odwrotnie, od prawej do lewej: 0=(-1)+(+1). Ostatnia równość wyraża nie tylko kosmologię, ale także kosmogonię. Oryginalny " materiał budowlany Wszechświat” to pustka, próżnia. Całkowity symetryczny Wszechświat składa się średnio z pustki. Dlatego może powstać z pustki przy ścisłym przestrzeganiu wszystkich praw ochrony.” „Wszystkie przedziały czasoprzestrzenne i współrzędne są identycznie równe zeru. Symetryczny Wszechświat jest taki, że przeciętnie nie zawiera niczego, nawet przestrzeni i czasu. Na przykładzie teorii G. Naana wyraźnie widać uniwersalność zasady symetrii, o której mowa w następnym akapicie.

Skąd w naszym Wszechświecie biorą się cząstki elementarne i antycząstki? Naukowcy sugerują, że pochodzi to z próżni fizycznej. Fizyczna próżnia nie jest wcale „absolutnym niczym”, ale rzeczywistą układ fizyczny na przykład pole elektromagnetyczne w jednym ze swoich stanów. Co więcej, zgodnie z kwantową teorią pola, ze stanu próżni można otrzymać wszystkie pozostałe stany pola i cząstki elementarne. Fizyka zajmuje się pewne rodzaje i stanach materii, a nie materii jako takiej. Podobnie w badania fizyczne nie zajmują się „pustką absolutną” jako całkowitym brakiem materii i materiału, ale „pustką względną”, którą należy rozumieć jako brak pewnych klas przedmiotów materialnych i ich cech.

Próżnię można zdefiniować jako pole o minimalnej energii. Nie oznacza to jednak, że nie ma w nim zupełnie nic. W fizycznej próżni stale mają miejsce najbardziej złożone zdarzenia. procesy fizyczne na przykład narodziny i śmierć cząstek wirtualnych, specjalny rodzaj próżniowe oscylacje pola elektromagnetycznego, które z niego nie uciekają i nie rozprzestrzeniają się. Jednak w pewnych odstępach czasu cząstki wirtualne mogą zamienić się w cząstki rzeczywiste.

Symetria i zasady niezmienności w fizyce

Słowo „symetria” ma Pochodzenie greckie i oznacza „proporcjonalność”. W codzienny język Symetria najczęściej rozumiana jest jako porządek, harmonia i proporcjonalność. Harmonijna spójność części i całości jest głównym źródłem walorów estetycznych symetrii. Kryształy od dawna zachwycają nas swoją perfekcją i ścisłą symetrią form. Symetryczne mozaiki, freski, zespoły architektoniczne obudzić w ludziach poczucie piękna, muzyki i dzieła poetyckie budzą zachwyt właśnie swoją harmonią. Można zatem mówić o symetrii należącej do kategorii piękna.

Naukowa definicja symetrii należy do wybitnego niemieckiego matematyka Hermana Weila(1885 – 1955), który w swojej wspaniałej książce „Symetria” analizował przejście od prostego zmysłowego postrzegania symetrii do jej naukowe zrozumienie. Według G. Weila, pod symetria należy rozumieć niezmienność (niezmienność) właściwości obiektu pod wpływem pewnego rodzaju transformacji. Można powiedzieć, że symetria to zbiór niezmiennych właściwości obiektu. Na przykład kryształ może wyrównać się ze sobą pod pewnymi obrotami, odbiciami i przemieszczeniami. Wiele zwierząt ma w przybliżeniu symetrię lustrzaną, gdy lewa połowa ciała odbija się w prawo i odwrotnie. Jednak nie tylko przedmiot materialny, ale także na przykład obiekt matematyczny może przestrzegać praw symetrii. Można mówić o niezmienności funkcji lub równania pod pewnymi transformacjami układu współrzędnych. To z kolei pozwala na zastosowanie kategorii symetrii do praw fizyki. W ten sposób symetria wkracza do matematyki i fizyki, gdzie jest także źródłem piękna i wdzięku.

Stopniowo fizyka odkrywa coraz więcej nowych typów symetrii praw natury: jeśli początkowo brano pod uwagę tylko typy symetrii czasoprzestrzennej (geometrycznej), to później nie została ona odkryta typy geometryczne(permutacja, miernik, jednostka itp.). Te ostatnie odnoszą się do praw interakcji i są zjednoczone Nazwa zwyczajowa„dynamiczna symetria”.

Zasady niezmienności odgrywają bardzo ważną rolę we współczesnej fizyce: za ich pomocą potwierdzane są stare prawa zachowania i przewidywane nowe prawa zachowania, a także rozwiązanie wielu podstawowych i stosowane problemy a co najważniejsze, udało się osiągnąć pierwsze sukcesy w kierunku unifikacji oddziaływań fundamentalnych (teoria oddziaływania elektrosłabego i Wielka Unifikacja). Zasady te mają dużą ogólność. Wybitny amerykański fizyk teoretyczny Yu Wigner zauważył, że zasady te odnoszą się do praw natury w taki sam sposób, w jaki prawa natury odnoszą się do zjawisk, tj. symetria „rządzi” prawami, a prawa „kontrolują” zjawiska. Gdyby nie na przykład niezmienność praw natury w odniesieniu do przemieszczeń w przestrzeni i czasie, wówczas jest mało prawdopodobne, aby nauka w ogóle była w stanie te prawa ustalić.