Fizikia ya chembe za msingi inahusiana kwa karibu na fizikia ya kiini cha atomiki. Eneo hili sayansi ya kisasa inategemea dhana za quantum na katika maendeleo yake hupenya zaidi ndani ya kina cha suala, kufunua ulimwengu wa ajabu wa kanuni zake za msingi. Katika fizikia ya chembe za msingi, jukumu la nadharia ni muhimu sana. Kutokana na kutowezekana kwa uchunguzi wa moja kwa moja wa vitu vile vya nyenzo, picha zao zinahusishwa na milinganyo ya hisabati, kwa kuwakataza na kuruhusu sheria zilizowekwa kwao.
Kwa ufafanuzi, chembe za msingi ni miundo ya msingi, isiyoweza kuharibika ambayo, kwa kudhaniwa, mambo yote yanajumuisha. Kwa kweli, neno hili linatumika kwa maana pana - kutaja kundi kubwa la chembe ndogo za maada ambazo hazijaunganishwa kimuundo kuwa viini na atomi. Vitu vingi vya masomo katika fizikia ya chembe haifikii ufafanuzi madhubuti wa msingi, kwani ni mifumo iliyojumuishwa. Kwa hivyo, chembe zinazokidhi hitaji hili kawaida huitwa kimsingi.
Chembe ya kwanza ya msingi iliyogunduliwa katika mchakato wa kusoma microcosm nyuma mwishoni mwa karne ya 19 ilikuwa elektroni. Protoni iligunduliwa baadaye (1919), kisha ikaja neutron, iliyogunduliwa mwaka wa 1932. Uwepo wa positron ulitabiriwa kinadharia na P. Dirac mwaka wa 1931, na mwaka wa 1932 "pacha" hii ya elektroni yenye chaji chanya iligunduliwa. mionzi ya cosmic Karl Anderson. Dhana ya kuwepo kwa neutrinos katika asili iliwekwa mbele na W. Pauli mwaka wa 1930, na iligunduliwa kwa majaribio tu mwaka wa 1953. Katika muundo wa mionzi ya cosmic mwaka wa 1936, mu-mesons (muons) zilipatikana - chembe za ishara zote mbili. chaji ya umeme yenye wingi wa takriban molekuli 200 za elektroni. Katika mambo mengine yote, mali ya muons ni karibu sana na mali ya elektroni na positron. Pia katika mionzi ya cosmic, pi mesons chanya na hasi iligunduliwa mwaka wa 1947, kuwepo kwa ambayo ilitabiriwa na mwanafizikia wa Kijapani Hideki Yukawa mwaka wa 1935. Baadaye ikawa kwamba pi meson ya neutral pia ipo.
Katika miaka ya 50 ya mapema. kundi kubwa la chembe zenye sana mali isiyo ya kawaida, jambo lililowafanya waitwe “wa ajabu.” Chembe za kwanza za kikundi hiki ziligunduliwa katika mionzi ya cosmic, hizi ni K-mesons za ishara zote mbili na K-hyperon (lambda hyperon). Kumbuka kwamba mesons walipata jina lao kutoka kwa Kigiriki. "wastani, kati" kutokana na ukweli kwamba wingi wa chembe za kwanza zilizogunduliwa za aina hii (pi-mesons, mu-mesons) zina wingi wa kati kati ya wingi wa nucleon na elektroni. Hyperons huchukua jina lao kutoka kwa Kigiriki. "juu, juu", kwa kuwa wingi wao unazidi wingi wa nucleon. Ugunduzi uliofuata wa chembe za ajabu ulifanywa kwa kutumia viongeza kasi vya chembe zilizochajiwa, ambazo zikawa zana kuu ya kusoma chembe za msingi.
Hivi ndivyo antiproton, antineutron na idadi ya hyperons ziligunduliwa. Katika miaka ya 60 Idadi kubwa ya chembe zilizo na maisha mafupi sana ziligunduliwa, ambazo ziliitwa resonances. Kama ilivyotokea, chembe nyingi za msingi zinazojulikana ni za resonances. Katikati ya miaka ya 70. familia mpya ya chembe za msingi iligunduliwa, ambayo ilipokea jina la kimapenzi "iliyovutia", na katika miaka ya 80 ya mapema - familia ya chembe "nzuri" na kinachojulikana kama bosons za vector za kati. Ugunduzi wa chembe hizi ulikuwa uthibitisho mzuri wa nadharia kulingana na mfano wa quark wa chembe za msingi, ambazo zilitabiri kuwepo kwa chembe mpya muda mrefu kabla ya kugunduliwa.
Kwa hiyo, wakati baada ya ugunduzi wa chembe ya kwanza ya msingi - elektroni - nyingi (karibu 400) microparticles za suala ziligunduliwa katika asili, na mchakato wa ugunduzi wa chembe mpya unaendelea. Ilibadilika kuwa ulimwengu wa chembe za msingi ni ngumu sana, na mali zao ni tofauti na mara nyingi hazitarajiwa.
Chembe zote za msingi ni muundo wa nyenzo za misa na saizi ndogo sana. Wengi wao wana wingi juu ya utaratibu wa wingi wa protoni (~ 10 -24 g) na vipimo vya utaratibu wa 10 -13 m. Hii huamua maalum ya quantum ya tabia zao. Sifa muhimu ya quantum ya chembe zote za msingi (pamoja na fotoni ambayo ni yao) ni kwamba michakato yote nayo hufanyika kwa njia ya mlolongo wa vitendo vya kutoa na kunyonya (uwezo wa kuzaliwa na kuharibiwa wakati wa kuingiliana na chembe zingine). . Michakato inayohusisha chembe za msingi inahusiana na aina zote nne za mwingiliano wa kimsingi, nguvu, sumakuumeme, dhaifu na mvuto. Kuingiliana kwa nguvu kunawajibika kwa kuunganishwa kwa nukleoni kwenye kiini cha atomiki. Mwingiliano wa sumakuumeme huhakikisha uunganisho wa elektroni na viini katika atomi, pamoja na uunganisho wa atomi katika molekuli. Mwingiliano dhaifu husababisha, haswa, kuoza kwa chembe za kudumu (yaani, za muda mrefu) na maisha ndani ya 10 -12 -10 -14 s. Mwingiliano wa mvuto katika umbali tabia ya chembe za msingi za ~ 10 -13 cm, kwa sababu ya udogo wa wingi wao, ina nguvu ya chini sana, lakini inaweza kuwa muhimu kwa umbali mfupi zaidi. Ukali wa mwingiliano, nguvu, umeme, dhaifu na mvuto - kwa nishati ya wastani ya michakato ni kwa mtiririko huo 1, 10 -2, 10 -10, 10 -38. Kwa ujumla, nishati ya chembe inapoongezeka, uwiano huu hubadilika.
Chembe za msingi Zimeainishwa kulingana na vigezo mbalimbali, na ni lazima isemwe kwamba kwa ujumla uainishaji wao unaokubalika ni mgumu sana.
Kulingana na ushiriki wao katika aina mbalimbali za mwingiliano, chembe zote zinazojulikana zimegawanywa katika makundi mawili makuu: hadrons na leptons.
Hadroni hushiriki katika aina zote za mwingiliano, ikiwa ni pamoja na wale wenye nguvu. Walipata jina lao kutoka kwa Kigiriki. "kubwa, nguvu."
Leptoni hazishiriki katika mwingiliano mkali. Jina lao linatokana na Kigiriki. "Nuru, nyembamba", kwa kuwa raia walijulikana hadi katikati ya miaka ya 70. chembe za darasa hili zilikuwa ndogo sana kuliko wingi wa chembe nyingine zote (isipokuwa fotoni).
Hadroni ni pamoja na baryons zote (kikundi cha chembe zilizo na misa sio chini ya wingi wa protoni, inayoitwa hivyo kutoka kwa Kigiriki "nzito") na mesons. Barioni nyepesi zaidi ni protoni.
Leptoni ni, haswa, elektroni na positron, muons za ishara zote mbili, neutrinos za aina tatu (chembe nyepesi, zisizo na umeme zinazoshiriki tu katika mwingiliano dhaifu na wa mvuto). Inachukuliwa kuwa neutrinos ni kawaida katika asili kama photoni, na taratibu nyingi tofauti husababisha kuundwa kwao. Kipengele tofauti cha neutrino ni uwezo wake mkubwa wa kupenya, hasa kwa nishati ndogo. Kukamilisha uainishaji na aina za mwingiliano, ni lazima ieleweke kwamba photon inashiriki tu katika mwingiliano wa sumakuumeme na mvuto. Kwa kuongeza, kwa mujibu wa mifano ya kinadharia inayolenga kuunganisha aina zote nne za mwingiliano, kuna chembe ya dhahania ambayo hubeba uwanja wa mvuto, unaoitwa graviton. Upekee wa graviton ni kwamba (kulingana na nadharia) inashiriki tu katika mwingiliano wa mvuto. Kumbuka kwamba nadharia inaunganishwa na michakato ya quantum mwingiliano wa mvuto mbili zaidi chembe dhahania- gravitino na graviphoton. Ugunduzi wa majaribio wa gravitons, yaani, kimsingi, mionzi ya mvuto, ni vigumu sana kutokana na mwingiliano wake dhaifu sana na suala.
Kulingana na maisha yao, chembe za msingi zimegawanywa kuwa thabiti, quasi-imara na isiyo na utulivu (resonances).
Chembe thabiti ni elektroni (maisha yake t > miaka 10 21), protoni (t > miaka 10 31), neutrino na photoni. Chembe zinazooza kwa sababu ya mwingiliano wa sumakuumeme na dhaifu huchukuliwa kuwa thabiti; maisha yao ni t> 10 -20 s. Resonances ni chembe zinazooza kwa sababu ya mwingiliano mkali; maisha yao ni kati ya 10 -22 ^10 -24 s.
Aina nyingine ya mgawanyiko wa chembe za msingi ni ya kawaida. Mifumo ya chembe zenye sifuri na msokoto kamili hutii takwimu za Bose-Einstein, ndiyo maana chembe hizo kwa kawaida huitwa bosons. Mkusanyiko wa chembe zilizo na nusu-jumla ya spin inaelezewa na takwimu za Fermi-Dirac, kwa hivyo jina la chembe kama hizo - fermions.
Kila chembe ya msingi ina sifa ya seti fulani ya diski kiasi cha kimwili- nambari za quantum. Sifa zinazojulikana kwa chembe zote ni wingi wa m, maisha yote t, spin J na chaji ya umeme Q. Mzunguko wa chembe msingi huchukua thamani sawa na zidishi kamili au nusu-jumla za zisizobadilika za Planck. Chaji za umeme za chembe ni zidishi kamili za chaji ya elektroni, ambayo inachukuliwa kuwa chaji ya msingi ya umeme.
Kwa kuongezea, chembe za msingi zina sifa ya kuongeza kinachojulikana kama nambari za quantum za ndani. Leptoni hupewa malipo maalum ya leptoni L = ±1, hadrons zilizo na nusu-integer spin hubeba malipo ya baryoni B = ±1 (hadroni zilizo na B = 0 huunda kikundi kidogo cha mesons).
Sifa muhimu ya quantum ya hadroni ni usawa wa ndani P, ambao huchukua thamani ±1 na huonyesha sifa ya ulinganifu wa utendaji wa mawimbi ya chembe kuhusiana na ubadilishaji wa anga (picha ya kioo). Licha ya kutokuwepo uhifadhi wa usawa wakati mwingiliano dhaifu, chembe zilizo na usahihi mzuri huchukua maadili ya usawa wa ndani sawa na ama +1 au -1.
Hadroni zimegawanywa zaidi katika chembe za kawaida (protoni, neutroni, pi-masoni), chembe za ajabu (^-mesons, hyperons, baadhi ya resonances), chembe "zilizovutia" na "nzuri". Zinalingana na nambari maalum za quantum: ajabu S, charm C na uzuri b. Nambari hizi za quantum huletwa kwa mujibu wa mfano wa quark kutafsiri michakato maalum ya tabia ya chembe hizi.
Miongoni mwa hadrons kuna makundi (familia) ya chembe zilizo na wingi sawa, nambari za ndani za quantum, lakini tofauti katika malipo ya umeme. Vikundi kama hivyo huitwa vizidishi vya isotopiki na vina sifa ya nambari ya kawaida ya quantum-isotopiki spin, ambayo, kama spin ya kawaida, inachukua maadili kamili na nusu-jumla.
Ni mfano gani wa quark uliotajwa mara kwa mara wa hadrons?
Ugunduzi wa muundo wa kambi ya hadrons kuwa nyingi ulitumika kama msingi wa dhana ya uwepo wa muundo maalum wa miundo ambayo hadrons hujengwa - quarks. Kwa kudhani kuwepo kwa chembe hizo, tunaweza kudhani kwamba hadrons zote ni mchanganyiko wa quarks. Dhana hii ya ujasiri na yenye tija iliwekwa mbele mnamo 1964 na mwanafizikia wa Amerika Murray Gell-Man. Kiini chake kilikuwa ni dhana ya kuwepo kwa chembe tatu za msingi na nusu-integer spin, ambazo ni nyenzo za ujenzi wa hadrons, u-, d- na s-quarks. Baadaye, kulingana na data mpya ya majaribio, mfano wa quark wa muundo wa hadrons uliongezewa na quarks mbili zaidi, "charmed" (c) na "nzuri" (b). Uwepo wa aina nyingine za quarks hufikiriwa iwezekanavyo. Kipengele tofauti cha quarks ni kwamba zina maadili ya sehemu ya malipo ya umeme na baryon, ambayo haipatikani katika chembe yoyote inayojulikana. Kila mtu anakubaliana na mfano wa quark matokeo ya majaribio juu ya utafiti wa chembe za msingi.
Kulingana na mfano wa quark, baryons zinajumuisha quarks tatu, mesons - ya quark na antiquark. Kwa kuwa baadhi ya baryons ni mchanganyiko wa quarks tatu katika hali sawa, ambayo ni marufuku kwa kanuni ya Pauli (tazama hapo juu), kila aina ("ladha") ya quark ilipewa nambari ya ziada ya ndani "rangi". Kila aina ya quark ("ladha" - u, d, s, c, b) inaweza kuwa katika majimbo matatu ya "rangi". Kuhusiana na matumizi ya dhana za rangi, nadharia ya mwingiliano mkali wa quarks inaitwa chromodynamics ya quantum (kutoka "rangi" ya Kigiriki).
Tunaweza kudhani kuwa quarks ni chembe mpya za msingi, na zinadai kuwa chembe za kimsingi za aina ya hadronic ya mada. Hata hivyo, tatizo la kuchunguza quarks za bure na gluons bado halijatatuliwa. Licha ya utafutaji wa utaratibu katika mionzi ya cosmic kwenye accelerators za juu-nishati, bado haijawezekana kuwagundua katika hali ya bure. Kuna sababu nzuri za kuamini kwamba hapa fizikia inakabiliwa jambo maalum asili - kinachojulikana kufungwa kwa quarks.
Jambo ni kwamba kuna hoja kubwa za kinadharia na majaribio kwa kupendelea dhana kwamba nguvu za mwingiliano kati ya quarks hazidhoofi na umbali. Hii ina maana kwamba nishati zaidi inahitajika kutenganisha quarks, kwa hiyo, kuonekana kwa quarks katika hali ya bure haiwezekani. Hali hii inawapa quarks hadhi ya vitengo maalum vya kimuundo vya maada. Labda ni kuanzia kwa quarks kwamba uchunguzi wa majaribio wa hatua za kugawanyika kwa jambo kimsingi hauwezekani. Utambuzi wa quarks kama vitu vilivyopo vya ulimwengu wa nyenzo sio tu kwamba inawakilisha kesi ya kushangaza ya ubora wa wazo kuhusiana na uwepo wa chombo cha nyenzo. Swali linatokea kwa kurekebisha jedwali la vitu vya msingi vya ulimwengu, kwani malipo ya quark ni mara tatu chini ya malipo ya protoni, na kwa hivyo elektroni.
Tangu ugunduzi wa positron, sayansi imekutana na chembe za antimatter. Leo ni dhahiri kwamba kwa chembe zote za msingi zilizo na maadili yasiyo ya sifuri ya angalau moja ya nambari za quantum, kama vile malipo ya umeme Q, malipo ya lepton L, malipo ya baryon B, ajabu S, charm C na uzuri b, kuna. antiparticles zilizo na maadili ya molekuli sawa , maisha, spin, lakini kwa ishara tofauti za nambari za quantum zilizo hapo juu. Chembe zinajulikana ambazo zinafanana na antiparticles zao; zinaitwa neutral kweli. Mifano ya chembe zisizoegemea upande wowote ni fotoni na mojawapo ya pi-masoni (nyingine mbili ni chembe na antiparticle kuhusiana na kila mmoja).
Kipengele cha tabia ya mwingiliano wa chembe na antiparticles ni maangamizi yao juu ya mgongano, yaani uharibifu wa pande zote na uundaji wa chembe nyingine na utimilifu wa sheria za uhifadhi wa nishati, kasi, malipo, n.k. Mfano wa kawaida wa maangamizi ya a. jozi ni mchakato wa mabadiliko ya elektroni na antiparticle yake - positron - katika mionzi ya umeme (katika photons au gamma quanta). Uharibifu wa jozi hutokea si wakati tu mwingiliano wa sumakuumeme, lakini pia na mwingiliano mkali. Kwa nishati ya juu, chembe za mwanga zinaweza kuangamiza na kuunda chembe nzito - mradi tu jumla ya nishati chembe za kuangamiza huzidi kizingiti cha utengenezaji wa chembe nzito ( sawa na jumla nguvu zao za kupumzika).
Kwa mwingiliano wenye nguvu na sumakuumeme, kuna ulinganifu kamili kati ya chembe na antiparticles zao, i.e. michakato yote inayotokea kati ya ile ya kwanza pia inawezekana kwa mwisho. Kwa hiyo, antiprotoni na antineutrons zinaweza kuunda viini vya atomi za antimatter, yaani, kwa kanuni, antimatter inaweza kujengwa kutoka kwa antiparticles. Swali la wazi linatokea: ikiwa kila chembe ina antiparticle, basi kwa nini hakuna mkusanyiko wa antimatter katika eneo lililosomwa la Ulimwengu? Hakika, uwepo wao katika Ulimwengu, hata mahali fulani "karibu" na Ulimwengu, unaweza kuhukumiwa na mionzi yenye nguvu ya maangamizi inayokuja Duniani kutoka kwa eneo la mawasiliano kati ya jambo na antimatter. Walakini, unajimu wa kisasa hauna data ambayo inaweza kuturuhusu hata kudhani uwepo wa maeneo yaliyojaa antimatter katika Ulimwengu.
Je, chaguo la kupendelea maada na kwa madhara ya antimatter lilitokeaje katika Ulimwengu, ingawa sheria za ulinganifu kimsingi zinatimizwa? Sababu ya jambo hili, uwezekano mkubwa, ilikuwa ni ukiukwaji wa ulinganifu, yaani, kushuka kwa kiwango cha mambo ya msingi.
Jambo moja liko wazi: lau mabadiliko hayo yasingetokea, hatima ya Ulimwengu ingekuwa ya kusikitisha - mambo yake yote yangekuwepo katika umbo la wingu lisiloisha la fotoni linalotokana na kuangamizwa kwa chembe za maada na antimatter.
Kupenya zaidi ndani ya kina cha microworld kunahusishwa na mpito kutoka kwa kiwango cha atomi hadi kiwango cha chembe za msingi. Kama chembe ya kwanza ya msingi mwishoni mwa karne ya 19. elektroni iligunduliwa, na kisha katika miongo ya kwanza ya karne ya 20. - photoni, protoni, positroni na neutroni.
Baada ya Vita vya Kidunia vya pili, shukrani kwa matumizi ya teknolojia ya kisasa ya majaribio, na juu ya kasi zote zenye nguvu, ambayo hali ya nguvu kubwa na kasi kubwa huundwa, uwepo wa idadi kubwa ya chembe za msingi zilianzishwa - zaidi ya 300. Kati yao. kuna zote mbili zilizogunduliwa kimajaribio na kukokotolewa kinadharia, ikiwa ni pamoja na sauti, quarks na chembe pepe.
Muda chembe ya msingi awali ilimaanisha chembe rahisi zaidi, zisizoweza kuharibika ambazo zina msingi wa uundaji wa nyenzo yoyote. Baadaye, wanafizikia walitambua mkataba mzima wa neno "msingi" kuhusiana na vitu vidogo. Sasa hakuna shaka kwamba chembe zina muundo mmoja au mwingine, lakini, hata hivyo, jina lililoanzishwa kihistoria linaendelea kuwepo.
Sifa kuu za chembe za msingi ni wingi, malipo, wastani wa maisha, spin na nambari za quantum.
Misa ya kupumzika chembe za msingi zimedhamiriwa kuhusiana na misa iliyobaki ya elektroni. Kuna chembe za msingi ambazo hazina misa ya kupumzika - fotoni. Chembe zilizobaki kulingana na kigezo hiki zimegawanywa katika leptoni- chembe za mwanga (elektroni na neutrino); mesons- chembe za ukubwa wa kati na wingi kutoka kwa molekuli ya elektroni moja hadi elfu; baryons- chembe nzito ambazo uzito wake unazidi maelfu ya molekuli ya elektroni na ambayo inajumuisha protoni, neutroni, hyperoni na resonances nyingi.
Chaji ya umeme ni sifa nyingine muhimu ya chembe za msingi. Chembe zote zinazojulikana zina chaji chanya, hasi au sufuri. Kila chembe, isipokuwa photon na mesons mbili, inalingana na antiparticles na mashtaka kinyume. Mnamo 1963-1964 dhana iliwekwa mbele kuhusu kuwepo quarks- chembe zilizo na malipo ya umeme ya sehemu. Dhana hii bado haijathibitishwa kimajaribio.
Kwa maisha chembe zimegawanywa katika imara Na isiyo imara . Kuna chembe tano thabiti: fotoni, aina mbili za neutrinos, elektroni na protoni. Ni chembe zenye utulivu ambazo zina jukumu muhimu zaidi katika muundo wa macrobodies. Chembe zingine zote hazina msimamo, zipo kwa takriban 10 -10 -10 -24 s, baada ya hapo zinaoza. Chembe za msingi zenye maisha ya wastani ya 10–23–10–22 huitwa. resonances. Kwa sababu ya muda wao mfupi wa maisha, huoza kabla hata ya kuondoka kwenye kiini cha atomi au kiini cha atomiki. Hali za resonant zilihesabiwa kinadharia; hazikuweza kutambuliwa katika majaribio halisi.
Kwa kuongezea malipo, misa na maisha, chembe za kimsingi pia zinaelezewa na dhana ambazo hazina mlinganisho katika fizikia ya kitamaduni: wazo. nyuma . Spin ni kasi ya asili ya angular ya chembe ambayo haihusiani na harakati zake. Spin ina sifa ya spin quantum nambari s, ambayo inaweza kuchukua nambari kamili (±1) au nusu-jumla (±1/2). Chembe zilizo na msokoto kamili - vifua, na nusu-jumla - chachu. Elektroni zimeainishwa kama fermions. Kulingana na kanuni ya Pauli, atomi haiwezi kuwa na zaidi ya elektroni moja yenye seti sawa ya nambari za quantum n,m,l,s. Elektroni, ambazo zinalingana na kazi za wimbi na nambari sawa n, ziko karibu sana katika nishati na huunda ganda la elektroni kwenye atomi. Tofauti katika nambari l huamua "subshell", nambari zilizobaki za quantum huamua kujazwa kwake, kama ilivyotajwa hapo juu.
Katika sifa za chembe za msingi kuna wazo lingine muhimu mwingiliano. Kama ilivyoonyeshwa hapo awali, aina nne za mwingiliano kati ya chembe za msingi zinajulikana: ya mvuto,dhaifu,sumakuumeme Na nguvu(nyuklia).
Chembe zote zilizo na misa ya kupumzika ( m 0), kushiriki katika mwingiliano wa mvuto, na waliochajiwa pia hushiriki katika mwingiliano wa sumakuumeme. Leptoni pia hushiriki katika mwingiliano dhaifu. Hadroni hushiriki katika maingiliano yote manne ya kimsingi.
Kulingana na nadharia ya uwanja wa quantum, mwingiliano wote unafanywa kwa sababu ya kubadilishana chembe virtual , yaani, chembe ambazo kuwepo kwake kunaweza tu kuhukumiwa kwa njia isiyo ya moja kwa moja, na baadhi ya maonyesho yao kupitia baadhi ya athari za pili ( chembe halisi inaweza kurekodiwa moja kwa moja kwa kutumia vyombo).
Inabadilika kuwa aina zote nne zinazojulikana za mwingiliano - mvuto, umeme, nguvu na dhaifu - zina asili ya kupima na zinaelezewa na ulinganifu wa kupima. Hiyo ni, mwingiliano wote, kama ilivyokuwa, hufanywa "kutoka tupu sawa." Hii inatupa tumaini kwamba itawezekana kupata "ufunguo pekee wa kufuli zote zinazojulikana" na kuelezea mageuzi ya Ulimwengu kutoka kwa hali inayowakilishwa na uwanja mmoja wa ulinganifu wa hali ya juu, kutoka kwa hali ambayo tofauti kati ya aina za mwingiliano, kati ya kila aina ya chembe za maada na sehemu ya shamba bado hazijaonekana.
Kuna idadi kubwa ya njia za kuainisha chembe za msingi. Kwa mfano, chembe zimegawanywa katika fermions (Fermi particles) - chembe za suala na bosons (Bose particles) - quanta ya shamba.
Kwa mujibu wa mbinu nyingine, chembe zimegawanywa katika madarasa 4: photons, leptoni, mesons, baryons.
Picha (electromagnetic field quanta) hushiriki katika mwingiliano wa sumakuumeme, lakini hazina mwingiliano wenye nguvu, dhaifu au wa mvuto.
Leptoni walipata jina lao kutoka kwa neno la Kigiriki leptos- rahisi. Hizi ni pamoja na chembe ambazo hazina mwingiliano mkali: muons (μ - , μ +), elektroni (е - , у +), neutrinos elektroni (v e - ,v e +) na muon neutrinos (v - m, v + m). Leptoni zote zina mzunguko wa ½ na kwa hivyo ni fermions. Leptoni zote zina mwingiliano dhaifu. Wale ambao wana chaji ya umeme (yaani, muons na elektroni) pia wana nguvu ya sumakuumeme.
Mesons - kuingiliana kwa nguvu kwa chembe zisizo imara ambazo hazibeba kinachojulikana malipo ya baryoni. Miongoni mwao ni R-masoni, au pions (π + , π – , π 0), KWA-masoni, au kaon (K +, K –, K 0), na hii-masoni (η) . Uzito KWA-mesoni ni ~970me (494 MeV kwa chaji na 498 MeV kwa upande wowote KWA-masoni). Maisha yote KWA-mesoni ina ukubwa wa mpangilio wa 10 -8 s. Wao hutengana kwa fomu I-mesoni na leptoni au leptoni pekee. Uzito hii-mesoni ni 549 MeV (1074me), maisha ni kama 10-19 s. Hii-mesoni kuoza na kuunda π-mesons na γ-photoni. Tofauti na leptoni, mesons hawana tu mwingiliano dhaifu (na, ikiwa ni kushtakiwa, sumakuumeme), lakini pia mwingiliano mkali, ambao unajidhihirisha wakati wanaingiliana na kila mmoja, na pia wakati wa mwingiliano kati ya mesons na baryons. mesons wote wana zero spin, hivyo ni bosons.
Darasa baryons huchanganya nukleoni (p,n) na chembe zisizo imara na misa kubwa kuliko wingi wa nukleoni, inayoitwa hyperons. Baryons zote zina mwingiliano mkali na, kwa hiyo, huingiliana kikamilifu na viini vya atomiki. Mzunguko wa baryons zote ni ½, kwa hivyo baryons ni fermions. Isipokuwa protoni, baryons zote hazina msimamo. Wakati wa kuoza kwa baryons, pamoja na chembe nyingine, baryon ni lazima kuundwa. Mchoro huu ni mojawapo ya maonyesho sheria ya uhifadhi wa malipo ya baryon.
Mbali na chembe zilizoorodheshwa hapo juu, idadi kubwa ya chembechembe zinazoingiliana kwa muda mfupi zimegunduliwa, ambazo huitwa. resonances . Chembe hizi ni hali za sauti zinazoundwa na mbili au idadi kubwa chembe za msingi. Maisha ya resonance is only ~ 10 -23 -10 -22 s.
Chembe za msingi, pamoja na chembe ndogo ndogo, zinaweza kuzingatiwa kwa sababu ya athari ambazo huondoka wakati wanapitia maada. Hali ya athari inatuwezesha kuhukumu ishara ya malipo ya chembe, nishati yake, kasi, nk Chembe za kushtakiwa husababisha ionization ya molekuli kwenye njia yao. Chembe zisizo na upande haziachi athari, lakini zinaweza kujidhihirisha wakati wa kuoza kuwa chembe zilizochajiwa au wakati wa mgongano na kiini chochote. Kwa hivyo, chembe zisizoegemea upande wowote hatimaye pia hugunduliwa na ionization inayosababishwa na chembe zilizochajiwa ambazo hutoa.
Chembe na antiparticles. Mnamo 1928, mwanafizikia wa Kiingereza P. Dirac aliweza kupata usawa wa mitambo ya quantum ya elektroni, ambayo matokeo kadhaa ya kushangaza yanafuata. Kwanza kabisa, kutoka kwa equation hii tunapata kwa njia ya asili, bila mawazo yoyote ya ziada, spin na thamani ya nambari wakati wa sumaku wa elektroni. Kwa hivyo, ikawa kwamba spin ni quantum na wingi wa relativistic. Lakini hii haimalizi umuhimu wa mlinganyo wa Dirac. Pia ilifanya iwezekane kutabiri uwepo wa antiparticle ya elektroni - positron. Kutoka kwa equation ya Dirac, sio tu maadili chanya lakini pia hasi hupatikana kwa jumla ya nishati ya elektroni ya bure. Uchunguzi wa equation unaonyesha kuwa kwa kasi fulani ya chembe, kuna suluhisho kwa equation inayolingana na nishati: .
Kati ya kubwa zaidi nishati hasi (–m e Na 2) na nishati chanya kidogo (+ m e c 2) kuna muda wa maadili ya nishati ambayo hayawezi kutekelezwa. Upana wa muda huu ni 2 m e Na 2. Kwa hivyo, maeneo mawili ya eigenvalues ya nishati hupatikana: moja huanza na + m e Na 2 na inaenea hadi +∞, nyingine huanza kutoka - m e Na 2 na inaenea hadi -∞.
Chembe yenye nishati hasi lazima iwe na mali ya ajabu sana. Kugeuka katika majimbo yenye nishati kidogo na kidogo (yaani, kwa nishati hasi kuongezeka kwa ukubwa), inaweza kutoa nishati, tuseme, katika mfumo wa mionzi, na, tangu | E| bila kuzuiliwa, chembe yenye nishati hasi inaweza kutoa kiasi kikubwa sana cha nishati. Hitimisho sawa linaweza kufikiwa kwa njia ifuatayo: kutoka kwa uhusiano E=m e Na 2 inafuata kwamba chembe yenye nishati hasi pia itakuwa na molekuli hasi. Chini ya ushawishi wa nguvu ya kuvunja, chembe iliyo na misa hasi haipaswi kupungua, lakini kuharakisha, ikifanya kazi kubwa sana kwenye chanzo cha nguvu ya kuvunja. Kwa kuzingatia matatizo haya, inaweza kuonekana kuwa itakuwa muhimu kukubali kwamba serikali yenye nishati hasi inapaswa kutengwa na kuzingatiwa kama kusababisha matokeo ya kipuuzi. Hii, hata hivyo, inaweza kupingana na kanuni za jumla za mechanics ya quantum. Kwa hivyo, Dirac alichagua njia tofauti. Alipendekeza kwamba mabadiliko ya elektroni kwenda kwa majimbo yenye nishati hasi kawaida hayazingatiwi kwa sababu viwango vyote vinavyopatikana na nishati hasi tayari vinachukuliwa na elektroni. 
Kulingana na Dirac, utupu ni hali ambayo viwango vyote vya nishati hasi vinachukuliwa na elektroni, na viwango vilivyo na nishati nzuri ni bure. Kwa kuwa viwango vyote vilivyo chini ya bendi iliyokatazwa vinakaliwa bila ubaguzi, elektroni katika viwango hivi hazijidhihirisha kwa njia yoyote. Ikiwa moja ya elektroni ziko kwenye viwango hasi hupewa nishati E≥ 2m e Na 2, basi elektroni hii itaingia katika hali yenye nishati chanya na itatenda kwa njia ya kawaida, kama chembe iliyo na misa chanya na chaji hasi. Chembe hii ya kwanza iliyotabiriwa kinadharia iliitwa positron. Positroni inapokutana na elektroni, huangamiza (kutoweka) - elektroni husogea kutoka kiwango chanya hadi hasi iliyo wazi. Nishati inayolingana na tofauti kati ya viwango hivi hutolewa kwa njia ya mionzi. Katika Mtini. 4, mshale 1 unaonyesha mchakato wa kuundwa kwa jozi ya elektroni-positron, na mshale 2 - maangamizo yao. Neno "maangamizi" haipaswi kuchukuliwa halisi. Kimsingi, kinachotokea si kutoweka, bali ni mabadiliko ya baadhi ya chembe (elektroni na positron) hadi nyingine (γ-photons).
Kuna chembe zinazofanana na antiparticles (yaani, hazina antiparticles). Chembe hizo huitwa neutral kabisa. Hizi ni pamoja na fotoni, π 0 meson na η meson. Chembe zinazofanana na antiparticles hazina uwezo wa kuangamiza. Hii, hata hivyo, haimaanishi kwamba haziwezi kubadilishwa kuwa chembe nyingine hata kidogo.
Ikiwa baryons (yaani, nucleons na hyperoni) wamepewa malipo ya baryoni (au nambari ya baryoni) KATIKA= +1, antibaryons - malipo ya baryon KATIKA= -1, na chembe nyingine zote zina malipo ya barioni KATIKA= 0, basi michakato yote inayotokea kwa ushiriki wa baryons na antibaryons itakuwa na sifa ya uhifadhi wa baryons ya malipo, kama vile michakato inavyoonyeshwa na uhifadhi wa malipo ya umeme. Sheria ya uhifadhi wa malipo ya baryon huamua utulivu wa baryon laini zaidi, protoni. Mabadiliko ya idadi zote zinazoelezea mfumo wa kimwili, ambapo chembe zote hubadilishwa na antiparticles (kwa mfano, elektroni zilizo na protoni, na protoni zilizo na elektroni, nk), huitwa malipo ya kuunganisha.
Chembe za ajabu.KWA-mesons na hyperons ziligunduliwa kama sehemu ya mionzi ya cosmic mwanzoni mwa miaka ya 50 ya karne ya XX. Tangu 1953, zimetengenezwa kwa vichapuzi. Tabia ya chembe hizi iligeuka kuwa ya kawaida sana hivi kwamba iliitwa ya ajabu. Tabia isiyo ya kawaida ya chembe za ajabu ni kwamba walizaliwa wazi kutokana na mwingiliano mkali na wakati wa tabia ya utaratibu wa 10-23 s, na maisha yao yaligeuka kuwa ya utaratibu wa 10-8-10-10 s. Hali ya mwisho ilionyesha kuwa kuoza kwa chembe hutokea kutokana na mwingiliano dhaifu. Haikuwa wazi kabisa kwa nini chembe za ajabu ziliishi kwa muda mrefu. Kwa kuwa chembe sawa (π-mesons na protoni) zinahusika katika uundaji na kuoza kwa λ-hyperon, ilikuwa ya kushangaza kwamba kiwango (yaani, uwezekano) wa michakato yote miwili ilikuwa tofauti sana. Utafiti zaidi ulionyesha kwamba chembe za ajabu huzaliwa katika jozi. Hii ilisababisha wazo kwamba mwingiliano mkali hauwezi kuwa na jukumu katika kuoza kwa chembe kutokana na ukweli kwamba uwepo wa chembe mbili za ajabu ni muhimu kwa udhihirisho wao. Kwa sababu hiyo hiyo, uumbaji mmoja wa chembe za ajabu hugeuka kuwa haiwezekani.
Ili kuelezea marufuku ya uzalishaji mmoja wa chembe za ajabu, M. Gell-Mann na K. Nishijima walianzisha nambari mpya ya quantum, thamani ya jumla ambayo, kwa mujibu wa mawazo yao, inapaswa kuhifadhiwa chini ya mwingiliano mkali. Hii ni nambari ya quantum S ilipewa jina ugeni wa chembe. Katika mwingiliano dhaifu, ugeni hauwezi kuhifadhiwa. Kwa hiyo, inahusishwa tu na chembe zinazoingiliana sana - mesons na baryons.
Neutrino. Neutrino ndio chembe pekee ambayo haishiriki katika mwingiliano mkali au wa kielektroniki. Ukiondoa mwingiliano wa mvuto, ambapo chembe zote hushiriki, neutrinos zinaweza tu kushiriki katika mwingiliano dhaifu.
Kwa muda mrefu, haikujulikana jinsi neutrino inatofautiana na antineutrino. Ugunduzi wa sheria ya uhifadhi wa usawa wa pamoja ulifanya iwezekanavyo kujibu swali hili: wanatofautiana katika helicity. Chini ya helicity uhusiano fulani kati ya mwelekeo wa msukumo unaeleweka R na nyuma S chembe chembe. Helicity inachukuliwa kuwa chanya ikiwa spin na kasi iko katika mwelekeo sawa. Katika kesi hii, mwelekeo wa mwendo wa chembe ( R) na mwelekeo wa "mzunguko" unaofanana na spin huunda screw ya mkono wa kulia. Wakati spin na kasi vinaelekezwa kinyume, helicity itakuwa mbaya (harakati ya kutafsiri na "mzunguko" huunda screw ya mkono wa kushoto). Kulingana na nadharia ya neutrinos ya longitudinal iliyotengenezwa na Yang, Lee, Landau na Salam, neutrinos zote zilizopo kwa asili, bila kujali njia ya asili yao, daima huwa na polarized kwa muda mrefu (hiyo ni, spin yao inaelekezwa sambamba au kinyume na kasi. R) Neutrino ina hasi(kushoto) helicity (inayolingana na uwiano wa maelekezo S Na R, inavyoonyeshwa kwenye Mtini. 5 (b), antineutrino - chanya (mkono wa kulia) helicity (a). Kwa hivyo, helicity ndio hutofautisha neutrinos kutoka kwa antineutrinos.
Mchele. 5. Mpango wa helicity wa chembe za msingi
Utaratibu wa chembe za msingi. Mifumo inayozingatiwa katika ulimwengu wa chembe za msingi inaweza kutengenezwa kwa njia ya sheria za uhifadhi. Sheria nyingi kama hizi tayari zimekusanywa. Baadhi yao hugeuka kuwa sio halisi, lakini ni takriban tu. Kila sheria ya uhifadhi inaonyesha ulinganifu fulani wa mfumo. Sheria za uhifadhi wa kasi R, kasi ya angular L na nishati E onyesha sifa za ulinganifu wa nafasi na wakati: uhifadhi E ni matokeo ya homogeneity ya wakati, uhifadhi R kutokana na homogeneity ya nafasi, na uhifadhi L- isotropy yake. Sheria ya uhifadhi wa usawa inahusishwa na ulinganifu kati ya kulia na kushoto ( R-kutobadilika). Ulinganifu kuhusiana na uunganishaji wa malipo (ulinganifu wa chembe na antiparticles) husababisha uhifadhi wa usawa wa malipo ( NA-kutobadilika). Sheria za uhifadhi wa malipo ya umeme, baryon na lepton zinaonyesha ulinganifu maalum. NA-kazi. Hatimaye, sheria ya uhifadhi wa spin ya isotopiki inaonyesha isotropi ya nafasi ya isotopiki. Kukosa kufuata moja ya sheria za uhifadhi kunamaanisha ukiukaji wa aina inayolingana ya ulinganifu katika mwingiliano huu.
Katika ulimwengu wa chembe za msingi sheria ifuatayo inatumika: kila kitu ambacho hakijakatazwa na sheria za uhifadhi kinaruhusiwa. Sheria hizi za mwisho zina jukumu la sheria za kutengwa zinazosimamia ubadilishaji wa chembe. Kwanza kabisa, hebu tuangalie sheria za uhifadhi wa nishati, kasi na malipo ya umeme. Sheria hizi tatu zinaelezea utulivu wa elektroni. Kutoka kwa uhifadhi wa nishati na kasi inafuata kwamba jumla ya mapumziko ya bidhaa za kuoza lazima iwe chini ya molekuli iliyobaki ya chembe ya kuoza. Hii ina maana kwamba elektroni inaweza tu kuoza na kuwa neutrinos na fotoni. Lakini chembe hizi hazina upande wowote wa umeme. Kwa hiyo inageuka kuwa elektroni haina mtu wa kuhamisha malipo yake ya umeme, kwa hiyo ni imara.
Quarks. Kumekuwa na chembe nyingi zinazoitwa za msingi hivi kwamba mashaka makubwa yameibuka juu ya asili yao ya kimsingi. Kila moja ya chembe zinazoingiliana sana ina sifa ya nambari tatu za ziada za quantum: malipo Q, malipo makubwa U na malipo ya baryon KATIKA. Katika suala hili, hypothesis iliibuka kwamba chembe zote zimejengwa kutoka kwa chembe tatu za msingi - wabebaji wa mashtaka haya. Mnamo 1964, Gell-Mann na, bila yeye, mwanafizikia wa Uswizi Zweig waliweka dhana kulingana na ambayo chembe zote za msingi hujengwa kutoka kwa chembe tatu zinazoitwa quarks. Chembe hizi zimepewa nambari za quantum za sehemu, haswa, malipo ya umeme sawa na +⅔; -⅓; +⅓ mtawalia kwa kila quark tatu. Quarks hizi kawaida huteuliwa na herufi U,D,S. Mbali na quarks, antiquarks huzingatiwa ( u,d,s). Hadi sasa, quarks 12 zinajulikana - quarks 6 na antiquarks 6. Mesons huundwa kutoka kwa jozi ya quark-antiquark, na baryons huundwa kutoka kwa quarks tatu. Kwa mfano, protoni na neutroni huundwa na quarks tatu, ambayo hufanya protoni au neutroni kutokuwa na rangi. Ipasavyo, mashtaka matatu ya mwingiliano mkali yanajulikana - nyekundu ( R), njano ( Y) na kijani ( G).
Kila quark imepewa sawa wakati wa sumaku(μV), thamani ambayo haijabainishwa kutoka kwa nadharia. Mahesabu yaliyofanywa kwa msingi wa dhana hii hutoa thamani ya wakati wa sumaku μ p kwa protoni = μ kv, na kwa neutroni μ n = – ⅔μ sq.
Hivyo, kwa uwiano wa wakati wa magnetic thamani μ p inapatikana / μn = -⅔, kwa makubaliano bora na thamani ya majaribio.
Kimsingi, rangi ya quark (kama ishara ya malipo ya umeme) ilianza kueleza tofauti katika mali ambayo huamua mvuto wa pande zote na kukataa kwa quarks. Kwa mlinganisho na idadi ya uwanja wa mwingiliano anuwai (picha katika mwingiliano wa sumakuumeme, R-mesons katika mwingiliano mkali, nk) chembe zilizobeba mwingiliano kati ya quarks zilianzishwa. Chembe hizi ziliitwa gluons. Wanahamisha rangi kutoka kwa quark moja hadi nyingine, na kusababisha quarks kufanyika pamoja. Katika fizikia ya quark, nadharia ya kufungwa iliundwa (kutoka kwa Kiingereza. vifungo- kukamata) ya quarks, kulingana na ambayo haiwezekani kutoa quark kutoka kwa ujumla. Inaweza kuwepo tu kama kipengele cha jumla. Kuwepo kwa quarks kama chembe halisi katika fizikia kunathibitishwa kwa uhakika.
Wazo la quarks liligeuka kuwa na matunda sana. Ilifanya iwezekane sio tu kupanga chembe zinazojulikana tayari, lakini pia kutabiri safu nzima ya mpya. Hali ambayo imekua katika fizikia ya chembe za msingi ni kukumbusha hali iliyoundwa katika fizikia ya atomiki baada ya ugunduzi wa sheria ya upimaji mnamo 1869 na D. I. Mendelev. Ingawa kiini cha sheria hii kilifafanuliwa kama miaka 60 tu baada ya kuundwa kwa mechanics ya quantum, ilifanya iwezekanavyo kupanga vipengele vya kemikali vilivyojulikana wakati huo na, kwa kuongeza, ilisababisha utabiri wa kuwepo kwa vipengele vipya na mali zao. . Kwa njia hiyo hiyo, wanafizikia wamejifunza kupanga chembe za msingi, na taksonomia iliyoendelea, katika hali nadra, ilifanya iwezekane kutabiri uwepo wa chembe mpya na kutarajia mali zao.
Kwa hivyo, kwa sasa, quarks na leptons zinaweza kuzingatiwa kuwa za kimsingi; Kuna 12 kati yao, au pamoja na anti-chatits - 24. Kwa kuongeza, kuna chembe zinazotoa maingiliano manne ya msingi (mwingiliano quanta). Kuna 13 ya chembe hizi: graviton, photon, W± - na Z-chembe na gluons 8.
Nadharia zilizopo za chembe za msingi haziwezi kuonyesha mwanzo wa mfululizo: atomi, nuclei, hadrons, quarksKatika mfululizo huu, kila muundo wa nyenzo ngumu zaidi unajumuisha moja rahisi zaidi kama sehemu. Inavyoonekana, hii haiwezi kuendelea kwa muda usiojulikana. Ilifikiriwa kuwa mlolongo ulioelezewa wa miundo ya nyenzo ni msingi wa vitu vya asili tofauti kabisa. Inaonyeshwa kuwa vitu kama hivyo vinaweza kutokuwa sawa, lakini kupanuliwa, ingawa muundo mdogo sana (~10-33 cm), unaoitwa. superstrings. Wazo lililoelezewa haliwezekani katika nafasi yetu ya pande nne. Sehemu hii ya fizikia kwa ujumla ni ya kufikirika sana, na ni ngumu sana kupata mifano ya kuona ambayo husaidia kurahisisha mtazamo wa maoni yaliyomo katika nadharia za chembe za msingi. Walakini, nadharia hizi huruhusu wanafizikia kuelezea mabadiliko ya pande zote na kutegemeana kwa vitu vidogo vya "msingi zaidi", uhusiano wao na mali ya wakati wa nafasi ya nne. Ya kuahidi zaidi ni kinachojulikana Nadharia ya M (M - kutoka siri- kitendawili, siri). Anafanya upasuaji nafasi ya kumi na mbili . Hatimaye, wakati wa mpito kuelekea ulimwengu wa pande nne ambao tunaona moja kwa moja, vipimo vyote vya "ziada" "vimeporomoka." Nadharia ya M hadi sasa ndiyo nadharia pekee inayowezesha kupunguza maingiliano manne ya kimsingi hadi moja - ile inayoitwa. Nguvu kuu. Pia ni muhimu kwamba nadharia ya M inaruhusu kuwepo kwa ulimwengu tofauti na kuanzisha hali zinazohakikisha kuibuka kwa ulimwengu wetu. Nadharia ya M bado haijaendelezwa vya kutosha. Inaaminika kuwa fainali "nadharia ya kila kitu" kwa msingi wa nadharia ya M itajengwa katika karne ya 21.
Wizara ya Shirikisho la Urusi
Taasisi ya Sheria ya Saratov
Idara ya PI na PCTRP
Insha
Juu ya mada ya: ” Chembe za msingi ”
Imekamilishwa na: kikundi cha mafunzo cha cadet 421
polisi binafsi
Sizonenko A.A.
Imekaguliwa na: mwalimu wa idara
Kuznetsov S.I.
Samara 2002
Mpango
1) Utangulizi.
2)
3) Tabia za msingi za chembe za msingi. Madarasa ya mwingiliano .
4)
5)
a) Ulinganifu wa umoja.
b) Mfano wa Quark wa hadrons
6)
7) Hitimisho. Baadhi ya matatizo ya jumla ya nadharia ya chembe za msingi.
Utangulizi .
E . h. katika maana kamili ya neno hili - chembe za msingi, zisizoweza kuharibika, ambazo, kwa kudhaniwa, jambo lote linajumuisha. Katika dhana ya "E. h." katika fizikia ya kisasa wazo la vyombo vya kwanza ambavyo huamua kila kitu huonyeshwa mali inayojulikana ulimwengu wa nyenzo, wazo ambalo lilianzia hatua za mwanzo malezi ya sayansi ya asili na daima imekuwa na jukumu muhimu katika maendeleo yake.
Dhana ya "E.h." iliyoundwa kwa uhusiano wa karibu na uanzishwaji wa asili ya kipekee ya muundo wa jambo katika kiwango cha microscopic. Ugunduzi mwanzoni mwa karne ya 19-20. wabebaji wadogo zaidi wa mali ya jambo - molekuli na atomi - na uanzishwaji wa ukweli kwamba molekuli hujengwa kutoka kwa atomi, kwa mara ya kwanza ilifanya iwezekane kuelezea kila kitu. vitu vinavyojulikana kama mchanganyiko wa kikomo, ingawa kikubwa, idadi ya vifaa vya kimuundo - atomi. Utambulisho zaidi wa uwepo wa atomi za kawaida - elektroni na viini, uanzishwaji wa asili ngumu ya nuclei, ambayo iliibuka kujengwa kutoka kwa aina mbili tu za chembe (protoni na neutroni) , ilipunguza kwa kiasi kikubwa idadi ya vipengee bainifu vinavyounda sifa za maada, na kutoa sababu ya kudhani kwamba mlolongo wa sehemu kuu za maada huishia katika miundo isiyo na muundo - E. ch. Dhana kama hiyo, kwa ujumla, ni nyongeza. ukweli unaojulikana na haiwezi kuthibitishwa kwa njia yoyote kali. Haiwezekani kusema kwa uhakika kwamba chembe ambazo ni za msingi kwa maana ya ufafanuzi hapo juu zipo. Protoni na neutroni, kwa mfano, muda mrefu Vipengele vinavyozingatiwa kuwa E., kama ilivyotokea, vina muundo tata. Uwezekano hauwezi kutengwa kuwa mlolongo wa vipengele vya kimuundo vya suala kimsingi hauna mwisho. Inaweza pia kuibuka kuwa taarifa "ina ..." katika hatua fulani ya utafiti wa jambo itageuka kuwa haina yaliyomo. Katika kesi hii, ufafanuzi wa "msingi" uliotolewa hapo juu utalazimika kuachwa. Kuwepo kwa E. ch. ni aina ya postulate, na kupima uhalali wake ni mojawapo ya kazi muhimu zaidi fizikia.
Neno "E.h." mara nyingi hutumika katika fizikia ya kisasa si kwa maana yake halisi, lakini chini ya madhubuti - kutaja kundi kubwa la chembe ndogo zaidi za suala, chini ya hali ya kuwa sio atomi au nuclei ya atomiki (isipokuwa ni kiini rahisi zaidi cha atomi ya hidrojeni - protoni). Utafiti umeonyesha kuwa kundi hili la chembechembe ni pana isivyo kawaida. Mbali na protoni iliyotajwa (p), neutroni (n) na elektroni (e -), inajumuisha: photon (g), pi-mesoni (p), muons (m), neutrinos. aina tatu(ya kielektroniki v e, muoni v m na kuhusiana na kinachojulikana. lepton nzito v t), kinachojulikana chembe za ajabu (K-mesons na hyperons) , resonances mbalimbali zilizogunduliwa mwaka wa 1974-77 y-chembe, chembe "zilizovutia", chembe za upsilon (¡) na leptoni nzito (t + , t -) - kwa jumla zaidi ya chembe 350, nyingi zisizo imara. Idadi ya chembe zilizojumuishwa katika kundi hili inaendelea kukua na kuna uwezekano mkubwa wa kutokuwa na kikomo; Kwa kuongezea, chembe nyingi zilizoorodheshwa hazikidhi ufafanuzi madhubuti wa msingi, kwani, kulingana na dhana za kisasa, ni mifumo iliyojumuishwa (tazama hapa chini). Matumizi ya jina "E.h." kwa chembe hizi zote ina sababu za kihistoria na inahusishwa na kipindi hicho cha utafiti (mapema miaka ya 30 ya karne ya 20), wakati wawakilishi pekee wanaojulikana wa kundi hili walikuwa protoni, nutroni, elektroni na chembe ya uwanja wa umeme - photon. Basi ilikuwa ya asili kuzingatia chembe hizi nne kuwa za msingi, kwa kuwa zilitumika kama msingi wa ujenzi wa jambo linalotuzunguka na uwanja wa sumakuumeme unaoingiliana nao, na muundo changamano wa protoni na neutroni haukujulikana.
Ugunduzi wa chembe mpya za microscopic za jambo uliharibu hatua kwa hatua picha hii rahisi. Chembe mpya zilizogunduliwa, hata hivyo, zilikuwa karibu kwa njia nyingi na chembe nne za kwanza zinazojulikana. Sifa yao ya kuunganisha ni kwamba zote ni aina mahususi za kuwepo kwa maada, zisizohusishwa katika viini na atomi (wakati mwingine kwa sababu hii huitwa "chembe ndogo za nyuklia"). Ingawa idadi ya chembe hizo haikuwa kubwa sana, imani ilibaki kwamba zina jukumu la msingi katika muundo wa maada, na ziliainishwa kama chembe za E. Kuongezeka kwa idadi ya chembe ndogo za nyuklia, utambuzi wa muundo changamano. katika wengi wao walionyesha kuwa wao, kama sheria, hawana mali ya msingi, lakini jina la jadi "E. ch." kuhifadhiwa kwa ajili yao.
Kwa mujibu wa mazoezi yaliyoanzishwa, neno "E. h." itatumika hapa chini kama jina la jumla. chembe za nyuklia. Katika hali ambapo tunazungumzia juu ya chembe zinazodai kuwa vipengele vya msingi vya suala, neno "chembe ya E. ya kweli" itatumika, ikiwa ni lazima.
Maelezo mafupi ya kihistoria.
Ugunduzi wa chembe za elektroni ulikuwa matokeo ya asili ya mafanikio ya jumla katika utafiti wa muundo wa jambo uliopatikana na fizikia mwishoni mwa karne ya 19. Iliandaliwa na tafiti za kina za wigo wa macho wa atomi, kusoma matukio ya umeme katika vinywaji na gesi, ugunduzi wa photoelectricity, eksirei, na mionzi ya asili, ambayo ilionyesha kuwepo kwa muundo tata wa suala.
Kihistoria, kipengele cha kwanza cha elektroni kilichogunduliwa kilikuwa elektroni, mtoaji wa chaji hasi ya msingi ya umeme katika atomi. Mnamo 1897, J. J. Thomson alianzisha kwamba kinachojulikana. miale ya cathode huundwa na mkondo wa chembe ndogo zinazoitwa elektroni. Mnamo 1911, E. Rutherford alipitisha chembe za alfa kutoka chanzo cha asili cha mionzi kupitia foil nyembamba vitu mbalimbali, iligundua kuwa chaji chanya katika atomi imejilimbikizia katika muundo wa kompakt - nuclei, na mnamo 1919 aligundua kati ya chembe zilizotolewa. viini vya atomiki, protoni ni chembe zenye chaji chanya ya kitengo na uzito mara 1840 zaidi ya wingi wa elektroni. Chembe nyingine ambayo ni sehemu ya kiini, nyutroni, iligunduliwa mwaka wa 1932 na J. Chadwick alipokuwa akichunguza mwingiliano wa chembe za alpha na berili. Neutroni ina uzito karibu na ile ya protoni, lakini haina chaji ya umeme. Ugunduzi wa nyutroni ulikamilisha utambuzi wa chembe - vipengele vya kimuundo vya atomi na nuclei zao.
Hitimisho kuhusu kuwepo kwa chembe ya uwanja wa umeme - photon - inatokana na kazi ya M. Planck (1900). Kwa kudhani kwamba nishati mionzi ya sumakuumeme Mwili mweusi kabisa umehesabiwa, Planck alipata fomula sahihi ya wigo wa mionzi. Kuendeleza wazo la Planck, A. Einstein (1905) aliandika kwamba mionzi ya sumakuumeme (mwanga) ni mtiririko wa quanta ya mtu binafsi (photons), na kwa msingi huu alielezea sheria za athari ya photoelectric. Ushahidi wa moja kwa moja wa majaribio ya kuwepo kwa fotoni ulitolewa na R. Millikan (1912-1915) na A. Compton (1922; tazama athari ya Compton).
Ugunduzi wa neutrino, chembe ambayo haiingiliani sana na maada, unatokana na nadhani ya kinadharia ya W. Pauli (1930), ambayo, kwa sababu ya dhana ya kuzaliwa kwa chembe kama hiyo, ilifanya iwezekane kuondoa shida na sheria. ya uhifadhi wa nishati katika michakato ya kuoza kwa beta ya viini vya mionzi. Uwepo wa neutrinos ulithibitishwa kwa majaribio tu mwaka wa 1953 (F. Reines na K. Cowan, USA).
Kuanzia miaka ya 30 hadi 50 ya mapema. Utafiti wa chembe za elektroni ulihusiana kwa karibu na utafiti wa miale ya cosmic. Mnamo 1932, K. Anderson aligundua positron (e +) katika mionzi ya cosmic - chembe yenye wingi wa elektroni, lakini kwa malipo mazuri ya umeme. Positroni ilikuwa antiparticle ya kwanza iliyogunduliwa (tazama hapa chini). Uwepo wa e+ ulifuatiwa moja kwa moja kutoka kwa nadharia ya relativitiki ya elektroni, iliyotengenezwa na P. Dirac (1928-31) muda mfupi kabla ya ugunduzi wa positron. Mnamo mwaka wa 1936, wanafizikia wa Marekani K. Anderson na S. Neddermeyer waligundua, wakati wa kusoma miale ya osmic, muons (ishara zote mbili za malipo ya umeme) - chembe zilizo na wingi wa takriban 200 za elektroni, lakini vinginevyo kwa kushangaza sawa katika mali ya e -, e + .
Mnamo 1947, pia katika mionzi ya cosmic, kikundi cha S. Powell kiligundua p + na p - mesons na wingi wa molekuli 274 za elektroni, ambazo zina jukumu muhimu katika mwingiliano wa protoni na neutroni katika nuclei. Kuwepo kwa chembe hizo kulipendekezwa na H. Yukawa mwaka wa 1935.
Marehemu 40 - mapema 50's. ziliwekwa alama na ugunduzi wa kundi kubwa la chembe na mali isiyo ya kawaida, inayoitwa "ajabu". Chembe za kwanza za kundi hili, K + - na K - -mesons, L-, S + -, S - -, X - - hyperons, ziligunduliwa katika mionzi ya cosmic, uvumbuzi wa baadaye wa chembe za ajabu zilifanywa kwa viongeza kasi - mitambo ambayo kuunda mtiririko mkali wa protoni na elektroni za haraka. Protoni na elektroni zinazoharakishwa zinapogongana na mata, huzaa chembe mpya za elektroni, ambazo huwa somo la utafiti.
Tangu miaka ya 50 ya mapema. vichapuzi vilikuwa chombo kikuu cha kusoma chembe za elektroni. Katika miaka ya 70. Nguvu za chembe zilizoharakishwa katika vichapuzi zilifikia makumi na mamia ya mabilioni ya elektroni ( Gav). Tamaa ya kuongeza nguvu za chembe ni kutokana na ukweli kwamba nishati ya juu hufungua uwezekano wa kujifunza muundo wa suala kwa umbali mfupi, juu ya nishati ya chembe zinazogongana. Viongeza kasi vimeongeza kwa kiasi kikubwa kasi ya kupata data mpya na muda mfupi kupanua na kuimarisha ujuzi wetu wa mali ya microworld. Matumizi ya vichapuzi kusoma chembe za kushangaza ilifanya iwezekane kusoma mali zao kwa undani zaidi, haswa sifa za kuoza kwao, na hivi karibuni ilisababisha ugunduzi muhimu: kufafanua uwezekano wa kubadilisha sifa za microprocesses wakati wa operesheni ya kioo. kutafakari (tazama ubadilishaji wa anga) - kinachojulikana ukiukaji wa nafasi. usawa (1956). Kuagizwa kwa vichapuzi vya protoni kwa nguvu katika mabilioni ev iliruhusu ugunduzi wa antiparticles nzito: antiproton (1955), antineutron (1956), antisigma hyperons (1960). Mnamo 1964, hyperon nzito zaidi, W - (yenye wingi wa molekuli mbili za protoni) iligunduliwa. Katika miaka ya 1960 Idadi kubwa ya chembe zisizo imara sana (ikilinganishwa na chembe nyingine za elektroni zisizo imara), zinazoitwa "resonances," ziligunduliwa kwenye vichapuzi. Wingi wa sauti nyingi huzidi wingi wa protoni. Wa kwanza wao, D 1 (1232), amejulikana tangu 1953. Ilibadilika kuwa resonances hufanya sehemu kuu ya mzunguko wa elektroni.
Mnamo 1962, iligunduliwa kuwa kuna neutrinos mbili tofauti: elektroni na muon. Mnamo 1964 katika kuoza kwa K-mesons zisizo na upande. yasiyo ya kuhifadhi ya kinachojulikana usawa wa pamoja (ilianzishwa na Li Tsung-dao na Yang Zhen-ning na kwa kujitegemea na L. D. Landau mnamo 1956; tazama Inversion Mchanganyiko) , ikimaanisha hitaji la kurekebisha maoni ya kawaida juu ya tabia ya michakato ya mwili wakati wa utendakazi wa kutafakari kwa wakati (angalia Nadharia ya CPT) .
Mnamo 1974, molekuli kubwa (3-4 za protoni) na wakati huo huo chembe za y zilizo thabiti ziligunduliwa, na maisha ya muda mrefu kwa njia isiyo ya kawaida ya resonances. Waligeuka kuwa na uhusiano wa karibu na familia mpya ya chembe za elektroni - "zilizovutia", wawakilishi wa kwanza ambao (D 0, D +, L c) waligunduliwa mwaka wa 1976. Mnamo 1975, taarifa ya kwanza ilipatikana kuhusu kuwepo kwa analog nzito ya elektroni na muon (lepton t nzito). Mnamo 1977, chembe za beta zenye wingi wa molekuli kumi za protoni ziligunduliwa.
Kwa hivyo, kwa miaka mingi tangu ugunduzi wa elektroni, idadi kubwa ya chembe ndogo za maada zimegunduliwa. Ulimwengu wa E. h. uligeuka kuwa mgumu sana. Sifa za chembe za elektroni zilizogunduliwa hazikutarajiwa katika mambo mengi.Kuzielezea, pamoja na sifa zilizokopwa kutoka kwa fizikia ya kitambo, kama vile chaji ya umeme, misa, na kasi ya angular, ilihitajika kuanzisha sifa nyingi mpya, haswa. kuelezea chembe za ajabu za elektroni . - ugeni (K. Nishijima, M. Gell-Man, 1953), "alivutiwa" na E . h. - "charm" (Wanafizikia wa Marekani J. Bjorken, S. Glashow, 1964); Majina ya sifa zilizopewa tayari zinaonyesha asili isiyo ya kawaida ya mali ya vipengele vinavyoelezea.
Kusoma muundo wa ndani kutoka kwa hatua zake za kwanza, maendeleo ya jambo na mali ya nishati yalifuatana na marekebisho makubwa ya dhana na mawazo mengi yaliyoanzishwa. Sheria zinazoongoza tabia ya jambo katika ndogo ziligeuka kuwa tofauti sana na sheria za mechanics ya classical na electrodynamics kwamba zilihitaji mpya kabisa kwa maelezo yao. miundo ya kinadharia. Miundo mipya kama hiyo ya kimsingi katika nadharia ilikuwa nadharia maalum (maalum) na ya jumla ya uhusiano (A. Einstein, 1905 na 1916; tazama nadharia ya Uhusiano, Mvuto) na mechanics ya quantum (1924-27; N. Bohr, L. de Broglie, V. . Heisenberg, E. Schrödinger, M. Born) . Nadharia ya uhusiano na mechanics ya quantum iliashiria mapinduzi ya kweli katika sayansi ya asili na iliweka misingi ya kuelezea matukio ya ulimwengu mdogo. Walakini, mechanics ya quantum iligeuka kuwa haitoshi kuelezea michakato inayotokea katika chembe za elektroni. Hatua inayofuata ilihitajika - quantization ya mashamba ya classical (kinachojulikana quantization ya sekondari) na maendeleo ya nadharia ya uwanja wa quantum. Hatua muhimu zaidi juu ya njia ya maendeleo yake walikuwa: uundaji wa quantum electrodynamics (P. Dirac, 1929), nadharia ya quantum ya b-decay (E. Fermi, 1934), ambayo iliweka msingi wa nadharia ya kisasa ya mwingiliano dhaifu, quantum mesodynamics. (Yukawa, 1935). mtangulizi wa haraka wa mwisho alikuwa kinachojulikana. b-nadharia ya nguvu za nyuklia (I.E. Tamm, D.D. Ivanenko, 1934; tazama mwingiliano mkali). Kipindi hiki kilimalizika kwa kuundwa kwa kifaa thabiti cha kompyuta kwa ajili ya mienendo ya umeme ya quantum (S. Tomonaga, R. Feynman, J. Schwinger; 1944-49), kwa kuzingatia matumizi ya mbinu ya kurekebisha hali ya kawaida (angalia nadharia ya uga wa Quantum). Mbinu hii baadaye ilijumlishwa kwa vibadala vingine vya nadharia ya uga wa quantum.
Nadharia ya nyanja ya Quantum inaendelea kukua na kuboreshwa na ndio msingi wa kuelezea mwingiliano wa chembe za elektroni.Nadharia hii ina mafanikio kadhaa muhimu, na bado iko mbali sana na kukamilika na haiwezi kudai kuwa nadharia ya kina ya chembe za elektroni. Asili ya sifa nyingi za elektroni h. na asili ya mwingiliano wao wa asili bado haijulikani wazi. Inawezekana kwamba urekebishaji zaidi ya mmoja wa mawazo yote na uelewa wa kina zaidi wa uhusiano kati ya mali ya microparticles na mali ya kijiometri ya muda wa nafasi utahitajika kabla ya nadharia ya chembe za elektroni kujengwa.
Tabia za msingi za chembe za msingi. Madarasa ya mwingiliano.
Chembe zote za elektroni ni vitu vya wingi na saizi ndogo sana. Wengi wao wana wingi kwa utaratibu wa molekuli ya protoni, sawa na 1.6 × 10 -24 g (tu ya elektroni ni ndogo sana: 9 × 10 -28 g). Saizi zilizoamuliwa kwa majaribio za protoni, neutroni, na p-meson ni sawa kwa mpangilio wa ukubwa hadi cm 10 -13. Ukubwa wa elektroni na muon haukuweza kutambuliwa; inajulikana tu kuwa ni chini ya 10 -15 cm Misa na saizi hadubini za chembe za elektroni huunda msingi wa umaalumu wa tabia zao. Urefu wa urefu wa tabia ambao unapaswa kuhusishwa na chembe za elektroni katika nadharia ya quantum (, ambapo - Planck ni mara kwa mara, m - molekuli ya chembe, c - kasi ya mwanga) ni karibu kwa utaratibu wa ukubwa kwa vipimo vya kawaida ambavyo mwingiliano wao hutokea (kwa mfano, kwa p-meson 1.4 × 10 -13 cm). Hii inasababisha ukweli kwamba sheria za quantum ni maamuzi kwa chembe za elektroni.
Mali muhimu zaidi ya quantum ya chembe zote za elektroni ni uwezo wao wa kuundwa na kuharibiwa (kutolewa na kufyonzwa) wakati wa kuingiliana na chembe nyingine. Katika suala hili, zinafanana kabisa na fotoni. Chembe za E. ni quanta maalum ya jambo, kwa usahihi zaidi, quanta ya sehemu za kimwili zinazolingana (tazama hapa chini). Michakato yote inayohusisha chembe za elektroni huendelea kupitia mlolongo wa vitendo vya kunyonya na utoaji. Ni kwa msingi huu tu mtu anaweza kuelewa, kwa mfano, mchakato wa kuzaliwa kwa p + meson katika mgongano wa protoni mbili (p + p ® p + n+ p +) au mchakato wa kuangamiza elektroni na positron, wakati. badala ya chembe zilizopotea, kwa mfano, g-quanta mbili zinaonekana ( e + +e - ® g + g). Lakini michakato ya kuenea kwa elastic ya chembe, kwa mfano e - +p ® e - + p, pia inahusishwa na kunyonya kwa chembe za awali na kuzaliwa kwa chembe za mwisho. Kuoza kwa chembe za elektroni zisizo na msimamo ndani ya chembe nyepesi, ikifuatana na kutolewa kwa nishati, hufuata muundo sawa na ni mchakato ambao bidhaa za kuoza huzaliwa wakati wa kuoza yenyewe na hazipo hadi wakati huo. Katika suala hili, kuoza kwa chembe ya elektroni ni sawa na kuoza kwa atomi ya msisimko ndani ya atomi katika hali ya ardhi na fotoni. Mifano ya uharibifu wa electrochemical ni pamoja na:; p + ® m + + v m; К + ® p + + p 0 (ishara ya "tilde" juu ya alama ya chembe baadaye inaashiria antiparticles zinazolingana).
Michakato mbalimbali na E. h. hutofautiana kwa kiasi kikubwa katika ukubwa wa kutokea kwao. Kwa mujibu wa hili, mwingiliano wa chembe za sumakuumeme unaweza kugawanywa kimatibabu katika madarasa kadhaa: mwingiliano wenye nguvu, sumakuumeme na dhaifu. Chembe zote za elektroni pia zina mwingiliano wa mvuto.
Mwingiliano wenye nguvu hutambuliwa kuwa mwingiliano ambao hutokeza michakato inayotokea kwa kasi kubwa kati ya michakato mingine yote. Pia wanaongoza kwa uhusiano wenye nguvu E. h. Ni mwingiliano wenye nguvu ambao huamua muunganisho wa protoni na neutroni katika viini vya atomi na kutoa nguvu ya kipekee ya maumbo haya, ambayo huweka uthabiti wa maada chini ya hali ya dunia.
Mwingiliano wa sumakuumeme unajulikana kama mwingiliano ambao unatokana na muunganisho na uwanja wa sumakuumeme. Michakato inayosababishwa nao ni kali kidogo kuliko michakato ya mwingiliano mkali, na unganisho kati ya nguvu za elektroni zinazozalishwa nao ni dhaifu sana. Mwingiliano wa sumakuumeme hasa huwajibika kwa mawasiliano elektroni za atomiki na viini na uunganisho wa atomi katika molekuli.
Mwingiliano dhaifu, kama jina lenyewe linavyoonyesha, husababisha michakato inayotokea polepole sana na chembe za elektroni. Ukali wao wa chini unaweza kuonyeshwa na ukweli kwamba neutrino, ambazo zina mwingiliano dhaifu tu, hupenya bila kizuizi, kwa mfano, unene wa Dunia na Jua. . Mwingiliano dhaifu pia husababisha kuoza polepole kwa kinachojulikana. chembechembe za elektroni zisizoweza kubadilika Muda wa maisha wa chembe hizi ni kati ya sekunde 10 -8 -10 -10, wakati nyakati za kawaida za mwingiliano mkali wa chembe za elektroni ni sekunde 10 -23 -10 -24.
Mwingiliano wa mvuto, unaojulikana sana kwa udhihirisho wao wa jumla, katika kesi ya chembe za elektroni katika umbali wa ~ 10 -13 cm hutoa athari ndogo sana kwa sababu ya wingi mdogo wa chembe za elektroni.
Nguvu ya madarasa mbalimbali ya mwingiliano inaweza kuwa takriban sifa ya vigezo dimensionless kuhusishwa na miraba ya constants ya mwingiliano sambamba. Kwa mwingiliano wenye nguvu, wa kielektroniki, hafifu na wa mvuto wa protoni zilizo na nishati ya wastani ya mchakato wa ~1 GeV, vigezo hivi huhusiana kama 1:10 -2: l0 -10:10 -38. Uhitaji wa kuonyesha nishati ya wastani ya mchakato ni kutokana na ukweli kwamba kwa mwingiliano dhaifu parameter isiyo na kipimo inategemea nishati. Kwa kuongeza, ukali wa michakato mbalimbali wenyewe hutegemea tofauti juu ya nishati. Hii inaongoza kwa ukweli kwamba jukumu la jamaa mwingiliano mbalimbali, kwa ujumla, hubadilika na nishati inayoongezeka ya chembe zinazoingiliana, kwa hivyo mgawanyiko wa mwingiliano katika madarasa, kulingana na ulinganisho wa ukali wa michakato, unafanywa kwa uaminifu kwa nguvu sio kubwa sana. Madarasa tofauti ya mwingiliano, hata hivyo, pia yana vipengele vingine maalum vinavyohusishwa na sifa tofauti za ulinganifu wao (tazama Ulinganifu katika fizikia), ambayo huchangia kujitenga kwao kwa nishati ya juu. Ikiwa mgawanyiko huu wa mwingiliano katika madarasa utahifadhiwa katika kikomo cha nishati ya juu bado haijulikani.
Kulingana na ushiriki wao katika aina fulani za mwingiliano, chembe zote za elektroni zilizosomwa, isipokuwa fotoni, zimegawanywa katika vikundi viwili kuu: hadrons (kutoka kwa hadros ya Uigiriki - kubwa, yenye nguvu) na leptoni (kutoka leptos za Uigiriki - ndogo; nyembamba, nyepesi). . Hadroni zina sifa ya ukweli kwamba zina mwingiliano mkali, pamoja na mwingiliano wa sumakuumeme na dhaifu, wakati leptoni hushiriki tu katika mwingiliano wa sumakuumeme na dhaifu. (Kuwepo kwa mwingiliano wa mvuto wa kawaida kwa vikundi vyote viwili hudokezwa.) Misa ya hadroni iko karibu kwa mpangilio wa ukubwa wa molekuli ya protoni (m p); P-meson ina misa ya chini kati ya hadrons: t p "m 1/7×t p. Misa ya leptoni iliyojulikana kabla ya 1975-76 ilikuwa ndogo (0.1 m p), hata hivyo, data ya hivi karibuni inaonekana inaonyesha uwezekano wa kuwepo kwa leptoni nzito zenye wingi sawa na hadroni.Wawakilishi wa kwanza waliochunguzwa wa hadroni walikuwa protoni na neutroni, na leptoni - elektroni.Fotoni, ambayo ina mwingiliano wa sumakuumeme tu, haiwezi kuainishwa kama hadroni au leptoni na inapaswa kugawanywa katika Kulingana na mawazo yaliyotengenezwa katika miaka ya 70, fotoni (chembe iliyo na sifuri ya misa ya kupumzika) imejumuishwa katika kundi moja na chembe kubwa sana - zile zinazoitwa bosons za vekta za kati, ambazo zinawajibika kwa mwingiliano dhaifu na zina. bado haijaangaliwa kwa majaribio (tazama sehemu ya Chembe za Msingi na nadharia ya uga wa quantum).
Tabia za chembe za msingi.
Kila kipengele, pamoja na mwingiliano maalum wa asili ndani yake, huelezewa na seti ya maadili tofauti ya kiasi fulani cha kimwili, au sifa zake. Katika hali nyingine, maadili haya tofauti huonyeshwa kupitia nambari kamili au sehemu na sababu fulani ya kawaida - kitengo cha kipimo; Nambari hizi zinazungumzwa kama nambari za quantum za nambari za E. na ndizo pekee zimebainishwa, na kuacha vitengo vya kipimo.
Tabia za jumla Chembe zote za elektroni ni wingi (m), maisha (t), spin (J), na chaji ya umeme (Q). Bado hakuna uelewa wa kutosha wa sheria ambayo wingi wa chembe za elektroni husambazwa na ikiwa kuna kitengo cha kipimo kwao.
Kulingana na maisha, chembe za elektroni zinagawanywa kuwa thabiti, quasi-stable, na isiyo na utulivu (resonances). Imara, ndani ya usahihi wa vipimo vya kisasa, ni elektroni (t> 5×10 miaka 21), protoni (t> 2×10 miaka 30), photon na neutrino. Chembe zenye uthabiti kiasi hujumuisha chembe zinazooza kutokana na mwingiliano wa sumakuumeme na dhaifu. Maisha yao ni > sekunde 10 -20 (kwa neutroni ya bure hata sekunde ~ 1000). Chembe za msingi zinazooza kwa sababu ya mwingiliano mkali huitwa resonances. Yao nyakati za tabia maisha 10 -23 -10 -24 sec. Katika baadhi ya matukio, kuoza kwa sauti nzito (yenye wingi wa ³ 3 GeV) kutokana na mwingiliano mkali hukandamizwa na maisha huongezeka hadi maadili ya ~ 10 -20 sec.
Mzunguko wa E. h. ni kigawe kamili au nusu-jumla cha thamani. Katika vitengo hivi, spin ya p- na K-mesoni ni 0, kwa protoni, neutroni na elektroni J = 1/2, kwa photon J = 1. Kuna chembe zilizo na spin ya juu. Ukubwa wa mzunguko wa chembe ya elektroni huamua tabia ya mkusanyiko wa chembe zinazofanana (zinazofanana), au takwimu zao (W. Pauli, 1940). Chembe za mzunguko wa nusu-jumla ziko chini ya takwimu za Fermi-Dirac (kwa hivyo jina la fermions), ambayo inahitaji antisymmetry ya utendaji wa mawimbi ya mfumo kuhusiana na uruhusuji wa jozi ya chembe (au idadi isiyo ya kawaida ya jozi) na, kwa hivyo, "inakataza" chembe mbili za msokoto wa nusu-jumla kuwa katika hali sawa (kanuni ya Pauli). Chembe za mzunguko kamili hutegemea takwimu za Bose-Einstein (kwa hivyo jina bosons), ambayo inahitaji ulinganifu wa utendaji kazi wa wimbi kuhusiana na vibali vya chembe na kuruhusu idadi yoyote ya chembe kuwa katika hali sawa. Sifa za takwimu za chembe za elektroni zinageuka kuwa muhimu katika hali ambapo chembe kadhaa zinazofanana huundwa wakati wa kuzaliwa au kuoza. Takwimu za Fermi-Dirac pia ina jukumu muhimu sana katika muundo wa nuclei na huamua mifumo ya kujaza na elektroni. makombora ya atomiki, msingi wa mfumo wa upimaji wa vipengele vya D.I. Mendeleev.
Chaji za umeme za chembe za E. zilizosomwa ni zidishio kamili za thamani e "1.6×10 -19 k, inayoitwa malipo ya msingi ya umeme. Kwa chembe za E. zinazojulikana Q = 0, ±1, ±2.
Kwa kuongeza idadi iliyoonyeshwa, chembe za nishati zina sifa ya idadi ya nambari za quantum na huitwa ndani. Leptoni hubeba malipo maalum ya leptoni L ya aina mbili: elektroniki (L e) na muonic (L m); L e = +1 kwa neutrino ya elektroni na elektroni, L m = +1 kwa muon hasi na muon neutrino. Lepton nzito t; na neutrino inayohusishwa nayo, inaonekana, ni wabebaji wa aina mpya ya malipo ya lepton L t.
Kwa hadrons L = 0, na hii ni udhihirisho mwingine wa tofauti zao kutoka kwa leptoni. Kwa upande mwingine, sehemu muhimu za hadroni zinapaswa kuhusishwa na malipo maalum ya baryoni B (|E| = 1). Hadroni zilizo na B = +1 huunda kikundi kidogo cha baroni (hii ni pamoja na protoni, nutroni, hyperons, baryon resonances), na hadroni zilizo na B = 0 huunda kikundi kidogo cha mesoni (p- na K-mesons, resonances ya bosonic). Jina la vikundi vidogo vya hadrons linatokana na maneno ya Kiyunani barýs - nzito na mesos - kati, ambayo hatua ya awali Utafiti wa E. Ch. ulionyesha maadili ya kulinganisha ya wingi wa baryons na mesons inayojulikana wakati huo. Data ya baadaye ilionyesha kuwa wingi wa baryons na mesons ni kulinganishwa. Kwa leptoni B = 0. Kwa fotoni B = 0 na L = 0.
Baryoni na mesoni zimegawanywa katika aggregates zilizotajwa tayari: chembe za kawaida (zisizo za ajabu) (protoni, neutron, p-mesons), chembe za ajabu (hyperons, K-mesons) na chembe za kupendeza. Mgawanyiko huu unalingana na uwepo wa nambari maalum za quantum katika hadrons: ajabu S na charm (Kiingereza charm) Ch na maadili yanayokubalika: 151 = 0, 1, 2, 3 na |Ch| = 0, 1, 2, 3. Kwa chembe za kawaida S = 0 na Ch = 0, kwa chembe za ajabu |S| ¹ 0, Ch = 0, kwa chembe zilizovutia |Ch| ¹ 0, na |S| = 0, 1, 2. Badala ya ajabu, nambari ya quantum hypercharge Y = S + B hutumiwa mara nyingi, ambayo inaonekana ina maana ya msingi zaidi.
Tayari masomo ya kwanza na hadrons ya kawaida yalifunua uwepo kati yao wa familia za chembe zinazofanana kwa wingi, na sana. mali zinazofanana kwa heshima na mwingiliano mkali, lakini kwa maadili tofauti ya malipo ya umeme. Protoni na nyutroni (nucleons) zilikuwa mfano wa kwanza wa familia kama hiyo. Baadaye, familia zinazofanana ziligunduliwa kati ya ajabu na (mnamo 1976) kati ya hadrons zilizopigwa. Kawaida ya mali ya chembe zilizojumuishwa katika familia kama hizo ni onyesho la uwepo ndani yao ya thamani sawa ya nambari maalum ya quantum - isotopic spin I, ambayo, kama spin ya kawaida, inachukua maadili kamili na nusu-jumla. Familia zenyewe kwa kawaida huitwa mafungu ya isotopiki. Idadi ya chembe katika kizidishio (n) inahusiana na mimi kwa uhusiano: n = 2I + 1. Chembe za mseto mmoja wa isotopiki hutofautiana kutoka kwa kila mmoja kwa thamani ya "makadirio" ya spin ya isotopiki I 3, na.
Tabia muhimu ya hadrons pia ni usawa wa ndani P, unaohusishwa na uendeshaji wa nafasi, ubadilishaji: P inachukua maadili ya ± 1.
Kwa chembe zote za elektroni zilizo na maadili ya nonzero ya angalau moja ya malipo O, L, B, Y (S) na charm Ch, kuna antiparticles zilizo na maadili sawa ya m, maisha t, spin J na. kwa hadrons ya isotopiki spin 1, lakini kwa ishara kinyume cha mashtaka yote na kwa baryons na ishara kinyume ya usawa wa ndani P. Chembe ambazo hazina antiparticles huitwa kabisa (kweli) neutral. Hadrons zisizo na upande wowote zina nambari maalum ya quantum - usawa wa malipo (yaani usawa kwa heshima na operesheni ya kuunganisha malipo) C na maadili ya ± 1; mifano ya chembe hizo ni fotoni na p 0 .
Nambari za quantum za elektroni zimegawanywa kuwa halisi (yaani, zile zinazohusishwa na kiasi cha kimwili ambacho kinahifadhiwa katika michakato yote) na isiyo sahihi (ambayo kiasi cha kimwili kinacholingana hakihifadhiwa katika michakato fulani). Spin J inahusiana na sheria kali uhifadhi wa kasi ya angular na kwa hiyo ni idadi halisi ya quantum. Nambari zingine halisi za quantum: Q, L, B; Kwa mujibu wa data ya kisasa, huhifadhiwa wakati wa mabadiliko yote ya kipengele cha elektroni Utulivu wa protoni ni maonyesho ya moja kwa moja ya uhifadhi wa B (kwa mfano, hakuna kuoza p ® e + + g). Walakini, nambari nyingi za hadron quantum sio sahihi. Mzunguko wa isotopiki, wakati umehifadhiwa katika mwingiliano mkali, hauhifadhiwi katika mwingiliano wa kielektroniki na dhaifu. Ajabu na haiba huhifadhiwa katika mwingiliano wenye nguvu na sumakuumeme, lakini sio katika mwingiliano dhaifu. Mwingiliano dhaifu pia hubadilisha usawa wa ndani na wa malipo. Usawa wa pamoja wa CP huhifadhiwa kwa kiwango kikubwa zaidi cha usahihi, lakini pia inakiukwa katika baadhi ya michakato inayosababishwa na mwingiliano dhaifu. Sababu zinazosababisha kutohifadhiwa kwa idadi nyingi za quantum za hadron hazieleweki na, inaonekana, zinahusishwa na asili ya nambari hizi za quantum na muundo wa kina wa mwingiliano wa sumakuumeme na dhaifu. Uhifadhi au kutohifadhi idadi fulani ya quantum ni mojawapo ya maonyesho muhimu ya tofauti katika madarasa ya mwingiliano wa chembe za elektroni.
Uainishaji wa chembe za msingi.
Ulinganifu wa umoja. Uainishaji wa leptoni bado haujaleta shida yoyote; idadi kubwa ya hadrons, inayojulikana tayari katika miaka ya 50, ilitoa msingi wa utaftaji wa mifumo katika usambazaji wa misa na idadi ya quantum ya baryons na mesons, ambayo inaweza kuunda msingi. kwa uainishaji wao. Utambulisho wa wingi wa isotopiki wa hadrons ilikuwa hatua ya kwanza kwenye njia hii. Kwa mtazamo wa hisabati, upangaji wa hadroni katika vizidishio vya isotopiki huonyesha uwepo wa ulinganifu unaohusishwa na kundi la mzunguko (angalia Kikundi) , rasmi zaidi, na kikundi S.U.(2) - kikundi cha mabadiliko ya umoja katika nafasi ngumu ya pande mbili. Inachukuliwa kuwa mabadiliko haya yanafanya kazi katika nafasi fulani ya ndani - "nafasi ya isotopiki", tofauti na ile ya kawaida. Uwepo wa nafasi ya isotopiki unaonyeshwa tu katika mali inayoonekana ya ulinganifu. Katika lugha ya hisabati, vizidishi vya isotopiki ni viwakilishi visivyoweza kupunguzwa vya kikundi cha ulinganifu. S.U. (2).
Dhana ya ulinganifu kama sababu inayoamua kuwepo kwa makundi mbalimbali na familia za chembe za elektroni katika nadharia ya kisasa inatawala katika uainishaji wa hadroni na chembe nyingine za elektroni. Inachukuliwa kuwa namba za ndani za quantum za chembe za elektroni, ambazo hufanya iwezekanavyo kutofautisha vikundi fulani vya chembe, vinahusiana na aina maalum za ulinganifu unaotokana na uhuru wa mabadiliko katika nafasi maalum za "ndani". Hapa ndipo jina "nambari za ndani za quantum" linatoka.
Uchunguzi wa makini unaonyesha kwamba hadroni za ajabu na za kawaida kwa pamoja huunda uhusiano mpana wa chembe zenye sifa zinazofanana kuliko vizidishio vya isotopiki. Wanaitwa supermultiplets. Idadi ya chembe zilizojumuishwa katika sehemu kubwa zilizotazamwa ni 8 na 10. Kwa mtazamo wa ulinganifu, kuibuka kwa vijisehemu vingi kunafasiriwa kama dhihirisho la kuwepo kwa kundi la ulinganifu katika hadroni pana zaidi kuliko kundi. S.U.(2), yaani: S.U.(3) - vikundi vya mabadiliko ya umoja katika nafasi tata ya pande tatu (M. Gell-Man na kwa kujitegemea Y. Neeman, 1961). Ulinganifu unaolingana unaitwa ulinganifu wa umoja. Kikundi S.U.(3) ina, haswa, uwakilishi usioweza kurekebishwa na idadi ya vipengele 8 na 10, vinavyolingana na vipengele vingi vinavyozingatiwa: octet na decuplet. Mifano ni pamoja na makundi yafuatayo ya chembe na maadili sawa JP:
Kawaida kwa chembe zote kwenye sehemu kubwa ni maadili ya idadi mbili, ambayo, kulingana na asili ya hisabati ziko karibu na spin ya isotopiki na kwa hivyo mara nyingi huitwa spinary spin. Kwa octet, maadili ya nambari za quantum zinazohusiana na idadi hii ni sawa na (1, 1), kwa decuplet - (3, 0).
Ulinganifu wa umoja sio sahihi kuliko ulinganifu wa isotopiki. Kwa mujibu wa hili, tofauti katika wingi wa chembe zilizojumuishwa katika pweza na decuplets ni muhimu sana. Kwa sababu hiyo hiyo, mgawanyiko wa hadrons katika supermultiplets ni rahisi kwa chembe za elektroni za molekuli zisizo za juu sana. Katika misa kubwa, wakati kuna chembe nyingi tofauti zilizo na misa sawa, ugawaji huu hauaminiki sana. Walakini, katika mali ya chembe za msingi kuna maonyesho mengi tofauti ya ulinganifu wa umoja.
Ujumuishaji wa hadrons zenye haiba katika utaratibu wa chembe za msingi huturuhusu kuzungumza juu ya supersupermultiplets na uwepo wa ulinganifu mpana zaidi unaohusishwa na kikundi cha umoja. S.U.(4). Bado hakuna mifano ya supersupermultiplets zilizojaa kabisa. S.U.(4)-ulinganifu umevunjwa kwa nguvu zaidi kuliko S.U.(3)-ulinganifu, na udhihirisho wake haujulikani sana.
Ugunduzi wa mali za ulinganifu katika hadrons zinazohusiana na vikundi vya umoja na mifumo ya mgawanyiko katika sehemu nyingi ambazo zinalingana na uwakilishi uliofafanuliwa kabisa wa vikundi hivi ulikuwa msingi wa hitimisho juu ya uwepo wa vitu maalum vya kimuundo katika hadrons - quarks.
Mfano wa Quark wa hadrons. Kuanzia hatua zake za kwanza, maendeleo ya kazi ya uainishaji wa hadrons yaliambatana na majaribio ya kutambua chembe ambazo zilikuwa za msingi zaidi kuliko zingine, ambazo zinaweza kuwa msingi wa ujenzi wa hadrons zote. Mstari huu wa utafiti ulianzishwa na E. Fermi na Yang Chen-ning (1949), ambao walipendekeza kuwa chembe hizo za msingi ni nukleoni (N) na antinucleon (), na p-mesoni ni hali zao zinazofungamana (). Pamoja na maendeleo zaidi ya wazo hili, barioni za ajabu pia zilijumuishwa kati ya chembe za msingi (M. A. Markov, 1955; mwanafizikia wa Kijapani S. Sakata, 1956; L. B. Okun, 1957). Miundo iliyojengwa kwa msingi huu ilielezea kuzidisha kwa meson vizuri, lakini haikutoa maelezo sahihi ya kuzidisha kwa baryoni. Kipengele muhimu zaidi cha mifano hii - matumizi ya idadi ndogo ya fermions "kujenga" hadrons - ilijumuishwa kikaboni katika mfano ambao unasuluhisha kwa mafanikio shida ya kuelezea hadrons zote - mfano wa quark (mwanafizikia wa Austria G. Zweig na kwa kujitegemea. M. Gell-Man, 1964).
Katika toleo la asili, modeli hiyo ilitokana na dhana kwamba hadrons zote zinazojulikana zimejengwa kutoka kwa aina tatu za chembe za spin 1/2, inayoitwa. p-, n-, l-quarks, ambayo sio ya idadi ya hadrons iliyozingatiwa na ina mali isiyo ya kawaida sana. Jina "quarks" limekopwa kutoka kwa riwaya ya J. Joyce (tazama Quarks) . Toleo la kisasa la mfano linafikiri kuwepo kwa angalau aina nne za quarks. Quark ya nne ni muhimu kuelezea hadrons zilizovutia.
Wazo la quarks linapendekezwa na ulinganifu wa umoja. Muundo wa hisabati wa vikundi vya umoja hufungua uwezekano wa kuelezea uwakilishi wote wa kikundi S.U. (n) (na kwa hivyo sehemu zote za hadron) kulingana na uwakilishi rahisi zaidi wa kikundi ulio na n sehemu. Katika kesi ya kikundi S.U.(3) kuna vipengele vitatu kama hivyo. Ni muhimu tu kudhani kuwepo kwa chembe zinazohusiana na uwakilishi huu rahisi zaidi. Chembe hizi ni quarks. Muundo wa quark wa mesons na baryons ulipatikana kutokana na ukweli kwamba meson supermultiplets ina, kama sheria, chembe 8, na baryons - 8 na 10 chembe. Mchoro huu unatolewa kwa urahisi ikiwa tunadhania kuwa mesoni inaundwa na quarks q na antiquark - kwa mfano: , na baryons ya quarks tatu - kwa mfano: KATIKA = (qqq) Kutokana na sifa za kikundi S.U.(3) mesoni 9 imegawanywa katika supermultiplets ya 1 na 8 chembe, na baryons 27 imegawanywa katika supermultiplets zenye 1, 10 na mara mbili chembe 8, ambayo inaelezea mgawanyiko unaozingatiwa wa pweza na decuplets.
Kuongezewa kwa quark ya nne (na, ikiwa ni lazima, quarks mpya za ziada) kwenye mpango huo hufanywa wakati wa kudumisha dhana ya msingi ya mfano wa quark kuhusu muundo wa hadrons:
B = (qqq).
Data zote za majaribio zinakubaliana vyema na muundo wa quark uliotolewa wa hadrons. Inaonekana kuna upungufu mdogo tu kutoka kwa muundo huu, ambao hauathiri sana mali ya hadrons.
Muundo ulioonyeshwa wa hadrons na mali ya kihesabu ya quarks, kama vitu vinavyohusishwa na uwakilishi fulani (rahisi) wa kikundi. S.U.(4), kusababisha yafuatayo. quantum idadi ya quarks (Jedwali 2). Ya kawaida - ya sehemu - maadili ya malipo ya umeme yanastahili kuzingatiwa. Q, na B, S Na Y, haipatikani katika chembe zozote za elektroni zilizoangaliwa. Na fahirisi a kwa kila aina ya quark qi (i = 1, 2, 3, 4) tabia maalum ya quarks inahusishwa - "rangi", ambayo haipo kwenye hadrons zilizosomwa. Index a inachukua maadili 1, 2, 3, i.e., kila aina ya quark qi iliyotolewa katika aina tatu qi a (N.N. Bogolyubov na wafanyakazi wenzake, 1965; wanafizikia wa Marekani I. Nambu na M. Khan, 1965; mwanafizikia wa Kijapani I. Miyamoto, 1965). Nambari za quantum za kila aina ya quark hazibadilika wakati "rangi" inabadilika na kwa hiyo meza. 2 inatumika kwa quarks ya "rangi" yoyote.
Tofauti zote za hadrons hutokana na michanganyiko mbalimbali R -, P-, g- na Na-quarks kutengeneza majimbo yaliyofungamana. Hadroni za kawaida zinahusiana na majimbo yaliyofungwa yaliyojengwa tu kutoka R- Na n-quarks [kwa mesons na uwezekano wa ushiriki wa mchanganyiko na]. Uwepo katika hali iliyofungwa pamoja na R- Na n-quarks ya g- au moja Na-quark inamaanisha kuwa hadron inayolingana ni ya kushangaza ( S= -1) au haiba ( Ch =+ 1). Baroni inaweza kuwa na g-quark mbili na tatu (mtawalia Na-quark), yaani, baryons mbili na tatu za ajabu (charm) zinawezekana. Mchanganyiko wa nambari tofauti za g- na Na- quarks (hasa katika baryons), ambayo inafanana na aina za "mseto" wa hadrons ("charm ya ajabu"). Ni wazi, kubwa g-au Na-quarks ina hadron, ni nzito zaidi. Ikiwa tunalinganisha hali ya ardhi (isiyo ya msisimko) ya hadrons, hii ndiyo hasa picha inayozingatiwa (tazama Jedwali 1, pamoja na Jedwali 3 na 5).
Kwa kuwa spin ya quarks ni sawa na 1/2, muundo wa juu wa quark wa hadrons husababisha spin kamili kwa mesons na nusu-integer spin kwa baryoni, kwa mujibu kamili wa majaribio. Aidha, katika majimbo yanayolingana na kasi ya orbital l= 0, haswa katika majimbo ya ardhini, spin ya mesoni inapaswa kuwa sawa na 0 au 1 (kwa uelekeo wa antiparallel ґґ na sambamba ґґ ya mizunguko ya quark), na spin ya baryons inapaswa kuwa 1/2 au 3/2 ( kwa usanidi wa spin ¯ґґ na ґґґ) . Kwa kuzingatia kwamba usawa wa ndani wa mfumo wa quark-antiquark ni hasi, maadili JP kwa mesons katika l= 0 ni sawa na 0 - na 1 - , kwa baryons - 1 / 2 + na 3 / 2 +. Haya ndiyo maadili JP aliona katika hadrons kuwa na molekuli ndogo katika maadili yaliyopewa I Na Y(tazama Jedwali 1).
Tangu indexes mimi, k, l katika fomula za kimuundo maadili hupitia 1, 2, 3, 4, idadi ya mesons Mik na spin iliyotolewa inapaswa kuwa sawa na 16. Kwa baryons Bikl idadi ya juu inayowezekana ya majimbo kwa spin fulani (64) haijatambuliwa, kwani kwa mujibu wa kanuni ya Pauli, kwa mzunguko uliotolewa, ni majimbo matatu tu ya quark ambayo yana ulinganifu uliofafanuliwa vizuri kwa heshima na vibali vya fahirisi i, k, 1, yaani: ulinganifu kikamilifu kwa spin 3/2 na ulinganifu mchanganyiko kwa spin 1/2. Hali hii ni l = 0 huchagua majimbo 20 ya baryon kwa spin 3/2 na 20 kwa spin 1/2.
Uchunguzi wa kina zaidi unaonyesha kuwa thamani ya muundo wa quark na mali ya ulinganifu wa mfumo wa quark hufanya iwezekanavyo kuamua nambari zote za msingi za hadron ( J, P, B, Q, I, Y, Ch), ukiondoa wingi; kuamua misa inahitaji ujuzi wa mienendo ya mwingiliano wa quarks na wingi wa quarks, ambayo bado haijapatikana.
Kuwasilisha kwa usahihi maelezo ya hadron yenye misa ya chini kabisa na mizunguko kwa thamani fulani. Y Na Ch, Mtindo wa quark pia kwa kawaida unaelezea idadi kubwa ya jumla ya hadrons na wingi wa sauti kati yao. Idadi kubwa ya hadrons ni kielelezo cha muundo wao mgumu na uwezekano wa kuwepo kwa majimbo mbalimbali ya msisimko wa mifumo ya quark. Inawezekana kwamba idadi ya majimbo hayo ya msisimko haina ukomo. Hali zote za msisimko za mifumo ya quark hazina utulivu kuhusiana na mabadiliko ya haraka kwa sababu ya mwingiliano mkali katika majimbo ya msingi. Wanaunda wingi wa resonances. Sehemu ndogo ya resonances pia ina mifumo ya quark na mwelekeo sambamba wa spin (isipokuwa W -). Mipangilio ya Quark yenye mwelekeo wa spin ya antiparallel, inayohusiana na msingi. majimbo, huunda hadrons thabiti na protoni thabiti.
Kusisimua kwa mifumo ya quark hutokea wote kutokana na mabadiliko katika mwendo wa mzunguko wa quarks (msisimko wa orbital) na kutokana na mabadiliko katika nafasi zao. eneo (msisimko wa radial). Katika kesi ya kwanza, ongezeko la wingi wa mfumo unaambatana na mabadiliko katika jumla ya spin J na usawa R mfumo, katika kesi ya pili ongezeko la wingi hutokea bila mabadiliko J P . Kwa mfano, mesons na JP= 2 + ni msisimko wa kwanza wa orbital ( l = 1) mesons na J P = 1 -. Mawasiliano ya 2 + mesons na 1 - mesons ya miundo inayofanana ya quark inaonekana wazi katika mfano wa jozi nyingi za chembe:
Mesons r" na y" ni mifano ya msisimko wa radial wa r- na y-mesons, mtawalia (ona.
Misisimko ya obiti na radial huzalisha mfuatano wa milio inayolingana na muundo sawa wa mwanzo wa quark. Ukosefu wa taarifa za kuaminika kuhusu mwingiliano wa quark bado hauturuhusu kufanya mahesabu ya kiasi cha maonyesho ya kusisimua na kupata hitimisho lolote kuhusu idadi inayowezekana ya hali kama hizo za msisimko. Wakati wa kuunda modeli ya quark, quarks zilizingatiwa kama dhahania. vipengele vya muundo, kufungua uwezekano wa maelezo rahisi sana ya hadrons. Baadaye, majaribio yalifanywa ambayo yanaturuhusu kuzungumza juu ya quarks kama muundo halisi wa nyenzo ndani ya hadrons. Ya kwanza yalikuwa majaribio juu ya kutawanyika kwa elektroni kwa nucleons kwa pembe kubwa sana. Majaribio haya (1968), yanayokumbusha majaribio ya kitamaduni ya Rutherford juu ya kutawanyika kwa chembe za alfa kwenye atomi, yalifichua uwepo wa miundo ya nukta iliyochajiwa ndani ya nukleoni. Ulinganisho wa data kutoka kwa majaribio haya na data sawa juu ya kutawanyika kwa neutrino kwenye nukleoni (1973-75) ilituruhusu kuhitimisha kuwa. wastani mraba wa malipo ya umeme ya fomu hizi za uhakika. Matokeo yaligeuka kuwa ya kushangaza karibu na thamani 1/2 [(2/3 e) 2 +(1 / 3 e) 2]. Utafiti wa mchakato wa utengenezaji wa hadron wakati wa kuangamizwa kwa elektroni na positron, ambayo inadaiwa hupitia mlolongo wa michakato: ® hadrons, ilionyesha uwepo wa vikundi viwili vya hadrons zinazohusiana na maumbile na kila moja ya quarks zinazosababisha, na kuifanya. inawezekana kuamua spin ya quarks. Ilibadilika kuwa sawa na 1/2. Idadi ya jumla ya hadrons waliozaliwa katika mchakato huu pia inaonyesha kwamba quarks ya aina tatu huonekana katika hali ya kati, yaani, quarks ni rangi tatu.
Kwa hiyo, idadi ya quantum ya quarks, iliyoletwa kwa misingi ya masuala ya kinadharia, imethibitishwa katika idadi ya majaribio. Quarks wanapata hadhi ya chembe mpya za elektroni hatua kwa hatua. Ikiwa utafiti zaidi unathibitisha hitimisho hili, basi quarks ni wapinzani wakubwa wa jukumu la chembe za elektroni za aina ya hadronic ya jambo. Hadi urefu ~ 10 -15 sentimita quarks hufanya kama miundo ya uhakika isiyo na muundo. Idadi ya aina zinazojulikana za quarks ni ndogo. Katika siku zijazo, inaweza, bila shaka, kubadilika: mtu hawezi kuthibitisha kwamba kwa nguvu za juu hadrons na nambari mpya za quantum, kutokana na kuwepo kwao kwa aina mpya za quarks, hazitagunduliwa. Ugunduzi Y-mesons inathibitisha mtazamo huu. Lakini inawezekana kabisa kwamba ongezeko la idadi ya quarks itakuwa ndogo, ambayo kanuni za jumla kuweka vikwazo nambari kamili quarks, ingawa mipaka hii bado haijajulikana. Ukosefu wa muundo wa quarks pia labda unaonyesha kiwango kilichopatikana cha utafiti katika muundo huu wa nyenzo. Hata hivyo, idadi ya vipengele maalum vya quarks hutoa sababu fulani ya kudhani kwamba quarks ni chembe zinazokamilisha mlolongo wa vipengele vya miundo ya suala.
Quarks hutofautiana na chembe nyingine zote za elektroni kwa kuwa bado hazijaonekana katika hali ya bure, ingawa kuna ushahidi wa kuwepo kwao katika hali iliyofungwa. Moja ya sababu za kutozingatiwa kwa quarks inaweza kuwa molekuli yao kubwa sana, ambayo inazuia uzalishaji wao kwa nguvu za accelerators za kisasa. Inawezekana, hata hivyo, kwamba quarks kimsingi, kutokana na hali maalum ya mwingiliano wao, hawezi kuwa katika hali ya bure. Kuna hoja za kinadharia na majaribio kwa ajili ya ukweli kwamba nguvu zinazofanya kazi kati ya quarks hazidhoofi kwa umbali. Hii ina maana kwamba nishati zaidi inahitajika kutenganisha quarks kutoka kwa kila mmoja, au, vinginevyo, kuibuka kwa quarks katika hali ya bure haiwezekani. Kutokuwa na uwezo wa kutenga quarks katika hali ya bure huwafanya kuwa aina mpya kabisa ya vitengo vya kimuundo vya suala. Haijulikani, kwa mfano, ikiwa inawezekana kuinua swali la vipengele quarks, ikiwa quarks wenyewe haziwezi kuzingatiwa katika hali ya bure. Inawezekana kwamba chini ya hali hizi, sehemu za quarks hazijidhihirisha kabisa, na kwa hivyo quarks hufanya kama hatua ya mwisho katika kugawanyika kwa jambo la hadronic.
Chembe za msingi na nadharia ya uwanja wa quantum.
Ili kuelezea mali na mwingiliano wa chembe za elektroni katika nadharia ya kisasa, dhana ya fizikia ni muhimu. shamba, ambalo limepewa kila chembe. Shamba ni aina maalum ya jambo; inaelezewa na kazi iliyoainishwa katika nukta zote ( X) muda wa nafasi na kuwa na sifa fulani za mabadiliko kuhusiana na mabadiliko ya kikundi cha Lorentz (scalar, spinor, vector, nk.) na vikundi vya ulinganifu wa "ndani" (isotopiki scalar, isotopiki spinor, nk). Sehemu ya sumakuumeme yenye sifa vector nne-dimensional Na m (x) (m = 1, 2, 3, 4) kihistoria ni mfano wa kwanza wa uwanja halisi. Sehemu zinazohusiana na E. h. zina asili ya quantum, yaani nishati na kasi yao inaundwa na sehemu nyingi. sehemu - quanta, na nishati E k na kasi p k ya quantum zinahusiana na uhusiano wa nadharia maalum ya uhusiano: E k 2 = p k 2 c 2 + m 2 c 2 . Kila quantum kama hiyo ni chembe ya elektroni yenye nishati fulani E k , kasi p k na wingi m. Kiasi cha uwanja wa sumakuumeme ni fotoni, quanta ya sehemu zingine inalingana na chembe zingine zote zinazojulikana za elektroni. tafakari ya kuwepo kwa mkusanyiko usio na mwisho wa chembe - quanta. Maalum vifaa vya hisabati nadharia ya uga wa quantum huturuhusu kueleza kuzaliwa na uharibifu wa chembe katika kila nukta x.
Sifa za ugeuzaji za uga huamua nambari zote za quantum za chembe za E. Sifa za mageuzi kuhusiana na mabadiliko ya muda wa nafasi (kikundi cha Lorentz) huamua mzunguko wa chembe. Kwa hivyo, scalar inalingana na spin 0, spinor - spin 1/2, vector - spin 1, nk. Kuwepo kwa nambari za quantum kama L, B, 1, Y, Ch na kwa quarks na gluons "rangi" hufuata. kutoka kwa mali ya mabadiliko ya mashamba kuhusiana na mabadiliko ya "nafasi za ndani" ("nafasi ya malipo", "nafasi ya isotopiki", "nafasi ya umoja", nk). Kuwepo kwa "rangi" katika quarks, hasa, inahusishwa na nafasi maalum ya "rangi" ya umoja. Kuanzishwa kwa "nafasi za ndani" katika vifaa vya kinadharia bado ni kifaa rasmi, ambacho, hata hivyo, kinaweza kutumika kama dalili kwamba ukubwa wa muda wa nafasi ya kimwili, unaoonyeshwa katika sifa za E. Ch., kwa kweli ni kubwa zaidi. kuliko nne - mwelekeo wa tabia ya muda wa nafasi ya michakato yote ya kimwili ya macroscopic. Uzito wa elektroni hauhusiani moja kwa moja na mali ya mabadiliko ya mashamba; hii ni sifa yao ya ziada.
Ili kuelezea michakato inayotokea na chembe za elektroni, ni muhimu kujua jinsi nyanja mbalimbali za kimwili zinavyohusiana, yaani, kujua mienendo ya mashamba. KATIKA vifaa vya kisasa Katika nadharia ya uga wa quantum, habari kuhusu mienendo ya nyanja zimo katika idadi maalum iliyoonyeshwa kupitia nyanja - Lagrangian (kwa usahihi zaidi, msongamano wa Lagrangian) L. Maarifa ya L inaruhusu, kimsingi, kuhesabu uwezekano wa mabadiliko kutoka kwa seti moja. chembe hadi nyingine chini ya ushawishi wa mwingiliano mbalimbali. Uwezekano huu hutolewa na kinachojulikana. kutawanya matrix (W. Heisenberg, 1943), iliyoonyeshwa kwa njia ya L. Lagrangian L ina Lagrangian L in, ambayo inaelezea tabia ya mashamba ya bure, na mwingiliano wa Lagrangian L in, uliojengwa kutoka kwa mashamba. chembe tofauti na kuakisi uwezekano wa mabadiliko yao ya pande zote. Ujuzi wa Lz ni uamuzi wa kuelezea michakato na E. h.
Fomu ya L3 imedhamiriwa kipekee na mali ya mabadiliko ya nyanja za kikundi cha jamaa cha Lorentz na mahitaji ya kutofautiana kwa heshima na kundi hili (invariance ya relativistic). Kwa muda mrefu, hata hivyo, vigezo vya kupata L3 havikujulikana (isipokuwa mwingiliano wa sumakuumeme), na habari kuhusu mwingiliano wa chembe za sumakuumeme zilizopatikana kutokana na majaribio, katika hali nyingi hazikuruhusu uchaguzi wa kuaminika kati ya uwezekano tofauti. Katika hali hizi matumizi mapana ilipata mbinu ya phenomenological kwa maelezo ya mwingiliano, kwa kuzingatia uchaguzi wa aina rahisi zaidi za L ins, na kusababisha michakato inayoonekana, au juu ya utafiti wa moja kwa moja wa mali ya tabia ya vipengele vya matrix ya kutawanyika. Katika njia hii, mafanikio makubwa yamepatikana katika kuelezea michakato na chembe za elektroni kwa maeneo anuwai ya nishati iliyochaguliwa. Walakini, vigezo vingi vya nadharia vilikopwa kutoka kwa majaribio, na mbinu yenyewe haikuweza kudai ulimwengu.
Katika kipindi cha 50-70s. Maendeleo makubwa yamepatikana katika kuelewa muundo wa L3, ambayo imefanya iwezekanavyo kuboresha kwa kiasi kikubwa fomu yake kwa ushirikiano wenye nguvu na dhaifu. Jukumu la maamuzi Maendeleo haya yaliwezeshwa na ufafanuzi wa uhusiano wa karibu kati ya sifa za ulinganifu wa mwingiliano wa chembe za elektroni na umbo la Lv.
Ulinganifu wa mwingiliano wa chembe za elektroni unaonyeshwa katika kuwepo kwa sheria za uhifadhi wa kiasi fulani cha kimwili na, kwa hiyo, katika uhifadhi wa idadi ya quantum ya chembe za elektroni zinazohusiana nao (tazama sheria za Uhifadhi). Ulinganifu halisi, ambao hutokea kwa madarasa yote ya mwingiliano, inafanana na kuwepo kwa idadi halisi ya quantum katika elektroni; ulinganifu wa takriban, tabia tu kwa madarasa fulani ya mwingiliano (nguvu, umeme), husababisha nambari zisizo sahihi za quantum. Tofauti kati ya madarasa ya mwingiliano yaliyotajwa hapo juu kuhusiana na uhifadhi wa idadi ya elektroni huonyesha tofauti katika sifa za ulinganifu wao.
Fomu inayojulikana L juu el. m. kwa mwingiliano wa sumakuumeme ni tokeo la kuwepo kwa ulinganifu dhahiri wa Lagrangi L kuhusiana na kuzidisha sehemu changamano j ya chembe zinazochajiwa zilizojumuishwa ndani yake katika michanganyiko ya aina j*j (hapa * ina maana mnyambuliko changamano) na kipengele e ia, ambapo a ni nambari halisi ya kiholela. Ulinganifu huu, kwa upande mmoja, unasababisha sheria ya uhifadhi wa malipo ya umeme, kwa upande mwingine, ikiwa tunahitaji utimilifu wa ulinganifu chini ya hali ya kwamba inategemea kiholela kwenye hatua x ya muda wa nafasi, inaongoza bila utata. kwa Lagrangian ya mwingiliano:
L juu el. m = j m el. m. (x) A m (x) (1)
wapi jm. m. - mkondo wa umeme wa pande nne (tazama mwingiliano wa sumakuumeme). Kama inageuka, matokeo haya yana umuhimu wa jumla. Katika visa vyote wakati mwingiliano unaonyesha ulinganifu wa "ndani", i.e. Lagrangi haibadiliki chini ya mabadiliko ya "nafasi ya ndani", na nambari zinazolingana za quantum zinatokea katika nambari za E., inapaswa kuhitajika kwamba utofauti ufanyike kwa utegemezi wowote wa nafasi. vigezo vya mabadiliko kwenye nukta x (kinachojulikana kutofautiana kwa upimaji wa ndani; Yang Zhen-ning, Mwanafizikia wa Marekani R. Mills, 1954). Kimwili, hitaji hili linatokana na ukweli kwamba mwingiliano hauwezi kupitishwa mara moja kutoka kwa uhakika hadi hatua. Hali hii inaridhika wakati kati ya nyanja zilizojumuishwa katika Lagrangian kuna sehemu za vekta (analojia za A m (x)), ambazo hubadilika wakati wa mabadiliko ya ulinganifu wa "ndani" na kuingiliana na sehemu za chembe kwa njia maalum, ambayo ni:
L katika = å r=1 n j m r (x) V m r (x), (2)
ambapo j m r (x) ni mikondo inayojumuisha sehemu za chembe, V m r (x) ni sehemu za vekta, ambazo mara nyingi huitwa sehemu za kupima. Kwa hivyo, hitaji la eneo la ulinganifu wa "ndani" hurekebisha umbo la L na kubainisha sehemu za vekta kama wabebaji wa mwingiliano. Mali ya mashamba ya vector na idadi yao "n" imedhamiriwa na mali ya kikundi cha "ndani" cha ulinganifu. Ikiwa ulinganifu ni sawa, basi wingi wa shamba quantum V m r ni sawa na 0. Kwa ulinganifu wa takriban, wingi wa quantum shamba la vekta ni tofauti na sifuri. Aina ya j m r ya sasa imedhamiriwa na mashamba ya chembe na nambari zisizo za sifuri za quantum zinazohusiana na kikundi cha ulinganifu cha "ndani".
Kulingana na kanuni zilizoelezwa hapo juu, iligeuka kuwa inawezekana kukabiliana na swali la mwingiliano wa quarks katika nucleon. Majaribio ya kueneza kwa neutrinos na antineutrinos kwa nucleons yameonyesha kuwa kasi ya nucleon ni sehemu tu (karibu 50%) kuhamishwa na quarks, na wengine wake huhamishwa na aina nyingine ya jambo ambalo haliingiliani na neutrinos. Huenda sehemu hii ya maada ina chembechembe ambazo hubadilishwa kati ya quarks na kutokana na ambayo hushikiliwa kwenye nucleon. Chembe hizi huitwa "gluons" (kutoka kwa gundi ya Kiingereza - gundi). Kwa mtazamo wa hapo juu juu ya mwingiliano, ni kawaida kuzingatia chembe hizi kuwa chembe za vekta. Katika nadharia ya kisasa, kuwepo kwao kunahusishwa na ulinganifu, ambayo huamua kuonekana kwa "rangi" katika quarks. Ikiwa ulinganifu huu ni sawa (rangi SU (3) ulinganifu), basi gluoni ni chembe zisizo na wingi na idadi yao ni nane (Mwanafizikia wa Marekani I. Nambu, 1966). Mwingiliano wa quarks na gluons hutolewa na L vz na muundo (2), ambapo j m r ya sasa inaundwa na mashamba ya quark. Pia kuna sababu ya kudhani kuwa mwingiliano wa quarks, unaosababishwa na kubadilishana kwa gluons nyingi, husababisha nguvu kati ya quarks ambazo hazipunguki kwa umbali, lakini hii haijathibitishwa kwa ukali.
Kimsingi, ujuzi wa mwingiliano kati ya quarks inaweza kuwa msingi wa kuelezea mwingiliano wa hadrons zote kwa kila mmoja, yaani, mwingiliano wote wenye nguvu. Mwelekeo huu katika fizikia ya hadron unaendelea haraka.
Matumizi ya kanuni ya jukumu la kuamua la ulinganifu (pamoja na takriban) katika malezi ya muundo wa mwingiliano pia ilifanya iwezekane kuendeleza katika kuelewa asili ya Lagrangian ya mwingiliano dhaifu. Wakati huo huo, kina kirefu intercom mwingiliano dhaifu na sumakuumeme. Katika mbinu hii, uwepo wa jozi za leptoni zilizo na malipo sawa ya leptoni: e - , v e na m - , v m , lakini kwa wingi tofauti na chaji za umeme hazizingatiwi kama nasibu, lakini zinaonyesha kuwepo kwa ulinganifu uliovunjika wa isotonic. aina (kikundi SU (2)). Utumiaji wa kanuni ya eneo kwa ulinganifu huu wa "ndani" husababisha sifa ya Lagrangian (2), ambayo maneno yanayohusika na mwingiliano wa kielektroniki na dhaifu huibuka wakati huo huo (Mwanafizikia wa Amerika S. Weinberg, 1967; A. Salam, 1968):
L hewa = 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)
Hapa j m sl. h. , j m sl. n. - mikondo ya kushtakiwa na ya neutral ya mwingiliano dhaifu, iliyojengwa kutoka kwa mashamba ya leptoni, W m +, W m -, Z m 0 - mashamba makubwa (kutokana na kuvunja ulinganifu) chembe za vector, ambazo katika mpango huu ni flygbolag za mwingiliano dhaifu ( kinachojulikana bosons kati), A m - photon shamba. Wazo la kuwepo kwa boson ya kati iliyoshtakiwa ilitolewa muda mrefu uliopita (H. Yukawa, 1935). Ni muhimu, hata hivyo, kwamba katika mfano huu wa nadharia ya umoja wa mwingiliano wa sumaku ya elektroni na dhaifu, boson ya kati iliyoshtakiwa inaonekana kwa msingi sawa na photon na boson ya kati ya neutral. Michakato ya mwingiliano dhaifu unaosababishwa na mikondo ya neutral iligunduliwa mwaka wa 1973, ambayo inathibitisha usahihi wa mbinu iliyoelezwa tu kwa uundaji wa mienendo ya mwingiliano dhaifu. Chaguzi zingine za kuandika Lagrangian L na idadi kubwa ya bosons za kati zisizo na upande na kushtakiwa pia zinawezekana; Data ya majaribio bado haitoshi kwa chaguo la mwisho la Lagrangian.
Mifupa ya kati bado haijagunduliwa kwa majaribio. Kutokana na data inayopatikana, wingi W ± na Z 0 kwa muundo wa Weinberg-Salam inakadiriwa kuwa takriban 60 na 80 GeV.
Mwingiliano wa sumakuumeme na dhaifu wa quarks unaweza kuelezewa ndani ya mfano sawa na mfano wa Weinberg-Salam. Kuzingatia kwa mwingiliano wa sumakuumeme na dhaifu wa hadron kwa msingi huu kunatoa makubaliano mazuri na data iliyozingatiwa. Tatizo la kawaida katika kujenga mifano hiyo bado haijulikani idadi ya quarks na leptons, ambayo hairuhusu kuamua aina ya ulinganifu wa awali na asili ya ukiukaji wake. Kwa hiyo, masomo zaidi ya majaribio ni muhimu sana.
Asili moja ya mwingiliano wa sumakuumeme na dhaifu inamaanisha kuwa kwa nadharia mwingiliano dhaifu hupotea kama kigezo huru. Mara kwa mara pekee inabaki malipo ya umeme e. Ukandamizaji wa michakato dhaifu kwa nishati ya chini inaelezewa na wingi mkubwa mifupa ya kati. Katika nishati katikati ya mfumo wa molekuli kulinganishwa na wingi wa mifupa ya kati, athari za mwingiliano wa sumakuumeme na dhaifu zinapaswa kuwa za utaratibu sawa. Mwisho, hata hivyo, utatofautiana katika kutohifadhi idadi ya nambari za quantum (P, Y, Ch, nk).
Kuna majaribio ya kuzingatia kwa msingi wa umoja sio tu mwingiliano wa umeme na dhaifu, lakini pia mwingiliano mkali. Hatua ya mwanzo ya majaribio hayo ni dhana ya asili sawa ya aina zote za mwingiliano wa chembe za elektroni (bila mwingiliano wa mvuto). Tofauti kubwa zilizoonekana kati ya mwingiliano huzingatiwa kuwa ni kwa sababu ya uvunjaji mkubwa wa ulinganifu. Majaribio haya bado hayajaendelezwa vya kutosha na yanakabiliwa na matatizo makubwa, hasa katika kuelezea tofauti katika mali ya quarks na leptons.
Uendelezaji wa njia ya kupata mwingiliano wa Lagrangian kulingana na matumizi ya mali ya ulinganifu ilikuwa hatua muhimu kwenye njia inayoelekea kwenye nadharia badilika ya E. Ch. Kuna kila sababu ya kufikiria kuwa nadharia za uga wa kupima zitakuwa muhimu. kipengele cha msingi miundo zaidi ya kinadharia.
Hitimisho
Baadhi ya matatizo ya jumla ya nadharia ya chembe za msingi. Maendeleo ya hivi karibuni ya fizikia ya chembe za elektroni hutofautisha wazi kutoka kwa chembe zote za elektroni kundi la chembe ambazo huamua kwa kiasi kikubwa maelezo ya michakato ya microworld. Chembe hizi zinaweza kuwa wagombea wa jukumu la chembe za kweli za elektroni. Hizi ni pamoja na: chembe zilizo na spin 1/2 - leptoni na quarks, na vile vile chembe zilizo na spin 1 - gluoni, fotoni, mifupa mikubwa ya kati, ambayo hufanya aina tofauti za mwingiliano. ya chembe na spin 12 . Kundi hili linalowezekana linapaswa pia kujumuisha chembe iliyo na spin 2 - graviton; kiasi uwanja wa mvuto, kuunganisha yote E. h. Katika mpango huu, masuala mengi, hata hivyo, yanahitaji utafiti zaidi. Haijulikani idadi ya jumla ya leptoni, quark na vekta mbalimbali (iliyo na J = 1) ni nini na ikiwa kuna kanuni za kimwili zinazoamua nambari hii. Sababu za mgawanyiko wa chembe na spin 1/2 hadi 2 hazieleweki makundi mbalimbali: leptoni na quarks. Asili ya nambari za ndani za leptoni na quarks (L, B, 1, Y, Ch) na sifa kama hizo za quarks na gluons kama "rangi" haijulikani wazi. Ni digrii gani za uhuru zinazohusishwa na nambari za ndani za quantum? Sifa kama vile tu za chembe ya elektroni kama vile J na P ndizo zinazohusishwa na muda wa kawaida wa nafasi ya nne-dimensional. Ni utaratibu gani huamua wingi wa chembe ya kweli ya elektroni? Ni sababu gani ya uwepo wa madarasa tofauti ya mwingiliano katika elektroni zilizo na mali tofauti za ulinganifu? Maswali haya na mengine yatalazimika kusuluhishwa na nadharia ya baadaye ya E. sura ya 1.
Maelezo ya mwingiliano wa chembe za elektroni, kama ilivyobainishwa, yanahusishwa na nadharia za uwanja wa kupima. Nadharia hizi zina vifaa vya hisabati vilivyotengenezwa ambavyo huruhusu mahesabu ya michakato na chembe za elektroni (angalau kimsingi) kwa kiwango sawa cha ukali kama katika elektroni ya quantum. Lakini katika hali yao ya sasa, nadharia za uwanja wa kupima zina drawback moja kubwa, ya kawaida na electrodynamics ya quantum - ndani yao, katika mchakato wa mahesabu, maneno makubwa yasiyo na maana yanaonekana. Kutumia mbinu maalum ya kufafanua tena idadi inayoonekana (misa na malipo) - kurekebisha tena - inawezekana kuondoa infinities kutoka kwa matokeo ya mwisho ya mahesabu. Katika electrodynamics iliyojifunza vizuri zaidi, hii bado haiathiri makubaliano ya utabiri wa kinadharia na majaribio. Walakini, utaratibu wa kurekebisha urekebishaji ni njia rasmi ya kukwepa ugumu uliopo katika vifaa vya kinadharia, ambayo kwa kiwango fulani cha usahihi inapaswa kuathiri kiwango cha makubaliano kati ya hesabu na vipimo.
Kuonekana kwa infinities katika mahesabu ni kutokana na ukweli kwamba katika Lagrangians ya mwingiliano mashamba ya chembe tofauti hurejelewa kwa hatua moja x, i.e. inadhaniwa kuwa chembe hizo ni sawa, na muda wa nafasi ya nne unabaki gorofa hadi chini. umbali mdogo zaidi. Kwa uhalisia, mawazo haya yanaonekana si sahihi kwa sababu kadhaa: a) vipengele vya kweli vya E., kuna uwezekano mkubwa, ni vitu vya kimaumbile vya kiwango cha mwisho; b) mali ya muda wa nafasi katika ndogo (kwa kiwango kilichoamuliwa na kinachojulikana urefu wa msingi) ni uwezekano mkubwa tofauti na mali zake za macroscopic; c) kwa umbali mdogo zaidi (~ 10 -33 cm), mabadiliko katika mali ya kijiometri ya muda wa nafasi kutokana na mvuto huathiri. Labda sababu hizi zinahusiana sana. Kwa hivyo, ni kuzingatia mvuto ambao kwa kawaida huongoza kwa ukubwa wa chembe ya kweli ya E. ya utaratibu wa 10 -33 cm, na msingi, urefu wa l 0 unaweza kuhusishwa na mvuto wa mara kwa mara f: "10 -33 cm Yoyote ya sababu hizi inapaswa kusababisha marekebisho ya nadharia na uondoaji wa infinities, ingawa utekelezaji wa vitendo Marekebisho haya yanaweza kuwa magumu sana.
Inaonekana kuvutia sana kuzingatia ushawishi wa mvuto kwa umbali mfupi. Mwingiliano wa mvuto hauwezi tu kuondoa tofauti katika nadharia ya uwanja wa quantum, lakini pia kuamua uwepo wa jambo la msingi (M. A. Markov, 1966). Ikiwa msongamano wa dutu ya kweli ya E.H. ni kubwa vya kutosha, mvuto wa mvuto unaweza kuwa sababu inayoamua kuwepo kwa uthabiti wa miundo hii ya nyenzo. Vipimo vya miundo kama hii vinapaswa kuwa ~ 10 -33 cm. Katika majaribio mengi watafanya kama vitu vya uhakika, mwingiliano wao wa mvuto hautakuwa wa maana na utaonekana tu kwa umbali mdogo zaidi, katika eneo ambalo jiometri ya nafasi inabadilika sana.
Kwa hivyo, mwelekeo unaojitokeza kuelekea uzingatiaji wa wakati mmoja wa madarasa mbalimbali ya mwingiliano wa E. ch. uwezekano mkubwa unapaswa kukamilishwa kimantiki kwa kujumuisha mpango wa jumla mwingiliano wa mvuto. Ni kwa misingi ya kuzingatia wakati huo huo wa aina zote za mwingiliano kwamba kuna uwezekano mkubwa wa kutarajia kuundwa kwa nadharia ya baadaye ya chembe za elektroni.
Bibliografia
1) Markov M.A. Kuhusu asili ya jambo. M., 1976
2) Gaziorovich S. Fizikia ya chembe za msingi, trans. kutoka kwa Kiingereza, M. 1969
3) Kokkede Ya., Nadharia ya quarks, trans. kutoka Kiingereza, M., 1971
4) I., Ioffe B. L., Okun L. B., Chembe mpya za msingi, "Maendeleo sayansi ya kimwili", 1975, t. 117, v. 2, p. 227
5) Bogolyubov N.N., Shirkov D.V., Utangulizi wa nadharia ya mashamba quantized, 3rd ed., M., 1976;
6) Habari fizikia ya kimsingi, trans. kutoka kwa Kiingereza, M., 1977, ukurasa wa 120-240 .
ELEMENTARY SEHEMU, V kwa maana finyu- chembe ambazo haziwezi kuchukuliwa kuwa na chembe nyingine. Katika kisasa Katika fizikia, neno "chembe za msingi" hutumiwa kwa maana pana: kinachojulikana. chembe ndogo zaidi za suala, chini ya hali ya kuwa sio na (isipokuwa ni); Wakati mwingine kwa sababu hii chembe za msingi huitwa chembe za nyuklia. Wengi wa Chembe hizo (na zaidi ya 350 kati yao zinajulikana) ni mifumo ya composite.
E chembe za msingi hushiriki katika mwingiliano wa sumakuumeme, dhaifu, nguvu na mvuto. Kwa sababu ya wingi mdogo wa chembe za msingi, mwingiliano wao wa mvuto. kawaida hazizingatiwi. Chembe zote za msingi zimegawanywa katika kuu tatu. vikundi. Ya kwanza inajumuisha kinachojulikana. Bosons ni wabebaji wa mwingiliano wa electroweak. Hii ni pamoja na fotoni, au kiasi cha mionzi ya sumakuumeme. Misa iliyobaki ya fotoni ni sifuri, kwa hivyo kasi ya uenezi wa mawimbi ya sumakuumeme (pamoja na mawimbi ya mwanga) inawakilisha kasi ya juu ya uenezi wa mwili. athari na ni moja ya fedha. kimwili kudumu; inakubalika kuwa c = (299792458 1.2) m/s.
Kundi la pili la chembe za msingi ni leptoni, zinazoshiriki katika mwingiliano wa umeme na dhaifu. Kuna leptoni 6 zinazojulikana: , elektroni, muon, lepton nzito na inayolingana. (alama e) inachukuliwa kuwa nyenzo ya misa ndogo zaidi katika asili m c, sawa na 9.1 x 10 -28 g (katika vitengo vya nishati 0.511 MeV) na hasi ndogo zaidi. umeme malipo e = 1.6 x 10 -19 C. (alama) - chembe zilizo na wingi wa takriban. Misa 207 (105.7 MeV) na umeme. malipo, sawa na malipo; Lepton nzito ina wingi wa takriban. 1.8 GeV. Aina tatu zinazolingana na chembe hizi ni elektroni (ishara v c), muon (ishara) na neutrino (ishara) - chembe nyepesi (ikiwezekana isiyo na misa) ya kielektroniki.
Leptoni zote zina (-), yaani, kitakwimu. St. wewe ni fermions (tazama).
Kila moja ya leptoni inalingana na , ambayo ina maadili ya molekuli sawa na sifa nyingine, lakini hutofautiana katika ishara ya umeme. malipo. Kuna (ishara e +) - kuhusiana na, chaji chanya (ishara) na aina tatu za antineutrinos (ishara), ambazo zinahusishwa na ishara kinyume nambari maalum ya quantum, inayoitwa malipo ya lepton (tazama hapa chini).
Kundi la tatu la chembe za msingi ni hadrons, zinashiriki katika mwingiliano wenye nguvu, dhaifu na wa umeme. Hadroni ni chembe “nzito” zenye misa kubwa zaidi ya ile ya . Hii ndiyo zaidi kundi kubwa la chembe za msingi. Hadroni imegawanywa katika baryons - chembe na mesons - chembe na integer (O au 1); pamoja na kinachojulikana resonances ni hadrons za muda mfupi. Baryoni ni pamoja na (ishara p) - kiini chenye misa ~ 1836 mara kubwa kuliko m s na sawa na 1.672648 x 10 -24 g (938.3 MeV), na kuweka. umeme malipo sawa na malipo, na pia (ishara n) - chembe ya neutral ya umeme, ambayo wingi wake huzidi kidogo. Kutoka na kila kitu kinajengwa, yaani mwingiliano mkali. huamua uunganisho wa chembe hizi kwa kila mmoja. Katika mwingiliano wa nguvu na kuwa na mali sawa na ni kuchukuliwa kama mbili ya chembe moja - nucleons na isotopic. (tazama hapa chini). Baryoni pia ni pamoja na hyperons - chembe za msingi zilizo na misa kubwa kuliko nucleon: hyperon ina misa ya 1116 MeV, hyperon ina misa ya 1190 MeV, hyperon ina misa ya 1320 MeV, na hyperon ina misa ya 1670. MeV. Mesons wana wingi wa kati kati ya wingi na (-meson, K-meson). Kuna mesoni ya upande wowote na ya kushtakiwa (yenye chaji chanya na hasi ya msingi ya umeme). Mesons wote wana sifa zao wenyewe. St. wewe ni wa bosons.
Tabia za msingi za chembe za msingi. Kila chembe ya msingi inaelezewa na seti ya maadili tofauti ya kimwili. kiasi (nambari za quantum). Tabia za jumla za chembe zote za msingi - wingi, maisha, umeme. malipo.
Kulingana na maisha yao, chembe za msingi zimegawanywa kuwa thabiti, quasi-imara na isiyo na utulivu (resonances). Imara (ndani ya usahihi wa vipimo vya kisasa) ni: (maisha zaidi ya 5 -10 miaka 21), (zaidi ya miaka 10 31), photon na. Chembe zenye uthabiti kiasi hujumuisha chembe zinazooza kutokana na mwingiliano wa sumakuumeme na dhaifu; maisha yao ni zaidi ya 10-20. Kuoza kwa resonances kwa sababu ya mwingiliano mkali, maisha yao ya tabia ni 10 -22 -10 -24 s.
Sifa za ndani (nambari za quantum) za chembe za msingi ni lepton (ishara L) na baryon (ishara B) malipo; nambari hizi zinachukuliwa kuwa kiasi kilichohifadhiwa kwa kila aina ya fedha. mwingiliano Kwa maana leptonics na L zao zina ishara kinyume; kwa baryons B = 1, kwa zinazofanana B = -1.
Hadrons ni sifa ya kuwepo kwa namba maalum za quantum: "ajabu", "charm", "uzuri". Hadroni za kawaida (zisizo za ajabu) ni ,-mesons. Ndani ya makundi mbalimbali ya hadrons kuna familia za chembe zinazofanana kwa wingi na kwa mali zinazofanana kuhusiana na mwingiliano mkali, lakini kwa sifa tofauti. maadili ya umeme malipo; mfano rahisi zaidi ni protoni na . Nambari ya jumla ya quantum kwa chembe za msingi kama hizo ni kinachojulikana. isotopiki , ambayo, kama kawaida , inakubali maadili kamili na nusu-jumla. KWA sifa maalum hadrons pia ni pamoja na usawa wa ndani, ambayo inachukua maadili 1.
Sifa muhimu ya chembe za msingi ni uwezo wao wa kupitia mabadiliko ya kuheshimiana kama matokeo ya mwingiliano wa kielektroniki au mwingine. Moja ya aina ya mabadiliko ya kuheshimiana ni kinachojulikana. kuzaliwa, au malezi kwa wakati mmoja wa chembe na (katika kesi ya jumla - malezi ya chembe za msingi na mashtaka kinyume leptonic au baryon). Michakato inayowezekana ni pamoja na kuzaliwa kwa elektroni-positron e - e +, muon chembe nzito nzito katika migongano ya leptoni, na uundaji wa cc- na bb-states kutoka kwa quarks (tazama hapa chini). Aina nyingine ya ubadilishaji wa chembe za msingi ni maangamizi wakati wa migongano ya chembe na uundaji wa idadi ndogo ya fotoni (quanta). Kwa kawaida, fotoni 2 hutolewa wakati jumla ya chembe zinazogongana ni sifuri na fotoni 3 zinatolewa wakati jumla ni sawa na 1 (udhihirisho wa sheria ya uhifadhi wa usawa wa malipo).
Chini ya hali fulani, hasa kwa kasi ya chini ya chembe za kugongana, uundaji wa mfumo wa pamoja - e - e + na Mifumo hii isiyo imara mara nyingi huitwa. , maisha yao katika dutu kwa kiasi kikubwa inategemea mali ya dutu, ambayo inafanya uwezekano wa kutumia condenser kujifunza muundo. dutu na kinetics ya kemikali ya haraka. wilaya (tazama,).
Mfano wa Quark wa hadrons. Uchunguzi wa kina wa idadi ya quantum ya hadroni kwa lengo lao ulituwezesha kuhitimisha kwamba hadrons za ajabu na hadrons za kawaida kwa pamoja huunda ushirikiano wa chembe na sifa za karibu, zinazoitwa unitary multiplets. Nambari za chembe zilizojumuishwa ndani yao ni 8 (octet) na 10 (decuplet). Chembe ambazo ni sehemu ya mseto wa umoja zina ndani sawa usawa, lakini hutofautiana katika maadili ya umeme. malipo (chembe za multiplet isotopic) na ajabu. Sifa zinazohusiana na vikundi vya umoja, ugunduzi wao ulikuwa msingi wa hitimisho juu ya uwepo wa vitengo maalum vya kimuundo ambavyo hadrons na quarks hujengwa. Inaaminika kuwa hadrons ni mchanganyiko wa misingi 3. chembe zenye 1/2: up-quarks, d-quarks na s-quarks. Kwa hivyo, mesons huundwa na quark na antiquark, baryons huundwa na quarks 3.
Dhana ya kwamba hadrons inaundwa na quarks 3 ilifanywa mwaka wa 1964 (J. Zweig na, kwa kujitegemea, M. Gell-Mann). Baadaye, quarks mbili zaidi zilijumuishwa katika mfano wa muundo wa hadrons (haswa, ili kuzuia mabishano na ) - "iliyovutia" (c) na "nzuri" (b), na pia sifa maalum za quarks zilianzishwa - "ladha" na "rangi". Quarks, zinazofanya kazi kama vipengele vya hadrons, hazijazingatiwa katika hali ya bure. Tofauti zote za hadron ni kwa sababu ya sababu tofauti. michanganyiko ya na-, d-, s-, c- na b-quarks kutengeneza majimbo yaliyounganishwa. Hadroni za kawaida ( , -mesons) zinalingana na majimbo yaliyounganishwa yaliyojengwa kutoka kwa up- na d-quarks. Uwepo katika hadron, pamoja na up na d quarks, ya s-, c- au b-quark ina maana kwamba hadron sambamba ni "ya ajabu", "iliyovutia" au "nzuri".
Mfano wa quark wa muundo wa hadrons ulithibitishwa kama matokeo ya majaribio yaliyofanywa mwishoni. 60s - mapema
miaka ya 70 Karne ya 20 Quarks kwa kweli ilianza kuzingatiwa kama chembe mpya za msingi - chembe za kimsingi za aina ya maada. Kutoonekana kwa quarks za bure, inaonekana, ni ya asili ya msingi na inapendekeza kuwa ni chembe hizo za msingi ambazo hufunga mlolongo wa vipengele vya miundo ya mwili. Kuna kinadharia na majaribio. hoja zinazounga mkono ukweli kwamba nguvu zinazofanya kazi kati ya quarks hazipunguki na umbali, i.e., kutenganisha quarks kutoka kwa kila mmoja kiasi kikubwa cha nishati inahitajika au, kwa maneno mengine, kuibuka kwa quarks katika hali ya bure haiwezekani. . Hii inawafanya kuwa aina mpya kabisa ya vitengo vya kimuundo katika kisiwa hicho. Inawezekana kwamba quarks hufanya kama hatua ya mwisho ya jambo.
Maelezo mafupi ya kihistoria. Chembe ya kwanza ya msingi iliyogunduliwa ilikuwa - neg. umeme malipo katika ishara zote mbili za umeme. malipo (K. Anderson na S. Neddermeyer, 1936), na K-mesons (kundi la S. Powell, 1947; kuwepo kwa chembe hizo kulipendekezwa na H. Yukawa mwaka wa 1935). Katika con. 40s - mapema 50s chembe za "ajabu" ziligunduliwa. Chembe za kwanza za kundi hili - K + - na K - -mesons, A-hyperons - pia zilirekodi katika nafasi. miale
Tangu mwanzo 50s accelerators zimekuwa kuu zana ya msingi ya utafiti wa chembe. Antiprotoni (1955), antineutron (1956), anti-hyperon (1960), na mnamo 1964 ile nzito zaidi iligunduliwa. W -hyperon. Katika miaka ya 1960 Idadi kubwa ya milio isiyo imara sana iligunduliwa kwenye viongeza kasi. Mnamo 1962 iliibuka kuwa kuna mbili tofauti: elektroni na muon. Mnamo 1974, chembe kubwa (3-4 za protoni) na wakati huo huo chembe zenye utulivu (ikilinganishwa na resonances za kawaida) ziligunduliwa, ambazo zilihusishwa kwa karibu na familia mpya ya chembe za msingi - "iliyovutia", wawakilishi wao wa kwanza. ziligunduliwa mnamo 1976 Mnamo 1975, analog nzito na lepton iligunduliwa, mnamo 1977 - chembe zilizo na wingi wa molekuli kumi za protoni, mnamo 1981 - chembe "nzuri". Mnamo 1983, chembe nzito zaidi za msingi zilizojulikana ziligunduliwa - bosons (molekuli 80 GeV) na Z ° (91 GeV).
Kwa hivyo, kwa miaka mingi tangu ugunduzi huo, idadi kubwa ya chembe ndogo tofauti zimetambuliwa. Ulimwengu wa chembe za msingi uligeuka kuwa ngumu, na mali zao hazikutarajiwa katika mambo mengi.
Lit.: Kokkede Ya., Nadharia ya quarks, [trans. kutoka kwa Kiingereza], M., 1971; Markov M. A., Juu ya asili ya jambo, M., 1976; Okun L.B., Leptons na quarks, toleo la 2, M., 1990.
Chembe za msingi- chembe ndogo zaidi zinazojulikana za jambo la kimwili, ambalo kwa kiasi fulani linaweza kuchukuliwa kuwa baadhi ya "vitalu vya ujenzi" vya ulimwengu katika ngazi ya kisasa ya ujuzi wa suala. Kwa maana finyu ya neno, chembe za msingi zinaweza kuitwa chembe ambamo muundo wa ndani haijawahi kuzingatiwa. Hizi ni pamoja na, kwa mfano, elektroni na photon. Idadi kubwa ya chembe za msingi (mesons, baryons) zina muundo wa ndani.
Historia ya ugunduzi wa chembe za msingi inachukua karne moja. Katika miaka ya 20 Karne ya XX nadharia ya chembe za msingi ilikuwa rahisi sana. Chembe mbili zilijulikana - elektroni na protoni, pamoja na aina mbili za mwingiliano - mvuto na sumakuumeme. Kwa msingi wao, matukio yote ya asili yalielezewa.
Mito miwili kuu ya uvumbuzi wa chembe mpya za msingi zinaweza kutofautishwa. Ya kwanza hutokea katika 30s - 50s. Karne ya 20, wakati, kwanza kabisa, nyutroni na positroni ziligunduliwa. Positroni ni antiparticle kuhusiana na elektroni; ni kama elektroni kwa kila njia, lakini ina chanya badala ya malipo hasi. Wakati elektroni inapogongana na positron, pamoja na wakati chembe yoyote inapogongana na antiparticle inayofanana, uharibifu wao unaweza kutokea, i.e. uharibifu wa pamoja wa chembe, ikifuatana na kuzaliwa kwa microparticles mpya na kutolewa kwa nishati. Kwa hivyo, elektroni inayoingiliana na positron hutoa fotoni mbili.
Kisha, neutrinos ziligunduliwa. Aina kadhaa za neutrinos sasa zinajulikana. Mnamo 1937, meson ya kwanza iligunduliwa. Inahusiana na mwingiliano wa nyuklia. Kufikia 1960, nadharia hiyo ilifunika chembe 32 za msingi, na kila chembe mpya ilihusishwa na ugunduzi wa duara mpya kimsingi. matukio ya kimwili. Mkondo wa pili wa uvumbuzi wa chembe za msingi ulitokea mnamo 1960-1965. Kufikia mwisho wa kipindi hiki, idadi ya chembe ilizidi 200. Mwishoni mwa miaka ya 1990. idadi ya chembe zilizogunduliwa na antiparticles inakaribia 400.
Sifa za chembe ndogo ndogo ni wingi, chaji ya umeme, spin, maisha, wakati wa sumaku, usawa wa anga, n.k. Dhana yenyewe ya msingi imepoteza maana yake, kwa kuwa hakuna kigezo cha msingi. Kuna chembe za msingi nne tu thabiti (zisizojitenganisha): elektroni, protoni, fotoni na aina zote za neutrino. Kwa msingi wa chembe hizi haiwezekani kujenga zingine zote ambazo zina uwezo wa kuvunjika kwa hiari. Kati ya chembe kama hizo, neutroni ya bure huishi kwa muda mrefu zaidi (dakika 17), na π-meson isiyo na upande huishi kwa muda mfupi zaidi (10 -16 s). Hata hivyo, kanuni ya uainishaji kulingana na tofauti katika maisha ya chembe haikuweza kuanzishwa.
Kipengele muhimu cha uainishaji wa vitu vya microworld ni uwezo wao wa kushiriki katika mwingiliano mkali. Chembe zinazoshiriki katika mwingiliano mkali huitwa hadrons, chembe zinazoshiriki katika mwingiliano dhaifu na kutoshiriki katika zile zenye nguvu huitwa leptoni. Kwa kuongeza, kuna chembe - wabebaji wa mwingiliano.
Leptoni ni pamoja na elektroni, muon, tau leptoni, aina tatu za neutrino na antiparticles zinazolingana. Hivyo, jumla ya nambari leptoni ni sawa na kumi na mbili. Neutrinos iligunduliwa katika miaka ya 60. Karne ya XX, ni chembe za kawaida zaidi katika Ulimwengu. Ulimwengu unaweza kufikiria kama bahari ya neutrino isiyo na mipaka, ambayo visiwa katika mfumo wa atomi hupatikana mara kwa mara. Bila kushiriki katika mwingiliano wa nguvu au sumakuumeme, hupenya kupitia maada kana kwamba haipo kabisa. Kwa hiyo, ni vigumu sana kuzisoma. Muon ni mojawapo ya chembe za kwanza zinazojulikana zisizo na uhakika za subatomic, zilizogunduliwa mwaka wa 1936. Katika mambo yote inafanana na elektroni: ina malipo sawa na inazunguka, inashiriki katika uingiliano sawa, lakini ina molekuli kubwa na haina msimamo (katika karibu mbili. milioni ya sekunde inaoza na kuwa elektroni na neutrino mbili). Tau lepton pia ni chembe iliyochajiwa. Ilifunguliwa katika miaka ya 70. Karne ya XX na ina molekuli kubwa sana - misa 3500 ya elektroni.
Idadi ya hadron ni mia kadhaa; zote, isipokuwa neutroni na protoni, ni za muda mfupi na huoza haraka. Ukosefu wa utulivu wa hadrons na utofauti wao mkubwa unaonyesha kuwa sio vitu vya msingi, lakini hujengwa kutoka kwa chembe ndogo - quarks. Hadroni nyingi ziligunduliwa katika miaka ya 50 na 60. Karne ya XX Hadroni hushiriki katika mwingiliano wenye nguvu, dhaifu na wa sumakuumeme.
Ikiwa leptoni na hadrons ni vitalu vya ujenzi wa suala, basi kuna pia chembe zinazotoa maingiliano manne, ambayo ni aina ya "gundi" ambayo huzuia ulimwengu kutoka. Vibebaji vya mwingiliano wa sumakuumeme ni fotoni, mwingiliano mkali ni gluons (quarks zinazofunga ndani ya protoni), mwingiliano dhaifu ni W +, W -, Z º -bosons (inayojulikana na misa kubwa ya kupumzika na muda mfupi maisha - 10 -26 s tu). Maoni yanaonyeshwa juu ya uwepo wa mtoaji wa uwanja wa mvuto - gravitons. Kulingana na mahesabu ya wanasayansi, wanapaswa, kama fotoni, kuwa na misa ya sifuri na kusonga kwa kasi ya mwanga. Hata hivyo, ikiwa photon ina spin ya 1 na wakati wa mwingiliano wa sumakuumeme chembe zinazochajiwa vile vile hufukuza, basi graviton ina spin ya 2. Hii inaruhusu chembe zote kuvutiwa kwa kila mmoja. Kwa kuwa mwingiliano wa mvuto ni dhaifu sana, bado haujawezekana kugundua gravitons moja kwa moja katika majaribio.
Hivi sasa, kinachojulikana kama antiparticles kimegunduliwa ambacho kina malipo kinyume na chembe (positron, antiproton, nk). Kwa hiyo, mwaka wa 1932, positroni ziligunduliwa katika miale ya cosmic *. Antiprotoni, zinazozalishwa katika migongano na viini vya shabaha za shaba, ziligunduliwa mwaka wa 1955 kwenye kiongeza kasi kipya huko Berkeley. Mnamo 1956, antineutron iligunduliwa. Ikiwa elektroni kutoka kwa positroni na protoni kutoka kwa antiprotoni hutofautiana, kwanza kabisa, katika ishara ya mashtaka, basi neutron na antineutron hutofautianaje? Neutroni haina chaji ya umeme, lakini ina uwanja wa sumaku unaohusishwa nayo. Sababu ya hii sio wazi kabisa, ingawa imeanzishwa kuwa uwanja wa sumaku wa neutroni umeelekezwa kwa mwelekeo mmoja, na uwanja wa sumaku wa antineutron unaelekezwa kinyume.
Mbali na tofauti katika malipo, antiparticles zina mali nyingine za msingi ikilinganishwa na chembe. Kwa hivyo, wakati wa mpito kutoka kwa ulimwengu kwenda kwa ulimwengu wa kipingamizi, "kulia" na "kushoto" hubadilisha mahali; wakati katika ulimwengu wa kipingamizi hutiririka kutoka siku zijazo hadi zamani, na sio kutoka zamani hadi siku zijazo, kama ilivyokuwa zamani. dunia. Tofauti na chembe, ambazo ni vitalu vya ujenzi wa ulimwengu wetu, antiparticles ni wageni tu wanaoonekana kwa muda katika ulimwengu huu. Wakati antiparticles hukutana na chembe, mlipuko hutokea, kama matokeo ambayo huharibiwa, ikitoa kiasi kikubwa cha nishati. Kulingana na uchunguzi mwingi wa antiparticles na kusoma tabia zao katika ulimwengu wetu, wanasayansi wengine wamekuja kwa wazo la uwepo wa ulimwengu mzima, ambao ni sawa na ulimwengu wetu na unaishi pamoja nayo, lakini hutofautiana katika ishara tofauti nayo. .
Mmoja wa waendelezaji wakuu wa nadharia hii alikuwa mwanataaluma wa Kiestonia G. Naan. Hoja yake kuu ni msimamo kwamba nusu zote mbili za Ulimwengu - ulimwengu na ulimwengu - hatimaye huibuka kutoka kwa utupu kabisa. Aliandika hivi: “Taarifa kuhusu uwezekano wa kutokea kutoka katika kitu chochote (utupu, utupu) kwa kufuata kikamilifu sheria za uhifadhi inapaswa kuonekana kuwa yenye utata sana. Baada ya yote, maana ya sheria za uhifadhi ni kwamba hakuna kitu kinachotoka kwa chochote, hakuna kitu kinachoweza kutoa kitu. Dhana iliyokuzwa hapa haipingi msimamo huu kwa njia yoyote. Hakuna kitu kinachoweza kuzaa (tu) kitu, lakini huzaa kitu zaidi - kitu na kupinga kitu kwa wakati mmoja! Dhana inayopendekezwa hapa hatimaye inategemea ukweli wa kimsingi kwamba usawa (-1)+(+1)=0 unaweza kusomwa kinyume chake, kutoka kulia kwenda kushoto: 0=(-1)+(+1). Usawa wa mwisho hauonyeshi tu cosmology, lakini pia cosmogony. Asili" nyenzo za ujenzi Ulimwengu" ni utupu, utupu. Kwa wastani, Ulimwengu wote wenye ulinganifu hauna chochote ila utupu. Kwa hiyo, inaweza kutokea kutokana na utupu kwa kuzingatia sheria zote za uhifadhi.” "Vipindi na viwianishi vyote vya muda wa nafasi ni sawa na sifuri. Ulimwengu wenye ulinganifu ni kwamba kwa wastani hauna chochote, hata nafasi na wakati.” Kwa kutumia mfano wa nadharia ya G. Nahan, umoja wa kanuni ya ulinganifu, ambayo itajadiliwa katika aya inayofuata, inaonekana wazi.
Chembe za msingi na antiparticles hutoka wapi katika Ulimwengu wetu? Wanasayansi wanapendekeza kwamba kutoka kwa utupu wa kimwili. Utupu wa kimwili sio "chochote kabisa" kabisa, lakini ni halisi mfumo wa kimwili, kwa mfano, uwanja wa umeme katika moja ya majimbo yake. Kwa kuongezea, kulingana na nadharia ya uwanja wa quantum, majimbo mengine yote ya uwanja na chembe za msingi zinaweza kupatikana kutoka kwa hali ya utupu. Fizikia inahusika na aina fulani na hali ya maada, na si kwa jambo kama hilo. Vivyo hivyo katika utafiti wa kimwili hawashughulikii "utupu kabisa" kama kutokuwepo kabisa kwa maada na nyenzo, lakini na "utupu wa jamaa," ambao unapaswa kueleweka kama kutokuwepo kwa aina fulani za vitu vya nyenzo na sifa zao.
Utupu unaweza kufafanuliwa kama uwanja wenye nishati kidogo. Lakini hii haina maana kwamba hakuna kitu ndani yake kabisa. Katika utupu wa kimwili, matukio magumu zaidi yanafanyika daima. michakato ya kimwili, kwa mfano, kuzaliwa na kifo cha chembe za kawaida, aina maalum oscillations ya utupu wa uwanja wa sumakuumeme ambayo haiepuki kutoka kwayo na haienezi. Hata hivyo, katika vipindi fulani chembe pepe zinaweza kugeuka kuwa chembe halisi.
Ulinganifu na kanuni za kutofautiana katika fizikia
Neno "ulinganifu" lina Asili ya Kigiriki na maana yake ni "usawa". KATIKA lugha ya kila siku Ulinganifu mara nyingi hueleweka kama mpangilio, maelewano, na uwiano. Mshikamano wa usawa wa sehemu na nzima ndio chanzo kikuu cha thamani ya uzuri ya ulinganifu. Fuwele zimetupendeza kwa muda mrefu kwa ukamilifu wao na ulinganifu mkali wa fomu. vilivyotiwa ulinganifu, frescoes, ensembles za usanifu kuamsha katika watu hisia ya uzuri, muziki na kazi za kishairi kusababisha pongezi haswa kwa maelewano yao. Kwa hivyo, tunaweza kuzungumza juu ya ulinganifu wa kitengo cha uzuri.
Ufafanuzi wa kisayansi wa ulinganifu ni wa mwanahisabati mkuu wa Ujerumani Herman Weil(1885 - 1955), ambaye katika kitabu chake cha ajabu "Symmetry" alichambua mabadiliko kutoka kwa mtazamo rahisi wa hisi ya ulinganifu hadi ufahamu wa kisayansi. Kulingana na G. Weil, chini ya ulinganifu mtu anapaswa kuelewa kutofautiana (kutobadilika) kwa sifa za kitu chini ya aina fulani ya mabadiliko. Tunaweza kusema kwamba ulinganifu ni seti ya sifa zisizobadilika za kitu. Kwa mfano, fuwele inaweza kujipanga yenyewe chini ya mizunguko fulani, tafakari, na uhamisho. Wanyama wengi wana takriban ulinganifu wa kioo wakati nusu ya kushoto ya mwili inaonyeshwa kwa kulia na kinyume chake. Hata hivyo, si tu kitu cha nyenzo, lakini pia, kwa mfano, kitu cha hisabati kinaweza kutii sheria za ulinganifu. Tunaweza kuzungumza juu ya kutofautiana kwa kazi au equation chini ya mabadiliko fulani ya mfumo wa kuratibu. Hii nayo inaruhusu kategoria ya ulinganifu kutumika kwa sheria za fizikia. Hivi ndivyo ulinganifu unavyoingia katika hisabati na fizikia, ambapo pia hutumika kama chanzo cha uzuri na neema.
Hatua kwa hatua, fizikia inagundua aina mpya zaidi za ulinganifu wa sheria za maumbile: ikiwa mwanzoni aina za ulinganifu wa wakati wa nafasi tu (kijiometri) zilizingatiwa, basi baadaye haikugunduliwa. aina za kijiometri(ruhusa, kipimo, umoja, n.k.). Mwisho unahusiana na sheria za mwingiliano, na wameunganishwa jina la kawaida"ulinganifu wa nguvu".
Kanuni za kutofautiana zina jukumu muhimu sana katika fizikia ya kisasa: kwa msaada wao, sheria za zamani za uhifadhi zinathibitishwa na sheria mpya za uhifadhi zinatabiriwa, na suluhisho la nyingi za msingi na za msingi. matatizo yaliyotumika na, muhimu zaidi, iliwezekana kufikia mafanikio ya kwanza kuelekea kuunganishwa kwa mwingiliano wa kimsingi (nadharia ya mwingiliano wa electroweak na Grand Unification). Kanuni hizi zina ujumla mkuu. Mwanafizikia bora wa kinadharia wa Marekani Yu. Wigner alibainisha kuwa kanuni hizi zinahusiana na sheria za asili kwa njia sawa na sheria za asili zinazohusiana na matukio, i.e. ulinganifu "hutawala" sheria, na sheria "kudhibiti" matukio. Ikiwa sivyo, kwa mfano, kutofautiana kwa sheria za asili kuhusiana na uhamisho katika nafasi na wakati, basi hakuna uwezekano kwamba sayansi ingeweza kuanzisha sheria hizi wakati wote.