Temel parçacıkların incelenmesinde ortaya çıkan temel problemler. Klasik fiziğin makro dünyasının kavramları ve modern bilimin mikro dünyasının kavramları

Şu anda yaklaşık 400 temel parçacık bilinmektedir. Bazıları çok kısa bir süre için "yaşar", hızla diğer parçacıklara dönüşür, varlıkları boyunca atom çekirdeğinin yarıçapına (10 -12 - 10 -13 cm) eşit mesafelere uçmayı başarır. Deneysel ölçüm için mevcut minimum süre, yaklaşık 10-26 saniyelik bir değerle karakterize edilir. Bazı temel parçacıkların beklenmedik derecede ağır olduğu, hatta tek tek atomlardan daha ağır olduğu ortaya çıktı.

Modern fizikçiler, temel parçacıkların sistemleştirilmesine büyük önem veriyorlar ve hem aralarında hem de bunlara karşılık gelen temel etkileşim türleri (güçlü, zayıf, elektromanyetik ve yerçekimi) arasındaki iç birliği ortaya koyuyorlar.

Zayıf etkileşimin yoğunluğu, nükleer kuvvetlerin yoğunluğundan 10-11 büyüklük sırası (10 10 -10 11 kat) daha azdır. Bu nedenle zayıf olarak adlandırıldı, etki yarıçapı 10 -15 cm'den az. Nükleer kuvvetlerin etki yarıçapına uygun mesafelerdeki elektromanyetik etkileşim yalnızca 10 2 -10 3 kat daha zayıf. Bu mesafelerdeki en zayıf etkileşim, yoğunluğu zayıf etkileşimden kat kat daha düşük olan yerçekimsel etkileşimdir.

Zayıf etkileşim bile kütleçekimsel etkileşimden kat kat daha büyüktür. Ve Coulomb kuvveti, yani iki elektronun elektriksel itme kuvveti, onların yerçekimsel çekimlerinin büyüklüğünden 10 42 kat daha fazladır. Elektronları atom çekirdeğine “çeken” elektromanyetik kuvvetlerin yerçekimi kuvvetleri seviyesine kadar zayıfladığını hayal edersek, hidrojen atomu Evrenin bizim görebildiğimiz kısmından daha büyük hale gelecektir. Mesafeler azaldıkça yer çekimi kuvvetleri çok yavaş artar. Yalnızca deneysel araştırmalar için erişilemeyen 10-32 cm'den daha küçük olağanüstü küçük aralıklarda baskın hale gelirler. Deney sayesinde artık 10-16 cm'ye yakın mesafelerden "bakmak" mümkün oluyor.

Bu dört tür temel (maddenin temelinde yatan) etkileşimler, bu etkileşimlerin bir tür taşıyıcısı olarak hizmet eden karşılık gelen parçacıkların değişimi yoluyla gerçekleştirilir. Kuvvetlerin etki yarıçapı parçacıkların kütlesine bağlıdır. Elektromanyetik etkileşim fotonlar (geri kalan kütle sıfırdır) tarafından taşınır, yerçekimsel etkileşim ise gravitonlar (yine de varsayımsal, deneysel olarak belirlenmemiş, kütlesi de sıfır olması gereken parçacıklar) tarafından taşınır. Kütlesiz parçacıklar tarafından taşınan bu iki etkileşimin geniş, muhtemelen sonsuz bir etki alanı vardır. Dahası, yalnızca yerçekimsel etkileşim aynı parçacıklar arasında çekim yaratır, diğer üç etkileşim türü aynı adı taşıyan parçacıkların itilmesini belirler. Atom çekirdeğindeki proton ve nötronları bağlayan güçlü etkileşimin taşıyıcıları gluonlardır. Bu etkileşim hadron adı verilen ağır parçacıkların karakteristik özelliğidir. Zayıf etkileşim vektör bozonları tarafından taşınır. Bu etkileşim hafif parçacıkların - leptonların (elektronlar, pozitronlar vb.) karakteristiğidir.

Mikro dünyanın çeşitliliği, parçacıkların ve alanların birbirine dönüştürülebilirliği yoluyla birliğini varsayar. Bir “çiftin” (bir parçacık ve bir antiparçacık) farklı bir “tip”teki parçacıklara dönüşümü özellikle önemlidir. İlk keşfeden, elektronların ve pozitronların elektromanyetik alan kuantum fotonlarına dönüşümü ve yeterince yüksek enerjiye sahip fotonlardan çiftlerin "üretilmesinin" ters süreciydi.

Şu anda, temel parçacıkların sistemleştirilmesi probleminin gelişimi, varoluş fikri ile ilişkilidir. kuarklar - kesirli elektrik yüküne sahip parçacıklar. Şimdi, güçlü bir şekilde etkileşime giren tüm parçacıkların - hadronların - onlardan "inşa edilebilmesi" anlamında "en temel" olarak kabul ediliyorlar. Kuark teorisi açısından bakıldığında temel parçacıkların düzeyi, kuarklardan ve antikuarklardan oluşan nesnelerin bölgesidir. Dahası, ikincisi bu bilgi düzeyinde bilinen parçacıkların en basit, en temel parçacıkları olarak kabul edilse de, kendileri de karmaşık özelliklere sahiptir - yük, "çekicilik" ("çekicilik"), "renk" ve diğer olağandışı kuantum fiziksel özellikler. Nasıl ki kimyada "atom" ve "molekül" kavramları olmadan yapılamazsa, temel parçacık fiziği de "kuark" kavramı olmadan yapamaz.

Yani liste hadronlar - Güçlü etkileşimle karakterize edilen ağır parçacıklar - üç parçacıktan oluşur: kuark, antik ve onları birbirine bağlamak Gluon. Onlarla birlikte yaklaşık on hafif parçacık var. leptonlar (elektronlar, pozitronlar, nötrinolar vb.) - bunlar zayıf etkileşime karşılık gelir. Ayrıca biliniyor foton - elektromanyetik etkileşimin taşıyıcısı. Ve hala varsayımsal, yalnızca teorik olarak tahmin edilen bir şey olarak kalıyor graviton, yerçekimi etkileşimi ile ilişkilidir. Leptonların, fotonların ve gravitonların iç yapısı hakkında henüz hiçbir şey bilinmiyor. Şimdi zaten az çok spesifik bir sentez fikri, zayıf, güçlü ve elektromanyetik etkileşim türlerinin ilişkisi var. Bunların ilişkisini yerçekimsel etkileşimle açıklamanın mümkün olduğu keşfedildi. Bütün bunlar, birlik çerçevesinde tezahürlerinde sonsuz çeşitlilikte kalan, dünyanın birliğini anlamada teorik düşünmenin temelde sınırsız olasılığının gerçekte kademeli olarak gerçekleştirildiğine tanıklık ediyor.

Bölüm 10 için Referanslar

Barashenkov V.S. Bilimin sınırları var mı: maddi dünyanın niceliksel ve niteliksel tükenmezliği. - M., 1982.

Heisenberg V. Fizik ve felsefe: Parça ve bütün. - M., 1989.

Zeldovich Ya.B., Khlopov M.Yu. Doğa bilgisindeki fikirlerin draması: Parçacıklar, alanlar, yükler. - M., 1988.

Markov M.A. Maddenin doğası hakkında. - M., 1976.

Pakhomov B.Ya. Dünyanın modern bir fiziksel resminin oluşumu. -M., 1985.

Sachkov Yu.V. Olasılık dünyasına giriş. - M., 1971.

11. BÖLÜM

Rusya Federasyonu Bakanlığı

Saratov Hukuk Enstitüsü

Samara şubesi

PI ve PCTRP Bölümü

Soyut

Konuyla ilgili: ” Temel parçacıklar ”

Tamamlayan: Harbiyeli 421 eğitim grubu

polis özel

Sizonenko A.A.

Kontrol eden: bölüm öğretmeni

Kuznetsov S.I.

Samara 2002

Planı

1) Giriiş.

3) Temel parçacıkların temel özellikleri. Etkileşim sınıfları .

a) Üniter simetri.

b) Hadronların kuark modeli

7) Çözüm. Temel parçacıklar teorisinin bazı genel problemleri.

giriiş .

e . h. bu terimin tam anlamıyla - varsayım gereği tüm maddenin oluştuğu birincil, diğer ayrışmaz parçacıklar. "E.h." modern fizikte, maddi dünyanın bilinen tüm özelliklerini belirleyen ilkel varlıklar fikri ifade edilir; bu fikir, doğa biliminin gelişiminin ilk aşamalarında ortaya çıkan ve gelişiminde her zaman önemli bir rol oynamış bir fikirdir.

"E.h." Maddenin yapısının mikroskobik düzeyde ayrık doğasının kurulmasıyla yakın bağlantılı olarak oluşturulmuştur. 19. ve 20. yüzyılların başında keşif. Maddenin özelliklerinin en küçük taşıyıcıları - moleküller ve atomlar - ve moleküllerin atomlardan oluştuğu gerçeğinin ortaya konması, ilk kez bilinen tüm maddeleri sonlu, ancak büyük sayıda yapısal bileşenlerin kombinasyonları olarak tanımlamayı mümkün kıldı. bileşenler - atomlar. Kurucu atomların (elektronlar ve çekirdekler) varlığının daha fazla tanımlanması, yalnızca iki tür parçacıktan (protonlar ve nötronlar) oluştuğu ortaya çıkan çekirdeklerin karmaşık yapısının belirlenmesi , maddenin özelliklerini oluşturan ayrı elemanların sayısını önemli ölçüde azalttı ve maddenin kurucu parçaları zincirinin ayrı yapısız oluşumlarla bittiğini varsaymak için neden verdi - E. ch. ve kesin olarak kanıtlanamaz. Yukarıdaki tanım anlamında temel parçacıkların var olduğunu kesin olarak söylemek imkansızdır. Örneğin uzun süre elektron olarak kabul edilen proton ve nötronların karmaşık bir yapıya sahip olduğu ortaya çıktı. Maddenin yapısal bileşenlerinin sırasının temelde sonsuz olması ihtimali göz ardı edilemez. Maddeyi incelemenin bir aşamasında “... oluşur” ifadesinin içerikten yoksun olduğu da ortaya çıkabilir. Bu durumda yukarıda verilen “temel” tanımından vazgeçilmesi gerekecektir. Bir elektron elementinin varlığı bir tür varsayımdır ve geçerliliğinin test edilmesi fizikteki en önemli görevlerden biridir.

"E.h." modern fizikte sıklıkla tam anlamıyla değil, daha az kesin olarak kullanılır - atom veya atom çekirdeği olmaması koşuluyla maddenin en küçük parçacıklarından oluşan büyük bir grubu adlandırmak için (istisna, hidrojen atomunun en basit çekirdeğidir - proton). Araştırmalar bu parçacık grubunun alışılmadık derecede geniş olduğunu gösterdi. Bahsedilen proton (p), nötron (n) ve elektronun (e -) yanı sıra şunları içerir: foton (g), pi-mezonlar (p), müonlar (m), üç türden nötrinolar (elektron) v e, müon v m ve sözde ile ilgili. ağır lepton v t), sözde garip parçacıklar (K-mezonlar ve hiperonlar) , 1974-77'de çeşitli rezonanslar keşfedildi; y parçacıkları, "büyülenmiş" parçacıklar, upsilon parçacıkları (¡) ve ağır leptonlar (t+, t-) - toplamda 350'den fazla parçacık, çoğunlukla kararsız. Bu gruba dahil olan parçacıkların sayısı artmaya devam ediyor ve büyük olasılıkla sınırsızdır; Dahası, listelenen parçacıkların çoğu, modern kavramlara göre kompozit sistemler olduklarından, temelliğin katı tanımını karşılamamaktadır (aşağıya bakınız). "E.h." isminin kullanılması tüm bu parçacıkların tarihsel nedenleri vardır ve bu grubun bilinen tek temsilcilerinin proton, nötron, elektron ve elektromanyetik alanın bir parçacığı olan foton olduğu araştırma dönemiyle (20. yüzyılın 30'lu yıllarının başı) ilişkilidir. Bizi çevreleyen maddenin ve onunla etkileşime giren elektromanyetik alanın yapısının temelini oluşturdukları ve proton ile nötronun karmaşık yapısı bilinmediği için bu dört parçacığın temel olduğunu düşünmek doğaldı.

Maddenin yeni mikroskobik parçacıklarının keşfi, bu basit tabloyu yavaş yavaş yok etti. Ancak yeni keşfedilen parçacıklar birçok açıdan bilinen ilk dört parçacığa yakındı. Birleştirici özellikleri, bunların hepsinin, maddenin çekirdek ve atomlarla ilişkili olmayan belirli varoluş biçimleri olmalarıdır (bazen bu nedenle bunlara "nükleer altı parçacıklar" denir). Bu tür parçacıkların sayısı çok fazla olmasa da maddenin yapısında temel bir rol oynadıkları inancı devam etti ve bunlar E. parçacıkları olarak sınıflandırıldı. Subnükleer parçacıkların sayısının artması, karmaşık bir yapının tanımlanması. Birçoğu, kural olarak temel özelliklere sahip olmadıklarını, ancak geleneksel adı olan "E.ch." onlar için saklandı.

Yerleşik uygulamaya uygun olarak "E. h." aşağıda genel ad olarak kullanılacaktır. nükleer altı parçacıklar Maddenin temel unsuru olduğu iddia edilen parçacıklardan bahsettiğimiz durumlarda gerekirse “gerçek E. parçacığı” tabiri kullanılacaktır.

Kısa tarihsel bilgiler.

Elektron parçacıklarının keşfi, 19. yüzyılın sonunda fizik biliminin maddenin yapısına ilişkin çalışmalarda elde ettiği genel başarıların doğal bir sonucuydu. Atomların optik spektrumlarının kapsamlı çalışmaları, sıvı ve gazlardaki elektriksel olayların incelenmesi, fotoelektrikliğin, X ışınlarının ve maddenin karmaşık bir yapısının varlığını gösteren doğal radyoaktivitenin keşfi ile hazırlanmıştır.

Tarihsel olarak keşfedilen ilk elektron elementi, atomlardaki negatif temel elektrik yükünün taşıyıcısı olan elektrondu. 1897'de J. J. Thomson sözde bunu tespit etti. Katot ışınları, elektron adı verilen çok küçük parçacıkların akışından oluşur. 1911'de, doğal bir radyoaktif kaynaktan alfa parçacıklarını çeşitli maddelerin ince folyolarından geçiren E. Rutherford, atomlardaki pozitif yükün kompakt oluşumlarda - çekirdeklerde yoğunlaştığını buldu ve 1919'da protonları - birim pozitif yüke sahip parçacıklar keşfetti. ve bir elektronun kütlesinden 1840 kat daha büyük bir kütle. Çekirdeğin bir parçası olan başka bir parçacık olan nötron, 1932 yılında J. Chadwick tarafından alfa parçacıklarının berilyum ile etkileşimi incelenirken keşfedildi. Bir nötronun protona yakın bir kütlesi vardır ancak elektrik yükü yoktur. Nötronun keşfi, parçacıkların (atomların yapısal elemanları ve çekirdekleri) tanımlanmasını tamamladı.

Elektromanyetik alanın bir parçacığının - bir fotonun - varlığına ilişkin sonuç, M. Planck'ın (1900) çalışmalarından kaynaklanmaktadır. Tamamen siyah bir cisimden gelen elektromanyetik radyasyonun enerjisinin kuantize edildiğini varsayarak Planck, radyasyon spektrumu için doğru formülü elde etti. Planck'ın fikrini geliştiren A. Einstein (1905), elektromanyetik radyasyonun (ışık) aslında bireysel kuantumların (fotonların) akışı olduğunu öne sürdü ve bu temelde fotoelektrik etkinin yasalarını açıkladı. Fotonun varlığının doğrudan deneysel kanıtı R. Millikan (1912-1915) ve A. Compton (1922; bkz. Compton etkisi) tarafından verilmiştir.

Maddeyle pek etkileşime girmeyen bir parçacık olan nötrinonun keşfi, W. Pauli'nin (1930) teorik tahmininden kaynaklanır; bu tahmin, böyle bir parçacığın doğduğu varsayımı nedeniyle yasadaki zorlukları ortadan kaldırmayı mümkün kıldı. Radyoaktif çekirdeklerin beta bozunması süreçlerinde enerjinin korunumu. Nötrinoların varlığı deneysel olarak ancak 1953'te doğrulandı (F. Reines ve K. Cowan, ABD).

30'lu yıllardan 50'li yılların başlarına kadar. Elektron parçacıklarının incelenmesi kozmik ışınların incelenmesiyle yakından ilişkiliydi. 1932'de K. Anderson, kozmik ışınlarda bir pozitron (e +) keşfetti - elektron kütlesine sahip, ancak pozitif elektrik yüküne sahip bir parçacık. Pozitron keşfedilen ilk antipartiküldü (aşağıya bakınız). e+'nın varlığı, pozitronun keşfinden kısa süre önce P. Dirac (1928-31) tarafından geliştirilen göreli elektron teorisinin doğrudan sonucuydu. 1936'da Amerikalı fizikçiler K. Anderson ve S. Neddermeyer, osmik ışınları incelerken müonları (her ikisi de elektrik yükünün işareti) keşfettiler - yaklaşık 200 elektron kütlesi kütlesine sahip, ancak bunun dışında şaşırtıcı derecede e -, e + ile benzer özelliklere sahip parçacıklar .

1947'de yine kozmik ışınlarda S. Powell'ın grubu, çekirdeklerdeki protonların nötronlarla etkileşiminde önemli rol oynayan, 274 elektron kütlesine sahip p + ve p - mezonlarını keşfetti. Bu tür parçacıkların varlığı 1935 yılında H. Yukawa tarafından öne sürülmüştür.

40'ların sonu - 50'lerin başı. "tuhaf" olarak adlandırılan, olağandışı özelliklere sahip büyük bir parçacık grubunun keşfiyle dikkat çekti. Bu grubun ilk parçacıkları, K + - ve K - - mezonlar, L-, S + -, S - -, X - - hiperonlar kozmik ışınlarda keşfedildi, daha sonra hızlandırıcılarda garip parçacıkların keşifleri yapıldı - kurulumlar hızlı proton ve elektronların yoğun akışlarını yaratır. Hızlanan protonlar ve elektronlar maddeyle çarpıştıklarında yeni elektron parçacıkları doğuruyorlar ve bunlar da inceleme konusu oluyor.

50'li yılların başından beri. Hızlandırıcılar 70'lerde elektron parçacıklarını incelemek için ana araç haline geldi. Hızlandırıcılarda hızlandırılan parçacıkların enerjileri onlarca ve yüz milyarlarca elektronvolta ulaştı ( Gav). Parçacık enerjilerini artırma arzusu, yüksek enerjilerin maddenin yapısını daha kısa mesafelerde inceleme olasılığını açmasından kaynaklanmaktadır, çarpışan parçacıkların enerjisi ne kadar yüksek olursa. Hızlandırıcılar yeni veri elde etme oranını önemli ölçüde artırdı ve kısa sürede mikro dünyanın özelliklerine ilişkin bilgimizi genişletip zenginleştirdi. Garip parçacıkları incelemek için hızlandırıcıların kullanılması, bunların özelliklerinin, özellikle de bozunma özelliklerinin daha ayrıntılı olarak incelenmesini mümkün kıldı ve kısa süre sonra önemli bir keşfe yol açtı: aynanın çalışması sırasında bazı mikro süreçlerin özelliklerini değiştirme olasılığının aydınlatılması yansıma (bkz. Uzaysal ters çevirme) - sözde boşlukların ihlali. parite (1956). Milyarlarca enerjiye sahip proton hızlandırıcıların devreye alınması ev ağır antipartiküllerin keşfine olanak sağladı: antiproton (1955), antinötron (1956), antisigma hiperonları (1960). 1964 yılında en ağır hiperon W - (kütlesi yaklaşık iki proton kütlesi olan) keşfedildi. 1960'larda Hızlandırıcılarda "rezonans" adı verilen çok sayıda son derece kararsız (diğer kararsız elektron parçacıklarıyla karşılaştırıldığında) parçacıklar keşfedildi. Çoğu rezonansın kütlesi protonun kütlesini aşar. Bunlardan ilki D 1 (1232), 1953'ten beri biliniyor. Rezonansların elektron frekansının ana bölümünü oluşturduğu ortaya çıktı.

1962 yılında iki farklı nötrino olduğu keşfedildi: elektron ve müon. 1964'te nötr K-mezonların bozunmalarında. sözde korunmaması birleşik parite (Li Tsung-dao ve Yang Zhen-ning tarafından ve bağımsız olarak 1956'da L. D. Landau tarafından tanıtıldı; bkz. Birleşik ters çevirme) , zaman yansımasının işleyişi sırasında fiziksel süreçlerin davranışına ilişkin olağan görüşlerin revize edilmesi ihtiyacı anlamına gelir (bkz. CPT Teoremi) .

1974'te devasa (3-4 proton kütlesi) ve aynı zamanda nispeten kararlı, rezonans ömrü alışılmadık derecede uzun olan y parçacıkları keşfedildi. İlk temsilcileri (D 0, D +, L c) 1976'da keşfedilen yeni elektron parçacıkları ailesiyle - "büyülenmiş" olanlar - yakından ilişkili oldukları ortaya çıktı. 1975'te, hakkında ilk bilgi elde edildi. elektron ve müonun ağır bir analogunun varlığı (ağır lepton t). 1977'de yaklaşık on proton kütlesine sahip β parçacıkları keşfedildi.

Böylece, elektronun keşfinden bu yana geçen yıllar boyunca, maddenin çok sayıda farklı mikropartikülleri tanımlandı. E. h.'nin dünyasının oldukça karmaşık olduğu ortaya çıktı. Keşfedilen elektron parçacıklarının özellikleri pek çok açıdan beklenmedikti. Bunları tanımlamak için, elektrik yükü, kütle ve açısal momentum gibi klasik fizikten alınan özelliklere ek olarak, özellikle birçok yeni özel özelliğin tanıtılması gerekiyordu. tuhaf elektron parçacıklarını tanımlamak için - tuhaflık (K. Nishijima, M. Gell-Man, 1953), E'den “büyülenmiş”. . h. - “çekicilik” (Amerikalı fizikçiler J. Bjorken, S. Glashow, 1964); Verilen özelliklerin adları zaten tanımladıkları özelliklerin olağandışı doğasını yansıtmaktadır.

İlk adımlarından itibaren, maddenin iç yapısı ve elektronların özelliklerinin incelenmesine, birçok yerleşik kavram ve fikrin radikal bir revizyonu eşlik etti. Küçük maddedeki maddenin davranışını yöneten yasaların, klasik mekanik ve elektrodinamik yasalarından o kadar farklı olduğu ortaya çıktı ki bunların açıklanması için tamamen yeni teorik yapılara ihtiyaç duyuldu. Teorideki bu tür yeni temel yapılar, özel (özel) ve genel görelilik teorileri (A. Einstein, 1905 ve 1916; bkz. Görelilik teorisi, Yerçekimi) ve kuantum mekaniği (1924-27; N. Bohr, L. de Broglie, V) idi. Heisenberg, E. Schrödinger, M. Born) . Görelilik teorisi ve kuantum mekaniği, doğa biliminde gerçek bir devrime işaret etti ve mikro dünyanın olaylarını tanımlamanın temellerini attı. Ancak kuantum mekaniğinin elektron parçacıklarında meydana gelen süreçleri açıklamakta yetersiz kaldığı ortaya çıktı. Bir sonraki adıma ihtiyaç vardı - klasik alanların kuantizasyonu (ikincil kuantizasyon olarak adlandırılır) ve kuantum alan teorisinin geliştirilmesi. Gelişim yolundaki en önemli aşamalar şunlardı: Kuantum elektrodinamiğinin formülasyonu (P. Dirac, 1929), modern zayıf teorinin temelini oluşturan b-bozunmasının kuantum teorisi (E. Fermi, 1934). etkileşimler, kuantum mezodinamiği (Yukawa, 1935). İkincisinin hemen öncülü sözde idi. nükleer kuvvetlerin b-teorisi (I.E. Tamm, D.D. Ivanenko, 1934; bkz. Güçlü etkileşimler). Bu dönem, renormalizasyon tekniğinin (bkz. Kuantum alan teorisi) kullanımına dayanan, kuantum elektrodinamiği için tutarlı bir hesaplama aparatının (S. Tomonaga, R. Feynman, J. Schwinger; 1944-49) yaratılmasıyla sona erdi. Bu teknik daha sonra kuantum alan teorisinin diğer varyantlarına genelleştirildi.

Kuantum alan teorisi gelişmeye ve gelişmeye devam ediyor ve elektron parçacıklarının etkileşimlerini açıklamanın temelini oluşturuyor. Bu teorinin bir takım önemli başarıları var, ancak yine de tamamlanmaktan çok uzak ve elektron parçacıklarının kapsamlı bir teorisi olduğunu iddia edemiyor. Elektronların birçok özelliğinin kökeni ve doğal etkileşimlerinin doğası büyük ölçüde belirsizliğini koruyor. Elektron parçacıkları teorisi oluşturulmadan önce tüm fikirlerin birden fazla yeniden yapılandırılması ve mikro parçacıkların özellikleri ile uzay-zamanın geometrik özellikleri arasındaki ilişkinin çok daha derin bir şekilde anlaşılmasının gerekli olması mümkündür.

Temel parçacıkların temel özellikleri. Etkileşim sınıfları.

Tüm elektron parçacıkları son derece küçük kütlelere ve boyutlara sahip nesnelerdir. Birçoğunun proton kütlesi mertebesinde 1,6×10-24 g'ye eşit kütleleri vardır (yalnızca elektronun kütlesi belirgin şekilde daha küçüktür: 9×10-28 g). Proton, nötron ve p-mezonun deneysel olarak belirlenen boyutları büyüklük sırasına göre 10-13 cm'ye eşittir. Elektron ve müonun boyutları ise belirlenememiştir, yalnızca 10-15 cm'den küçük oldukları bilinmektedir. cm. Elektron parçacıklarının mikroskobik kütleleri ve boyutları, davranışlarının temel kuantum özgüllüğünü oluşturur. Kuantum teorisinde elektron parçacıklarına atfedilmesi gereken karakteristik dalga boyları (burada Planck sabiti, m parçacığın kütlesi, c ışık hızıdır) etkileşimlerin meydana geldiği tipik boyutlara büyüklük sırasına göre yakındır ( örneğin p-mezon için 1,4×10-13 cm). Bu durum kuantum yasalarının elektron parçacıkları için belirleyici olduğu gerçeğine yol açmaktadır.

Tüm elektron parçacıklarının en önemli kuantum özelliği, diğer parçacıklarla etkileşime girdiğinde yaratılma ve yok edilme (yayılma ve soğurulma) yetenekleridir. Bu bakımdan fotonlara tamamen benzerler. E. parçacıkları, maddenin belirli kuantumlarıdır, daha kesin olarak karşılık gelen fiziksel alanların kuantumlarıdır (aşağıya bakın). Elektron parçacıklarını içeren tüm süreçler, bir dizi soğurma ve emisyon eylemiyle ilerler. Örneğin, iki protonun (p + p ® p + n+ p +) çarpışmasında bir p + mezonun doğuş süreci veya bir elektron ile bir pozitronun yok olma süreci ancak bu temelde anlaşılabilir. örneğin kaybolan parçacıkların yerine iki g-kuanta ortaya çıkar ( e + +e - ® g + g). Ancak parçacıkların elastik saçılma süreçleri, örneğin e - +p ® e - + p, aynı zamanda başlangıç parçacıklarının emilmesi ve son parçacıkların doğuşu ile de ilişkilidir. Kararsız elektron parçacıklarının enerji salınımıyla birlikte daha hafif parçacıklara bozunması da aynı modeli izler ve bozunma ürünlerinin bozunma anında doğduğu ve o ana kadar var olmadığı bir süreçtir. Bu bakımdan bir elektron parçacığının bozunması, uyarılmış bir atomun temel durumdaki bir atoma ve bir fotona bozunmasına benzer. Elektrokimyasal bozunma örnekleri arasında şunlar yer alır: ; p+®m++vm; К + ® p + + p 0 (bundan sonra parçacık sembolünün üzerindeki "tilde" işareti karşılık gelen antiparçacıkları işaret eder).

E. h. ile çeşitli süreçler, oluşum yoğunluklarına göre belirgin şekilde farklılık gösterir. Buna uygun olarak, elektromanyetik parçacıkların etkileşimleri fenomenolojik olarak birkaç sınıfa ayrılabilir: güçlü, elektromanyetik ve zayıf etkileşimler. Tüm elektron parçacıklarının da yerçekimsel etkileşimi vardır.

Güçlü etkileşimler, diğer tüm süreçler arasında en büyük yoğunlukta meydana gelen süreçlerin ortaya çıkmasına neden olan etkileşimler olarak tanımlanır. Ayrıca atomların çekirdeğindeki proton ve nötronların bağlantısını belirleyen ve maddenin karasal koşullar altında stabilitesinin temelini oluşturan bu oluşumların olağanüstü gücünü sağlayan güçlü etkileşimlerdir.

Elektromanyetik etkileşimler, bir elektromanyetik alanla bağlantıya dayanan etkileşimler olarak tanımlanır. Bunların neden olduğu süreçler, güçlü etkileşim süreçlerinden daha az yoğundur ve bunların oluşturduğu elektron kuvvetleri arasındaki bağlantı gözle görülür şekilde daha zayıftır. Özellikle elektromanyetik etkileşimler atomik elektronların çekirdeklerle bağlantısından ve moleküllerdeki atomların bağlantısından sorumludur.

Adından da anlaşılacağı gibi zayıf etkileşimler, elektron parçacıklarıyla çok yavaş gerçekleşen süreçlere neden olur. Bunların düşük yoğunluğu, yalnızca zayıf etkileşimlere sahip olan nötrinoların, örneğin Dünya'nın ve Güneş'in kalınlığına engelsiz bir şekilde nüfuz etmesiyle açıklanabilir. . Zayıf etkileşimler aynı zamanda sözde yavaş bozulmalara da neden olur. yarı-kararlı elektron parçacıkları Bu parçacıkların ömürleri 10 -8 -10 -10 saniye aralığında yer alırken, elektron parçacıklarının güçlü etkileşimleri için tipik süreler 10 -23 -10 -24 saniyedir.

Makroskopik görünümleriyle iyi bilinen yerçekimi etkileşimleri, ~10 -13 cm karakteristik mesafelerdeki elektron parçacıkları durumunda, elektron parçacıklarının küçük kütleleri nedeniyle son derece küçük etkiler üretir.

Çeşitli etkileşim sınıflarının gücü, karşılık gelen etkileşimlerin sabitlerinin kareleriyle ilişkili boyutsuz parametrelerle yaklaşık olarak karakterize edilebilir. ~1 GeV ortalama işlem enerjisine sahip protonların güçlü, elektromanyetik, zayıf ve yerçekimsel etkileşimleri için bu parametreler 1:10 -2: l0 -10:10 -38 olarak ilişkilidir. Sürecin ortalama enerjisini belirtme ihtiyacı, zayıf etkileşimler için boyutsuz parametrenin enerjiye bağlı olmasından kaynaklanmaktadır. Ayrıca çeşitli süreçlerin yoğunlukları da enerjiye farklı şekilde bağlıdır. Bu, genel olarak konuşursak, çeşitli etkileşimlerin göreceli rolünün, etkileşime giren parçacıkların artan enerjisiyle değişmesine, böylece süreçlerin yoğunluklarının karşılaştırılmasına dayalı olarak etkileşimlerin sınıflara bölünmesinin güvenilir bir şekilde gerçekleştirilmesine yol açar. çok yüksek enerjiler. Bununla birlikte, farklı etkileşim sınıfları, simetrilerinin farklı özellikleriyle ilişkili başka spesifik özelliklere de sahiptir (bkz. Fizikte Simetri), bu da onların daha yüksek enerjilerde ayrılmalarına katkıda bulunur. Etkileşimlerin sınıflara bölünmesinin en yüksek enerjilerin sınırında korunup korunmayacağı belirsizliğini koruyor.

Belirli etkileşim türlerine katılımlarına bağlı olarak, foton hariç incelenen tüm elektron parçacıkları iki ana gruba ayrılır: hadronlar (Yunanca hadros'tan - büyük, güçlü) ve leptonlar (Yunanca leptos'tan - küçük, ince, hafif). Hadronlar öncelikle elektromanyetik ve zayıf etkileşimlerin yanı sıra güçlü etkileşimlere sahip olmaları, leptonların ise yalnızca elektromanyetik ve zayıf etkileşimlere katılmalarıyla karakterize edilir. (Her iki grupta da ortak olan yerçekimsel etkileşimlerin varlığı ima edilmektedir.) Hadron kütleleri büyüklük sırasına göre proton kütlesine (mp) yakındır; P-mezon, hadronlar arasında minimum kütleye sahiptir: t p "m 1/7×t p. 1975-76'dan önce bilinen leptonların kütleleri küçüktü (0,1 m p), ancak son veriler görünüşe göre var olma olasılığını gösteriyor. Hadronlarla aynı kütleye sahip ağır leptonlar Hadronların incelenen ilk temsilcileri proton ve nötrondu, yalnızca elektromanyetik etkileşimlere sahip olan elektron, ne hadronlar ne de leptonlar olarak sınıflandırılamaz ve ayrı bir grup olarak sınıflandırılmalıdır. 70'lerde geliştirilen fikirlere göre, foton (sıfır durgun kütleye sahip bir parçacık), zayıf etkileşimlerden sorumlu olan ve henüz deneysel olarak gözlemlenmemiş olan ara vektör bozonları olarak adlandırılan çok büyük parçacıklarla aynı gruba dahil edilir (bkz. Bölüm Temel parçacıklar ve kuantum alan teorisi).

Temel parçacıkların özellikleri.

Her element, içindeki belirli etkileşimlerle birlikte, belirli fiziksel büyüklüklerin veya özelliklerinin bir dizi ayrı değeriyle tanımlanır. Bazı durumlarda, bu ayrık değerler tamsayı veya kesirli sayılar ve bazı ortak faktörler (bir ölçü birimi) aracılığıyla ifade edilir; Bu sayılardan E. sayılarının kuantum sayıları olarak söz edilir ve ölçü birimleri atlanarak yalnızca bunlar belirtilir.

Tüm elektron parçacıklarının ortak özellikleri kütle (m), ömür (t), dönüş (J) ve elektrik yüküdür (Q). Elektron parçacıklarının kütlelerinin dağılımını belirleyen yasa ve bunlar için herhangi bir ölçü biriminin olup olmadığı konusunda hâlâ yeterli bir anlayış yoktur.

Ömrü bağlı olarak, elektron parçacıkları kararlı, yarı kararlı ve kararsız (rezonanslar) olarak ayrılır. Modern ölçümlerin doğruluğu dahilinde kararlı olanlar, elektron (t > 5×10 21 yıl), proton (t > 2×10 30 yıl), foton ve nötrinodur. Yarı kararlı parçacıklar, elektromanyetik ve zayıf etkileşimler nedeniyle bozunan parçacıkları içerir. Ömürleri > 10-20 saniyedir (serbest bir nötron için bile ~ 1000 saniye). Güçlü etkileşimler nedeniyle bozunan temel parçacıklara rezonans denir. Karakteristik ömürleri 10 -23 -10 -24 sn'dir. Bazı durumlarda, güçlü etkileşimlerden dolayı ağır rezonansların (kütlesi ³ 3 GeV olan) azalması bastırılır ve kullanım ömrü ~10 -20 saniye değerlerine çıkar.

Bir E. h'nin dönüşü, değerin bir tam sayı veya yarım tam sayı katıdır. Bu birimlerde p- ve K-mezonların spini 0, proton, nötron ve elektron için J = 1/2, foton için J = 1'dir. Daha yüksek spinli parçacıklar vardır. Bir elektron parçacığının dönüşünün büyüklüğü, özdeş (özdeş) parçacıklardan oluşan bir topluluğun davranışını veya bunların istatistiklerini belirler (W. Pauli, 1940). Yarım tamsayı spinli parçacıklar, bir çift parçacık (veya tek sayıda çift) permütasyonuna göre sistemin dalga fonksiyonunun antisimetrisini gerektiren Fermi-Dirac istatistiklerine (dolayısıyla fermiyon adı) tabidir ve, bu nedenle yarım tamsayı spinli iki parçacığın aynı durumda olmasını “yasaklar” (Pauli ilkesi). Tamsayı spinli parçacıklar, parçacıkların permütasyonlarına göre dalga fonksiyonunun simetrisini gerektiren ve herhangi bir sayıda parçacığın aynı durumda olmasına izin veren Bose-Einstein istatistiklerine (dolayısıyla bozon adı) uyar. Doğum veya çürüme sırasında birden fazla özdeş parçacığın oluştuğu durumlarda, elektron parçacıklarının istatistiksel özelliklerinin önemli olduğu ortaya çıkar. Fermi-Dirac istatistikleri ayrıca çekirdeklerin yapısında son derece önemli bir rol oynar ve D. I. Mendeleev'in periyodik element sisteminin temelini oluşturan atom kabuklarını elektronlarla doldurma modellerini belirler.

İncelenen E. parçacıklarının elektrik yükleri, e "1.6×10 -19 k değerinin tam katlarıdır ve temel elektrik yükü olarak adlandırılır. Bilinen E. parçacıkları için Q = 0, ±1, ±2.

Belirtilen miktarlara ek olarak, enerji parçacıkları ek olarak bir dizi kuantum sayısıyla da karakterize edilir ve iç olarak adlandırılır. Leptonlar iki türden spesifik bir lepton yükü L taşırlar: elektronik (L e) ve müonik (L m); Elektron ve elektron nötrino için L e = +1, negatif müon ve müon nötrino için L m = +1. Ağır lepton t; ve onunla ilişkili nötrino, görünüşe göre, yeni bir tür lepton yükü L t'nin taşıyıcılarıdır.

Hadronlar için L = 0 ve bu da onların leptonlardan farkının bir başka göstergesidir. Buna karşılık, hadronların önemli bir kısmı özel bir baryon yükü B'ye (|E| = 1) atfedilmelidir. B = +1 olan hadronlar, baryonların bir alt grubunu oluşturur (buna proton, nötron, hiperonlar, baryon rezonansları dahildir) ve B = 0 olan hadronlar, mezonların bir alt grubunu (p- ve K-mezonlar, bozonik rezonanslar) oluşturur. Hadron alt gruplarının adı, EH araştırmasının ilk aşamasında o zamanlar bilinen baryon ve mezonların kütlelerinin karşılaştırmalı değerlerini yansıtan Yunanca barýs - ağır ve mésos - orta kelimelerinden gelmektedir. Daha sonraki veriler baryon ve mezon kütlelerinin karşılaştırılabilir olduğunu gösterdi. Leptonlar için B = 0. Fotonlar için B = 0 ve L = 0.

Baryonlar ve mezonlar daha önce bahsedilen kümelere ayrılır: sıradan (garip olmayan) parçacıklar (proton, nötron, p-mezonlar), garip parçacıklar (hiperonlar, K-mezonlar) ve büyülü parçacıklar. Bu bölünme, hadronlarda özel kuantum sayılarının varlığına karşılık gelir: gariplik S ve çekicilik (İngiliz cazibesi) Ch, izin verilen değerlerle: 151 = 0, 1, 2, 3 ve |Ch| = 0, 1, 2, 3. Sıradan parçacıklar için S = 0 ve Ch = 0, garip parçacıklar için |S| ¹ 0, Ch = 0, büyülü parçacıklar için |Ch| ¹ 0 ve |S| = 0, 1, 2. Tuhaflık yerine, görünüşe göre daha temel bir anlama sahip olan kuantum sayısı hiper yükü Y = S + B sıklıkla kullanılıyor.

Zaten sıradan hadronlarla yapılan ilk çalışmalar, aralarında kütle bakımından benzer, güçlü etkileşimler açısından çok benzer özelliklere sahip, ancak farklı elektrik yükü değerlerine sahip parçacık ailelerinin varlığını ortaya çıkarmıştı. Proton ve nötron (nükleonlar) böyle bir ailenin ilk örneğiydi. Daha sonra garip ve (1976'da) büyülü hadronlar arasında benzer aileler keşfedildi. Bu tür ailelere dahil olan parçacıkların özelliklerinin ortak özelliği, içlerinde aynı değerde özel bir kuantum sayısının - sıradan spin gibi tam sayı ve yarım tam sayı değerleri alan izotopik spin I'in varlığının bir yansımasıdır. Ailelerin kendilerine genellikle izotop çoklular denir. Bir multipletteki (n) parçacıkların sayısı, şu ilişki ile I ile ilişkilidir: n = 2I + 1. Bir izotopik multipletin parçacıkları, izotopik spin I 3'ün "projeksiyon" değerinde birbirinden farklıdır ve

Hadronların önemli bir özelliği aynı zamanda uzayların ters çevrilmesiyle ilişkili iç parite P'dir: P, ±1 değerlerini alır.

O, L, B, Y (S) yüklerinden en az birinin ve Ch cazibesinin sıfırdan farklı değerlerine sahip tüm elektron parçacıkları için, aynı kütle m, ömür t, spin J değerlerine sahip antipartiküller vardır ve izotopik spin 1 hadronları için, ancak tüm yüklerin zıt işaretlerine sahip ve iç parite P'nin zıt işaretine sahip baryonlar için. Antipartikülleri olmayan parçacıklara kesinlikle (gerçekten) nötr denir. Kesinlikle nötr hadronların özel bir kuantum numarası vardır - yük paritesi (yani yük konjugasyon işlemine göre parite) C ±1 değerlerinde; bu tür parçacıkların örnekleri foton ve p 0'dır.

Elektronların kuantum sayıları kesin (yani tüm işlemlerde korunan fiziksel miktarlarla ilişkili olanlar) ve kesin olmayan (karşılık gelen fiziksel miktarların bazı işlemlerde korunmadığı) olarak ikiye ayrılır. Spin J, açısal momentumun katı korunumu yasasıyla ilişkilidir ve bu nedenle tam bir kuantum sayısıdır. Diğer kesin kuantum sayıları: Q, L, B; Modern verilere göre, elektron elementinin tüm dönüşümleri sırasında korunurlar. Protonun kararlılığı, B'nin korunumunun doğrudan bir ifadesidir (örneğin, p ® e ++ g bozunması yoktur). Ancak çoğu hadron kuantum sayısı kesin değildir. İzotopik spin, güçlü etkileşimlerde korunurken, elektromanyetik ve zayıf etkileşimlerde korunmaz. Güçlü ve elektromanyetik etkileşimlerde tuhaflık ve çekicilik korunur, ancak zayıf etkileşimlerde korunmaz. Zayıf etkileşimler aynı zamanda iç ve yük paritesini de değiştirir. CP'nin birleşik paritesi çok daha yüksek bir doğruluk derecesiyle korunur, ancak zayıf etkileşimlerin neden olduğu bazı süreçlerde de ihlal edilir. Hadronun birçok kuantum sayısının korunmamasına neden olan nedenler belirsizdir ve görünüşe göre hem bu kuantum sayılarının doğasıyla hem de elektromanyetik ve zayıf etkileşimlerin derin yapısıyla ilişkilidir. Belirli kuantum sayılarının korunumu veya korunmaması, elektron parçacıklarının etkileşim sınıflarındaki farklılıkların önemli göstergelerinden biridir.

Temel parçacıkların sınıflandırılması.

Üniter simetri. Leptonların sınıflandırılması henüz herhangi bir sorun teşkil etmemektedir; 50'li yılların başında bilinen çok sayıda hadron, baryon ve mezonların kütle dağılımı ve kuantum sayılarındaki kalıpların araştırılmasının temelini oluşturmuştur. onların sınıflandırılması için. Hadronların izotop çoklularının tanımlanması bu yolda atılan ilk adımdı. Matematiksel bir bakış açısından, hadronların izotopik çoklular halinde gruplanması, dönme grubuyla ilişkili simetrinin varlığını yansıtır (bkz. grup) , daha resmi olarak, bir grupla S.Ü.(2) - karmaşık iki boyutlu uzayda bir grup üniter dönüşüm. Bu dönüşümlerin, normalden farklı olarak belirli bir iç uzayda - "izotopik uzayda" gerçekleştiği varsayılmaktadır. İzotopik uzayın varlığı yalnızca simetrinin gözlemlenebilir özelliklerinde ortaya çıkar. Matematik dilinde izotop çokluları simetri grubunun indirgenemez temsilleridir. S.Ü. (2).

Modern teoride elektron parçacıklarının çeşitli grup ve ailelerinin varlığını belirleyen bir faktör olarak simetri kavramı, hadronların ve diğer elektron parçacıklarının sınıflandırılmasında hakimdir. belirli parçacık gruplarını ayırt etmek, özel “iç” uzaylarda dönüşüm özgürlüğü nedeniyle ortaya çıkan özel simetri türleriyle ilgilidir. “İç kuantum sayıları” adı buradan gelmektedir.

Dikkatli bir inceleme, garip ve sıradan hadronların birlikte, izotopik çoklulara göre benzer özelliklere sahip parçacıklar arasında daha geniş ilişkiler oluşturduğunu göstermektedir. Bunlara süperçoklular denir. Gözlenen süperçoklukların içerdiği parçacıkların sayısı 8 ve 10'dur. Simetri açısından süperçoklukların ortaya çıkması, hadronlarda gruptan daha geniş bir simetri grubunun varlığının bir tezahürü olarak yorumlanır. S.Ü.(2), yani: S.Ü.(3) - üç boyutlu karmaşık uzayda üniter dönüşüm grupları (M. Gell-Man ve bağımsız olarak Y. Neeman, 1961). Karşılık gelen simetri denir üniter simetri. Grup S.Ü.(3) özellikle, gözlemlenen süpermultipletlere (sekizli ve dekuplet) karşılık gelen 8 ve 10 numaralı bileşenlerin sayısıyla indirgenemez temsillere sahiptir. Örnekler aynı değerlere sahip aşağıdaki parçacık gruplarını içerir JP:

Bir süperçokluktaki tüm parçacıklar için ortak olan, matematiksel doğaları gereği izotopik dönüşe yakın olan ve bu nedenle genellikle üniter dönüş olarak adlandırılan iki miktarın değerleridir. Bir sekizli için, bu miktarlarla ilişkili kuantum sayılarının değerleri, bir ondalık için (3, 0) (1, 1)'e eşittir.

Üniter simetri, izotopik simetriden daha az kesindir. Buna göre oktet ve dekupletlerin içerdiği parçacıkların kütleleri arasındaki fark oldukça önemlidir. Aynı nedenden dolayı, hadronların süpermultipletlere bölünmesi, kütleleri çok yüksek olmayan elektron parçacıkları için nispeten basittir. Büyük kütlelerde, benzer kütlelere sahip birçok farklı parçacık olduğunda bu ayırma daha az güvenilirdir. Bununla birlikte, temel parçacıkların özelliklerinde üniter simetrinin birçok farklı tezahürü vardır.

Büyülü hadronların temel parçacıkların sistematiğine dahil edilmesi, süpersüperçokluluklar ve üniter grupla ilişkili daha geniş bir simetrinin varlığından bahsetmemize olanak sağlar. S.Ü.(4). Henüz tamamen doldurulmuş süper süperçokluların örneği yok. S.Ü.(4)-simetri daha da güçlü bir şekilde kırılır S.Ü.(3)-simetri ve tezahürleri daha az belirgindir.

Üniter gruplarla ilişkili hadronlardaki simetri özelliklerinin ve bu grupların kesin olarak tanımlanmış temsillerine karşılık gelen çoklulara bölünme modellerinin keşfi, hadronlarda - kuarklarda özel yapısal elemanların varlığına ilişkin sonucun temelini oluşturdu.

Hadronların kuark modeli.İlk adımlarından itibaren, hadronların sınıflandırılmasına ilişkin çalışmaların geliştirilmesine, aralarında diğerlerinden daha temel olan ve tüm hadronların yapısının temeli olabilecek parçacıkları belirleme girişimleri eşlik etti. Bu araştırma çizgisi, bu tür temel parçacıkların nükleon (N) ve antinükleon () olduğunu ve p-mezonların bunların bağlı durumları () olduğunu öne süren E. Fermi ve Yang Chen-ning (1949) tarafından başlatıldı. Bu fikrin daha da gelişmesiyle birlikte, temel parçacıklar arasına garip baryonlar da dahil edildi (M. A. Markov, 1955; Japon fizikçi S. Sakata, 1956; L. B. Okun, 1957). Bu temelde oluşturulan modeller mezon çoklularını iyi tanımladı ancak baryon çoklularını doğru bir şekilde tanımlayamadı. Bu modellerin en önemli unsuru - hadronları "inşa etmek" için az sayıda fermiyonun kullanılması - tüm hadronları tanımlama sorununu en başarılı şekilde çözen modele - kuark modeli (Avusturyalı fizikçi G. Zweig ve bağımsız olarak) organik olarak dahil edildi M. Gell-Man, 1964).

Orijinal versiyonda model, bilinen tüm hadronların, 1/2 spinli üç tür parçacıktan oluştuğu varsayımına dayanıyordu. p-, n-, Gözlemlenen hadronların sayısına ait olmayan ve çok sıra dışı özelliklere sahip olan l-kuarklar. "Kuarklar" adı J. Joyce'un romanından alınmıştır (bkz. Kuarklar) . Modelin modern versiyonu en az dört tür kuarkın varlığını varsayar. Büyülü hadronları tanımlamak için dördüncü kuark gereklidir.

Kuarklar fikri üniter simetri tarafından ileri sürülmektedir. Üniter grupların matematiksel yapısı, grubun tüm temsillerini tanımlama olanağını açar. S.Ü. (N) (ve dolayısıyla tüm hadron çokluları), aşağıdakileri içeren en basit grup temsiline dayalıdır: N bileşen. Bir grup olması durumunda S.Ü.(3) bu tür üç bileşen vardır. Yalnızca bu en basit temsille ilişkili parçacıkların varlığını varsaymak gerekir. Bu parçacıklar kuarklardır. Mezonların ve baryonların kuark bileşimi, mezon süpermultipletlerinin kural olarak 8 parçacık ve baryonların - 8 ve 10 parçacık içermesi gerçeğinden çıkarılmıştır. Mezonların kuarklardan oluştuğunu varsayarsak bu model kolayca yeniden üretilebilir. Q ve bir antikuark - sembolik olarak: ve üç kuarkın baryonları - sembolik olarak: İÇİNDE = (qqq). Grubun özelliklerinden dolayı S.Ü.(3) 9 mezon, 1 ve 8 parçacıktan oluşan süpermultipletlere bölünür ve 27 baryon, 1, 10 ve iki katı 8 parçacık içeren süpermultipletlere bölünür; bu, oktet ve dekupletlerin gözlemlenen ayrılmasını açıklar.

Şemaya dördüncü bir kuarkın (ve gerekirse yeni ek kuarkların) eklenmesi, kuark modelinin hadronların yapısı hakkındaki temel varsayımı korunurken gerçekleştirilir:

B = (qqq).

Tüm deneysel veriler hadronların verilen kuark bileşimi ile iyi bir uyum içindedir. Görünüşe göre bu yapıda hadronların özelliklerini önemli ölçüde etkilemeyen sadece küçük sapmalar var.

Grubun belirli (en basit) temsiliyle ilişkili nesneler olarak hadronların belirtilen yapısı ve kuarkların matematiksel özellikleri S.Ü.(4), aşağıdakilere yol açar. kuarkların kuantum sayıları (Tablo 2). Elektrik yükünün alışılmadık - kesirli - değerlerine dikkat edin Q ve ayrıca B, S Ve e, gözlemlenen elektron parçacıklarının hiçbirinde bulunmaz, her kuark türü için a indeksine sahiptir. ben (ben =Şekil 1, 2, 3, 4) kuarkların özel bir özelliği ile ilişkilidir - incelenen hadronlarda bulunmayan "renk". a indeksi 1, 2, 3 değerlerini yani her kuark tipini alır benüç çeşit olarak sunuluyor ben a (N.N. Bogolyubov ve arkadaşları, 1965; Amerikalı fizikçiler I. Nambu ve M. Khan, 1965; Japon fizikçi I. Miyamoto, 1965). Her bir kuark türünün kuantum sayıları, “renk” ve dolayısıyla tablo değiştiğinde değişmez. 2 herhangi bir “renkteki” kuarklar için geçerlidir.

Hadronların tamamı çeşitli kombinasyonlardan dolayı ortaya çıkar. R -, P-, g- ve İle-bağlı durumları oluşturan kuarklar. Sıradan hadronlar yalnızca aşağıdakilerden oluşturulan bağlı durumlara karşılık gelir P- Ve N-kuarklar [ve kombinasyonlarının olası katılımıyla mezonlar için]. Bağlı bir durumda bulunma ile birlikte R- Ve N-bir gramlık kuarklar- veya İle-kuark, karşılık gelen hadronun tuhaf olduğu anlamına gelir ( S= -1) veya büyülenmiş ( Kanal =+ 1). Bir baryon iki ve üç g-kuark içerebilir (sırasıyla İle-kuark), yani ikili ve üçlü garip (cazibeli) baryonlar mümkündür. Farklı sayıdaki g- ve kombinasyonları İle- hadronların "melez" formlarına ("tuhaf bir şekilde büyülenmiş") karşılık gelen kuarklar (özellikle baryonlarda). Açıkçası, g- veya ne kadar büyük olursa İle-kuarklar bir hadron içeriyorsa, o kadar ağırdır. Hadronların temel (uyarılmamış) durumlarını karşılaştırırsak, gözlemlenen tablo tam olarak budur (bkz. Tablo 1, ayrıca Tablo 3 ve 5).

Kuarkların spini 1/2'ye eşit olduğundan, hadronların yukarıdaki kuark yapısı, deneyle tam uyumlu olarak mezonlar için tamsayılı bir spin ve baryonlar için yarım tamsayılı bir spinle sonuçlanır. Ayrıca yörünge momentumuna karşılık gelen durumlarda ben= 0, özellikle temel durumlarda, mezonların spini 0 veya 1'e eşit olmalıdır (kuark spinlerinin antiparalel `¯ ve paralel `` yönelimi için) ve baryonların spini 1/2 veya 3/2 ( döndürme konfigürasyonları için ¯ґґ ve ґґґ) . Kuark-antikuark sisteminin iç paritesinin negatif olduğu dikkate alındığında değerler Japonya mezonlar için ben= 0, 0 - ve 1 -'e eşittir; baryonlar için - 1/2+ ve 3/2+. Bunlar değerler Japonya verilen değerlerde en küçük kütleye sahip hadronlarda gözlenir BEN Ve e(bkz. Tablo 1).

İndekslerden beri ben, k, ben yapısal formüllerde değerler mezon sayısı olan 1, 2, 3, 4'ten geçer Mik belirli bir dönüşle 16'ya eşit olmalıdır. Baryonlar için Bikl belirli bir spin için mümkün olan maksimum durum sayısı (64) gerçekleşmez, çünkü Pauli prensibi uyarınca, belirli bir toplam spin için, permütasyonlara göre iyi tanımlanmış bir simetriye sahip yalnızca üç kuark durumuna izin verilir. endeksler ben, k, 1, yani: spin 3/2 için tamamen simetrik ve spin 1/2 için karışık simetri. Bu durum ben = 0, spin 3/2 için 20 baryon durumunu ve spin 1/2 için 20'yi seçer.

Daha ayrıntılı bir inceleme, kuark sisteminin kuark kompozisyonu ve simetri özelliklerinin değerinin, hadronun tüm temel kuantum sayılarının belirlenmesini mümkün kıldığını göstermektedir ( J, P, B, Q, I, Y, Ch), kütle hariç; Kütlenin belirlenmesi, kuarkların ve kuarkların kütlesinin etkileşiminin dinamikleri hakkında henüz mevcut olmayan bilgiyi gerektirir.

Verilen değerlerde en düşük kütle ve spinlere sahip hadronların özgüllüğünün doğru şekilde aktarılması e Ve Ch, Kuark modeli aynı zamanda doğal olarak hadronların genel sayısını ve aralarındaki rezonansların baskınlığını da açıklamaktadır. Hadronların çok sayıda olması, onların karmaşık yapısının ve kuark sistemlerinin çeşitli uyarılmış durumlarının var olma olasılığının bir yansımasıdır. Bu tür uyarılmış durumların sayısının sınırsız olması mümkündür. Kuark sistemlerinin tüm uyarılmış durumları, altta yatan durumlardaki güçlü etkileşimlerden dolayı hızlı geçişlere göre kararsızdır. Rezonansların büyük kısmını oluştururlar. Rezonansların küçük bir kısmı paralel spin yönelimlerine sahip kuark sistemlerinden de oluşur (W- hariç). Temel ile ilgili antiparalel spin yönelimli kuark konfigürasyonları. Durumlar, yarı kararlı hadronlar ve kararlı bir proton oluşturur.

Kuark sistemlerinin uyarılmaları, hem kuarkların dönme hareketindeki değişiklikler (yörünge uyarılmaları) hem de uzaylarındaki değişiklikler nedeniyle meydana gelir. konum (radyal uyarımlar). İlk durumda, sistemin kütlesindeki bir artışa toplam dönüşteki bir değişiklik eşlik eder J ve parite R ikinci durumda kütledeki artış değişmeden gerçekleşir JP.Örneğin mezonlar Japonya= 2 + ilk yörünge uyarımıdır ( ben = 1) mezonlar JP = 1 - . Aynı kuark yapılarının 2 + mezon ve 1 - mezonlarının yazışması, birçok parçacık çifti örneğinde açıkça görülmektedir:

Mezonlar r" ve y", sırasıyla r- ve y-mezonların radyal uyarımlarının örnekleridir (bkz.

Orbital ve radyal uyarımlar aynı başlangıç kuark yapısına karşılık gelen rezonans dizilerini üretir. Kuarkların etkileşimi hakkında güvenilir bilgi eksikliği, uyarılma spektrumlarının niceliksel hesaplamalarını yapmamıza ve bu tür uyarılmış durumların olası sayısı hakkında herhangi bir sonuç çıkarmamıza henüz izin vermiyor. Kuark modelini formüle ederken, kuarklar, açıklığa sahip varsayımsal yapısal öğeler olarak kabul edildi. hadronların çok uygun bir tanımının olasılığını artırdı. Daha sonra kuarklardan hadronların içindeki gerçek maddi oluşumlar olarak söz etmemizi sağlayan deneyler yapıldı. Bunlardan ilki, elektronların nükleonlar tarafından çok büyük açılarla saçılması üzerine yapılan deneylerdi. Rutherford'un alfa parçacıklarının atomlara saçılması üzerine yaptığı klasik deneyleri anımsatan bu deneyler (1968), nükleonun içinde nokta yüklü oluşumların varlığını ortaya çıkardı. Bu deneylerden elde edilen verilerin, nükleonlar üzerindeki nötrino saçılımına ilişkin benzer verilerle (1973-75) karşılaştırılması, bu nokta oluşumlarının kare elektrik yükünün ortalama değeri hakkında bir sonuca varmayı mümkün kıldı. Sonucun şaşırtıcı derecede 1/2 [(2/3) değerine yakın olduğu ortaya çıktı. e) 2 +(1 / 3 e) 2 ]. Bir elektronun ve bir pozitronun yok edilmesi sırasında hadron üretimi sürecinin incelenmesi ve sözde şu işlemler dizisinden geçtiği varsayılır: ® hadronlar, ortaya çıkan kuarkların her biriyle genetik olarak ilişkili iki hadron grubunun varlığına işaret etti ve bunu yaptı. Kuarkların spinini belirlemek mümkündür. 1/2'ye eşit olduğu ortaya çıktı. Bu süreçte doğan hadronların toplam sayısı aynı zamanda üç çeşit kuarkın ara durumda ortaya çıktığını, yani kuarkların üç renkli olduğunu gösterir.

Böylece, teorik düşüncelere dayanarak tanıtılan kuarkların kuantum sayıları bir dizi deneyle doğrulanmıştır. Kuarklar yavaş yavaş yeni elektron parçacıkları statüsünü kazanıyor. Eğer daha fazla araştırma bu sonucu doğrularsa, o zaman kuarklar, maddenin hadronik formu için gerçek elektron parçacıklarının rolü konusunda ciddi rakiplerdir. ~ 10 -15 uzunluklara kadar santimetre Kuarklar yapısız nokta oluşumları gibi davranır. Bilinen kuark türlerinin sayısı azdır. Gelecekte elbette değişebilir: Varlıkları yeni kuark türleri nedeniyle daha yüksek enerjilerde yeni kuantum sayılarına sahip hadronların keşfedilmeyeceği garanti edilemez. Algılama e-mesons bu bakış açısını doğrulamaktadır. Ancak kuark sayısındaki artışın küçük olması, genel prensiplerin toplam kuark sayısına sınırlama getirmesi, ancak bu sınırlar henüz bilinmemesi oldukça muhtemeldir. Kuarkların yapısalsızlığı belki de yalnızca bu maddi oluşumlara ilişkin ulaşılan araştırma düzeyini yansıtıyor. Bununla birlikte, kuarkların bir dizi spesifik özelliği, kuarkların, maddenin yapısal bileşenleri zincirini tamamlayan parçacıklar olduğunu varsaymak için bazı nedenler vermektedir.

Kuarklar diğer tüm elektron parçacıklarından farklı olarak henüz serbest halde gözlemlenememişlerdir, ancak bağlı durumda olduklarına dair kanıtlar vardır. Kuarkların gözlenememesinin nedenlerinden biri, modern hızlandırıcıların enerjileriyle üretilmelerini engelleyen çok büyük kütleleri olabilir. Ancak kuarkların etkileşimlerinin özel doğasından dolayı temel olarak serbest durumda olamamaları mümkündür. Kuarklar arasında etki eden kuvvetlerin mesafeyle zayıflamadığı yönünde teorik ve deneysel argümanlar mevcuttur. Bu, kuarkları birbirinden ayırmak için sonsuz derecede daha fazla enerjiye ihtiyaç duyulduğu, aksi takdirde kuarkların serbest halde ortaya çıkmasının imkansız olduğu anlamına gelir. Kuarkları serbest halde izole edememek, onları tamamen yeni bir tür yapısal madde birimi haline getiriyor. Örneğin, kuarkların kendilerinin serbest bir durumda gözlenememesi durumunda, kuarkları oluşturan parçalar sorusunu gündeme getirmenin mümkün olup olmadığı açık değildir. Bu koşullar altında kuarkların bazı kısımlarının fiziksel olarak kendilerini hiç göstermemeleri ve dolayısıyla kuarkların hadronik maddenin parçalanmasında son aşama olarak görev yapmaları mümkündür.

Temel parçacıklar ve kuantum alan teorisi.

Modern teoride elektron parçacıklarının özelliklerini ve etkileşimlerini açıklamak için fizik kavramı esastır. Her parçacığa atanan alan. Alan, maddenin belirli bir biçimidir; tüm noktalarda belirtilen bir fonksiyonla tanımlanır ( X)uzay-zaman ve Lorentz grubunun (skaler, spinor, vektör, vb.) ve “iç” simetri gruplarının (izotopik skaler, izotopik spinor, vb.) dönüşümleri ile ilgili olarak belirli dönüşüm özelliklerine sahiptir. Dört boyutlu bir vektörün özelliklerine sahip bir elektromanyetik alan Ve m (x) (m = 1, 2, 3, 4) tarihsel olarak fiziksel alanın ilk örneğidir. E. parçacıklarıyla karşılaştırılan alanlar kuantum niteliğindedir, yani enerjileri ve momentumları birçok parçadan oluşur. porsiyonlar - kuantum ve kuantumun enerjisi E k ve momentum p k, özel görelilik teorisinin ilişkisi ile ilişkilidir: E k 2 = p k 2 c 2 + m 2 c 2 . Bu tür kuantumların her biri belirli bir enerjiye (Ek), momentuma (pk) ve kütleye (m) sahip bir elektron parçacığıdır. Elektromanyetik alanın kuantumu fotonlardır, diğer alanların kuantumu ise bilinen tüm diğer elektron parçacıklarına karşılık gelir. sonsuz sayıda parçacık koleksiyonunun (kuanta) varlığının yansıması. Kuantum alan teorisinin özel matematiksel aygıtı, bir parçacığın her x noktasında doğuşunu ve yok oluşunu tanımlamayı mümkün kılar.

Alanın dönüşüm özellikleri, E. parçacıklarının tüm kuantum sayılarını belirler. Uzay-zaman dönüşümlerine (Lorentz grubu) ilişkin dönüşüm özellikleri, parçacıkların dönüşünü belirler. Böylece, bir skaler spin 0'a, bir spinor - spin 1/2'ye, bir vektör - spin 1'e vb. karşılık gelir. L, B, 1, Y, Ch gibi kuantum sayılarının varlığı ve kuarklar ve gluonlar için "renk" bunu takip eder. alanların “iç uzayların” (“yük uzayı”, “izotopik uzay”, “üniter uzay” vb.) dönüşümleriyle ilgili dönüşüm özelliklerinden. Özellikle kuarklarda “renk”in varlığı, özel bir “renkli” üniter uzayla ilişkilidir. Teorik aparatta "iç uzayların" tanıtılması hala tamamen biçimsel bir cihazdır, ancak bu, E. Ch.'nin özelliklerine yansıyan fiziksel uzay-zaman boyutunun aslında daha büyük olduğunun bir göstergesi olarak hizmet edebilir. dörtten fazla - tüm makroskopik fiziksel süreçlerin uzay-zaman karakteristiğinin boyutu. Bir elektronun kütlesi, alanların dönüşüm özellikleriyle doğrudan ilişkili değildir; bu onların ek özelliğidir.

Elektron parçacıklarıyla meydana gelen süreçleri açıklamak için çeşitli fiziksel alanların birbirleriyle nasıl ilişkili olduğunu bilmek, yani alanların dinamiklerini bilmek gerekir. Kuantum alan teorisinin modern aygıtında, alanların dinamiği hakkındaki bilgiler, alanlar aracılığıyla ifade edilen özel bir miktarda bulunur - Lagrangian (daha kesin olarak Lagrangian yoğunluğu) L. L bilgisi, prensip olarak, olasılıkların hesaplanmasına izin verir. çeşitli etkileşimlerin etkisi altında bir parçacık kümesinden diğerine geçişler. Bu olasılıklar sözde verilmektedir. saçılma matrisi (W. Heisenberg, 1943), L ile ifade edilir. Lagrangian L, serbest alanların davranışını tanımlayan Lagrangian L'den ve farklı parçacıkların alanlarından oluşturulan ve olasılığını yansıtan Lagrangian, L etkileşiminden oluşur. karşılıklı dönüşümleri. Lz bilgisi, E. h. ile süreçlerin tanımlanmasında belirleyicidir.

L'nin biçimi, göreceli Lorentz grubunun alanlarının dönüşüm özellikleri ve bu gruba göre değişmezlik gereksinimi (göreli değişmezlik) tarafından benzersiz bir şekilde belirlenir. Ancak uzun süredir L3'ü bulma kriterleri bilinmiyordu (elektromanyetik etkileşimler hariç) ve deneyden elde edilen elektromanyetik parçacıkların etkileşimleri hakkındaki bilgiler çoğu durumda çeşitli olasılıklar arasında güvenilir bir seçim yapılmasına izin vermiyordu. Bu koşullar altında, etkileşimleri açıklamaya yönelik fenomenolojik bir yaklaşım, ya gözlemlenebilir süreçlere yol açan L in'lerin en basit formlarının seçimine ya da saçılma matrisinin elemanlarının karakteristik özelliklerinin doğrudan incelenmesine dayalı olarak yaygınlaştı. Bu yol boyunca, seçilen çeşitli enerji bölgeleri için elektron parçacıklarıyla süreçlerin tanımlanmasında önemli başarı elde edildi. Ancak teorinin birçok parametresi deneyden alınmıştır ve yaklaşımın kendisi evrensellik iddiasında bulunamamıştır.

50-70'li yıllarda. L3'ün yapısının anlaşılmasında, güçlü ve zayıf etkileşimler için formunun önemli ölçüde iyileştirilmesini mümkün kılan önemli ilerleme kaydedilmiştir. Bu ilerlemede belirleyici bir rol, elektron parçacıklarının etkileşimlerinin simetri özellikleri ile Lv'nin şekli arasındaki yakın bağlantının açıklığa kavuşturulması ile oynandı.

Elektron parçacıklarının etkileşimlerinin simetrisi, belirli fiziksel niceliklerin korunumu yasalarının varlığına ve dolayısıyla bunlarla ilişkili elektron parçacıklarının kuantum sayılarının korunmasına yansır (bkz. Korunum yasaları). Tüm etkileşim sınıfları için ortaya çıkan tam simetri, elektronlarda tam kuantum sayılarının varlığına karşılık gelir; Yalnızca belirli etkileşim sınıfları (güçlü, elektromanyetik) için karakteristik olan yaklaşık simetri, hatalı kuantum sayılarına yol açar. Elektronların kuantum sayılarının korunumuyla ilgili olarak yukarıda belirtilen etkileşim sınıfları arasındaki fark, bunların simetri özelliklerindeki farklılıkları yansıtır.

L vz el şeklinde bilinir. Elektromanyetik etkileşimler için m, Lagrange L'nin, j*j tipi kombinasyonlarda (burada * karmaşık konjugasyon anlamına gelir) içerdiği yüklü parçacıkların karmaşık j alanlarının çarpımına göre bariz bir simetrisinin varlığının bir sonucudur. e ia faktörü, burada a keyfi bir gerçek sayıdır. Bu simetri bir yandan elektrik yükünün korunumu yasasını doğururken diğer yandan a'nın uzay-zamanın x noktasına keyfi olarak bağlı olması koşuluyla simetrinin yerine getirilmesini istersek, bu açıkça yol açar. etkileşimin Lagrange'ına:

L up el. m = j m el. m.(x) Bir m.(x)(1)

nerede j m el. m - dört boyutlu elektromanyetik akım (bkz. Elektromanyetik etkileşimler). Görüldüğü gibi bu sonuç genel bir öneme sahiptir. Etkileşimlerin "iç" simetri gösterdiği tüm durumlarda, yani Lagrange "iç uzay"ın dönüşümleri altında değişmez ve karşılık gelen kuantum sayıları E. sayılarında ortaya çıkarsa, herhangi bir etkileşim bağımlılığı için değişmezliğin gerçekleşmesi gerekli olmalıdır. x noktasındaki dönüşüm parametreleri (yerel ayar değişmezliği olarak adlandırılır; Yang Zhen-ning, Amerikalı fizikçi R. Mills, 1954). Fiziksel olarak bu gereklilik, etkileşimin noktadan noktaya anında iletilmemesinden kaynaklanmaktadır. Bu durum, Lagrange'a dahil olan alanlar arasında, "iç" simetrinin dönüşümleri sırasında değişen ve parçacıkların alanlarıyla çok spesifik bir şekilde etkileşime giren vektör alanları (A m (x) analogları) bulunduğunda karşılanır:

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

burada jmr(x) parçacık alanlarından oluşan akımlardır, Vmr(x) ise genellikle ayar alanları olarak adlandırılan vektör alanlarıdır. Böylece, "iç" simetrinin yerelliği gerekliliği L'nin biçimini sabitler ve vektör alanlarını etkileşimlerin evrensel taşıyıcıları olarak tanımlar. Vektör alanlarının özellikleri ve "n" sayıları, "iç" simetri grubunun özellikleri tarafından belirlenir. Simetri tam ise, kuantum alanı Vmr'nin kütlesi 0'a eşittir. Yaklaşık simetri için, vektör alanı kuantumunun kütlesi sıfırdan farklıdır. Akımın türü jmr, “iç” simetri grubuyla ilişkili sıfır olmayan kuantum sayılarına sahip parçacıkların alanları tarafından belirlenir.

Belirtilen ilkelere dayanarak, bir nükleondaki kuarkların etkileşimi sorununa yaklaşmanın mümkün olduğu ortaya çıktı. Nötrinoların ve antinötrinoların nükleonlar tarafından saçılması üzerine yapılan deneyler, nükleonun momentumunun yalnızca kısmen (yaklaşık %50) kuarklar tarafından aktarıldığını ve geri kalanının, nötrinolarla etkileşime girmeyen başka bir madde türü tarafından aktarıldığını göstermiştir. Muhtemelen maddenin bu kısmı, kuarklar arasında değiş tokuş edilen ve nükleonda tutuldukları için parçacıklardan oluşur. Bu parçacıklara "gluonlar" denir (İngilizce tutkal - yapıştırıcıdan). Etkileşimlerle ilgili yukarıdaki bakış açısından, bu parçacıkların vektör parçacıkları olduğunu düşünmek doğaldır. Modern teoride bunların varlığı, kuarklardaki "rengin" görünümünü belirleyen simetri ile ilişkilendirilir. Eğer bu simetri tam ise (renk SU (3) simetrisi), gluonlar kütlesiz parçacıklardır ve sayıları sekizdir (Amerikalı fizikçi I. Nambu, 1966). Kuarkların gluonlarla etkileşimi, mevcut jmr'nin kuark alanlarından oluştuğu yapı (2) ile L vz tarafından verilmektedir. Kütlesiz gluonların değişiminden kaynaklanan kuarkların etkileşiminin, kuarklar arasında mesafeyle azalmayan kuvvetlere yol açtığını varsaymak için de nedenler var, ancak bu kesin olarak kanıtlanmadı.

Prensip olarak, kuarklar arasındaki etkileşim bilgisi, tüm hadronların birbirleriyle olan etkileşimini, yani tüm güçlü etkileşimleri tanımlamanın temelini oluşturabilir. Hadron fiziğindeki bu yön hızla gelişiyor.

Etkileşim yapısının oluşumunda simetrinin (yaklaşık dahil) belirleyici rolü ilkesinin kullanılması, zayıf etkileşimlerin Lagrangian'ının doğasının anlaşılmasında ilerlemeyi de mümkün kılmıştır. Aynı zamanda zayıf ve elektromanyetik etkileşimler arasında derin bir iç bağlantı ortaya çıktı. Bu yaklaşımda, aynı lepton yüküne sahip (e - , v e ve m - , v m), ancak farklı kütlelere ve elektrik yüklerine sahip lepton çiftlerinin varlığı rastgele olarak kabul edilmez, izotonikteki kırık simetrinin varlığını yansıtır. tipi (grup SU (2)). Yerellik ilkesinin bu "iç" simetriye uygulanması, elektromanyetik ve zayıf etkileşimlerden sorumlu terimlerin aynı anda ortaya çıktığı karakteristik Lagrangian'a (2) yol açar (Amerikalı fizikçi S. Weinberg, 1967; A. Salam, 1968):

L hava = j m el. m + A m + j m sl. H. W m + + j m sl. H. W m - + j m sl. N. Zm 0 (3)

İşte j m sl. H. , jm sl. N. - leptonlar, W m +, W m -, Z m 0 alanlarından oluşturulan zayıf etkileşimlerin yüklü ve nötr akımları - bu şemada zayıf etkileşimlerin taşıyıcıları olan masif (simetri kırılması nedeniyle) vektör parçacıklarının alanları ( sözde ara bozonlar), A m - foton alanı. Yüklü bir ara bozonun varlığı fikri uzun zaman önce ortaya atılmıştı (H. Yukawa, 1935). Bununla birlikte, elektron manyetik ve zayıf etkileşimlerin birleşik teorisine ilişkin bu modelde, yüklü bir ara bozonun, bir foton ve nötr bir ara bozon ile eşit temelde ortaya çıkması önemlidir. Nötr akımların neden olduğu zayıf etkileşim süreçleri 1973'te keşfedildi; bu, zayıf etkileşim dinamiklerinin formülasyonuna ilişkin az önce özetlenen yaklaşımın doğruluğunu doğruladı. Lagrange L'yi çok sayıda nötr ve yüklü ara bozonla yazmak için başka seçenekler de mümkündür; Lagrangian'ın nihai seçimi için deneysel veriler henüz yeterli değildir.

Ara bozonlar henüz deneysel olarak keşfedilmemiştir. Mevcut verilerden Weinberg-Salam modeli için W ± ve Z 0 kütlelerinin yaklaşık 60 ve 80 GeV olduğu tahmin edilmektedir.

Kuarkların elektromanyetik ve zayıf etkileşimleri Weinberg-Salam modeline benzer bir model içerisinde açıklanabilir. Elektromanyetik ve zayıf hadron etkileşimlerinin bu temelde dikkate alınması, gözlemlenen verilerle iyi bir uyum sağlar. Bu tür modellerin oluşturulmasında yaygın bir sorun, başlangıç simetrisinin türünün ve ihlalinin niteliğinin belirlenmesine izin vermeyen, kuark ve leptonların hala bilinmeyen toplam sayısıdır. Bu nedenle ileri deneysel çalışmalar oldukça önemlidir.

Elektromanyetik ve zayıf etkileşimlerin tek kökeni, teoride zayıf etkileşim sabitinin bağımsız bir parametre olarak ortadan kalktığı anlamına gelir. Sabit olan tek şey elektrik yüküdür e. Düşük enerjilerdeki zayıf süreçlerin bastırılması, ara bozonların büyük kütlesiyle açıklanır. Kütle merkezi sistemindeki enerjiler ara bozonların kütleleriyle karşılaştırılabilir olduğunda, elektromanyetik ve zayıf etkileşimlerin etkileri aynı düzende olmalıdır. Ancak ikincisi, bir takım kuantum sayılarının (P, Y, Ch, vb.) korunmaması bakımından farklılık gösterecektir.

Yalnızca elektromanyetik ve zayıf etkileşimleri değil aynı zamanda güçlü etkileşimleri de birleşik bir temelde ele almaya yönelik girişimler vardır. Bu tür girişimlerin başlangıç noktası, elektron parçacıklarının her türlü etkileşiminin (yerçekimi etkileşimi olmadan) aynı nitelikte olduğu varsayımıdır. Etkileşimler arasında gözlemlenen güçlü farklılıkların, önemli simetri kırılmasından kaynaklandığı düşünülmektedir. Bu girişimler henüz yeterince gelişmemiştir ve özellikle kuark ve leptonların özelliklerindeki farklılıkların açıklanmasında ciddi zorluklarla karşı karşıyadır.

Simetri özelliklerinin kullanımına dayalı etkileşimin Lagrange'ını elde etmek için bir yöntemin geliştirilmesi, temel parçacıkların dinamik teorisine giden yolda önemli bir adımdı. Ayar alanı teorilerinin önemli bir rol oynayacağını düşünmek için her türlü neden var. daha ileri teorik yapıların bileşeni.

Çözüm

Temel parçacıklar teorisinin bazı genel problemleri. Elektron parçacıklarının fiziğindeki en son gelişme, mikro dünya süreçlerinin özelliklerini önemli ölçüde belirleyen bir grup parçacıktan tüm elektron parçacıklarından açıkça ayrılır. Bu parçacıklar gerçek elektron parçacıklarının rolü için olası adaylardır. Bunlar şunları içerir: 1/2 dönüşlü parçacıklar - leptonlar ve kuarklar, ayrıca farklı türde etkileşimler gerçekleştiren 1 dönüşlü parçacıklar - gluonlar, fotonlar, büyük ara bozonlar. 1/2 spinli parçacıklar. Bu grup büyük olasılıkla 2 spinli bir parçacık olan gravitonu da içermelidir; Ancak tüm elektron parçacıklarını birbirine bağlayan yerçekimi alanının bir kuantumu. Ancak bu şemada birçok soru daha fazla araştırma gerektiriyor. Lepton, kuark ve çeşitli vektör (J=1 olan) parçacıklarının toplam sayısının ne olduğu ve bu sayıyı belirleyen fiziksel ilkelerin olup olmadığı bilinmemektedir. Spini 1/2 olan parçacıkların leptonlar ve kuarklar olmak üzere 2 farklı gruba bölünmesinin nedenleri belirsizdir. Lepton ve kuarkların iç kuantum sayılarının (L, B, 1, Y, Ch) kökeni ve kuark ve gluonların “renk” gibi özelliklerinin kökeni belirsizdir. İç kuantum sayılarıyla hangi serbestlik dereceleri ilişkilidir? Bir elektron parçacığının yalnızca J ve P gibi özellikleri sıradan dört boyutlu uzay-zamanla ilişkilidir. Gerçek bir elektron parçacığının kütlelerini hangi mekanizma belirler? Farklı simetri özelliklerine sahip elektronlarda farklı sınıflarda etkileşimlerin bulunmasının nedeni nedir? Bu ve diğer soruların E.ch'in gelecekteki teorisi tarafından çözülmesi gerekecek.

Belirtildiği gibi, elektron parçacıklarının etkileşimlerinin açıklaması ayar alanı teorileriyle ilişkilidir. Bu teoriler, elektron parçacıklarıyla (en azından prensipte) süreçlerin kuantum elektrodinamiğindekiyle aynı kesinlik düzeyinde hesaplanmasına olanak tanıyan gelişmiş bir matematiksel aygıta sahiptir. Ancak mevcut haliyle, ayar alanı teorilerinin kuantum elektrodinamiğinde ortak olan ciddi bir dezavantajı vardır - hesaplama sürecinde anlamsız, sonsuz büyük ifadeler ortaya çıkar. Gözlemlenebilir miktarları (kütle ve yük) yeniden tanımlamak için özel bir teknik - yeniden normalleştirme - kullanarak, hesaplamaların nihai sonuçlarından sonsuzlukları ortadan kaldırmak mümkündür. En iyi çalışılan elektrodinamikte bu, teorik tahminlerin deneyle uyumunu henüz etkilemez. Bununla birlikte, yeniden normalleştirme prosedürü, teorik aparatta mevcut olan ve belirli bir doğruluk düzeyinde hesaplamalar ve ölçümler arasındaki uyumun derecesini etkilemesi gereken zorluğun tamamen resmi bir atlamasıdır.

Hesaplamalarda sonsuzlukların ortaya çıkması, Lagrangian etkileşimlerinde farklı parçacıkların alanlarının bir x noktasına atfedilmesinden kaynaklanmaktadır, yani parçacıkların nokta benzeri olduğu ve dört boyutlu uzay-zamanın x noktasına kadar düz kaldığı varsayılmaktadır. en küçük mesafeler. Gerçekte, bu varsayımlar çeşitli nedenlerden dolayı görünüşe göre yanlıştır: a) gerçek E. unsurları büyük olasılıkla sonlu boyuttaki maddi nesnelerdir; b) küçük boyuttaki uzay-zamanın özellikleri (temel uzunluk olarak adlandırılan ölçekte) büyük olasılıkla makroskobik özelliklerinden kökten farklıdır; c) en küçük mesafelerde (~ 10 -33 cm), yerçekimi nedeniyle uzay-zamanın geometrik özelliklerinde bir değişiklik etkilenir. Belki de bu nedenler yakından ilişkilidir. Bu nedenle, en doğal olarak 10 -33 cm düzeyindeki gerçek bir E. parçacığının boyutuna yol açan yerçekimi dikkate alınır ve temel, uzunluk l 0, yerçekimi sabiti f: "10 -33 ile ilişkilendirilebilir. cm.Bu nedenlerden herhangi biri teoride bir değişikliğe ve sonsuzlukların ortadan kaldırılmasına yol açmalıdır, ancak bu değişikliğin pratik uygulaması oldukça karmaşık olabilir.

Kısa mesafelerde yer çekiminin etkisini hesaba katmak çok ilginç görünüyor. Yerçekimi etkileşimi yalnızca kuantum alan teorisindeki farklılıkları ortadan kaldırmakla kalmaz, aynı zamanda birincil maddenin varlığını da belirleyebilir (M. A. Markov, 1966). Gerçek bir E.H. maddesinin yoğunluğu yeterince büyükse, yerçekimi çekimi bu malzeme oluşumlarının kararlı varlığını belirleyen faktör olabilir. Bu tür oluşumların boyutları ~10 -33 cm olmalıdır. Çoğu deneyde nokta nesneler gibi davranacaklar, yerçekimsel etkileşimleri ihmal edilebilir olacak ve yalnızca en küçük mesafelerde, uzay geometrisinin önemli ölçüde değiştiği bölgede ortaya çıkacaklar.

Bu nedenle, elektron parçacıklarının çeşitli etkileşim sınıflarının eşzamanlı olarak değerlendirilmesine yönelik ortaya çıkan eğilim, büyük olasılıkla, genel şemaya yerçekimsel etkileşimin dahil edilmesiyle mantıksal olarak tamamlanmalıdır. Gelecekteki bir elektron parçacıkları teorisinin yaratılmasının beklenmesi, tüm etkileşim türlerinin eşzamanlı olarak değerlendirilmesi temelindedir.

Kullanılmış literatür listesi

1) Markov M.A. Maddenin doğası hakkında. M., 1976

2) Gaziorovich S. Temel parçacıkların fiziği, çev. İngilizceden, M. 1969

3) Kokkede Ya., Kuarkların Teorisi, çev. İngilizceden, M., 1971

4) I., Ioffe B.L., Okun L.B., Yeni temel parçacıklar, "Fiziksel Bilimlerdeki Gelişmeler", 1975, v. 117, v. 2, s. 227

5) Bogolyubov N.N., Shirkov D.V., Kuantize edilmiş alanlar teorisine giriş, 3. baskı, M., 1976;

6) Temel fizik haberleri, çev. İngilizceden, M., 1977, s. 120-240 .

Federal Devlet Eğitim Kurumu

yüksek mesleki eğitim

"GÜNEY FEDERAL ÜNİVERSİTESİ"

İktisat Fakültesi

Temel parçacıklar.

Sınıflandırılması ve temel özellikleri.

Tamamlanmış

1. sınıf öğrencisi, 11. grup

Bublikova Ekaterina

Rostov-na-Donu – 2009

Giriiş. Temel parçacıkların dünyası.

Temel fiziksel etkileşimler.

Yer çekimi.
Elektromanyetik etkileşim.
Zayıf etkileşim.
Güçlü etkileşim.

Temel parçacıkların sınıflandırılması.

Atom altı parçacıkların özellikleri.
Temel parçacıkların keşfinin tarihi.

2.5. Kuark teorisi.

2.6. Parçacıklar etkileşimlerin taşıyıcılarıdır.

3. Temel parçacık teorileri.

3.1. Kuantum elektrodinamiği.

3.2. Elektrozayıf etkileşim teorisi.

3.3. Kuantum kromodinamiği.

3.4. Büyük Birleşme'ye giderken.

Kullanılmış literatürün listesi.

Temel parçacıkların dünyası.

Yirminci yüzyılın orta ve ikinci yarısında, maddenin temel yapısını inceleyen fizik dallarında gerçekten şaşırtıcı sonuçlar elde edildi. Her şeyden önce bu, bir dizi yeni atom altı parçacığın keşfiyle kendini gösterdi. Bunlara genellikle temel parçacıklar denir, ancak bunların hepsi gerçekten temel parçacıklar değildir. Bu terimin tam anlamıyla temel parçacıklar, tüm maddenin oluştuğu varsayılan birincil, diğer ayrışmaz parçacıklardır, ancak bunların çoğu, daha da temel parçacıklardan oluşur.

Atom altı parçacıkların dünyası gerçekten çok çeşitlidir. Şu anda 350'den fazla temel parçacık bilinmektedir. Bunlara atom çekirdeğini oluşturan protonlar ve nötronların yanı sıra çekirdeğin etrafında dönen elektronlar da dahildir. Ancak etrafımızdaki maddede neredeyse hiç bulunmayan parçacıklar da var. Atom çekirdeğinin dışında bulunan bir nötronun ortalama ömrü 15 dakika ise, bu tür kısa ömürlü parçacıkların ömrü son derece kısadır, bu da bir saniyenin en küçük kesirlerine denk gelir. Bu son derece kısa sürenin ardından sıradan parçacıklara parçalanırlar. Bu tür kararsız kısa ömürlü parçacıkların şaşırtıcı sayıda var: bunlardan birkaç yüz tanesi zaten biliniyor. Bununla birlikte, aynı parçacık çeşitli yollarla farklı temel parçacıklara bozunabileceği için, kararsız temel parçacıkların kararlı olanlardan "oluştuğu" düşünülemez.

Her temel parçacığın (kesinlikle nötr parçacıklar hariç) kendi antiparçacığı vardır.

Fizikçiler nükleer süreçleri incelerken temel parçacıkların varlığını keşfettiler, dolayısıyla 20. yüzyılın ortalarına kadar temel parçacık fiziği nükleer fiziğin bir dalıydı. Şu anda, temel parçacık fiziği ve nükleer fizik, ele alınan birçok problemin ve kullanılan araştırma yöntemlerinin ortaklığıyla birleşen, yakın fakat bağımsız fizik dallarıdır. Temel parçacık fiziğinin asıl görevi, temel parçacıkların doğasının, özelliklerinin ve karşılıklı dönüşümlerinin incelenmesidir.

1960'lı ve 1970'li yıllarda fizikçiler, yeni keşfedilen atom altı parçacıkların sayısı, çeşitliliği ve tuhaflığı karşısında tamamen şaşkına dönmüştü. Bunların sonu yok gibi görünüyordu. Neden bu kadar çok parçacığın olduğu tamamen belirsiz. Bu temel parçacıklar kaotik ve rastgele madde parçaları mı? Veya belki de Evrenin yapısını anlamanın anahtarını taşıyorlar? Fiziğin sonraki yıllardaki gelişimi, böyle bir yapının varlığından şüphe duyulmadığını gösterdi. Yirminci yüzyılın sonunda fizik, temel parçacıkların her birinin önemini anlamaya başladı.

Atom altı parçacıkların dünyası derin ve rasyonel bir düzen ile karakterize edilir. Bu düzen temel fiziksel etkileşimlere dayanmaktadır.

1. Temel fiziksel etkileşimler.

Günlük yaşamda insan vücuduna etki eden birçok kuvvetle karşı karşıya kalır. Rüzgarın kuvveti veya yaklaşmakta olan su akışı, hava basıncı, patlayıcı kimyasalların güçlü bir şekilde salınması, insanın kas gücü, ağır nesnelerin ağırlığı, ışık kuantumunun basıncı, elektrik yüklerinin çekilmesi ve itilmesi, sismik dalgalar bazen felaketle sonuçlanan yıkımlara ve uygarlığın ölümüne yol açan volkanik patlamalara neden olan vb. Bazı kuvvetler doğrudan vücutla temas üzerine etki eder, diğerleri, örneğin yerçekimi, uzay yoluyla uzaktan etki eder. Ancak teorik doğa biliminin gelişmesinin bir sonucu olarak ortaya çıktığı gibi, bu kadar büyük çeşitliliğe rağmen, doğada etki eden tüm kuvvetler yalnızca dört temel etkileşime indirgenebilir: yerçekimi, elektromanyetik, zayıf ve güçlü. Dünyadaki tüm değişimlerin nihai sorumlusu bu etkileşimlerdir; bedenlerin ve süreçlerin tüm dönüşümlerinin kaynağıdırlar. Temel parçacıklar, çeşitli temel etkileşim türlerine yönelik yeteneklerine göre gruplara ayrılır. Temel etkileşimlerin özelliklerinin incelenmesi modern fiziğin ana görevidir.

1.1. Yer çekimi.

Fizik tarihinde yerçekimi, bilimsel araştırmalara konu olan dört temel etkileşimden ilki olmuştur. On yedinci yüzyılda ortaya çıktıktan sonra. Newton'un yerçekimi teorisi - evrensel çekim yasası - ilk kez yerçekiminin bir doğa kuvveti olarak gerçek rolünü fark etmeyi başardı. Yerçekiminin onu diğer temel etkileşimlerden ayıran bir takım özellikleri vardır.

Yer çekiminin en şaşırtıcı özelliği düşük olmasıdır. yoğunluk. Bir hidrojen atomunun bileşenleri arasındaki yerçekimsel etkileşimin büyüklüğü, elektrik yüklerinin etkileşim kuvvetine bağlı olarak 10n'dir; burada n = -39'dur. Yer çekimini hissetmemiz şaşırtıcı görünebilir, çünkü çok zayıftır. Nasıl Evrendeki baskın güç haline gelebilir?

Her şey yerçekiminin ikinci şaşırtıcı özelliğiyle ilgili: evrenselliği. Evrendeki hiçbir şey yerçekiminden muaf değildir. Her parçacık yerçekiminin etkisini yaşar ve kendisi de bir yerçekimi kaynağıdır. Maddenin her parçacığı bir çekim kuvveti uyguladığından, daha büyük madde yığınları oluştukça yerçekimi artar. Günlük yaşamda yerçekimini hissederiz çünkü Dünya'nın tüm atomları bizi çekmek için birlikte çalışır. Her ne kadar bir atomun yerçekimsel çekiminin etkisi ihmal edilebilir olsa da, tüm atomların ortaya çıkardığı çekim kuvveti önemli olabilir.

Yer çekimi - doğanın uzun menzilli gücü. Bu, yerçekimi etkileşiminin yoğunluğunun mesafeyle azalmasına rağmen uzayda yayıldığı ve kaynaktan çok uzaktaki cisimleri etkileyebileceği anlamına gelir. Astronomik ölçekte, yerçekimi etkileşimleri önemli bir rol oynama eğilimindedir. Uzun menzilli etki sayesinde, yerçekimi Evrenin parçalanmasını önler: gezegenleri yörüngelerde, yıldızları galaksilerde, galaksileri kümeler halinde, kümeleri Metagalaksi'de tutar.

Parçacıklar arasında etkili olan yer çekimi kuvveti her zaman çekici bir kuvvettir: parçacıkları birbirine yaklaştırma eğilimindedir. Yerçekimsel itme daha önce hiç gözlemlenmemişti (yarı bilimsel mitoloji geleneklerinde havaya yükselme adı verilen bir alan olmasına rağmen - yerçekimine karşı "gerçeklerin" araştırılması). Herhangi bir parçacıkta depolanan enerji her zaman pozitif olduğundan ve ona pozitif kütle verdiğinden, yerçekiminin etkisi altındaki parçacıklar her zaman birbirine yaklaşma eğilimindedir.

Yerçekimi nedir, belirli bir alan mı yoksa uzay-zamanın eğriliğinin bir tezahürü mü - bu sorunun hala net bir cevabı yok. Bu konuda fizikçilerin farklı görüş ve anlayışları bulunmaktadır.

1.2. Elektromanyetik etkileşim.

Elektriksel kuvvetler yer çekimi kuvvetlerinden çok daha büyüktür. Zayıf yerçekimsel etkileşimin aksine, normal büyüklükteki cisimler arasında etkili olan elektriksel kuvvetler kolaylıkla gözlemlenebilir. Elektromanyetizma çok eski zamanlardan beri insanlar tarafından bilinmektedir (auroralar, şimşek çakmaları vb.).

Uzun bir süre elektriksel ve manyetik süreçler birbirinden bağımsız olarak incelendi. Elektromanyetizma bilgisinde belirleyici bir adım, 19. yüzyılın ortalarında, elektriği ve manyetizmayı birleşik bir elektromanyetizma teorisinde (ilk birleşik alan teorisi) birleştiren J. C. Maxwell tarafından atıldı.

Elektronun varlığı geçen yüzyılın 90'lı yıllarında kesin olarak belirlendi. Artık herhangi bir madde parçacığının elektrik yükünün her zaman temel yük biriminin (bir tür yük "atomu") katı olduğu bilinmektedir. Bunun neden böyle olduğu son derece ilginç bir sorudur. Ancak tüm maddi parçacıklar elektrik yükünün taşıyıcıları değildir. Örneğin foton ve nötrino elektriksel olarak nötrdür. Bu bakımdan elektrik yerçekiminden farklıdır. Tüm maddi parçacıklar bir yerçekimi alanı oluştururken, yalnızca yüklü parçacıklar bir elektromanyetik alanla ilişkilidir. Yüklü parçacıklar arasındaki elektromanyetik etkileşimin taşıyıcısı elektromanyetik alandır veya alan kuantum fotonlarıdır.

Elektrik yükleri gibi, manyetik kutuplar da birbirini iter, zıt kutuplar çeker. Bununla birlikte, elektrik yüklerinin aksine, manyetik kutuplar tek tek değil, yalnızca çiftler halinde (kuzey kutbu ve güney kutbu) oluşur. Antik çağlardan beri, bir mıknatısı bölerek yalnızca tek bir izole manyetik kutup (bir tek kutup) elde etme girişimleri bilinmektedir. Ama hepsi başarısızlıkla sonuçlandı. Belki de doğada izole edilmiş manyetik kutupların varlığı hariç tutulmuştur? Bu sorunun henüz kesin bir cevabı yok. Bazı teorik kavramlar tek kutuplu olma ihtimaline izin verir.

Elektriksel ve yerçekimsel etkileşimler gibi, manyetik kutupların etkileşimi de ters kare yasasına uyar. Sonuç olarak, elektrik ve manyetik kuvvetler “uzun menzillidir” ve etkileri kaynaktan çok uzak mesafelerde hissedilir. Böylece Dünya'nın manyetik alanı uzayın derinliklerine kadar uzanır. Güneş'in güçlü manyetik alanı tüm Güneş Sistemini doldurmaktadır. Ayrıca galaktik manyetik alanlar da vardır.

Elektromanyetik etkileşim atomların yapısını belirler ve fiziksel ve kimyasal olayların ve süreçlerin büyük çoğunluğundan sorumludur. Elektromanyetik etkileşim aynı zamanda elektromanyetik dalgaların yayılmasına da yol açar.

1.3. Zayıf etkileşim.

Fizik, zayıf etkileşimin varlığını belirlemeye doğru yavaş yavaş ilerledi. Zayıf kuvvet parçacık bozunumlarından sorumludur ve bu nedenle onun ortaya çıkışı radyoaktivitenin keşfi ve beta bozunması çalışmaları ile karşı karşıya kalmıştır.

Beta bozunması son derece garip bir özelliği ortaya çıkardı. Araştırmalar, bu çürümenin fiziğin temel yasalarından biri olan enerjinin korunumu yasasını ihlal ettiği sonucuna varmıştır. Görünüşe göre bu çürümede enerjinin bir kısmı bir yerlerde kaybolmuştu. Enerjinin korunumu yasasını "kurtarmak" için W. Pauli, beta bozunması sırasında elektronla birlikte başka bir parçacığın da uçtuğunu öne sürdü. Nötrdür ve alışılmadık derecede yüksek bir nüfuz etme kabiliyetine sahiptir, bu nedenle gözlemlenememektedir. E. Fermi görünmez parçacığa "nötrino" adını verdi.

Nötrino (İtalyan nötrino, nötronun küçüğü - nötron), 1/2 spinli ve muhtemelen sıfır kütleli, kararlı, yüksüz bir temel parçacık. Nötrinolar leptonlar olarak sınıflandırılır. Yalnızca zayıf ve yerçekimsel etkileşimlere katılırlar ve bu nedenle maddeyle son derece zayıf etkileşime girerler. Her zaman bir elektron veya pozitronla eşleştirilmiş elektron nötrinoları, bir müonla eşleştirilmiş müon nötrinoları ve ağır bir leptonla ilişkilendirilmiş tau nötrinoları vardır. Her nötrino türünün, karşılık gelen lepton yükü ve sarmalın işareti bakımından nötrinolardan farklı olan kendi antiparçacığı vardır: nötrinolar sol yönlü sarmallığa sahiptir (spin parçacığın hareketine karşı yönlendirilir) ve antinötrinolar sağ yönlü sarmallığa sahiptir ( dönüş hareket yönündedir).

Ancak nötrinoların tahmini ve tespiti sorunun, formülasyonunun yalnızca başlangıcıdır. Nötrinoların doğasını açıklamak gerekiyordu ama burada hâlâ pek çok gizem vardı. Gerçek şu ki hem elektronlar hem de nötrinolar kararsız çekirdekler tarafından yayılıyor. Ancak çekirdeklerin içinde böyle parçacıkların olmadığı reddedilemez bir şekilde kanıtlandı. Nasıl ortaya çıktılar? Elektronların ve nötrinoların çekirdekte “hazır formda” bulunmadığı, bir şekilde radyoaktif çekirdeğin enerjisinden oluştuğu öne sürüldü. Daha ileri araştırmalar, çekirdeğe dahil edilen nötronların, kendi hallerine bırakıldıklarında, birkaç dakika sonra proton, elektron ve nötrinoya bozunduklarını gösterdi. bir parçacık yerine üç yeni parçacık ortaya çıkıyor. Analiz, bilinen kuvvetlerin böyle bir parçalanmaya neden olamayacağı sonucuna vardı. Görünüşe göre bilinmeyen başka bir güç tarafından üretilmiş. Araştırmalar bu kuvvetin bazı zayıf etkileşimlere karşılık geldiğini göstermiştir.

Yerçekiminden daha güçlü olmasına rağmen, elektromanyetikten çok daha zayıftır. Çok kısa mesafelere yayılır. Zayıf etkileşimin yarıçapı çok küçüktür ve yaklaşık 2*10^(-16) cm'dir. Zayıf etkileşim, kaynaktan minimum bir mesafede durur ve bu nedenle makroskobik nesneleri etkileyemez, ancak bireysel atom altı parçacıklarla sınırlıdır. Foton dışındaki tüm temel parçacıklar zayıf etkileşime katılır. Temel parçacıkların bozunumlarının çoğunu, nötrinoların madde ile etkileşimini vb. belirler. Zayıf etkileşim, eşlik, tuhaflık ve "çekiciliğin" ihlali ile karakterize edilir. 60'ların sonlarında S. Weinberg, S. Glashow ve A. Salam tarafından birleşik bir zayıf ve elektromanyetik etkileşim teorisi oluşturuldu. Dört parçacığın değişimi yoluyla gerçekleştirilen kuarklar ve leptonların etkileşimlerini tanımlar: kütlesiz fotonlar (elektromanyetik etkileşim) ve ağır ara vektör bozonları - zayıf etkileşimin taşıyıcıları olan W+, W- ve Z° parçacıkları (deneysel olarak keşfedilmiştir) 1983). Bu tek etkileşime elektrozayıf adı verildi. Maxwell'in elektromanyetik alan teorisinden bu yana, bu teorinin yaratılması fiziğin birliğine doğru atılmış en büyük adımdı.

1.4. Güçlü etkileşim.

Temel etkileşimler serisinin sonuncusu, muazzam bir enerji kaynağı olan güçlü etkileşimdir. Güçlü kuvvetin açığa çıkardığı enerjinin en tipik örneği Güneşimizdir. Güneşin ve yıldızların derinliklerinde belirli bir zamandan başlayarak sürekli olarak güçlü etkileşimin neden olduğu termonükleer reaksiyonlar meydana gelir. Ancak insan aynı zamanda güçlü etkileşimleri serbest bırakmayı da öğrendi: Bir hidrojen bombası yaratıldı, kontrollü termonükleer reaksiyonlara yönelik teknolojiler tasarlandı ve geliştirildi.

Fizik, atom çekirdeğinin yapısının incelenmesi sırasında güçlü etkileşimin varlığı fikrine geldi. Bir miktar kuvvetin protonları çekirdekte tutması ve elektrostatik itmenin etkisi altında saçılmalarını önlemesi gerekir. Yerçekimi bunun için çok zayıf; Açıkçası, elektromanyetikten daha güçlü bazı yeni etkileşimlere ihtiyaç var. Daha sonra keşfedildi. Güçlü etkileşimin büyüklüğü bakımından diğer tüm temel etkileşimleri önemli ölçüde aşmasına rağmen çekirdeğin dışında hissedilmediği ortaya çıktı. Yeni kuvvetin etki yarıçapının çok küçük olduğu ortaya çıktı. Güçlü kuvvet, bir proton veya nötrondan yaklaşık 10^(-15) m'den daha büyük bir mesafede keskin bir şekilde düşer.

Ayrıca tüm parçacıkların güçlü etkileşimler yaşamadığı ortaya çıktı. Protonlar ve nötronlar tarafından deneyimlenir, ancak elektronlar, nötrinolar ve fotonlar buna tabi değildir. Bu, güçlü etkileşime yalnızca hadronların katıldığı anlamına gelir.

Güçlü etkileşim, elektromanyetik etkileşimi yaklaşık 100 kat aşar. Güçlü etkileşimin doğasına ilişkin teorik açıklamayı geliştirmek zor olmuştur. Kuark modelinin önerildiği 60'lı yılların başında bir atılım meydana geldi. Bu teoride nötronlar ve protonlar temel parçacıklar olarak değil, kuarklardan oluşan bileşik sistemler olarak kabul edilir. Güçlü etkileşimin modern teorisi kuantum renk dinamiğidir.

Böylece, temel fiziksel etkileşimlerde uzun menzilli ve kısa menzilli kuvvetler arasındaki fark açıkça görülebilir. Bir yanda sınırsız menzilli etkileşimler (yerçekimi, elektromanyetizma), diğer yanda kısa menzilli etkileşimler (güçlü ve zayıf) vardır. Bir bütün olarak fiziksel elementlerin dünyası, bu iki kutbun birliğinde ortaya çıkar ve son derece küçük ve son derece büyük olanın birliğinin somutlaşmış halidir - mikro dünyadaki kısa menzilli eylem ve Evren boyunca uzun menzilli eylem.

1.5. Fiziğin birliği sorunu.

Bilgi, gerçekliğin genelleştirilmesidir ve bu nedenle bilimin amacı, farklı bilgi parçalarını tek bir resimde birleştirerek doğadaki birliği aramaktır. Birleşik bir sistem oluşturmak için çeşitli bilgi dalları arasında bir bağlantı bağlantısı, bazı temel ilişkiler açmak gerekir. Bu tür bağlantı ve ilişkilerin araştırılması bilimsel araştırmanın ana görevlerinden biridir. Bu tür yeni bağlantılar kurmak mümkün olduğunda, çevredeki dünyaya dair anlayış önemli ölçüde derinleşir, daha önce bilinmeyen fenomenlere giden yolu gösteren yeni bilme yolları oluşturulur.

Doğanın farklı alanları arasında derin bağlantılar kurmak hem bir bilgi sentezi hem de bilimsel araştırmalara yeni, ayak basılmamış yollarda rehberlik eden bir yöntemdir. Newton'un karasal koşullar altında cisimlerin çekimi ile gezegenlerin hareketi arasındaki bağlantıyı keşfetmesi, modern uygarlığın teknolojik temelinin üzerine inşa edildiği klasik mekaniğin doğuşuna işaret ediyordu. Gazın termodinamik özellikleri ile moleküllerin kaotik hareketi arasında bir bağlantının kurulması, maddenin atomik-moleküler teorisini sağlam bir temele oturtmaktadır. Geçen yüzyılın ortalarında Maxwell, hem elektriksel hem de manyetik olayları kapsayan birleşik bir elektromanyetik teori yarattı. Daha sonra yirminci yüzyılın 20'li yıllarında Einstein, elektromanyetizma ve yerçekimini tek bir teoride birleştirme girişimlerinde bulundu.

Ancak yirminci yüzyılın ortalarında fizikteki durum kökten değişti: iki yeni temel etkileşim keşfedildi - güçlü ve zayıf, yani. Birleşik bir fizik yaratılırken iki değil dört temel etkileşimin hesaba katılması gerekir. Bu, soruna hızlı bir çözüm bulmayı umut edenlerin heyecanını bir nebze olsun dindirdi. Ancak fikrin kendisi ciddi bir şekilde sorgulanmadı ve tek bir açıklama fikrine duyulan coşku ortadan kalkmadı.

Dört (veya en az üç) etkileşimin tamamının aynı doğadaki fenomeni temsil ettiği ve bunların birleşik teorik açıklamalarının bulunması gerektiği yönünde bir bakış açısı vardır. Tek bir temel etkileşime dayanan fiziksel öğeler dünyasının birleşik bir teorisini yaratma ihtimali hala çok çekici. Bu yirminci yüzyıl fizikçilerinin ana hayalidir. Ancak uzun bir süre boyunca bu yalnızca bir rüya olarak kaldı ve oldukça belirsiz bir rüyaydı.

Ancak yirminci yüzyılın ikinci yarısında bu hayalin gerçekleşmesinin önkoşulları ve bunun uzak bir gelecek meselesi olmadığına duyulan güven ortaya çıktı. Yakında gerçeğe dönüşebilecek gibi görünüyor. 60-70'lerde önce kuark teorisinin, ardından da elektrozayıf etkileşim teorisinin yaratılmasıyla birleşik bir teoriye doğru kararlı bir adım atıldı. Her zamankinden daha güçlü ve daha derin bir birleşmenin eşiğinde olduğumuza inanmak için nedenler var. Fizikçiler arasında, tüm temel etkileşimlerin birleşik teorisinin (Büyük Birleşme) ana hatlarının ortaya çıkmaya başladığına dair artan bir inanç var.

2. Temel parçacıkların sınıflandırılması.

2.1. Atom altı parçacıkların özellikleri.

On dokuzuncu ve yirminci yüzyılların başında maddenin özelliklerinin en küçük taşıyıcılarının (moleküller ve atomlar) keşfi ve moleküllerin atomlardan oluştuğu gerçeğinin ortaya konması, ilk kez bilinen tüm maddelerin tanımlanmasını mümkün kıldı. sonlu, ancak çok sayıda yapısal bileşenin - atomların kombinasyonları olarak. Kurucu atomların (elektronlar ve çekirdekler) varlığının daha fazla tanımlanması, yalnızca iki tür parçacıktan (protonlar ve nötronlar) oluştuğu ortaya çıkan çekirdeklerin karmaşık yapısının belirlenmesi , maddenin özelliklerini oluşturan ayrı elemanların sayısını önemli ölçüde azalttı. Yukarıdaki tanım anlamında temel parçacıkların var olduğunu kesin olarak söylemek imkansızdır. Örneğin, uzun süre temel kabul edilen protonlar ve nötronların karmaşık bir yapıya sahip olduğu ortaya çıktı. Maddenin yapısal bileşenlerinin sırasının temelde sonsuz olması ihtimali göz ardı edilemez. Maddeyi incelemenin bir aşamasında “... oluşur” ifadesinin içerikten yoksun olduğu da ortaya çıkabilir. Bu durumda yukarıda verilen “temel” tanımından vazgeçilmesi gerekecektir. Temel (atom altı) parçacıkların varlığı bir tür varsayımdır ve geçerliliğinin test edilmesi fiziğin en önemli görevlerinden biridir.

Atom altı parçacıkların özellikleri kütle, elektrik yükü, dönüş (içsel açısal momentum), parçacık ömrü, manyetik moment, uzaysal eşlik, yük eşitliği, lepton yükü, baryon yükü, tuhaflık, “cazibe” vb.'dir.

Bir parçacığın kütlesinden bahsettiklerinde, onun hareketsiz kütlesini kastediyorlar çünkü bu kütle hareket durumuna bağlı değildir. Durağan kütlesi sıfır olan bir parçacık ışık hızında (foton) hareket eder. İki parçacık aynı kütleye sahip değildir. Elektron, dinlenme kütlesi sıfır olmayan en hafif parçacıktır. Proton ve nötron elektrondan neredeyse 2000 kat daha ağırdır. Ve bilinen en ağır temel parçacık (Z - parçacığı), bir elektronun kütlesinden 200.000 kat daha büyük bir kütleye sahiptir.

Elektrik yükü oldukça dar bir aralıkta değişir ve her zaman temel yük birimi olan elektronun yükünün (-1) katıdır. Foton ve nötrino gibi bazı parçacıkların hiçbir yükü yoktur.

Bir parçacığın önemli bir özelliği spindir. Klasik bir benzeri yoktur ve elbette bir mikro nesnenin “iç karmaşıklığını” gösterir. Doğru, bazen kendi ekseni etrafında dönen bir nesnenin modelini dönme kavramıyla karşılaştırmaya çalışırlar ("döndürme" kelimesinin kendisi "mil" olarak çevrilir). Bu model görseldir ancak yanlıştır. Her durumda, kelimenin tam anlamıyla alınamaz. Literatürde bulunan “dönen mikro nesne” terimi, mikro nesnenin dönmesini değil, yalnızca belirli bir iç açısal momentumun varlığını ifade eder. Bu anın klasik açısal momentuma “dönüşmesi” (ve böylece nesnenin gerçekten dönmeye başlaması) için s koşulunun yerine getirilmesi gerekir. >> 1 (birden çok daha fazlası). Ancak bu koşul hiçbir zaman sağlanmaz. Spin aynı zamanda her zaman ½ olarak seçilen temel birimin katıdır. Aynı türdeki tüm parçacıklar aynı dönüşe sahiptir. Tipik olarak parçacık dönüşleri Planck sabiti ћ birimleriyle ölçülür. Bir tam sayı (0, 1, 2,...) veya yarım tam sayı (1/2, 3/2,...) olabilir. Dolayısıyla bir proton, bir nötron ve bir elektronun spini ½, bir fotonun ise spini 1'dir. Spini 0, 3/2 ve 2 olan parçacıklar bilinmektedir. Spini 0 olan bir parçacık, parçacık gibi görünür. herhangi bir dönüş açısında aynı. Spini 1 olan parçacıklar 360° tam dönüşten sonra aynı formu alırlar. Spini 1/2 olan bir parçacık, 720°, vb. bir dönüşten sonra önceki görünümünü alır. Spini 2 olan bir parçacık yarım tur (180°) sonra önceki konumuna geri döner. Spini 2'den büyük parçacıklar keşfedilmedi ve belki de hiç mevcut değiller. Bir mikro nesnenin dönüşünü bilmek, onun kendi türündeki bir gruptaki davranışının doğasını yargılamamıza olanak tanır (başka bir deyişle, mikro nesnenin istatistiksel özelliklerini yargılamamıza olanak tanır). İstatistiksel özelliklerine göre doğadaki tüm mikronesnelerin iki gruba ayrıldığı ortaya çıktı: tamsayı spinli bir grup mikronesne ve yarım tamsayı spinli bir grup mikronesne.

Birinci grubun mikro nesneleri aynı durumu sınırsız sayıda "doldurma" yeteneğine sahiptir ve bu durum ne kadar güçlü "doldurulursa" sayı o kadar yüksek olur. Bu tür mikro nesnelerin Bose-Einstein istatistiklerine uyduğu söyleniyor. Kısaca bozon olarak adlandırılırlar. İkinci grubun mikro nesneleri durumları yalnızca birer birer “doldurabilir”. Ve eğer söz konusu durum işgal edilmişse, bu türden hiçbir mikro nesne onun içine giremez. Bu tür mikro nesnelerin Fermi-Dirac istatistiklerine uyduğu söylenir ve kısaca fermiyonlar olarak adlandırılırlar. Temel parçacıklardan bozonlar fotonları ve mezonları içerir ve fermiyonlar leptonları (özellikle elektronları), nükleonları ve hiperonları içerir.

Parçacıklar ayrıca ömürleriyle de karakterize edilir. Bu kritere göre parçacıklar kararlı ve kararsız olarak ikiye ayrılır. Kararlı parçacıklar elektron, proton, foton ve nötrinodur. Bir nötron, bir atomun çekirdeğindeyken kararlıdır, ancak serbest bir nötron yaklaşık 15 dakika içinde bozunur. Bilinen tüm diğer parçacıklar kararsızdır, ömürleri birkaç mikrosaniyeden 10n saniyeye kadar değişir (burada n = -23). Yani bu süre dolduğunda hiçbir dış etkiye maruz kalmadan kendiliğinden parçalanarak başka parçacıklara dönüşürler. Örneğin, bir nötron kendiliğinden bir protona, bir elektrona ve bir elektron antinötrinosuna bozunur. Belirli bir nötronun belirtilen bozunumunun tam olarak ne zaman gerçekleşeceğini tahmin etmek imkansızdır çünkü her belirli bozunma olayı rastgeledir. Her kararsız temel parçacık kendi ömrüyle karakterize edilir. Ömrü ne kadar kısa olursa, parçacık çürümesi olasılığı da o kadar yüksek olur. Kararsızlık yalnızca temel parçacıkların değil, diğer mikro nesnelerin de doğasında vardır. Radyoaktivite olgusu (partiküllerin emisyonu eşliğinde bir kimyasal elementin izotoplarının diğerinin izotoplarına kendiliğinden dönüşümü) atom çekirdeklerinin kararsız olabileceğini göstermektedir. Uyarılmış durumdaki atomlar ve moleküller de kararsız hale gelirler: kendiliğinden temel veya daha az uyarılmış duruma geçerler.

Olasılık yasalarıyla belirlenen kararsızlık, spinin varlığıyla birlikte mikronesnelerin doğasında bulunan ikinci oldukça spesifik özelliktir. Aynı zamanda bir mikro nesnenin belirli bir “iç karmaşıklığının” göstergesi olarak da düşünülebilir.

Bununla birlikte kararsızlık, bir mikro nesnenin spesifik ancak hiçbir şekilde zorunlu olmayan bir özelliğidir. Kararsız olanların yanı sıra birçok kararlı mikro nesne vardır: foton, elektron, proton, nötrino, kararlı atom çekirdekleri ve ayrıca temel durumdaki atomlar ve moleküller.

Lepton yükü (lepton sayısı), leptonların içsel bir özelliğidir. L harfi ile gösterilir. Leptonlar için +1, antileptonlar için -1'dir. Şunlar vardır: yalnızca elektronlar, pozitronlar, elektron nötrinoları ve antinötrinoların sahip olduğu elektronik lepton yükü; yalnızca müonlar ve müon nötrinoları ve antinötrinoların sahip olduğu müonik lepton yükü; Ağır leptonların ve onların nötrinolarının lepton yükü. Her türün lepton yükünün cebirsel toplamı, tüm etkileşimlerde çok yüksek bir doğrulukla korunur.

Baryon yükü (baryon sayısı) baryonların içsel özelliklerinden biridir. B harfiyle gösterilir. Tüm baryonlar B = +1'e sahiptir ve antipartikülleri B = -1'dir (diğer temel parçacıklar için B = 0). Bir parçacık sisteminde yer alan baryon yüklerinin cebirsel toplamı tüm etkileşimlerde korunur.

Gariplik, hadronları karakterize eden bir tamsayı (sıfır, pozitif veya negatif) kuantum sayısıdır. Parçacıkların ve antiparçacıkların tuhaflığı işaret bakımından zıttır. S'si 0'a eşit olan hadronlara garip denir. Güçlü ve elektromanyetik etkileşimlerde yabancılık korunur, ancak zayıf etkileşimde ihlal edilir.

“Çekicilik” (çekicilik), hadronları (veya kuarkları) karakterize eden bir kuantum sayısıdır. Güçlü ve elektromanyetik etkileşimlerde korunur, ancak zayıf etkileşimde ihlal edilir. Sıfırdan farklı bir çekicilik değerine sahip parçacıklara "büyülenmiş" parçacıklar denir.

Magneton, atomun, atom çekirdeğinin ve temel parçacıkların fiziğindeki manyetik momentin ölçüm birimidir. Bir atomdaki elektronların yörünge hareketi ve dönüşlerinden kaynaklanan manyetik moment, Bohr magnetonlarıyla ölçülür. Nükleonların ve çekirdeklerin manyetik momenti nükleer magnetonlarla ölçülür.

Eşlik, atom altı parçacıkların bir başka özelliğidir. Eşlik, belirli ayrık dönüşümler altında bir fiziksel sistemin veya temel bir parçacığın dalga fonksiyonunun simetrisini karakterize eden bir kuantum sayısıdır: eğer böyle bir dönüşüm sırasında fonksiyon işaret değiştirmezse, o zaman parite pozitiftir; Parite negatif. Antipartikülleriyle aynı olan tamamen nötr parçacıklar (veya sistemler) için, uzaysal pariteye ek olarak, yük paritesi ve birleşik eşlik kavramları da tanıtılabilir (diğer parçacıklar için, bunların antipartiküllerle değiştirilmesi dalga fonksiyonunun kendisini değiştirir).

Uzamsal eşlik, ayna yansıması (uzaysal ters çevirme) sırasında temel parçacıkların veya sistemlerinin simetri özelliklerini yansıtan kuantum mekaniksel bir özelliktir. Bu eşlik P harfi ile gösterilir ve zayıf etkileşimler dışındaki tüm etkileşimlerde korunur.

Ücret paritesi - yük konjugasyonunun işleyişine karşılık gelen mutlak nötr bir temel parçacığın veya sistemin paritesi. Yük paritesi de zayıf etkileşimler dışındaki tüm etkileşimlerde korunur.

Birleşik eşlik, mutlak olarak nötr bir parçacığın (veya sistemin) birleşik ters çevirmeye göre paritesidir. Birleşik parite, zayıf etkileşimin neden olduğu uzun ömürlü nötr K mezonunun bozulmaları haricinde tüm etkileşimlerde korunur (birleşik paritenin bu ihlalinin nedeni henüz açıklığa kavuşturulmamıştır).

2.2. Temel parçacıkların keşfinin tarihi.

Dünyanın temel parçacıklardan oluştuğu fikrinin uzun bir geçmişi var. Çevredeki tüm nesneleri oluşturan en küçük görünmez parçacıkların varlığı fikri ilk kez M.Ö. 400 yıllarında Yunan filozof Demokritos tarafından dile getirildi. Bu parçacıklara atom yani bölünemeyen parçacıklar adını verdi. Bilim, atom fikrini ancak 19. yüzyılın başında kullanmaya başladı; bu temelde bir dizi kimyasal olayı açıklamanın mümkün olduğu zaman. 19. yüzyılın 30'lu yıllarında M. Faraday tarafından geliştirilen elektroliz teorisinde iyon kavramı ortaya çıktı ve temel yük ölçüldü. Ancak 19. yüzyılın ortalarından itibaren atomların bölünmezliği fikrine şüphe düşüren deneysel gerçekler ortaya çıkmaya başladı. Bu deneylerin sonuçları, atomların karmaşık bir yapıya sahip olduğunu ve elektrik yüklü parçacıklar içerdiğini ortaya koydu. Bu, 1896'da radyoaktivite olgusunu keşfeden Fransız fizikçi Henri Becquerel tarafından doğrulandı.

Bunu, 1897'de İngiliz fizikçi Thomson'un ilk temel parçacığı keşfetmesi izledi. Sonunda gerçek bir fiziksel nesne statüsünü kazanan ve insanlık tarihinde bilinen ilk temel parçacık haline gelen elektrondu. Kütlesi bir hidrojen atomunun kütlesinden yaklaşık 2000 kat daha azdır ve şuna eşittir:

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

Bir elektronun negatif elektrik yüküne temel denir ve şuna eşittir:

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

Atomik spektrumların analizi, elektronun spininin 1/2'ye eşit olduğunu ve manyetik momentinin bir Bohr magnetonuna eşit olduğunu göstermektedir. Elektronlar yarım tam sayı spinlere sahip oldukları için Fermi istatistiklerine uyarlar. Bu, atomların yapısı ve metallerdeki elektronların davranışı hakkındaki deneysel verilerle tutarlıdır. Elektronlar elektromanyetik, zayıf ve yerçekimsel etkileşimlere katılırlar.

Keşfedilen ikinci temel parçacık protondu (Yunanca protos'tan - ilk). Bu temel parçacık, 1919 yılında Rutherford tarafından çeşitli kimyasal elementlerin atom çekirdeklerinin fisyon ürünlerini incelerken keşfedildi. Kelimenin tam anlamıyla, bir proton, hidrojenin en hafif izotopu olan protiumun bir atomunun çekirdeğidir. Proton spini 1/2'dir. Protonun pozitif temel yükü +e'dir. Kütlesi:

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

veya yaklaşık 1836 elektron kütlesi. Protonlar, kimyasal elementlerin tüm atomlarının çekirdeklerinin bir parçasıdır. Bundan sonra, 1911'de Rutherford, bilim adamlarının atomların bileşimi konusunda daha fazla araştırma yapmasına yardımcı olan atomun gezegensel bir modelini önerdi.

1932'de J. Chadwick, elektrik yükü olmayan ve elektronun kütlesinin yaklaşık 1839 katı kütleye sahip olan üçüncü temel parçacık olan nötronu (Latince nötrden - ne biri ne de diğeri) keşfetti. Nötron dönüşü de 1/2'dir.

Elektromanyetik alanın bir parçacığının - bir fotonun - varlığına ilişkin sonuç, M. Planck'ın (1900) çalışmalarından kaynaklanmaktadır. Tamamen siyah bir cisimden gelen elektromanyetik radyasyonun enerjisinin kuantumlanmış olduğunu (yani kuantumlardan oluştuğunu) varsayarak Planck, radyasyon spektrumu için doğru formülü elde etti. Planck'ın fikrini geliştiren A. Einstein (1905), elektromanyetik radyasyonun (ışık) aslında bireysel kuantumların (fotonların) akışı olduğunu öne sürdü ve bu temelde fotoelektrik etkinin yasalarını açıkladı. Fotonun varlığının doğrudan deneysel kanıtı 1912 - 1915'te R. Millikan ve 1922'de A. Compton tarafından verildi.

Maddeyle pek etkileşime girmeyen bir parçacık olan nötrinonun keşfi, W. Pauli'nin 1930'daki teorik tahminine kadar uzanır; bu tahmin, böyle bir parçacığın doğduğu varsayımı nedeniyle, korunum yasasıyla ilgili zorlukları ortadan kaldırmayı mümkün kıldı. Radyoaktif çekirdeklerin beta bozunma süreçlerindeki enerji. Nötrinoların varlığı yalnızca 1953'te F. Reines ve K. Cowan tarafından deneysel olarak doğrulandı.

Ancak madde parçacıklardan daha fazlasını içerir. Ayrıca antipartiküller de vardır - "ikizleri" ile aynı kütleye, dönüşe, ömre ve diğer bazı iç özelliklere sahip temel parçacıklar - parçacıklar, ancak elektrik yükü ve manyetik moment, baryon yükü, lepton yükü, tuhaflık belirtileri bakımından parçacıklardan farklıdır vb. Kesinlikle nötr olanlar hariç tüm temel parçacıkların kendi antipartikülleri vardır.

Keşfedilen ilk antiparçacık pozitrondu (Latince pozitif - pozitif) - elektron kütlesine sahip, ancak pozitif elektrik yüküne sahip bir parçacık. Bu antiparçacık, 1932 yılında Amerikalı fizikçi Carl David Anderson tarafından kozmik ışınlarda keşfedildi. İlginç bir şekilde pozitronun varlığı, deneysel keşiften neredeyse bir yıl önce İngiliz fizikçi Paul Dirac tarafından teorik olarak tahmin edilmişti. Üstelik Dirac, sözde yok olma (kaybolma) süreçlerini ve bir elektron-pozitron çiftinin doğuşunu öngördü. Bir çiftin kendisinin yok olması, bir parçacık bir antiparçacıkla çarpıştığında ortaya çıkan temel parçacıkların dönüşüm türlerinden biridir. Yok olma sırasında bir parçacık ve bir antiparçacık ortadan kaybolarak, sayısı ve türü korunum yasalarıyla sınırlanan başka parçacıklara dönüşür. Yok oluşun tersi süreç ise bir çiftin doğuşudur. Pozitronun kendisi kararlıdır, ancak maddede elektronların yok olması nedeniyle çok kısa bir süre için var olur. Bir elektron ile bir pozitronun yok olması, karşılaştıklarında ortadan kaybolmaları ve başka bir şeye dönüşmeleridir. γ- kuantum (fotonlar). Ve bir çarpışmada γ- Herhangi bir büyük çekirdekte bir kuantum oluştuğunda, bir elektron-pozitron çifti doğar.

1955'te başka bir antiparçacık keşfedildi - antiproton ve biraz sonra antinötron. Bir nötron gibi bir antinötronun da elektrik yükü yoktur, ancak yok olma sürecine ve bir nötron-antinötron çiftinin doğuşuna katıldığı için şüphesiz antipartiküllere aittir.

Antiparçacıkların elde edilebilme ihtimali, bilim adamlarını antimadde yaratma fikrine yöneltti. Antimadde atomları bu şekilde oluşturulmalıdır: Atomun merkezinde antiprotonlardan ve antinötronlardan oluşan negatif yüklü bir çekirdek vardır ve pozitif yüklü pozitronlar çekirdeğin etrafında döner. Genel olarak atomun da nötr olduğu ortaya çıkıyor. Bu fikir mükemmel bir deneysel onay aldı. 1969'da Serpukhov şehrinde bir proton hızlandırıcıda Sovyet fizikçiler antihelyum atomlarının çekirdeklerini elde ettiler. Ayrıca 2002 yılında Cenevre'deki CERN hızlandırıcısında 50.000 antihidrojen atomu üretildi. Ancak buna rağmen Evrendeki antimadde birikimleri henüz keşfedilmedi. Ayrıca, antimaddenin herhangi bir maddeyle en ufak bir etkileşiminde, insanlar ve çevre için son derece güvensiz olan, atom çekirdeğinin enerjisinden birkaç kat daha büyük bir enerji salınımının eşlik edeceği, bunların yok edilmesinin gerçekleşeceği de açıkça ortaya çıkıyor. .

Günümüzde bilinen hemen hemen tüm temel parçacıkların antiparçacıkları deneysel olarak keşfedilmiştir.

Temel parçacıkların fiziğinde önemli bir rol, sistemin başlangıç ve son durumunu karakterize eden belirli nicelik kombinasyonları arasında eşitlik sağlayan korunum yasaları tarafından oynanır. Kuantum fiziğindeki korunum yasalarının cephaneliği klasik fizikten daha geniştir. Çeşitli paritelerin (uzaysal, yük), yüklerin (leptonik, baryon vb.), Bir veya başka tür etkileşimin karakteristiği olan iç simetrilerin korunma yasaları ile dolduruldu.

Bireysel atom altı parçacıkların özelliklerini izole etmek önemli, ancak onların dünyasını anlamanın yalnızca ilk aşamasıdır. Bir sonraki aşamada, her bir parçacığın rolünün ne olduğunu, maddenin yapısındaki işlevlerinin neler olduğunu hala anlamamız gerekiyor.

Fizikçiler, her şeyden önce bir parçacığın özelliklerinin, onun güçlü etkileşimlere katılma yeteneği (veya yetersizliği) tarafından belirlendiğini bulmuşlardır. Güçlü etkileşimlere katılan parçacıklar özel bir sınıf oluşturur ve hadronlar olarak adlandırılır. Zayıf etkileşime katılan ve güçlü etkileşime katılmayan parçacıklara lepton adı verilir. Ayrıca etkileşim taşıyan parçacıklar da vardır.

2.3. Leptonlar.

Leptonlar gerçekten temel parçacıklar olarak kabul edilir. Leptonların elektrik yükü olsun veya olmasın, hepsinin spini 1/2'dir. Leptonlar arasında en ünlüsü elektrondur. Elektron, keşfedilen temel parçacıkların ilkidir. Diğer tüm leptonlar gibi elektron da temel (kelimenin tam anlamıyla) bir nesne gibi görünüyor. Bilindiği kadarıyla elektron başka parçacıklardan oluşmamaktadır.

Bir diğer iyi bilinen lepton ise nötrinodur. Nötrinolar Evrendeki en yaygın parçacıklardır. Evren, zaman zaman atom formundaki adacıkların da bulunduğu sınırsız bir nötrino denizi olarak düşünülebilir. Ancak nötrinoların bu kadar yaygın olmasına rağmen onları incelemek çok zordur. Daha önce de belirttiğimiz gibi, nötrinoların bulunması neredeyse imkansızdır. Güçlü veya elektromanyetik etkileşimlere katılmadan, sanki madde yokmuş gibi maddenin içine nüfuz ederler. Nötrinolar bir tür “fiziksel dünyanın hayaletleridir”.

Müonlar doğada oldukça yaygındır ve kozmik radyasyonun önemli bir bölümünü oluşturur. Müon pek çok açıdan bir elektrona benzer: Aynı yüke ve dönüşe sahiptir, bu etkileşimlere katılır, ancak büyük bir kütlesi vardır (yaklaşık 207 elektron kütlesi) ve kararsızdır. Saniyenin yaklaşık iki milyonda biri kadar bir sürede müon bir elektrona ve iki nötrinoya bozunur. 1970'lerin sonlarında tau lepton adı verilen üçüncü bir yüklü lepton keşfedildi. Bu çok ağır bir parçacıktır. Kütlesi yaklaşık 3500 elektron kütlesidir. Ancak diğer tüm açılardan bir elektron ve bir müon gibi davranır.

60'lı yıllarda leptonların listesi önemli ölçüde genişledi. Birkaç tür nötrino olduğu bulunmuştur: elektron nötrinoları, müon nötrinoları ve tau nötrinoları. Böylece toplam nötrino çeşidi sayısı üç, toplam lepton sayısı ise altı olur. Elbette her leptonun kendi antiparçacığı vardır; dolayısıyla farklı leptonların toplam sayısı on ikidir. Nötr leptonlar yalnızca zayıf etkileşimlere katılırlar; yüklü - zayıf ve elektromanyetik. Tüm leptonlar yerçekimsel etkileşimlere katılırlar, ancak güçlü etkileşimlere sahip değillerdir.

2.4. Hadronlar.

Bir düzineden biraz fazla lepton varsa, yüzlerce hadron da vardır. Hadronların bu kadar çokluğu, hadronların temel parçacıklar olmadığını, daha küçük parçacıklardan oluştuğunu göstermektedir. Tüm hadronlar elektrik yüklü ve nötr olmak üzere iki çeşitte bulunur. Hadronlar arasında en ünlüsü ve yaygın olanı, nükleon sınıfına ait olan nötron ve protondur. Geriye kalan hadronlar kısa ömürlüdür ve hızla bozunurlar. Hadronlar tüm temel etkileşimlere katılırlar. Baryonlara ve mezonlara ayrılırlar. Baryonlar nükleonları ve hiperonları içerir.

Nükleonlar arasındaki nükleer etkileşim kuvvetlerinin varlığını açıklamak için kuantum teorisi, kütlesi elektronun kütlesinden daha büyük, ancak protonun kütlesinden daha küçük olan özel temel parçacıkların varlığını gerektiriyordu. Kuantum teorisinin öngördüğü bu parçacıklara daha sonra mezon adı verildi. Mezonlar deneysel olarak keşfedildi. Bütün bir ailenin olduğu ortaya çıktı. Bunların hepsinin kısa ömürlü, kararsız parçacıklar olduğu ve saniyenin milyarda biri kadar serbest bir durumda yaşadıkları ortaya çıktı. Örneğin, yüklü bir pi-mezon veya pion'un dinlenme kütlesi 273 elektron kütlesine ve bir ömre sahiptir:

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

Ayrıca yüklü parçacık hızlandırıcıları üzerinde yapılan çalışmalar sırasında kütleleri protonun kütlesini aşan parçacıklar keşfedildi. Bu parçacıklara hiperon adı verildi. Mezonlardan bile daha fazlası keşfedildi. Hyperon ailesi şunları içerir: lambda-, sigma-, xi- ve omega-eksi hiperonlar.

Bilinen hadronların çoğunun varlığı ve özellikleri hızlandırıcı deneyleriyle belirlenmiştir. 50-60'lı yıllarda birçok farklı hadronun keşfi fizikçileri oldukça şaşırttı. Ancak zamanla hadronlar kütle, yük ve dönüşe göre sınıflandırıldı. Yavaş yavaş az çok net bir resim ortaya çıkmaya başladı. Ampirik verilerin kaosunun nasıl sistematize edileceği ve bilimsel teoride hadronların gizeminin nasıl ortaya çıkarılacağı konusunda spesifik fikirler ortaya çıktı. Burada belirleyici adım 1963 yılında kuark teorisinin öne sürülmesiyle atıldı.

2.5. Kuark teorisi.

Kuark teorisi hadronların yapısına ilişkin bir teoridir. Bu teorinin ana fikri çok basittir. Tüm hadronlar kuark adı verilen daha küçük parçacıklardan oluşur. Bu, kuarkların hadronlardan daha temel parçacıklar olduğu anlamına gelir. Kuarklar varsayımsal parçacıklardır çünkü serbest durumda gözlemlenmedi. Kuarkların baryon yükü 1/3'tür. Kesirli bir elektrik yükü taşırlar: değeri temel birimin (elektronun yükünün) -1/3'ü veya +2/3'ü olan bir yüke sahiptirler. İki ve üç kuarkın birleşiminin toplam yükü sıfır veya bir olabilir. Tüm kuarkların S spini vardır, dolayısıyla fermiyonlar olarak sınıflandırılırlar. Kuark teorisinin kurucuları Gell-Mann ve Zweig, 60'lı yıllarda bilinen tüm hadronları hesaba katmak için üç tür kuark (renk) ortaya çıkardılar: u (yukarıdan yukarıya), d (aşağıdan - daha düşük) ve s (garipten - garipten) .

Kuarklar birbirleriyle iki olası yoldan biriyle birleşebilir: ya üçlü olarak ya da kuark-antikuark çiftleri halinde. Nispeten ağır parçacıklar (baryonlar) üç kuarktan oluşur. En iyi bilinen baryonlar nötron ve protondur. Daha hafif kuark-antikuark çiftleri mezon adı verilen “ara parçacıklar” parçacıklarını oluşturur. Örneğin, bir proton iki u-kuark ve bir d-kuarktan (uud) oluşur ve bir nötron iki d-kuark ve bir u-kuarktan (udd) oluşur. Bu "kuark üçlüsünün" bozunmaması için bir tutma kuvvetine, bir tür "yapıştırıcıya" ihtiyaç vardır.

Çekirdekteki nötronlar ve protonlar arasında ortaya çıkan etkileşimin, kuarkların kendi aralarındaki daha güçlü etkileşimin basit bir kalıntı etkisi olduğu ortaya çıktı. Bu, güçlü etkileşimlerin neden bu kadar karmaşık göründüğünü açıkladı. Bir proton, bir nötrona veya başka bir protona "yapıştığında" etkileşim, her biri diğerleriyle etkileşime giren altı kuark içerir. Kuvvetin önemli bir kısmı üçlü kuarkın sıkı bir şekilde yapıştırılması için harcanır ve küçük bir kısmı da iki üçlü kuarkın birbirine sabitlenmesi için harcanır. Ancak daha sonra kuarkların da zayıf etkileşimlere katıldığı ortaya çıktı. Zayıf etkileşim kuarkın rengini değiştirebilir. Nötron bozunması bu şekilde gerçekleşir. Nötrondaki d-kuarklardan biri u-kuark'a dönüşür ve fazla yük, aynı anda doğan elektronu da alıp götürür. Benzer şekilde zayıf etkileşim, tadı değiştirerek diğer hadronların bozunmasına yol açar.

Bilinen tüm hadronların üç temel parçacığın çeşitli kombinasyonlarından elde edilebilmesi kuark teorisi için bir zaferdi. Ancak 70'li yıllarda yeni hadronlar keşfedildi (psi parçacıkları, upsilon mezon vb.). Bu, kuark teorisinin ilk versiyonuna bir darbe indirdi, çünkü artık içinde tek bir yeni parçacığa yer kalmamıştı. Kuarkların ve onların antikuarklarının olası tüm kombinasyonları zaten tükendi.

Sorun üç yeni renk getirilerek çözüldü. Bunlara c - kuark (çekicilik), b - kuark (aşağıdan yukarıya ve daha sıklıkla güzellik - güzellik veya çekicilik) adı verildi ve daha sonra başka bir renk tanıtıldı - t (yukarıdan - yukarıdan).

Şu ana kadar kuarklar ve antikuarklar serbest halde gözlemlenmemişti. Ancak onların varlığının gerçekliği konusunda neredeyse hiç şüphe yoktur. Dahası, kuarklar arasındaki etkileşimlerin taşıyıcıları olan kuarkları - gluonları takip eden "gerçek" temel parçacıklar için bir araştırma devam etmektedir, çünkü Kuarklar güçlü etkileşimle bir arada tutulur ve gluonlar (renk yükleri) güçlü etkileşimin taşıyıcılarıdır. Kuarklar ve gluonların etkileşimini inceleyen parçacık fiziği alanına kuantum renk dinamiği denir. Kuantum elektrodinamiğinin elektromanyetik etkileşim teorisi olması gibi, kuantum kromodinamiği de güçlü etkileşim teorisidir. Kuantum kromodinamiği, kuarklar ve gluonların güçlü etkileşimine ilişkin bir kuantum alan teorisidir; bu, aralarındaki değişim - gluonlar (kuantum elektrodinamiğindeki fotonların analogları) yoluyla gerçekleştirilir. Fotonlardan farklı olarak gluonlar birbirleriyle etkileşime girer, bu da özellikle kuarklar ve gluonlar birbirlerinden uzaklaştıkça etkileşimin gücünün artmasına neden olur. Nükleer kuvvetlerin kısa menzilli eylemini ve doğada serbest kuark ve gluonların bulunmamasını belirleyen şeyin bu özellik olduğu varsayılmaktadır.

Modern kavramlara göre, hadronlar karmaşık bir iç yapıya sahiptir: baryonlar 3 kuarktan, mezonlardan - bir kuark ve bir antikuarktan oluşur.

Kuark şemasıyla ilgili bazı tatminsizlikler olmasına rağmen çoğu fizikçi, kuarkların gerçekten nokta benzeri, bölünemez ve iç yapıya sahip olmayan temel parçacıklar olduğunu düşünüyor. Bu bakımdan leptonlara benzemektedirler ve uzun zamandır bu iki farklı fakat yapısal olarak benzer aile arasında derin bir ilişki olması gerektiği varsayılmıştır.

Dolayısıyla, yirminci yüzyılın sonunda gerçekten temel parçacıkların (temel etkileşimlerin taşıyıcıları hariç) en olası sayısı 48'dir. Bunlardan: leptonlar (6x2) = 12 ve kuarklar (6x3)x2 = 36.

2.6. Parçacıklar etkileşimlerin taşıyıcılarıdır.

Bilinen parçacıkların listesi, maddenin yapı malzemesini oluşturan leptonlar ve hadronlar gibi listelenen parçacıklarla sınırlı değildir. Bu liste örneğin bir fotonu içermez. Doğrudan maddenin yapı malzemesi olmayan ancak dört temel etkileşimin tümünü sağlayan başka tür parçacıklar da vardır; dünyanın parçalanmasını önleyen bir tür “yapıştırıcı” oluşturur. Bu tür parçacıklara etkileşimlerin taşıyıcıları denir ve belirli bir parçacık türü, etkileşimlerini aktarır.

Yüklü parçacıklar arasındaki elektromanyetik etkileşimin taşıyıcısı fotondur. Foton, sıfır kütleli nötr bir parçacık olan elektromanyetik radyasyonun bir kuantumudur. Fotonun dönüşü 1'dir.

Elektromanyetik etkileşim teorisi kuantum elektrodinamiği tarafından sunuldu.

Güçlü etkileşimin taşıyıcıları gluonlardır. Bunlar sıfır kütleli ve 1 spinli varsayımsal elektriksel olarak nötr parçacıklardır. Kuarklar gibi gluonlar da "renk" kuantum özelliğine sahiptir. Gluonlar kuarklar arasındaki etkileşimin taşıyıcılarıdır çünkü onları çift veya üçlü olarak bağlayın.

Zayıf etkileşimin taşıyıcıları üç parçacıktır: W+, W- ve Z° bozonları. Sadece 1983'te keşfedildiler. Zayıf etkileşimin yarıçapı son derece küçüktür, bu nedenle taşıyıcıları büyük dinlenme kütlelerine sahip parçacıklar olmalıdır. Belirsizlik ilkesine göre, bu kadar büyük bir dinlenme kütlesine sahip parçacıkların ömrü son derece kısa olmalıdır - yalnızca 10n saniye kadar (n = -26). Bu parçacıkların taşıdığı etkileşimin yarıçapı çok küçüktür çünkü bu tür kısa ömürlü parçacıkların çok uzağa gidecek zamanları yoktur.

Yerçekimi alanının bir taşıyıcısının - gravitonun - varlığının da mümkün olduğu öne sürülüyor (onu (yalnızca) uzay-zamanın eğriliğinin bir sonucu olarak değil, bir alan olarak düşünen yerçekimi teorilerinde). Teorik olarak bir graviton, sıfır durgun kütleye, sıfır elektrik yüküne ve spin 2'ye sahip olan yerçekimi alanının bir kuantumudur. Prensip olarak, gravitonlar deneyde tespit edilebilir. Ancak yerçekimsel etkileşim çok zayıf olduğundan ve pratik olarak kuantum süreçlerinde kendini göstermediğinden, gravitonları doğrudan tespit etmek çok zordur ve şu ana kadar hiçbir bilim adamı bunu başaramamıştır.

Parçacıkların leptonlar, hadronlar ve etkileşim taşıyıcıları şeklinde sınıflandırılması, bildiğimiz atom altı parçacıklar dünyasını tamamen kapsıyor. Her parçacık türü, maddenin ve Evrenin yapısının şekillenmesinde kendi rolünü oynar.

3. Temel parçacık teorileri.

3.1. Kuantum elektrodinamiği (QED).

Kuantum teorisi kuantum mekaniğini, kuantum istatistiklerini ve kuantum alan teorisini birleştirir.

Kuantum mekaniği (dalga mekaniği), mikropartiküllerin belirli dış alanlardaki hareket yasalarını ve açıklama yöntemini belirleyen bir teoridir. Temel parçacıkların hareketini tanımlamamıza izin verir, ancak bunların oluşumunu veya yok edilmesini değil, yani yalnızca sabit sayıda parçacık içeren sistemleri tanımlamak için kullanılır. Kuantum mekaniği kuantum teorisinin ana dallarından biridir. Kuantum mekaniği ilk kez atomların yapısını tanımlamayı ve spektrumlarını anlamayı, kimyasal bağların doğasını oluşturmayı, elementlerin periyodik sistemini açıklamayı vb. mümkün kıldı. Makroskobik cisimlerin özellikleri, atomların hareketi ve etkileşimi ile belirlendiğinden, Onları oluşturan parçacıklar, kuantum mekaniğinin yasaları, çoğu makroskobik olgunun anlaşılmasının temelini oluşturur. Böylece kuantum mekaniği, katıların birçok özelliğini anlamayı, süperiletkenlik, ferromanyetizma, süperakışkanlık olaylarını ve çok daha fazlasını açıklamayı mümkün kıldı. Kuantum mekaniği yasaları nükleer enerjinin, kuantum elektroniğinin vb. temelini oluşturur. Klasik teorinin aksine, tüm parçacıklar kuantum mekaniğinde hareket eder. birbirini dışlamayan ancak tamamlayan hem parçacık hem de dalga özelliklerinin taşıyıcıları olarak. Elektronların, protonların ve diğer parçacıkların dalga doğası, parçacık kırınım deneyleriyle doğrulanır. Bir kuantum sisteminin durumu, modülünün karesi belirli bir durumun olasılığını ve dolayısıyla onu karakterize eden fiziksel büyüklüklerin değerlerinin olasılıklarını belirleyen bir dalga fonksiyonu ile tanımlanır. Kuantum mekaniğinden, tüm fiziksel niceliklerin aynı anda kesin değerlere sahip olamayacağı sonucu çıkar. Dalga fonksiyonu, özellikle parçacıkların kırınımını açıklayan süperpozisyon ilkesine uyar. Kuantum teorisinin ayırt edici bir özelliği, bir dizi fiziksel büyüklük için olası değerlerin ayrıklığıdır: atomlardaki elektronların enerjisi, açısal momentum ve bunun keyfi bir yöne izdüşümü vb.; klasik teoride tüm bu nicelikler ancak sürekli olarak değişebilir. Kuantum mekaniğinde temel bir rol, klasik fizik tarafından tanımlanabilen fenomen alanlarını kuantum teorisinin doğru yorumlanması için gerekli olan alanlardan ayıran, doğanın ana ölçeklerinden biri olan Planck sabiti tarafından oynanır. Planck sabiti adını M. Planck'tan almıştır. Şuna eşittir:

Ћ = h/2π ≈ 1,0546. 10 ^(-34) J. s

Kuantum mekaniğinin bir genellemesi kuantum alan teorisidir - bu, sonsuz sayıda serbestlik derecesine (fiziksel alanlar) sahip sistemlerin kuantum teorisidir. Kuantum alan teorisi, temel parçacıkların fiziğinin, bunların etkileşimlerinin ve karşılıklı dönüşümlerinin ana aygıtıdır. Böyle bir teoriye olan ihtiyaç, kuantum-dalga düalizminden, yani tüm parçacıklarda dalga özelliklerinin varlığından kaynaklanmaktadır. Kuantum alan teorisinde etkileşim, alan kuantumlarının değişiminin bir sonucu olarak temsil edilir. Bu teori, modern teoride tek bir bütün olarak ortaya çıkan elektromanyetik (kuantum elektrodinamiği) ve zayıf etkileşim teorisini (elektrozayıf etkileşim) ve güçlü (nükleer) etkileşim teorisini (kuantum kromodinamiği) içerir.

Kuantum istatistikleri, çok sayıda parçacıktan oluşan kuantum sistemlerinin istatistiksel fiziğidir. Tamsayı spinli parçacıklar için bu Bose Einstein istatistiğidir ve yarım tamsayı spinli parçacıklar için bu Fermi-Dirac istatistiğidir.

Yirminci yüzyılın ortalarında, bir elektromanyetik etkileşim teorisi oluşturuldu - kuantum elektrodinamiği QED - bu, en küçük ayrıntısına kadar düşünülmüş ve mükemmel bir matematiksel aparatla donatılmış, fotonlar ve elektronlar arasındaki etkileşim teorisidir. QED, sanal fotonlar (taşıyıcıları) kavramını kullanan elektromanyetik etkileşimin tanımına dayanmaktadır. Bu teori hem kuantum teorisinin hem de göreliliğin temel ilkelerini karşılamaktadır.

Teorinin merkezinde, bir fotonun yüklü bir parçacık tarafından emisyonu veya soğurulması eylemlerinin yanı sıra bir elektron-pozitron çiftinin bir fotona yok edilmesi veya böyle bir çiftin fotonlar tarafından üretilmesinin analizi yer alır.

Klasik tanımlamada elektronlar katı bir nokta topu olarak temsil ediliyorsa, QED'de elektronu çevreleyen elektromanyetik alan, elektronu amansızca takip eden ve onu enerji kuantumuyla çevreleyen bir sanal foton bulutu olarak kabul edilir. Bir elektron bir foton yaydıktan sonra, yeni bir foton oluşturmak üzere yok olabilen (sanal) bir elektron-pozitron çifti üretir. İkincisi orijinal foton tarafından emilebilir, ancak yeni bir çift vb. üretebilir. Böylece elektron, dinamik denge durumunda olan sanal fotonlar, elektronlar ve pozitronlardan oluşan bir bulutla kaplanır. Fotonlar çok hızlı bir şekilde görünüp kayboluyor ve elektronlar uzayda iyi tanımlanmış yörüngeler boyunca hareket etmiyor. Yolun başlangıç ve bitiş noktalarını - saçılmadan önce ve sonra - şu ya da bu şekilde belirlemek hala mümkündür, ancak hareketin başlangıcı ve sonu arasındaki aralıktaki yolun kendisi belirsiz kalır.

Bir taşıyıcı parçacık kullanılarak etkileşimin tanımlanması, foton kavramının genişlemesine yol açtı. Gerçek (bizim için görülebilen ışığın kuantumu) ve yalnızca saçılma geçiren yüklü parçacıklar tarafından "görülen" sanal (geçici, hayalet) foton kavramları tanıtılmaktadır.

Teorinin gerçeklikle uyumlu olup olmadığını test etmek için fizikçiler özellikle ilgi çekici olan iki etkiye odaklandılar. Bunlardan ilki, en basit atom olan hidrojen atomunun enerji düzeyleriyle ilgiliydi. QED'e göre seviyelerin, sanal fotonların yokluğunda işgal edecekleri konuma göre biraz kaydırılması gerekiyor. QED'in ikinci belirleyici testi, elektronun kendi manyetik momentindeki son derece küçük düzeltmeyle ilgiliydi. QED testinin teorik ve deneysel sonuçları en yüksek doğrulukla (dokuzdan fazla ondalık basamak) örtüşmektedir. Böylesine çarpıcı bir yazışma, QED'i mevcut doğa bilimi teorilerinin en gelişmişi olarak görme hakkını veriyor.

Bu zaferin ardından QED, diğer üç temel etkileşimin kuantum tanımı için bir model olarak benimsendi. Elbette diğer etkileşimlerle ilişkili alanların diğer taşıyıcı parçacıklara karşılık gelmesi gerekir.

3.2. Elektrozayıf etkileşim teorisi.

Yirminci yüzyılın 70'li yıllarında doğa bilimlerinde olağanüstü bir olay meydana geldi: Dört fizikten iki temel etkileşim tek bir etkileşimde birleştirildi. Doğanın temel ilkelerinin resmi biraz daha basitleşti. Görünüşte doğası gereği çok farklı olan elektromanyetik ve zayıf etkileşimlerin, aslında tek bir elektrozayıf etkileşimin iki çeşidi olduğu ortaya çıktı. Elektrozayıf etkileşim teorisinin yirminci yüzyılın sonunda temel parçacık fiziğinin daha da gelişmesi üzerinde belirleyici bir etkisi oldu.

Bu teoriyi oluştururken ana fikir, zayıf etkileşimi, etkileşimlerin doğasını anlamanın anahtarının simetri olduğuna göre ayar alanı kavramı dilinde tanımlamaktı. Yirminci yüzyılın ikinci yarısının fizik alanındaki temel fikirlerinden biri, tüm etkileşimlerin yalnızca doğadaki belirli bir dizi soyut simetriyi sürdürmek için var olduğu inancıdır. Simetrinin temel etkileşimlerle ne ilgisi var? İlk bakışta böyle bir bağlantının var olduğu varsayımı paradoksal ve anlaşılmaz görünüyor.

Öncelikle simetrinin ne anlama geldiğiyle ilgili. Bir nesnenin, onu dönüştürmek için yapılan bir veya başka bir işlem sonucunda değişmeden kalması durumunda, bir nesnenin simetriye sahip olduğu genel olarak kabul edilir. Dolayısıyla bir küre simetriktir çünkü merkezine göre herhangi bir açıda döndürüldüğünde aynı görünür. Elektrik yasaları, pozitif yüklerin negatif yüklerle değiştirilmesi ve bunun tersi konusunda simetriktir. Dolayısıyla simetri derken, belirli bir işlem altında değişmezliği kastediyoruz.

Farklı simetri türleri vardır: geometrik, ayna, geometrik olmayan. Geometrik olmayanlar arasında ayar simetrileri adı verilenler vardır. Gösterge simetrileri doğası gereği soyuttur ve doğrudan sabit değildir. Bazı fiziksel niceliklerin referans seviyesinde, ölçeğinde veya değerindeki bir değişiklikle ilişkilidirler. Bir sistemin doğası bu tür bir dönüşüm altında değişmeden kalıyorsa ayar simetrisine sahiptir. Dolayısıyla, örneğin fizikte iş, mutlak yüksekliğe değil, yükseklik farkına bağlıdır; gerilim - mutlak değerlerden değil, potansiyel farktan vb. Dört temel etkileşimin anlaşılmasının revizyonunun dayandığı simetriler tam olarak bu türdendir. Gösterge dönüşümleri genel veya yerel olabilir. Noktadan noktaya değişen ayar dönüşümleri "yerel" ayar dönüşümleri olarak bilinir. Doğada çok sayıda yerel ayar simetrisi vardır ve bu ayar dönüşümlerini telafi etmek için uygun sayıda alana ihtiyaç vardır. Kuvvet alanları, doğanın kendi yerel ölçüsünü yarattığı bir araç olarak düşünülebilir. simetri. Ayar simetrisi kavramının önemi, doğada bulunan dört temel etkileşimin tamamını teorik olarak modellemesidir. Hepsi gösterge alanları olarak düşünülebilir.

Zayıf etkileşimi bir ayar alanı olarak temsil eden fizikçiler, zayıf etkileşime katılan tüm parçacıkların yeni bir alan türü - zayıf kuvvetler alanı - kaynağı olarak hizmet ettiği gerçeğinden yola çıkıyorlar. Elektronlar ve nötrinolar gibi zayıf etkileşen parçacıklar, elektrik yüküne benzer bir "zayıf yük" taşır ve bu parçacıkları zayıf bir alana bağlar.

Zayıf etkileşim alanını bir ayar alanı olarak temsil etmek için öncelikle karşılık gelen ayar simetrisinin tam formunu oluşturmak gerekir. Gerçek şu ki, zayıf etkileşimin simetrisi elektromanyetik olandan çok daha karmaşıktır. Sonuçta, bu etkileşimin mekanizmasının kendisinin daha karmaşık olduğu ortaya çıkıyor. Birincisi, örneğin bir nötron bozunduğunda, zayıf etkileşim en az dört farklı türdeki parçacıkları (nötron, proton, elektron ve nötrino) içerir. İkincisi, zayıf kuvvetlerin etkisi doğalarında bir değişikliğe yol açar (zayıf etkileşim nedeniyle bazı parçacıkların diğerlerine dönüşümü). Aksine elektromanyetik etkileşim, kendisine katılan parçacıkların doğasını değiştirmez.

Bu, zayıf etkileşimin parçacıkların doğasındaki bir değişiklikle ilişkili daha karmaşık ayar simetrisine karşılık geldiği gerçeğini belirler. Simetriyi korumak için tek bir elektromanyetik alanın aksine burada üç yeni kuvvet alanına ihtiyaç duyulduğu ortaya çıktı. Bu üç alanın kuantum tanımı da elde edildi: Her alan için bir tane olmak üzere üç yeni parçacık türü (etkileşim taşıyıcıları) olmalıdır. Toplu olarak spin-1 ağır vektör bozonları olarak adlandırılırlar ve zayıf kuvvetin taşıyıcılarıdırlar.

W+ ve W- parçacıkları zayıf etkileşimle ilişkili üç alandan ikisinin taşıyıcılarıdır. Üçüncü alan, Z parçacığı adı verilen elektriksel olarak nötr bir taşıyıcı parçacığa karşılık gelir. Bir Z parçacığının varlığı, zayıf etkileşime elektrik yükü aktarımının eşlik edemeyeceği anlamına gelir.

Kendiliğinden simetri kırılması kavramı, elektrozayıf etkileşim teorisinin yaratılmasında önemli bir rol oynamıştır: bir problemin her çözümü, orijinal seviyesinin tüm özelliklerine sahip olmak zorunda değildir. Böylece, düşük enerjilerde tamamen farklı olan parçacıkların aslında yüksek enerjilerde tek ve aynı parçacık olduğu ancak farklı hallerde olduğu ortaya çıkabilir. Kendiliğinden simetri kırılması fikrine dayanarak, elektrozayıf etkileşim teorisinin yazarları Weinberg ve Salam, büyük bir teorik sorunu çözmeyi başardılar - görünüşte uyumsuz şeyleri birleştirdiler: bir yandan önemli miktarda zayıf etkileşim taşıyıcısı ve diğer yandan ayar alanının uzun menzilli doğasını varsayan ve taşıyıcı parçacıkların sıfır dinlenme kütlesi anlamına gelen ayar değişmezliği fikri. Böylece elektromanyetizma ve zayıf etkileşim, ayar alanının birleşik teorisinde birleştirildi.

Bu teori yalnızca dört alan sunar: elektromanyetik alan ve zayıf etkileşimlere karşılık gelen üç alan. Ek olarak, uzay boyunca parçacıkların farklı şekillerde etkileşime girdiği ve kütlelerindeki farkı belirleyen sabit bir skaler alan (bir tür Higgs alanı) tanıtılmıştır. Skaler alan kuantumu sıfır spinli yeni temel parçacıklardır. Onlara Higgs denir (adını onların varlığını öne süren fizikçi P. Higgs'ten almıştır). Bu tür Higgs bozonlarının sayısı birkaç düzineye ulaşabilir. Bu tür bozonlar henüz deneysel olarak keşfedilmedi. Üstelik bazı fizikçiler bunların varlığını gereksiz buluyor ancak Higgs bozonlarının bulunmadığı mükemmel bir teorik model henüz bulunamadı. Başlangıçta W ve Z kuantumlarının kütlesi yoktur, ancak simetri kırılması bazı Higgs parçacıklarının W ve Z parçacıklarıyla birleşmesine neden olarak onlara kütle kazandırır.

Teori, elektromanyetik ve zayıf etkileşimlerin özelliklerindeki farklılıkları simetriyi kırarak açıklar. Eğer simetri bozulmamış olsaydı, her iki etkileşimin büyüklüğü karşılaştırılabilir olurdu. Simetri kırılması zayıf etkileşimde keskin bir düşüşe neden olur. W ve Z parçacıklarının çok kütleli olması nedeniyle zayıf etkileşimin bu kadar küçük olduğunu söyleyebiliriz. Leptonlar bu kadar kısa mesafelerde nadiren bir araya gelirler (r 10n cm, burada n = -16). Ancak yüksek enerjilerde ( > 100 GeV), W ve Z parçacıkları serbestçe üretilebildiğinde, W ve Z bozonlarının değişimi, fotonların (kütlesiz parçacıklar) değişimi kadar kolay gerçekleşir. Fotonlar ve bozonlar arasındaki fark silinir. Bu koşullar altında, elektromanyetik ve zayıf etkileşimler (elektrozayıf etkileşim) arasında tam bir simetri olmalıdır.

Yeni teorinin test edilmesi, varsayımsal W ve Z parçacıklarının varlığının doğrulanmasından oluşuyordu. Keşifleri ancak en son tipte çok büyük hızlandırıcıların yaratılmasıyla mümkün oldu. 1983 yılında W ve Z parçacıklarının keşfi, elektrozayıf etkileşim teorisinin zaferi anlamına geliyordu. Artık dört temel etkileşimden bahsetmeye gerek yoktu. Geriye üç tane kaldı.

3.3. Kuantum kromodinamiği.

Temel etkileşimlerin Büyük Birleşmesi yolundaki bir sonraki adım, güçlü etkileşimin elektrozayıf etkileşimle birleştirilmesidir. Bunu yapmak için, güçlü etkileşime bir ayar alanının özelliklerini vermek ve genelleştirilmiş bir izotopik simetri fikrini ortaya koymak gerekir. Güçlü etkileşimin, kuarkların (çift veya üçlü) hadronlara bağlanmasını sağlayan gluon değişiminin bir sonucu olduğu düşünülebilir.

Buradaki fikir şu şekildedir. Her kuarkın, gluon alanının kaynağı olarak hizmet eden bir elektrik yükü analoğu vardır. Buna renk deniyordu (elbette bu ismin sıradan renkle hiçbir ilgisi yok). Elektromanyetik alan yalnızca tek tür bir yük tarafından üretiliyorsa, daha karmaşık bir gluon alanı oluşturmak için üç farklı renk yükü gerekliydi. Her kuark, oldukça keyfi olarak kırmızı, yeşil ve mavi olarak adlandırılan üç olası renkten biriyle "renklendirilmiştir". Ve buna göre antikalar kırmızıya karşı, yeşile karşı ve maviye karşıdır.

Bir sonraki aşamada güçlü etkileşim teorisi, zayıf etkileşim teorisiyle aynı şemaya göre geliştirilir. Yerel ayar simetrisi gerekliliği (yani, uzaydaki her noktadaki renk değişimlerine göre değişmezlik), telafi edici kuvvet alanlarının getirilmesi ihtiyacına yol açmaktadır. Toplamda sekiz yeni telafi edici kuvvet alanı gereklidir. Bu alanların taşıyıcı parçacıkları gluonlardır ve dolayısıyla teori, sekiz kadar farklı türde gluon olması gerektiğini, elektromanyetik kuvvetin taşıyıcısının ise yalnızca bir (foton) ve zayıf kuvvetin taşıyıcılarının ise üç olduğunu ima eder. . Gluonların dinlenme kütlesi sıfırdır ve 1 spinlidir. Gluonların da farklı renkleri vardır, ancak saf değildir, ancak karışıktır (örneğin, mavi-anti-yeşil). Bu nedenle, bir gluonun emisyonu veya soğurulmasına kuarkın renginde bir değişiklik (“renk oyunu”) eşlik eder. Yani, örneğin, kırmızı-anti-mavi bir gluonu kaybeden kırmızı bir kuark, mavi bir kuarka dönüşür ve mavi-anti-yeşil bir gluonu emen yeşil bir kuark, mavi bir kuarka dönüşür. Örneğin bir protonda üç kuark sürekli olarak gluon alışverişi yaparak renklerini değiştirir. Bununla birlikte, bu tür değişiklikler doğası gereği keyfi değildir ve katı bir kurala tabidir: zamanın herhangi bir anında üç kuarkın "toplam" rengi beyaz ışık olmalıdır; "kırmızı + yeşil + mavi" toplamı. Bu aynı zamanda kuark-antikuark çiftinden oluşan mezonlar için de geçerlidir. Bir antikuark bir anti-renk ile karakterize edildiğinden, böyle bir kombinasyon açıkça renksizdir ("beyaz"), örneğin bir kırmızı kuark, bir antikırmızı kuark ile kombinasyon halinde renksiz bir mezon oluşturur.

Kuantum kromodinamiği (kuantum renk teorisi) açısından bakıldığında, güçlü etkileşim, doğanın belirli bir soyut simetrisini koruma arzusundan başka bir şey değildir: tüm hadronların beyaz rengini korurken onları oluşturan parçaların rengini değiştirir. Kuantum renk dinamiği, kuarkların tüm kombinasyonlarını, gluonların birbirleriyle etkileşimini, bulutlarla "giydirilmiş" kuarklardan oluşan bir hadronun karmaşık yapısını vb. yöneten kuralları mükemmel bir şekilde açıklar.

Kuantum renk dinamiğini güçlü etkileşimin nihai ve eksiksiz teorisi olarak değerlendirmek için henüz erken olabilir, ancak başarıları yine de umut vericidir.

3.4. Büyük Birleşme'ye giderken.

Kuantum renk dinamiğinin yaratılmasıyla birlikte, tüm temel etkileşimlerin (veya en az dörtte üçünün) birleşik bir teorisinin yaratılması umudu doğdu. Dört temel etkileşimden en az üçünü birleşik bir şekilde tanımlayan modellere Büyük Birleşik modeller denir. Bilinen tüm etkileşim türlerini (güçlü, zayıf, elektromanyetik ve yerçekimi) birleştiren teorik şemalara süper yerçekimi modelleri denir.

Gösterge alanları fikrine dayalı olarak zayıf ve elektromanyetik etkileşimleri başarılı bir şekilde birleştirme deneyimi, fiziğin birliği ilkesinin daha da geliştirilmesi ve temel fiziksel etkileşimlerin birleştirilmesi için olası yollar önerdi. Bunlardan biri, elektromanyetik, zayıf ve güçlü etkileşimlerin etkileşim sabitlerinin aynı enerjide birbirine eşit olması şaşırtıcı gerçeğine dayanmaktadır. Bu enerjiye birleşme enerjisi adı verildi. 10n GeV'nin üzerindeki enerjilerde (n = 14) veya r 10n cm mesafelerde (n = -29), güçlü ve zayıf etkileşimler tek bir sabitle tanımlanır, yani ortak bir doğaya sahiptirler. Burada kuarklar ve leptonlar pratikte birbirinden ayırt edilemez.

70-90'larda Büyük Birleşme'nin birbiriyle yarışan birkaç teorisi geliştirildi. Hepsi aynı düşünceye dayanıyor. Eğer elektrozayıf ve güçlü kuvvetler gerçekten büyük birleşik kuvvetin sadece iki tarafıysa, o zaman ikincisinin de bazı karmaşık simetriye sahip ilişkili bir ölçüm alanı olması gerekir. Simetrinin yeterince genel olması, hem kuantum renk dinamiğinde hem de elektrozayıf etkileşim teorisinde yer alan tüm ayar simetrilerini kapsayabilmesi gerekir. Böyle bir simetriyi bulmak, güçlü ve elektrozayıf etkileşimlere ilişkin birleşik bir teori yaratmanın ana görevidir. Büyük Birleşme teorilerinin rakip versiyonlarına yol açan farklı yaklaşımlar vardır.

Bununla birlikte, Büyük Birleşmenin bu varsayımsal versiyonlarının hepsinin bir takım ortak özellikleri vardır:

Öncelikle tüm hipotezlerde güçlü ve elektrozayıf etkileşimlerin taşıyıcıları olan kuarklar ve leptonlar tek bir teorik şemaya dahil edilir. Şimdiye kadar tamamen farklı nesneler olarak görülüyorlardı.

İkinci olarak, soyut ayar simetrilerinin kullanılması, kuarkları leptonlara dönüştürme yeteneği gibi yeni özelliklere sahip yeni alan türlerinin keşfedilmesine yol açmaktadır. Büyük Birleşik Teorinin en basit versiyonunda kuarkları leptonlara dönüştürmek için yirmi dört alana ihtiyaç vardır. Bu alanların on iki kuantumu zaten biliniyor: bir foton, iki W parçacığı, bir Z parçacığı ve sekiz gluon. Geriye kalan on iki kuanta, X ve Y ortak adı altında birleştirilen yeni süper ağır ara bozonlardır - parçacıklar (elektrik yükü 1/3 ve 4/3 olan). Bu kuantumlar, daha geniş ayar simetrisini koruyan ve kuarkları leptonlarla karıştıran alanlara karşılık gelir. Sonuç olarak, bu alanların kuantumları (yani X ve Y parçacıkları) kuarkları leptonlara (ve tam tersi) dönüştürebilir.

Büyük Birleşik teorilere dayanarak, deneysel olarak test edilebilecek ve test edilmesi gereken en az iki önemli model öngörülmektedir: proton kararsızlığı ve manyetik tek kutupların varlığı. Proton bozunmasının ve manyetik tek kutupların deneysel tespiti, Büyük Birleşik teoriler lehine güçlü bir argüman sağlayabilir. Deneysel çabalar bu tahminleri test etmeyi amaçlamaktadır. Ancak bu konuda hala kesin olarak belirlenmiş deneysel veriler yoktur. Gerçek şu ki Büyük Birleşik teoriler, n = 14 olmak üzere 10n GeV'nin üzerindeki parçacık enerjileriyle ilgilidir. Bu çok yüksek bir enerjidir. Hızlandırıcılarda bu kadar yüksek enerjiye sahip parçacıkların elde edilmesinin ne zaman mümkün olacağını söylemek zor. Bu, özellikle X ve Y bozonlarını tespit etmenin zorluğunu açıklamaktadır. Bu nedenle Büyük Birleşik teorilerin ana uygulama ve test alanı kozmolojidir. Bu teoriler olmadan, Evrenin evriminin ilk aşamasını, yani birincil plazmanın sıcaklığının 10n K'ye ulaştığı, yani n = 27'yi tanımlamak imkansızdır. Süper ağır parçacıkların doğup yok edilebileceği koşullar altındaydı.

Böylece Büyük Birleşik Teoriyi kanıtlamanın günümüz fizikçilerinin asıl görevi olduğu ortaya çıkıyor, çünkü bu teori yalnızca insan bilgisinin farklı parçalarını tek bir resimde birleştirmeye yardımcı olmakla kalmayacak, aynı zamanda Evrenin kökenini anlama yolunda da bir adım atacaktır.

Kullanılmış literatürün listesi.

Okul Öğrencisinin El Kitabı. 5-11 sınıflar. 2004

Cyril ve Methodius'un bilgisayar ansiklopedisi. 2005

I. L. Rosenthal "Temel parçacıklar ve Evrenin yapısı." 1984

Sayfa 8

Doğada, temel parçacıklar arasında bir değil, bazen birkaç tür karşılıklı etki ve özellik etki eder ve parçacıkların yapısı, yer alan tüm karşılıklı etki türlerinin ortaklığıyla belirlenir. Örneğin, hadronik tipteki temel parçacıkların bir parçası olan proton, elektrik yüklü bir parçacık olması nedeniyle güçlü karşılıklı etkide ve elektromanyetik karşılıklı etkide yer alır. Öte yandan, bir nötronun b bozunması sürecinde yani zayıf karşılıklı etkilerde proton üretilebilir, dolayısıyla zayıf karşılıklı etkilerle ilişkilendirilir. Ve son olarak proton, kütleli maddi bir oluşum olarak yerçekimsel karşılıklı etkilerde yer alır. Protonun aksine, bir dizi temel parçacık her türlü karşılıklı etkiye katılır, ancak yalnızca bazı türlerinde. Örneğin bir nötron, yüksüz bir parçacık olması nedeniyle elektromanyetik karşılıklı etkilerde yer almaz ve elektron ve mu-mezonlar güçlü karşılıklı etkilerde yer almaz. Temel karşılıklı etkiler, parçacıkların dönüşümünün, onların yok edilmesinin ve oluşmasının nedenidir. Örneğin bir nötron ile bir protonun çarpışması iki nötron ve bir pozitif pimeson üretir.

Temel parçacıkların dönüşüm süresi karşılıklı olarak etkileyen kuvvete bağlıdır. Güçlü karşılıklı etkilerle ilişkili nükleer reaksiyonlar 10-24 - 10-23 saniyede gerçekleşir. Temel bir parçacığın yüksek enerjili bir parçacığa dönüşerek ışık hızına yakın bir hız kazandığı dönemdir, boyutları 10-13 cm civarındadır. Elektromanyetik karşılıklı etkilerin neden olduğu değişiklikler 10-21 - 10- Değişimin karşılıklı zayıf etkileri nedeniyle 19 saniye (örneğin, temel parçacıkların bozunma süreci) – 10-10 saniye içinde.

Mikrokozmosta meydana gelen çeşitli değişimlerin yaşandığı döneme, karşılıklı etkilerin yaratılmasına ilişkin akıl yürütme açısından yaklaşılabilir.

Temel parçacıkların karşılıklı etki kuantumları, bu parçacıklara karşılık gelen fiziksel alanlar aracılığıyla gerçekleştirilir. Modern kuantum teorisinde alan, sayıları değişen parçacıklardan oluşan bir sistem (cinsiyet kuantumu) olarak anlaşılır. Alanın ve genel olarak alan kuantumunun en düşük enerjiyle mevcut olduğu duruma vakum denir. Uyarılma durumundaki bir vakumdaki elektromanyetik alanın parçacıkları (fotonlar), içerdikleri ve korpüsküler maddede bulunan mekanik özellikleri kaybederler (örneğin, hareket sırasında vücut sürtünme hissetmez).

Vakum basit madde türlerini içermez, ancak buna rağmen kelimenin gerçek anlamında boşluk değildir, bu nedenle vakumda elektromanyetik alanın kuantum uyarılması ortaya çıkar - elektromanyetik karşılıklı etkiyi gerçekleştiren fotonlar. Bir boşlukta, elektromanyetik alana ek olarak, yerçekimi alanı da dahil olmak üzere, graviton deneylerinde henüz belirtilmemiş olan başka fiziksel alanlar da vardır.

Kuantum alanı bir kuantum topluluğudur ve doğası gereği ayrıktır. Bu nedenle, temel parçacıkların karşılıklı etkisi, bunların karşılıklı dönüşümleri, fotonların emisyonu ve soğurulması doğada ayrıktır ve yalnızca kuantizasyon durumunda meydana gelir. Sonuç olarak şu soru ortaya çıkıyor: Alanın sürekliliği, sürekliliği tam olarak nerede ortaya çıkıyor? Hem kuantum elektrodinamiğinde hem de kuantum mekaniğinde, alan durumu açık bir şekilde gözlemlenebilir gerçek olaylarla değil, yalnızca karşılıklı kavramla ilişkili bir dalga fonksiyonuyla tanımlanır. Bu fonksiyonun modülünün karesi, söz konusu fiziksel olayı gözlemleme yeteneğini gösterir.

Kuantum alan teorisinin temel sorunu, parçacıkların karşılıklı etkilerinin çeşitli türlerinin karşılık gelen denklemlerde tanımlanmasıdır. Bu problem şu ana kadar çözümünü yalnızca elektronların, pozitronların ve fotonların karşılıklı etkilerini açıklayan kuantum elektrodinamiğinde buldu. Kuantum alan teorisi henüz güçlü ve zayıf karşılıklı etkiler için oluşturulmamıştır. Şu anda bu tür karşılıklı etkiler katı yöntemler kullanılarak tanımlanmamaktadır. Temel parçacıkların karşılık gelen fiziksel teoride yer almaması durumunda anlaşılmasının imkansız olduğu bilinmesine rağmen, bu teorilerin yapısıyla belirlenen yapılarını anlamak imkansızdır. Bu nedenle temel parçacıkların yapısıyla ilgili sorun henüz tam anlamıyla çözülmüş değil.1 Günümüzde modern fizik, “temel” kabul edilen parçacıkların iç yapısına sahip karmaşık parçacıkların varlığını kanıtlıyor. Proton ve nötronun, içlerinde meydana gelen sanal süreçler sonucunda iç dönüşümlere uğradığı biliniyordu. Protonların yapısını incelemek amacıyla yapılan deneyler sonucunda yakın zamana kadar bölünmez, en basit ve en yapısız kabul edilen protonun aslında karmaşık bir parçacık olduğu belirlendi. Merkezinde “çekirdek” adı verilen yoğun bir çekirdek bulunur ve etrafı pozitif pi mezonlarla çevrilidir.

"Temel" parçacıkların yapısının karmaşıklığı, 1964 yılında Amerikalı bilim adamı Hel-Mann ve bağımsız olarak İsveçli bilim adamı Zweig tarafından ortaya atılan kuark hipoteziyle kanıtlandı. Bu hipoteze göre, güçlü karşılıklı etkilerle karakterize edilen ilişkilere sahip temel parçacıklar (hadronlar: proton, nötron, hiperonlar), yükü elektron yükünün üçte biri veya üçte ikisine eşit olan kuark parçacıklarından oluşmalıdır. Böylece teori, parçacıkları oluşturan işaretli kuarkların elektrik ve baryon yüklerinin kesirli sayı olarak ifade edilmesi gerektiğini göstermektedir. Gerçekten de, kuark adı verilen parçacıklar henüz keşfedilmemiştir ve mevcut bilimsel gelişme düzeyinde, mikro dünyanın varsayımsal sakinleri olarak kalmaya devam etmektedir.

Böylece, bir yandan temel parçacıkların özel bir yapıya sahip olduğu açıkken, diğer yandan bu yapının doğası hala belirsizliğini koruyor. Yukarıdaki verilerden, temel parçacıkların hiç de temel olmadığı, bir iç yapıya sahip oldukları ve bölünüp birbirlerine dönüştürülebildikleri açıkça ortaya çıkıyor. Her iki yapı hakkında da hala çok az şey biliyoruz. Dolayısıyla bugün, bir takım gerçeklere dayanarak, temel parçacıklar maddesinin, daha karmaşık parçacıklardan (çekirdek, atom, molekül) niteliksel olarak farklı, yeni bir tür olduğunu iddia edebiliriz. Aynı zamanda bu fark o kadar önemlidir ki, çekirdekleri, atomları, molekülleri, makroskobik cisimleri incelerken kullandığımız kategori ve ifadeler (“basit” ve “karmaşık”, “iç yapı”, “biçimli”) için de geçerli olabilir. temel parçacıklar. “Basit ve karmaşık”, “bileşenler”, “yapı”, “bütün” kavramları genel olarak göreceli kavramlardır. Örneğin atom karmaşık bir yapıya sahip olmasına ve yapısı nükleer ve elektronik katmanlardan oluşmasına rağmen kendisini oluşturan moleküle göre daha basittir.

Şu anda bilinen tüm temel parçacıklar, genel özelliklerine ve etkileşimle olan ilişkilerine göre gruplara ayrılabilir. Doğada bu tür etkileşimlerin bilinen dört tanesi vardır: güçlü, elektromanyetik, zayıf ve yerçekimsel.

Güçlü etkileşim, diğer etkileşimlerle karşılaştırıldığında en yüksek yoğunluğa sahiptir. Bu oluşumların olağanüstü gücünü sağlayan, atomların çekirdeğindeki protonlar ve nötronlar arasındaki bağlantıyı (sanal n-mezonların değişimi yoluyla) belirler.

Elektromanyetik Etkileşim daha az yoğun süreçleri karakterize eder. Atomik elektronların çekirdeklerle bağlantısını, moleküllerdeki atomların bağlantısını ve ayrıca maddenin elektromanyetik alanlarla etkileşimini belirler.

Zayıf etkileşim, parçacıkların kendisiyle ilişkili süreçleri, özellikle (β-bozunmasının yanı sıra μ, π, K-mezonlar ve hiperonların bozunmaları ile) karakterize eder. Zayıf etkileşimin doğası gereği evrensel olduğu, tüm parçacıkların katıldığı ortaya çıktı. Bu parçacıkların çoğunun ömrü 10 -8 - 10 -10 saniye aralığında yer alırken, güçlü etkileşimlerin tipik süresi 10 -23 -10 -24 saniyedir. Yalnızca zayıf etkileşime girebilen, ~10 ila 14 km arasındaki madde mesafesini engellenmeden geçebilir.

Yerçekimi Makroskobik belirtileriyle çok iyi bilinen etkileşim, temel parçacıklar söz konusu olduğunda, kütlelerinin küçük boyutundan dolayı son derece önemsiz etkiler yaratır. Ancak bu etkiler, mikrokozmosta 10-33 cm civarındaki mesafelerde de önemli ölçüde artar, çünkü üretilen parçacıkların kütlesi artar. Bu etkileşimler mega dünyada baskın bir rol oynamaktadır.

Bu dört etkileşimin, karşılık gelen etkileşim sabitlerinin kareleriyle ilişkili boyutsuz parametrelerle karşılaştırılması, güçlü, elektromanyetik, zayıf ve yerçekimi için aşağıdaki oranları verir: 1:10 -3:10 -10:10 -38. Genel olarak konuşursak, çeşitli süreçlerin yoğunluğu enerjiye farklı şekilde bağlıdır; dolayısıyla etkileşime giren parçacıkların enerjisi arttıkça çeşitli etkileşimlerin göreceli rolü değişir.

Belirli etkileşim türlerine katılımlarına bağlı olarak, daha önce de belirttiğimiz gibi tüm parçacıklar dört gruba ayrılabilir.

Grup I: e, μ, τ, ν e, ν μ, ν τ - leptonlar zayıf ve elektromanyetik etkileşimlere katılmak; II grubu güçlü bir şekilde etkileşime giren parçacıklardan oluşur (şu anda bunlardan 300'den fazlası var), adı verilen hadronlar(Ayrıca zayıf ve elektromanyetik etkileşimlere de katılırlar).

Hadronların incelenmesi, yapılarında ortak bir şeylerin olduğu sonucuna varılmasına yol açmıştır. 1964'te M. Gell-Mann ve J. Zweig, tüm hadronların yapısının, özellikleri bakımından egzotik nesneler içerdiğini varsaydı. kuarklar. Yükleri kesirli olan u, d, s kuarklarının üç türü olduğu varsayılmıştır: e u = + 2/3, e d = e s = - 1/3 elektron yükü ve kütleleri m u = m d ~300 MeV, ms ~450 MeV. Daha sonra, teorinin gelişiminin mantığı gereği, hadronların zayıf etkileşimlerini (zayıf bozunmalar) tanımlamak için, e c = e u = + 2 yüküne sahip c-kuarklar olarak adlandırılan başka bir tür kuarkın tanıtılması gerekliydi. / 3 elektron yükü. Bu kuark, çekicilik adı verilen yeni bir kuantum sayısıyla karakterize edilir.

Kasım 1974'te, olağandışı özelliklere (kütle 3.1 GeV, bir protonun kütlesinin yaklaşık üç katı) sahip, ~10-20 saniye ömrü olan (yani bu kadar büyük bir kütleye sahip önceden bilinen herhangi bir parçacıktan 1000 kat daha uzun) yeni bir J/ψ parçacığı keşfedildi. yığın). e + + e - veya μ + + μ - çiftlerine ayrılır. Kısa süre sonra ψ" (kütle 3,7 GeV) adı verilen bir parçacık da keşfedildi.

Deneyler, J/ψ, ψ" parçacıklarının bütün bir mezon ailesine ait olduğunu göstermiştir; bu, teori tarafından tahmin edilen c-kuark kütlesine (m c ≈1,6 GeV) karşılık gelen etkin kütleye sahip charmonyum spektrumuna iyi bir şekilde karşılık gelir. C-kuarkın varlığının son onayı, bariz bir "cazibeye" sahip hadronların keşfedilmesidir. Büyülü parçacıkların doğuşunu gösteren olaylar artık keşfedilmiştir.

Fizikçiler c-kuarkın varlığının deneysel olarak doğrulandığına inanıyor. Ancak c-kuarkların varlığı, hafif kuarkların (u, d, s) varlığı varsayımına dayandığından, büyülenmiş hadronların keşfi, tüm kuark hipotezinin doğruluğunun doğrulanması açısından temel öneme sahiptir.

Teorik fizikçiler, her türden kuarkın şu anda genellikle üç durumla karakterize edilen üç durumdan birinde olması gerektiği sonucuna varmışlardır. çiçekler(örneğin sarı, mavi, kırmızı); kuarkların güçlü etkileşiminin, renklerinin sözde yeni bir alanla etkileşimi olduğunu öne sürüyorlar. gluonik (İngiliz yapıştırıcısından - yapıştırıcı, çünkü bu alan hadrondaki kuarkları "yapıştırıyor" gibi görünüyor). Gluon alanı kuantumu - gluonlar- Elektromanyetik ve zayıf etkileşimlere katılmayın. Sadece kuarkın renk durumunu değiştirmekle kalmıyorlar, aynı zamanda kendileri de renk taşıyorlar ve gluon alanıyla etkileşime giriyorlar. Bütün bunlar, kuantum elektrodinamiğine benzer şekilde, kuantum renk dinamiği adı verilen yeni bir fizik dalının ortaya çıkmasına neden oldu.

Kuarkların ve gluonların serbest halde gözlemlenmediğini, hadronlardan “dışarı uçmadıklarını” vurgulamak önemlidir.

Kuarkların serbest halde varlığının temelden imkansızlığını kanıtlayan özel çalışmalar vardır.

Fizikçiler uzun zamandır tutarlı bir zayıf etkileşim teorisi oluşturmaya çalışıyorlar. 1967'de S. Weinberg ve A. Salam böyle bir teorinin bir versiyonunu önerdiler - genel simetri ilkelerinin kullanımına dayalı bir model oluşturdular. Bu teori, daha önce bilinmeyen parçacıkların (hem zayıf hem de elektromanyetik etkileşimlerin aktarımından sorumlu özel vektör alanlarının kuantumları) varlığını öngörüyordu.

Bu W± parçacıklarından ikisinin yüklü olması gerekir ve gerçekten gözlemlenebilir, çünkü onların görüşüne göre, yüklü akımlar olarak adlandırılanların zayıf etkileşimine yol açan şey, yüklü W± mezonlarının değişimidir. Nötron alanlarının iki nötr parçacığı W°, B°-kuantasına gelince, bunların herhangi bir doğrusal kombinasyonunun kuantumu fiziksel olarak gözlemlenebilir:

burada Θ W Weinberg açısı olarak adlandırılan açıdır.

Bunların kombinasyonlarından birinin (A alanı olarak adlandırılan alan) elektromanyetik alanla tanımlandığı ve nötr Z° mezonlarının değişiminin, yeni tür zayıf etkileşimlere yol açtığı gösterildi. nötr akımlar 1973'te keşfedildi. Weinberg-Salam modelinin göreceli doğruluğunun ilk teyidi oldular. Şu anda W± ve Z° parçacıkları açıktır.

Yeni leptonların keşfine de dikkat etmek gerekiyor. Bu son derece nadir bir olaydır. Elektronun (e) 1897'de, müonun (μ) ise 1936-1938'de keşfedildiğini hatırlamak yeterli. 1975-1976'da 1,8 GeV (2 Mr) kütleye sahip, ağır lepton olarak adlandırılan τ ±'nın varlığını destekleyen kanıtlar ortaya çıktı. τ leptonun incelenmesi, kuarkların üç durumu lehine başka bir argüman sağlar. Ayrıca yeni bir leptonun (v τ - yeni bir nötrino) olduğu, τ-leptonun yeni bir lepton kuantum numarasına sahip olduğu öne sürüldü. ardışık epton(İngilizce sıralı - sıralı).

Daha ileri araştırmalar, simetriyi yeniden sağlamak için kuark sayısını arttırmanın gerekli olacağı sonucuna vardı. Mikro dünyanın nesnelerini tanımlamak için artık dört tane yeterli değildi; iki kuarkın daha eklenmesi gerekiyordu. Gerçek şu ki, Mayıs - Haziran 1977'de L. Lederman'ın grubu, ~10 GeV kütleli yeni bir ağır parçacık ailesinin keşfi gibi önemli sonuçlar elde etti.

Bu parçacıkların (bunlara γ-mezon adı veriliyordu) keşfi, "güzellik" adı verilen yeni bir kuantum sayısına sahip, m b ~5 GeV etkin kütlesine sahip, daha da ağır bir "b" kuarkının varlığına olan ihtiyacı hayata geçirdi.

Yeni γ mezonlar gizli bir çekiciliğe sahip parçacıklardır. Böylece hadronlar ve leptonların incelenmesi bilimi yeni nesneler, bunların niceliksel ve niteliksel özellikleri ve etkileşimleri hakkındaki bilgilerle zenginleştirdi. Bütün bunlar, çeşitli alanlarla birlikte bütünsel maddi dünyanın bir parçasını oluşturan mikro nesnelerin tükenmez özelliklerinin araştırılmasında yeni bir çağın başlangıcına işaret ediyor.

Artık birleşik bir etkileşim teorisinin yaratılması için umut var. Bir zamanlar A. Einstein böyle bir alan teorisi yaratmaya çalıştı. W. Heisenberg ayrıca "ilkel madde"ye ilişkin birleşik (sözde spinor) bir teori oluşturmak için de çok çaba harcadı. Artık birleşik etkileşim teorisinin Büyük Birleşme adı verilen başka bir versiyonunun ortaya çıkışına tanık olduk.

Birleşik bir elektrozayıf etkileşim oluşturmak halihazırda mümkün olmuştur ve güçlü ve elektrozayıf etkileşimlerin birleştirilmesiyle cesaret verici sonuçlar elde edilmiştir; Üstelik güçlü ve zayıf etkileşimler de bunun tezahürüdür. Birleşmenin dışında, yerçekimsel etkileşim hala devam etmektedir, ancak onu (süpersimetri) birleşik bir etkileşim teorisine dahil etmeye yönelik yaklaşımlar zaten vardır.

Temel parçacık fiziğinin modern gelişimi, bilinen parçacıkların (leptonlar, hadronlar, kuarklar, gluonlar, fotonlar) mikro dünya süreçlerinin özelliklerini önemli ölçüde belirlediğini göstermeyi mümkün kıldı. Görünüşe göre bu liste, temel parçacıklar teorisinin kendisi gibi tam olmaktan çok uzak.

Belirtildiği gibi, temel parçacık fiziği zengin bir ampirik materyale sahiptir ve teori zaten bunların önemli bir kısmı için rasyonel bir açıklama sunmaktadır. Bununla birlikte, yine de deneyin önemli ölçüde gerisindedir ve kavramsal aygıtı çok daha geniş olmasına ve daha önce var olan teorilerin aygıtından farklı olmasına rağmen, belirli ilke ve kavramlardan oluşan dahili olarak kapalı bir sistem değildir.

Şimdi geriye dönüp baktığımızda, tüm parçacıkları ve alanları kapsayan birleşik bir teori oluşturmaya yönelik bazı girişimleri ele alalım. Burada sonuçta birbiriyle ilişkili iki ana eğilim var. Bunlardan ilki, spinör tipinin en basit dalga fonksiyonunu temel alan, minimum kaybolmayan açısal momentuma sahip bir parçacığı tanımlayan Louis de Broglie fikrinden kaynaklanmaktadır, yani. spin S = 1/2 (kesirlerde) h / 2π) . Daha sonra bu dalga fonksiyonlarını birleştirerek (sonuçta çarparak), bazı ek koşullar altında benzer bir "birleşme" yoluyla spinleri 0,1 olan parçacıkların tüm diğer olası dalga fonksiyonlarını elde ederiz; 3/2; 2... İki açısal momentum + 1/2 ve - 1/2'yi birleştirirsek 0 elde ederiz, iki açısal momentum + 1/2 ve + 1/2'yi birleştirirsek 1 elde ederiz (çünkü dönüşler + 1/2 yalnızca paralel veya antiparalel yönlendirilmiş). Füzyon yöntemini kullanarak, spin parçacıklarını ("fermiyonlar") tanımlayan iki Dirac denklemini birleştirerek Klein-Gordon ve Prock denklemlerini ve kaybolan durgun kütlenin özel durumunda elektrodinamiğin Maxwell denklemlerini elde etmek mümkündür. . Bu şekilde nötrino-anti-ötrino çiftlerinden fotonlar oluşturmak prensipte mümkündür. Louis de Broglie'nin nötrino ışık teorisinin fikirleri Kronig, Jordan ve A. Sokolov tarafından geliştirildi.

Birleştirme yönteminin zayıf noktası birleştirmeyi belirleyen herhangi bir kuvvetin bulunmamasıdır. Örneğin nötrinoların elektromanyetik alan kuantasına dönüşmesine neyin sebep olduğu hala belirsizliğini koruyor. W. Heisenberg'in doğrusal olmayan birleşik spinor teorisi olarak adlandırılan teorisi bu soruyu cevaplamaya çalıştı. Bu teorinin adı açıkça talihsizdir. Tartışma, madde teorisi değil, temel parçacıklar ve alanların birleşik bir teorisinin yaratılmasıyla ilgiliydi, çünkü nesnel bir gerçeklik olarak, bilen öznenin dışında ve ondan bağımsız olarak var olan tek madde teorisi diyalektik materyalizmdir. Yeni teorinin temeli olarak bazı birleşik spinör alanlarını alırsak, o zaman yalnızca kendisiyle etkileşime girebilir. Bu, Dirac denklemlerinde (ilk olarak 1938'de D. Ivanenko tarafından ortaya atılan) doğrusal olmayan terimlerin ortaya çıkmasına ve daha sonra W. Heisenberg (193, 441-485; 34) tarafından daha ayrıntılı olarak ele alınmasına yol açar.

Bu teori, parçacık kütleleri ve bağlanma sabitleri için kesin değerler vermez, ancak eksiklikleri olmasa da şüphesiz dikkati hak eden girişimlerden biridir. Bu sadece, basınımızda yayınlanan bireysel makalelerde olduğu gibi, abartılmaması gereken bir araştırma programıdır.

Birkaç yıl önce Heisenberg'in spinör teorisinin matematiksel yorumunun yanlışlığının ortaya çıktığı ve ayrıca Heisenberg tarafından ortaya konulan belirsiz metriğin mikro nedenselliğin ihlaline yol açtığının gösterildiği akılda tutulmalıdır. Heisenberg'in temel parçacıklara ilişkin birleşik bir teori yaratma yönündeki somut girişiminin şu ana kadar başarısız olduğuna inanılmasının haklı bir nedeni vardır, ancak onun seçtiği araştırma yönü göz ardı edilmemelidir. Son yıllarda W'nin fikirlerine tuhaf bir geri dönüş olmuştur. .

1958 yılında ABD'de Pauli, Heisenberg'in teorisini aktardığında, tartışmada hazır bulunan N. Bohr şu açıklamayı yapmıştı: "Yeni bir teori için Heisenberg'in teorisi yeterince çılgın değil" (çılgın) (23, 20). N. Bohr, bu teoride alışılmadık, tuhaf bir fikrin yokluğunu kastediyordu. Bizce fizikçilerin henüz böyle bir fikri yoktur. Akademisyen I. Tamm, temel parçacıklar teorisinin geliştirilmesindeki en ümit verici yönün, ultra küçük ölçeklere uygulandığı şekilde uzay-zaman kavramlarımızı radikal bir şekilde revize etme girişimleri olduğunu düşünüyordu. Akademisyen L. T. Mandelstam'ın sıradan uzay ve zaman kavramlarının nükleer ölçeklere uygulanamazlığı hakkındaki açıklamalarına ve ayrıca uzay ve zamanı nicelemek için bir yöntem öneren X. Snyder'in (1947) çalışmasına atıfta bulunarak şu sonuca varır: bu alan ayrıktır. Snyder, kuantize uzayın, yani birbirleriyle değişmeyen koordinatların uzayının ayrık ve aynı zamanda izotropik olduğunu gösterdi. Ancak Snyder'ın fikirleri Golfand ve Kadyshevsky'nin çalışmaları dışında neredeyse hiçbir gelişme göstermedi.

V. G. Kadyshevsky (50. 1961. 136. (1)) uzay-zaman geometrisindeki değişikliklere dayanarak temel parçacıklar teorisine evrensel bir uzunluk “l” eklemeyi önerdi. Yeni geometrinin aşağıdaki koşulları sağlaması gerektiğine inanıyordu:

a) S 2 = X 2 0 - X 2 2 formu koordinat dönüşümüne göre değişmez değildir ve hareket grubu, 4-uzayının Lorentz grubundan daha düşük bir izotropi derecesine izin verecektir;

b) aralığın değişmezliği ve evrensel bir uzunluğun varlığı paritenin korunmamasının nedenleri olabilir;

c) S2'nin değişmez olduğu bir alt grup bulunmalıdır, böylece 4-uzayın geniş bölgelerinin simetrileri - temel uzunluk "l" ile karşılaştırıldığında büyük - tanımlanabilsin. Yazar "l" uzunluğunu zayıf etkileşimin evrensel sabiti olan C değeriyle birleştiriyor. Çarpanları seçtikten sonra " H" ve "l" için "C" 7 * 10 -17 cm değerini takip eder. Bu ve onu takip eden çalışmalar çok ilginç, ancak şu ana kadar bu teorinin olasılıkları belirsizliğini koruyor.

1959'da Kanadalı fizikçi H. Coish ve Sovyet fizikçi I. S. Shapiro, araştırmalarında sonlu sayıda öğeden oluşan ayrı bir uzayı ele aldılar ve bir dizi sonucun deneysel verilerle iyi bir uyum içinde olduğunu gösterdiler. Bu aynı zamanda bizi temel parçacıkların sistematiğinin yaratılmasına, yeni bir genelleştirici fiziksel teoriye yaklaştıran olası arama yollarından biridir. Ancak 1962'de Temel Parçacık Fiziğinin Felsefi Sorunları Toplantısında konuşan I. S. Shapiro, çalışmasını deneyimle karşılaştırmaya izin veren bir teorinin yaratılmasından çok uzak bir başlangıç aşaması olarak değerlendirdi. Bu problemin felsefi analizi R. A. Aronov (31.1957.3) tarafından yapılmıştır.

Fizikte, sözde spektral temsiller ve dağılım ilişkileriyle ilgili sorular dikkate alındı. Bazı fizikçilere göre bu, fiziksel niceliklerin analitik özelliklerinin (örneğin saçılma genliği) gerçek değerlerden karmaşık bölgeye doğru devam ederken incelendiği, gelişiminde bir tür yeni aşamaydı. Karmaşık değişkenli fonksiyonlar teorisinin bu niceliklere uygulanması son derece önemli sonuçlar verdi. Mandelstam (99), yalnızca enerjinin değil aynı zamanda momentumun da karmaşık değerlerini dikkate alarak çift dağılım ilişkilerini ortaya koydu. Regge, S-matrisi formalizminin ve dağılım ilişkilerinin açısal momentumun karmaşık değerlerine genelleştirilmesini önerdi. "Kayıt" kullanımının bir sonucu olarak, çeşitli saçılma işlemlerinin olasılık genlikleri arasındaki ilişkiler belirlendi: yüksek enerjilerde ππ, πN, NN, vb. Ancak, (ultra yüksek enerji fiziği alanında) "kayıtçıların" iddialarını fikirlerinin kapsamlılığıyla sınırlayan veriler var.

Akademisyen I. Tamm, dağılım teorisini bir dereceye kadar fenomenolojik olarak değerlendirdi, çünkü temel fiziksel olayların mekanizmasına girmeden, deneysel verilerden, içerdiği bir dizi parametrenin sayısal değerlerini çıkarır ve daha sonra doğru bir şekilde tahmin eder. bu parametrelerin belirlendiği deneylerden çok daha geniş bir yelpazedeki deneylerin sonuçları. Bu kitabın ikinci baskısında, ilk bakışta teori ve pratik arasında yakın bir birlik olmasına rağmen, bize teorinin kendisinin reçete niteliğinde olduğunu yazmıştık (s. 194). I. Tamm'ın "dağılım teorisinin (hem mevcut hem de gelecekteki) başarılarının, sınırlı sayıda genel ilke ve varsayıma dayalı yeni bir fiziksel teori yaratmanın ana sorununu hiçbir şekilde çözmediği" sonucuna katıldık (23, 21) . Fizikteki daha sonraki gelişmeler bu varsayımları doğruladı. Temel parçacıklara ilişkin bir teori oluşturmak için başka birçok girişimde bulunuldu. Bunlardan bazılarına kısaca bakalım.

Fermi ve Young, n-mezonun, р+¯р = π gibi son derece kısa mesafelerde etki eden hala bilinmeyen bazı kuvvetlerin yardımıyla bir nükleon ve bir antinükleondan oluştuğunu düşünmeyi önerdiler. Muazzam potansiyel bağlanma enerjisi, her iki nükleonun neredeyse tüm kütlesini "yiyor" ve geriye yalnızca pion kütlesi kalıyor. Teoriyi p, π, λ ve karşılık gelen üç antipartiküle dayandıran S. Sakata'nın önerisi ilgi uyandırdı. Daha sonra bu temel parçacıkları birleştirerek tüm pionları, K-mezonları ve hiperonları elde edebilirsiniz. S. Sakata, "Bu model" diye yazdı, "sadece güçlü etkileşimin yapısı için "önemli" bir temel oluşturmakla kalmayıp, aynı zamanda kompozit parçacıkların kütle spektrumunu açıklamayı ve varlığını tahmin etmeyi mümkün kıldığı için dikkat çekti. daha sonra keşfedilen rezonans parçacıklarının sayısı” (74, 168). Ancak yapışma kuvvetlerinin doğası belirsizliğini korudu. Yük, izospin, tuhaflık (λ-hiperon ile temsil edilir) gibi temel özelliklerin varlığını sağlamak için en az üç temel parçacık gereklidir. Temelin spinör parçacıklarının yani fermiyonların "dönmesi" olması gerektiği bir kez daha açıktır, çünkü "dönme" olmadığında onu elde edecek hiçbir yer olmayacaktır. Burada 19. yüzyılın ortalarında deneyen Helmholtz ve Kelvin'in teorisinin bir nevi yeniden canlanışını görüyoruz. varsayımsal eterik girdaplardan madde inşa edin.

Sakata, “bileşik” modeli oluştururken temel parçacıklara ilişkin şu görüşten yola çıktı: “... Temel parçacıkları, niteliksel olarak birbirinden farklı ve toplu olarak doğayı oluşturan, maddenin yapısının sonsuz sayıdaki düzeylerinden biri olarak görüyorum. Benim bakış açım materyalist diyalektiğin hükümlerine dayanmaktadır... Öncelikle bugüne kadar keşfedilen otuz küsur çeşit temel parçacığın maddenin yapısının bir veya birkaç farklı seviyesine ait olup olmadığını tespit etmek gerekir." (31) 1962.6, 134). Sakata ve işbirlikçileri planlarına leptonları da dahil etmeye çalıştılar. Temel, e - , v, μ leptonları ve bazı "baryon" alanı B (sözde B maddesi) tarafından alınır. Leptonlardan birini B alanıyla birleştirerek temel parçacıkları elde ediyorlar. Böylece Marshak - Gamba - Okuba'nın (203) baryonlar (р, π, λ ve leptonlar v, e -, μ -) arasında belirttiği benzerlik anlaşılmaktadır. Aynı simetri parçacıkların doğrusal olmayan spinör teorisinde de gerçekleşir.

Marshak, 1959 yazında Kiev Yüksek Enerji Fiziği Konferansı sempozyumlarında doğduğu için simetri hakkındaki fikirlerine "Kiev simetrisi" adını verdi. (Daha önce de belirttiğimiz gibi) üçlüler arasında var olan bazı analojilerden bahsediyoruz. baryonlar (p, π, λ) ve leptonlar (v, e - , μ -). Bu parçacıkların operatörlerinin katılımıyla dört fermiyon etkileşiminin herhangi bir terimi, λ'nın μ -, π'nin e -, p'nin v ile değiştirilmesiyle ilkinden elde edilen benzer bir terimle karşılaştırılabilir. Daha sonra, eğer bir işlem değiştirmeden önce izin veriliyorsa/yasaklanmışsa, baryon/lepton üçlüsünden bir parçacığı leptonik/baryon üçlüsünden bir "simetrofaktör" ile değiştirdikten sonra izin verilmiş/yasaklanmış olarak kalır. Marshak, tüm deneysel verileri dikkatlice analiz ettiğini ve belirtilen "simetri" ile çelişen tek bir durum bulamadığını ancak bu simetrinin doğasının belirsizliğini koruduğunu belirtiyor. Artık kuark modeli zaten yaratıldığına göre, Kiev simetrisini dört kuarkın - u, c, d, s'nin dört leptona - v e, v μ, e, μ - karşılık gelmesi olarak yorumlamak mümkün hale geldi, ancak bu simetri hala iyi bilinmemektedir.

Birleşik bir madde ve alan teorisi yaratmaya yönelik en başarılı girişimin bile kaçınılmaz olarak geçici, geçici olacağını biliyoruz. Mikro dünyanın derinliklerine daha fazla teorik ve deneysel nüfuz ve uzaydaki fenomenlerin giderek daha geniş kapsamlı incelenmesi, herhangi bir resmi kaçınılmaz olarak bozacak, daha yüksek bir düzeyde yeniden birleşme eğilimleri ortaya çıkana kadar, onun bireysel unsurlara bölünmesine yol açacaktır.

Parçacıkların gerçek özelliklerini yansıtan çeşitli kavramların (izotopik spin, tuhaflık, baryon yükü vb.) tanıtılması, bizi parçacıkların doğru sınıflandırılmasına yaklaştırdı. Mikropartiküllerin sınıflandırılmasında büyük rol simetri ilkesine aittir. Her sınıfın temel parçacıklarının (fotonlar, leptonlar, mezonlar, hiperonlar) kendilerinde ortak olan belirli simetri özelliklerine sahip olduğunu fark etmek kolaydır, ancak bu konuyu daha sonraki sunumlarda daha ayrıntılı olarak ele alacağız.

J. Chu, M. Gell-Mann ve I. Neeman (21, 5E), parçacıkların temel ve karmaşık (bileşik) olarak bölünmesinin anlamını yitirdiği, güçlü bir şekilde etkileşime giren madde parçacıklarının yeni bir sınıflandırmasını önerdi. Bu yazarlar, her grupta farklı dinlenme kütlelerine sahip parçacıkların aynı sistemin farklı uyarılmış durumları olarak değerlendirilebilmesi için gruplar halinde (süperçoklu) birleşmiş parçacıkları dikkate almayı önerdiler. Bu şemadaki parçacıkların kütle spektrumu, atomun enerji durumları spektrumuyla yakın bir benzerliğe sahiptir. Parçacıkların her biri eşit gerekçelerle hem basit hem de karmaşık olarak değerlendirilebilir. Kütle spektrumunu bulmak için iki yöntem önerilmektedir: bunlardan biri simetri ve grup teorisinin özelliklerine dayanmaktadır, diğeri ise Regge yörüngeleri olarak adlandırılan, yani bir parçacığın kütlesini iç kütlesine bağlayan eğrilerin kullanımına dayanmaktadır. her grupta açısal momentum (dönüş).

Pek çok fizikçi artık Gell-Mann sekizli şemasının en başarılı şema olduğuna inanıyor. Bu prensibe dayanmaktadır S.Ü.(3) simetri. Bilinen sekiz baryonun, daha yüksek simetriye karşılık gelen bir süperkat olduğu kabul edilir; bu simetri bozulur ve süperçoklu, izotopik spin çoklularına bölünür. Güçlü şekilde etkileşime giren parçacıklar, sekiz bileşene sahip bir "üniter spin" uzayında tanımlanır: ilk üçü izospin bileşenleridir, sonraki dördü garipliği değiştiren operatörler olarak hareket eder ve sonuncusu hiper yük ile orantılıdır. Daha yüksek simetri ("üniter") bozulduğunda, izospin ve hiperyük korunur ve üniter spinin tuhaflığa karşılık gelen bileşenleri değişir; Sonuç olarak, süpermultiplet izotopik spin multipletlerine bölünür. Dolayısıyla Gell-Mann teorisi, temel parçacıklar dünyasındaki simetri ve asimetrinin derin diyalektik birliğini bir dereceye kadar hesaba katar. Bu teorinin güçlü etkileşime giren parçacıkları uyumlu bir şemaya göre birleştirmesine ve aynı zamanda onların özelliklerini (özelliklerin asimetrisi) yansıtmasına izin veren şey budur. Gell-Mann sekizli şeması bir kez daha simetri ilkesinin muazzam buluşsal gücünü göstermektedir. Simetri ve korunum yasaları kavramlarına dayanan “sekiz katlı yol” hipotezi çerçevesinde, ABD'deki Brookhaven hızlandırıcısında keşfedilen Ω-hiperonun varlığı tahmin edilmiştir (214). Bir zamanlar teoride üniter simetri özelliğinin dikkate alınmasıyla elde edilen başarıların, deneysel çalışmaların teorinin öngördüğü kesirli elektrik yüküne (± 1/) sahip diğer parçacıkların keşfedilmesine yol açacağı konusunda bize umut verdiğini yazmıştık. Elektron yükünün 3 ve ± 2/3'ü), sözde kuarklar. Fiziğin daha sonraki gelişimi bu umutları haklı çıkardı.

Temel parçacıkları sistemleştirmeye yönelik birkaç girişime daha işaret edelim. Böylece, birkaç yıl önce M.A. Markov (204) orijinal bir model önerdi Maximonov. Genel görelilik teorisinin fikirlerine dayanarak, makro ve mikro dünyaların birbirleriyle yakından kesişebileceğini gösterdi. Yeni varsayımsal unsurların tanıtılmasının resmi temeli, modern fizik teorisinin en önemli dünya sabitlerinden kütle boyutuyla iki kombinasyonun yapılabileceği gerçeğiydi. Bu niceliklerden biri gramın milyonda biri kadar sayısal değere sahipken, diğeri on kat daha büyük sayısal değere sahiptir. Bu şekilde ortaya çıkan maksimumlar kütle olarak gerçek hadronlardan (kuvvetle etkileşen parçacıklar) 10 19 kat daha büyüktür. Maximonlar uzaysal boyutları nedeniyle o kadar ağırdır ki “bu parçacıklar Dünya yüzeyindeki hiçbir gemide tespit edilemezler. Yerçekiminin etkisi altında gezegenin merkezine düşerler… Maximonların doğuşu için bir enerji gerekir. 10 28 eV, uzak geleceğin hızlandırıcılarında bile maksimumların doğma olasılığı hariç tutulmuştur" (53.1966.51, 878).

Mevcut modellerin analizi, yazarlarının mikro nesnelerin sistemleştirilmesi sorununa yaklaşımında bazı farklılıklar olduğunu göstermektedir. Bazıları temel parçacıkların ve alanların belirli özelliklerinden yola çıkarak mikro nesnelerin yapısı sorununu uzay-zaman simetrisinin yeni özelliklerini ekleyerek çözmeye çalışır, diğerleri ise tam tersine uzay ve zamanın bilinen özelliklerini korur, ancak Mikro parçacıkların yapısını açıklarlar. Maddi mikro nesnelerin ve alanların özelliklerine ilişkin yeni özellikler sunarlar. Aynı sorunu çözmeye yönelik yaklaşımlardaki böyle bir farklılık tamamen haklıdır.

BFK şirketinden cazip bir fiyata Tomsk'ta plastik pencerelerin kurulum hizmeti.