ЕЛЕМЕНТАРНІ ЧАСТИНИ- первинні, далі нерозкладні частки, у тому числі, як вважають, складається вся матерія. У сучасній фізиці термін «елементарні частинки» зазвичай вживається для позначення великої групи найдрібніших частинок матерії, які не є атомами або атомними ядрами (див. Ядро атомне); виняток становить ядро атома водню - протон.
До 80-х років 20 століття науці було відомо понад 500 елементарних частинок, більшість яких є нестабільними. До елементарних частинок відносяться протон (p), нейтрон (n), електрон (e), фотон (γ), пі-мезони (π), мюони (μ), важкі лептони (τ + , τ -), нейтрино трьох типів - електронні (V e), мюонні (V μ) та пов'язані з так званим важким дептоном (V τ), а також «дивні» частинки (К-мезони та гіперони), різноманітні резонанси, мезони з прихованою чарівністю, «зачаровані» частинки, іпсилон-частки (Υ), «гарні» частинки, проміжні векторні бозони та ін. З'явився самостійний розділ фізики – фізика елементарних частинок.
Історія фізики елементарних частинок почалася з 1897 року, коли Томсоном (J. J. Thomson) було відкрито електрон (див. Електронне випромінювання); 1911 року Міллікен (R. Millikan) виміряв величину його електричного заряду. Поняття «фотон» – квант світла – було введено Планком (М. Planck) у 1900 році. Прямі експериментальні докази існування фотона були отримані Міллікен (1912-1915) і Комптон (A. Н. Compton, 1922). У процесі вивчення атомного ядра Е. Резерфорд відкрив протон (див. Протонне випромінювання), а в 1932 Чедвік (J. Chadwick) - нейтрон (див. Нейтронне випромінювання). 1953 року було експериментально доведено існування нейтрино, яке Паулі (W. Pauli) передбачив ще 1930 року.
Елементарні частинки поділяють на три групи. Перша представлена єдиною елементарною частинкою - фотоном, -квантом, або квантом електромагнітного випромінювання. Друга група - це лептони (грецький leptos дрібний, легкий), що беруть участь, крім електромагнітних, ще й у слабких взаємодіях. Відомо 6 лептонів: електрон та електронне нейтрино, мюон та мюонне нейтрино, важкий τ-лептон та відповідний нейтрино. Третю - основну групу елементарних частинок становлять адрони (грецький hadros великий, сильний), які беруть участь у всіх видах взаємодій, зокрема у сильних взаємодіях (див. нижче). До адронів відносяться частки двох типів: баріони (грец. barys важкий) - частки з напівцілим спином і масою не менше маси протона, і мезони (грецький середній місяць) - частки з нульовим або цілим спином (див. Електронний парамагнітний резонанс). До баріонів належать протон і нейтрон, гіперони, частина резонансів та «зачарованих» частинок та деякі інші елементарні частинки. Єдиним стабільним баріоном є протон, інші баріони нестабільні (нейтрон у вільному стані - нестабільна частка, проте у зв'язаному стані всередині стабільних атомних ядер він стабільний. Мезони отримали свою назву тому, що маси перших відкритих мезонів - пі-мезону та К-мезону - мали Значення, проміжні між масами протона і електрона. Пізніше були відкриті мезони, маса яких перевищує масу протона. . У 1964 р. Цвейг (G. Zweig) і Гелл-Манн (М. Gell-Mann) незалежно один від одного висловили припущення про кваркову структуру адронів. мають ряд незвичайних властивостей, наприклад дробовим електричним зарядом та ін У вільному стані кварків не спостерігали. Вважають, що це адрони утворюються з допомогою різних поєднань кварків.
Спочатку елементарні частинки досліджували щодо радіоактивного розпаду (див. Радіоактивність) і космічного випромінювання (див.). Однак починаючи з 50-х років 20 століття дослідження елементарних частинок виробляють на прискорювачах заряджених частинок (див.), У яких прискорені частинки бомбардують мішень або стикаються з частинками, що летять назустріч. При цьому частинки взаємодіють між собою, внаслідок чого відбувається їхнє взаємоперетворення. Саме таким чином було відкрито більшість елементарних частинок.
Кожна елементарна частка разом зі специфікою властивих їй взаємодій описується набором дискретних значень певних фізичних величин, що виражаються цілими або дробовими числами (квантовими числами). Загальними характеристиками всіх елементарних частинок є маса (m), час життя (т), спин (J) - власний момент кількості руху елементарних частинок, що має квантову природу і не пов'язаний із переміщенням частинки як цілого, електричний заряд (Ω) та магнітний момент ( μ). Електричні заряди вивчених елементарних частинок за абсолютною величиною є цілими кратними числами від заряду електрона (е?1,6 * 10 -10 к). У відомих елементарних частинок електричні заряди дорівнюють 0, ±1 і ±2.
Всі елементарні частинки мають відповідні античастинки, маса і спин яких дорівнюють масі та спину частинки, а електричний заряд, магнітний момент та інші характеристики рівні за абсолютною величиною та протилежні за знаком. Наприклад, античастинкою електрона є позитрон - електрон із позитивним електричним зарядом. Елементарна частка, тотожна своїй античастинці, називається істинно нейтральною, наприклад нейтрон і антинейтрон, нейтрино і антинейтрино і т. д. При взаємодії античасток один з одним відбувається їх анігіляція (див.).
При попаданні елементарної частки у матеріальне середовище вони взаємодіють із нею. Розрізняють сильну, електромагнітну, слабку та гравітаційну взаємодії. Сильна взаємодія (сильніша за електромагнітну) виникає між елементарними частинками, що знаходяться на відстані менше 10 -15 м (1 фермі). При відстанях понад 1,5 ферм сила взаємодії між частинками близька до нуля. Саме сильні взаємодії між елементарними частинками забезпечують виняткову міцність атомних ядер, яка лежить в основі стабільності речовини у земних умовах. Характерною особливістю сильної взаємодії є її незалежність від електричного заряду. До сильної взаємодії здатні адрони. Сильні взаємодії зумовлюють розпад короткоживучих частинок (час життя близько 10 -23 - 10 -24 сек.), Які називають резонансами.
Електромагнітної взаємодії схильні до всіх заряджених елементарних частинок, фотонів і нейтральних частинок, що володіють магнітним моментом (наприклад, нейтрони). В основі електромагнітних взаємодій лежить зв'язок із електромагнітним полем. Сили електромагнітної взаємодії приблизно в 100 разів слабші за силу сильної взаємодії. Основна сфера дії електромагнітної взаємодії – атоми та молекули (див. Молекула). Така взаємодія визначає структуру твердих тіл, характер хім. процесів. Воно не обмежується відстанню між елементарними частинками, тому розмір атома приблизно в 10 4 разів більший за розмір атомного ядра.
Слабкі взаємодії лежать в основі надзвичайно повільних процесів за участю елементарних частинок. Наприклад, нейтрино, що мають слабку взаємодію, можуть безперешкодно пронизувати товщу Землі та Сонця. Слабкі взаємодії зумовлюють також повільні розпади про квазистабильных елементарних частинок, час життя яких перебуває у межах 10 8 - 10 -10 сек. Елементарні частинки, народжені при сильній взаємодії (за час 10 -23 -10 -24 сек.), але повільно, що розпадаються (10 -10 сек.), називають дивними.
Гравітаційні взаємодії між елементарними частинками дають надзвичайно малі ефекти через мізерність мас частинок. Цей вид взаємодії добре вивчений макрооб'єктах, мають велику масу.
Різноманітність елементарних частинок з різними фізичними характеристиками пояснює складність їх систематизації. З усіх елементарних частинок тільки фотони, електрони, нейтрино, протони та їх античастинки фактично є стабільними, оскільки мають великий час життя. Ці частинки є кінцевими продуктами мимовільного перетворення інших елементарних частинок. Народження елементарних частинок може відбуватися внаслідок перших трьох типів взаємодій. Для сильно взаємодіючих частинок джерелом народження реакції сильної взаємодії. Лептони, що найімовірніше, з'являються при розпадах інших елементарних частинок або народжуються парами (частка + античастка) під впливом фотонів.
Потоки елементарних частинок формують іонізуючі випромінювання, що викликають іонізацію нейтральних молекул середовища. Біологічний ефект елементарних частинок пов'язують з утворенням у опромінених тканинах та рідинах організму речовин із високою хімічною активністю. До таких речовин належать вільні радикали (див. вільні Радикали), перекиси (див.) та інші. Елементарні частинки можуть надавати і пряму дію на біо-молекули і надмолекулярні структури, викликати розрив внутрішньомолекулярних зв'язків, деполімеризацію високомолекулярних сполук тощо. тривалого збереження стану збудження у деяких макромолекулярних субстратах. У клітинах пригнічується або перекручується активність ферментних систем, змінюється структура клітинних мембран та поверхневих клітинних рецепторів, що призводить до підвищення проникності мембран та зміни дифузійних процесів, що супроводжуються явищами денатурації білків, дегідратації тканин, порушенням внутрішнього середовища клітини. Ураженість клітин значною мірою залежить від інтенсивності їхнього мітотичного поділу (див. Мітоз) та обміну речовин: з підвищенням цієї інтенсивності радіоушкодження тканин збільшується (див. Радіочутливість). На цій властивості потоків елементарні частинки – іонізуючого опромінення – засноване їх застосування для променевої терапії (див.), особливо при лікуванні злоякісних новоутворень. Проникаюча здатність заряджених елементарних частинок великою мірою залежить від лінійної передачі енергії (див.), тобто від середньої енергії, що поглинається середовищем у місці проходження зарядженої частинки, віднесеної до одиниці її шляху.
Пошкоджуюча дія потоку елементарних частинок особливо позначається на стовбурових клітинах кровотворної тканини, епітелії яєчок, тонкої кишки, шкіри (див. Променева хвороба, Променеві ушкодження). Насамперед уражаються системи, що знаходяться під час опромінення у стані активного органогенезу та диференціювання (див. Критичний орган).
Біологічна та терапевтична дія елементарних частинок залежить від їх виду та дози випромінювання (див. Дози іонізуючих випромінювань). Так, наприклад, при впливі рентгенівського випромінювання (див. Рентгенотерапія), гамма-випромінювання і протонного випромінювання на все тіло людини в дозі близько 100 рад спостерігається тимчасова зміна кровотворення; Зовнішній вплив нейтронного випромінювання (див. Нейтронне випромінювання) веде до утворення в організмі різних радіоактивних речовин, наприклад радіонуклідів натрію, фосфору та ін. зване внутрішнє опромінення організму (див. Інкорпорація радіоактивних речовин). Особливо небезпечні в цьому відношенні радіонукліди, що швидко резорбуються, з рівномірним розподілом в організмі, напр. тритій (3H) та полоній-210.
Радіонукліди, що є джерелами елементарних частинок і беруть участь в обміні речовин, використовують у радіоізотопній діагностиці (див.).
Бібліогр.:Ахієзер А. І. та Рекало М. П. Біографія елементарних частинок, Київ, 1983, бібліогр.; Боголюбов Н. Н. і Широков Д. Ст Ст Квантові поля, М., 1980; Борн М. Атомна фізика, пров. з англ., М., 1965; Джонс X. Фізика радіології, пров. з англ. М., 1965; Кронгауз А. Н., Ляпідевський Ст До. і Фролова А. Ст Фізичні основи клінічної дозиметрії, М., 1969; Променева терапія з допомогою випромінювань високої енергії, під ред. І. Беккера та Г. Шуберта, пров. з ньому., М., 1964; Тюбіана М. та ін. Фізичні основи променевої терапії та радіобіології, пров. з франц., М., 1969; Шпольський Е. Ст Атомна фізика, т. 1, М., 1984; Янг Ч. Елементарні частки, пров. з англ. М., 1963.
Р. В. Ставнцький.
У якому є інформація про те, що всі елементарні частинки, що входять до складу будь-якого хімічного елемента, складаються з різного числа неподільних фантомних частинок. елементами елементарних частинок.
Теорія кварків вже давно стала загальновизнаною серед вчених, які займаються дослідженнями мікросвіту елементарних частинок. І хоча на початку введення поняття «кварк» було суто теоретичним припущенням, існування якого лише ймовірно підтвердилося експериментально, на сьогоднішній день цим поняттям оперують як непохитною істинною. Вчений світ умовився називати кварки фундаментальними частинками, і за кілька десятиліть це поняття стало центральною темою теоретичних та експериментальних досліджень у галузі фізики високих енергій. «Кварк» увійшов до програми навчання всіх природничих ВНЗ світу. На дослідження в цій галузі виділяються величезні кошти - чого тільки вартує будівництво Великого адронного колайдера. Нові покоління вчених, вивчаючи теорію кварків, сприймають їх у тому вигляді, як вона подано у підручниках, мало цікавлячись історією цього питання. Але спробуймо неупереджено і чесно подивитися в корінь «кваркового питання».
До другої половини XX століття завдяки розвитку технічних можливостей прискорювачів елементарних частинок - лінійних і кругових циклотронів, а потім і синхротронів, вченим вдалося відкрити безліч нових частинок. Однак, що робити з цими відкриттями вони не розуміли. Тоді було висунуто ідея, з теоретичних міркувань, спробувати згрупувати частки у пошуках якогось порядку (подібно до періодичної системі хімічних елементів - таблиці Менделєєва). Вчені домовилисяважкі та середні за масою частинки назвати адронами, а надалі їх розбити на баріониі мезони. Усі адрони брали участь у сильній взаємодії. Менш важкі частки, назвали лептонами, вони брали участь у електромагнітному та слабкому взаємодії . З того часу фізики намагалися пояснити природу всіх цих частинок, намагаючись знайти загальну всім модель, що описує їх поведінка.
У 1964 році американські фізики Мюррей Гелл-Ман (Лауреат Нобелівської премії з фізики 1969 р.) та Джордж Цвейг незалежно один від одного запропонували новий підхід. Було висунуто суто гіпотетичне припущення, що всі адрони складаються з трьох дрібніших частинок і відповідних античастинок. І Гелл-Ман назвав ці нові частки кварками.Цікаво, що саму назву він запозичив з роману Джеймса Джойса «Поминки по Фіннегану», де герою в снах часто чулися слова про три таємничі кварки. Чи то Гелл-Ман надто емоційно сприйняв цей роман, чи йому просто подобалося число три, але у своїх наукових працях він пропонує ввести у фізику елементарних частинок перші три кварки, що отримали назви верхній (і -від англ. up), нижній (d - down) та дивний (s- strange), які мають дробовим електричним зарядом + 2 / 3, - 1 / 3 і - 1 / 3 відповідно, а для антикварків прийняти, що їх заряди протилежні за знаком.
Згідно з цією моделлю протони і нейтрони, з яких, як припускають вчені, складаються всі ядра хімічних елементів, складені з трьох кварків: uud і udd відповідно (знов ці всюдисущі три кварки). Чому саме із трьох і саме в такому порядку не пояснювалося. Просто так вигадали авторитетні науковці і все тут. Спроби зробити теорію красивою не наближають до Істини, лише викривляють і так криве дзеркало, у якому відбито Її частинка. Ускладнюючи просте, ми віддаляємось від Істини. А все так просто!
Ось так будується «високоточна» загальновизнана офіційна фізика. І хоча спочатку введення кварків пропонувалося як робочої гіпотези, але через короткий час ця абстракція щільно увійшла до теоретичної фізики. З одного боку, вона дозволила з математичної точки зору вирішити питання з упорядкуванням великого ряду відкритих частинок, з іншого ж залишалася лише теорією на папері. Як завжди це робиться в нашому споживчому суспільстві, на експериментальну перевірку гіпотези існування кварків було спрямовано дуже багато людських сил та ресурсів. Кошти платників податків витрачаються, людям треба про щось розповідати, звіти показувати, говорити про свої «великі» відкриття, щоб отримати черговий грант. "Ну раз треба, значить зробимо", - кажуть у таких випадках. І це сталося.
Колектив дослідників Стенфордського відділення Массачусетського технологічного інституту (США) на лінійному прискорювачі займався вивченням ядра, обстрілюючи електронами водень та дейтерій (важкий ізотоп водню, ядро якого містить один протон та один нейтрон). При цьому вимірювалися кут та енергія розсіювання електронів після зіткнення. У разі малих енергій електронів розсіяні протони з нейтронами поводилися як однорідні частинки, злегка відхиляючи електрони. Але у випадку з електронними пучками великої енергії окремі електрони втрачали значну частину своєї початкової енергії, розсіюючись на великі кути. Американські фізики Річард Фейнман (Лауреат Нобелівської премії з фізики 1965 р. і, до речі, один із творців атомної бомби в 1943-1945 роках у Лос-Аламосі) і Джеймс Бйоркен витлумачили дані про розсіювання електронів як свідчень. : як передбачуваних раніше кварків .
Зверніть увагу, будь ласка, на цей ключовий момент. Експериментатори в прискорювачах зіштовхуючи пучки частинок (не поодинокі частки, а пучки!!!), набираючи статистику(!!!) побачили, що протон і нейтрон із чогось там складаються. Але з чого? Адже вони не побачили кварки, та ще й у числі трьох штук, це неможливо, вони просто побачили розподіл енергій і кути розсіювання пучка частинок. А оскільки єдиною на той час теорією будови елементарних частинок, хоч і вельми фантастичною, була теорія кварків, то і вважали цей експеримент першою успішною перевіркою існування кварків.
Пізніше, звичайно ж, були й інші експерименти і нові теоретичні обґрунтування, але суть їх одна й та сама. Будь-який школяр, прочитавши історію цих відкриттів, зрозуміє, наскільки все у цій галузі фізики притягнуте за вуха, наскільки все банально нечесно.
Ось так і ведуться експериментальні дослідження в галузі науки з гарною назвою – фізика високих енергій. Давайте будемо чесними самі перед собою, на сьогоднішній день немає чітких наукових обґрунтувань існування кварків. Цих часток просто немає у природі. Чи хоч один фахівець розуміє, що насправді відбувається при зіткненні двох пучків заряджених частинок у прискорювачах? Те, що на цій кварковій теорії будувалася так звана Стандартна модель, яка нібито є найточнішою і найправильнішою, ще ні про що не говорить. Фахівцям добре відомі всі вади цієї чергової теорії. Ось тільки чомусь про це прийнято замовчувати. Але чому? «І найбільша критика Стандартної моделі стосується тяжіння та походження маси. Стандартна модель не враховує тяжіння і вимагає, щоб маса, заряд та деякі інші властивості частинок вимірювалися досвідченим шляхом для подальшої постановки рівняння» .
Незважаючи на це, величезні кошти виділяються на цю галузь досліджень, вдумайтеся тільки, на підтвердження Стандартної моделі, а не пошуки Істини. Побудовано Великий адронний колайдер (CERN, Швейцарія), сотні інших прискорювачів по всьому світу, видаються премії, гранти, міститься величезний штат технічних фахівців, але суть всього цього – банальний обман, Голлівуд і не більше. Запитайте будь-яку людину – яку реальну користь суспільству приносять ці дослідження – ніхто вам не відповість, оскільки це тупикова гілка науки. З 2012 року заговорили про відкриття бозона Хіггса на прискорювачі в CERN. Історія цих досліджень - це цілий детектив, в основі якого той самий обман світової громадськості. Цікаво, що цей бозон нібито відкрили саме після того, як зайшлося про припинення фінансування цього дорогого проекту. І щоб показати суспільству важливість цих досліджень, виправдати свою діяльність, щоб отримати нові транші на будівництво ще потужніших комплексів, співробітникам CERN, які працюють у цих дослідженнях, і довелося піти на угоду зі своєю совістю, видаючи бажане за дійсне.
У доповіді «СКОЛЬНА ФІЗИКА АЛЛАТРА» щодо цього є така цікава інформація: «Учені виявили частку, імовірно схожу на бозон Хіггса (бозон був передбачений англійським фізиком Пітером Хіггсом (Peter Higgs; 1929), , він повинен мати кінцеву масу і не мати спина). Насправді те, що виявили вчені, не є шуканим бо-зоном Хіггса. Але ці люди, самі того ще не усвідомлюючи, зробили справді важливе відкриття та виявили набагато більше. Вони експериментально виявили явище, про яке докладно описано в книзі «АллатРа» (Примітка: книга "АллатРа", стор 36 останній абзац). .
Як же насправді влаштований мікросвіт матерії?У доповіді «СКОВНА ФІЗИКА АЛАТРА» є достовірна інформація про справжню будову елементарних частинок, знання, які були відомі і давнім цивілізаціям, чому є незаперечні докази у вигляді артефактів. Елементарні частинки складаються з різного числа фантомних частинок. «Фантомна частинка По - це потік, що складається з септонів, навколо якого знаходиться невелике розріджене власне септонне поле. Фантомна частинка має внутрішній потенціал (є його носієм), що оновлюється в процесі езоосмосу. Відповідно до внутрішнього потенціалу, фантомна частинка має свою пропорційність. Найменшою фантомною частинкою По є унікальна силова фантомна частинка По ‒ Аллат (Примітка: докладніше див. далі за доповіддю). Фантомна частинка По – це впорядкована структура, яка перебуває у постійному спіралеподібному русі. Вона може існувати тільки у зв'язаному стані з іншими фантомними частинками, які в конгломераті утворюють первинні прояви матерії. Внаслідок своїх унікальних функцій є своєрідним фантомом (примарою) для матеріального світу. З огляду на те, що з фантомних частинок По складається вся матерія, це задає їй характеристику ілюзорної конструкції та форми буття, залежної від процесу езоосмосу (наповнення внутрішнього потенціалу).
Фантомні частинки є нематеріальним утворенням. Однак у зчіпці (послідовному з'єднанні) між собою, вибудовані згідно з інформаційною програмою у певній кількості та порядку, на певній відстані один від одного, вони становлять основу будови будь-якої матерії, задають її різноманітність та властивості завдяки своєму внутрішньому потенціалу (енергії та інформації). Фантомна частинка По - це те, з чого складаються у своїй основі елементарні частинки (фотон, електрон, нейтрино і так далі), а також частинки-переносники взаємодій. Це первинне прояв матерії у світі» .
Провівши після прочитання цієї доповіді таке невелике дослідження історії розвитку теорії кварків і загалом фізики високих енергій, стало зрозуміло, як все-таки мало знає людина, якщо обмежує своє пізнання лише рамками матеріалістичного світогляду. Одні припущення з розуму, теорія ймовірності, умовна статистика, домовленості та відсутність достовірних знань. Адже люди часом на ці дослідження витрачають свої життя. Впевнений, що серед науковців і цієї галузі фізики є безліч людей, які справді прийшли в науку не заради слави, влади та грошей, а заради однієї мети – пізнання Істини. Коли їм стануть доступні знання «СКОЛЬНОЇ ФІЗИКИ АЛЛАТРА», вони самі наведуть лад і зроблять справді епохальні наукові відкриття, які принесуть реальну користь суспільству. З появою цієї унікальної доповіді сьогодні відкрито нову сторінку світової науки. Тепер уже стоїть питання не в знаннях як таких, а в тому, чи готові самі люди до створення цих знань. В силах кожної людини зробити все можливе, щоб усі ми подолали нав'язаний нам споживчий формат мислення та дійшли розуміння необхідності створення основ побудови духовно-творчого суспільства майбутнього у майбутню епоху глобальних катаклізмів на планеті Земля.
Валерій Вершигора
Ключові слова:кварки, теорія кварків, елементарні частинки, бозон Хіггса, СПОКОНА ФІЗИКА АЛЛАТРА, Великий адронний колайдер, наука майбутнього, фантомна частинка По, септонне поле, аллат, пізнання істини.
Література:
Коккеде Я., Теорія кварків, М., Видавництво «Світ», 340 с., 1969, http://nuclphys.sinp.msu.ru/books/b/Kokkedee.htm;
Arthur W. Wiggins, Charles M. Wynn, The Five Biggest Unsolved Problems in Science, John Wiley & Sons, Inc., 2003 // Віггінс А., Вінн Ч. «П'ять невирішених проблем науки» в пров. на російську;
Observation of Excess of Events in Search for Standard Model Higgs boson with ATLAS detector at LHC, 09 Jul 2012, CERN LHC, ATLAS, http://cds.cern.ch/record/1460439 ;
Observation of new boson with mass near 125 GeV, 9 Jul 2012, CERN LHC, CMS, http://cds.cern.ch/record/1460438?ln=en ;
Доповідь «СКОВНА ФІЗИКА АЛЛАТРА» міжнародної групи вчених Міжнародного громадського руху «АЛЛАТРА» під ред. Анастасії Нових, 2015 р.;
ЕЛЕМЕНТАРНІ ЧАСТИНИ, у вузькому значенні - частинки, які не можна вважати Складаються з інших частинок. У совр. фізиці термін "елементарні частинки" використовують у ширшому значенні: так зв. дрібні частинки матерії, підпорядковані умові, що вони є і (виключення становить); іноді з цієї причини елементарні частинки називають суб'ядерними частинками. Більшість таких частинок (а їх відомо більше 350) є складовими системами.
Е лементарні частинки беруть участь в електромагнітному, слабкому, сильному та гравітаційному взаємодіях. Через малі маси елементарних частинок їх гравітаційний взаємод. зазвичай не враховується. Усі елементарні частинки поділяють на три осн. групи. Першу складають т. зв. бозони-переносники електрослабкої взаємодії. Сюди відноситься фотон або квант електромагнітного випромінювання. Маса спокою фотона дорівнює нулю, тому швидкість поширення електромагнітних хвиль (в т. ч. світлових хвиль) являє собою граничну швидкість поширення фіз. впливу і є одним із фундам. фіз. постійних; прийнято, що з = (299792458 1,2) м/с.
Друга група елементарних частинок - лептони, що у електромагнітних і слабких взаємодіях. Відомо 6 лептонів: , електронне, мюонне, важкий-лептон та відповідне. (Символ е) вважається матеріальним найменшої маси в природі m с, що дорівнює 9,1 x 10 -28 г (в енергетич. одиницях 0,511 МеВ) і найменшого заперечують. електрич. заряду е = 1,6 x 10-19 Кл. (Символ) - частинки з масою бл. 207 мас (105,7 МеВ) та електрич. зарядом, рівним заряду; важкий-лептон має масу прибл. 1,8 ГеВ. Відповідні цим часткам три типи - електронний (символ v c), мюонний (символ) і-нейтрино (символ) - легкі (можливо, безмасові) електрично нейтральні частинки.
Усі лептони мають (-), тобто за статистич. св-вам є ферміонами (див.).
Кожному з лептонів відповідає , Що має ті ж значення маси, та ін характеристик, але відрізняється знаком електрич. заряду. Існують (символ е +) - по відношенню до , позитивно заряджений (символ) і три типи антинейтрино (символ), яким приписують протилежний знак особливого квантового числа, зв. лептонним зарядом (див. нижче).
Третя група елементарних частинок, - адрони, вони беруть участь у сильному, слабкому та електромагнітному взаємодіях. Адрони є "важкі" частинки з масою, що значно перевищує масу . Це найб. чисельна група елементарних частинок. Адрони поділяються на баріони - частинки з мезони - частинки з цілим (О або 1); а також т. зв. резонанси - короткоживучі адрони. До баріонів відносять (символ р) - ядро з масою, що ~ 1836 разів перевищує m с і дорівнює 1,672648 x 10 -24 г (938,3 МеВ), і покладе. електрич. зарядом, рівним заряду, а також (символ n) - електрично нейтральна частка, маса якої трохи перевищує масу. З і побудовано все, саме сильне взаємод. обумовлює зв'язок цих частинок між собою. У сильній взаємодії і мають однакові св-ва і розглядаються як дві частини - нуклону з ізотопіч. (див. нижче). Баріони включають і гіперони - елементарні частинки з масою більш нуклонною: -гіперон має масу 1116 МеВ,-гіперон-1190 МеВ,-гіперон-1320 МеВ,-гіперон-1670 МеВ. Мезони мають маси, проміжні між масами та (-мезон, K-мезон). Існують мезони нейтральні і заряджені (з поклад. і запереч. елементарним електричним зарядом). Усі мезони за своїми сгатистич. св-вам ставляться до бозонів.
Основні властивості елементарних частинок.Кожна елементарна частка описується набором дискретних значень фіз. величин (квантових чисел). Загальні властивості всіх елементарних частинок - маса, час життя, електрич. заряд.
Залежно від часу життя елементарні частинки поділяються на стабільні, квазістабільні та нестабільні (резонанси). Стабільними (в межах точності суч. вимірів) є: (час життя більше 5 -10 21 років), (більше 10 31 років), фотон і . До квазістабільних відносяться частинки, що розпадаються внаслідок електромагнітного та слабкого взаємод., їх часи життя понад 10 -20 с. Резонанси розпадаються за рахунок сильного взаємодії, їх характерні часи життя 10 -22 -10 -24 с.
Внутрішніми характеристиками (квантовими числами) елементарних частинок є лептонний (символ L) та баріонний (символ В) заряди; ці числа вважаються строго збереженими величинами всім типів фундам. взаємод. Для лептонних та їх L мають протилежні знаки; для баріонів = 1, для відповідних = -1.
Для адронів характерна наявність спеціальних квантових чисел: "дива", "чарівності", "краси". Звичайні (недивні) адрони - ,-мезони. Усередині різних груп адронів є сімейства частинок, близьких за масою і з подібними св-вами по відношенню до сильного взаємод., але з разл. значеннями електрич. заряду; найпростіший приклад -протон і . Загальне квантове число таких елементарних частинок - т. зв. ізотопіч. , що приймає, як і звичайний , цілі та напівцілі значення. До особливих характеристик адронів відноситься і внутрішня парність, що приймає значення1.
p align="justify"> Важливе св-во елементарних частинок - їх здатність до взаємоперетворень в результаті електромагнітних або ін. взаємодій. Один із видів взаємоперетворень - т. зв. народження або утворення одночасно частинки і (у загальному випадку - утворення елементарних частинок з протилежними лептонними або баріонними зарядами). Можливі процеси народження електрон-позитронних е-е+, мюонних нових важких частинок при зіткненнях лептонів, утворення з кварків cc- та bb-станів (див. нижче). Інший вид взаємоперетворень елементарних частинок – анігіляція при зіткненнях частинок з утворенням кінцевого числа фотонів (квантів). Зазвичай утворюються 2 фотони при нульовому сумарному стикаються частинок і 3 фотона - при сумарному, рівному 1 (прояв закону збереження зарядової парності).
За певних умов, зокрема при невисокій швидкості частинок, що стикаються, можливе утворення пов'язаної системи - е - е + і ці нестабільні системи, часто зв. , їх час життя у в-ві великою мірою залежить від св-в в-ва, що дозволяє використовувати вивчення структури конденсир. в-ва та кінетики швидких хім. р-цій (див. , ).
Кваркова модель адронів.Детальний розгляд квантових чисел адронів з їх дозволило зробити висновок у тому, що дивні адрони і звичайні адрони разом утворюють об'єднання частинок з близькими св-вами, названі унітарними мультиплетами. Числа частинок, що входять до них, дорівнюють 8 (октет) і 10 (декуплет). Частинки, що входять до складу унітарного мультиплет, мають однакові і всередину. парність, але різняться значеннями електрич. заряду (частки ізотопіч. мультиплету) та дивацтва. З унітарними групами пов'язані св-ва , їх виявлення стало основою висновку про існування спеціальних структурних одиниць, з яких брало побудовані адрони,-кварків. Вважають, що адрони є комбінації 3 фундам. частинок з 1/2: і-кварків, d-кварків та s-кварків. Так, мезони складені з кварку та антикварку, баріони – з 3 кварків.
Припущення, що адрони складені з 3 кварків, було зроблено в 1964 році (Дж. Цвейг і незалежно від нього М. Гелл-Ман). Надалі в модель будови адронів (зокрема, для того щоб не виникало протиріччя з) були включені ще 2 кварки - "зачарований" (с) і "красивий" (b), а також введені особливі характеристики кварків - "аромат" та " колір". Кварки, які виступають як складові адронів, у вільному стані не спостерігалися. Все різноманіття адронів обумовлено разл. поєднаннями і-, d-, s-, с-і b-кварків, що утворюють зв'язкові стани. Звичайним адронам (-мезонам) відповідають зв'язкові стани, побудовані з і-і d-кварків. Наявність в адроні поряд з і-і d-кварками одного s-, с- або b-кварка означає, що відповідний адрон - "дивний", "зачарований" або "красивий".
Кваркова модель будови адронів підтвердилася внаслідок експериментів, проведених у кін. 60-х – поч.
70-х pp. 20 ст. Кварки фактично почали розглядатися як нові елементарні частинки-істинно елементарні частки для адронної форми матерії. Ненаблюдаемость вільних кварків, очевидно, носить важливий характері і дає припускати, що вони є тими елементарними частками, які замикають ланцюг структурних складових в-ва. Існують теоретич. та експерим. доводи на користь того, що сили, що діють між кварками, не слабшають з відстанню, тобто для відокремлення кварків одна від одної потрібна нескінченно велика енергія або, інакше кажучи, виникнення кварків у вільному стані неможливе. Це робить їх новим типом структурних одиниць в-ва. Можливо, що кварки виступають як останній ступінь матерії.
Короткі історичні відомості.Першою відкритою елементарною частинкою був заперечений. електрич. заряду в обох знаків електрич. заряду (К. Андерсон та С. Неддермейєр, 1936), і К-мезони (група С. Пауелла, 1947; існування подібних частинок було припущено X. Юкавою у 1935). В кін. 40-х – поч. 50-х pp. було виявлено "дивні" частинки. Перші частинки цієї групи - К+ - і К-мезони, Л-гіперони - були зафіксовані також у косміч. променях.
З поч. 50-х pp. прискорювачі перетворилися на осн. Інструмент дослідження елементарних частинок. Були відкриті антипротон (1955), антинейтрон (1956), анти-гіперон (1960), а в 1964 - найважчий W -гіперон. У 1960-х роках. на прискорювачах виявили велику кількість вкрай нестійких резонансів. У 1962 з'ясувалося, що існують два різні: електронне та мюонне. У 1974 виявлені масивні (у 3-4 протонні маси) і в той же час відносно стійкі (порівняно зі звичайними резонансами) частинки, які виявилися тісно пов'язаними з новим сімейством елементарних частинок - "зачарованих", їх перші представники відкриті в 1976 . У 1975 виявлено важкий аналог і - лептон, в 1977 - частинки з масою близько десяти протонних мас, в 1981 - "красиві" частинки. У 1983 відкриті найважчі з відомих елементарних частинок - бозони (маса 80 ГеВ) та Z ° (91 ГеВ).
Т. обр., за роки, що минули після відкриття, виявлено величезну кількість різноманітних мікрочастинок. Світ елементарних частинок виявився складно влаштованим, які св-ва у багатьох відношеннях несподіваними.
Коккеде Я., Теорія кварків, [пер. з англ.], М., 1971; Марков М. А., Про природу матерії, М., 1976; Окунь Л.Б., Лептони та кварки, 2 видавництва, М., 1990.
До фізики атомного ядра тісно прилягає фізика елементарних частинок. Ця область сучасної науки базується на квантових уявленнях і у своєму розвитку все далі проникає в глибину матерії, відкриваючи загадковий світ її першооснов. У фізиці елементарних часток надзвичайно велика роль теорії. З огляду на неможливості прямого спостереження таких матеріальних об'єктів їх образи асоціюються з математичними рівняннями, з накладеними ними забороняючими і вирішальними правилами.
За визначенням елементарні частинки — це первинні, нерозкладні освіти, у тому числі, за припущенням, складається вся матерія. Насправді цей термін вживається у ширшому сенсі — для позначення великої групи мікрочастинок матерії, структурно не об'єднаних у ядра і атоми. Більшість об'єктів дослідження фізики елементарних частинок не відповідають строгому визначенню елементарності, оскільки є складовими системами. Тому частки, що задовольняють цю вимогу, прийнято називати істинно елементарними.
Першою елементарною часткою, відкритою у процесі вивчення мікросвіту ще наприкінці ХІХ ст., був електрон. Наступним був відкритий протон (1919), потім настала черга нейтрона, відкритого в 1932 р. Існування позитрона теоретично було передбачено П. Діраком в 1931 р., і в 1932 р. цей позитивно заряджений «двійник» електрона був виявлений у космічних променях. . Припущення про існування в природі нейтрино було висунуто В. Паулі у 1930 р., а експериментально воно було виявлено лише у 1953 р. У складі космічних променів у 1936 р. було знайдено мю-мезони (мюони) — частки обох знаків електричного заряду з масою близько 200 мас електрона. В іншому властивості мюонів дуже близькі до властивостей електрона і позитрона. Також у космічних променях у 1947 р. було відкрито позитивний та негативний пі-мезони, існування яких було передбачено японським фізиком Хідекі Юкавой у 1935 р. Надалі з'ясувалося, що існує також нейтральний пі-мезон.
На початку 50-х років. було відкрито велику групу часток з дуже незвичайними властивостями, що спонукало назвати їх «дивними». Перші частинки цієї групи були виявлені в космічних променях, це К-мезони обох знаків і К-гіперон (лямбда-гіперон). Зазначимо, що мезони отримали свою назву від грец. «середній, проміжний» через те, що маси перших відкритих частинок цього типу (пі-мезони, мю-мезони) мають масу, проміжну між масою нуклону та електрона. Гіперони ж ведуть свою назву від грец. «понад, вище», оскільки їх маси перевищують масу нуклону. Наступні відкриття дивних частинок робилися на прискорювачах заряджених частинок, які стали основним інструментом вивчення елементарних частинок.
Так було відкрито антипротон, антинейтрон і низку гіперонів. У 60-ті роки. було виявлено значну кількість частинок із вкрай малим часом життя, які отримали назвурезонансів. Як з'ясувалося, до резонансів належать більшість відомих елементарних частинок. У середині 70-х років. було відкрито нове сімейство елементарних частинок, що одержали романтичну назву «зачарованих», а на початку 80-х — сімейства «красивих» частинок і так званих векторних проміжних бозонів. Відкриття цих частинок стало блискучим підтвердженням теорії, заснованої на кварковій моделі елементарних частинок, яка передбачила існування нових частинок задовго до виявлення.
Таким чином, за час після відкриття першої елементарної частинки - електрона - у природі виявлено безліч (близько 400) мікрочастинок матерії, і процес відкриття нових частинок продовжується. Виявилося, що світ елементарних частинок влаштований дуже і дуже складно, які властивості різноманітні і часто вкрай несподівані.
Усі елементарні частинки є матеріальними утвореннями надзвичайно малих мас та розмірів. Більшість їх мають маси порядку маси протона (~10 -24 р) і розміри порядку 10 -13 м. Це визначає суто квантову специфіку їхньої поведінки. Важливе квантове властивість всіх елементарних частинок (включаючи і що належить до них фотон) у тому, що це процеси із нею відбуваються як послідовності актів їх випромінювання і поглинання (здатність народжуватися і знищуватися при взаємодії коїться з іншими частинками). Процеси за участю елементарних частинок відносяться до всіх чотирьох видів фундаментальної взаємодії, сильної, електромагнітної, слабкої та гравітаційної. Сильною взаємодією зумовлений зв'язок нуклонів в атомному ядрі. Електромагнітна взаємодія забезпечує зв'язок електронів із ядрами в атомі, а також зв'язок атомів у молекулах. Слабка взаємодія викликає, зокрема, розпад квазістабільних (тобто щодо довгоживучих) частинок, що мають час життя в межах 10 -12 -г 10 -14 с. Гравітаційна взаємодія на характерних для елементарних частинок відстанях ~10 -13 см, через невелику кількість їх маси, має вкрай малу інтенсивність, проте може виявитися істотною на надмалих відстанях. Інтенсивності взаємодій, сильної, електромагнітної, слабкої та гравітаційної - при помірній енергії процесів відносяться відповідно як 1, 10 -2 , 10 -10 , 10 -38 . Взагалі зі зростанням енергії частинок це співвідношення змінюється.
Елементарні частинки класифікують за різними ознаками, і треба сказати, що загалом прийнята їхня класифікація досить складна.
Залежно від участі у різних видах взаємодії усі відомі частки ділять на дві основні групи: адрони та лептони.
Адрони беруть участь у всіх видах взаємодії, включаючи сильне. Вони отримали свою назву від грец. "великий, сильний".
Лептони не беруть участь у сильній взаємодії. Їхня назва походить від грецьк. "легкий, тонкий", оскільки маси відомих до середини 70-х років. частинок цього класу були помітно меншими за маси всіх інших частинок (крім фотона).
До адронів відносяться всі баріони (група частинок з масою не менше маси протона, названих так від грец. «важкий») та мезони. Найлегшим баріоном є протон.
Лептонами є, зокрема, електрон і позитрон, мюони обох знаків, нейтрино трьох видів (легкі, електрично нейтральні частки, що беруть участь лише у слабкому і гравітаційному взаємодії). Передбачається, що нейтрино настільки ж поширені в природі, як і фотони, до їхньої освіти призводить безліч різних процесів. Відмінною особливістю нейтрино є його величезна здатність, що проникає, особливо при низьких енергіях. Завершуючи класифікацію за видами взаємодії, слід зазначити, що фотон бере участь лише в електромагнітному та гравітаційному взаємодіях. Крім того, відповідно до теоретичних моделей, спрямованих на об'єднання всіх чотирьох видів взаємодії, існує гіпотетична частка, що переносить гравітаційне поле, яка отримала назву гравітон. Особливість гравітону полягає в тому, що він (згідно з теорією) бере участь тільки в гравітаційній взаємодії. Зауважимо, що теорія пов'язує з квантовими процесами гравітаційної взаємодії ще дві гіпотетичні частки — гравітіно та гравіфотон. Експериментальне виявлення гравітонів, тобто по суті гравітаційного випромінювання, вкрай утруднене через його надзвичайно слабку взаємодію з речовиною.
Залежно від часу життя елементарні частинки поділяють на стабільні, квазістабільні та нестабільні (резонанси).
Стабільними частинками є електрон (його час життя t > 10 21 років), протон (t > 10 31 років), нейтрино та фотон. Квазистабільними вважаються частинки, що розпадаються за рахунок електромагнітної та слабкої взаємодій, їхній час життя t > 10 -20 c. Резонанси - частки, що розпадаються в результаті сильної взаємодії, їхній час життя знаходиться в інтервалі 10 -22 ^ 10 -24 с.
Найпоширенішим є ще один вид підрозділу елементарних частинок. Системи частинок з нульовим та цілим спином підпорядковуються статистиці Бозе-Ейнштейна, тому такі частки прийнято називати бозонами. Сукупність частинок з напівцілим спином описується статистикою Фермі-Дірака, звідси і назва таких частинок - ферміони.
Кожна елементарна частка характеризується певним набором дискретних фізичних величин - квантових чисел. Загальними для всіх частинок характеристиками є маса m, час життя t, спин J і електричний заряд Q. Спин елементарних частинок набуває значення, що дорівнює цілим або напівцілим кратним постійної Планка. Електричні заряди частинок є цілими кратними величиною заряду електрона, що вважається елементарним електричним зарядом.
Крім того, елементарні частинки додатково характеризуються так званими внутрішніми квантовими числами. Лептонам приписується специфічний лептонний заряд L = ±1, адрони з напівцілим спином несуть баріонний заряд =±1 (адрони з В = 0 утворюють підгрупу мезонів).
Важливою квантовою характеристикою адронів є внутрішня парність Р, що приймає значення ±1 і відбиває властивість симетрії функції хвильової частинки щодо просторової інверсії (дзеркального відображення). Незважаючи на незбереження парності при слабкій взаємодії, частинки з хорошою точністю набувають значення внутрішньої парності, рівні або +1, або -1.
Адрони, крім того, поділяються на звичайні частинки (протон, нейтрон, пі-мезони), дивні частки (^-мезони, гіперони, деякі резонанси), «зачаровані» та «красиві» частинки. Їм відповідають спеціальні квантові числа: дивина S, чарівність С і краса b. Ці квантові числа введені відповідно до кваркової моделі для тлумачення специфічних процесів, характерних для цих частинок.
Серед адронів є групи (родини) частинок з близькими масами, однаковими внутрішніми квантовими числами, але які відрізняються електричним зарядом. Такі групи називаються ізотопічними мул'типлетами і характеризуються загальним квантовим числом - ізотопічним спином, що приймає, як і звичайний спин, цілі та напівцілі значення.
У чому полягає кваркова модель адронів, що вже неодноразово згадувалася?
Виявлення закономірності угруповання адронів в мультиплети послужило основою припущення існування особливих структурних утворень, у тому числі побудовані адрони, — кварков. Допускаючи існування таких частинок, вважатимуться, що це адрони є комбінаціями кварків. Ця смілива та евристично продуктивна гіпотеза була висунута у 1964 р. американським фізиком Маррі Гелл-Маном. Суть її полягала у припущенні про наявність трьох фундаментальних частинок з напівцілим спином, що є матеріалом для побудови адронів, u-, d- та s-кварків. Надалі на основі нових експериментальних даних кваркова модель будови адронів поповнилася ще двома кварками, «зачарованими» (с) та «красивими» (b). Вважається за можливе існування та інших типів кварків. Відмінна особливість кварків полягає в тому, що вони мають дробові значення електричного і баріонного зарядів, що не зустрічаються в жодній з відомих частинок. З кварковою моделлю узгоджуються всі експериментальні результати вивчення елементарних частинок.
Згідно з кварковою моделлю, баріони складаються з трьох кварків, мезони — з кварку та антикварка. Оскільки деякі баріони є комбінацією трьох кварків в тому самому стані, що заборонено принципом Паулі (див. вище), кожному типу («аромату») кварку було приписано додаткове внутрішнє квантове число «колір». Кварк кожного типу ("аромата" - u, d, s, c, b) може перебувати в трьох "колірних" станах. У зв'язку з використанням колірних понять теорія сильної взаємодії кварків одержала назву квантової хромодинаміки (від грецьк. «колір»).
Можна вважати, що кварки є новими елементарними частинками, причому вони претендують роль істинно елементарних частинок для адронної форми матерії. Однак залишається невирішеною проблема спостереження вільних кварків та глюонів. Незважаючи на систематичні пошуки в космічних променях, на прискорювачах високої енергії, виявити їх у вільному стані поки що так і не вдалося. Є вагомі підстави вважати, що тут фізика зіткнулася з особливим явищем природи - так званим утриманням кварків.
Справа в тому, що існують серйозні теоретичні та експериментальні докази на користь припущення про те, що сили взаємодії кварків з відстанню не слабшають. Це означає, що для поділу кварків потрібна нескінченно велика енергія, отже поява кварків у вільному стані неможлива. Ця обставина надає кваркам статус особливих структурних одиниць речовини. Можливо, саме починаючи з кварків принципово неможливе дослідне спостереження ступенів дроблення матерії. Визнання кварків як реально існуючих об'єктів матеріального світу як уособлює собою яскравий випадок первинності ідеї стосовно існування матеріальної сутності. Постає питання перегляд таблиці фундаментальних світових постійних, бо заряд кварку втричі менше заряду протона, отже, і електрона.
Починаючи з відкриття позитрона, наука зустрілася з частинками антиречовини. Сьогодні очевидним є те, що для всіх елементарних частинок з ненульовими значеннями хоча б одного з квантових чисел, таких як електричний заряд Q, лептонний заряд L, баріонний заряд В, дивина S, чарівність С і краса b, існують античастинки з тими ж значеннями маси , часу життя, спина, але з протилежними знаками вищезгаданих квантових чисел. Відомі частки, тотожні своїм античастинкам, вони називаються істинно нейтральними. Прикладами істинно нейтральних частинок служать фотон і один з трьох пі-мезон (два інших є по відношенню один до одного частинкою і античастинкою).
Характерною особливістю взаємодії частинок і античастинок є їх анігіляція при зіткненні, тобто взаємознищення з утворенням інших частинок і виконанням законів збереження енергії, імпульсу, заряду тощо. Типовим прикладом анігіляції пари є процес перетворення електрона та його античастинки - позитрона електромагнітне випромінювання (у фотони чи гамма-кванти). Анігіляція пар відбувається як при електромагнітному взаємодії, а й за сильному взаємодії. При високих енергіях легкі частинки можуть анігілювати з утворенням більш важких частинок - за умови, що повна енергія частинок, що анігілюють, перевищує поріг народження важких частинок (рівний сумі їх енергій спокою).
При сильному і електромагнітному взаємодіях має місце повна симетрія між частинками та його античастинками, т. е. всі процеси, що відбуваються між першими, можливі й у других. Тому антипротони і антинейтрони можуть утворювати ядра атомів антиречовини, т. е. з античасток у принципі цілком може бути побудована антиречовина. Виникає очевидне питання: якщо кожна частка має античастинку, то чому ж у вивченій області Всесвіту відсутні скупчення антиречовини? Дійсно, про наявність їх у Всесвіті, навіть десь «поблизу» Всесвіту, можна було б судити з потужного анігіляційного випромінювання, що приходить до Землі в галузі зіткнення речовини та антиречовини. Однак сучасна астрофізика не має даних, які дозволили б хоча б припустити наявність у Всесвіті областей, заповнених антиречовиною.
Як же стався у Всесвіті вибір на користь речовини та на шкоду антиречовині, хоча закони симетрії переважно виконуються? Причиною цього феномена, швидше за все, стало саме порушення симетрії, тобто флуктуація лише на рівні основ матерії.
Ясно одне: якби такої флуктуації не виникло, доля Всесвіту була б сумною — вся її матерія існувала б у вигляді нескінченної хмари фотонів, що з'явилися в результаті анігіляції частинок речовини та антиречовини.
Елементарні частки, у вузькому значенні - частинки, які не можна вважати складаються з інших частинок. У сучасній фізиці термін " елементарні часткивикористовують у ширшому сенсі: так називають дрібні частинки матерії, підпорядковані умові, що вони не є і атомами (виняток становить протон); іноді з цієї причини елементарні часткиназивають суб'ядерними частинками. Більшість таких частинок (а їх відомо більше 350) є складовими системами.
Елементарні часткиберуть участь в електромагнітному, слабкому, сильному та гравітаційному взаємодіях. Через малі маси елементарних частинокїхня гравітаційна взаємодія зазвичай не враховується. Усе елементарні часткиподіляють на три основні групи. Першу складають так звані бозони – переносники електрослабкої взаємодії. Сюди відноситься фотон або квант електромагнітного випромінювання. Маса спокою фотона дорівнює нулю, тому швидкість поширення електромагнітних хвиль (в т. ч. світлових хвиль) являє собою граничну швидкість поширення фізичного впливу і є однією з фундаментальних фізичних постійних; прийнято, що з= (299792458±1,2) м/с.
Друга група елементарних частинок- лептони, що беруть участь в електромагнітних та слабких взаємодіях. Відомо 6 лептонів: електронне нейтрино, мюон, мюонне нейтрино, важкий τ-лептон і відповідне нейтрино. Електрон (символ e) вважається матеріальним носієм найменшої маси у природі m e , що дорівнює 9,1×10 -28 г (в енергетичних одиницях ≈0,511 МеВ) та найменшого негативного електричного заряду e= 1,6 10 -19 Кл. Мюони (символ μ -) - частинки з масою близько 207 мас електрона (105,7 МеВ) та електричним зарядом, рівним заряду електрона; важкий τ-лептон має масу близько 1,8 ГеВ. Відповідні цим часткам три типи нейтрино - електронне (символ ν
e), мюонне (символ ν μ) та τ-нейтрино (символ ν τ) - легкі (можливо, безмасові) електрично нейтральні частинки.
Кожному з лептонів відповідає , Що має ті ж значення маси, спина та інших характеристик, але відрізняється знаком електричного заряду. Існують (символ e +) - античастка по відношенню до , позитивно заряджений (символ μ +) і три типи антинейтрино (символи ), яким приписують протилежний знак особливого квантового числа, званого лептонним зарядом (див. нижче).
Третя група елементарних частинок - адрони, вони беруть участь у сильній, слабкій та електромагнітній взаємодіях. Адрони є "важкі" частинки з масою, що значно перевищує масу електрона. Це найбільш численна група елементарних частинок. Адрони діляться на баріони - частинки зі спином ½ћ, мезони - частинки з цілим спином (0 або 1); а також так звані резонанси - короткоживучі збуджені стани адронів. До баріонів відносять протон (символ p) - ядро атома водню з масою, що в ~ 1836 разів перевищує m e і рівною 1,672648×10 -24 г (≈938,3 МеВ), і позитивним електричним зарядом, рівним заряду нейтрон (символ n) - електрично нейтральна частка, маса якої трохи перевищує масу протона. З протонів і нейтронів побудовано все, саме сильна взаємодія зумовлює зв'язок цих частинок між собою. У сильній взаємодії протон і нейтрон мають однакові властивості і розглядаються як два квантові стани однієї частинки - нуклону з ізотопічним спином ½ћ (див. нижче). Баріони включають і гіперони - елементарні часткиз масою більше нуклонною: Λ-гіперон має масу 1116 МеВ, Σ-гіперон - 1190 МеВ, Θ-гіперон - 1320 МеВ, Ω-гіперон - 1670 МеВ. Мезони мають маси, проміжні між масами протону та електрона (π-мезон, K-мезон). Існують мезони нейтральні та заряджені (з позитивним та негативним елементарним електричним зарядом). Усі мезони за своїми статистичними властивостями відносяться до бозонів.
Основні властивості елементарних частинок
Кожна елементарна часткаописується набором дискретних значень фізичних величин (квантових чисел). Загальні характеристики всіх елементарних частинок- Маса, час життя, спин, електричний заряд.
Залежно від часу життя елементарні часткиділяться на стабільні, квазістабільні та нестабільні (резонанси). Стабільними (у межах точності сучасних вимірювань) є: електрон (час життя понад 5×10 21 років), протон (понад 10 31 років), фотон та нейтрино. До квазістабільних відносяться частинки, що розпадаються внаслідок електромагнітної та слабкої взаємодій, їх часи життя понад 10 -20 с. Резонанси розпадаються з допомогою сильної взаємодії, їх характерні часи життя 10 -22 - 10 -24 з.
внутрішніми характеристиками (квантовими числами) елементарних частинокє лептонний (символ L) та баріонний (символ У) заряди; ці числа вважаються строго збереженими величинами всім типів фундаментальних взаємодій. Для лептонних та їх античасток Lмають протилежні знаки; для баріонів У= 1, для відповідних античасток У=-1.
Для адронів характерна наявність спеціальних квантових чисел: "дива", "чарівності", "краси". Звичайні (недивні) адрони - протон, нейтрон, π-мезони. Усередині різних груп адронів є сімейства частинок, близьких за масою і з подібними властивостями щодо сильної взаємодії, але з різними значеннями електричного заряду; Найпростіший приклад - протон та нейтрон. Загальне квантове число для таких елементарних частинок- так званий ізотопічний спин, що приймає, як і звичайний спин, цілі та напівцілі значення. До особливих характеристик адронів відноситься і внутрішня парність, що набуває значення ±1.
Важлива властивість елементарних частинок- їх здатність до взаємоперетворень у результаті електромагнітних чи інших взаємодій. Один із видів взаємоперетворень - так зване народження пари, або утворення одночасно частки та античастки (у загальному випадку - утворення пари елементарних частинокз протилежними лептонними чи баріонними зарядами). Можливі процеси народження електрон-позитронних пар e - e + , мюонних пар μ + μ - нових важких частинок при зіткненнях лептонів, утворення з кварків cc- І bb-Станів (див. нижче). Інший вид взаємоперетворень елементарних частинок- анігіляція пари при зіткненнях частинок з утворенням кінцевого числа фотонів (γ-квантів). Зазвичай утворюються 2 фотони при нульовому сумарному спині частинок, що стикаються, і 3 фотони - при сумарному спині, рівному 1 (прояв закону збереження зарядової парності).
За певних умов, зокрема при невисокій швидкості частинок, що стикаються, можливе утворення пов'язаної системи - позитронію e - e + і мюонію μ + e - . Ці нестабільні системи часто називають водородоподібними. Їх час життя в речовині великою мірою залежить від властивостей речовини, що дозволяє використовувати водневі атоми для вивчення структури конденсованої речовини та кінетики швидких хімічних реакцій (див. Мезонна хімія, Ядерна хімія).
Кваркова модель адронів
Детальний розгляд квантових чисел адронів з метою їхньої класифікації дозволив зробити висновок про те, що дивні адрони та звичайні адрони в сукупності утворюють об'єднання частинок з близькими властивостями, названі унітарними мультиплетами. Числа частинок, що входять до них, дорівнюють 8 (октет) і 10 (декуплет). Частинки, що входять до складу унітарного мультиплету, мають однакові та внутрішню парність, але відрізняються значеннями електричного заряду (частинки ізотопічного мультиплету) та дивацтва. З унітарними групами пов'язані властивості симетрії, їх виявлення стало основою висновку про існування спеціальних структурних одиниць, у тому числі побудовані адрони, - кварков. Вважають, що адрони є комбінацією 3 фундаментальних частинок зі спином ½: n-кварків, d-кварків та s-Кварків. Так, мезони складені з кварку та антикварку, баріони – з 3 кварків.
Припущення, що адрони складено з 3 кварків, було зроблено в 1964 (Дж. Цвейг і незалежно від нього М. Гелл-Ман). Надалі в модель будови адронів (зокрема, щоб не виникало протиріччя з принципом Паулі) були включені ще 2 кварки - "зачарований" ( з) і красивий" ( b), а також введені особливі характеристики кварків - "аромат" та "колір". Кварки, які виступають як складові адронів, у вільному стані не спостерігалися. Все різноманіття адронів обумовлено різними поєднаннями n-, d-, s-, з- І b-Кварків, що утворюють зв'язкові стани Звичайним адронам (протону, нейтрону, π-мезонам) відповідають зв'язкові стани, побудовані з n- І d-Кварків. Наявність в адроні поряд з n- І d-кварками одного s-, з- або b-кварка означає, що відповідний адрон - "дивний", "зачарований" або "красивий".
Кваркова модель будови адронів підтвердилася в результаті експериментів, проведених наприкінці 60-х – на початку 70-х років. XX ст. Кварки фактично стали розглядатися як нові елементарні частки- істинно елементарні часткидля адронної форми матерії Ненаблюдаемость вільних кварків, очевидно, носить важливий характері і дає підстави припускати, що є теми елементарними частинками, які замикають ланцюг структурних складових речовини Існують теоретичні та експериментальні докази на користь того, що сили, що діють між кварками, не слабшають з відстанню, тобто. для відокремлення кварків один від одного потрібна нескінченно велика енергія або, інакше кажучи, виникнення кварків у вільному стані неможливе. Це робить їх новим типом структурних одиниць речовини. Можливо, що кварки виступають як останній ступінь дроблення матерії.
Короткі історичні відомості
Першою відкритою елементарною частинкоюбув електрон - носій негативного електричного заряду в атомах (Дж. Дж. Томсон, 1897). У 1919 Е. Резерфорд виявив серед частинок, вибитих з атомних ядер, протони. Нейтрони відкриті 1932 Дж.Чедвіком. У 1905 році А. Ейнштейн постулював, що електромагнітне випромінювання є потоком окремих квантів (фотонів) і на цій основі пояснив закономірності фотоефекту. Існування як особливого елементарної часткивперше запропонував В. Паулі (1930); електронне