Làm thế nào có thể thu được các hạt cơ bản? Các hạt hiện có và giả thuyết khác

CÁC HẠT CƠ BẢN

Giới thiệu

E. các hạt theo nghĩa chính xác của thuật ngữ này là các hạt cơ bản, không thể phân hủy, trong đó, theo giả định, tất cả vật chất đều bao gồm. Trong khái niệm "E. h." ở hiện đại Vật lý được thể hiện trong ý tưởng về các thực thể nguyên thủy quyết định tất cả các đặc tính có thể quan sát được của thế giới vật chất, một ý tưởng bắt nguồn từ giai đoạn đầu phát triển của khoa học tự nhiên và luôn đóng một vai trò quan trọng trong sự phát triển của nó.

Khái niệm "E.h."

được hình thành trong mối liên hệ chặt chẽ với việc thiết lập tính chất rời rạc của cấu trúc vật chất ở cấp độ vi mô. mức độ. Khám phá vào đầu thế kỷ 19-20. những chất mang nhỏ nhất các tính chất của vật chất - phân tử và nguyên tử - và việc xác lập thực tế là các phân tử được tạo ra từ các nguyên tử, lần đầu tiên có thể mô tả tất cả các chất được quan sát dưới dạng sự kết hợp của một số lượng cấu trúc hữu hạn, mặc dù lớn. thành phần - nguyên tử. Việc xác định tiếp theo các bộ phận cấu thành của nguyên tử - electron và hạt nhân, thiết lập tính chất phức tạp của hạt nhân, hóa ra chỉ được tạo thành từ hai hạt (nucleon): proton và neutron, đã làm giảm đáng kể số lượng các nguyên tố rời rạc hình thành nên các tính chất của vật chất và đưa ra lý do để cho rằng chuỗi các bộ phận cấu thành của vật chất đạt đến đỉnh điểm trong sự hình thành không có cấu trúc rời rạc - E. h. thế kỷ 20 khả năng giải thích của el-magn. trường như một tập hợp các hạt đặc biệt - photon - càng củng cố thêm niềm tin về tính đúng đắn của phương pháp này.

Theo quy định, thuật ngữ "E. h." được sử dụng trong hiện đại vật lý không theo nghĩa chính xác của nó, nhưng ít nghiêm ngặt hơn - gọi tên một nhóm lớn các hạt vật chất nhỏ nhất có thể quan sát được, với điều kiện chúng không phải là nguyên tử hoặc hạt nhân nguyên tử, tức là các vật thể có bản chất tổng hợp rõ ràng (ngoại lệ là proton - hạt nhân của nguyên tử hydro). Nghiên cứu đã chỉ ra rằng nhóm hạt này rộng bất thường. Bên cạnh đó proton(P), neutron(N), điện tử(f) và photon(g) nó bao gồm: meson pi(P), muon(m), lepton tau(T), neutrino ba loại ( v e, v tôi, v t), cái gọi là hạt lạ ( meson K Và hyperon), các hạt quyến rũ và các hạt đáng yêu (đẹp) (meson D và B và các hạt tương ứng baryon), đa dạng sự cộng hưởng, bao gồm meson với sự quyến rũ và quyến rũ tiềm ẩn ( ncu-thường xuyên, hạt upsilon) và cuối cùng được mở ở đầu. thập niên 80 boson vectơ trung gian (W, Z)- tổng cộng hơn 350 hạt, chủ yếu là không ổn định. Số lượng các hạt thuộc nhóm này khi chúng được phát hiện không ngừng tăng lên và chúng ta có thể tự tin nói rằng nó sẽ tiếp tục tăng lên. Rõ ràng là một số lượng lớn các hạt như vậy không thể đóng vai trò là thành phần cơ bản của vật chất, và thực sự là vào những năm 70. người ta đã chứng minh rằng hầu hết các hạt được liệt kê (tất cả các meson và baryon) đều là các hệ phức hợp. Các hạt thuộc nhóm cuối cùng này nên được gọi chính xác hơn là các hạt “hạ hạt nhân”, vì chúng đại diện cho các dạng tồn tại cụ thể của vật chất không được tổng hợp thành hạt nhân. Sử dụng tên "E.h." liên quan đến tất cả các hạt được đề cập, nó chủ yếu là lịch sử, nguyên nhân và gắn liền với thời kỳ nghiên cứu (đầu tuổi 30), khi đại diện được biết đến của nhóm này là proton, neutron, electron và hạt điện từ. trường - photon. Sau đó, những hạt này, với một quyền nhất định, có thể khẳng định vai trò của các hạt E..

Khám phá kính hiển vi mới.

Theo thông lệ đã được thiết lập, thuật ngữ "E. h." dưới đây sẽ được dùng làm tên chung cho tất cả các hạt vật chất nhỏ nhất. Trong trường hợp chúng ta đang nói về các hạt được cho là nguyên tố cơ bản của vật chất, thuật ngữ “đúng” sẽ được sử dụng nếu cần thiết. hạt cơ bản".

Thông tin lịch sử tóm tắt

Việc phát hiện ra các hạt electron là kết quả tự nhiên của những thành công chung trong việc nghiên cứu cấu trúc của vật chất mà vật lý đạt được vào cuối những năm 1960. thế kỷ 19 Nó được chuẩn bị bằng những nghiên cứu chi tiết về quang phổ của nguyên tử, nghiên cứu về điện. hiện tượng trong chất lỏng và chất khí, phát hiện ra quang điện, tia X. tia, tự nhiên phóng xạ, cho thấy sự tồn tại của một cấu trúc phức tạp của vật chất.

Trong lịch sử, nguyên tố đầu tiên được phát hiện là electron, chất mang điện âm sơ cấp. điện tích trong nguyên tử. Năm 1897, J. J. Thomson đã chứng minh một cách thuyết phục rằng cái gọi là. Tia âm cực đại diện cho một dòng điện tích. các hạt mà sau này được gọi là electron. Năm 1911 E. Rutherford đậu hạt alpha từ thiên nhiên phóng xạ. nguồn thông qua sự phân hủy lá mỏng. chất, đi đến kết luận rằng ông sẽ đưa ra. điện tích trong nguyên tử tập trung ở các dạng cô đặc - hạt nhân, và vào năm 1919, ông đã phát hiện ra proton - các hạt có đơn vị dương - trong số các hạt bị loại ra khỏi hạt nhân nguyên tử. điện tích và khối lượng lớn hơn 1840 lần khối lượng của electron.

Một hạt khác là một phần của hạt nhân, neutron, được J. Chadwick phát hiện vào năm 1932 khi đang nghiên cứu sự tương tác của hạt a với berili. Neutron có khối lượng gần bằng khối lượng proton nhưng không có điện. thù lao. Việc phát hiện ra neutron đã hoàn tất việc xác định các hạt là thành phần cấu trúc của nguyên tử và hạt nhân của chúng. Kết luận về sự tồn tại của hạt điện từ. trường - photon - bắt nguồn từ công trình của M. Planck (M. Planck, 1900).).

Ý tưởng về sự tồn tại của neutrino, một hạt tương tác cực kỳ yếu với vật chất, thuộc về W. Pauli (W. Pauli, 1930), người đã chỉ ra rằng giả thuyết như vậy loại bỏ những khó khăn đối với định luật bảo toàn năng lượng trong quá trình phân rã beta của chất phóng xạ. lõi. Sự tồn tại của neutrino đã được xác nhận bằng thực nghiệm bằng cách nghiên cứu quá trình nghịch đảo phân rã beta

chỉ vào năm 1956 [F. F. Reines và C. Cowan]. Từ những năm 30 đến đầu. thập niên 50 nghiên cứu của E. h. có liên quan chặt chẽ với nghiên cứu tia vũ trụ. Năm 1932, như một phần của sứ mệnh không gian. tia do C. Anderson phát hiện positron(e +) - một hạt có khối lượng bằng electron, nhưng có điện dương. thù lao. Positron là chất đầu tiên được phát hiện

phản hạt + . Sự tồn tại của positron xuất phát trực tiếp từ lý thuyết tương đối về electron, được phát triển bởi P. Dirac vào năm 1928-31 ngay trước khi phát hiện ra positron. Năm 1936, Anderson và S. Neddermeyer phát hiện ra trong quá trình thám hiểm không gian. tia, muon (cả hai dấu hiệu của điện tích) là các hạt có khối lượng xấp xỉ 200 khối lượng của một electron, nhưng mặt khác lại gần giống với nó về tính chất một cách đáng ngạc nhiên.

Năm 1947 cũng ở trong không gian. tia do nhóm S. Powell phát hiện ra- và p - meson có khối lượng bằng 274 khối lượng electron, đóng vai trò quan trọng trong tương tác giữa proton với neutron trong hạt nhân. Sự tồn tại của những hạt như vậy được H. Yukawa đề xuất vào năm 1935.

Ngay từ đầu thập niên 50 máy gia tốc đã trở thành chính công cụ nghiên cứu E. h. Tối đa. Năng lượng của các hạt được gia tốc trong máy gia tốc lên tới hàng trăm tỷ electronvolt (GeV), và quá trình tăng năng lượng vẫn tiếp tục. Mong muốn tăng năng lượng của các hạt được gia tốc là do con đường này mở ra cơ hội nghiên cứu cấu trúc của vật chất ở khoảng cách càng ngắn, năng lượng của các hạt va chạm càng cao, cũng như khả năng ra đời của các hạt ngày càng nặng hơn. . Máy gia tốc đã tăng đáng kể tốc độ thu thập dữ liệu mới và trong một thời gian ngắn đã mở rộng và làm phong phú thêm kiến ​​thức của chúng ta về các đặc tính của thế giới vi mô.

Việc đưa vào vận hành các máy gia tốc proton có năng lượng hàng tỷ eV đã giúp người ta có thể phát hiện ra các phản hạt nặng: phản proton (1955), phản neutron(1956), chống sigmagi-peron (I960).

Năm 1964, hạt nặng nhất thuộc nhóm hyperon - W - (có khối lượng gấp khoảng hai lần khối lượng proton) đã được phát hiện. Từ những năm 60. Với sự trợ giúp của máy gia tốc, một số lượng lớn các hạt cực kỳ không ổn định (so với các hạt electron không ổn định khác), được gọi là hạt, đã được xác định. sự cộng hưởng

. Hầu hết đều có khối lượng lớn hơn khối lượng của proton. [Chất đầu tiên trong số chúng, D (1232), phân hủy thành meson p và nucleon, đã được biết đến từ năm 1953.] Hóa ra cộng hưởng là thành phần chính. một phần của E. h. Năm 1974, người ta phát hiện ra các hạt psi có khối lượng lớn (khối lượng 3-4 proton) và đồng thời tương đối ổn định, với thời gian tồn tại dài hơn khoảng 10 lần so với thời gian tồn tại điển hình của cộng hưởng. Hóa ra chúng có quan hệ họ hàng gần gũi với họ mới của các hạt quyến rũ E., đại diện đầu tiên của chúng (D-meson, L Với

-baryon) được phát hiện vào năm 1976. Vào năm 1977, người ta còn phát hiện ra các hạt upsilon thậm chí còn nặng hơn (khoảng 10 khối lượng proton), cũng như các hạt psi, vốn ổn định một cách bất thường đối với các hạt có khối lượng lớn như vậy. Chúng báo trước sự tồn tại của một họ hạt khác thường gồm những hạt đáng yêu hoặc xinh đẹp. Đại diện của nó - meson B - được phát hiện vào năm 1981-83, L b

-baryons - vào năm 1992. v Năm 1962 người ta phát hiện ra rằng trong tự nhiên không chỉ có một loại neutrino mà có ít nhất hai loại: electron v e và muon v m. Năm 1975 mang lại sự khám phá ra t-lepton, một hạt nặng gần gấp 2 lần proton, nhưng mặt khác lại tái tạo các tính chất của electron và muon. Người ta nhanh chóng nhận ra rằng một loại neutrino khác có liên quan đến nó

T. Cuối cùng, vào năm 1983, trong các thí nghiệm tại máy va chạm proton-phản proton (một cơ sở để thực hiện các chùm hạt gia tốc va chạm), các hạt electron nặng nhất được biết đến đã được phát hiện: các boson tích điện trung gian 80 GeV) và một boson trung tính Z 0 (m Z = 91 GeV).

Như vậy, trong gần 100 năm kể từ khi phát hiện ra electron, một số lượng lớn các vi hạt vật chất khác nhau đã được phát hiện. Thế giới của E. h. hóa ra khá phức tạp. Bất ngờ ở số nhiều. các mối quan hệ hóa ra là thuộc tính của các phần E. được phát hiện để mô tả chúng, bên cạnh những đặc điểm vay mượn từ cổ điển. vật lý, chẳng hạn như điện điện tích, khối lượng, mô men động lượng, cần phải đưa ra nhiều sản phẩm đặc biệt mới. đặc điểm, đặc biệt để mô tả sự kỳ lạ, mê hoặc và quyến rũ (đẹp) E. h.- sự kỳ lạ [ĐẾN. Nishijima (K. Nishijima), M. Gell-Mann (M. Gell-Mann), 1953], quyến rũ [J. Bjorken (J. Bjorken), Sh. Glashow (Sh. Glashow), 1964], sắc đẹp

. Tên của các đặc điểm nhất định đã phản ánh tính chất khác thường của các đặc tính mà chúng mô tả. Nghiên cứu nội bộ Ngay từ những bước đầu tiên, cấu trúc của vật chất và tính chất của electron đã đi kèm với sự xem xét lại căn bản nhiều khái niệm và ý tưởng đã được thiết lập. Các định luật chi phối hành vi của vật chất trong môi trường nhỏ hóa ra lại rất khác so với các định luật cổ điển. cơ học và rằng chúng đòi hỏi những lý thuyết lý thuyết hoàn toàn mới để mô tả. công trình xây dựng. Những lý thuyết mới như vậy trước hết là đặc biệt (đặc biệt) thuyết tương đối(Einstein, 1905) và cơ học lượng tử(H. Bohr, L. de Broglie, W. Heisenberg, E. Schrödinger, M. Born; 1924-27). Thuyết tương đối và cơ học lượng tử đã đánh dấu một cuộc cách mạng thực sự trong khoa học tự nhiên và đặt nền móng cho việc mô tả các hiện tượng của thế giới vi mô. Tuy nhiên, hóa ra là không đủ để mô tả các quá trình xảy ra với E. h. Bước tiếp theo là cần thiết - lượng tử hóa cổ điển. trường (được gọi là lượng tử hóa thứ cấp) và phát triển lý thuyết trường lượng tử. Các giai đoạn quan trọng nhất trên con đường phát triển của nó là: xây dựng điện động lực học lượng tử(Dirac, 1929), lý thuyết lượng tử về phân rã beta [E. Fermi (E. Fermi), 1934] - tiền thân của thời hiện đại. lý thuyết hiện tượng học về tương tác yếu, động lực học lượng tử (X. Yukawa, 1935). Thời kỳ này kết thúc với việc tạo ra sự kế thừa. sẽ tính toán. thiết bị điện động lực học lượng tử [S. Tomona-ga (S. Tomonaga), P. Feynman (R. Feynman), J. Schwinger (J. Schwinger);

1944-49], dựa trên việc sử dụng công nghệ tái chuẩn hóa Kỹ thuật này sau đó đã được khái quát hóa cho các biến thể khác của lý thuyết trường lượng tử. Một giai đoạn quan trọng trong sự phát triển tiếp theo của lý thuyết trường lượng tử gắn liền với sự phát triển các ý tưởng về cái gọi là.(C. Young, P. Mills, 1954), điều này giúp thiết lập mối quan hệ giữa các tài sản sự đối xứng tương tác với các trường. Lý thuyết lượng tử của trường đo hiện là cơ sở để mô tả sự tương tác của các hạt electron. Lý thuyết này có một số thành công đáng kể, tuy nhiên nó vẫn còn rất xa mới hoàn thiện và chưa thể khẳng định là một lý thuyết toàn diện về các hạt electron. có thể cần nhiều hơn một sự tái cấu trúc tất cả các ý tưởng và sự hiểu biết sâu sắc hơn nhiều về mối quan hệ giữa các tính chất của vi hạt và các tính chất của không-thời gian trước khi một lý thuyết như vậy được xây dựng.

Tính chất cơ bản của hạt cơ bản. Lớp tương tác

Mọi E. h đều là những vật có khối lượng và kích thước đặc biệt nhỏ. Đối với hầu hết chúng, khối lượng m vào cỡ khối lượng proton, bằng 1,6·10 -24 g (chỉ có khối lượng electron là nhỏ hơn đáng kể: 9·10 -28 g). Kích thước được xác định bằng thực nghiệm của proton, neutron, meson p và K là bằng nhau về độ lớn từ 10 -13 cm (xem phần 2). "Kích thước" của một hạt cơ bản). Không thể xác định được kích thước của electron và muon; người ta chỉ biết rằng chúng nhỏ hơn 10 -16 cm. Khối lượng và kích thước của các hạt electron làm cơ sở cho tính đặc hiệu lượng tử trong hành vi của chúng. Các bước sóng đặc trưng được quy cho các hạt electron trong lý thuyết lượng tử (= bước sóng /tc-Compton), theo thứ tự độ lớn là gần với các kích thước điển hình nơi tương tác của chúng xảy ra (ví dụ, đối với meson p /ts 1,4 10 -13 cm). Điều này dẫn đến thực tế là các định luật lượng tử có tính quyết định đến hoạt động của các hạt electron.

Naib. Một tính chất lượng tử quan trọng của mọi electron là khả năng sinh ra và phá hủy (phát xạ và hấp thụ) khi tương tác với các hạt khác. Về mặt này chúng hoàn toàn tương tự như photon. E. h. là cụ thể. lượng tử vật chất, chính xác hơn - lượng tử tương ứng trường vật lý. Tất cả các quá trình liên quan đến các hạt điện tử đều diễn ra thông qua một chuỗi hành động hấp thụ và phát xạ. Chỉ trên cơ sở này người ta mới có thể hiểu được, chẳng hạn, quá trình hình thành p + meson trong sự va chạm của hai proton (p+pp+ n + p +) hoặc quá trình của một electron và một positron, khi thay vì các hạt biến mất , ví dụ, hai lượng tử g xuất hiện (e + +e - g+ g). Nhưng cũng có các quá trình tán xạ đàn hồi của các hạt chẳng hạn. e - +p- > e - + p, cũng liên quan đến sự hấp thụ ban đầu. các hạt và sự ra đời của các hạt cuối cùng. Sự phân rã của các hạt electron không ổn định thành các hạt nhẹ hơn, kèm theo sự giải phóng năng lượng, diễn ra theo mô hình tương tự và là quá trình trong đó các sản phẩm phân rã được sinh ra tại thời điểm phân rã và không tồn tại cho đến thời điểm đó. Về mặt này, sự phân rã của electron tương tự như sự phân rã của một nguyên tử bị kích thích thành bazơ. trạng thái và photon.

Các ví dụ về sự phân rã của các hạt electron bao gồm (dấu “dấu ngã” phía trên ký hiệu hạt ở đây và ở phần tiếp theo tương ứng với phản hạt). Khác biệt. các quá trình với các hạt electron ở năng lượng tương đối thấp [lên tới 10 GeV ở tâm của hệ khối lượng (cm)] khác nhau đáng kể về cường độ xuất hiện của chúng. Theo đó, các tương tác của các hạt E. tạo ra chúng có thể được chia thành nhiều loại về mặt hiện tượng học. lớp học: Và lực mạnh, lực điện từ tương tác yếu Ngoài ra, tất cả E. h. đều có.

tương tác hấp dẫn

Tương tác mạnh được phân biệt là tương tác chịu trách nhiệm cho các quá trình liên quan đến các hạt electron xảy ra với cường độ lớn nhất so với các quá trình khác. Nó dẫn đến liên kết mạnh nhất của nguyên tố electron. Chính sự tương tác mạnh mẽ quyết định liên kết của proton và neutron trong hạt nhân nguyên tử và đảm bảo tính loại trừ. sức mạnh của những sự hình thành này, làm nền tảng cho sự ổn định của vật chất trong điều kiện trên mặt đất.

El-magn. tương tác được mô tả là tương tác, cơ sở của nó là sự kết nối với nam châm điện.

Trọng lực tương tác được biết đến rộng rãi vì tính chất vĩ mô của chúng. các biểu hiện, trong trường hợp của các hạt E., do khối lượng cực kỳ nhỏ của chúng ở khoảng cách đặc trưng ~10 -13 cm, gây ra những hiệu ứng cực kỳ nhỏ. Chúng sẽ không được thảo luận thêm (ngoại trừ Phần 7).

Giải mã "sức mạnh". các lớp tương tác có thể được mô tả gần đúng bằng các tham số không thứ nguyên liên kết với các bình phương của tương tác hằng số tương tác . Đối với lực mạnh, điện từ, yếu và hấp dẫn. tương tác của các proton ở mức năng lượng quá trình ~ 1 GeV BC. c. m. các tham số này tương quan là 1:10 -2:10 -10:10 -38. Sự cần thiết phải chỉ ra cf. năng lượng của quá trình gắn liền với thực tế là trong hiện tượng học.

thuyết tương tác yếu, tham số không thứ nguyên phụ thuộc vào năng lượng. Ngoài ra, cường độ của decomp. các quá trình phụ thuộc rất khác nhau vào năng lượng và lý thuyết hiện tượng học về tương tác yếu ở mức năng lượng cao . Đối với lực mạnh, điện từ, yếu và hấp dẫn. tương tác của các proton ở mức năng lượng quá trình ~ 1 GeV BC. c. m. các tham số này tương quan là 1:10 -2:10 -10:10 -38. M W trong làng c. m. không còn công bằng nữa. Tất cả điều này dẫn đến những gì liên quan. sự khác biệt về vai trò nói chung, các tương tác thay đổi khi năng lượng của các hạt tương tác ngày càng tăng và việc phân chia tương tác thành các lớp, dựa trên sự so sánh cường độ của các quá trình, được thực hiện một cách đáng tin cậy ở mức năng lượng không quá cao. Theo hiện đại ý tưởng, ở mức năng lượng cao hơn.

(tức là 80 GeV tính bằng cm) yếu và có từ tính. các tương tác được so sánh về sức mạnh và hoạt động như một biểu hiện của một tương tác điện yếu . Một giả định hấp dẫn cũng đã được đưa ra về sự sắp xếp có thể có của các hằng số của cả ba loại tương tác, kể cả tương tác mạnh, ở những năng lượng cực cao lớn hơn 10 16 GeV (được gọi là mô hình). Và Đại thống nhất) Tùy thuộc vào sự tham gia của chúng vào các loại tương tác nhất định, tất cả các hạt electron được nghiên cứu, ngoại trừ photon, W- và Z-boson được chia thành hai loại chính. nhóm: ) hadron W lepton / 7 . Hadron được đặc trưng chủ yếu ở chỗ chúng tham gia vào tương tác mạnh, cùng với tương tác điện từ và tương tác yếu, trong khi lepton chỉ tham gia vào tương tác điện từ và tương tác yếu. (Ngụ ý sự hiện diện của tương tác hấp dẫn chung cho cả hai nhóm.) Khối lượng hadron gần bằng độ lớn với khối lượng proton ( T . Hadron được đặc trưng chủ yếu ở chỗ chúng tham gia vào tương tác mạnh, cùng với tương tác điện từ và tương tác yếu, trong khi lepton chỉ tham gia vào tương tác điện từ và tương tác yếu. (Ngụ ý sự hiện diện của tương tác hấp dẫn chung cho cả hai nhóm.) Khối lượng hadron gần bằng độ lớn với khối lượng proton ( r

Hadron là nhóm hạt electron rộng lớn nhất được biết đến. Nó bao gồm tất cả các baryon và meson, cũng như những cái gọi là. cộng hưởng (tức là hầu hết trong số 350 E. giờ đã đề cập). Như đã chỉ ra, những hạt này có cấu trúc phức tạp và trên thực tế không thể được coi là hạt cơ bản. v e, v Lepton được biểu diễn bằng ba hạt tích điện (e, m, m) và ba hạt trung tính ( v tôi, T). Photon, + W

và Z 0 -boson cùng nhau tạo thành một nhóm boson chuẩn quan trọng thực hiện việc truyền tương tác electron-yếu.

Tính cơ bản của các hạt từ hai nhóm cuối cùng này vẫn chưa bị nghi ngờ nghiêm trọng. Đặc điểm của hạt cơ bản Mỗi phần tử, cùng với tính đặc hiệu của các tương tác vốn có của nó, được mô tả bằng một tập hợp các giá trị rời rạc của định nghĩa. thuộc vật chất lượng hoặc đặc tính của chúng. Trong một số trường hợp, các giá trị rời rạc này được biểu thị thông qua số nguyên hoặc phân số và một hệ số chung nhất định - đơn vị đo lường; những con số này được gọi là

số lượng tử E. h. và chỉ đặt chúng, bỏ qua các đơn vị đo lường.Đặc điểm chung của tất cả E. h - khối lượng ( T), tuổi thọ (t), spin ( J.

) và điện thù lao (

Q) T) Tùy thuộc vào thời gian tồn tại, các hạt electron được chia thành ổn định, bán ổn định và không ổn định (cộng hưởng). Ổn định, trong giới hạn độ chính xác hiện đại. các phép đo là electron (t>2 · 10 22 năm), proton (t>5 · 10 32 năm), photon và tất cả các loại neutrino. Các hạt gần như ổn định bao gồm các hạt phân hủy do từ tính điện. và tương tác yếu. Thời gian sống của chúng dao động từ 900 giây đối với neutron tự do đến 10 -20 giây đối với hyperon S 0. Cộng hưởng được gọi là Các hạt electron phân rã do tương tác mạnh. Tuổi thọ đặc trưng của chúng là 10 -22 -10 -24 giây. Trong bảng 1 chúng được đánh dấu bằng * và thay vì m, một giá trị thuận tiện hơn được đưa ra: độ rộng cộng hưởng Г=/т. Quay E. h. là bội số nguyên hoặc nửa số nguyên của giá trị. Ổn định, trong giới hạn độ chính xác hiện đại. các phép đo là electron (t>2 · 10 22 năm), proton (t>5 · 10 32 năm), photon và tất cả các loại neutrino. Các hạt gần như ổn định bao gồm các hạt phân hủy do từ tính điện. và tương tác yếu. Thời gian sống của chúng dao động từ 900 giây đối với neutron tự do đến 10 -20 giây đối với hyperon S 0. Trong các đơn vị này, spin của meson p và K là 0 đối với proton, neutron và mọi lepton J= 1/2, tại photon, W b- và boson Z Số liệu thống kê của Baze - Einstein(do đó có tên là boson), hàm này yêu cầu hàm sóng liên quan đến hoán vị của các hạt và cho phép bất kỳ số lượng hạt nào của toàn bộ spin ở cùng một trạng thái. Thống kê

Các đặc tính của các hạt E. trở nên quan trọng trong trường hợp một số hạt được hình thành trong quá trình sinh ra hoặc phân rã. các hạt giống hệt nhau. (Lưu ý: Các hạt được đánh dấu * ở bên trái như một quy luật, cộng hưởng), mà thay vì thời giancuộc sống t chiều rộng Г=/t được cho trước. Trung lập thực sựCác hạt này được đặt ở giữa các hạt, và phản hạt. Các thành viên của một đa đồng vịbím tóc nằm trên một đường (trong những trường hợp đókhi đặc điểm của từng thành viên trong đa chủng tộc được biết đến mi - với một chút dịch chuyển theo chiều dọc). Izme thiếu dấu chẵn lẻP đối với kháng thể không được chỉ định, bằng nhau nhưng giống như thay đổi dấu hiệu S, C, by tất cả các phản hạt. Đối với lepton và boson trung gian, nội bộ tính chẵn lẻ không chính xác (bảo toàn) lượng tử số lượng và do đó không được chỉ định. Số trong ngoặc.

ở cuối đại lượng vật lý nhất định, chúng biểu thị lỗi hiện có về ý nghĩa của các đại lượng này, liên quan đến số liệu cuối cùng đã choĐiện điện tích của các hạt electron đang nghiên cứu (trừ ) là bội số nguyên của e= 1,6 10 -19 C (4,8 10 -10 CGS), gọi là. điện tích cơ bản 0, + . Trong E. h.

Q = 1, b2. Ngoài những đại lượng đã nêu, các hạt electron còn được đặc trưng thêm bởi một số số lượng tử, được gọi là. "nội bộ". Lepton mang đặc tính số lepton (L) ba loại: điện tử Lê Và , bằng +1 cho e - v e, muon v L v e m bằng +1 với m - và v tôi, và

t bằng +1 với t - và t.Đối với hadron L= 0, và đây là một biểu hiện khác cho thấy sự khác biệt của chúng với lepton. Đổi lại, điều đó có nghĩa là. ) các phần của hadron nên được quy cho cái gọi là. số baryon B (|B| = TÔI . Hadron với B=+ 1 tạo thành một nhóm con của các baryon (bao gồm proton, neutron, hyperon; baryon duyên dáng và đáng yêu; cộng hưởng baryon) và các hadron với B= Quay E. h. 0 - một nhóm con của các meson (meson p, meson K, meson duyên và meson duyên, cộng hưởng boson). Tên các nhóm nhỏ hadron có nguồn gốc từ tiếng Hy Lạp. từ baruV - nặng và mEsoV - trung bình, ở phần đầu. giai đoạn nghiên cứu E. h. phản ánh so sánh. giá trị khối lượng của các baryon và meson được biết đến lúc bấy giờ. Dữ liệu sau này cho thấy khối lượng của baryon và meson là tương đương nhau. Đối với lepton 1 tạo thành một nhóm con của các baryon (bao gồm proton, neutron, hyperon; baryon duyên dáng và đáng yêu; cộng hưởng baryon) và các hadron với B =0. Đối với một photon, 0.

Các baryon và meson được nghiên cứu được chia thành các tập hợp đã được đề cập: các hạt thông thường (không lạ) (proton, neutron, p-meson), các hạt lạ (hyperon, K-meson), các hạt quyến rũ và quyến rũ. Sự phân chia này tương ứng với sự có mặt của các số lượng tử đặc biệt trong hadron: tính kỳ lạ S, bùa C và bùa (vẻ đẹp) b với các giá trị chấp nhận được (modulo) 0, 1, 2, 3. Đối với các hạt thông thường S=C= b=0, đối với các hạt lạ S 0,C= b= 0, đối với hạt quyến rũ C0, b= 0, và dành cho những người đáng yêu b O. Cùng với các số lượng tử này, số lượng tử cũng thường được sử dụng tăng áp Y=B+S+C + b, dường như có nhiều tiền hơn. nghĩa.

Những nghiên cứu đầu tiên về hadron thông thường đã tiết lộ sự hiện diện giữa chúng của các họ hạt có khối lượng tương tự nhau và có những tính chất rất giống nhau về tương tác mạnh, nhưng có những đặc điểm khác nhau. giá trị điện thù lao. Proton và neutron (nucleon) là ví dụ đầu tiên của một họ như vậy. Những gia đình như vậy sau đó được phát hiện trong số các hadron kỳ lạ, đầy mê hoặc và đáng yêu. Điểm chung về tính chất của các hạt thuộc các họ như vậy phản ánh sự tồn tại của cùng một số lượng tử trong chúng - spin đồng vị I , giống như một phép quay thông thường, chấp nhận các giá trị nguyên và bán nguyên. Bản thân các gia đình thường được gọi là bội số đồng vị . Số lượng hạt trong một bội số N liên kết với TÔI . Số lượng hạt trong một bội số = 2liên kết với tỷ lệ liên kết với+1. Các hạt có cùng chất đồng vị các bội số khác nhau về giá trị “hình chiếu” của đồng vị. mặt sau 3 và các giá trị tương ứng Q

được cho bởi biểu thức Một đặc tính quan trọng của hadron là chẵn lẻ nội bộ P mi - với một chút dịch chuyển theo chiều dọc). Izme, liên quan đến hoạt động của không gian. sự đảo ngược: + 1.

lấy giá trị Đối với tất cả các số electron có giá trị khác 0 của ít nhất một trong các số lượng tử Q, L, B, S, C, b W có những phản hạt có cùng giá trị khối lượng T), thời gian sống t, quay liên kết với và đối với đồng vị hadron. mặt sau , nhưng có dấu trái ngược nhau của các số lượng tử đã cho, và đối với các baryon có dấu bên trong trái ngược nhau. sự ngang hàng R . Các hạt không có phản hạt được gọi là. các hạt trung tính thực sự . Các hadron trung hòa thực sự có những tính chất đặc biệt. - tính phí ngang bằng + (tức là tính chẵn lẻ đối với hoạt động liên hợp điện tích) C với các giá trị

1; ví dụ về các hạt như vậy là p 0 - và h-meson (C = +1), r 0 - và f-meson (C = -1), v.v. T) gắn liền với một định luật bảo toàn chặt chẽ và do đó là một số lượng tử chính xác. Một số lượng tử chính xác khác là điện. thù lao 3 và các giá trị tương ứng. Trong giới hạn độ chính xác của phép đo, số lượng tử cũng được bảo toàn 1 tạo thành một nhóm con của các baryon (bao gồm proton, neutron, hyperon; baryon duyên dáng và đáng yêu; cộng hưởng baryon) và các hadron với Và v e, mặc dù không có lý thuyết lý thuyết nghiêm túc nào cho việc này. điều kiện tiên quyết. Hơn nữa, quan sát được sự bất đối xứng baryon của vũ trụ tối đa. một cách tự nhiên có thể được giải thích theo giả định vi phạm bảo toàn số baryon TRONG(AD Sakharov, 1967). Tuy nhiên, độ ổn định quan sát được của proton phản ánh mức độ chính xác bảo toàn cao 1 tạo thành một nhóm con của các baryon (bao gồm proton, neutron, hyperon; baryon duyên dáng và đáng yêu; cộng hưởng baryon) và các hadron với Và v e(không, ví dụ, phân rã pe + + p 0). Các phân rã m - e - +g, m - m - +g, v.v. cũng không được quan sát thấy. Tuy nhiên, hầu hết các số lượng tử hadron đều không chính xác. Đồng vị spin, trong khi được bảo toàn trong tương tác mạnh, thì không được bảo toàn trong el-magn. và tương tác yếu. Sự kỳ lạ, quyến rũ và quyến rũ được bảo tồn trong sức mạnh và từ tính. tương tác nhưng không được bảo toàn trong tương tác yếu. Tương tác yếu cũng làm thay đổi nội tại và tính chẵn lẻ của tập hợp các hạt tham gia vào quá trình. Tính chẵn lẻ kết hợp được bảo toàn với mức độ chính xác cao hơn nhiều

CP (CP chẵn lẻ) mi - với một chút dịch chuyển theo chiều dọc). Izme, tuy nhiên, nó cũng bị vi phạm trong một số quy trình nhất định do. Nguyên nhân không bảo tồn số nhiều. Số lượng tử của hadron không rõ ràng và dường như có liên quan đến cả bản chất của các số lượng tử này lẫn cấu trúc sâu sắc của tương tác yếu.

Trong bảng 1 hiển thị mức tối đa

các hạt electron được nghiên cứu kỹ lưỡng từ các nhóm lepton và hadron và số lượng tử của chúng. Đặc biệt liên kết với, S và C. Cũng cần lưu ý rằng các hạt lạ có khối lượng lớn hơn các hạt bình thường một chút, các hạt quyến rũ có khối lượng lớn hơn các hạt lạ và các hạt quyến rũ có khối lượng lớn hơn các hạt quyến rũ.

Phân loại hạt cơ bản. Mô hình quark của hadron

Nếu việc phân loại các boson chuẩn và lepton không gây ra bất kỳ vấn đề đặc biệt nào thì ngay từ đầu đã có một số lượng lớn các hadron. thập niên 50 là cơ sở cho việc tìm kiếm các mô hình phân bố khối lượng và số lượng tử của baryon và meson, có thể tạo cơ sở cho việc phân loại chúng. Lựa chọn đồng vị bội số hadron là bước đầu tiên trên con đường này. Với toán học. quan điểm, nhóm các hadron thành đồng vị. bội số phản ánh sự hiện diện của tính đối xứng trong sự tương tác mạnh mẽ liên quan đến luân chuyển nhóm, chính thức hơn, với một nhóm đơn nhất S.U.(2) - một nhóm các phép biến đổi trong không gian hai chiều phức tạp [xem. Tính đối xứng SU ( 2 )] . Người ta cho rằng những biến đổi này hoạt động theo một cách cụ thể nào đó. nội bộ không gian - cái gọi là đồng vị không gian khác với bình thường. Sự tồn tại của đồng vị không gian chỉ biểu hiện ở những tính chất đối xứng có thể quan sát được. Về toán học. ngôn ngữ đồng vị bội số là không thể rút gọn bài nộp nhóm S.U. (2).

sự đối xứng

Khái niệm đối xứng như một yếu tố quyết định sự tồn tại của khác nhau. các nhóm và gia đình của E. h. lý thuyết, chiếm ưu thế trong việc phân loại các hadron và các hạt điện tử khác. Số lượng tử của các hạt electron, giúp có thể kết hợp một số nhóm hạt nhất định, có liên quan đến sự đặc biệt. các kiểu đối xứng phát sinh do khả năng tự do biến đổi thành các kiểu đối xứng nội tại đặc biệt. không gian. Đây là nơi tên đến từ. "số lượng tử bên trong". Một cuộc kiểm tra cẩn thận cho thấy các hadron lạ và thông thường cùng nhau tạo thành các liên kết rộng hơn của các hạt có tính chất tương tự so với các hạt đồng vị. bội số. Họ thường được gọi siêu nhân . Số lượng hạt có trong các siêu bội quan sát được là 8 và 10. Từ quan điểm đối xứng, sự xuất hiện của các siêu bội được hiểu là biểu hiện của sự tồn tại của một nhóm đối xứng cho tương tác mạnh rộng hơn nhóm 2) SU( S.U., cụ thể là nhóm đơn nhất (3) - nhóm biến đổi trong không gian phức tạp ba chiều [Gell-Man, Y. Neeman, 1961]; cm. Tính đối xứng SU(3) S.U.Đặc biệt, (3) có các biểu diễn tối giản với số lượng thành phần 8 và 10, có thể được liên kết với các siêu bội có thể quan sát được: octet và decuplet. Ví dụ về siêu bội là các nhóm hạt sau đây có cùng giá trị JP(tức là có cùng cặp giá trị T) Và P):

Đối xứng đơn nhất kém chính xác hơn đối xứng đồng vị. sự đối xứng. Theo đó, sự khác biệt về khối lượng của các hạt có trong octet và decuplets là khá đáng kể. Vì lý do tương tự, việc phân chia các hadron thành các siêu bội tương đối đơn giản đối với các hạt electron có khối lượng không lớn lắm. Ở khối lượng lớn, khi có nhiều loại khác nhau. các hạt có khối lượng tương tự nhau thì việc phân chia này khó thực hiện hơn.

Phát hiện các siêu bội được chọn có kích thước cố định giữa các hadron, tương ứng với định nghĩa. S.U. biểu diễn của một nhóm đơn nhất (3), là chìa khóa dẫn đến kết luận quan trọng nhất về sự tồn tại của các phần tử cấu trúc đặc biệt trong hadron -.

hạt quark / Giả thuyết cho rằng các hadron quan sát được cấu tạo từ các hạt có bản chất khác thường - quark mang spin 1 2, có tương tác mạnh nhưng đồng thời không thuộc lớp hadron, được đưa ra bởi G. Zweig và Gell-Mann một cách độc lập vào năm 1964 (xem. mô hình quark) . Ý tưởng về quark được đề xuất bởi Toán học. cấu trúc biểu diễn của các nhóm đơn nhất. Ma-họ. chủ nghĩa hình thức mở ra khả năng mô tả tất cả các biểu diễn của một nhóm Mặt trời . Số lượng hạt trong một bội số) (và do đó, tất cả các bội hadron liên kết với nó) dựa trên phép nhân biểu diễn (cơ bản) đơn giản nhất của nhóm chứa . Số lượng hạt có trong các siêu bội quan sát được là 8 và 10. Từ quan điểm đối xứng, sự xuất hiện của các siêu bội được hiểu là biểu hiện của sự tồn tại của một nhóm đối xứng cho tương tác mạnh rộng hơn nhóm 3) thành phần. Chỉ cần giả sử sự tồn tại của các hạt đặc biệt liên kết với các thành phần này, điều này đã được Zweig và Gell-Mann thực hiện cho trường hợp đặc biệt của nhóm.

. Những hạt này được gọi là quark. Thành phần quark cụ thể của meson và baryon được suy ra từ thực tế là meson, theo quy luật, được bao gồm trong các siêu bội có số lượng hạt bằng 8 và baryon - 8 và 10. Mô hình này có thể dễ dàng được tái tạo nếu chúng ta giả sử rằng meson bao gồm các hạt quark và đồ cổ, một cách tượng trưng:) M=(q và baryon được tạo thành từ ba quark, ký hiệu là: B = (qqq) S.U.. Do đặc điểm của nhóm

Do đó, được tiết lộ bởi các thí nghiệm vào những năm 60. sự tồn tại của các siêu bội bao gồm các hadron thông thường và các hadron lạ dẫn đến kết luận rằng tất cả các hadron này được tạo thành từ 3 quark, thường được ký hiệu là bạn, d, s(Bảng 2). Toàn bộ sự thật được biết vào thời điểm đó hoàn toàn phù hợp với đề xuất này.

Bàn 2.-Đặc điểm của quark

*Đánh giá thực nghiệm sơ bộ.

Sự phát hiện tiếp theo về các hạt psi, rồi đến các hạt upsilon, các hadron duyên dáng và đáng yêu cho thấy để giải thích tính chất của chúng thì ba quark là chưa đủ và cần phải thừa nhận sự tồn tại của hai loại quark nữa. c Và b, mang theo những con số lượng tử mới: sự quyến rũ và vẻ đẹp. Tuy nhiên, tình huống này không làm lung lay các nguyên lý cơ bản của mô hình quark. Đặc biệt, trung tâm đã được bảo tồn. điểm trong sơ đồ của cô về cấu trúc của hadron: Thành phần quark cụ thể của meson và baryon được suy ra từ thực tế là meson, theo quy luật, được bao gồm trong các siêu bội có số lượng hạt bằng 8 và baryon - 8 và 10. Mô hình này có thể dễ dàng được tái tạo nếu chúng ta giả sử rằng meson bao gồm các hạt quark và đồ cổ, một cách tượng trưng:), B = (qqq). Hơn nữa, chính trên cơ sở giả định cấu trúc quark của các hạt psi- và upsilon mới có thể đưa ra các kết quả vật lý. giải thích các đặc tính phần lớn bất thường của chúng.

Về mặt lịch sử, việc phát hiện ra các hạt psi- và upsilon, cũng như các loại hadron duyên dáng và quyến rũ mới, là một giai đoạn quan trọng trong việc thiết lập các ý tưởng về cấu trúc quark của mọi hạt tương tác mạnh. Theo hiện đại lý thuyết mô hình (xem bên dưới), người ta nên mong đợi sự tồn tại của một mô hình nữa - thứ sáu t-quark, được phát hiện vào năm 1995.

Cấu trúc quark trên của hadron và toán học. tính chất của quark như những đối tượng gắn liền với nền tảng. phần trình bày của nhóm Mặt trời) 3 và các giá trị tương ứng, dẫn đến số lượng tử quark sau (Bảng 2). Các giá trị điện bất thường (phân số) rất đáng chú ý. TRONG thù lao , và cả (, không tìm thấy trong bất kỳ hạt electron nào được nghiên cứu. Với chỉ số a cho từng loại quark. khí Tôi= 1, 2, 3, 4, 5, 6) một đặc tính đặc biệt của quark được liên kết - , và cả màu sắc , mẫu này không có trong các hadron được quan sát. Chỉ số a nhận các giá trị 1, 2, 3, tức là mỗi loại quark () được biểu thị bằng ba loại q Một , mẫu này không có trong các hadron được quan sát. Chỉ số a nhận các giá trị 1, 2, 3, tức là mỗi loại quark ( Tôi , không tìm thấy trong bất kỳ hạt electron nào được nghiên cứu. Với chỉ số a cho từng loại quark.. S.U. Số lượng tử của từng loại quark không thay đổi khi màu sắc thay đổi, bảng này cho biết. 2 áp dụng cho các quark có màu bất kỳ. Như được trình bày sau đó, số lượng một (đối với mỗi(3)].

Nhu cầu đưa màu sắc xuất phát từ yêu cầu phản đối xứng của hàm sóng của hệ quark tạo thành baryon. Quark, là những hạt có spin 1/2, phải tuân theo thống kê Fermi-Dirac. Trong khi đó, có các baryon gồm ba quark giống hệt nhau có cùng hướng spin: D ++ (), W - (), đối xứng rõ ràng về các hoán vị của quark, nếu sau này không có tính bổ sung. mức độ tự do. Điều này sẽ bổ sung. mức độ tự do là màu sắc. Có tính đến màu sắc, tính chất phản đối xứng cần thiết có thể dễ dàng được khôi phục. Các thông số tinh tế về thành phần cấu trúc của meson và baryon trông như thế này:

trong đó e abg là một tenxơ phản đối xứng hoàn toàn ( Biểu tượng Levi-Chi-vita)(1/ 1/ -các yếu tố bình thường hóa). Điều quan trọng cần lưu ý là cả meson và baryon đều không mang chỉ số màu (không có màu) và, như đôi khi người ta nói, là các hạt “màu trắng”.

Trong bảng 2 chỉ thể hiện khối lượng quark “hiệu dụng”. Điều này là do thực tế là các quark ở trạng thái tự do, mặc dù đã có rất nhiều cuộc tìm kiếm cẩn thận, vẫn chưa được quan sát thấy. t Nhân tiện, điều này tiết lộ một đặc điểm khác của quark là các hạt có bản chất hoàn toàn mới, khác thường. Do đó, không có dữ liệu trực tiếp về khối lượng của quark. Chỉ có những ước tính gián tiếp về khối lượng của quark, có thể rút ra từ sự phân hủy của chúng. các biểu hiện động trong các đặc tính của hadron (bao gồm cả khối lượng của hadron), cũng như trong sự phân rã. các quá trình xảy ra với hadron (phân rã, v.v.). Đối với đại chúng

-quark được cho một thí nghiệm sơ bộ. cấp. Tất cả sự đa dạng của hadron phát sinh do sự phân hủy. sự kết hợp tôi-, d-, s-, s b- Và -quark hình thành các trạng thái liên kết. Các hadron thông thường tương ứng với các trạng thái giới hạn được xây dựng chỉ từ tôi-, d-, s-, s Và d -quark [đối với meson có thể có sự tham gia của các tổ hợp (.S), (Với b) Và ( )]. tôi-, d-, s-, s Và Sự hiện diện ở trạng thái ràng buộc, cùng với bạn-quark, một b s-, s S- hoặc b-quark có nghĩa là hadron tương ứng là lạ ( -quark [đối với meson có thể có sự tham gia của các tổ hợp (= - 1), mê hoặc (C= + 1) hoặc quyến rũ ( = - 1). Một baryon có thể chứa hai hoặc ba b-quark (tương ứng -quark [đối với meson có thể có sự tham gia của các tổ hợp ( tôi-, d-, s-, s = - 1).-, b Với bạn-quark, một b- Và

-quark), tức là có thể có các baryon lạ gấp đôi và gấp ba (duyên, duyên). Sự kết hợp của nhiều loại khác nhau cũng được chấp nhận. con số / 2, cấu trúc quark trên của hadron dẫn đến spin nguyên đối với meson và spin bán nguyên đối với baryon, hoàn toàn phù hợp với thí nghiệm. Hơn nữa, ở các trạng thái tương ứng với động lượng quỹ đạo tôi=0, đặc biệt là về cơ bản. nói, các giá trị spin của meson phải là 0 hoặc 1 (đối với hướng phản song song và song song của spin quark) và spin baryon: 1 / 2 hoặc 3/2 (đối với cấu hình spin Và ). JP Có tính đến thực tế là nội bộ tính chẵn lẻ của hệ quark-phản quark là âm, các giá trị tôi cho meson tại + = 0 đều bằng 0 - và 1 - , đối với baryon: 1 / 2 liên kết với Và S và 3/2 + . Chính những giá trị này được quan sát thấy đối với các hadron có khối lượng nhỏ nhất ở các giá trị nhất định b.

, VỚI, JP Như một minh họa trong bảng. 3 và 4 cho thấy thành phần quark của meson với = 0 - và baryon 1 / 2 + J P =

(tổng cần thiết về màu quark được giả định xuyên suốt). Bàn 3.- Thành phần quark của các meson nghiên cứu JP=0 - ()

Với Bàn 3.- Thành phần quark của các meson nghiên cứu JP= 1/2 + ()

Bàn 4.- Thành phần quark của các baryon nghiên cứu Lưu ý: Ký hiệu () có nghĩa là sự đối xứng đối với.

các hạt biến đổi; biểu tượng -phản đối xứng

Như vậy, mô hình quark của tự nhiên giải thích nguồn gốc của chính các nhóm hadron và số lượng tử quan sát được của chúng. Việc xem xét động chi tiết hơn cũng cho phép người ta rút ra một số kết luận hữu ích liên quan đến mối quan hệ của khối lượng trong phép phân rã. các gia đình hadron.

Truyền tải chính xác tính đặc hiệu của các hadron có khối lượng và spin nhỏ nhất, mô hình quark của tự nhiên. cũng giải thích tổng số lượng lớn các hadron và sự cộng hưởng chiếm ưu thế giữa chúng. Số lượng lớn hadron phản ánh cấu trúc phức tạp của chúng và khả năng tồn tại của các loại khác nhau. trạng thái kích thích của hệ quark. Tất cả các trạng thái kích thích của hệ quark đều không ổn định so với các chuyển tiếp nhanh do tương tác mạnh ở các trạng thái cơ bản. Chúng tạo thành nền tảng. một phần của cộng hưởng. Một phần nhỏ cộng hưởng cũng bao gồm các hệ quark có hướng spin song song (ngoại trừ W -). Các cấu hình quark có hướng spin phản song song, liên quan đến cơ bản. trạng thái, tạo thành các hadron gần như ổn định và một proton ổn định. T) Sự kích thích của hệ quark xảy ra do sự thay đổi chuyển động quay. chuyển động của quark (kích thích quỹ đạo) và do sự thay đổi trong không gian của chúng. vị trí (kích thích xuyên tâm). mi - với một chút dịch chuyển theo chiều dọc). Izme Trong trường hợp đầu tiên, sự gia tăng khối lượng của hệ đi kèm với sự thay đổi tổng spin JP .

Khi xây dựng mô hình quark, quark được coi là giả thuyết. các phần tử cấu trúc mở ra khả năng mô tả rất thuận tiện về hadron. Trong những năm tiếp theo, các thí nghiệm đã được thực hiện cho phép chúng ta nói về quark như sự hình thành vật chất thực sự bên trong các hadron. Đầu tiên là các thí nghiệm về sự tán xạ electron trên các nucleon ở những góc rất lớn. Những thí nghiệm này (1968), gợi nhớ đến tác phẩm kinh điển. Các thí nghiệm của Rutherford về sự tán xạ của hạt alpha lên nguyên tử cho thấy sự có mặt của điện tích điểm bên trong nucleon. sự hình thành (xem các Parton ). Việc so sánh dữ liệu từ những thí nghiệm này với dữ liệu tương tự về sự tán xạ neutrino trên nucleon (1973-75) cho phép chúng ta rút ra kết luận về cf. kích thước của hình vuông của điện phụ trách các sự hình thành điểm này. Kết quả gần với giá trị phân số dự kiến ​​(2/3) 2 e ). Việc so sánh dữ liệu từ những thí nghiệm này với dữ liệu tương tự về sự tán xạ neutrino trên nucleon (1973-75) cho phép chúng ta rút ra kết luận về cf. kích thước của hình vuông của điện phụ trách các sự hình thành điểm này. Kết quả gần với giá trị phân số dự kiến ​​(2/3) 2 2 và (1/3)2

2. Nghiên cứu quá trình tạo ra hadron trong quá trình phân hủy electron và positron, được cho là trải qua các giai đoạn sau: chỉ ra sự hiện diện của hai nhóm hadron, được gọi là. máy bay phản lực (xem Máy bay phản lực Hadron

), liên kết về mặt di truyền với từng quark thu được, và giúp xác định được spin của các quark. Hóa ra là bằng 1/2. Tổng số hadron sinh ra trong quá trình này cũng chỉ ra rằng ở trạng thái trung gian, mỗi loại quark được biểu thị bằng ba loại, tức là các quark có ba màu.<=10 -16 см кварки выступают как точечные бесструктурные образования. Бесструктурность кварков, конечно, может отражать лишь достигнутый уровень исследования этих материальных образований. Однако ряд специфич. особенностей кварков даёт известные основания предполагать, что кварки являются частицами, замыкающими цепь структурных составляющих сильновзаимодействующей материи.

Như vậy, số lượng tử của quark, được đưa ra trên cơ sở lý thuyết cân nhắc, nhận được một thử nghiệm toàn diện. xác nhận. Quark thực sự đã đạt được trạng thái của các hạt electron mới và là đối thủ nặng ký cho vai trò của các hạt electron thực sự đối với các dạng vật chất tương tác mạnh. Số lượng các loại quark được biết đến là rất ít. Lên đến chiều dài Quark khác với tất cả các hạt electron khác ở chỗ chúng dường như không tồn tại ở trạng thái tự do, mặc dù có bằng chứng rõ ràng về sự tồn tại của chúng ở trạng thái liên kết. Đặc điểm này của quark rất có thể liên quan đến đặc điểm tương tác của chúng, được tạo ra bởi sự trao đổi các hạt đặc biệt - gluon , dẫn đến lực hút giữa chúng không yếu đi theo khoảng cách. Kết quả là, cần có năng lượng vô hạn để tách các quark ra khỏi nhau, điều này rõ ràng là không thể (lý thuyết về cái gọi là sự giam cầm hoặc bẫy các quark; xem).Trong thực tế, khi cố gắng tách các quark ra khỏi nhau, sự hình thành bổ sung xảy ra. hadron (còn gọi là hadron hóa quark). Việc không thể quan sát quark ở trạng thái tự do khiến chúng trở thành một loại đơn vị cấu trúc vật chất hoàn toàn mới. Chẳng hạn, vẫn chưa rõ liệu trong trường hợp này có thể đặt ra câu hỏi về các bộ phận cấu thành của quark hay không và liệu chuỗi thành phần cấu trúc của vật chất có bị gián đoạn hay không. Tất cả những điều trên dẫn đến kết luận rằng các quark, cùng với các lepton và boson gauge, những thứ cũng không có dấu hiệu cấu trúc có thể quan sát được, tạo thành một nhóm các hạt electron, có cơ sở lớn nhất để khẳng định vai trò của các hạt electron thực sự.

Hạt cơ bản và lý thuyết trường lượng tử. Mô hình tương tác chuẩn

Để mô tả các tính chất và tương tác của E. h. thuyết sinh vật. Điều quan trọng là khái niệm về trường vật lý được gán cho mỗi hạt. Lĩnh vực này là cụ thể. dạng vật chất phân bố trong không gian; nó được mô tả bằng một hàm xác định tại mọi điểm của không-thời gian và có định nghĩa. sự biến đổi tính chất của các phép biến đổi Nhóm Lorentz(vô hướng, spinor, vector, v.v.) và các nhóm "nội bộ". đối xứng (vô hướng đồng vị, spinor đồng vị, v.v.). El-magn. trường có các tính chất của vectơ bốn chiều MỘT tôi ( x)(m= 1, 2, 3, 4) về mặt lịch sử là ví dụ đầu tiên về vật lý. lĩnh vực. Các trường mà các hạt E. so sánh có tính chất lượng tử, tức là năng lượng và động lượng của chúng gồm nhiều phần riêng biệt. phần - lượng tử, và tổng năng lượng e k và động lượng p k lượng tử có liên hệ với nhau bằng quan hệ đặc biệt. thuyết tương đối: e 2 k =p 2 k s 2 +t 2 = - 1). 4. Mỗi lượng tử như vậy là một hạt electron có khối lượng W, với năng lượng cho trước e k và sự thúc đẩy p k. Lượng tử điện từ trường là photon, lượng tử của các trường khác tương ứng với tất cả các hạt electron khác đã biết. Bộ máy lý thuyết trường lượng tử (QFT) cho phép mô tả sự ra đời và hủy diệt của một hạt tại mỗi điểm không-thời gian.

Chuyển đổi các thuộc tính của trường xác định chính số lượng tử của hạt E. Tính chất biến đổi liên quan đến các phép biến đổi của nhóm Lorentz được xác định bởi spin của hạt: đại lượng vô hướng tương ứng với spin Ổn định, trong giới hạn độ chính xác hiện đại. các phép đo là electron (t>2 · 10 22 năm), proton (t>5 · 10 32 năm), photon và tất cả các loại neutrino. Các hạt gần như ổn định bao gồm các hạt phân hủy do từ tính điện. và tương tác yếu. Thời gian sống của chúng dao động từ 900 giây đối với neutron tự do đến 10 -20 giây đối với hyperon S 0. 0, máy quay- quay Ổn định, trong giới hạn độ chính xác hiện đại. các phép đo là electron (t>2 · 10 22 năm), proton (t>5 · 10 32 năm), photon và tất cả các loại neutrino. Các hạt gần như ổn định bao gồm các hạt phân hủy do từ tính điện. và tương tác yếu. Thời gian sống của chúng dao động từ 900 giây đối với neutron tự do đến 10 -20 giây đối với hyperon S 0. 1 / 2, vector - quay Ổn định, trong giới hạn độ chính xác hiện đại. các phép đo là electron (t>2 · 10 22 năm), proton (t>5 · 10 32 năm), photon và tất cả các loại neutrino. Các hạt gần như ổn định bao gồm các hạt phân hủy do từ tính điện. và tương tác yếu. Thời gian sống của chúng dao động từ 900 giây đối với neutron tự do đến 10 -20 giây đối với hyperon S 0. 1, v.v. Chuyển đổi thuộc tính của các trường liên quan đến các phép biến đổi "nội bộ" các không gian (“không gian điện tích”, “không gian đồng vị”, “không gian đơn nhất”, “không gian màu”) xác định sự tồn tại của các số lượng tử như L, B, tôi, S và 3/2 + . Chính những giá trị này được quan sát thấy đối với các hadron có khối lượng nhỏ nhất ở các giá trị nhất định b, và đối với quark và gluon cũng có màu sắc. Giới thiệu "nội bộ" Tuy nhiên, các không gian trong bộ máy lý thuyết vẫn chỉ là một công cụ hình thức thuần túy, tuy nhiên, nó có thể đóng vai trò là dấu hiệu cho thấy chiều của vật chất. không-thời gian, được phản ánh trong các tính chất của hạt E., thực sự lớn hơn bốn - tức là. lớn hơn chiều của không-thời gian, đặc trưng của mọi vĩ mô.

thuộc vật chất quá trình.

Khối lượng của hạt E. không liên quan trực tiếp đến sự biến đổi. thuộc tính của các trường. Đây là một đặc điểm bổ sung của chúng, nguồn gốc của vết cắt vẫn chưa được hiểu đầy đủ. Để mô tả các quá trình xảy ra với các hạt electron, QFT sử dụng Chủ nghĩa hình thức Lagrange .TRONG Lagrange , được xây dựng từ các trường liên quan đến sự tương tác của các hạt, chứa tất cả thông tin về tính chất của các hạt và động lực học hành vi của chúng. Lagrangian bao gồm hai chương. thuật ngữ: Lagrange, mô tả hành vi của các trường tự do, và Lagrangian tương tác, phản ánh mối quan hệ qua lại của phép dịch ngược. các trường và khả năng chuyển đổi E. h. Về nguyên tắc, kiến ​​thức về dạng chính xác cho phép sử dụng bộ máy (S ma trận tán xạ

-ma trận), tính xác suất chuyển đổi từ tập hợp hạt ban đầu sang tập hợp hạt cuối cùng nhất định, xảy ra dưới tác động của sự tương tác tồn tại giữa chúng. Vì vậy, việc thiết lập một cơ cấu mở ra khả năng về số lượng. mô tả các quy trình với E. h. Các vấn đề về CTP sinh vật tiến bộ trong việc giải quyết vấn đề này đã đạt được trong những năm 50-70. dựa trên sự phát triển ý tưởng về trường đo vectơ được hình thành trong công trình đã được đề cập của Yang và Mills. Dựa trên quan điểm đã biết rằng mọi định luật bảo toàn được quan sát bằng thực nghiệm đều gắn liền với tính bất biến của Lagrangian mô tả hệ thống đối với các phép biến đổi của một nhóm đối xứng nhất định (Định lý Noether

), Yang và Mills yêu cầu rằng tính bất biến này phải được thực hiện cục bộ, nghĩa là diễn ra trong sự phụ thuộc tùy ý của các phép biến đổi vào một điểm trong không-thời gian. Hóa ra việc đáp ứng yêu cầu này, có liên quan về mặt vật lý với thực tế là sự tương tác không thể được truyền ngay lập tức từ điểm này sang điểm khác, chỉ có thể thực hiện được bằng cách đưa một loại đặc biệt vào cấu trúc của Lagrangian. trường đo có tính chất vectơ, def. biến đổi dưới các phép biến đổi của nhóm đối xứng. Hơn nữa, các cấu trúc của Lagrangian tự do hóa ra có liên quan chặt chẽ với nhau trong cách tiếp cận này: kiến ​​thức về phương tiện. ở một mức độ nhất định đã xác định trước sự xuất hiện Tình huống thứ hai là do yêu cầu của địa phương chỉ có thể được thực hiện nếu trong tất cả các đạo hàm tác dụng lên các trường tự do trong , việc thay thế được thực hiện Đây g- hằng số tương tác; V. a m - trường đo; T a - các bộ tạo nhóm đối xứng trong biểu diễn ma trận tương ứng với trường tự do; r- quy mô nhóm.

Do những điều trên, các thuật ngữ được xác định chặt chẽ sẽ tự động xuất hiện trong Lagrangian đã sửa đổi. các cấu trúc mô tả sự tương tác của các trường ban đầu có trong , với các trường gauge mới được giới thiệu. Trong trường hợp này, các trường đo đóng vai trò là vật mang tương tác giữa các trường ban đầu. Tất nhiên, vì các trường chuẩn mới xuất hiện trong Lagrange, nên Lagrange tự do phải được bổ sung một số hạng liên quan đến chúng và trải qua quá trình sửa đổi được mô tả ở trên. Nếu tính bất biến của gauge được tuân thủ chặt chẽ thì trường gauge tương ứng với các boson có khối lượng bằng không. Khi tính đối xứng bị phá vỡ, khối lượng boson khác 0.

Theo cách tiếp cận này, nhiệm vụ xây dựng một Lagrangian phản ánh động lực học của các trường tương tác về cơ bản phụ thuộc vào việc lựa chọn chính xác hệ thống các trường tạo nên Lagrange tự do ban đầu và cố định dạng của nó. Tuy nhiên, cái sau, với các đặc tính biến đổi nhất định đối với nhóm Lorentz, được xác định duy nhất bởi yêu cầu về tính bất biến tương đối tính và yêu cầu hiển nhiên về việc chỉ bao gồm các cấu trúc bậc hai trong các trường.

Vì vậy, câu hỏi chính để mô tả động lực học là sự lựa chọn hệ thống các trường cơ bản tạo thành, tức là trên thực tế, cùng một trung tâm. câu hỏi vật lý E. ch.: “Những hạt nào (và theo đó là các trường) nên được coi là cơ bản (cơ bản) nhất khi mô tả các hạt vật chất có thể quan sát được?”

Hiện đại lý thuyết, như đã lưu ý, xác định các hạt không có cấu trúc có spin 1/2 là các hạt như vậy: quark và lepton. Sự lựa chọn này cho phép, dựa trên nguyên lý bất biến chuẩn cục bộ, xây dựng một sơ đồ rất thành công để mô tả các tương tác mạnh và yếu của các hạt electron, sơ đồ này được gọi là. MÔ HÌNH TIÊU CHUẨN.

Mô hình này chủ yếu dựa trên giả định rằng đối với tương tác mạnh có sự đối xứng chính xác SU c(3), tương ứng với các phép biến đổi trong không gian ba chiều “màu”. SU c(3). Việc đáp ứng yêu cầu về tính bất biến chuẩn cục bộ đối với quark Lagrange dẫn đến sự xuất hiện trong cấu trúc của lý thuyết tám boson chuẩn không khối lượng, được gọi là gluon, tương tác với các quark (và giữa chúng) theo một cách thức được xác định chặt chẽ. (Fritzsch, Goell-Man, 1972). Sơ đồ mô tả sự tương tác mạnh được phát triển trên cơ sở này được gọi là sắc động lực học lượng tử. Tính đúng đắn của dự đoán của cô đã được xác nhận nhiều lần. thí nghiệm, bao gồm cả bằng chứng thuyết phục về sự tồn tại của gluon. Cũng có những lý do nghiêm túc để tin rằng bộ máy sắc động lực học lượng tử chứa đựng lời giải thích về hiện tượng giam cầm.

Khi xây dựng lý thuyết tương tác el-yếu, người ta đã sử dụng thực tế là sự tồn tại của các cặp lepton có cùng số lepton ( Lê , L v , L t), nhưng với điện khác nhau phí (e - , , bằng +1 cho; m - , v m; T - , v r) có thể được hiểu là biểu hiện của tính đối xứng gắn liền với cái gọi là nhóm. S.U. spin đồng vị yếu b sl (2) và bản thân các cặp được coi là biểu diễn spinor (cặp đôi) của nhóm này. Một cách giải thích tương tự có thể xảy ra đối với các cặp quark tham gia vào tương tác yếu. Lưu ý rằng việc xem xét trong khuôn khổ sơ đồ tương tác yếu này với sự tham gia của quark t nhất thiết dẫn đến kết luận rằng nó có một quark đối tác đồng vị , tạo thành một cặp ( t, b) . Sự cô lập do tương tác yếu được xác định. sự bất lực (trái) đối với các fermion tham gia vào nó cũng có thể được coi là biểu hiện của sự tồn tại tính đối xứng bạn cl (1), liên quan đến siêu nạp yếu Y cl (1), liên quan đến siêu nạp yếu sl. Trong trường hợp này, các fermion trái và phải phải được gán các giá trị siêu tích khác nhau 3 và các giá trị tương ứng = liên kết với sl và fermion thuận phải được coi là vô hướng đồng vị. Trong cách xây dựng được thông qua, mối quan hệ nảy sinh một cách tự nhiên cl (1), liên quan đến siêu nạp yếu 3cl + 1/2

sl, cái mà chúng ta đã gặp ở các hadron. S.U. Do đó, một phân tích cẩn thận về tương tác yếu của lepton và quark có thể tiết lộ rằng chúng có tính đối xứng (tuy nhiên bị phá vỡ rõ rệt), tương ứng với nhóm (trái) đối với các fermion tham gia vào nó cũng có thể được coi là biểu hiện của sự tồn tại tính đối xứng sl (2) 1) cl ( S.U.. Nếu chúng ta bỏ qua sự vi phạm tính đối xứng này và sử dụng điều kiện chặt chẽ của tính bất biến chuẩn cục bộ, thì sẽ xuất hiện một lý thuyết về tương tác yếu của quark và lepton, lý thuyết liên quan đến bốn boson không khối lượng (hai boson tích điện và hai boson trung tính) và hai hằng số tương tác tương ứng với các nhóm (trái) đối với các fermion tham gia vào nó cũng có thể được coi là biểu hiện của sự tồn tại tính đối xứng sl (2) và dòng điện tích điện, nhưng không cung cấp tác dụng tầm ngắn quan sát thấy trong các quá trình yếu, điều này không có gì đáng ngạc nhiên, vì khối lượng bằng 0 của các boson trung gian dẫn đến tác dụng tầm xa. S.U. Do đó, một phân tích cẩn thận về tương tác yếu của lepton và quark có thể tiết lộ rằng chúng có tính đối xứng (tuy nhiên bị phá vỡ rõ rệt), tương ứng với nhóm (trái) đối với các fermion tham gia vào nó cũng có thể được coi là biểu hiện của sự tồn tại tính đối xứng Nó chỉ tuân theo điều đó trong chủ nghĩa hiện thực. lý thuyết tương tác yếu, khối lượng của các boson trung gian phải hữu hạn. Điều này cũng phù hợp với thực tế là tính đối xứng bị phá vỡ

sl (1). Tuy nhiên, việc đưa trực tiếp khối lượng hữu hạn của các boson trung gian vào Lagrange được xây dựng theo cách mô tả ở trên là không thể, vì nó mâu thuẫn với yêu cầu về tính bất biến chuẩn cục bộ. Có thể tính đến sự phá vỡ đối xứng một cách nhất quán và đạt được sự xuất hiện của các boson trung gian trong lý thuyết khối lượng hữu hạn với sự trợ giúp của một giả định quan trọng về sự tồn tại trong tự nhiên của các trường vô hướng đặc biệt F ( trường Higgs) , tương tác với các trường fermionic và trường đo và có sự tự tương tác cụ thể dẫn đến hiện tượng sự phá vỡ đối xứng tự phát [P. Higgs (P. Higgs), 1964]. Việc đưa một cặp đôi (trong nhóm spin đồng vị yếu) của trường Higgs vào lý thuyết Lagrange ở phiên bản đơn giản nhất dẫn đến thực tế là toàn bộ hệ trường chuyển sang trạng thái chân không mới, năng lượng thấp hơn tương ứng với sự đối xứng bị phá vỡ. Nếu ban đầu trung bình chân không<Ф>từ trường F bằng 0<Ф>0 = 0 thì ở trạng thái mới 0 = Ф 0 0. Vi phạm tính đối xứng và sự xuất hiện hữu hạn F 0 trong kết quả lý thuyết do Cơ chế Higgs T). Photon, + đến khối lượng điện tích không biến mất. boson trung gian Z và đến sự xuất hiện sự trộn lẫn (tổ hợp tuyến tính) của hai boson trung tính xuất hiện trong lý thuyết. Kết quả của sự trộn lẫn là một nam châm điện không khối lượng xuất hiện. trường tương tác với nam châm điện. dòng quark và lepton, và trường của boson trung hòa khối lượng lớn 0 tương tác với dòng điện trung tính cấu trúc được xác định chặt chẽ. Tham số hòa trộn (góc) ( Góc Weinberg (trái) đối với các fermion tham gia vào nó cũng có thể được coi là biểu hiện của sự tồn tại tính đối xứng) các boson trung tính trong sơ đồ này được tính bằng tỉ số giữa các hằng số tương tác nhóm S.U. Do đó, một phân tích cẩn thận về tương tác yếu của lepton và quark có thể tiết lộ rằng chúng có tính đối xứng (tuy nhiên bị phá vỡ rõ rệt), tương ứng với nhóm : sl (l) và tgq W = g"/g . Tham số tương tự xác định kết nối khối lượng Và mW m Z (m Z = m W / cosq W ) và truyền thông điện thù laoồ hằng số nhóm isospin yếu = g g: e cosq sinq các tương tác được so sánh về sức mạnh và hoạt động như một biểu hiện của một. Khám phá vào năm 1973, trong khi nghiên cứu sự tán xạ neutrino, về dòng trung tính yếu được dự đoán theo sơ đồ mô tả ở trên, và khám phá tiếp theo vào năm 1983 - và các boson Z có khối lượng lần lượt là 80 GeV và 91 GeV đã khẳng định một cách xuất sắc toàn bộ khái niệm về một mô tả thống nhất về el-magn. và tương tác yếu. Hãy thử nghiệm. xác định giá trị của sin 2 q W= g 0,23 cho thấy hằng số ). Việc so sánh dữ liệu từ những thí nghiệm này với dữ liệu tương tự về sự tán xạ neutrino trên nucleon (1973-75) cho phép chúng ta rút ra kết luận về cf. kích thước của hình vuông của điện phụ trách các sự hình thành điểm này. Kết quả gần với giá trị phân số dự kiến ​​(2/3) 2 có kích thước gần nhau. Rõ ràng là “điểm yếu” của tương tác yếu ở mức năng lượng thấp hơn đáng kể . Tham số tương tự xác định kết nối khối lượng Và m Z, chủ yếu do khối lượng lớn của các boson trung gian. Thật vậy, hằng số của lý thuyết bốn fermion hiện tượng học của tương tác Fermi yếu G F trong sơ đồ trên nó bằng GF = g 2 /8. Hadron được đặc trưng chủ yếu ở chỗ chúng tham gia vào tương tác mạnh, cùng với tương tác điện từ và tương tác yếu, trong khi lepton chỉ tham gia vào tương tác điện từ và tương tác yếu. (Ngụ ý sự hiện diện của tương tác hấp dẫn chung cho cả hai nhóm.) Khối lượng hadron gần bằng độ lớn với khối lượng proton ( 2 cosq. Điều này có nghĩa là eff. hằng số tương tác yếu ở mức năng lượng tính bằng s. c. m.~t r bằng 2 G F m p . Tham số tương tự xác định kết nối khối lượng 10 -5 và bình phương của nó gần bằng 10 -10, tức là đến giá trị đã cho ở trên. g 2 / Ở mức năng lượng tính bằng cm, lớn hoặc cỡ ). Việc so sánh dữ liệu từ những thí nghiệm này với dữ liệu tương tự về sự tán xạ neutrino trên nucleon (1973-75) cho phép chúng ta rút ra kết luận về cf. kích thước của hình vuông của điện phụ trách các sự hình thành điểm này. Kết quả gần với giá trị phân số dự kiến ​​(2/3) 2 2 / , tham số duy nhất đặc trưng cho tương tác yếu là đại lượng

4p hoặc 4p, tức là yếu và el-magn. các tương tác trở nên có thể so sánh được về cường độ và phải được xem xét cùng nhau. Xây dựng mô tả thống nhất về el-magn. và tương tác yếu là một thành tựu quan trọng của lý thuyết trường đo, cuối cùng có tầm quan trọng tương đương với sự phát triển của Maxwell. thế kỷ 19 lý thuyết thống nhất của el-magn hiện tượng. Số lượng Các dự đoán của lý thuyết tương tác yếu trong tất cả các phép đo đều được chứng minh với độ chính xác 1%.

Quan trọng về thể chất hệ quả của cách xây dựng này là kết luận về sự tồn tại trong tự nhiên của một loại hạt mới - trung tính boson Higgs)(= - 1)., . Lúc đầu thập niên 90 không có hạt nào như vậy được tìm thấy. Các cuộc tìm kiếm cho thấy khối lượng của nó vượt quá 60 GeV. Tuy nhiên, lý thuyết này không đưa ra dự đoán chính xác về khối lượng của boson Higgs. Chúng ta chỉ có thể nói rằng khối lượng của nó không vượt quá 1 TeV. Khối lượng ước tính của hạt này nằm trong khoảng 300-400 GeV. Vì vậy, “người mẫu chuẩn” được chọn làm quý cô có quỹ. hạt ba cặp quark ( và, d)(v s) (t,b v) và ba cặp lepton (

v e,e - S.U. m, m -) ( S.U. Do đó, một phân tích cẩn thận về tương tác yếu của lepton và quark có thể tiết lộ rằng chúng có tính đối xứng (tuy nhiên bị phá vỡ rõ rệt), tương ứng với nhóm (trái) đối với các fermion tham gia vào nó cũng có thể được coi là biểu hiện của sự tồn tại tính đối xứng t, m -), thường được nhóm theo độ lớn khối lượng của chúng thành các họ (hoặc thế hệ) như sau: Quay E. h. và Z. Và mặc dù “mô hình chuẩn” phản ứng rất thành công với việc mô tả tất cả các sự kiện đã biết liên quan đến E.H., tuy nhiên, rất có thể, đây là giai đoạn trung gian trong quá trình xây dựng một lý thuyết toàn diện và hoàn hảo hơn về E.H. Trong cấu trúc của “mô hình chuẩn” vẫn còn khá nhiều tham số tùy ý, được xác định bằng thực nghiệm (giá trị khối lượng của quark và lepton, giá trị của hằng số tương tác, góc trộn, v.v.). Số lượng thế hệ fermion trong mô hình cũng không được xác định. Cho đến nay, thí nghiệm chỉ khẳng định một cách tự tin rằng số thế hệ không vượt quá ba, trừ khi các neutrino nặng có khối lượng gấp vài lần tồn tại trong tự nhiên. hàng chục GeV.

Từ quan điểm về tính chất đối xứng của các tương tác, sẽ tự nhiên hơn khi mong đợi rằng trong lý thuyết toàn diện của E.H. thay vì tích trực tiếp của các nhóm đối xứng sẽ xuất hiện một nhóm đối xứng G với một hằng số tương tác tương ứng với nó. Các nhóm đối xứng của “mô hình chuẩn” trong trường hợp này có thể được hiểu là sản phẩm của sự quy giản một nhóm lớn khi tính đối xứng gắn liền với nó bị phá vỡ. Về nguyên tắc, trên con đường này, khả năng có sự Thống nhất lớn về Tương tác có thể nảy sinh. Cơ sở chính thức cho sự kết hợp như vậy có thể là tính chất của sự thay đổi theo hiệu quả năng lượng. hằng số tương tác của trường đo tôi 2 /4p = một q (, không tìm thấy trong bất kỳ hạt electron nào được nghiên cứu. Với chỉ số a cho từng loại quark.=1, 2, 3), phát sinh khi xét đến bậc cao hơn của lý thuyết (được gọi là hằng số chạy). Trong trường hợp này, hằng số a 1 được liên kết với nhóm Bạn(tôi); a 2 - với nhóm . Số lượng hạt có trong các siêu bội quan sát được là 8 và 10. Từ quan điểm đối xứng, sự xuất hiện của các siêu bội được hiểu là biểu hiện của sự tồn tại của một nhóm đối xứng cho tương tác mạnh rộng hơn nhóm 2); nhóm 3 -với . Số lượng hạt có trong các siêu bội quan sát được là 8 và 10. Từ quan điểm đối xứng, sự xuất hiện của các siêu bội được hiểu là biểu hiện của sự tồn tại của một nhóm đối xứng cho tương tác mạnh rộng hơn nhóm 3) . Những thay đổi rất chậm (logarit) đã đề cập được mô tả bằng biểu thức

kết nối các giá trị của eff. hằng số a Tôi q) và một (m) ở hai giá trị năng lượng khác nhau: M và m( M> m). Bản chất của những thay đổi này là khác nhau đối với các loại khác nhau. các nhóm đối xứng (và do đó có nhiều tương tác khác nhau) và được cho bởi các hệ số tôi b 1 , b, kết hợp cả thông tin về cấu trúc của các nhóm đối xứng và về các hạt tham gia vào tương tác. b Từ q 2 và (m) ở hai giá trị năng lượng khác nhau: 3 là khác nhau, có thể là, mặc dù có sự khác biệt đáng chú ý về giá trị của q -1 ((m) ở hai giá trị năng lượng khác nhau:-1 (m) ở mức năng lượng nghiên cứu m, ở mức năng lượng rất cao q cả ba giá trị của a q -1 () sẽ trùng khớp, tức là Sự thống nhất vĩ đại của các tương tác sẽ được hiện thực hóa. Tuy nhiên, phân tích cẩn thận cho thấy rằng trong mô hình chuẩn, việc sử dụng các giá trị đã biết của-1(m), khớp cả 3 giá trị của a (m) ở hai giá trị năng lượng khác nhau: không thể, tức là Phiên bản lý thuyết với Đại thống nhất là không khả thi trong mô hình này. Đồng thời, người ta nhận thấy rằng các sơ đồ này khác với mô hình tiêu chuẩn, với thành phần cơ bản đã thay đổi. (quỹ.) trường hoặc hạt, Sự thống nhất vĩ đại có thể diễn ra. Sự thay đổi thành phần chính các hạt dẫn đến sự thay đổi giá trị của các hệ số " m). Bản chất của những thay đổi này là khác nhau đối với các loại khác nhau. các nhóm đối xứng (và do đó có nhiều tương tác khác nhau) và được cho bởi các hệ số" và do đó cung cấp khả năng khớp một q ((m) ở hai giá trị năng lượng khác nhau:) nói chung (m) ở hai giá trị năng lượng khác nhau:.

Ý tưởng hướng dẫn khi chọn thành phần cơ sở đã sửa đổi. lý thuyết hạt là ý tưởng về sự tồn tại có thể có của các hạt E. trên thế giới. siêu đối xứng, cạnh thiết lập một định nghĩa. mối quan hệ giữa các hạt có spin nguyên và bán nguyên xuất hiện trong lý thuyết. Để đáp ứng các yêu cầu của siêu đối xứng, ví dụ: trong trường hợp mô hình chuẩn, mỗi hạt phải liên kết với một hạt có spin lệch 1/2 - Hơn nữa, trong trường hợp siêu đối xứng chính xác, tất cả các hạt này phải có cùng khối lượng. Do đó, các quark và lepton có spin 1/2 phải được liên kết với các đối tác siêu đối xứng của chúng (siêu đối tác) với spin 0, tất cả các boson gauge có spin 1 với các siêu đối tác có spin 1/2, và boson Higgs của spin 0 với siêu đối tác có spin 1/2.

Vì các siêu đối tác của quark, lepton và boson gauge chắc chắn không được quan sát thấy trong vùng năng lượng được nghiên cứu, nên siêu đối xứng, nếu nó tồn tại, sẽ bị phá vỡ đáng kể và khối lượng của các siêu đối tác sẽ có giá trị vượt quá đáng kể khối lượng của các fermion và boson đã biết. (m) ở hai giá trị năng lượng khác nhau: Một biểu thức nhất quán về các yêu cầu của siêu đối xứng được tìm thấy trong mô hình siêu đối xứng tối thiểu (MCCM), trong đó, ngoài những thay đổi đã được liệt kê trong thành phần hạt của mô hình chuẩn, số lượng boson Higgs tăng lên năm (trong đó hai hạt tích điện và ba hạt trung tính). Theo đó, năm siêu hạt boson Higgs có spin 1/2 xuất hiện trong mô hình - MCCM là dạng khái quát hóa đơn giản nhất của mô hình chuẩn cho trường hợp siêu đối xứng. Nghĩa q ((m) ở hai giá trị năng lượng khác nhau:, khi sự trùng hợp xảy ra

Một trong những khả năng đầy hứa hẹn cho sự phát triển của lý thuyết trường đo có liên quan đến giả thuyết về sự tồn tại của siêu đối xứng, giả thuyết này cũng giải quyết được một số vấn đề nội tại của nó. các vấn đề liên quan đến tính ổn định của các thông số xuất hiện trong đó. Siêu đối xứng, như đã lưu ý, giúp cho lý thuyết về các hạt electron có thể duy trì được khả năng hấp dẫn của Sự Thống nhất Lớn của các tương tác. Một sự xác nhận mang tính quyết định về sự tồn tại của siêu đối xứng sẽ là việc phát hiện ra các siêu đối tác của các hạt đã biết. Khối lượng của chúng được ước tính nằm trong khoảng từ hàng trăm GeV đến 1 TeV. Những hạt có khối lượng như vậy sẽ có sẵn để nghiên cứu ở thế hệ máy va chạm proton tiếp theo.

Kiểm tra giả thuyết về sự tồn tại của siêu đối xứng và tìm kiếm các hạt siêu đối xứng chắc chắn là một trong những nhiệm vụ quan trọng nhất trong vật lý của các hạt cơ bản, chắc chắn sẽ nhận được sự quan tâm ưu tiên trong tương lai gần.

Một số vấn đề chung trong lý thuyết hạt cơ bản

Sự phát triển mới nhất của vật lý hạt đã xác định rõ ràng trong tất cả các thành phần vi mô của vật chất một nhóm hạt có vai trò đặc biệt và có cơ sở lớn nhất (vào đầu những năm 90) để được gọi là các hạt điện tử thực sự. Điều này bao gồm cả nền tảng. quay 1 fermion / 2 - lepton và quark, tạo thành ba thế hệ, và các boson chuẩn có spin 1 (gluon, photon và boson trung gian), là những chất mang tương tác mạnh và yếu. Một hạt có spin 2 rất có thể sẽ được thêm vào nhóm này, lực hấp dẫn, như một vật mang trọng lực. tương tác kết nối tất cả các hạt. Tuy nhiên, một nhóm đặc biệt bao gồm các hạt spin-0, boson Higgs, tuy nhiên vẫn chưa được phát hiện.

Tuy nhiên, nhiều câu hỏi vẫn chưa được trả lời. Vì vậy, vẫn chưa rõ liệu vật chất có tồn tại hay không. một tiêu chí ấn định số thế hệ của fermion cơ bản. Người ta vẫn chưa rõ sự khác biệt cơ bản về tính chất của quark và lepton như thế nào, gắn liền với sự hiện diện của màu sắc, hay liệu sự khác biệt này chỉ đặc trưng cho vùng năng lượng được nghiên cứu.

Liên quan đến câu hỏi này là câu hỏi về thể chất bản chất của Sự Thống nhất Vĩ đại, vì trong chủ nghĩa hình thức của nó, các quark và lepton được coi là những vật thể có tính chất tương tự nhau. Điều quan trọng là phải hiểu liệu có sự tồn tại của các “bản chất” khác nhau hay không. số lượng tử của quark và lepton ( B, L, I, S, C, b G, thỏa mãn sự tương tác của các hạt E. và trong đó là các nhóm đối xứng nhúng biểu hiện trong vùng năng lượng nghiên cứu. Câu trả lời cho câu hỏi này sẽ giúp xác định số lượng giới hạn chất mang tương tác giữa E. h và làm rõ các đặc tính của chúng. Có thể là tối đa. nhóm G thực chất phản ánh tính chất đối xứng của một không gian đa chiều nhất định. Phạm vi ý tưởng này được biết đến rộng rãi và được phản ánh trong lý thuyết siêu dây, tương tự như các chuỗi thông thường trong không gian có nhiều hơn bốn chiều (thường là trong không gian có 10 chiều). Lý thuyết siêu dây giải thích các hạt electron là biểu hiện của sự kích thích cụ thể của siêu dây, tương ứng với nhiều loại khác nhau. lưng. Người ta tin rằng các chiều bổ sung (ngoài bốn) không bộc lộ trong các quan sát do cái gọi là. sự nén chặt, tức là sự hình thành các không gian con khép kín với kích thước đặc trưng ~10 -33 cm Ext. biểu hiện của sự tồn tại của những không gian con này là cái “nội tại” có thể quan sát được. số lượng tử của các hạt electron. Vẫn chưa có dữ liệu nào xác nhận tính đúng đắn của cách tiếp cận giải thích các tính chất của các hạt electron liên quan đến ý tưởng về siêu dây.

Như có thể thấy ở trên, lý tưởng nhất là một lý thuyết hoàn chỉnh về các hạt electron không chỉ mô tả chính xác sự tương tác của một tập hợp các hạt nhất định được chọn làm cơ bản mà còn chứa đựng sự giải thích về những yếu tố nào quyết định số lượng các hạt này, lượng tử của chúng. các con số, hằng số tương tác, giá trị khối lượng của chúng, v.v. Cũng phải hiểu lý do cho sự nổi bật của những cái quan trọng nhất. nhóm đối xứng rộng G và đồng thời là bản chất của các cơ chế gây ra sự vi phạm tính đối xứng khi chúng ta chuyển sang các năng lượng thấp hơn. Về vấn đề này, việc làm rõ vai trò của boson Higgs trong vật lý học E.H. Mô hình được cung cấp bởi hiện đại Lý thuyết của E. h. vẫn chưa đáp ứng được tất cả các tiêu chí được liệt kê.

Sự mô tả tương tác của các hạt electron, như đã lưu ý, gắn liền với các lý thuyết trường chuẩn. Những lý thuyết này đã phát triển toán học. một thiết bị cho phép bạn thực hiện tính toán các quy trình với E.H. ở cùng mức độ chặt chẽ như trong điện động lực học lượng tử. Tuy nhiên, trong bộ máy lý thuyết trường chuẩn, ở dạng hiện đại. công thức, có một sự hiện diện. Một lỗ hổng phổ biến đối với điện động lực học lượng tử là trong quá trình tính toán, những biểu thức lớn vô hạn vô nghĩa xuất hiện trong đó. Với sự giúp đỡ đặc biệt phương pháp xác định lại các đại lượng quan sát được (khối lượng và hằng số tương tác) - điện động lực học lượng tử- quản lý để loại bỏ vô số từ các kết thúc. kết quả tính toán. Tuy nhiên, quy trình tái chuẩn hóa là một sự vượt qua hoàn toàn hình thức những khó khăn tồn tại trong bộ máy lý thuyết, mặc dù ở một mức độ chính xác nào đó, nó có thể ảnh hưởng đến mức độ phù hợp giữa các dự đoán của lý thuyết và các phép đo.

Sự xuất hiện của các giá trị vô hạn trong tính toán là do trong tương tác Lagrange, trường của các hạt khác nhau quy về một điểm. x, tức là, người ta giả định rằng các hạt giống như chất điểm, và không-thời gian bốn chiều vẫn phẳng ở những khoảng cách nhỏ nhất.

Trên thực tế, những giả định này rõ ràng là không chính xác ở nhiều khía cạnh. lý do:

a) E. h. đúng, với tư cách là vật mang khối lượng hữu hạn, điều tự nhiên nhất là gán các chiều, mặc dù rất nhỏ, nhưng hữu hạn nếu chúng ta muốn tránh mật độ vô hạn của vật chất; b) các tính chất của không-thời gian ở những khoảng cách nhỏ rất có thể khác hoàn toàn với các tính chất vĩ mô của nó. thuộc tính (bắt đầu từ một khoảng cách đặc trưng nhất định, thường gọi là

chiều dài cơ bản); c) ở khoảng cách nhỏ nhất (~ 10 -33 cm) những thay đổi hình học bị ảnh hưởng. tính chất của không-thời gian dưới tác dụng của lực hấp dẫn lượng tử hiệu ứng (biến động số liệu; xem.

Lý thuyết lượng tử về lực hấp dẫn) Có lẽ những lý do này có liên quan chặt chẽ với nhau. Vì vậy, nó đang tính đến lực hấp dẫn hiệu ứng tối đa tự nhiên dẫn đến kích thước của E.h thực sự. khoảng 10 -33 cm và đáy. chiều dài thực sự có thể trùng với cái gọi là. Chiều dài Planck l x Pl = 10 -33 cm, trong đó

-trọng lực hằng số (M. Markov, 1966). Bất kỳ lý do nào trong số này sẽ dẫn đến việc sửa đổi lý thuyết và loại bỏ các giá trị vô hạn, mặc dù việc thực hiện sửa đổi này trên thực tế có thể rất khó khăn. Một trong những khả năng thú vị để tính đến một cách nhất quán các tác động của lực hấp dẫn có liên quan đến việc mở rộng các ý tưởng về siêu đối xứng sang lực hấp dẫn. tương tác (lý thuyết siêu hấp dẫn

, đặc biệt là siêu hấp dẫn mở rộng). Kế toán chung của lực hấp dẫn và các loại tương tác khác dẫn đến sự giảm đáng kể số lượng biểu thức phân kỳ trong lý thuyết, nhưng liệu siêu hấp dẫn có dẫn đến việc loại bỏ hoàn toàn sự phân kỳ trong tính toán hay không vẫn chưa được chứng minh chặt chẽ.

Vì vậy, kết luận hợp lý về các ý tưởng của Đại thống nhất rất có thể sẽ là việc đưa lực hấp dẫn vào sơ đồ chung xem xét các tương tác của E. ch. tương tác, có tính đến những tương tác cơ bản ở khoảng cách rất ngắn. Trên cơ sở xem xét đồng thời tất cả các loại tương tác mà Người ta có thể kỳ vọng vào việc tạo ra một lý thuyết tương lai của E. h. Các hạt cơ bản và trường bù. Đã ngồi. Nghệ thuật., chuyển thể. từ tiếng Anh, M., 1964; Kokkede Ya., Lý thuyết quark, trans. từ tiếng Anh, M.. 1971; Markov M. A., Về bản chất của vật chất, M., 1976; Gla-show Sh., Quark có màu sắc và mùi thơm, trans. từ tiếng Anh "UFN", 1976, tập 119, v. 4, tr. 715; Bernstein J., Sự phá vỡ đối xứng tự phát, lý thuyết máy đo, cơ chế Higgs, v.v., trong: Lý thuyết lượng tử của trường máy đo.

Đã ngồi. Nghệ thuật., chuyển thể. từ tiếng Anh, M., 1977 (Tin vật lý cơ bản, câu 8); Bogolyubov N. N., Shirkov D. V., Trường lượng tử, tái bản lần thứ 2, M., 1993; Okun L. B., Lepton và quark, tái bản lần thứ 2, M., 1990.
– các đối tượng vật chất không thể chia thành các bộ phận cấu thành của chúng.< 10 -17 см) частицы, которые называют фундаментальными. Это кварки, лептоны, фотон и некоторые другие. Всего известно несколько сот частиц. Это в подавляющем большинстве адроны.

Theo định nghĩa này, các phân tử, nguyên tử và hạt nhân nguyên tử có thể được chia thành các phần cấu thành thì không thể phân loại thành các hạt cơ bản - nguyên tử được chia thành hạt nhân và các electron quỹ đạo, hạt nhân được chia thành các nucleon.

Đồng thời, các nucleon, bao gồm các hạt cơ bản và nhỏ hơn - quark, không thể chia thành các quark này. Do đó, nucleon được phân loại là hạt cơ bản. Xem xét thực tế rằng nucleon và các hadron khác có cấu trúc bên trong phức tạp bao gồm các hạt cơ bản hơn - quark, sẽ thích hợp hơn khi gọi hadron không phải là hạt cơ bản mà đơn giản là hạt.
Hạt có kích thước nhỏ hơn hạt nhân nguyên tử. Kích thước của hạt nhân là 10 -13 − 10 -12 cm. Các hạt lớn nhất (bao gồm cả nucleon) bao gồm các quark (hai hoặc ba) và được gọi là hadron.				Kích thước của chúng là ≈ 10 -13 cm. Ngoài ra còn có dạng điểm không có cấu trúc (ở mức độ hiểu biết hiện tại).			Bảng 1 Fermion cơ bản
			Đại thống nhất)	Tương tác	ν μ	ν τ
				thế hệ	μ	τ
			Thù lao		c	t	+2/3
					-quark [đối với meson có thể có sự tham gia của các tổ hợp (	b	-1/3

Q/e

ν e

e
hạt quark	Các hạt cơ bản là 6 quark và 6 lepton (Bảng 1), có spin 1/2 (đây là các fermion cơ bản) và một số hạt có spin 1 (gluon, photon, boson W ± và Z), cũng như một graviton (spin 2), được gọi là boson cơ bản (Bảng 2). Các fermion cơ bản được chia thành ba nhóm (thế hệ), mỗi nhóm chứa 2 quark và 2 lepton. Tất cả vật chất quan sát được đều bao gồm các hạt thuộc thế hệ thứ nhất (quark u, d, electron e −): nucleon được tạo thành từ quark u và d, hạt nhân được tạo thành từ nucleon. Hạt nhân có electron trên quỹ đạo tạo thành nguyên tử, v.v.	Bảng 2	Tương tác cơ bản Sự tương tác	Lượng tử trường Bán kính, cm
Hằng số tương tác	(thứ tự độ lớn)	10 -13	1	Ví dụ
biểu hiện	mạnh		10 -2	gluon
hạt nhân, hadron	điện từ	10 -16	10 -6	γ-lượng tử
nguyên tử	lực hấp dẫn	∞	10 -38	yếu đuối

Vai trò của các boson cơ bản là chúng nhận ra sự tương tác giữa các hạt, là “vật mang” tương tác.
Trong các tương tác khác nhau, các hạt trao đổi boson cơ bản. Các hạt tham gia vào bốn tương tác cơ bản - mạnh (1), điện từ (10 -2), yếu (10 -6) và hấp dẫn (10 -38). Các con số trong ngoặc đơn mô tả cường độ tương đối của từng tương tác trong vùng năng lượng nhỏ hơn 1 GeV.
Quark (và hadron) tham gia vào mọi tương tác. Lepton không tham gia vào tương tác mạnh. Hạt mang tương tác mạnh là gluon (8 loại), tương tác điện từ là photon, tương tác yếu là các boson W ± và Z, và tương tác hấp dẫn là graviton.

Số lượng hạt áp đảo ở trạng thái tự do là không ổn định, tức là

tan rã. Tuổi thọ đặc trưng của các hạt là 10 -24 –10 -6 giây. Tuổi thọ của neutron tự do là khoảng 900 giây. Các electron, photon, neutrino electron và có thể cả proton (và các phản hạt của chúng) đều ổn định.

Cơ sở để mô tả lý thuyết về hạt là lý thuyết trường lượng tử. Để mô tả các tương tác điện từ, người ta sử dụng điện động lực học lượng tử (QED), tương tác yếu và tương tác điện từ được mô tả chung bằng một lý thuyết thống nhất - mô hình điện yếu (ESM), tương tác mạnh - sắc động lực học lượng tử (QCD). QCD và ESM, cùng mô tả các tương tác mạnh, điện từ và yếu của quark và lepton, tạo thành một khung lý thuyết gọi là Mô hình Chuẩn. Sự thâm nhập sâu hơn vào độ sâu của thế giới vi mô gắn liền với sự chuyển đổi từ cấp độ nguyên tử sang cấp độ hạt cơ bản. Là hạt cơ bản đầu tiên vào cuối thế kỷ 19. electron được phát hiện và sau đó là vào những thập kỷ đầu tiên của thế kỷ 20. - photon, proton, positron và neutron. ban đầu có nghĩa là các hạt đơn giản nhất, không thể phân hủy được, làm nền tảng cho bất kỳ sự hình thành vật chất nào. Sau đó, các nhà vật lý đã nhận ra toàn bộ quy ước của thuật ngữ “cơ bản” liên quan đến các vật thể vi mô. Bây giờ không còn nghi ngờ gì nữa rằng các hạt có cấu trúc này hay cấu trúc khác, tuy nhiên, cái tên đã được thiết lập trong lịch sử vẫn tiếp tục tồn tại.

Các đặc điểm chính của các hạt cơ bản là khối lượng, điện tích, tuổi thọ trung bình, spin và số lượng tử.

Khối lượng nghỉ các hạt cơ bản được xác định liên quan đến khối lượng nghỉ của electron. Có những hạt cơ bản không có khối lượng nghỉ - photon. Các hạt còn lại theo tiêu chí này được chia thành Đại thống nhất)– các hạt nhẹ (electron và neutrino); meson- các hạt có kích thước trung bình có khối lượng từ một đến một nghìn khối lượng electron; baryon– các hạt nặng có khối lượng vượt quá một nghìn khối lượng electron và bao gồm proton, neutron, hyperon và nhiều cộng hưởng.

Điện tích là một đặc tính quan trọng khác của các hạt cơ bản. Tất cả các hạt đã biết đều có điện tích dương, âm hoặc bằng không. Mỗi hạt, ngoại trừ photon và hai meson, tương ứng với các phản hạt có điện tích trái dấu. Khoảng 1963–1964 một giả thuyết được đưa ra về sự tồn tại (3), là chìa khóa dẫn đến kết luận quan trọng nhất về sự tồn tại của các phần tử cấu trúc đặc biệt trong hadron -- các hạt mang điện tích một phần. Giả thuyết này vẫn chưa được xác nhận bằng thực nghiệm.

Theo đời các hạt được chia thành ổn định Và không ổn định . Có năm hạt ổn định: photon, hai loại neutrino, electron và proton. Các hạt ổn định đóng vai trò quan trọng nhất trong cấu trúc của vật thể vĩ mô. Tất cả các hạt khác đều không ổn định, chúng tồn tại trong khoảng 10 -10 -10 -24 giây, sau đó chúng phân rã. Các hạt cơ bản có thời gian sống trung bình 10–23–10–22 s được gọi là sự cộng hưởng. Do thời gian tồn tại ngắn ngủi nên chúng phân hủy trước khi rời khỏi nguyên tử hoặc hạt nhân nguyên tử. Các trạng thái cộng hưởng đã được tính toán trên lý thuyết; chúng không thể được phát hiện trong các thí nghiệm thực tế.

Ngoài điện tích, khối lượng và thời gian sống, các hạt cơ bản còn được mô tả bằng những khái niệm không có gì tương tự trong vật lý cổ điển: khái niệm mặt sau . Spin là xung lượng góc nội tại của hạt không liên quan đến chuyển động của nó. Spin được đặc trưng bởi số lượng tử quay -quark [đối với meson có thể có sự tham gia của các tổ hợp (, có thể lấy giá trị số nguyên (±1) hoặc nửa số nguyên (±1/2). Các hạt có spin nguyên – boson, với nửa số nguyên – fermion. Electron được phân loại là fermion. Theo nguyên lý Pauli, một nguyên tử không thể có nhiều hơn một electron có cùng bộ số lượng tử . Số lượng hạt trong một bội số,. Hadron được đặc trưng chủ yếu ở chỗ chúng tham gia vào tương tác mạnh, cùng với tương tác điện từ và tương tác yếu, trong khi lepton chỉ tham gia vào tương tác điện từ và tương tác yếu. (Ngụ ý sự hiện diện của tương tác hấp dẫn chung cho cả hai nhóm.) Khối lượng hadron gần bằng độ lớn với khối lượng proton (,tôi,-quark [đối với meson có thể có sự tham gia của các tổ hợp (. Các electron, tương ứng với các hàm sóng có cùng số n, có năng lượng rất gần nhau và tạo thành lớp vỏ electron trong nguyên tử. Sự khác biệt về số l xác định “lớp con”, các số lượng tử còn lại xác định phần lấp đầy của nó, như đã đề cập ở trên.

Trong đặc tính của các hạt cơ bản còn có một ý tưởng quan trọng khác sự tương tác. Như đã lưu ý trước đó, có bốn loại tương tác giữa các hạt cơ bản: nguyên tử,yếu đuối,điện từ Và mạnh(hạt nhân).

Tất cả các hạt có khối lượng nghỉ ( . Hadron được đặc trưng chủ yếu ở chỗ chúng tham gia vào tương tác mạnh, cùng với tương tác điện từ và tương tác yếu, trong khi lepton chỉ tham gia vào tương tác điện từ và tương tác yếu. (Ngụ ý sự hiện diện của tương tác hấp dẫn chung cho cả hai nhóm.) Khối lượng hadron gần bằng độ lớn với khối lượng proton ( 0), tham gia tương tác hấp dẫn và các hạt tích điện cũng tham gia tương tác điện từ. Lepton cũng tham gia vào các tương tác yếu. Hadron tham gia vào cả bốn tương tác cơ bản.

Theo lý thuyết trường lượng tử, mọi tương tác đều được thực hiện nhờ sự trao đổi hạt ảo , nghĩa là các hạt mà sự tồn tại của chúng chỉ có thể được đánh giá một cách gián tiếp, bằng một số biểu hiện của chúng thông qua một số hiệu ứng phụ ( hạt thực có thể được ghi trực tiếp bằng dụng cụ).

Hóa ra là cả bốn loại tương tác đã biết - hấp dẫn, điện từ, mạnh và yếu - đều có bản chất chuẩn và được mô tả bằng các đối xứng chuẩn. Nghĩa là, tất cả các tương tác đều được thực hiện “từ cùng một khoảng trống”. Điều này mang lại cho chúng ta hy vọng rằng có thể tìm ra “chìa khóa duy nhất cho tất cả các ổ khóa đã biết” và mô tả sự tiến hóa của Vũ trụ từ một trạng thái được biểu thị bằng một siêu trường siêu đối xứng duy nhất, từ một trạng thái trong đó có sự khác biệt giữa các loại tương tác, giữa tất cả các loại tương tác. các loại hạt vật chất và lượng tử trường chưa biểu hiện.

Có rất nhiều cách để phân loại các hạt cơ bản. Ví dụ, các hạt được chia thành fermion (hạt Fermi) - hạt vật chất và boson (hạt Bose) - lượng tử trường.

Theo một cách tiếp cận khác, các hạt được chia thành 4 lớp: photon, lepton, meson, baryon.

Photon (lượng tử trường điện từ) tham gia vào các tương tác điện từ, nhưng không có tương tác mạnh, yếu hoặc hấp dẫn.

Lepton lấy tên của họ từ tiếng Hy Lạp tôieptos- dễ. Chúng bao gồm các hạt không có tương tác mạnh: muon (μ – , μ +), electron (e – , e +), neutrino electron (v e – , v e +) và neutrino muon (v – m, v + m) . Mọi lepton đều có spin bằng ½ và do đó đều là fermion. Tất cả các lepton đều có tương tác yếu. Những vật có điện tích (tức là muon và electron) cũng có lực điện từ.

Meson – các hạt không ổn định tương tác mạnh không mang cái gọi là điện tích baryon. Trong số đó có r-meson, hoặc pion (π + , π – , π 0), ĐẾN-meson, hay kaon (K+, K –, K 0), và cái này-meson (η) . Cân nặng ĐẾN-meson là ~970me (494 MeV cho tích điện và 498 MeV cho trung tính ĐẾN-meson). Thời gian sống ĐẾN-meson có độ lớn cỡ 10–8 s. Chúng phân hủy thành dạng TÔI-meson và lepton hoặc chỉ lepton. Cân nặng cái này-meson là 549 MeV (1074me), thời gian tồn tại khoảng 10–19 s. Cái này-meson phân rã thành meson π và γ-photon. Không giống như lepton, meson không chỉ có tương tác yếu (và, nếu chúng mang điện, điện từ), mà còn có tương tác mạnh, biểu hiện khi chúng tương tác với nhau, cũng như trong quá trình tương tác giữa meson và baryon. Tất cả các meson đều có spin bằng 0 nên chúng là boson.

Lớp học baryon kết hợp các nucleon (p,n) và các hạt không ổn định có khối lượng lớn hơn khối lượng nucleon, gọi là hyperon. Tất cả các baryon đều có tương tác mạnh và do đó tương tác tích cực với hạt nhân nguyên tử. Spin của mọi baryon là ½, nên baryon là fermion. Ngoại trừ proton, tất cả các baryon đều không ổn định. Trong quá trình phân rã của baryon, cùng với các hạt khác, baryon nhất thiết phải được hình thành. Mô hình này là một trong những biểu hiện định luật bảo toàn điện tích baryon.

Ngoài các hạt được liệt kê ở trên, một số lượng lớn các hạt có thời gian tồn tại ngắn tương tác mạnh đã được phát hiện, được gọi là sự cộng hưởng . Những hạt này là trạng thái cộng hưởng được hình thành bởi hai hoặc nhiều hạt cơ bản. Tuổi thọ cộng hưởng chỉ ~ 10 –23 –10 –22 giây.

Các hạt cơ bản cũng như các vi hạt phức tạp có thể được quan sát thấy nhờ dấu vết mà chúng để lại khi đi qua vật chất. Bản chất của dấu vết cho phép chúng ta phán đoán dấu hiệu điện tích, năng lượng, động lượng của hạt, v.v. Các hạt tích điện gây ra sự ion hóa các phân tử dọc theo đường đi của chúng. Các hạt trung tính không để lại dấu vết, nhưng chúng có thể bộc lộ bản thân khi phân rã thành các hạt tích điện hoặc khi va chạm với bất kỳ hạt nhân nào. Do đó, các hạt trung tính cuối cùng cũng được phát hiện bởi sự ion hóa gây ra bởi các hạt tích điện mà chúng tạo ra.

Hạt và phản hạt. Năm 1928, nhà vật lý người Anh P. Dirac đã tìm ra được phương trình cơ lượng tử tương đối tính cho electron, từ đó dẫn đến một số hệ quả đáng chú ý. Trước hết, từ phương trình này, một cách tự nhiên, không cần bất kỳ giả định bổ sung nào, ta thu được spin và giá trị số của mô men từ của chính electron. Như vậy, hóa ra spin vừa là đại lượng lượng tử vừa là đại lượng tương đối tính. Nhưng điều này không làm mất đi ý nghĩa của phương trình Dirac. Nó còn giúp người ta có thể dự đoán sự tồn tại của phản hạt của electron – positron. Từ phương trình Dirac, không chỉ thu được giá trị dương mà cả giá trị âm cho tổng năng lượng của một electron tự do. Nghiên cứu phương trình cho thấy với một động lượng hạt cho trước, có nghiệm của phương trình tương ứng với các năng lượng: .

Giữa năng lượng tiêu cực lớn nhất (- . Hadron được đặc trưng chủ yếu ở chỗ chúng tham gia vào tương tác mạnh, cùng với tương tác điện từ và tương tác yếu, trong khi lepton chỉ tham gia vào tương tác điện từ và tương tác yếu. (Ngụ ý sự hiện diện của tương tác hấp dẫn chung cho cả hai nhóm.) Khối lượng hadron gần bằng độ lớn với khối lượng proton ( e = - 1). 2) và năng lượng dương ít nhất (+ . Hadron được đặc trưng chủ yếu ở chỗ chúng tham gia vào tương tác mạnh, cùng với tương tác điện từ và tương tác yếu, trong khi lepton chỉ tham gia vào tương tác điện từ và tương tác yếu. (Ngụ ý sự hiện diện của tương tác hấp dẫn chung cho cả hai nhóm.) Khối lượng hadron gần bằng độ lớn với khối lượng proton ( e c 2) có một khoảng giá trị năng lượng không thể thực hiện được. Độ rộng của khoảng này là 2 . Hadron được đặc trưng chủ yếu ở chỗ chúng tham gia vào tương tác mạnh, cùng với tương tác điện từ và tương tác yếu, trong khi lepton chỉ tham gia vào tương tác điện từ và tương tác yếu. (Ngụ ý sự hiện diện của tương tác hấp dẫn chung cho cả hai nhóm.) Khối lượng hadron gần bằng độ lớn với khối lượng proton ( e = - 1). 2. Do đó, thu được hai vùng giá trị riêng của năng lượng: một vùng bắt đầu bằng + . Hadron được đặc trưng chủ yếu ở chỗ chúng tham gia vào tương tác mạnh, cùng với tương tác điện từ và tương tác yếu, trong khi lepton chỉ tham gia vào tương tác điện từ và tương tác yếu. (Ngụ ý sự hiện diện của tương tác hấp dẫn chung cho cả hai nhóm.) Khối lượng hadron gần bằng độ lớn với khối lượng proton ( e = - 1). 2 và kéo dài đến +∞, cái còn lại bắt đầu từ – . Hadron được đặc trưng chủ yếu ở chỗ chúng tham gia vào tương tác mạnh, cùng với tương tác điện từ và tương tác yếu, trong khi lepton chỉ tham gia vào tương tác điện từ và tương tác yếu. (Ngụ ý sự hiện diện của tương tác hấp dẫn chung cho cả hai nhóm.) Khối lượng hadron gần bằng độ lớn với khối lượng proton ( e = - 1). 2 và mở rộng tới –∞.

Một hạt có năng lượng âm chắc chắn phải có những tính chất rất lạ. Chuyển sang trạng thái có ngày càng ít năng lượng hơn (nghĩa là với năng lượng âm tăng dần về độ lớn), nó có thể giải phóng năng lượng, chẳng hạn, dưới dạng bức xạ, và vì | E| không bị giới hạn, một hạt có năng lượng âm có thể phát ra một lượng năng lượng lớn vô hạn. Một kết luận tương tự có thể đạt được theo cách sau: từ mối quan hệ E=. Hadron được đặc trưng chủ yếu ở chỗ chúng tham gia vào tương tác mạnh, cùng với tương tác điện từ và tương tác yếu, trong khi lepton chỉ tham gia vào tương tác điện từ và tương tác yếu. (Ngụ ý sự hiện diện của tương tác hấp dẫn chung cho cả hai nhóm.) Khối lượng hadron gần bằng độ lớn với khối lượng proton ( e = - 1). 2 theo đó một hạt có năng lượng âm cũng sẽ có khối lượng âm. Dưới tác dụng của lực phanh, một hạt có khối lượng âm không được giảm tốc độ mà phải tăng tốc, thực hiện một lượng công vô cùng lớn lên nguồn lực phanh. Trước những khó khăn này, có vẻ như cần phải thừa nhận rằng trạng thái có năng lượng âm cần được loại trừ khỏi việc xem xét vì sẽ dẫn đến những kết quả vô lý. Tuy nhiên, điều này sẽ mâu thuẫn với một số nguyên tắc chung của cơ học lượng tử. Vì vậy, Dirac đã chọn một con đường khác. Ông đề xuất rằng sự chuyển đổi của các electron sang trạng thái có năng lượng âm thường không được quan sát thấy vì lý do là tất cả các mức năng lượng âm hiện có đều đã bị electron chiếm giữ.

Theo Dirac, chân không là trạng thái trong đó tất cả các mức năng lượng âm đều bị các electron chiếm giữ và các mức năng lượng dương được giải phóng. Vì tất cả các mức nằm bên dưới dải cấm đều bị chiếm giữ mà không có ngoại lệ, nên các electron ở các mức này không tự bộc lộ ra ngoài theo bất kỳ cách nào. Nếu một trong các electron ở mức âm được cấp năng lượng E≥ 2. Hadron được đặc trưng chủ yếu ở chỗ chúng tham gia vào tương tác mạnh, cùng với tương tác điện từ và tương tác yếu, trong khi lepton chỉ tham gia vào tương tác điện từ và tương tác yếu. (Ngụ ý sự hiện diện của tương tác hấp dẫn chung cho cả hai nhóm.) Khối lượng hadron gần bằng độ lớn với khối lượng proton ( e = - 1). 2, khi đó electron này sẽ chuyển sang trạng thái có năng lượng dương và sẽ hành xử như thông thường, giống như một hạt có khối lượng dương và mang điện tích âm. Hạt được dự đoán đầu tiên về mặt lý thuyết này được gọi là positron. Khi một positron gặp một electron, chúng sẽ hủy (biến mất) - electron chuyển từ mức dương sang mức âm còn trống. Năng lượng tương ứng với sự chênh lệch giữa các mức này được giải phóng dưới dạng bức xạ. Trong hình. 4, mũi tên 1 mô tả quá trình tạo ra một cặp electron-positron và mũi tên 2 – sự hủy diệt của chúng không nên hiểu theo nghĩa đen. Về cơ bản, những gì xảy ra không phải là sự biến mất mà là sự biến đổi của một số hạt (electron và positron) thành các hạt khác (γ-photon).

Có những hạt giống hệt với phản hạt của chúng (nghĩa là chúng không có phản hạt). Những hạt như vậy được gọi là hoàn toàn trung tính. Chúng bao gồm photon, meson π 0 và meson η. Các hạt giống hệt với phản hạt của chúng không có khả năng hủy diệt. Tuy nhiên, điều này không có nghĩa là chúng không thể biến đổi thành các hạt khác.

Nếu baryon (nghĩa là nucleon và hyperon) được gán một điện tích baryon (hoặc số baryon) TRONG= +1, phản baryon – điện tích baryon TRONG= –1, và tất cả các hạt khác đều có điện tích baryon TRONG= 0, thì tất cả các quá trình xảy ra với sự tham gia của baryon và phản baryon sẽ được đặc trưng bởi sự bảo toàn các baryon điện tích, giống như các quá trình được đặc trưng bởi sự bảo toàn điện tích. Định luật bảo toàn điện tích baryon xác định độ ổn định của baryon mềm nhất, proton. Sự biến đổi của tất cả các đại lượng mô tả một hệ vật lý, trong đó tất cả các hạt được thay thế bằng phản hạt (ví dụ, electron bằng proton và proton bằng electron, v.v.), được gọi là điện tích liên hợp.

Những hạt lạ.ĐẾN- meson và hyperon được phát hiện như một phần của tia vũ trụ vào đầu những năm 50 của thế kỷ XX. Từ năm 1953, chúng đã được sản xuất tại máy gia tốc. Hành vi của những hạt này hóa ra lại khác thường đến mức chúng được gọi là kỳ lạ. Hành vi bất thường của các hạt lạ là chúng rõ ràng được sinh ra do tương tác mạnh với thời gian đặc trưng cỡ 10–23 giây, và thời gian sống của chúng hóa ra là khoảng 10–8–10–10 giây. Trường hợp sau chứng tỏ rằng sự phân rã của các hạt xảy ra do các tương tác yếu. Hoàn toàn không rõ tại sao các hạt lạ lại sống lâu đến vậy. Vì các hạt giống nhau (meson π và proton) tham gia vào cả quá trình hình thành và phân rã của λ-hyperon, nên điều đáng ngạc nhiên là tốc độ (tức là xác suất) của cả hai quá trình lại khác nhau đến vậy. Nghiên cứu sâu hơn cho thấy các hạt lạ được sinh ra theo cặp. Điều này đưa đến ý tưởng rằng các tương tác mạnh không thể đóng vai trò nào trong sự phân rã hạt do sự hiện diện của hai hạt lạ là cần thiết cho sự biểu hiện của chúng. Vì lý do tương tự, việc tạo ra các hạt lạ đơn lẻ hóa ra là không thể.

Để giải thích việc cấm sản xuất đơn lẻ các hạt lạ, M. Gell-Mann và K. Nishijima đã đưa ra một số lượng tử mới, tổng giá trị của nó, theo giả định của họ, phải được bảo toàn dưới các tương tác mạnh. Đây là số lượng tử Sđược đặt tên sự kỳ lạ của hạt. Trong các tương tác yếu, tính lạ có thể không được bảo tồn. Do đó, nó chỉ được cho là do các hạt tương tác mạnh - meson và baryon.

neutrino. Neutrino là hạt duy nhất không tham gia vào các tương tác mạnh hoặc tương tác điện từ. Loại trừ tương tác hấp dẫn trong đó tất cả các hạt đều tham gia, neutrino chỉ có thể tham gia vào các tương tác yếu.

Trong một thời gian dài, người ta vẫn chưa rõ neutrino khác với phản neutrino như thế nào. Việc phát hiện ra định luật bảo toàn tính chẵn lẻ kết hợp đã giúp trả lời được câu hỏi này: chúng khác nhau về độ tự động. Dưới sự bất lực một mối quan hệ nhất định giữa các hướng của xung được hiểu , nhưng có dấu trái ngược nhau của các số lượng tử đã cho, và đối với các baryon có dấu bên trong trái ngược nhau. sự ngang hàng và quay lại S các hạt. Độ xoắn được coi là dương nếu spin và động lượng cùng hướng. Trong trường hợp này, hướng chuyển động của hạt ( , nhưng có dấu trái ngược nhau của các số lượng tử đã cho, và đối với các baryon có dấu bên trong trái ngược nhau. sự ngang hàng) và hướng “xoay” tương ứng với chuyển động quay tạo thành vít thuận tay phải. Khi spin và động lượng ngược chiều nhau, độ xoắn sẽ âm (chuyển động tịnh tiến và “vòng quay” tạo thành một vít thuận tay trái). Theo lý thuyết neutrino dọc được phát triển bởi Yang, Lee, Landau và Salam, tất cả các neutrino tồn tại trong tự nhiên, bất kể nguồn gốc của chúng bằng phương pháp nào, luôn bị phân cực dọc hoàn toàn (nghĩa là spin của chúng có hướng song song hoặc phản song song với động lượng). , nhưng có dấu trái ngược nhau của các số lượng tử đã cho, và đối với các baryon có dấu bên trong trái ngược nhau. sự ngang hàng). Neutrino có tiêu cực(trái) độ tự động (tương ứng với tỷ lệ hướng S Và , nhưng có dấu trái ngược nhau của các số lượng tử đã cho, và đối với các baryon có dấu bên trong trái ngược nhau. sự ngang hàng, thể hiện trong hình. 5 (b), phản neutrino – độ xoắn dương (thuận tay phải) (a). Vì vậy, độ xoắn là yếu tố phân biệt neutrino với phản neutrino.

Cơm. 5. Sơ đồ tính tự lực của các hạt cơ bản

Hệ thống các hạt cơ bản. Các mô hình quan sát được trong thế giới của các hạt cơ bản có thể được hình thành dưới dạng các định luật bảo toàn. Khá nhiều luật như vậy đã được tích lũy. Một số trong số chúng hóa ra không chính xác mà chỉ gần đúng. Mỗi định luật bảo toàn thể hiện một tính đối xứng nhất định của hệ. Định luật bảo toàn động lượng , nhưng có dấu trái ngược nhau của các số lượng tử đã cho, và đối với các baryon có dấu bên trong trái ngược nhau. sự ngang hàng, xung lượng góc v e và năng lượng E phản ánh tính chất đối xứng của không gian và thời gian: sự bảo toàn E là hệ quả của tính đồng nhất về thời gian, sự bảo tồn , nhưng có dấu trái ngược nhau của các số lượng tử đã cho, và đối với các baryon có dấu bên trong trái ngược nhau. sự ngang hàng do tính đồng nhất của không gian và việc bảo tồn v e- tính đẳng hướng của nó. Định luật bảo toàn tính chẵn lẻ gắn liền với sự đối xứng giữa phải và trái ( , nhưng có dấu trái ngược nhau của các số lượng tử đã cho, và đối với các baryon có dấu bên trong trái ngược nhau. sự ngang hàng-bất biến). Sự đối xứng về liên hợp điện tích (sự đối xứng của hạt và phản hạt) dẫn đến sự bảo toàn điện tích chẵn lẻ ( VỚI-bất biến). Các định luật bảo toàn điện tích, điện tích baryon và điện tích lepton thể hiện tính đối xứng đặc biệt VỚI-chức năng. Cuối cùng, định luật bảo toàn spin đồng vị phản ánh tính đẳng hướng của không gian đồng vị. Việc không tuân thủ một trong các định luật bảo toàn có nghĩa là vi phạm loại đối xứng tương ứng trong tương tác này.

Trong thế giới của các hạt cơ bản, quy luật sau được áp dụng: mọi thứ mà luật bảo tồn không cấm đều được cho phép. Cái sau đóng vai trò là quy tắc loại trừ chi phối sự chuyển đổi lẫn nhau của các hạt. Trước hết chúng ta hãy lưu ý các định luật bảo toàn năng lượng, động lượng và điện tích. Ba định luật này giải thích tính ổn định của electron. Từ định luật bảo toàn năng lượng và động lượng, suy ra rằng tổng khối lượng nghỉ của các sản phẩm phân rã phải nhỏ hơn khối lượng nghỉ của hạt phân rã. Điều này có nghĩa là một electron chỉ có thể phân rã thành neutrino và photon. Nhưng những hạt này trung hòa về điện. Vì vậy, hóa ra là electron đơn giản là không có ai để chuyển điện tích của nó sang, nên nó ổn định.

Quark.Đã có quá nhiều hạt được gọi là hạt cơ bản đến mức nảy sinh những nghi ngờ nghiêm trọng về bản chất cơ bản của chúng. Mỗi hạt tương tác mạnh được đặc trưng bởi ba số lượng tử cộng độc lập: điện tích 3 và các giá trị tương ứng, tăng áp bạn và điện tích baryon TRONG. Về vấn đề này, một giả thuyết đã nảy sinh rằng tất cả các hạt đều được cấu tạo từ ba hạt cơ bản - những hạt mang điện tích này. Năm 1964, Gell-Mann và, độc lập với ông, nhà vật lý người Thụy Sĩ Zweig đưa ra một giả thuyết theo đó mọi hạt cơ bản đều được cấu tạo từ ba hạt gọi là quark. Những hạt này được gán số lượng tử phân số, cụ thể là điện tích bằng +⅔; –⅓; +⅓ tương ứng cho mỗi quark trong số ba quark. Những quark này thường được ký hiệu bằng các chữ cái (trái) đối với các fermion tham gia vào nó cũng có thể được coi là biểu hiện của sự tồn tại tính đối xứng,D,S. Ngoài quark, phản quark cũng được xem xét ( )].,Và,S). Cho đến nay, người ta đã biết 12 quark - 6 quark và 6 phản quark. Meson được hình thành từ một cặp quark-phản quark, và baryon được hình thành từ ba quark. Ví dụ, một proton và neutron bao gồm ba quark, làm cho proton hoặc neutron không có màu. Theo đó, ba điện tích tương tác mạnh được phân biệt - màu đỏ ( R), màu vàng ( cl (1), liên quan đến siêu nạp yếu) và màu xanh lá cây ( G).

Mỗi quark được ấn định cùng một mômen từ (µV), giá trị của nó không được xác định theo lý thuyết. Các tính toán được thực hiện trên cơ sở giả định này cho giá trị mômen từ μ p đối với proton = μ kv, và đối với neutron μ n = – ⅔μ vuông.

Do đó, đối với tỷ số mô men từ, giá trị μ p thu được / μn = –⅔, rất phù hợp với giá trị thực nghiệm.

Về cơ bản, màu sắc của quark (giống như dấu của điện tích) bắt đầu thể hiện sự khác biệt về tính chất quyết định lực hút và lực đẩy lẫn nhau của các quark. Bằng cách tương tự với lượng tử của các trường tương tác khác nhau (photon trong tương tác điện từ, r-meson trong các tương tác mạnh, v.v.) các hạt mang tương tác giữa các quark đã được đưa vào. Những hạt này được gọi là Quark khác với tất cả các hạt electron khác ở chỗ chúng dường như không tồn tại ở trạng thái tự do, mặc dù có bằng chứng rõ ràng về sự tồn tại của chúng ở trạng thái liên kết. Đặc điểm này của quark rất có thể liên quan đến đặc điểm tương tác của chúng, được tạo ra bởi sự trao đổi các hạt đặc biệt -. Chúng chuyển màu từ quark này sang quark khác, khiến các quark liên kết với nhau. Trong vật lý quark, giả thuyết giam cầm đã được hình thành (từ tiếng Anh. sự giam giữ– bắt giữ) các quark, theo đó không thể trừ đi một quark khỏi tổng thể. Nó chỉ có thể tồn tại như một phần tử của tổng thể. Sự tồn tại của quark dưới dạng hạt thực trong vật lý đã được chứng minh một cách đáng tin cậy.

Ý tưởng về quark hóa ra lại rất hiệu quả. Nó không chỉ giúp hệ thống hóa các hạt đã biết mà còn có thể dự đoán cả một loạt hạt mới. Tình huống đã phát triển trong vật lý các hạt cơ bản gợi nhớ đến tình huống được tạo ra trong vật lý nguyên tử sau khi D. I. Mendelev phát hiện ra định luật tuần hoàn vào năm 1869. Mặc dù bản chất của định luật này chỉ được làm rõ khoảng 60 năm sau khi cơ học lượng tử ra đời, nhưng nó đã giúp hệ thống hóa các nguyên tố hóa học được biết đến vào thời điểm đó và hơn nữa, dẫn đến dự đoán về sự tồn tại của các nguyên tố mới và tính chất của chúng. . Theo cách tương tự, các nhà vật lý đã học cách hệ thống hóa các hạt cơ bản, và hệ thống phân loại phát triển, trong một số trường hợp hiếm hoi, đã giúp dự đoán sự tồn tại của các hạt mới và dự đoán tính chất của chúng.

Vì vậy, hiện nay, quark và lepton có thể được coi là thực sự cơ bản; Có 12 hạt trong số đó, hoặc cùng với các hạt chống trò chuyện - 24. Ngoài ra, có những hạt cung cấp bốn tương tác cơ bản (lượng tử tương tác). Có 13 loại hạt: graviton, photon, các tương tác được so sánh về sức mạnh và hoạt động như một biểu hiện của một± - và Z-các hạt và 8 gluon.

Các lý thuyết hiện tại về các hạt cơ bản không thể chỉ ra đâu là điểm bắt đầu của chuỗi: nguyên tử, hạt nhân, hadron, quark. Trong chuỗi này, mỗi cấu trúc vật chất phức tạp hơn bao gồm một cấu trúc đơn giản hơn làm thành phần. Rõ ràng, điều này không thể tiếp tục vô thời hạn. Người ta cho rằng chuỗi cấu trúc vật chất được mô tả dựa trên các đối tượng có bản chất khác nhau về cơ bản. Người ta chứng minh rằng những vật thể như vậy có thể không phải là dạng điểm mà là những dạng kéo dài, mặc dù có hình dạng cực kỳ nhỏ (~10‑33 cm), được gọi là siêu dây.Ý tưởng được mô tả không thể thực hiện được trong không gian bốn chiều của chúng ta. Lĩnh vực vật lý này nhìn chung cực kỳ trừu tượng và rất khó tìm ra các mô hình trực quan giúp đơn giản hóa nhận thức về các ý tưởng vốn có trong lý thuyết về các hạt cơ bản. Tuy nhiên, những lý thuyết này cho phép các nhà vật lý thể hiện sự biến đổi lẫn nhau và sự phụ thuộc lẫn nhau của các vật thể vi mô “cơ bản nhất”, mối liên hệ của chúng với các tính chất của không-thời gian bốn chiều. Hứa hẹn nhất là cái gọi là lý thuyết M (M – từ bí ẩn- câu đố, bí mật). Cô ấy đang điều hành không gian mười hai chiều . Cuối cùng, trong quá trình chuyển đổi sang thế giới bốn chiều mà chúng ta trực tiếp cảm nhận được, tất cả các chiều “phụ” đều bị “thu gọn”. Lý thuyết M cho đến nay là lý thuyết duy nhất có thể quy gọn bốn tương tác cơ bản thành một - cái gọi là Siêu năng lực.Điều quan trọng nữa là lý thuyết M cho phép tồn tại các thế giới khác nhau và thiết lập các điều kiện đảm bảo sự xuất hiện của thế giới chúng ta. Lý thuyết M vẫn chưa được phát triển đầy đủ. Người ta tin rằng trận chung kết "lý thuyết về mọi thứ" dựa trên lý thuyết M sẽ được xây dựng trong thế kỷ 21.

CÁC HẠT CƠ BẢN- các hạt sơ cấp, không thể phân hủy được, được cho là bao gồm tất cả vật chất. Trong vật lý hiện đại, thuật ngữ "hạt cơ bản" thường được dùng để chỉ một nhóm lớn các hạt vật chất cực nhỏ không phải là nguyên tử (xem Nguyên tử) hoặc hạt nhân nguyên tử (xem Hạt nhân nguyên tử); Ngoại lệ là hạt nhân của nguyên tử hydro - proton.

Đến những năm 80 của thế kỷ 20, khoa học đã biết đến hơn 500 hạt cơ bản, hầu hết chúng đều không ổn định. Các hạt cơ bản bao gồm proton (p), neutron (n), electron (e), photon (γ), pi-meson (π), muon (μ), lepton nặng (τ +, τ -), neutrino gồm ba loại - điện tử (V e), muonic (V μ) và liên kết với cái gọi là depton nặng (V τ), cũng như các hạt “lạ” (K-meson và hyperon), các cộng hưởng khác nhau, meson với sức quyến rũ tiềm ẩn, “bị quyến rũ” ” hạt, hạt upsilon (Υ), hạt “đẹp”, boson vectơ trung gian, v.v. Một nhánh vật lý độc lập đã xuất hiện - vật lý của các hạt cơ bản.

Lịch sử vật lý hạt bắt đầu từ năm 1897, khi J. J. Thomson phát hiện ra electron (xem Bức xạ điện tử); vào năm 1911, R. Millikan đã đo độ lớn điện tích của nó. Khái niệm “photon” - lượng tử ánh sáng - được M. Planck đưa ra vào năm 1900. Bằng chứng thực nghiệm trực tiếp về sự tồn tại của photon đã được Millikan (1912-1915) và Compton (A. N. Compton, 1922) thu được. Trong quá trình nghiên cứu hạt nhân nguyên tử, E. Rutherford đã phát hiện ra proton (xem Bức xạ proton), và vào năm 1932, J. Chadwick đã phát hiện ra neutron (xem Bức xạ neutron). Năm 1953, sự tồn tại của neutrino, điều mà W. Pauli đã tiên đoán từ năm 1930, đã được chứng minh bằng thực nghiệm.

Các hạt cơ bản được chia thành ba nhóm. Hạt đầu tiên được biểu diễn bằng một hạt cơ bản duy nhất - một photon, lượng tử γ hoặc lượng tử của bức xạ điện từ. Nhóm thứ hai là các lepton (leptos nhỏ, nhẹ trong tiếng Hy Lạp), ngoài các nhóm điện từ, còn tham gia vào các tương tác yếu. Có 6 lepton đã biết: neutrino electron và electron, neutrino muon và muon, τ-lepton nặng và neutrino tương ứng. Nhóm thứ ba - nhóm hạt cơ bản chính là các hadron (hadros lớn, mạnh của Hy Lạp), tham gia vào tất cả các loại tương tác, bao gồm cả tương tác mạnh (xem bên dưới). Hadron bao gồm các hạt thuộc hai loại: baryon (nặng bary Hy Lạp) - các hạt có spin bán nguyên và khối lượng không nhỏ hơn khối lượng của một proton, và meson (môi trường mesos của Hy Lạp) - các hạt có spin bằng 0 hoặc số nguyên (xem Electron thuận từ cộng hưởng). Baryon bao gồm proton và neutron, hyperon, một số hạt cộng hưởng và hạt “quyến rũ”, và một số hạt cơ bản khác. Baryon ổn định duy nhất là proton, các baryon còn lại không ổn định (neutron ở trạng thái tự do là hạt không ổn định, nhưng ở trạng thái liên kết bên trong hạt nhân nguyên tử ổn định thì nó ổn định. Meson có tên như vậy vì khối lượng của hạt đầu tiên các meson được phát hiện - meson pi và meson K - có giá trị trung gian giữa khối lượng của một proton và một electron. Sau đó, các meson được phát hiện có khối lượng vượt quá khối lượng của một proton cũng có đặc điểm là lạ (S). ) - số lượng tử bằng 0, dương hoặc âm. Các hadron có độ lạ bằng 0 được gọi là thông thường, và với S ≠ 0 - lạ. Năm 1964, G. Zweig và M. Gell-Mann đã độc lập đề xuất cấu trúc quark của một hadron. một số thí nghiệm chỉ ra rằng các quark là sự hình thành vật chất thực sự bên trong các quark có một số tính chất khác thường, chẳng hạn như điện tích phân số, v.v. Người ta chưa quan sát thấy quark ở trạng thái tự do. Người ta tin rằng tất cả các hadron đều được hình thành do sự kết hợp khác nhau của các quark.

Ban đầu, các hạt cơ bản được nghiên cứu trong nghiên cứu phân rã phóng xạ (xem Phóng xạ) và bức xạ vũ trụ (xem). Tuy nhiên, kể từ những năm 50 của thế kỷ 20, các nghiên cứu về hạt cơ bản đã được thực hiện trên máy gia tốc hạt tích điện (xem), trong đó các hạt được gia tốc bắn phá mục tiêu hoặc va chạm với các hạt bay về phía chúng. Trong trường hợp này, các hạt tương tác với nhau, dẫn đến sự chuyển đổi lẫn nhau của chúng. Đây là cách hầu hết các hạt cơ bản được phát hiện.

Mỗi hạt cơ bản, cùng với đặc thù tương tác vốn có của nó, được mô tả bằng một tập hợp các giá trị rời rạc của các đại lượng vật lý nhất định, biểu thị bằng số nguyên hoặc phân số (số lượng tử). Đặc điểm chung của tất cả các hạt cơ bản là khối lượng (m), tuổi thọ (t), spin (J) - xung lượng góc nội tại của các hạt cơ bản, có bản chất lượng tử và không gắn liền với chuyển động của toàn bộ hạt, điện tích (Ω) và mômen từ (μ). Điện tích của các hạt cơ bản được nghiên cứu ở giá trị tuyệt đối là bội số nguyên của điện tích electron (e≈1,6*10 -10 k). Các hạt cơ bản đã biết có điện tích bằng 0, ±1 và ±2.

Tất cả các hạt cơ bản đều có phản hạt tương ứng, khối lượng và spin của chúng bằng khối lượng và spin của hạt, đồng thời điện tích, mô men từ và các đặc tính khác bằng nhau về giá trị tuyệt đối và ngược dấu. Ví dụ, phản hạt của electron là positron - một electron mang điện tích dương. Một hạt cơ bản giống hệt phản hạt của nó được gọi là trung tính thực sự, ví dụ, neutron và phản neutron, neutrino và phản neutrino, v.v. Khi các phản hạt tương tác với nhau, sự hủy diệt của chúng xảy ra (xem).

Khi một hạt cơ bản đi vào môi trường vật chất, nó sẽ tương tác với môi trường đó. Có tương tác mạnh, tương tác điện từ, tương tác yếu và tương tác hấp dẫn. Tương tác mạnh (mạnh hơn tương tác điện từ) xảy ra giữa các hạt cơ bản nằm ở khoảng cách dưới 10 -15 m (1 Fermi). Ở khoảng cách lớn hơn 1,5 Fermi, lực tương tác giữa các hạt gần bằng không. Chính sự tương tác mạnh mẽ giữa các hạt cơ bản đã mang lại sức mạnh đặc biệt của hạt nhân nguyên tử, làm nền tảng cho sự ổn định của vật chất trong điều kiện trên mặt đất. Một đặc điểm đặc trưng của tương tác mạnh là sự độc lập của điện tích. Hadron có khả năng tương tác mạnh. Tương tác mạnh gây ra sự phân rã của các hạt có thời gian tồn tại ngắn (thời gian sống khoảng 10 -23 - 10 -24 giây), được gọi là cộng hưởng.

Tất cả các hạt cơ bản tích điện, photon và các hạt trung tính có mômen từ (ví dụ, neutron) đều có thể chịu tương tác điện từ. Cơ sở của tương tác điện từ là sự kết nối với trường điện từ. Lực tương tác điện từ yếu hơn lực tương tác mạnh khoảng 100 lần. Phạm vi chính của tương tác điện từ là nguyên tử và phân tử (xem Phân tử). Sự tương tác này quyết định cấu trúc của chất rắn và bản chất của hóa chất. quá trình. Nó không bị giới hạn bởi khoảng cách giữa các hạt cơ bản, nên kích thước của nguyên tử xấp xỉ gấp 10 lần kích thước của hạt nhân nguyên tử.

Tương tác yếu là nền tảng cho các quá trình cực kỳ chậm liên quan đến các hạt cơ bản. Ví dụ, neutrino có tương tác yếu có thể dễ dàng xuyên qua độ dày của Trái đất và Mặt trời. Tương tác yếu cũng gây ra sự phân rã chậm của cái gọi là các hạt cơ bản gần ổn định, thời gian sống của chúng nằm trong khoảng 10 8 - 10 -10 giây. Các hạt cơ bản sinh ra trong quá trình tương tác mạnh (trong thời gian 10 -23 -10 -24 giây) nhưng phân rã chậm (10 -10 giây) được gọi là hạt lạ.

Tương tác hấp dẫn giữa các hạt cơ bản tạo ra những hiệu ứng cực nhỏ do khối lượng hạt không đáng kể. Kiểu tương tác này đã được nghiên cứu kỹ lưỡng trên các vật thể vĩ mô có khối lượng lớn.

Sự đa dạng của các hạt cơ bản với các đặc tính vật lý khác nhau giải thích sự khó khăn trong việc hệ thống hóa chúng. Trong số tất cả các hạt cơ bản, chỉ có photon, electron, neutrino, proton và phản hạt của chúng là thực sự ổn định, vì chúng có tuổi thọ dài. Những hạt này là sản phẩm cuối cùng của sự biến đổi tự phát của các hạt cơ bản khác. Sự ra đời của các hạt cơ bản có thể xảy ra do ba loại tương tác đầu tiên. Đối với các hạt tương tác mạnh, nguồn gốc của sự sáng tạo là các phản ứng tương tác mạnh. Lepton rất có thể phát sinh từ sự phân rã của các hạt cơ bản khác hoặc sinh ra theo cặp (hạt + phản hạt) dưới tác dụng của photon.

Các dòng hạt cơ bản tạo thành bức xạ ion hóa (xem), gây ra sự ion hóa các phân tử trung tính của môi trường. Tác dụng sinh học của các hạt cơ bản có liên quan đến sự hình thành các chất có hoạt tính hóa học cao trong các mô và dịch cơ thể được chiếu xạ. Những chất như vậy bao gồm các gốc tự do (xem Gốc tự do), peroxit (xem) và các chất khác. Các hạt cơ bản cũng có thể tác động trực tiếp lên các phân tử sinh học và cấu trúc siêu phân tử, gây đứt gãy liên kết nội phân tử, khử polyme hóa các hợp chất phân tử cao, v.v. Các quá trình di chuyển năng lượng và hình thành các hợp chất siêu bền do sự bảo tồn trạng thái lâu dài kích thích trong một số cơ chất cao phân tử. Trong tế bào, hoạt động của hệ enzym bị ức chế hoặc bị biến dạng, cấu trúc màng tế bào và các thụ thể bề mặt tế bào thay đổi dẫn đến tăng tính thấm của màng và thay đổi quá trình khuếch tán, kèm theo hiện tượng biến tính protein, mất nước của mô, và phá vỡ môi trường bên trong tế bào. Tính nhạy cảm của tế bào phần lớn phụ thuộc vào cường độ phân chia phân bào của chúng (xem Nguyên phân) và sự trao đổi chất: với sự gia tăng cường độ này, tính nhạy cảm với bức xạ của các mô cũng tăng lên (xem Độ nhạy phóng xạ). Việc sử dụng chúng để xạ trị (xem), đặc biệt là trong điều trị các khối u ác tính, dựa trên đặc tính dòng chảy của các hạt cơ bản - bức xạ ion hóa. Khả năng xuyên thấu của các hạt cơ bản tích điện phụ thuộc phần lớn vào sự truyền năng lượng tuyến tính (xem), nghĩa là vào năng lượng trung bình được hấp thụ bởi môi trường tại điểm đi qua của hạt tích điện, trên một đơn vị đường đi của nó.

Tác hại của dòng chảy của các hạt cơ bản đặc biệt ảnh hưởng đến các tế bào gốc của mô tạo máu, biểu mô của tinh hoàn, ruột non và da (xem Bệnh do phóng xạ, Tổn thương do phóng xạ). Trước hết, các hệ thống đang ở trạng thái hình thành cơ quan tích cực và biệt hóa trong quá trình chiếu xạ sẽ bị ảnh hưởng (xem Cơ quan quan trọng).

Tác dụng sinh học và điều trị của các hạt cơ bản phụ thuộc vào loại và liều lượng bức xạ của chúng (xem Liều lượng bức xạ ion hóa). Ví dụ, khi tiếp xúc với bức xạ tia X (xem Liệu pháp tia X), bức xạ gamma (xem Liệu pháp Gamma) và bức xạ proton (xem Liệu pháp Proton) trên toàn bộ cơ thể con người với liều khoảng 100 rad, một sự thay đổi tạm thời về tạo máu được quan sát; ảnh hưởng bên ngoài của bức xạ neutron (xem Bức xạ neutron) dẫn đến sự hình thành trong cơ thể các chất phóng xạ khác nhau, ví dụ, các hạt nhân phóng xạ của natri, phốt pho, v.v. Khi các hạt nhân phóng xạ là nguồn của các hạt beta (electron hoặc positron) hoặc lượng tử gamma đi vào cơ thể, điều này xảy ra được gọi là sự chiếu xạ bên trong cơ thể (xem Kết hợp các chất phóng xạ). Ví dụ, đặc biệt nguy hiểm trong vấn đề này là các hạt nhân phóng xạ được hấp thụ nhanh chóng với sự phân bố đồng đều trong cơ thể. triti (3H) và polonium-210.

Các hạt nhân phóng xạ, là nguồn cung cấp các hạt cơ bản và tham gia vào quá trình trao đổi chất, được sử dụng trong chẩn đoán đồng vị phóng xạ (xem).

Thư mục: Akhiezer A.I. và Rekalo M.P. Tiểu sử các hạt cơ bản, Kyiv, 1983, bibliogr.; Bogolyubov N. N. và Shirakov D. V. Trường lượng tử, M., 1980; Sinh ra M. Vật lý nguyên tử, trans. từ tiếng Anh, M., 1965; Jones X. Vật lý X quang, trans. từ tiếng Anh M., 1965; Krongauz A. N., Lyapidevsky V. K. và Frolova A. V. Cơ sở vật lý của phép đo liều lâm sàng, M., 1969; Xạ trị sử dụng bức xạ năng lượng cao, ed. I. Becker và G. Schubert, xuyên. từ tiếng Đức, M., 1964; Tyubiana M. và cộng sự Cơ sở vật lý của xạ trị và sinh học phóng xạ, trans. từ tiếng Pháp, M., 1969; Shpolsky E.V. Vật lý nguyên tử, tập 1, M., 1984; Các hạt cơ bản trẻ Ch. từ tiếng Anh M., 1963.

R. V. Stavntsky.