Fundamentalna čestica. Jednostavnim jezikom o elementarnim česticama, sudaraču i Božjoj čestici Osnovna karakteristika modela čestica je
Leptoni ne učestvuju u jakoj interakciji. elektron. pozitron. mion. neutrino je laka neutralna čestica koja učestvuje samo u slabim i gravitacionim interakcijama. neutrina (# fluks). kvarkovi. nosioci interakcija: fotonski kvant svjetlosti...
Zahtjev "Osnovna istraživanja" preusmjerava ovdje; vidi i druga značenja. Fundamentalna nauka je oblast znanja koja podrazumeva teorijsko i eksperimentalno naučno istraživanje fundamentalnih pojava (uključujući... ... Wikipedia
Zahtjev "Elementarne čestice" se preusmjerava ovdje; vidi i druga značenja. Elementarna čestica je zbirni pojam koji se odnosi na mikro-objekte na subnuklearnoj skali koji se ne mogu rastaviti na sastavne dijelove. Trebalo je u... ... Wikipediji
Elementarna čestica je skupni pojam koji se odnosi na mikro-objekte na subnuklearnoj skali koji se ne mogu (ili još nije dokazano) podijeliti na svoje sastavne dijelove. Njihovu strukturu i ponašanje proučava fizika čestica. Koncept... ... Wikipedia
elektron - ▲ fundamentalna čestica imajući, element, naboj elektron negativno nabijena elementarna čestica s elementarnom električni naboj. ↓ … Ideografski rečnik ruskog jezika
Elementarna čestica je skupni pojam koji se odnosi na mikro-objekte na subnuklearnoj skali koji se ne mogu (ili još nije dokazano) podijeliti na svoje sastavne dijelove. Njihovu strukturu i ponašanje proučava fizika čestica. Koncept... ... Wikipedia
Ovaj izraz ima druga značenja, pogledajte Neutrino (značenja). elektron neutrino mion neutrino tau neutrino Simbol: νe νμ ντ Sastav: Porodica elementarnih čestica: Fermioni ... Wikipedia
Vrsta fundamentalnih interakcija (uz gravitacione, slabe i jake), koju karakteriše učešće elektromagnetnog polja (vidi Elektromagnetno polje) u procesima interakcije. Elektromagnetno polje (u kvantnoj fizici ... ... Velika sovjetska enciklopedija
Jedna od najdvosmislenijih filozofija. pojmovi kojima je dato jedno (ili neko) od sljedećih značenja: 1) nešto čije su definišne karakteristike proširenost, položaj u prostoru, masa, težina, kretanje, inercija, otpor,... ... Philosophical Encyclopedia
Knjige
- Kinetička teorija gravitacije i osnove jedinstvene teorije materije, V. Ya. Svi materijalni objekti prirode (i materijalni i terenski) su diskretni. Sastoje se od elementarnih čestica u obliku strune. Nedeformisana osnovna struna je čestica polja...
Ove tri čestice (kao i druge opisane u nastavku) se međusobno privlače i odbijaju u skladu sa svojim optužbe, kojih postoje samo četiri vrste prema broju fundamentalnih sila prirode. Naelektrisanja se mogu rasporediti u opadajućem redosledu odgovarajućih sila na sledeći način: naboj u boji (sile interakcije između kvarkova); električni naboj (električne i magnetske sile); slabo naelektrisanje (sile u nekim radioaktivnim procesima); konačno, masa (gravitaciona sila, ili gravitaciona interakcija). Riječ "boja" ovdje nema nikakve veze sa bojom vidljive svjetlosti; to je jednostavno karakteristika jakog naboja i najvećih sila.
Naplate su sačuvani, tj. naboj koji ulazi u sistem jednak je naboju koji ga napušta. Ako je ukupan električni naboj određenog broja čestica prije njihove interakcije jednak, recimo, 342 jedinice, onda će nakon interakcije, bez obzira na njen rezultat, biti jednak 342 jedinice. Ovo se odnosi i na druga naelektrisanja: boja (jako interakcijsko naelektrisanje), slaba i masa (masa). Čestice se razlikuju po svom naboju: u suštini, one „jesu“ ta naboja. Optužbe su kao “potvrda” o pravu na odgovor odgovarajućoj sili. Dakle, samo na obojene čestice djeluju sile boje, samo na električno nabijene čestice djeluju električne sile, itd. Svojstva čestice određuju najveća sila koja na nju djeluje. Samo su kvarkovi nosioci svih naboja i stoga su podložni dejstvu svih sila, među kojima je dominantna boja. Elektroni imaju sve naboje osim boje, a dominantna sila za njih je elektromagnetna sila.
Najstabilnije u prirodi su po pravilu neutralne kombinacije čestica u kojima se naboj čestica jednog znaka kompenzira ukupnim nabojem čestica drugog znaka. To odgovara minimalnoj energiji cijelog sistema. (Na isti način, dva šipka magneta su raspoređena u liniji, pri čemu je sjeverni pol jednog okrenut prema južnom polu drugog, što odgovara minimalnoj energiji magnetskog polja.) Gravitacija je izuzetak od ovog pravila: negativna masa ne postoji. Ne postoje tijela koja padaju nagore.
VRSTE MATERIJA
Obična materija je formirana od elektrona i kvarkova, grupiranih u objekte neutralne boje, a zatim i električnog naboja. Snaga boje je neutralizirana, kao što će biti detaljnije razmotreno u nastavku, kada se čestice kombiniraju u trojke. (Odavde i sam izraz „boja” preuzet iz optike: tri primarne boje kada se pomešaju daju belu.) Dakle, kvarkovi za koje je jačina boje glavna formiraju trojke. Ali kvarkovi, i oni se dijele na u-kvarkovi (od engleskog gore - vrh) i d-kvarkovi (od engleskog down - bottom), takođe imaju električni naboj jednak u-kvark i za d-kvark. Dva u-kvark i jedan d-kvarkovi daju električni naboj od +1 i formiraju proton, i jedan u-kvark i dva d-kvarkovi daju nulti električni naboj i formiraju neutron.
Stabilni protoni i neutroni, privučeni jedni drugima rezidualnim silama boja interakcije između njihovih sastavnih kvarkova, formiraju atomsko jezgro neutralno u boji. Ali jezgre nose pozitivan električni naboj i, privlačeći negativne elektrone koji kruže oko jezgre poput planeta koje kruže oko Sunca, teže formiranju neutralnog atoma. Elektroni u svojim orbitama udaljeni su od jezgra na udaljenostima desetinama hiljada puta većim od radijusa jezgra - dokaz da su električne sile koje ih drže mnogo slabije od nuklearnih. Zahvaljujući snazi interakcije boja, 99,945% mase atoma nalazi se u njegovom jezgru. Težina u- I d-kvarkovi su oko 600 puta veći od mase elektrona. Stoga su elektroni mnogo lakši i pokretljiviji od jezgara. Njihovo kretanje u materiji uzrokovano je električnim fenomenima.
Postoji nekoliko stotina prirodnih varijanti atoma (uključujući izotope), koji se razlikuju po broju neutrona i protona u jezgri i, shodno tome, po broju elektrona u svojim orbitama. Najjednostavniji je atom vodika, koji se sastoji od jezgre u obliku protona i jednog elektrona koji se okreće oko njega. Sva “vidljiva” materija u prirodi sastoji se od atoma i djelomično “rastavljenih” atoma, koji se nazivaju ioni. Joni su atomi koji su, nakon što su izgubili (ili stekli) nekoliko elektrona, postali nabijene čestice. Materija koja se gotovo u potpunosti sastoji od jona naziva se plazma. Zvijezde koje gore zbog termonuklearnih reakcija koje se dešavaju u centrima sastoje se uglavnom od plazme, a kako su zvijezde najčešći oblik materije u Univerzumu, možemo reći da se cijeli Univerzum sastoji uglavnom od plazme. Tačnije, zvijezde su pretežno potpuno jonizirani vodonik, tj. mješavina pojedinačnih protona i elektrona, pa se stoga gotovo cijeli vidljivi Univerzum sastoji od nje.
Ovo je vidljiva materija. Ali u Univerzumu postoji i nevidljiva materija. A postoje i čestice koje se ponašaju kao nosioci sile. Postoje antičestice i pobuđena stanja nekih čestica. Sve to dovodi do očigledno prevelikog obilja „elementarnih“ čestica. U ovom obilju može se pronaći indikacija stvarne, prave prirode elementarnih čestica i sila koje djeluju između njih. Prema najnovijim teorijama, čestice mogu biti u suštini prošireni geometrijski objekti – „žice“ u desetodimenzionalnom prostoru.
Nevidljivi svijet.
U Univerzumu ne postoji samo vidljiva materija (već i crne rupe i “tamna materija”, kao što su hladne planete koje postaju vidljive kada su osvijetljene). Postoji i zaista nevidljiva materija koja svake sekunde prožima sve nas i cijeli Univerzum. To je gas koji se brzo kreće od čestica jedne vrste - elektronskih neutrina.
Elektronski neutrino je partner elektrona, ali nema električni naboj. Neutrini nose samo takozvani slab naboj. Njihova masa mirovanja je, po svoj prilici, nula. Ali oni stupaju u interakciju sa gravitacionim poljem jer imaju kinetičku energiju E, što odgovara efektivnoj masi m, prema Ajnštajnovoj formuli E = mc 2 gdje c– brzina svetlosti.
Ključna uloga neutrina je da doprinosi transformaciji I-kvarkovi unutra d-kvarkovi, usled kojih se proton pretvara u neutron. Neutrini djeluju kao "igla karburatora" za reakcije fuzije zvijezda, u kojima se četiri protona (jezgra vodika) kombinuju i formiraju jezgro helijuma. Ali kako se jezgro helija ne sastoji od četiri protona, već od dva protona i dva neutrona, za takvu nuklearnu fuziju potrebno je da dva I-kvarkovi su se pretvorili u dva d-kvark. Intenzitet transformacije određuje koliko će brzo zvijezde gorjeti. A proces transformacije je određen slabim nabojem i slabim interakcijskim silama između čestica. Gde I-kvark (električni naboj +2/3, slab naboj +1/2), u interakciji sa elektronom (električni naboj - 1, slab naboj -1/2), formira se d-kvark (električni naboj –1/3, slab naboj –1/2) i elektronski neutrino (električni naboj 0, slab naboj +1/2). Naboji u boji (ili samo boje) dva kvarka poništavaju se u ovom procesu bez neutrina. Uloga neutrina je da odnese nekompenzirani slab naboj. Stoga, brzina transformacije zavisi od toga koliko su slabe sile slabe. Da su slabije nego što jesu, zvijezde uopće ne bi gorjele. Da su jače, zvijezde bi odavno izgorjele.
Šta je sa neutrinima? Pošto ove čestice izuzetno slabo komuniciraju sa drugim materijama, one skoro odmah napuštaju zvezde u kojima su rođene. Sve zvijezde sijaju, emituju neutrine, a neutrini sijaju kroz naša tijela i cijelu Zemlju danju i noću. Tako lutaju Univerzumom dok ne uđu, možda, u novu interakciju STAR).
Nosioci interakcija.
Šta uzrokuje sile koje djeluju između čestica na udaljenosti? Moderna fizika odgovara: zbog razmjene drugih čestica. Zamislite dva brza klizača koji bacaju loptu unaokolo. Dajući zamah loptici kada je bačena i primajući zamah primljenom loptom, oboje dobijaju guranje u smjeru daleko jedan od drugog. Ovo može objasniti pojavu odbojnih sila. Ali u kvantnoj mehanici, koja razmatra pojave u mikrosvijetu, dozvoljeno je neobično rastezanje i delokalizacija događaja, što dovodi do naizgled nemogućeg: jedan od klizača baca loptu u smjeru od drugačiji, ali taj ipak Možda uhvati ovu loptu. Nije teško zamisliti da bi, kada bi to bilo moguće (a u svijetu elementarnih čestica moguće), među klizačima nastala privlačnost.
Čestice, zbog čije razmjene djeluju sile interakcije između četiri "čestice materije" o kojima smo gore govorili, nazivaju se mjernim česticama. Svaka od četiri interakcije – jaka, elektromagnetna, slaba i gravitaciona – ima svoj skup mjernih čestica. Nosioci snažne interakcije su gluoni (ima ih samo osam). Foton je nosilac elektromagnetne interakcije (postoji samo jedan, a fotone doživljavamo kao svjetlost). Čestice nosača slabe interakcije su srednji vektorski bozoni (otkriveni su 1983. i 1984. W + -, W- -bozoni i neutralni Z-bozon). Nositelj gravitacijske interakcije je još uvijek hipotetički graviton (trebao bi biti samo jedan). Sve te čestice, osim fotona i gravitona, koji mogu putovati na beskonačno velike udaljenosti, postoje samo u procesu razmjene između materijalnih čestica. Fotoni ispunjavaju svemir svjetlošću, a gravitoni ispunjavaju gravitacionim talasima(još nije pouzdano otkriveno).
Za česticu sposobnu da emituje mjerne čestice se kaže da je okružena odgovarajućim poljem sila. Dakle, elektroni sposobni da emituju fotone su okruženi električnim i magnetna polja, kao i slaba i gravitaciona polja. Kvarkovi su takođe okruženi svim ovim poljima, ali i jakim interakcijskim poljem. Na čestice sa nabojem boje u polju sila boja utiče sila boje. Isto važi i za druge sile prirode. Stoga možemo reći da se svijet sastoji od materije (materijalne čestice) i polja (mjerne čestice). Više o tome u nastavku.
Antimaterija.
Svaka čestica ima antičesticu, sa kojom se čestica može međusobno anihilirati, tj. "poništiti", što rezultira oslobađanjem energije. “Čista” energija sama po sebi, međutim, ne postoji; Kao rezultat anihilacije pojavljuju se nove čestice (na primjer, fotoni) koje odnose ovu energiju.
U većini slučajeva, antičestica ima svojstva suprotna od odgovarajuće čestice: ako se čestica kreće ulijevo pod utjecajem jakog, slabog ili elektromagnetnog polja, tada će se njena antičestica pomjeriti udesno. Ukratko, antičestica ima suprotne predznake svih naelektrisanja (osim naboja mase). Ako je čestica kompozitna, kao što je neutron, tada se njena antičestica sastoji od komponenti sa suprotnim predznacima naelektrisanja. Dakle, antielektron ima električni naboj od +1, slab naboj od +1/2 i naziva se pozitron. Antineutron se sastoji od I-antikvarkovi sa električnim nabojem –2/3 i d-antikvarkovi sa električnim nabojem +1/3. Prave neutralne čestice su sopstvene antičestice: antičestica fotona je foton.
Prema savremenim teorijskim konceptima, svaka čestica koja postoji u prirodi treba da ima svoju antičesticu. I mnoge antičestice, uključujući pozitrone i antineutrone, zaista su dobijene u laboratoriji. Posljedice ovoga su izuzetno važne i leže u osnovi cijele eksperimentalne fizike čestica. Prema teoriji relativnosti, masa i energija su ekvivalentne, a pod određenim uslovima energija se može pretvoriti u masu. Budući da je naboj očuvan, a naboj vakuuma (prazan prostor) jednak nuli, bilo koji par čestica i antičestica (sa nultim neto nabojem) mogu izaći iz vakuuma, kao zečevi iz mađioničarskog šešira, sve dok ima dovoljno energije da stvaraju svoju masu.
Generacije čestica.
Eksperimenti na akceleratorima su pokazali da se kvartet materijalnih čestica ponavlja najmanje dva puta pri većim vrijednostima mase. U drugoj generaciji, mjesto elektrona zauzima mion (sa masom približno 200 puta većom od mase elektrona, ali sa istim vrijednostima svih ostalih naboja), mjesto elektronskog neutrina je uzeti mion (koji prati mion u slabim interakcijama na isti način kao što je elektron u pratnji elektrona neutrina), mjesto I-kvark zauzima With-kvark ( očarani), A d-kvark – s-kvark ( čudno). U trećoj generaciji, kvartet se sastoji od tau leptona, tau neutrina, t-kvark i b-kvark.
Težina t– kvark je oko 500 puta veći od mase najlakšeg – d-kvark. Eksperimentalno je utvrđeno da postoje samo tri vrste lakih neutrina. Dakle, četvrta generacija čestica ili uopšte ne postoji, ili su odgovarajući neutrini veoma teški. Ovo je u skladu sa kosmološkim podacima, prema kojima ne može postojati više od četiri tipa lakih neutrina.
U eksperimentima s česticama visoke energije, elektron, mion, tau lepton i odgovarajući neutrini djeluju kao izolirane čestice. Oni ne nose naboj u boji i ulaze samo u slabe i elektromagnetne interakcije. Zajedno se zovu leptons.
Tabela 2. GENERACIJE FUNDAMENTALNIH ČESTICA | ||||
Particle | Masa mirovanja, MeV/ With 2 | Električno punjenje | Naboj u boji | Slabo punjenje |
DRUGA GENERACIJA | ||||
With-kvark | 1500 | +2/3 | Crvena, zelena ili plava | +1/2 |
s-kvark | 500 | –1/3 | Isto | –1/2 |
Muonski neutrino | 0 | 0 | +1/2 | |
Muon | 106 | 0 | 0 | –1/2 |
TREĆA GENERACIJA | ||||
t-kvark | 30000–174000 | +2/3 | Crvena, zelena ili plava | +1/2 |
b-kvark | 4700 | –1/3 | Isto | –1/2 |
Tau neutrino | 0 | 0 | +1/2 | |
Tau | 1777 | –1 | 0 | –1/2 |
Kvarkovi se, pod uticajem sila boja, kombinuju u čestice sa jakom interakcijom koje dominiraju većinom eksperimenata fizike visokih energija. Takve čestice se nazivaju hadrona. Oni uključuju dvije podklase: barioni(kao što su proton i neutron), koji se sastoje od tri kvarka, i mezoni, koji se sastoji od kvarka i antikvarka. Godine 1947. otkriven je prvi mezon, nazvan pion (ili pi-mezon), u kosmičkim zracima, a neko vrijeme se vjerovalo da izmjena ovih čestica - glavni razlog nuklearne snage. Omega-minus hadroni, otkriveni 1964. u Brookhaven National Laboratory (SAD), i JPS čestica ( J/y-meson), otkrivena istovremeno u Brookhavenu i u Centru za linearne akceleratore Stanford (takođe u SAD) 1974. Postojanje omega minus čestice predvidio je M. Gell-Mann u svojoj tzv. S.U. 3 teorija" (drugi naziv je "osmostruka staza"), u kojoj je prvi put sugerisana mogućnost postojanja kvarkova (i ovo ime im je dato). Deceniju kasnije, otkriće čestice J/y potvrdio postojanje With-kvark i konačno natjerao sve da povjeruju i u model kvarka i u teoriju koja je ujedinila elektromagnetne i slabe sile ( vidi ispod).
Čestice druge i treće generacije nisu ništa manje stvarne od prve. Istina, nakon što su nastali, u milionitim ili milijardnim dijelovima sekunde se raspadaju na obične čestice prve generacije: elektron, elektronski neutrino, a također I- I d-kvarkovi. Pitanje zašto u prirodi postoji nekoliko generacija čestica i dalje ostaje misterija.
O različitim generacijama kvarkova i leptona često se govori (što je, naravno, pomalo ekscentrično) kao o različitim „ukusima“ čestica. Potreba da se oni objasne naziva se problemom "ukusa".
BOZONI I FERMIONI, POLJE I MATERIJA
Jedna od fundamentalnih razlika između čestica je razlika između bozona i fermiona. Sve čestice su podijeljene u ove dvije glavne klase. Identični bozoni se mogu preklapati ili preklapati, ali identični fermioni ne mogu. Superpozicija se javlja (ili se ne događa) u diskretnim energetskim stanjima na koja kvantna mehanika dijeli prirodu. Ova stanja su poput zasebnih ćelija u koje se mogu smjestiti čestice. Dakle, možete staviti koliko god identičnih bozona želite u jednu ćeliju, ali samo jedan fermion.
Kao primjer, uzmite u obzir takve ćelije, ili "stanja", za elektron koji kruži oko jezgre atoma. Za razliku od planeta Solarni sistem, elektron, prema zakonima kvantne mehanike, ne može da kruži ni po jednoj eliptičnoj orbiti za njega postoji samo diskretna serija dozvoljenih „stanja kretanja“. Skupovi takvih stanja, grupirani prema udaljenosti od elektrona do jezgra, nazivaju se orbitale. U prvoj orbitali postoje dva stanja sa različitim ugaonim momentom i, prema tome, dvije dozvoljene ćelije, a u višim orbitalama ima osam ili više ćelija.
Pošto je elektron fermion, svaka ćelija može sadržavati samo jedan elektron. Iz toga proizlaze vrlo važne posljedice - sva hemija, jer su hemijska svojstva supstanci određena interakcijama između odgovarajućih atoma. Ako prođete kroz periodični sistem elemenata od jednog atoma do drugog po redoslijedu povećanja broja protona u jezgru za jedan (shodno tome će se povećati i broj elektrona), tada će prva dva elektrona zauzeti prvu orbitalu, sljedećih osam će se nalaziti u drugom, itd. Ova dosljedna promjena u elektronskoj strukturi atoma od elementa do elementa određuje njihove obrasce hemijska svojstva.
Ako bi elektroni bili bozoni, tada bi svi elektroni u atomu mogli zauzeti istu orbitalu, što odgovara minimalnoj energiji. U ovom slučaju, svojstva sve materije u Univerzumu bila bi potpuno drugačija, a Univerzum u onom obliku u kojem poznajemo bio bi nemoguć.
Svi leptoni - elektron, mion, tau lepton i njihovi odgovarajući neutrini - su fermioni. Isto se može reći i za kvarkove. Dakle, sve čestice koje formiraju "materiju", glavni punilac Univerzuma, kao i nevidljivi neutrini, su fermioni. Ovo je prilično značajno: fermioni se ne mogu kombinovati, pa se isto odnosi i na objekte u materijalnom svijetu.
Istovremeno, sve „čestice merača“ koje se razmenjuju između čestica materijala u interakciji i koje stvaraju polje sila ( vidi gore), su bozoni, što je takođe veoma važno. Tako, na primjer, mnogi fotoni mogu biti u istom stanju, formirajući magnetsko polje oko magneta ili električno polje oko električnog naboja. Zahvaljujući tome, laser je takođe moguć.
Spin.
Razlika između bozona i fermiona povezana je sa još jednom karakteristikom elementarnih čestica - spin. Iznenađujuće, sve fundamentalne čestice imaju svoj ugaoni moment ili, jednostavnije rečeno, rotiraju oko svoje ose. Momentum - karakteristika rotaciono kretanje, kao i ukupni impuls – translacijski. U bilo kojoj interakciji, ugaoni moment i zamah su očuvani.
U mikrokosmosu, ugaoni moment je kvantizovan, tj. uzima diskretne vrijednosti. U odgovarajućim mjernim jedinicama, leptoni i kvarkovi imaju spin od 1/2, a mjerne čestice imaju spin od 1 (osim gravitona, koji još nije eksperimentalno uočen, ali bi teoretski trebao imati spin od 2). Pošto su leptoni i kvarkovi fermioni, a merne čestice bozoni, možemo pretpostaviti da je “fermioničnost” povezana sa spinom 1/2, a “bozoničnost” je povezana sa spinom 1 (ili 2). Zaista, i eksperiment i teorija potvrđuju da ako čestica ima polucijeli spin, onda je to fermion, a ako ima cjelobrojni spin, onda je to bozon.
TEORIJE I GEOMETRIJA GAUGE
U svim slučajevima, sile nastaju zbog razmjene bozona između fermiona. Dakle, sila boje interakcije između dva kvarka (kvarkova - fermiona) nastaje zbog razmjene gluona. Slična se razmjena događa stalno u protonima, neutronima i atomskim jezgrama. Slično, fotoni koji se razmjenjuju između elektrona i kvarkova stvaraju električne privlačne sile koje drže elektrone u atomu, a srednji vektorski bozoni razmijenjeni između leptona i kvarkova stvaraju slabe sile odgovorne za pretvaranje protona u neutrone u termonuklearnim reakcijama u zvijezdama.
Teorija iza ove razmjene je elegantna, jednostavna i vjerovatno tačna. To se zove teorija merača. Ali trenutno postoje samo nezavisne mjerne teorije jakih, slabih i elektromagnetnih interakcija i slična, iako nešto drugačija, mjerna teorija gravitacije. Jedan od najvažnijih fizičkih problema je svođenje ovih pojedinačnih teorija u jednu i istovremeno jednostavnu teoriju, u kojoj bi sve one postale različiti aspekti jedne stvarnosti – poput lica kristala.
Tabela 3. NEKI HADRONI | ||||
Particle | Simbol | Sastav kvarka * | masa odmora, MeV/ With 2 | Električno punjenje |
BARIONS | ||||
Proton | str | uud | 938 | +1 |
Neutron | n | udd | 940 | 0 |
Omega minus | W – | sss | 1672 | –1 |
MESONS | ||||
Pi-plus | str + | u | 140 | +1 |
Pi minus | str – | du | 140 | –1 |
Fi | f | sê | 1020 | 0 |
JP | J/y | cŭ | 3100 | 0 |
Upsilon | Ў | b | 9460 | 0 |
* Sastav kvarka: u– vrh; d- niže; s- čudno; c– začarana; b- Divno. Antikviteti su označeni linijom iznad slova. |
Najjednostavnija i najstarija teorija merača je merač teorija elektromagnetne interakcije. U njemu se naboj jednog elektrona upoređuje (kalibrira) sa nabojem drugog elektrona koji je udaljen od njega. Kako možete uporediti troškove? Možete, na primjer, približiti drugi elektron prvom i uporediti njihove interakcijske sile. Ali zar se naboj elektrona ne mijenja kada se pomakne u drugu tačku u svemiru? Jedini način da provjerite je da pošaljete signal od bliskog elektrona do udaljenog i vidite kako će reagirati. Signal je mjerna čestica – foton. Da bismo mogli testirati naboj na udaljenim česticama, potreban je foton.
Matematički, ova teorija je izuzetno tačna i lijepa. Iz gore opisanog "principa mjerača" proizilazi sva kvantna elektrodinamika (kvantna teorija elektromagnetizma), kao i Maxwellova teorija elektromagnetnog polja - jedna od najvećih naučna dostignuća 19. vijek
Zašto je tako jednostavan princip tako plodonosan? Očigledno, izražava određenu korelaciju između različitih dijelova Univerzuma, omogućavajući mjerenja u Univerzumu. U matematičkom smislu, polje se tumači geometrijski kao zakrivljenost nekog zamislivog „unutrašnjeg“ prostora. Mjerenje naboja je mjerenje ukupne "unutrašnje zakrivljenosti" oko čestice. Mjerne teorije jake i slabe interakcije razlikuju se od teorije elektromagnetnih mjerača samo po unutrašnjoj geometrijskoj “strukturi” odgovarajućeg naboja. Na pitanje gdje se tačno nalazi ovaj unutrašnji prostor, nastoje se odgovoriti multidimenzionalnim unificiranim teorijama polja, o kojima se ovdje ne govori.
Tabela 4. FUNDAMENTALNE INTERAKCIJE | |||||
Interakcija | Relativni intenzitet na udaljenosti od 10–13 cm | Radijus djelovanja | Nositelj interakcije | Masa mirovanja nosioca, MeV/ With 2 | Okrenite nosač |
Jaka | 1 | Gluon | 0 | 1 | |
elektro- magnetna |
0,01 | Ґ | Photon | 0 | 1 |
Slabo | 10 –13 | W + | 80400 | 1 | |
W – | 80400 | 1 | |||
Z 0 | 91190 | 1 | |||
gravita- tional |
10 –38 | Ґ | Graviton | 0 | 2 |
Fizika čestica još nije završena. Još uvijek je daleko od jasnog da li su dostupni podaci dovoljni za potpuno razumijevanje prirode čestica i sila, kao i prave prirode i dimenzije prostora i vremena. Da li su nam za ovo potrebni eksperimenti sa energijama od 10 15 GeV ili će napori misli biti dovoljni? Još nema odgovora. Ali možemo s povjerenjem reći da će konačna slika biti jednostavna, elegantna i lijepa. Moguće je da neće biti toliko fundamentalnih ideja: princip kalibra, prostori viših dimenzija, kolaps i ekspanzija i, prije svega, geometrija.
Strukture mikrosvijeta
Ranije su se elementarne čestice nazivale česticama koje su dio atoma i ne mogu se razbiti na elementarne komponente, odnosno na elektrone i jezgre.
Kasnije je otkriveno da se jezgra sastoje od jednostavnijih čestica - nukleoni(protoni i neutroni), koji se sastoje od drugih čestica. Zbog toga najsitnije čestice materije počele su se smatrati elementarnim česticama , isključujući atome i njihova jezgra .
Do danas su otkrivene stotine elementarnih čestica, što zahtijeva njihovu klasifikaciju:
– po vrsti interakcije
- po vremenu života
– najveća leđa
Elementarne čestice se dijele u sljedeće grupe:
Kompozitne i fundamentalne (bezstrukturne) čestice
Složene čestice
Hadroni (teški)– čestice koje učestvuju u svim vrstama fundamentalnih interakcija. Sastoje se od kvarkova i dijele se na: mezoni– hadroni sa cjelobrojnim spinom, odnosno oni su bozoni; barioni– hadroni sa polucijelim spinom, odnosno fermioni. Ovo, posebno, uključuje čestice koje čine jezgro atoma - proton i neutron, tj. nukleoni.
Fundamentalne (bezstrukturne) čestice
leptoni (svjetlo)– fermioni, koji imaju oblik točkastih čestica (tj. ne sastoje se ni od čega) do razmjera od 10 − 18 m. Ne učestvuju u jakim interakcijama. Učešće u elektromagnetnim interakcijama eksperimentalno je uočeno samo za nabijene leptone (elektrone, mione, tau leptone) i nije uočeno za neutrine.
Kvarkovi– delimično nabijene čestice koje čine hadrone. Nisu posmatrani u slobodnom stanju.
Gauge bozoni– čestice razmjenom kojih se vrše interakcije:
– foton – čestica koja nosi elektromagnetnu interakciju;
– osam gluona – čestica koje nose snažnu interakciju;
– tri srednja vektorska bozona W + , W− i Z 0, koji tolerišu slabe interakcije;
– graviton je hipotetička čestica koja prenosi gravitacionu interakciju. Postojanje gravitona, iako još nije eksperimentalno dokazano zbog slabosti gravitacione interakcije, smatra se prilično vjerojatnim; međutim, graviton nije uključen u Standardni model elementarnih čestica.
By moderne ideje, fundamentalne čestice (ili "prave" elementarne čestice) koje nemaju unutrašnju strukturu i konačne dimenzije uključuju:
Kvarkovi i leptoni
Čestice koje pružaju fundamentalne interakcije: gravitoni, fotoni, vektorski bozoni, gluoni.
Klasifikacija elementarnih čestica prema životnom vijeku:
- stabilan: čestice čiji je životni vijek veoma dug (u granici teži beskonačnosti). Ovo uključuje elektrona , protona , neutrino . Neutroni su takođe stabilni unutar jezgara, ali su nestabilni izvan jezgra.
- nestabilno (kvazistabilne): elementarne čestice su one čestice koje se raspadaju zbog elektromagnetnih i slabih interakcija, a čiji životni vijek iznosi više od 10-20 sekundi. Takve čestice uključuju slobodni neutron (tj. neutron izvan jezgra atoma)
- rezonancije (nestabilan, kratkotrajan). Rezonancije uključuju elementarne čestice koje se raspadaju zbog jakih interakcija. Njihov životni vijek je kraći od 10-20 sekundi.
Klasifikacija čestica po učešću u interakcijama:
- leptons : Ovo uključuje neutrone. Svi oni ne učestvuju u vrtlogu intranuklearnih interakcija, tj. nisu podložni jakim interakcijama. Oni učestvuju u slaboj interakciji, a oni sa električnim nabojem takođe učestvuju u elektromagnetnoj interakciji
- hadrona : čestice koje postoje unutar atomskog jezgra i učestvuju u jakim interakcijama. Najpoznatiji od njih su proton I neutron .
Danas poznat šest leptona :
U istoj porodici kao i elektron su mioni i tau čestice, koje su slične elektronu, ali su masivnije. Muoni i tau čestice su nestabilne i na kraju se raspadaju na nekoliko drugih čestica, uključujući elektron
Tri električno neutralne čestice sa nultom (ili blizu nule, naučnici se još nisu odlučili za ovu tačku) mase, tzv. neutrino . Svaki od tri neutrina (elektronski neutrino, mionski neutrino, tau neutrino) je uparen sa jednom od tri tipa čestica iz porodice elektrona.
Najpoznatiji hadrona , protona i neutrina postoje stotine srodnika, koji se rađaju u velikom broju i odmah propadaju u procesu raznih nuklearnih reakcija. Sa izuzetkom protona, svi su nestabilni i mogu se klasifikovati prema sastavu čestica na koje se raspadaju:
Ako postoji proton među konačnim produktima raspada čestica, onda se zove baryon
Ako među produktima raspada nema protona, čestica se naziva meson .
Haotična slika subatomskog svijeta, koja je postajala složenija s otkrivanjem svakog novog hadrona, ustupila je mjesto novoj slici s pojavom koncepta kvarkova. Prema modelu kvarka, svi hadroni (ali ne leptoni) se sastoje od još elementarnijih čestica - kvarkova. Dakle barioni (posebno proton) sastoje se od tri kvarka, i mezoni - iz para kvark - antikvark.
Generacija | Kvarkovi sa nabojem (+2/3) | Kvarkovi s nabojem (−1/3) | ||||||
Kvark/antikvark simbol | masa (MeV) | Naziv/okus kvarka/antikvarka | Kvark/antikvark simbol | masa (MeV) | ||||
---|---|---|---|---|---|---|---|---|
1 | u-kvark (up-kvark) / anti-u-kvark | texvc nije pronađeno; Pogledajte math/README za pomoć pri postavljanju.): u / \, \overline(u)
|
od 1,5 do 3 | d-kvark (down-kvark) / anti-d-kvark | Nije moguće raščlaniti izraz (izvršna datoteka texvc nije pronađeno; Pogledajte math/README za pomoć pri postavljanju.): d / \, \overline(d)
|
4,79±0,07 | ||
2 | c-kvark (čar-kvark) / anti-c-kvark | Nije moguće raščlaniti izraz (izvršna datoteka texvc nije pronađeno; Pogledajte math/README za pomoć pri postavljanju.): c / \, \overline(c)
|
1250 ± 90 | s-kvark (čudni kvark) / anti-s-kvark | Nije moguće raščlaniti izraz (izvršna datoteka texvc nije pronađeno; Pogledajte math/README za pomoć pri postavljanju.): s / \, \overline(s)
|
95 ± 25 | ||
3 | t-kvark (top-kvark) / anti-t-kvark | Nije moguće raščlaniti izraz (izvršna datoteka texvc nije pronađeno; Pogledajte math/README za pomoć pri postavljanju.): t / \, \overline(t)
|
174 200 ± 3300 | b-kvark (donji kvark) / anti-b-kvark | Nije moguće raščlaniti izraz (izvršna datoteka texvc nije pronađeno; Pogledajte math/README za pomoć pri postavljanju.): b / \, \overline(b)
|
4200 ± 70 |
vidi takođe
Napišite recenziju o članku "Fundamentalna čestica"
Bilješke
Linkovi
- S. A. Slavatinsky// Moskovski institut za fiziku i tehnologiju (Dolgoprudny, Moskovska oblast)
- Slavatinsky S.A. // SOZH, 2001, br. 2, str. 62–68 arhiva http://web.archive.org/web/20060116134302/http://journal.issep.rssi.ru/annot.php?id=S1176
- //nuclphys.sinp.msu.ru
- // second-physics.ru
- //physics.ru
- // nature.web.ru
- // nature.web.ru
- // nature.web.ru
Najpoznatija formula iz opšte teorije relativnosti je zakon održanja energije-mase | Ovo je nacrt članka o fizici. Možete pomoći projektu dodavanjem. |
|
Jedinice fizičke veličine kada se opisuju pojave koje se dešavaju u mikrosvijetu, one se dijele na osnovne i derivative, koje se određuju matematičkim zapisom zakona fizike.
Zbog činjenice da se sve fizičke pojave dešavaju u prostoru i vremenu, kao osnovne jedinice uzimaju se prvenstveno jedinice dužine i vremena, a zatim jedinica mase. Osnovne jedinice: dužine l, vrijeme t, masa m - dobijaju određenu dimenziju. Dimenzije izvedenih jedinica određene su formulama koje izražavaju određene fizičke zakone.
Veličine glavnih fizičkih jedinica odabrane su tako da ih je u praksi zgodno koristiti.
U SI sistemu su prihvaćene sledeće dimenzije: dužine [ l] = m (metar), vrijeme [t] = s (sekunda), masa [t] = kg (kilogram).
U CGS sistemu za osnovne jedinice su prihvaćene sledeće dimenzije: dužina [/] = cm (centimetar), vreme [t] = s (sekunda) i masa [t] = g (gram). Za opisivanje fenomena koji se dešavaju u mikrokosmosu, mogu se koristiti i SI i CGS jedinice.
Procijenimo redove veličine dužine, vremena i mase u fenomenima mikrosvijeta.
Pored opšteprihvaćenih međunarodnih sistema jedinica SI i GHS, koriste se i „prirodni sistemi jedinica“ zasnovani na univerzalnim fizičkim konstantama. Ovi sistemi jedinica su posebno relevantni i koriste se u raznim fizikalnim teorijama. U prirodnom sistemu jedinica kao osnovne jedinice uzimaju se osnovne konstante: brzina svetlosti u vakuumu − s, Plankova konstanta − ć, gravitaciona konstanta G N, Bolcmanova konstanta − k: Avogadrov broj − N A itd. U prirodnom sistemu Planckovih jedinica prihvaćeno je c = ć = G N = k = 1. Ovaj sistem jedinica se koristi u kosmologiji za opisivanje procesa u kojima su kvantni i gravitacijski efekti istovremeno značajni (teorije crnih rupa, teorije ranog svemira).
U prirodnom sistemu jedinica rješava se problem prirodne jedinice dužine. Ovo se može smatrati Comptonovom talasnom dužinom λ 0, koja je određena masom čestice M: λ 0 = ć/Ms.
Dužina karakteriše veličinu objekta. Dakle, za elektron, klasični radijus je r 0 = e 2 /m e c 2 = 2,81794·10 -13 cm (e, m e - naboj i masa elektrona). Klasični radijus elektrona ima značenje poluprečnika nabijene kuglice sa nabojem e (raspodjela je sferno simetrična), pri čemu je energija elektrostatičkog polja kuglice ε = γe 2 /r 0 jednaka ostatku energija elektrona m e c 2 (koristi se kada se razmatra Thompsonovo rasipanje svjetlosti).
Koristi se i radijus Borove orbite. Definira se kao udaljenost od jezgra na kojoj će se najvjerovatnije naći elektron u nepobuđenom atomu vodika
a 0 = ć 2 /m e e 2 (u sistemu SGS) i a 0 = (α/4π)R = 0,529·10 -10 m (u sistemu SI), α = 1/137.
Veličina nukleona r ≈ 10 -13 cm (1 femtometar). Karakteristične dimenzije atomskih sistema su 10 -8, nuklearnih sistema 10 -12 ÷ 10 -13 cm.
Vrijeme varira u širokom rasponu i definira se kao omjer udaljenosti R i brzine objekta v. Za mikroobjekte τ otrov = R/v = 5·10 -12 cm/10 9 cm/s ~ 5·10 -22 s;
τ element h = 10 -13 cm/3·10 10 cm/s = 3·10 -24 s.
mise objekti se mijenjaju od 0 do M. Dakle, masa elektrona m e ≈ 10 -27 g, masa protona
m r ≈ 10 -24 g (SGS sistem). Jedna jedinica atomske mase koja se koristi u atomskoj i nuklearnoj fizici, 1 amu. = M(C)/12 u jedinicama mase atoma ugljika.
Osnovne karakteristike mikro-objekata uključuju električni naboj, kao i karakteristike neophodne za identifikaciju elementarne čestice.
Električno punjenje
čestice Q se obično mjeri u jedinicama naelektrisanja elektrona. Naboj elektrona e = 1,6·10 -19 kulona. Za čestice u slobodnom stanju, Q/e = ±1,0, a za kvarkove koji su dio hadrona, Q/e = ±2/3 i ±1/3.
U jezgrima, naboj je određen brojem protona Z sadržanih u jezgru. Naelektrisanje protona apsolutna vrijednost jednak naboju elektrona.
Za identifikaciju elementarne čestice potrebno je znati:
I – izotopski spin;
J – unutrašnji ugaoni moment – spin;
P – prostorni paritet;
C – paritet naboja;
G − G-paritet.
Ova informacija je zapisana u obliku formule I G (J PC).
Spin− jedna od najvažnijih karakteristika čestice, za koju se koristi fundamentalna Plankova konstanta h ili ć = h/2π = 1,0544·10 -27 [erg-s]. Bozoni imaju cjelobrojni spin u jedinicama ć: (0,1, 2,...)ć, fermioni imaju polucijeli spin (1/2, 3/2,.. .)ć. U klasi supersimetričnih čestica, vrijednosti spina fermiona i bozona su obrnute.
Rice. Slika 4 ilustruje fizičko značenje spina J po analogiji sa klasičnim konceptom ugaonog momenta čestice mase m = 1 g koja se kreće brzinom v = 1 cm/s u krugu poluprečnika r = 1 cm , ugaoni moment J = mvr = L (L je orbitalni moment). U kvantnoj mehanici, J = = 10 27 ć = 1 erg·s za iste parametre objekta koji se kreće u krugu, gdje je ć = 1,05·10 -27 erg·s.
Projekcija spina elementarne čestice na smjer njenog momenta naziva se spiralnost. Heličnost čestice bez mase sa proizvoljnim spinom uzima samo dvije vrijednosti: duž ili protiv smjera impulsa čestice. Za foton, moguće vrijednosti spiralnosti su jednake ±1, za neutrino bez mase heličnost je jednaka ±1/2.
Spin ugaoni moment atomskog jezgra je definisan kao vektorski zbir spinova elementarnih čestica koje formiraju kvantni sistem i orbitalnih ugaonih momenata ovih čestica usled njihovog kretanja unutar sistema. Orbitalni moment ||, i spinski moment || dobijaju diskretno značenje. Orbitalni moment || = ć[ l(l+1)] 1/2 , gdje l− orbitalni kvantni broj (može imati vrijednosti 0, 1,2,...), unutrašnji ugaoni moment || = ć 1/2 gdje je s spin kvantni broj (može imati nulte, cjelobrojne ili polucijele vrijednosti J, ukupni ugaoni moment je jednak zbiru + = .
Izvedene jedinice uključuju: energiju čestice, brzinu, zamjensku brzinu za relativističke čestice, magnetni moment, itd.
Energijačestica u mirovanju: E = mc 2 ; pokretna čestica: E = m 2 c 4 + p 2 c 2.
Za nerelativističke čestice: E = mc 2 + p 2 /2m; za relativističke čestice, mase m = 0: E = avg.
Energetske jedinice - eV, keV, MeV, GeV, TeV, ... 1 GeV = 10 9 eV, 1 TeV = 10 12 eV,
1 eV = 1,6·10 -12 erg.
Brzina čestica
β = v/c, gdje je c = 3·10 10 cm/s brzina svjetlosti. Brzina čestice određuje tako važnu karakteristiku kao što je Lorentz faktor čestice γ = 1/(1-β 2) 1/2 = E/mc 2. Uvijek γ > 1- Za nerelativističke čestice 1< γ < 2, а для релятивистских частиц γ > 2.
U fizici visokih energija, brzina čestice β je blizu 1 i teško je odrediti za relativističke čestice. Stoga se umjesto brzine koristi brzina y, koja je povezana sa brzinom relacijom y = (1/2)ln[(1+β)/(1-β)] = (1/2)ln[(E +p)/(E-p) ]. Brzina varira od 0 do ∞.
Funkcionalni odnos između brzine čestice i brzine prikazan je na Sl. 5. Za relativističke čestice pri β → 1, E → p, tada umjesto brzine možemo koristiti pseudobrzinu η, koja je određena uglom odlaska čestice θ, η = (1/2)ln tan(θ/2) . Za razliku od brzine, brzina je aditivna veličina, tj. y 2 = y 0 + y 1 za bilo koji referentni okvir i za bilo koje relativističke i nerelativističke čestice.
Magnetski trenutak
μ = Iπr 2 /c, pri čemu struja I = ev/2πr nastaje zbog rotacije električnog naboja. Dakle, svaka nabijena čestica ima magnetni moment. Kada se razmatra magnetni moment elektrona, koristi se Borov magneton
μ B = eć/2m e c = 0,5788·10 -14 MeV/G, magnetni moment elektrona = g·μ B ·. Koeficijent g naziva se žiromagnetski odnos. Za elektron g = /μ B · = 2, jer J = ć/2, = μ B pod uslovom da je elektron tačkasta čestica bez strukture. Giromagnetski odnos g sadrži informacije o strukturi čestice. Količina (g − 2) se mjeri u eksperimentima koji imaju za cilj proučavanje strukture čestica osim leptona. Za leptone, ova vrijednost ukazuje na ulogu viših elektromagnetnih korekcija (vidi daljnji odjeljak 7.1).
U nuklearnoj fizici, nuklearni magneton se koristi μ i = eć/2m p c, gdje je m p masa protona.
2.1.1. Heaviside sistem i njegova veza sa GHS sistemom
U Hevisajdovom sistemu se pretpostavlja da su brzina svjetlosti c i Plankova konstanta ć jednake jedinici, tj. s = ć = 1. Glavne mjerne jedinice su jedinice energije − MeV ili MeV -1, dok su u GHS sistemu glavne mjerne jedinice [g, cm, s]. Zatim, koristeći relacije: E = mc 2 = m = MeV, l= ć/mc = MeV -1, t = ć/mc 2 = MeV -1, dobijamo vezu između Heaviside sistema i SGS sistema u obliku:- m(g) = m(MeV) 2 10 -27,
- l(cm) = l(MeV -1) 2 10 -11 ,
- t (s) = t (MeV -1) b.b 10 -22 .
Hevisajdov sistem se koristi u fizici visokih energija za opisivanje pojava koje se dešavaju u mikrokosmosu, a zasniva se na upotrebi prirodnih konstanti c i ć, koje su odlučujuće u relativističkoj i kvantnoj mehanici.
Numeričke vrijednosti odgovarajućih veličina u CGS sistemu za elektron i proton date su u tabeli. 3 i može se koristiti za prelazak s jednog sistema na drugi.
Tabela 3. Numeričke vrijednosti veličina u CGS sistemu za elektron i proton
2.1.2. Planck (prirodne) jedinice
Kada se razmatraju gravitacioni efekti, uvodi se Plankova skala za merenje energije, mase, dužine i vremena. Ako je gravitaciona energija nekog objekta jednaka njegovoj ukupnoj energiji, tj.
To
dužina = 1,6·10 -33 cm,
masa = 2,2·10 -5 g = 1,2·10 19 GeV,
vrijeme = 5,4·10 -44 s,
Gdje = 6,67·10 -8 cm 2 ·g -1 ·s -2 .
Gravitacioni efekti su značajni kada je gravitaciona energija objekta uporediva sa njegovom ukupnom energijom.
2.2. Klasifikacija elementarnih čestica
Koncept „elementarne čestice“ formiran je uspostavljanjem diskretne prirode strukture materije na mikroskopskom nivou.
Atomi → jezgra → nukleoni → partoni (kvarkovi i gluoni)
U modernoj fizici, termin "elementarne čestice" se koristi za imenovanje velike grupe sićušnih posmatranočestice materije. Ova grupa čestica je veoma opsežna: p protoni, n neutroni, π- i K-mezoni, hiperoni, šarmirane čestice (J/ψ...) i mnoge rezonancije (ukupno
~ 350 čestica). Ove čestice se nazivaju "hadroni".
Ispostavilo se da te čestice nisu elementarne, već predstavljaju kompozitne sisteme čiji su sastojci zaista elementarni ili, kako su ih nazvali, " fundamentalno
"čestice − partons, otkriven tokom proučavanja strukture protona. Proučavanje svojstava partona omogućilo je njihovu identifikaciju kvarkovi I gluoni, koje su Gell-Mann i Zweig uveli u razmatranje prilikom klasifikacije vidljivih elementarnih čestica. Ispostavilo se da su kvarkovi fermioni sa spinom J = 1/2. Njima su dodeljeni delimični električni naboji i barionski broj B = 1/3, pošto se barion sa B = 1 sastoji od tri kvarka. Osim toga, da bi se objasnila svojstva nekih bariona, postalo je neophodno uvesti novi kvantni broj - boju. Svaki kvark ima tri stanja boja, označena indeksima 1, 2, 3 ili riječima crveno (R), zeleno (G) i plavo (B). Boja se ni na koji način ne manifestira u posmatranim hadronima i djeluje samo unutar njih.
Do danas je otkriveno 6 aroma (tipova) kvarkova.
U tabeli 4 prikazuje svojstva kvarkova za jedno stanje boje.
Tabela 4. Svojstva kvarkova
Aroma | Masa, MeV/s 2 | I | I 3 | Q q /e | s | With | b | t |
u gore | 330; (5) | 1/2 | 1/2 | 2/3 | 0 | 0 | 0 | 0 |
d dolje | 340; (7) | 1/2 | -1/2 | -1/3 | 0 | 0 | 0 | 0 |
s čudno | 450; (150) | 0 | 0 | -1/3 | -1 | 0 | 0 | 0 |
sa šarmom | 1500 | 0 | 0 | 2/3 | 0 | 1 | 0 | 0 |
b lepota | 5000 | 0 | 0 | -1/3 | 0 | 0 | -1 | 0 |
t istina | 174000 | 0 | 0 | 2/3 | 0 | 0 | 0 | 1 |
Za svaku aromu kvarka navedena je njegova masa (date su mase sastavnih kvarkova, a mase trenutnih kvarkova u zagradama), izotopski spin I i 3. projekcija izotopskog spina I 3 , naboj kvarka Q q /e i kvantni brojevi s, c, b, t. Zajedno sa ovim kvantnim brojevima, često se koristi hipernaboj kvantnog broja Y = B + s + c + b+ t. Postoji veza između projekcije izotopskog spina I 3 , električnog naboja Q i hipernaboja Y: Q = I 3 + (1/2)Y.
Pošto svaki kvark ima 3 boje, potrebno je uzeti u obzir 18 kvarkova. Kvarkovi nemaju strukturu.
Istovremeno, među elementarnim česticama postojala je čitava klasa čestica zvanih " leptons"Oni su takođe fundamentalne čestice, tj. nemaju strukturu. Ima ih šest: tri naelektrisane e, μ, τ i tri neutralne ν e, ν μ, ν τ. Leptoni učestvuju samo u elektromagnetnim i slabim interakcijama. Leptoni i kvarkovi sa polucijelim spinom J = (n+1/2)ć, n = 0, 1,... Uočena je nevjerovatna simetrija između leptona i kvarkova.
U tabeli Slika 5 prikazuje svojstva osnovnih fermiona: električni naboj Q i u jedinicama naboja elektrona i mase čestice m. Leptoni i kvarkovi su kombinovani u tri generacije (I, II i III). Za svaku generaciju, zbir električnih naboja ∑Q i = 0, uzimajući u obzir 3 naboja u boji za svaki kvark. Svaki fermion ima odgovarajući antifermion.
Pored karakteristika čestica navedenih u tabeli, važnu ulogu za leptone imaju leptonski brojevi: elektron L e, jednak +1 za e - i ν e, mionski L μ, jednak +1 za μ - i ν μ i taonski L τ, jednako + 1 za τ - i ν τ, koji odgovaraju ukusima leptona uključenih u specifične reakcije i konzervirane su količine. Za leptone, barionski broj B = 0.
Tabela 5. Svojstva osnovnih fermiona
Materija oko nas sastoji se od fermiona prve generacije mase različite od nule. Uticaj čestica druge i treće generacije manifestovao se u ranom Univerzumu. Među fundamentalnim česticama, posebnu ulogu imaju fundamentalni gauge bozoni, koji imaju cijeli unutrašnji kvantni broj spina J = nć, n = 0, 1, .... Gauge bozoni su odgovorni za četiri tipa fundamentalnih interakcija: jake ( gluon g), elektromagnetski (foton γ), slab (bozoni W±, Z 0), gravitacioni (graviton G). Oni su takođe bezstrukturne, fundamentalne čestice.
U tabeli 6 pokazuje svojstva osnovnih bozona, koji su kvanti polja u kalibracijskim teorijama.
Tabela 6. Svojstva fundamentalnih bozona
Ime | Napunite | Težina | Spin | Interakcije |
Graviton, G | 0 | 0 | 2 | Gravitacioni |
Foton, γ | 0 | < 3·10 -27 эВ | 1 | Elektromagnetski |
Nabijeni vektorski bozoni, W ± | ±1 | 80,419 GeV/s 2 | 1 | Slabo |
Neutralni vektorski bozon, Z 0 | 0 | 91,188 GeV/s 2 | 1 | Slabo |
Gluoni, g 1 , ... , g 8 | 0 | 0 | 0 | Jaka |
Higgs, H 0 , H ± | 0 | > 100 GeV/s 2 | 0 |
Pored osobina otvorenih bozona γ, W ±, Z 0, g 1,..., g 8, u tabeli su prikazana svojstva do sada neotkrivenih bozona: gravitona G i Higsovih bozona H 0, H ±.
Razmotrimo sada najbrojniju grupu elementarnih čestica u jakoj interakciji - hadrone, da bismo objasnili čiju strukturu je uveden pojam kvarkova.
Hadroni se dijele na mezone i barione. Mezoni su građeni od kvarka i antikvarka (q). Barioni se sastoje od tri kvarka (q 1 q 2 q 3).
U tabeli 7 daje listu svojstava glavnih hadrona. (Za detaljne tabele pogledajte The European Physical Journal C, Rev. of Particle Phys., v.15, br. 1 - 4, 2000.)
Tabela 7. Svojstva hadrona
Ime | Masa, MeV/s 2 | Životni vijek, s | Režimi raspadanja | Sastav kvarka | |||||||||||
Božur π ± 1 - (0 -+) π 0 |
139.567 134.965 |
2,6·10 -8 |
π ± → μ ± + ν π 0 → γ + γ |
(u), (d) (u − d)/√2 |
|||||||||||
η-mezon η 0 0 + (0 -+) |
548.8 | G=1,18±0,11 keV | η 0 → γ + γ; 3π 0 →π + + π -0 + π -- |
c 1 (u + d) + c 2 (s) | |||||||||||
|
|||||||||||||||
D ± D0 |
1869.3 1864.5 |
10,69·10 -13 4,28·10 -13 |
D ± → e ± + X |
(c), (d) (c) |
|||||||||||
F ± = | 1969.3 | 4,36·10 -13 | → ρ 0 + π ± | (c, s) | |||||||||||
B ± B 0 |
5277.6 5279.4 | 13.1·10 -13 13.1·10 -13 |
B ± → + π ± B 0 →+ π -0 + |
(u), (b) (d), (b) |
|||||||||||
b | Proton p Neutron n |
938.3 939.5 |
> 10 33 godine 898 ±16 |
n → r + e - + |
uud udd |
||||||||||
Λ | 2,63·10 -10 | Λ→p + π - | uds | ||||||||||||
Σ + Σ 0 Σ - |
1189.4 1192 1197 |
0,8·10 -10 5,8·10 -20 1,48·10 -10 |
Σ + →p + π 0 Σ 0 → Λ+ γ Σ - →n + π - |
uus uds dds |
|||||||||||
Ξ 0 Ξ - |
1314.9 1321 |
2,9·10 -10 1,64·10 -10 |
Ξ 0 → Λ+ π 0 Ξ - → Λ + π - |
uss dss |
|||||||||||
Ω - | 1672 | 0,8·10 -10 | Ω - → Λ+ K - | sss | |||||||||||
|
|
|
Kvark struktura hadrona omogućava da se u ovoj velikoj grupi čestica razlikuju nečudni hadroni, koji se sastoje od nečudnih kvarkova (u, d), čudni hadroni, koji uključuju čudan kvark s, šarmirani hadroni koji sadrže c- kvark, lijepi hadroni (donji hadroni) sa b-kvarkom.
U tabeli su prikazana svojstva samo malog dijela adrona: mezona i bariona. Prikazani su njihova masa, životni vijek, glavni modovi raspada i sastav kvarka. Za mezone, barionski broj B = O i leptonski broj L = 0. Za barione, barionski broj B = 1, leptonski broj L = 0. Mezoni su bozoni (celobrojni spin), barioni su fermioni (polucelobrojni spin ).
Dalje razmatranje svojstava hadrona omogućava nam da ih kombinujemo u izotopske multiplete, koji se sastoje od čestica sa istim kvantnim brojevima (barionski broj, spin, unutrašnji paritet, čudnost) i sličnim masama, ali sa različitim električnim nabojem. Svaki izotopski multiplet karakterizira izotopski spin I, koji određuje ukupan broj čestica uključenih u multiplet, jednak 2I + 1. Izospin može imati vrijednosti 0, 1/2, 1, 3/2, 2, . .., tj. moguće je postojanje izotopskih singleta, dubleta, tripleta, kvarteta itd. Dakle, proton i neutron čine izotopski dublet, π + -, π - -, π 0 -mezoni se smatraju izotopskim tripletom.
Složeniji objekti u mikrokosmosu su atomska jezgra. Atomsko jezgro se sastoji od Z protona i N neutrona. Zbir Z + N = A je broj nukleona u datom izotopu. Često tabele daju prosječnu vrijednost za sve izotope, a onda ona postaje razlomka. Poznate su jezgre za koje su navedene vrijednosti u granicama: 1< А < 289, 1 < Z < 116.
Gore navedene čestice razmatraju se u okviru Standardnog modela. Pretpostavlja se da izvan Standardnog modela može postojati još jedna grupa fundamentalnih čestica - supersimetrične čestice (SUSY). Moraju osigurati simetriju između fermiona i bozona. U tabeli 8 prikazuje očekivana svojstva ove simetrije.
2.3. Terenski pristup problemu interakcija
2.3.1 Svojstva fundamentalnih interakcija
Ogromnu raznolikost fizičkih pojava koje se javljaju prilikom sudara elementarnih čestica određuju samo četiri vrste interakcija: elektromagnetska, slaba, jaka i gravitacijska. U kvantnoj teoriji interakcija je opisana u terminima razmjene specifičnih kvanta (bozona) povezanih sa datom vrstom interakcije.
Za vizualno predstavljanje interakcije čestica, američki fizičar R. Feynman predložio je korištenje dijagrama, koji su dobili njegovo ime. Feynmanovi dijagrami opisuju bilo koji proces interakcije kada se dvije čestice sudare. Svaka čestica uključena u proces je predstavljena linijom na Feynmanovom dijagramu. Slobodni lijevi ili desni kraj linije označavaju da je čestica u početnom ili konačnom stanju, respektivno. Unutrašnje linije na dijagramima (tj. linije koje nemaju slobodne krajeve) odgovaraju takozvanim virtuelnim česticama. To su čestice stvorene i apsorbirane tokom procesa interakcije. Ne mogu se registrovati, za razliku od pravih čestica. Interakcija čestica u dijagramu je predstavljena čvorovima (ili vrhovima). Tip interakcije karakteriše konstanta spajanja α, koja se može napisati kao: α = g 2 /ćc, gde je g naelektrisanje izvora interakcije, i glavna je kvantitativna karakteristika sile koja deluje između čestica. U elektromagnetnoj interakciji α e = e 2 /ćc = 1/137.
![]() Fig.6. Feynmanov dijagram. |
Proces a + b →s + d u obliku Feynmanovog dijagrama (slika 6) izgleda ovako: R je virtuelna čestica koja se razmenjuje između čestica a i b tokom interakcije određena interakcijskom konstantom α = g 2 /ćc, karakterizira jačinu interakcije na udaljenosti , jednakoj radijusu interakcije.
Virtuelna čestica može imati masu M x i kada se ta čestica razmjenjuje, prenosi se 4-momentum t = −q 2 = Q 2.
U tabeli 9 prikazuje karakteristike različite vrste interakcije.
Elektromagnetne interakcije
. Elektromagnetske interakcije, kojima su podložne sve nabijene čestice i fotoni, proučavane su najpotpunije i najdosljednije. Nosilac interakcije je foton. Za elektromagnetne sile, konstanta interakcije je numerički jednaka konstanti fine strukture α e = e 2 /ćc = 1/137.
Primjeri najjednostavnijih elektromagnetnih procesa su fotoelektrični efekat, Comptonov efekat, formiranje parova elektron-pozitron, a za nabijene čestice - jonizacijsko raspršivanje i kočno svjetlo. Teorija ovih interakcija - kvantna elektrodinamika - je najtačnija fizička teorija.
Slabe interakcije.
Po prvi put su uočene slabe interakcije tokom beta raspada atomskih jezgara. I, kako se ispostavilo, ovi raspadi su povezani s transformacijom protona u neutron u jezgru i obrnuto:
p → n + e + + ν e, n → p + e - + e. Moguće su i obrnute reakcije: hvatanje elektrona e - + p → n + ν e ili antineutrina e + p → e + + n. Slabu interakciju opisao je Enrico Fermi 1934. u terminima kontaktne interakcije četiri fermiona definirane Fermijevom konstantom
G F = 1,4·10 -49 erg·cm 3 .
Pri vrlo visokim energijama, umjesto interakcije Fermijevog kontakta, slaba interakcija se opisuje kao razmjenska interakcija, u kojoj se kvant sa slabim nabojem g w (po analogiji s električnim nabojem) razmjenjuje i djeluje između fermiona. Takvi kvanti su prvi put otkriveni 1983. godine na SppS sudaraču (CERN) od strane tima koji je predvodio Carl Rubbia. To su nabijeni bozoni - W ± i neutralni bozon - Z 0, njihove mase su respektivno jednake: m W± = 80 GeV/s 2 i m Z = 90 GeV/s 2. Konstanta interakcije α W u ovom slučaju je izražena kroz Fermijevu konstantu:
Tabela 9. Glavne vrste interakcija i njihove karakteristike