Particulă mică a universului atomic 5 litere. Particule elementare. Ce este spin

La începutul anilor 30 ai secolului XX, fizica a găsit o descriere acceptabilă a structurii materiei bazată pe patru tipuri de particule elementare - protoni, neutroni, electroni și fotoni. Adăugarea unei a cincea particule, neutrinul, a făcut posibilă, de asemenea, explicarea proceselor de dezintegrare radioactivă. Se părea că particulele elementare numite erau primele blocuri de construcție ale universului.

Dar această simplitate aparentă a dispărut curând. Curând a fost descoperit pozitronul. În 1936, primul mezon a fost descoperit printre produsele interacțiunii razelor cosmice cu materia. După aceasta, a fost posibil să se observe mezoni de altă natură, precum și alte particule neobișnuite. Aceste particule s-au născut sub influența razelor cosmice destul de rar. Cu toate acestea, după ce au fost construite acceleratoare care au făcut posibilă producerea de particule de înaltă energie, au fost descoperite peste 300 de noi particule.

Ce înseamnă atunci cuvântul „ elementar„? „Elementar” este antipodul logic al „complexului”. Particulele elementare înseamnă particulele primare, necompuse, care alcătuiesc toată materia. În anii patruzeci, o serie de transformări ale particulelor „elementare” erau deja cunoscute. Numărul de particule continuă să crească. Cele mai multe dintre ele sunt instabile. Dintre zecile de microparticule cunoscute, există doar câteva care sunt stabile și incapabile de transformări spontane nu este un semn de elementaritate?

Nucleul deuteriu (deuteron) este format dintr-un proton și un neutron. Ca particulă, deuteronul este complet stabil. În același timp, componenta deuteronului, neutronul, este radioactiv, adică. instabil. Acest exemplu arată că conceptele de stabilitate și elementaritate nu sunt identice. În fizica modernă termenul „Particule elementare” este de obicei folosită pentru a denumi un grup mare de particule minuscule de materie(care nu sunt atomi sau nuclee atomice).

Toate particulele elementare au mase și dimensiuni extrem de mici. Majoritatea dintre ele au o masă de ordinul masei unui proton (doar masa unui electron este vizibil mai mică
). Dimensiunile și masele microscopice ale particulelor elementare determină legile cuantice ale comportamentului lor. Cea mai importantă proprietate cuantică a tuturor particulelor elementare este capacitatea de a fi născut și distrus (emis și absorbit) atunci când interacționează cu alte particule.

Există patru tipuri de interacțiuni cunoscute între particule, de natură diferită: gravitațională, electromagnetică, nucleară, precum și interacțiune în toate procesele care implică neutrini. Care sunt caracteristicile celor patru tipuri de interacțiuni enumerate?

Cea mai puternică este interacțiunea dintre particulele nucleare ("forțe nucleare"). Această interacțiune este de obicei numită puternic. S-a remarcat deja că forțele nucleare acționează doar la distanțe foarte mici între particule: raza de acțiune este de aproximativ 10 -13 cm.

Următorul cel mai mare este electromagnetic interacţiune. Este mai puțin decât puternic cu două ordine de mărime. Dar cu distanța se schimbă mai lent, ca 1/ r 2, deci raza de acțiune a forțelor electromagnetice este infinită.

Urmează interacțiunea datorită participării neutrinilor la reacții. În ordinea mărimii, aceste interacțiuni sunt de 10 14 ori mai puține decât interacțiunile puternice. Aceste interacțiuni sunt de obicei numite slab. Aparent, gama de acțiune aici este aceeași ca și în cazul interacțiunii puternice.

Cea mai mică interacțiune cunoscută este gravitațională. Este mai mică decât cea puternică cu 39 de ordine de mărime - de 10 39 de ori! Odată cu distanța, forțele gravitaționale scad la fel de lent ca și forțele electromagnetice, astfel încât domeniul lor de acțiune este, de asemenea, infinit.

În spațiu, rolul principal revine interacțiunilor gravitaționale, deoarece Gama de acțiune a interacțiunilor puternice și slabe este neglijabilă. Interacțiunile electromagnetice joacă un rol limitat deoarece sarcinile electrice de semne opuse tind să formeze sisteme neutre. Forțele gravitaționale sunt întotdeauna forțe atractive. Ele nu pot fi compensate prin forța semnului opus, nu pot fi protejate de ele. De aici rolul lor dominant în spațiu.

Mărimea forțelor de interacțiune corespunde, de asemenea, cu timpul necesar realizării reacției cauzate de această interacțiune. Astfel, procesele cauzate de interacțiunea puternică necesită timp de ordinul a 10 -23 de secunde. (o reacție are loc atunci când particulele de înaltă energie se ciocnesc).

Timpul necesar pentru efectuarea procesului cauzat de interacțiunea electromagnetică necesită ~10 -21 sec., interacțiunea slabă necesită ~10 -9 sec. În reacțiile cauzate de interacțiunile particulelor, forțele gravitaționale nu joacă practic niciun rol.

Interacțiunile enumerate sunt aparent de altă natură, adică nu pot fi reduse una la alta. În prezent, nu există nicio modalitate de a judeca dacă aceste interacțiuni epuizează toate cele existente în natură. Clasa de particule elementare care participă la interacțiuni puternice se numește hadroni (protoni, neutroni etc.). O clasă de particule care nu au interacțiuni puternice se numesc leptoni. Leptonii includ electronul, muonul, neutrino, leptonul greu și antiparticulele corespunzătoare. Antiparticule, o colecție de particule elementare care au aceleași mase și alte caracteristici fizice ca „gemenii lor”, dar diferă de ele prin semnul unor caracteristici de interacțiune (de exemplu, sarcină electrică, moment magnetic): electron și pozitron, neutrin și antineutrin. Conform conceptelor moderne, neutrinii și antineutrinii diferă unul de celălalt prin una dintre caracteristicile cuantice - helicitatea, definită ca proiecția spinului unei particule pe direcțiile mișcării sale (impuls). Neutrinii au o rotire S orientat antiparalel cu pulsul R orientat antiparalel cu pulsul, adică direcții (de exemplu, sarcină electrică, moment magnetic): electron și pozitron, neutrin și antineutrin. Conform conceptelor moderne, neutrinii și antineutrinii diferă unul de celălalt prin una dintre caracteristicile cuantice - helicitatea, definită ca proiecția spinului unei particule pe direcțiile mișcării sale (impuls). Neutrinii au o rotireŞi

formează un șurub stâng și neutrinul are helicitate stânga (Fig. 6.2). Pentru antineutrini, aceste direcții formează un șurub de dreapta, adică. antineutrinii au helicitate la dreapta. Când o particulă și o antiparticulă se ciocnesc, ele pot fi distruse reciproc -"anihila".

Din legea conservării sarcinii rezultă că o particulă încărcată nu poate apărea fără apariția alteia cu sarcini de semne opuse (astfel încât sarcina totală a întregului sistem de particule să nu se modifice). Un exemplu de astfel de reacție este reacția de transformare a unui neutron într-un proton cu formarea simultană a unui electron și emisia unui neutrin.

. (6.9)

Sarcina electrică este reținută în timpul acestei transformări. În același mod, se păstrează atunci când un foton se transformă într-o pereche electron-pozitron sau când aceeași pereche se naște ca urmare a unei coliziuni a doi electroni.

Există o ipoteză că toate particulele elementare sunt combinații de trei particule de bază numite quarcuri, și antiparticulele lor. Quarcii nu au fost descoperiți în stare liberă (în ciuda numeroaselor căutări ale acestora la acceleratori de energie înaltă, în razele cosmice și în mediu).

Este imposibil de descris proprietățile și transformările microparticulelor fără nicio sistematizare. Nu există o sistematizare bazată pe o teorie strictă.

Cele două grupuri principale de particule elementare interacționează puternic ( hadronii) și care interacționează slab ( leptoni) particule. Hadronii sunt împărțiți în mezonii, adică direcții barionii. Barionii sunt împărțiți în, adică direcții nucleonii hiperonii

. Leptonii includ electroni, muoni și neutrini. Mai jos sunt valorile după care sunt clasificate microparticulele. 1. Vrac sau barionică număr barionică O barionică. Numeroase fapte observate în procesul de fisiune nucleară și crearea unei perechi nucleon-antinucleon sugerează că în orice proces numărul de nucleoni rămâne constant. Tuturor barionilor li se atribuie un număr

= +1, la fiecare antiparticulă = –1. Legea conservării sarcinii barionului este îndeplinită exact în toate procesele nucleare. Particulele complexe au valori multiple ale numărului barionic. Toți mezonii și leptonii au un număr barion de zero. 2. Sarcina electrică

3. q reprezintă numărul de unități de sarcină electrică (în unități de sarcină pozitivă a unui proton) inerente particulei. Spin izotopicSpin izotopic, Spin izotopic(nu are legătură cu rotirea reală). Forțele care acționează între nucleonii dintr-un nucleu sunt aproape independente de tipul de nucleoni, adică. interacțiuni nucleare r (nu are legătură cu rotirea reală). Forțele care acționează între nucleonii dintr-un nucleu sunt aproape independente de tipul de nucleoni, adică. interacțiuni nucleare(nu are legătură cu rotirea reală). Forțele care acționează între nucleonii dintr-un nucleu sunt aproape independente de tipul de nucleoni, adică. interacțiuni nucleare n Şi sunt la fel. Această simetrie a forțelor nucleare duce la conservarea unei cantități numite spin izotopic.

4. Isospin. Pentru a explica de ce nu au loc unele procese care implică hadroni, M. Gell-Mann și K. Nishijima au propus în 1953 introducerea unui nou număr cuantic, pe care l-au numit ciudățenie. Stranietatea hadronilor stabili variază de la –3 la +3 (numere întregi). Ciudația leptonilor nu a fost determinată. În interacțiunile puternice, ciudățenia persistă.

5. Învârtiți. Caracterizează momentul unghiular de spin.

6. Paritate. O proprietate internă a unei particule asociată cu simetria acesteia față de dreapta și stânga. Până de curând, fizicienii credeau că nu există nicio diferență între dreapta și stânga. Ulterior, s-a dovedit că nu sunt echivalente pentru toate procesele de interacțiune slabă - ceea ce a fost una dintre cele mai surprinzătoare descoperiri din fizică.

În fizica clasică, materia și câmpul fizic erau opuse unul altuia ca două tipuri de materie. Materia este alcătuită din particule elementare; este un tip de materie care are masă în repaus. Structura materiei este discretă, în timp ce cea a câmpului este continuă. Dar fizica cuantică a condus la nivelarea acestei idei. În fizica clasică, se crede că particulele sunt acționate de câmpuri de forță - gravitaționale și electromagnetice. Fizica clasică nu cunoștea alte domenii. În fizica cuantică, în spatele câmpurilor ei văd adevărații purtători de interacțiune - cuantele acestor câmpuri, adică. particule. Pentru câmpurile clasice, aceștia sunt gravitoni și fotoni. Când câmpurile sunt suficient de puternice și există o mulțime de cuante, încetăm să le distingem ca particule individuale și le percepem ca un câmp. Purtătorii interacțiunilor puternice sunt gluonii. Pe de altă parte, orice microparticulă (element de materie) are o natură dublă particule-undă.

Din moment ce indici i, k, lîn formulele structurale valorile trec prin 1, 2, 3, 4, numărul de mezoni Mik cu o rotire dată ar trebui să fie egală cu 16. Pentru barioni Bikl numărul maxim posibil de stări pentru un spin dat (64) nu este realizat, deoarece în virtutea principiului Pauli, pentru un spin total dat, sunt permise doar stări de trei cuarci care au o simetrie bine definită în raport cu permutările lui. indicii i, k, 1,și anume: complet simetric pentru spin 3/2 și simetrie mixtă pentru spin 1/2. Această condiție este l = 0 selectează 20 de stări de barion pentru spin 3/2 și 20 pentru spin 1/2.

O examinare mai detaliată arată că valoarea compoziției cuarcilor și proprietăților de simetrie ale sistemului de cuarci face posibilă determinarea tuturor numerelor cuantice de bază ale hadronului ( J, P, B, Q, I, Y, Ch), excluzând masa; determinarea masei necesită cunoașterea dinamicii interacțiunii cuarcilor și a masei cuarcilor, care nu este încă disponibilă.

Transmiterea corectă a specificului hadronilor cu cele mai mici mase și spini la valori date YŞi Ch, Modelul cuarcului explică, de asemenea, în mod natural numărul mare de hadroni și predominanța rezonanțelor între aceștia. Numărul mare de hadroni este o reflectare a structurii lor complexe și a posibilității existenței diferitelor stări excitate ale sistemelor de quarci. Este posibil ca numărul de astfel de stări excitate să fie nelimitat. Toate stările excitate ale sistemelor de quarci sunt instabile în ceea ce privește tranzițiile rapide din cauza interacțiunilor puternice în stările subiacente. Ele formează cea mai mare parte a rezonanțelor. O mică fracțiune de rezonanțe constă și din sisteme de quarci cu orientări paralele de spin (cu excepția lui W -). Configurații Quark cu orientare de spin antiparalelă, legate de baza. stări, formează hadroni cvasistabili și un proton stabil.

Excitațiile sistemelor de quarci apar atât datorită modificărilor mișcării de rotație a quarcilor (excitații orbitale), cât și datorită modificărilor spațiilor acestora. localizare (excitații radiale). În primul caz, o creștere a masei sistemului este însoțită de o modificare a spinului total Jși paritate orientat antiparalel cu pulsul sistem, în al doilea caz creșterea de masă are loc fără modificare J P . De exemplu, mezoni cu JP= 2 + sunt prima excitație orbitală ( l = 1) mezoni cu J P = 1 - . Corespondența dintre 2 + mezoni și 1 - mezoni ai structurilor identice de quarci este văzută clar în exemplul multor perechi de particule:

Mezonii r" și y" sunt exemple de excitații radiale ale mezonilor r- și respectiv y (vezi.

Excitațiile orbitale și radiale generează secvențe de rezonanțe corespunzătoare aceleiași structuri inițiale de quarc. Lipsa de informații fiabile despre interacțiunea cuarcilor nu ne permite încă să facem calcule cantitative ale spectrelor de excitație și să tragem concluzii despre numărul posibil de astfel de stări excitate până la posibilitatea unei descrieri foarte convenabile a hadronilor. Ulterior, au fost efectuate experimente care ne permit să vorbim despre quarci ca formațiuni materiale reale în interiorul hadronilor. Primele au fost experimente privind împrăștierea electronilor de către nucleoni la unghiuri foarte mari. Aceste experimente (1968), care amintesc de experimentele clasice ale lui Rutherford privind împrăștierea particulelor alfa pe atomi, au relevat prezența formațiunilor încărcate punctiforme în interiorul nucleonului. Compararea datelor din aceste experimente cu date similare privind împrăștierea neutrinilor pe nucleoni (1973-75) a făcut posibilă tragerea unei concluzii despre valoarea medie pătrată a sarcinii electrice a acestor formațiuni punctuale. Rezultatul s-a dovedit a fi surprinzător de aproape de valoarea 1 / 2 [(2 / 3 e) 2 +(1 / 3 e) 2 ]. Studiul procesului de producere a hadronului în timpul anihilării unui electron și a unui pozitron, care se presupune că trece prin succesiunea proceselor: ® hadroni, a indicat prezența a două grupuri de hadroni asociate genetic cu fiecare dintre quarcii rezultați și a făcut-o posibil să se determine spinul quarcilor. S-a dovedit a fi egal cu 1/2. Numărul total de hadroni născuți în acest proces indică, de asemenea, că quarcurile din trei soiuri apar în stare intermediară, adică quarcurile sunt tricolore.

Astfel, numerele cuantice ale quarcilor, introduse pe baza unor considerații teoretice, au fost confirmate într-o serie de experimente. Quarcii dobândesc treptat statutul de noi particule de electroni Dacă cercetările ulterioare confirmă această concluzie, atunci quarcii sunt concurenți serioși pentru rolul adevăratelor particule de electroni pentru forma hadronică a materiei. Până la lungimi ~ 10 -15 cm quarcii acționează ca formațiuni punctuale fără structură. Numărul de tipuri cunoscute de quarci este mic. În viitor, s-ar putea, desigur, să se schimbe: nu se poate garanta că la energii mai mari hadroni cu numere cuantice noi, care își datorează existența noilor tipuri de quarci, nu vor fi descoperite. Detectare Y-mesons confirmă acest punct de vedere. Dar este foarte posibil ca creșterea numărului de quarci să fie mică, ca principiile generale să impună limite asupra numărului total de quarci, deși aceste limite nu sunt încă cunoscute. De asemenea, lipsa de structură a quarcilor reflectă, probabil, doar nivelul atins de cercetare a acestor formațiuni materiale. Cu toate acestea, o serie de trăsături specifice ale quarcilor oferă anumite motive pentru a presupune că quarcurile sunt particule care completează lanțul de componente structurale ale materiei.

Quarcii diferă de toate celelalte particule de electroni prin faptul că nu au fost încă observați în stare liberă, deși există dovezi ale existenței lor într-o stare legată. Unul dintre motivele neobservării quarcilor poate fi masa lor foarte mare, care împiedică producerea lor la energiile acceleratoarelor moderne. Este posibil, totuși, ca quarkurile în mod fundamental, datorită naturii specifice a interacțiunii lor, să nu fie în stare liberă. Există argumente teoretice și experimentale în favoarea faptului că forțele care acționează între quarci nu slăbesc odată cu distanța. Aceasta înseamnă că este necesară infinit mai multă energie pentru a separa quarcii unul de celălalt sau, în caz contrar, apariția quarcilor în stare liberă este imposibilă. Incapacitatea de a izola quarcii într-o stare liberă îi face un tip complet nou de unități structurale ale materiei. Nu este clar, de exemplu, dacă este posibil să se ridice problema părților constitutive ale quarcilor dacă quarcurile înșiși nu pot fi observate în stare liberă. Este posibil ca în aceste condiții, părți ale quarcilor să nu se manifeste fizic deloc și, prin urmare, quarcurile acționează ca ultima etapă de fragmentare a materiei hadronice.

Particule elementare și teoria câmpului cuantic.

Pentru a descrie proprietățile și interacțiunile particulelor de electroni în teoria modernă, conceptul de fizică este esențial. câmp, care este atribuit fiecărei particule. Un câmp este o formă specifică a materiei; este descris de o funcție specificată în toate punctele ( X)spațiu-timp și care posedă anumite proprietăți de transformare în raport cu transformările grupului Lorentz (scalar, spinor, vector etc.) și grupuri de simetrii „interne” (scalar izotopic, spinor izotopic etc.). Un câmp electromagnetic cu proprietățile unui vector cu patru dimensiuni Și m (x) (m = 1, 2, 3, 4) este istoric primul exemplu de câmp fizic. Câmpurile care sunt comparate cu particulele E. sunt de natură cuantică, adică energia și impulsul lor sunt compuse din mai multe părți. porțiuni - cuante, iar energia E k și impulsul p k al cuantii sunt legate prin relația teoriei relativității speciale: E k 2 = p k 2 c 2 + m 2 c 2 . Fiecare astfel de cuantă este o particulă de electroni cu o energie dată E k , impuls p k și masa m Cuantele câmpului electromagnetic sunt fotoni, cuantele altor câmpuri corespund tuturor celorlalte particule de electroni cunoscute reflectare a existenței unei colecții infinite de particule - cuante. Aparatul matematic special al teoriei câmpurilor cuantice face posibilă descrierea nașterii și distrugerii unei particule în fiecare punct x.

Proprietățile de transformare ale câmpului determină toate numerele cuantice ale particulelor E. Proprietățile de transformare în raport cu transformările spațiu-timp (grupul Lorentz) determină spinul particulelor. Astfel, unui scalar îi corespunde spin 0, un spinor - spin 1/2, un vector - spin 1 etc. Urmează existența unor numere cuantice precum L, B, 1, Y, Ch și pentru quarci și gluoni „culoarea” din proprietățile de transformare ale câmpurilor în raport cu transformările „spațiilor interne” („spațiu de sarcină”, „spațiu izotopic”, „spațiu unitar”, etc.). Existența „culorii” în quarci, în special, este asociată cu un spațiu unitar special „colorat”. Introducerea „spațiilor interne” în aparatul teoretic este încă un dispozitiv pur formal, care, totuși, poate servi ca un indiciu că dimensiunea spațiu-timp fizic, reflectată în proprietățile E. Ch., este de fapt mai mare. decât patru - dimensiunea spațiu-timp caracteristică tuturor proceselor fizice macroscopice. Masa unui electron nu este direct legată de proprietățile de transformare ale câmpurilor; aceasta este caracteristica lor suplimentară.

Pentru a descrie procesele care au loc cu particulele de electroni, este necesar să se cunoască modul în care diferitele câmpuri fizice sunt legate între ele, adică să cunoască dinamica câmpurilor. În aparatul modern al teoriei cuantice a câmpurilor, informațiile despre dinamica câmpurilor sunt conținute într-o cantitate specială exprimată prin câmpuri - lagrangianul (mai precis, densitatea lagrangiană) L. Cunoașterea lui L permite, în principiu, să se calculeze probabilitățile de trece de la un set de particule la altul sub influența diferitelor interacțiuni. Aceste probabilități sunt date de așa-numitele. matricea de împrăștiere (W. Heisenberg, 1943), exprimată prin L. Lagrangianul L constă din Lagrangianul L, care descrie comportamentul câmpurilor libere și interacțiunea Lagrangian, L, construită din câmpurile diferitelor particule și reflectând posibilitatea transformările lor reciproce. Cunoașterea Lz este decisivă pentru descrierea proceselor cu E. h.

Toate particulele elementare cu cinci litere sunt enumerate mai jos. Pentru fiecare definiție este dată o scurtă descriere.

Dacă aveți ceva de adăugat, atunci mai jos aveți la dispoziție un formular de comentarii, în care vă puteți exprima opinia sau adăuga la articol.

Lista particulelor elementare

Foton

Este o cantitate de radiație electromagnetică, de exemplu lumina. Lumina, la rândul său, este un fenomen care constă din fluxuri de lumină. Un foton este o particulă elementară. Un foton are sarcină neutră și masă zero. Spinul fotonului este egal cu unitatea. Fotonul poartă interacțiunea electromagnetică între particulele încărcate. Termenul foton provine din grecescul phos, care înseamnă lumină.

Phonon

Este o cvasiparticulă, un cuantum de vibrații elastice și deplasări ale atomilor și moleculelor rețelei cristaline dintr-o poziție de echilibru. În rețelele cristaline, atomii și moleculele interacționează în mod constant, împărtășind energia unul cu celălalt. În acest sens, este aproape imposibil să studiezi fenomene similare cu vibrațiile atomilor individuali din ele. Prin urmare, vibrațiile aleatorii ale atomilor sunt de obicei considerate în funcție de tipul de propagare a undelor sonore în interiorul unei rețele cristaline. Cuantele acestor unde sunt fononi. Termenul phonon provine din grecescul telefon - sunet.

Phazon

Fazonul de fluctuon este o cvasiparticulă, care este o excitație în aliaje sau într-un alt sistem heterofazic, formând un puț de potențial (regiune ferromagnetică) în jurul unei particule încărcate, să zicem un electron, și captând-o.

Roton

Este o cvasiparticulă care corespunde excitației elementare în heliul superfluid, în regiunea impulsurilor mari, asociată cu apariția mișcării vortex într-un lichid superfluid. Roton, tradus din latină înseamnă - tors, tors. Rotonul apare la temperaturi de peste 0,6 K și determină proprietăți exponențial dependente de temperatură ale capacității termice, cum ar fi entropia de densitate normală și altele.

Meson

Este o particulă neelementară instabilă. Un mezon este un electron greu din razele cosmice.
Masa unui mezon este mai mare decât masa unui electron și mai mică decât masa unui proton.

Mezonii au un număr par de quarci și antiquarci. Mesonii includ Pioni, Kaoni și alți mezoni grei.

Quarc

Este o particulă elementară de materie, dar până acum doar ipotetic. Cuarcii sunt de obicei numiți șase particule și antiparticulele lor (antiquarci), care, la rândul lor, formează un grup de particule elementare speciale hadroni.

Se crede că particulele care participă la interacțiuni puternice, cum ar fi protonii, neuronii și alții, constau din quarci strâns conectați unul cu celălalt. Quarcii există în mod constant în diferite combinații. Există o teorie conform căreia quarcurile ar putea exista în formă liberă în primele momente după Big Bang.

Gluon

Particulă elementară. Potrivit unei teorii, gluonii par să lipească quarcii, care, la rândul lor, formează particule precum protoni și neuroni. În general, gluonii sunt cele mai mici particule care formează materie.

boson

Boson-cvasiparticulă sau Bose-particulă. Un boson are spin zero sau întreg. Numele este dat în onoarea fizicianului Shatyendranath Bose. Un boson este diferit prin faptul că un număr nelimitat dintre ei poate avea aceeași stare cuantică.

Hadron

Un hadron este o particulă elementară care nu este cu adevărat elementară. Se compune din quarci, antiquarci și gluoni. Hadronul nu are încărcătură de culoare și participă la interacțiuni puternice, inclusiv la cele nucleare. Termenul hadron, din grecescul adros, înseamnă mare, masiv.

Așteptați ca widgetul cronologic să se încarce.
JavaScript trebuie să fie activat pentru a vizualiza.

Dacă dezintegrarile puternice au fost grupate în regiunea yoctosecundelor, cele electromagnetice - în vecinătatea attosecundelor, atunci dezintegrarile slabe „au urmat responsabilitatea tuturor” - au acoperit la fel de mult 27 de ordine de mărime pe scara timpului!

La capetele extreme ale acestei game inimaginabil de largi se află două cazuri „extreme”.

Dezintegrarea cuarcului superior și a particulelor purtătoare de forță slabă (bosonii W și Z) au loc aproximativ 0,3 este= 3·10 −25 s. Acestea sunt cele mai rapide dezintegrare dintre toate particulele elementare și, în general, cele mai rapide procese cunoscute în mod fiabil de fizica modernă. Se dovedește astfel, deoarece acestea sunt dezintegrarile cu cea mai mare eliberare de energie.
Cea mai lungă particulă elementară, neutronul, trăiește aproximativ 15 minute. Un timp atât de uriaș după standardele microcosmosului se explică prin faptul că acest proces (descompunerea beta a unui neutron într-un proton, electron și antineutrin) are o eliberare de energie foarte mică. Această eliberare de energie este atât de slabă încât în condiții adecvate (de exemplu, în interiorul unui nucleu atomic), această dezintegrare poate fi deja nefavorabilă din punct de vedere energetic, iar apoi neutronul devine complet stabil. Nucleele atomice, toată materia din jurul nostru, și noi înșine existăm doar datorită acestei slăbiciuni uimitoare a dezintegrarii beta.

Între aceste extreme, cele mai multe dezintegrari slabe apar și mai mult sau mai puțin compact. Ele pot fi împărțite în două grupe, pe care le vom numi aproximativ: dezintegrari slabe rapide și dezintegrari slabe lente.

Cele rapide sunt dezintegrari care durează aproximativ o picosecundă. Deci, este surprinzător cum s-au dezvoltat cifrele din lumea noastră că durata de viață a câtorva zeci de particule elementare se încadrează într-un interval restrâns de valori de la 0,4 la 2 ps. Aceștia sunt așa-numiții hadroni fermecați și drăguți - particule care conțin un quarc greu.

Picosecundele sunt minunate, pur și simplu sunt neprețuite din punctul de vedere al experimentelor la colisionare! Faptul este că în 1 ps o particulă va avea timp să zboare o treime de milimetru, iar un detector modern poate măsura cu ușurință distanțe atât de mari. Datorită acestor particule, imaginea ciocnirilor de particule la ciocnitor devine „ușor de citit” - aici a avut loc ciocnirea și crearea unui număr mare de hadroni, iar acolo, puțin mai departe, au avut loc dezintegrari secundare. Durata de viață devine direct măsurabilă, ceea ce înseamnă că devine posibil să se afle ce fel de particule a fost și abia apoi să se utilizeze aceste informații pentru o analiză mai complexă.

Degradările lente și slabe sunt dezintegrari care încep de la sute de picosecunde și se extind pe întregul interval de nanosecunde. Aceasta include clasa așa-numitelor „particule ciudate” - numeroși hadroni care conțin un quarc ciudat. În ciuda numelui lor, pentru experimentele moderne nu sunt deloc ciudate, ci, dimpotrivă, sunt cele mai obișnuite particule. Pur și simplu arătau ciudat în anii 50 ai secolului trecut, când fizicienii au început brusc să le descopere unul după altul și nu le-au înțeles prea bine proprietățile. Apropo, abundența de hadroni ciudați a fost cea care i-a împins pe fizicieni în urmă cu jumătate de secol la ideea de quarci.

Din punctul de vedere al experimentelor moderne cu particule elementare, nanosecundele sunt multe. Acest lucru este atât de mult încât particulele ejectate din accelerator pur și simplu nu au timp să se dezintegreze, ci străpunge detectorul, lăsând amprenta în el. Desigur, atunci se va bloca undeva în materialul detectorului sau în rocile din jurul lui și se va dezintegra acolo. Dar fizicienilor nu le mai pasă de această degradare, ei sunt interesați doar de urma pe care aceasta a lăsat-o în interiorul detectorului. Deci, pentru experimentele moderne, astfel de particule par aproape stabile; de aceea sunt numite termenul „intermediar” - particule metastabile.

Ei bine, cea mai lungă particulă, fără a număra neutronul, este muonul - un fel de „frate” al electronului. Nu participă la interacțiuni puternice, nu se descompune din cauza forțelor electromagnetice, așa că rămân doar interacțiuni slabe pentru el. Și, deoarece este destul de ușor, trăiește 2 microsecunde - o întreagă epocă la scara particulelor elementare.

În fizică, particulele elementare erau obiecte fizice la scara nucleului atomic care nu pot fi împărțite în părțile lor componente. Cu toate acestea, astăzi, oamenii de știință au reușit să împartă unele dintre ele. Structura și proprietățile acestor obiecte minuscule sunt studiate de fizica particulelor.

Cele mai mici particule care alcătuiesc toată materia sunt cunoscute din cele mai vechi timpuri. Cu toate acestea, fondatorii așa-numitului „atomism” sunt considerați a fi filozoful grec antic Leucip și cel mai faimos student al său, Democrit. Se presupune că acesta din urmă a inventat termenul „atom”. Din greaca veche „atomos” este tradus ca „indivizibil”, ceea ce determină părerile filozofilor antici.

Mai târziu s-a cunoscut că atomul poate fi încă împărțit în două obiecte fizice - nucleul și electronul. Ulterior, aceasta din urmă a devenit prima particulă elementară, când în 1897 englezul Joseph Thomson a efectuat un experiment cu raze catodice și a descoperit că acestea erau un flux de particule identice cu aceeași masă și sarcină.

În paralel cu munca lui Thomson, Henri Becquerel, care studiază razele X, efectuează experimente cu uraniu și descoperă un nou tip de radiație. În 1898, o pereche de fizicieni francezi, Marie și Pierre Curie, au studiat diferite substanțe radioactive, descoperind aceeași radiație radioactivă. Mai târziu s-a descoperit că este format din particule alfa (2 protoni și 2 neutroni) și particule beta (electroni), iar Becquerel și Curie vor primi Premiul Nobel. În timpul cercetărilor sale cu elemente precum uraniu, radiu și poloniu, Marie Sklodowska-Curie nu a luat nicio măsură de siguranță, inclusiv nici măcar nu a folosit mănuși. Drept urmare, în 1934 a fost depășită de leucemie. În amintirea realizărilor marelui om de știință, elementul descoperit de cuplul Curie, poloniul, a fost numit în onoarea patriei Mariei - Polonia, din latină - Polonia.

Fotografie de la al V-lea Congres Solvay 1927. Încercați să găsiți toți oamenii de știință din acest articol în această fotografie.

Din 1905, Albert Einstein și-a dedicat publicațiile imperfecțiunii teoriei ondulatorii a luminii, ale cărei postulate erau în contradicție cu rezultatele experimentelor. Ceea ce l-a condus ulterior pe remarcabilul fizician la ideea unui „cuantum de lumină” - o porțiune de lumină. Mai târziu, în 1926, a fost numit „foton”, tradus din grecescul „phos” („lumină”), de către fizicianul american Gilbert N. Lewis.

În 1913, Ernest Rutherford, un fizician britanic, pe baza rezultatelor experimentelor deja efectuate la acel moment, a observat că masele nucleelor multor elemente chimice sunt multipli ai masei nucleului de hidrogen. Prin urmare, el a sugerat că nucleul de hidrogen este o componentă a nucleelor altor elemente. În experimentul său, Rutherford a iradiat un atom de azot cu particule alfa, care, ca urmare, a emis o anumită particulă, numită de Ernest drept „proton”, din celelalte „protos” grecești (primul, principal). Mai târziu s-a confirmat experimental că protonul este un nucleu de hidrogen.

Evident, protonul nu este singurul component al nucleelor elementelor chimice. Această idee este condusă de faptul că doi protoni din nucleu s-ar respinge unul pe altul, iar atomul s-ar dezintegra instantaneu. Prin urmare, Rutherford a emis ipoteza prezenței unei alte particule, care are o masă egală cu masa unui proton, dar este neîncărcată. Unele experimente ale oamenilor de știință privind interacțiunea elementelor radioactive și mai ușoare i-au condus la descoperirea unei alte radiații noi. În 1932, James Chadwick a stabilit că este format din acele particule foarte neutre pe care le-a numit neutroni.

Astfel, au fost descoperite cele mai cunoscute particule: foton, electron, proton și neutron.

Mai mult, descoperirea de noi obiecte subnucleare a devenit un eveniment din ce în ce mai frecvent, iar în prezent sunt cunoscute aproximativ 350 de particule, care sunt în general considerate „elementare”. Acele dintre ele care nu au fost încă divizate sunt considerate lipsite de structură și sunt numite „fundamentale”.

Ce este spin?

Înainte de a continua cu noi inovații în domeniul fizicii, trebuie determinate caracteristicile tuturor particulelor. Cel mai cunoscut, în afară de masă și sarcină electrică, este și spinul. Această cantitate este altfel numită „moment unghiular intrinsec” și nu are nicio legătură cu mișcarea obiectului subnuclear în ansamblu. Oamenii de știință au reușit să detecteze particule cu spin 0, ½, 1, 3/2 și 2. Pentru a vizualiza, deși simplificat, spinul ca proprietate a unui obiect, luați în considerare următorul exemplu.

Fie ca un obiect să aibă o rotație egală cu 1. Apoi, un astfel de obiect, atunci când este rotit la 360 de grade, se va întoarce la poziția inițială. Într-un avion, acest obiect poate fi un creion, care, după o întoarcere la 360 de grade, va ajunge în poziția inițială. În cazul rotației zero, indiferent de modul în care se rotește obiectul, acesta va arăta întotdeauna la fel, de exemplu, o minge de o singură culoare.

Pentru o jumătate de rotire, veți avea nevoie de un obiect care își păstrează aspectul atunci când este rotit la 180 de grade. Poate fi același creion, doar ascuțit simetric pe ambele părți. O rotire de 2 va necesita menținerea formei atunci când este rotită la 720 de grade, iar o rotire de 3/2 va necesita 540.

Această caracteristică este foarte importantă pentru fizica particulelor.

Model standard de particule și interacțiuni

Având un set impresionant de micro-obiecte care alcătuiesc lumea din jurul nostru, oamenii de știință au decis să le structureze și astfel s-a format binecunoscuta structură teoretică numită „Modelul Standard”. Ea descrie trei interacțiuni și 61 de particule folosind 17 fundamentale, dintre care unele le-a prezis cu mult înainte de descoperire.

Cele trei interacțiuni sunt:

Electromagnetic. Are loc între particulele încărcate electric. Într-un caz simplu, cunoscut de la școală, obiectele încărcate opus se atrag, iar obiectele încărcate similar se resping. Acest lucru se întâmplă prin așa-numitul purtător al interacțiunii electromagnetice - fotonul.
Puternic, altfel cunoscut sub numele de interacțiune nucleară. După cum sugerează și numele, acțiunea sa se extinde la obiecte de ordinul nucleului atomic, este responsabilă de atragerea protonilor, neutronilor și a altor particule formate, de asemenea, din quarci. Interacțiunea puternică este purtată de gluoni.
Slab. Eficient la distanțe cu o mie mai mici decât dimensiunea miezului. Leptonii și quarcii, precum și antiparticulele lor, participă la această interacțiune. Mai mult, în cazul unei interacțiuni slabe, se pot transforma unul în celălalt. Purtătorii sunt bosonii W+, W− și Z0.

Deci, Modelul Standard a fost format după cum urmează. Acesta include șase quarci, din care toți hadronii (particulele supuse unei interacțiuni puternice) sunt compuși:

Superior(u);
Fermecat (c);
adevărat(t);
Inferioară (d);
Ciudat(e);
Adorabil (b).

Este clar că fizicienii au o mulțime de epitete. Celelalte 6 particule sunt leptoni. Acestea sunt particule fundamentale cu spin ½ care nu participă la interacțiunea puternică.

electron;
Neutrinul electronic;
Muon;
neutrin muon;
Tau lepton;
Neutrinul Tau.

Iar al treilea grup al modelului standard sunt bosonii gauge, care au un spin egal cu 1 și sunt reprezentați ca purtători de interacțiuni:

Gluon – puternic;
Foton – electromagnetic;
Z-boson - slab;
Bosonul W este slab.

Acestea includ și particula spin-0 recent descoperită, care, pur și simplu, conferă masă inertă tuturor celorlalte obiecte subnucleare.

Drept urmare, conform Modelului Standard, lumea noastră arată astfel: toată materia constă din 6 quarci, formând hadroni și 6 leptoni; toate aceste particule pot participa la trei interacțiuni, ai căror purtători sunt bosoni gauge.

Dezavantajele modelului standard

Cu toate acestea, chiar înainte de descoperirea bosonului Higgs, ultima particulă prezisă de Modelul Standard, oamenii de știință depășiseră limitele acestuia. Un exemplu izbitor în acest sens este așa-numitul. „interacțiune gravitațională”, care este la egalitate cu ceilalți astăzi. Probabil că purtătorul său este o particulă cu spin 2, care nu are masă și pe care fizicienii nu au reușit încă să o detecteze - „gravitonul”.

Mai mult decât atât, Modelul Standard descrie 61 de particule, iar astăzi peste 350 de particule sunt deja cunoscute omenirii. Aceasta înseamnă că munca fizicienilor teoreticieni nu s-a încheiat.

Clasificarea particulelor

Pentru a le ușura viața, fizicienii au grupat toate particulele în funcție de caracteristicile lor structurale și de alte caracteristici. Clasificarea se face pe baza următoarelor criterii:

Durata de viață.
1. Stabil. Acestea includ protoni și antiprotoni, electroni și pozitroni, fotoni și gravitoni. Existența particulelor stabile nu este limitată de timp, atâta timp cât acestea sunt în stare liberă, adică. nu interacționați cu nimic.
2. Instabil. Toate celelalte particule, după un timp, se dezintegrează în părțile lor componente, motiv pentru care sunt numite instabile. De exemplu, un muon trăiește doar 2,2 microsecunde, iar un proton - 2,9 10 * 29 de ani, după care se poate descompune într-un pozitron și un pion neutru.
Greutate.
1. Particule elementare fără masă, dintre care există doar trei: foton, gluon și graviton.
2. Particulele masive sunt restul.
Învârtire sens.
1. Învârtire întreagă, incl. zero, au particule numite bosoni.
2. Particulele cu spin semiîntreg sunt fermioni.
Participarea la interacțiuni.
1. Hadronii (particulele structurale) sunt obiecte subnucleare care iau parte la toate cele patru tipuri de interacțiuni. S-a menționat mai devreme că sunt compuse din quarci. Hadronii sunt împărțiți în două subtipuri: mezoni (spin întreg, bozoni) și barioni (spin pe jumătate întreg, fermioni).
2. Fundamental (particule fără structură). Acestea includ leptoni, quarci și bosoni gauge (citiți mai devreme - „Model standard..”).

După ce v-ați familiarizat cu clasificarea tuturor particulelor, puteți, de exemplu, să identificați cu precizie unele dintre ele. Deci neutronul este un fermion, un hadron sau mai degrabă un barion și un nucleon, adică are un spin semiîntreg, este format din quarci și participă la 4 interacțiuni. Nucleon este un nume comun pentru protoni și neutroni.

Este interesant că oponenții atomismului lui Democrit, care au prezis existența atomilor, au afirmat că orice substanță din lume este împărțită la infinit. Într-o oarecare măsură, se pot dovedi a fi corecte, deoarece oamenii de știință au reușit deja să împartă atomul într-un nucleu și un electron, nucleul într-un proton și un neutron, iar aceștia, la rândul lor, în quarci.
Democrit a presupus că atomii au o formă geometrică clară și, prin urmare, atomii „ascuțiți” ai focului ard, atomii aspri ai solidelor sunt ținuți ferm împreună prin proeminențele lor, iar atomii netezi ai apei alunecă în timpul interacțiunii, altfel curg.
Joseph Thomson și-a compilat propriul model al atomului, pe care l-a văzut ca pe un corp încărcat pozitiv în care electronii păreau să fie „blocați”. Modelul său a fost numit „modelul de budincă de prune”.
Quarcii și-au primit numele datorită fizicianului american Murray Gell-Mann. Omul de știință a vrut să folosească un cuvânt similar cu sunetul unui șarlatan de rață (kwork). Dar în romanul lui James Joyce, Finnegans Wake, el a întâlnit cuvântul „quark” în rândul „Trei cuarci pentru domnul Mark!”, al cărui sens nu este definit cu precizie și este posibil ca Joyce să-l fi folosit pur și simplu pentru rimă. Murray a decis să numească particulele acest cuvânt, deoarece în acel moment se cunoșteau doar trei quarci.
Deși fotonii, particulele de lumină, sunt fără masă, în apropierea unei găuri negre par să își schimbe traiectoria pe măsură ce sunt atrași de forțele gravitaționale. De fapt, un corp supermasiv îndoaie spațiu-timp, motiv pentru care orice particule, inclusiv cele fără masă, își schimbă traiectoria către gaura neagră (vezi).
Large Hadron Collider este „hadronic” tocmai pentru că ciocnește două fascicule direcționate de hadroni, particule cu dimensiuni de ordinul unui nucleu atomic care participă la toate interacțiunile.