Елементарні частки. Елементарні частинки Елементарна частка 5 літер сканворд друга л

Оскільки індекси i, k, lу структурних формулах пробігають значення 1, 2, 3, 4, число мезонів M ikіз заданим спином має дорівнювати 16. Для баріонів B iklмаксимально можливе число станів при заданому спині (64) не реалізується, тому що в силу принципу Паулі при даному повному спині дозволені тільки такі трикваркові стани, які мають цілком певну симетрію щодо перестановок індексів i, k, 1,а саме: повністю симетричні для спина 3/2 та змішаної симетрії для спина 1/2 . Це умова за l = 0 відбирає 20 баріонних станів для спина 3/2 і 20 - для спина 1/2.

Більш детальний розгляд показує, що значення кваркового складу та властивостей симетрії кваркової системи дає можливість визначити всі основні квантові числа адрону. J, Р, В, Q, I, Y, Ch), крім маси; визначення маси вимагає знання динаміки взаємодії кварків та маси кварків, яка поки що відсутня.

Правильно передаючи специфіку адронів з найменшими масами та спинами при заданих значеннях Yі Ch,кваркова модель природним чином пояснює також загальне велике число адронів та переважання серед них резонансів. Численність адронів - відображення їх складної будови та можливості існування різних збуджених станів кваркових систем. Ймовірно, що кількість таких збуджених станів необмежено велика. Усі збуджені стану кваркових систем нестійкі щодо швидких переходів рахунок сильних взаємодій в нижчі стану. Вони й утворюють основну частину резонансів. Невелику частку резонансів становлять також кваркові системи з паралельною орієнтацією спинів (крім W -). Кваркові зміни з антипаралельною орієнтацією спинів, які стосуються осн. станів, утворюють квазістабільні адрони та стабільний протон.

Порушення кваркових систем відбуваються як рахунок зміни обертального руху кварків (орбітальні порушення), і рахунок зміни їх просторів. розташування (радіальні збудження). У першому випадку зростання маси системи супроводжується зміною сумарного спина Jта парності Рсистеми, у другому випадку збільшення маси відбувається без зміни J P .Наприклад, мезони з J P= 2 + є першим орбітальним збудженням ( l = 1) мезонів з J P = 1 - . Відповідність 2 + мезонів і 1 - мезонів однакових кваркових структур добре простежується на прикладі багатьох пар частинок:

Мезони r" та y" - приклади радіальних збуджень r-і y-мезонів відповідно (див.

Орбітальні і радіальні збудження породжують послідовності резонансів, що відповідають одній і тій самій кварковій структурі. Відсутність надійних відомостей про взаємодію кварків не дозволяє поки що проводити кількісні розрахунки спектрів збуджень і робити будь-які висновки про можливе число таких збуджених станів. При формулюванні кваркової моделі кварки розглядалися як гіпотетичні структурні елементи, що відкривають можливість дуже зручного опису адронів. Надалі були проведені експерименти, які дозволяють говорити про кварки як реальні матеріальні утворення всередині адронів. Першими були експерименти з розсіювання електронів нуклонами на великі кути. Ці експерименти (1968), що нагадують класичні досліди Резерфорда з розсіювання a-частинок на атомах, виявили наявність усередині нуклону точкових заряджених утворень. Порівняння даних цих експериментів з аналогічними даними розсіювання нейтрино на нуклонах (1973-75) дозволило зробити висновок про середню величину квадрата електричного заряду цих точкових утворень. Результат виявився напрочуд близьким до величини 1/2 [(2/3 e) 2 +(1 / 3 e) 2]. Вивчення процесу народження адронів при анігіляції електрона і позитрона, який іде через послідовність процесів: адрони, вказало на наявність двох груп адронів, генетично пов'язаних з кожним з кварків, що утворюються, і дозволило визначити спин кварків. Він виявився рівним 1/2. Загальна кількість народжених у процесі адронів свідчить також у тому, що у проміжному стані виникають кварки трьох різновидів, т. е. кварки трехцветны.

Т. о. квантові числа кварків, введені на підставі теоретичних міркувань, отримали підтвердження в ряді експериментів. Кварки поступово набувають статусу нових Е. ч. Якщо подальші дослідження підтвердять цей висновок, то кварки є серйозними претендентами на роль істинно Е. ч. для адронної форми матерії. До довжин ~ 10 -15 смкварки виступають як точкові безструктурні утворення. Число відомих видів кварків невелике. Надалі воно може, звичайно, змінитись: не можна поручитися за те, що при більш високих енергіях не будуть виявлені адрони з новими квантовими числами, зобов'язані своїм існуванням нових типів кварків. Виявлення Y-мезонів підтверджує цю думку. Але цілком можливо, що збільшення кількості кварків буде невеликим, що загальні принципинакладають обмеження на повну кількість кварків, хоча ці обмеження поки що невідомі. Безструктурність кварків також, можливо, відбиває лише досягнутий рівень дослідження цих матеріальних утворень. Однак ряд специфічних особливостейкварків дає деякі підстави припускати, що кварки є частинками, що замикають ланцюг структурних складових матерії.

Від усіх інших Е. ч. кварки відрізняються тим, що у вільному стані вони поки що не спостерігалися, хоча є свідчення їх існування у зв'язаному стані. Однією з причин неспостереження кварків може бути їх велика маса, що перешкоджає їх народженню при енергіях сучасних прискорювачів. Ймовірно, проте, що кварки важливо, в силу специфіки їхньої взаємодії, що неспроможні бути у вільному стані. Існують доводи теоретичного та експериментального характеру на користь того, що сили, що діють між кварками, не послаблюються на відстані. Це означає, що для відокремлення кварків один від одного потрібна нескінченно велика енергія, або, інакше, виникнення кварків у вільному стані неможливе. Неможливість виділити кварки у вільному стані робить їх новим типом структурних одиниць речовини. Незрозуміло, наприклад, чи можна ставити питання про складові частини кварків, якщо самі кварки не можна спостерігати у вільному стані. Можливо, що у умовах частини кварків фізично взагалі виявляються і тому кварки виступають як останній ступінь дроблення адронної матерії.

Елементарні частинки та квантова теорія поля.

Для опису властивостей та взаємодій Е. ч. в сучасної теоріїІстотне значення має поняття фіз. поля, яке ставиться у відповідність до кожної частки. Поле є специфічною формою матерії; воно описується функцією, що задається у всіх точках ( х) простору-часу і має певні трансформаційні властивості по відношенню до перетворень групи Лоренца (скаляр, спинор, вектор і т. д.) і груп "внутрішніх" симетрій (ізотопічний скаляр, ізотопічний спинор і т. д.). Електромагнітне поле, що має властивості чотиривимірного вектора А m(х) (m = 1, 2, 3, 4), - історично перший приклад фізичного поля. Поля, що зіставляються з Е. ч., мають квантову природу, тобто їх енергія та імпульс складаються з множини отд. порцій - квантів, причому енергія E k та імпульс p k кванта пов'язані співвідношенням спеціальної теорії відносності: E k 2 = p k 2 c 2 + m 2 c 2 . Кожен такий квант і є Е. ч. із заданою енергією E k , імпульсом p k та масою т. Квантами електромагнітного поляє фотони, кванти інших полів відповідають усім іншим відомим Е. ч. Поле, тобто є фізичне відображення існування нескінченної сукупності частинок - квантів. Спеціальний математичний апарат квантової теорії поля дозволяє описати народження та знищення частки у кожній точці х.

Трансформаційні властивості поля визначають усі квантові числа Е. ч. Трансформаційні властивості по відношенню до перетворень простору-часу (групі Лоренца) задають спин частинок. Так, скаляру відповідає спін 0, спинору - спін 1/2, вектору - спін 1 і т. д. Існування таких квантових чисел, як L, В, 1, Y, Ch і для кварків і глюонів "колір", випливає з трансформаційних властивостей полів по відношенню до перетворень "внутрішніх просторів" ("зарядного простору", "ізотопічного простору", "унітарного простору" тощо). Існування "кольору" у кварків, зокрема, пов'язується з особливим "кольоровим" унітарним простором. Введення "внутрішніх просторів" в апараті теорії - поки що чисто формальний прийом, який, однак, може бути вказівкою на те, що розмірність фізичного простору-часу, що відображається у властивостях Е. ч., реально більше чотирьох - розмірності простору-часу, характерної для всіх макроскопічних фізичних процесів Маса Е. ч. не пов'язана безпосередньо з трансформаційними властивостями полів; це додаткова їхня характеристика.

Для опису процесів, що відбуваються з Е. ч., необхідно знати, як різні фізичні поля пов'язані один з одним, тобто знати динаміку полів. У сучасному апараті квантової теорії поля відомості про динаміку полів укладено особливої ​​величині, що виражається через поля - лагранжиане (точніше, щільності лагранжиана) L. Знання L дозволяє у принципі розраховувати ймовірності переходів від однієї сукупності частинок до іншої під впливом різних взаємодій. Ці можливості даються т. зв. матрицею розсіювання (В. Гейзенберг, 1943), що виражається через L. Лагранжіан L складається з лагранжіана L з, що описує поведінку вільних полів, і лагранжіана взаємодії L з, побудованого з полів різних частинок і відображає можливість їх взаємоперетворень. Знання L вз є визначальним для опису процесів з Е. год.

На початку 30-х років ХХ століття фізика знайшла прийнятний опис будови речовини на основі чотирьох типів елементарних частинок – протонів, нейтронів, електронів та фотонів. Додавання п'ятої частки – нейтрино – дозволило пояснити також процеси радіоактивного розпаду. Здавалося, що названі елементарні частинки є першоцеглини світобудови.

Але ця простота незабаром зникла. Незабаром було виявлено позитрон. У 1936 р. серед продуктів взаємодії космічних променів з речовиною відкрили перший мезон. Після цього вдалося спостерігати мезони іншої природи та інші незвичайні частинки. Ці частки народжувалися під впливом космічних променів досить рідко. Однак після того, як було побудовано прискорювачі, що дозволяють отримувати частинки великих енергій, вдалося відкрити понад 300 нових частинок.

Що ж тоді розуміти під словом елементарна"? "Елементарна" - логічний антипод "складної". Елементарні частинки - означає первинні, далі нерозкладні частинки, з яких складається вся матерія. До сорокових років був відомий вже ряд перетворень "елементарних" частинок. Кількість частинок продовжує зростати. Серед десятків відомих мікрочастинок лише кілька стійких, нездатних до мимовільних перетворень Чи не є стійкість по відношенню до мимовільних перетворень ознакою елементарності?

Ядро дейтерію (дейтрон) складається з протона та нейтрона. Як частка, дейтрон цілком стійкий. У той самий час складова частина дейтрона, нейтрон, радіоактивний, тобто. нестійкий. Цей приклад показує, що поняття стійкості та елементарності – не тотожні. У сучасній фізиці термін «Елементарні частинки» зазвичай використовується для найменування великої групи дрібних частинок матерії(які не є атомами, або атомними ядрами).

Всі елементарні частинки мають виключно малі маси і розміри. Більшість їх маса порядку маси протона  (помітно менше лише маса електрона
). Мікроскопічні розміри та маси елементарних частинок зумовлюють квантові закономірності їхньої поведінки. Найважливіша квантова властивість всіх елементарних частинок – здатність народжуватися та знищуватися (випускатися та поглинатися) при взаємодії з іншими частинками.

Відомі чотири типи різних за своєю взаємодії між частинками: гравітаційне, електромагнітне, ядерне, а також взаємодія у всіх процесах за участю нейтрино. Які особливості чотирьох перерахованих видів взаємодії?

Найбільш сильною є взаємодія між ядерними частинками ("ядерні сили"). Це взаємодія прийнято називати сильним. Вже зазначалося, що ядерні сили діють лише за дуже малих відстанях між частинками: радіус дії близько 10 -13 див.

Наступним за величиною є електромагнітневзаємодію. Воно менше сильного на два порядки. Але з відстанню воно змінюється повільніше, як 1/ r 2 , отже радіус дії електромагнітних сил нескінченний.

Далі слідує взаємодія, зумовлена ​​участю в реакціях нейтрино. По порядку величини ці взаємодії менше сильних взаємодій у 10 14 разів. Ці взаємодії прийнято називати слабкими. Мабуть, радіус дії тут такий самий, як і у разі сильної взаємодії.

Найменше з відомих взаємодій - гравітаційне.Воно менше сильного на 39 порядків – у 10 39 разів! З відстанню гравітаційні сили спадають так само повільно, як і електромагнітні, так що їхній радіус дії також нескінченний.

У космосі головна роль належить гравітаційним взаємодіям, т.к. радіус дії сильних та слабких взаємодій мізерний. Електромагнітні взаємодії грають обмежену роль тому, що електричні заряди протилежних знаків прагнуть утворення нейтральних систем. Гравітаційні сили завжди сили тяжіння. Їх не можна компенсувати силою зворотного знака, від них не можна екрануватися. Звідси їх домінуюча роль у космосі.

Величині сил взаємодії відповідає і час, необхідний реалізації реакції, обумовленої цією взаємодією. Так процеси, зумовлені сильною взаємодією, вимагають часу близько 10 -23 с. (Встигає відбутися реакція при зіткненні частинок великих енергій). Час, необхідне здійснення процесу, обумовленого електромагнітним взаємодією, вимагає ~10 -21 сек., слабким взаємодією ~10 -9 сек. У реакціях, зумовлених взаємодіями частинок, гравітаційні сили ніякої ролі не грають.

Перелічені взаємодії мають, мабуть, різну природу, тобто не зводяться одне до одного. Нині немає можливості судити, чи вичерпують зазначені взаємодії що у природі.

Клас елементарних частинок, що у сильній взаємодії, називається адронами (протон, нейтрон та інших.). Клас часток, що не володіють сильною взаємодією, називається лептонами. До лептонів відносяться електрон, мюон, нейтрино, важкий лептон та відповідні їм античастинки. Античастинки, сукупність елементарних частинок, що мають ті ж значення мас та інших фізичних характеристик, що і їх «двійники», але які відрізняються від них ознаками деяких характеристик взаємодій(наприклад, електричного заряду, магнітного моменту): електрон та позитрон, нейтрино та антинейтрино. За сучасними уявленнями нейтрино та антинейтрино відрізняються одна від одної однією з квантових характеристик – спіральністю, яка визначається як проекція спина частинки на напрямки її руху (імпульс). У нейтрино спин Sорієнтований антипаралельно імпульсу Р, тобто. напрямки Рі Sутворюють лівий гвинт і нейтрино має ліву спіральність (рис. 6.2). У антинейтрино ці напрями утворюють правий гвинт, тобто. антинейтрино має праву спіральність.

При зіткненні частки та античастинки вони можуть взаємно знищитись. "Анігілювати".На рис. 6.3 зображено процес анігіляції електрона та позитрону з виникненням двох гамма-квантів. При цьому дотримуються всі відомі закони збереження енергії, імпульсу, моменту імпульсу, закон збереження зарядів. Для народження пари електрон – позитрон необхідно витратити енергію, не меншу від суми власних енергій цих частинок, тобто. ~ 10 6 еВ. При анігіляції такої пари ця енергія віддається або з випромінюванням, що породжується при анігіляції, або розподіляється серед інших частинок.

Із закону збереження заряду випливає, що заряджена частка не може виникнути без того, щоб не виникла інша із зарядами зворотних знаків (щоб сумарний заряд усієї системи часток не змінювався). Прикладом такої реакції є реакція перетворення нейтрона на протон з одночасним утворенням електрона та вильотом нейтрино

. (6.9)

Електричний заряд при цьому перетворенні зберігається. Так само зберігається він при перетворенні фотона в пару електрон-позитрон або при народженні такої ж пари в результаті зіткнення двох електронів.

Існує гіпотеза, що всі елементарні частинки є комбінаціями трьох основних частинок кварками, та їх античастинок. У вільному стані кварки були виявлені (попри численні пошуки на прискорювачах високих енергій, у космічних променях і навколишньому середовищі).

Неможливо описати властивості та перетворення мікрочастинок без будь-якої їх систематизації. Систематизації, побудованої на основі суворої теорії, немає.

Дві основні групи елементарних частинок складають сильно взаємодіючі ( адрони) і слабо взаємодіючі ( лептони) Частинки. Адрони поділяються на мезониі баріони. Баріони поділяються на нуклониі гіперони. До лептонів відносяться електрони, мюони та нейтрино. Нижче наведено величини, за допомогою яких систематизують мікрочастинки.

1. Масове або баріоннечисло А. Численні факти, що спостерігаються в процесі розподілу ядер, народження пари нуклон та антинуклон, дозволяють стверджувати, що в будь-якому процесі число нуклонів залишається незмінним. Всім баріонам приписують число А= +1, кожній античастинці А= -1. Закон збереження баріонного заряду виконується у всіх ядерних процесах. Кратними значеннями баріонного числа мають складні частки. У всіх мезонів та лептонів баріонне число дорівнює нулю.

2. Електричний заряд q є число одиниць електричного заряду (в одиницях позитивного заряду протона), властивого частинці.

3. Ізотопічний спин(Не має відношення до реального спину). Сили, що діють між нуклонами в ядрі, майже залежить від типу нуклонів, тобто. ядерні взаємодії рр, рn і nnоднакові. Ця симетрія ядерних сил призводить до збереження величини, яка називається ізотопічним спином. Ізоспінзберігається у сильних взаємодіях і не зберігається у процесах, викликаних електромагнітною та слабкою взаємодією.

4. Дивність. Щоб пояснити, чому не відбуваються деякі процеси за участю адронів М. Гелл-Ман і К. Нішиджима в 1953 р. запропонували ввести нове квантове число, яке вони назвали дивним. Дивність стабільних адронів лежить у межах від –3 до +3 (цілі числа). Дивність лептонів не визначена. У сильних взаємодіях дивина зберігається.

5. Спин. Характеризує спіновий момент імпульсу.

6. Парність. Внутрішня властивість частки, пов'язана з її симетрією по відношенню до правого та лівого. Донедавна фізики вважали, що різницю між правим і лівим немає. Згодом виявилося, що вони нерівноцінні для всіх процесів слабкої взаємодії – що було одним із найдивовижніших відкриттів у фізиці.

У класичній фізиці речовина та фізичне поле протиставлялися один одному як два види матерії. Речовина складається з елементарних частинок, це вид матерії, що має масу спокою. У речовини структура дискретна, біля поля безперервна. Але квантова фізика призвела до нівелювання цієї думки. У класичній фізиці вважається, що на частинки діють силові поля – гравітаційне та електромагнітне. Інших полів класична фізика не знала. У квантової фізики за полями бачать справжніх переносників взаємодії – кванти цих полів, тобто. частки. Для класичних полів це гравітони та фотони. Коли поля досить сильні і багато квантів, ми перестаємо розрізняти їх як окремі частинки, і сприймаємо як поле. Носіями сильних взаємодій є глюони. З іншого боку, будь-яка мікрочастинка (елемент речовини) має подвійну корпускулярно-хвильову природу.

У фізиці елементарними частинками називали фізичні об'єкти масштабах ядра атома, які неможливо розділити на складові. Проте, на сьогодні, ученим все ж таки вдалося розщепити деякі з них. Структуру та властивості цих дрібних об'єктів вивчає фізика елементарних частинок.

Про найменші частинки, що становлять всю матерію, було відомо ще в давнину. Проте, основоположниками так званого «атомізму» прийнято вважати філософа Стародавню ГреціюЛевкіппа та його найвідомішого учня — Демокріта. Передбачається, що другий і запровадив термін «атом». З давньогрецького «atomos» перекладається як «неподільний», що визначає погляди давніх філософів.

Пізніше стало відомо, що атом все ж таки можна розділити на два фізичні об'єкти – ядро ​​та електрон. Останній згодом і став першою елементарною часткою, коли в 1897 році англієць Джозеф Томсон провів експеримент з катодними променями і виявив, що вони є потік однакових частинок з однаковими масою і зарядом.

Паралельно з роботами Томсона, який займається дослідженням рентгенівського випромінювання, Анрі Беккерель проводить досліди з ураном і відкриває новий вид випромінювання. У 1898 році французька пара фізиків – Марія та П'єр Кюрі вивчають різні радіоактивні речовини, виявляючи те саме радіоактивне випромінювання. Пізніше буде встановлено, що воно складається з альфа (2 протони та 2 нейтрони) та бета-часток (електрони), а Беккерель та Кюрі отримають Нобелівську премію. Проводячи свої дослідження з такими елементами як уран, радій та полоній, Марія Склодовська-Кюрі не вживала жодних заходів безпеки, у тому числі не використовувала навіть рукавички. Як наслідок у 1934 році її наздогнала лейкемія. На згадку про досягнення великого вченого, відкритий парою Кюрі елемент, полоній, було названо честь батьківщини Марії – Polonia, з латинського – Польща.

Фотографія з V Сольвіївського конгресу 1927 рік. Спробуйте знайти всіх вчених з цієї статті на даному фото.

Починаючи з 1905 року, Альберт Ейнштейн присвячує свої публікації недосконалості хвильової теорії світла, постулати якої розходилися з результатами експериментів. Що згодом привело видатного фізика до ідеї про «світловий квант» — порцію світла. Пізніше, у 1926-му році, він був названий як «фотон», у перекладі з грецького «phos» («світло»), американським фізіохіміком – Гілбертом Н. Льюїсом.

У 1913 році Ернест Резерфорд, британський фізик, ґрунтуючись на результатах уже проведених на той час експериментів, зазначив, що маси ядер багатьох хімічних елементівкратні масі ядра водню. Тому він припустив, що ядро ​​водню є складовою ядер інших елементів. У своєму експерименті Резерфорд опромінював альфа-частинками атом азоту, який у результаті випромінював якусь частинку, названу Ернестом як «протон», з ін. грецького «протос» (перший, основний). Пізніше експериментально підтверджено, що протон – це ядро ​​водню.

Очевидно, протон, не єдина складова частина ядер хімічних елементів. До такої думки наводить той факт, що два протони в ядрі відштовхувалися б, і атом миттєво розпадався. Тому Резерфорд висунув гіпотезу про наявність ще однієї частинки, яка має масу, що дорівнює масі протона, але є незарядженою. Деякі досліди вчених щодо взаємодії радіоактивних і легших елементів призвели їх до відкриття ще одного нового випромінювання. У 1932 році Джеймс Чедвік визначив, що воно складається з тих самих нейтральних частинок, які назвав нейтронами.

Таким чином, були відкриті найвідоміші частинки: фотон, електрон, протон та нейтрон.

Далі відкриття нових суб'ядерних об'єктів ставали дедалі частіше подією, і зараз відомо близько 350 частинок, які прийнято вважати «елементарними». Ті з них, які досі не вдалося розщепити, вважаються безструктурними та називаються «фундаментальними».

Що таке спін?

Перш ніж переходити до подальших інновацій у галузі фізики, слід визначитися з характеристиками всіх частинок. До найбільш відомих, крім маси та електричного заряду, відноситься також і спін. Ця величина називається інакше як « власний моментімпульсу» і аж ніяк не пов'язана з переміщенням суб'ядерного об'єкта як цілого. Вченим вдалося виявити частинки зі спином 0, ½, 1, 3/2 та 2. Щоб уявити наочно, хоч і спрощено, спин, як властивість об'єкта, розглянемо наступний приклад.

Нехай у предмета є рівний спин 1. Тоді такий об'єкт при повороті на 360 градусів повернеться у вихідне положення. На площині цим предметом може бути олівець, який після розвороту на 360 градусів опиниться у вихідному положенні. У випадку з нульовим спином, при будь-якому обертанні об'єкта він виглядатиме завжди однаково, наприклад, однокольоровий м'ячик.

Для спина ? потрібно предмет, що зберігає свій вигляд при розвороті на 180 градусів. Їм може бути той самий олівець, тільки симетрично нагострений з обох боків. Спин рівний 2 вимагатиме збереження форми при повороті на 720 градусів, а 3/2 - 540.

Ця характеристика має дуже велике значення для фізики елементарних частинок.

Стандартна модель частинок та взаємодій

Маючи значний набір мікрооб'єктів, що становлять навколишній світ, вчені вирішили їх структурувати, так утворилася відома всім теоретична конструкція під назвою «Стандартна модель». Вона визначає три взаємодії та 61 частину за допомогою 17-ти фундаментальних, деякі з яких були нею передбачені задовго до відкриття.

Три взаємодії такі:

• Електромагнітний. Воно відбувається між електрично зарядженими частинками. У простому випадку, відомому зі школи, різноіменно заряджені об'єкти притягуються, а однойменно відштовхуються. Відбувається це за допомогою так званого переносника електромагнітної взаємодії - фотона.
• Сильна, інакше – ядерна взаємодія. Як ясно з назви, його дія поширюється на об'єкти порядку ядра атома, вона відповідає за тяжіння протонів, нейтронів та інших частинок, що також складаються з кварків. Сильне взаємодія переноситься з допомогою глюонів.
• Слабке. Діє на відстані в тисячу менших розміру ядра. У такій взаємодії беруть участь лептони та кварки, а також їх античастинки. У цьому разі слабкого взаємодії можуть перетворюватися друг в друга. Переносниками є бозони W+, W− та Z0.

Так Стандартна модель сформувалася так. Вона включає шість кварків, з яких складаються всі адрони (частки, схильні до сильної взаємодії):

• Верхній (u);
• Зачарований (c);
• Істинний (t);
• Нижній (d);
• Дивний (s);
• Чарівний (b).

Видно, що епітетів фізикам не позичати. Інші 6 частинок – лептони. Це фундаментальні частинки зі спином, які не беруть участь у сильній взаємодії.

• Електрон;
• Електронне нейтрино;
• Мюон;
• Мюонне нейтрино;
• Тау-лептон;
• Тау-нейтріно.

А третьою групою Стандартної моделі є калібрувальні бозони, які мають спін рівний 1 і є переносниками взаємодій:

• Глюон – сильне;
• Фотон – електромагнітне;
• Z-бозон – слабке;
• W-бозон – слабке.

До них також відноситься і недавно виявлений частинка зі спином 0, яка, спрощено кажучи, наділяє всі інші суб'ядерні об'єкти інертною масою.

В результаті, згідно зі Стандартною моделлю, наш світ виглядає таким чином: вся речовина складається з 6 кварків, що утворюють адрони, та 6 лептонів; всі ці частинки можуть брати участь у трьох взаємодіях, переносниками яких є калібрувальні бозони.

Недоліки стандартної моделі

Проте, ще до відкриття бозона Хіггса – останньої частинки, яку передбачають Стандартна модель, вчені вийшли за її межі. Яскравим прикладом є т.зв. «гравітаційна взаємодія», яка сьогодні перебуває нарівні з іншими. Імовірно, переносником його є частка зі спином 2, яка не має маси і яку фізикам ще не вдалося виявити — «гравітон».

Більш того, Стандартна модель описує 61 частинку, а на сьогоднішній день людству відомо вже понад 350 частинок. Це означає, що на досягнутому робота фізиків-теоретиків не закінчено.

Класифікація частинок

Щоб спростити собі життя, фізики згрупували всі частинки залежно від особливостей їхньої будови та інших характеристик. Класифікація буває за такими ознаками:

• Час життя.
  1. Стабільні. У тому числі протон і антипротон, електрон і позитрон, фотон, і навіть гравітон. Існування стабільних частинок не обмежена часом, доки вони перебувають у вільному стані, тобто. не взаємодіють із чимось.
  2. Нестабільні. Всі інші частки через деякий час розпадаються на свої складові, тому називаються нестабільними. Наприклад, мюон живе лише 2,2 мікросекунди, а протон — 2,9 10*29 років, після чого може розпастись на позитрон і нейтральний півонія.
• Маса.
  1. Безмасові елементарні частинки, яких лише три: фотон, глюон та гравітон.
  2. Масивні частки – решта.
• Значення спини.
  1. Цілий спин, у т.ч. нульової, мають частинки, які називаються бозонами.
  2. Частинки з напівцілим спином – ферміони.
• Участь у взаємодію.
  1. Адрони (структурні частки) – суб'ядерні об'єкти, що беруть участь у всіх чотирьох типах взаємодій. Раніше згадувалося, що вони складаються із кварків. Адрони поділяються на два підтипи: мезони (цілий спин, є бозонами) та баріони (напівцілий спин - ферміони).
  2. Фундаментальні (безструктурні частки). До них відносяться лептони, кварки та калібрувальні бозони (читайте раніше – «Стандартна модель…»).

Ознайомившись із класифікацією всіх частинок, можна, наприклад, точно визначити деякі з них. Так нейтрон є ферміоном, адроном, а точніше баріоном і нуклоном, тобто має напівцілий спин, складається з кварків і бере участь у 4-х взаємодіях. Нуклон же – це загальна назва для протонів та нейтронів.

• Цікаво, що противники атомізму Демокріта, який передбачав існування атомів, заявляли, що будь-яка речовина у світі ділиться нескінченно. Якоюсь мірою вони можуть виявитися правими, тому що вченим вже вдалося розділити атом на ядро ​​та електрон, ядро ​​на протон і нейтрон, а їх у свою чергу на кварки.
• Демокріт припускав, що атоми мають чітку геометричну форму, і тому «гострі» атоми вогню – обпалюють, шорсткі атоми твердих тіл міцно скріплюються своїми виступами, а гладкі атоми води прослизають при взаємодії, інакше – течуть.
• Джозеф Томсон склав власну модель атома, який представлявся йому як позитивно заряджене тіло, в яке ніби «устромлені» електрони. Його модель отримала назву «пудинг із родзинками» (Plum pudding model).
• Кварки отримали свою назву завдяки американському фізику Мюррею Гелл-Манну. Вчений хотів використати слово, схоже на звук крякання качки (kwork). Але в романі Джеймса Джойса «Поминки по Фіннегану» зустрів слово «quark», у рядку «Три кварки для містера Марка!», сенс якого точно не визначений і можливо, що Джойс використав його просто для рими. Мюррей вирішив назвати частки цим словом, тому що на той час було відомо лише три кварки.
• Хоча фотони, частинки світла, є безмасовими, поблизу чорної дірки, здається, що вони змінюють свою траєкторію, притягуючись до неї за допомогою гравітаційної взаємодії. Насправді ж надмасивне тіло викривляє простір-час, через що будь-які частинки, у тому числі й не мають маси, змінюють свою траєкторію у бік чорної діри (див. ).
• Великий адронний колайдер саме тому «адронний», що зіштовхує два спрямовані пучки адронів, частинок розмірами порядку ядра атома, які беруть участь у всіх взаємодіях.

Нижче наведено всі елементарні частинки з п'яти літер. До кожного з визначень дано короткий опис.

Якщо ви маєте що додати, то нижче до ваших послуг — форма коментування, в якій ви можете висловити свою думку або доповнити статтю.

Список елементарних частинок

Фотон

Являє собою квант електромагнітного випромінювання, наприклад світла. Світло, своєю чергою, це явище, що складається з потоків світла. Фотон – це елементарна частка. У фотона нейтральний заряд та нульова маса. Спин фотона дорівнює одиниці. Фотон переносить електромагнітну взаємодію між зарядженими частинками. Термін фотон походить від грецького phos, що означає світло.

Фонон

Є квазічастинкою, квантом пружних коливань і зміщень атомів і молекул кристалічних ґрат із положення рівноваги. У кристалічних решітках атоми та молекули постійно взаємодіють, поділяючись один з одним енергією. У зв'язку з цим, вивчити в них явища, подібні до коливань окремих атомів, практично неможливо. Тому безладні коливання атомів, прийнято розглядають, на кшталт поширення звукових хвиль, всередині кристалічних ґрат. Квантами цих хвиль є фонони. Термін фонон походить від грецького phone-звук.

Фазон

Фазон флуктуон, це квазічастинка, яка являє собою збудження в сплавах, або в іншій гетерофазній системі, що утворює навколо зарядженої частинки, допустимо електрона, потенційну яму (феромагнітну область), і захоплює його.

Ротон

Є квазічастинкою, яка відповідає елементарному збудженню в надплинному гелії, в області великих імпульсів, пов'язане з виникненням вихрового руху в надплинній рідині. Ротон, у перекладі з латинської означає, обертаюся, верчуся. Ротон проявляється при температурі більшій за 0,6К і зумовлюють експоненційно залежні від температури властивості теплоємності, такі як ентропія нормальної щільності та інші.

Мезон

Є нестійкою неелементарною частинкою. Мезон є важким електроном у космічних променях.
Маса мезону більша за масу електрона і менша за масу протона.

Мезони мають парне число кварків та антикварків. До мезонів відносять Півонії, Каони та інші важкі мезони.

Кварк

Є елементарною частинкою матерії, але поки що гіпотетично. Кварками прийнято називати шість частинок та його античастинок (антикварків), які у своє чергу становлять групу особливих елементарних частинок адронів.

Вважається, що частинки, які беруть участь у сильних взаємодіях, такі як протони, нейрони та деякі інші складаються з міцно між собою з'єднаних кварків. Кварки постійно існують у різних поєднаннях. Є теорія, що кварки могли існувати у вільному вигляді, у перші моменти після великого вибуху.

Глюон

Елементарна частка. За однією з теорій глюони хіба що склеюють кварки, ті своєю чергою утворюють такі частинки як протони і нейрони. Загалом глюони є найдрібнішими частинками, що утворюють матерію.

Бозон

Бозон-квазічастка або бозе-частка. Бозон має нульове чи ціле значення спин. Назва дано на честь фізика Шатьендраната Бозе. Бозон відрізняється тим, що необмежену кількість їх можуть мати один і той же квантовий стан.

Адрон

Адрон це елементарна частка, яка не є істинно елементарною. Складається з кварків, антикварків та глюонів. Адрон не має колірного заряду, і бере участь у сильній взаємодії, у тому числі і ядерній. Термін адрон, від грецького adros означає великий, масивний.

Дочекайтеся завантаження віджету хронологічної шкали.
Для перегляду потрібно увімкнути JavaScript.

Якщо сильні розпади групувалися в районі йоктосекунд, електромагнітні - на околицях аттосекунди, то слабкі розпади «віддуваються за всіх» - вони охоплюють аж 27 порядків на шкалі часів!

На краях цього неймовірно широкого діапазону є два «екстремальні» випадки.

• Розпади топ-кварка та частинок-переносників слабкої взаємодії (W та Z-бозонів) відбуваються приблизно за 0,3 іс= 3 · 10 -25 с. Це найшвидші розпади серед усіх елементарних частинок і взагалі найшвидші процеси, достовірно відомі сучасній фізиці. Виходить так тому, що це розпади із найбільшим енерговиділенням.
• Найбільш довгоживуча елементарна частка, нейтрон, живе приблизно 15 хвилин. Такий величезний за мірками мікросвіту час пояснюється тим, що цей процес (бета-розпад нейтрона на протон, електрон та антинейтрино) має дуже маленьке енерговиділення. Це енерговиділення таке слабке, що у відповідних умовах (наприклад, всередині атомного ядра) цей розпад може бути енергетично невигідний, і тоді нейтрон стає повністю стабільним. Атомні ядра, вся речовина навколо нас, та й ми самі існуємо завдяки цій дивовижній слабкості бета-розпаду.

У проміжку між цими крайнощами більшість слабких розпадів теж йдуть більш-менш компактно. Їх можна розбити на дві групи, які ми умовно назвемо: швидкі слабкі розпади та повільні слабкі розпади.

Швидкі – це розпади тривалістю біля пікосекунд. Так ось дивно склалися числа у нашому світі, що у вузький діапазон значень від 0,4 до 2 пс потрапляють часи життя відразу кількох десятків елементарних частинок. Це звані зачаровані і чарівні адрони - частинки, які у складі мають важкий кварк.

Пікосекунди – це чудово, це просто безцінно з погляду експерименту на колайдерах! Справа в тому, що за 1 пс частка встигне пролетіти третину міліметра, а такі великі дистанції сучасний детектор вимірює легко. Завдяки цим частинкам картина зіткнення частинок на колайдері стає «легко читаною» - ось тут сталося зіткнення та народження великої кількостіадронів, а он там, трохи віддалік, сталися вторинні розпади. Час життя стає безпосередньо вимірним, а значить, з'являється можливість дізнатися, що це була за частка, і вже потім використовувати цю інформацію для складнішого аналізу.

Повільні слабкі розпади - це розпади, які починаються від сотні пікосекунд і тягнуться на весь наносекундний діапазон. Сюди потрапляє клас про «дивних частинок» - численних адронів, які у своєму складі дивний кварк. Незважаючи на свою назву, для сучасних експериментів вони зовсім не дивні, а навпаки, звичайнісінькі частки. Вони просто виглядали дивними в 50-х роках минулого століття, коли фізики несподівано стали їх відкривати одну за одною і не зовсім розуміли їхні властивості. До речі, саме багато дивних адронів і підштовхнуло фізиків півстоліття тому до ідеї кварків.

З погляду сучасного експерименту з елементарними частинками наносекунди це дуже багато. Це так багато, що частинка, що вилетіла з прискорювача, просто не встигає розпастися, а пронизує детектор, залишаючи в ньому свій слід. Звичайно, вона потім застрягне десь у речовині детектора або в гірських породах навколо нього і там розпадеться. Але фізиків цей розпад вже не турбує, їх цікавить лише той слід, який ця частка залишила всередині детектора. Так що для сучасних експериментів такі частки виглядають майже стабільними; їх тому називають «проміжним» терміном – метастабільні частки.

Ну а найбільш довгоживучою частинкою, крім нейтрона, є мюон - такий собі «собрат» електрона. Він бере участь у сильному взаємодії, не розпадається з допомогою електромагнітних сил, тому йому залишаються лише слабкі взаємодії. А оскільки він досить легкий, живе 2 мікросекунди - ціла епоха за масштабами елементарних частинок.