Elementarna čestica je najmanja, nedjeljiva čestica bez strukture. Elementarna čestica koja nema naboj
Možete li kratko i sažeto odgovoriti na pitanje: „Šta je električni naboj?“ Ovo na prvi pogled može izgledati jednostavno, ali u stvarnosti se ispostavi da je mnogo komplikovanije.
Znamo li šta je električni naboj?
Činjenica je da na sadašnjem nivou znanja još uvijek ne možemo rastaviti koncept “naboja” na jednostavnije komponente. Ovo je fundamentalni, da tako kažemo, primarni koncept.
Znamo da je to određeno svojstvo elementarnih čestica, poznat je mehanizam interakcije naboja, možemo mjeriti naboj i koristiti njegova svojstva.
Međutim, sve je to posljedica eksperimentalnih podataka. Priroda ovog fenomena još nam nije jasna. Stoga ne možemo jednoznačno odrediti šta je električni naboj.
Da biste to učinili, potrebno je raspakirati čitav niz koncepata. Objasniti mehanizam interakcije naelektrisanja i opisati njihova svojstva. Stoga je lakše razumjeti što znači izjava: “ova čestica ima (nosi) električni naboj.”
Prisutnost električnog naboja na čestici
Međutim, kasnije se moglo ustanoviti da je broj elementarnih čestica mnogo veći, te da proton, elektron i neutron nisu nedjeljivi i osnovni građevinski materijali Univerzuma. Oni se sami mogu raspasti na komponente i pretvoriti u druge vrste čestica.
Stoga naziv "elementarna čestica" trenutno uključuje prilično veliku klasu čestica manjih dimenzija od atoma i atomskih jezgara. U ovom slučaju, čestice mogu imati različita svojstva i kvalitete.
Međutim, takvo svojstvo kao što je električni naboj dolazi u samo dvije vrste, koje se konvencionalno nazivaju pozitivnim i negativnim. Prisutnost naboja na čestici je njena sposobnost odbijanja ili privlačenja druge čestice, koja također nosi naboj. Smjer interakcije ovisi o vrsti naboja.
Slični naboji odbijaju, za razliku od naboja privlače. Štaviše, sila interakcije između naelektrisanja je veoma velika u poređenju sa gravitacionim silama svojstvenim svim tijelima u svemiru bez izuzetka.
U jezgri vodika, na primjer, elektron koji nosi negativan naboj privlači jezgro koje se sastoji od protona i nosi pozitivan naboj sa silom 1039 puta većom od sile kojom isti elektron privlači proton zbog gravitacije. interakcija.
Čestice mogu ili ne moraju nositi naboj, ovisno o vrsti čestice. Međutim, nemoguće je „ukloniti“ naboj sa čestice, kao što je nemoguće postojanje naboja izvan čestice.
Osim protona i neutrona, neke druge vrste elementarnih čestica nose naboj, ali samo ove dvije čestice mogu postojati beskonačno.
Stranica 1
Nemoguće je dati kratku definiciju naplate koja je zadovoljavajuća u svakom pogledu. Navikli smo da nalazimo razumljiva objašnjenja za veoma složene formacije i procese kao što su atom, tečni kristali, raspodela molekula po brzini itd. Ali najosnovniji, temeljni koncepti, nedjeljivi na jednostavnije, lišeni, prema današnjem mišljenju, bilo kakvog unutrašnjeg mehanizma, više se ne mogu ukratko objasniti na zadovoljavajući način. Pogotovo ako objekte ne opažamo direktno našim osjetilima. Na ove osnovne koncepte se odnosi električni naboj.
Pokušajmo prvo otkriti ne što je električni naboj, već šta se krije iza te izjave dato telo ili čestica imaju električni naboj.
Znate da su sva tijela građena od sićušnih čestica, nedjeljivih na jednostavnije (koliko sada zna nauka) čestice, koje se stoga nazivaju elementarnim. Sve elementarne čestice imaju masu i zbog toga se privlače jedna drugoj. Prema zakonu univerzalne gravitacije, sila privlačenja opada relativno sporo kako se rastojanje između njih povećava: obrnuto proporcionalno kvadratu udaljenosti. Osim toga, većina elementarnih čestica, iako ne sve, imaju sposobnost interakcije jedna s drugom silom koja se također smanjuje inverzno proporcionalno kvadratu udaljenosti, ali ta sila je ogroman broj puta veća od sile gravitacije. . Dakle, u atomu vodika, shematski prikazanom na slici 1, elektron je privučen jezgru (proton) sa silom 1039 puta većom od sile gravitacionog privlačenja.
Ako čestice međusobno djeluju silama koje se polako smanjuju s povećanjem udaljenosti i koje su mnogo puta veće od sila gravitacije, tada se kaže da te čestice imaju električni naboj. Same čestice se nazivaju naelektrisane. Postoje čestice bez električnog naboja, ali nema električnog naboja bez čestice.
Interakcije između nabijenih čestica nazivaju se elektromagnetnim. Kada kažemo da su elektroni i protoni električno nabijeni, to znači da su sposobni za interakcije određene vrste (elektromagnetske), i ništa više. Nedostatak naboja na česticama znači da ne detektuje takve interakcije. Električni naboj određuje intenzitet elektromagnetnih interakcija, kao što masa određuje intenzitet gravitacijskih interakcija. Električni naboj je drugi (posle mase) najvažnija karakteristika elementarnih čestica, što određuje njihovo ponašanje u okolnom svijetu.
Dakle
Električno punjenje je fizička skalarna veličina koja karakterizira svojstvo čestica ili tijela da ulaze u interakcije elektromagnetnih sila.
Električni naboj je simboliziran slovima q ili Q.
Kao što se u mehanici često koristi koncept materijalne tačke, što omogućava značajno pojednostavljenje rješavanja mnogih problema, pri proučavanju interakcije naboja djelotvoran je koncept tačkastog naboja. Tačkasti naboj je nabijeno tijelo čije su dimenzije znatno manje od udaljenosti od ovog tijela do tačke posmatranja i drugih nabijenih tijela. Konkretno, ako govore o interakciji dva tačkasta naelektrisanja, oni pri tome pretpostavljaju da je udaljenost između dva razmatrana naelektrisana tela znatno veća od njihovih linearnih dimenzija.
Električni naboj elementarne čestice
Električni naboj elementarne čestice nije poseban „mehanizam“ u čestici koji bi se mogao ukloniti iz nje, razložiti na sastavne dijelove i ponovo sastaviti. Prisutnost električnog naboja na elektronu i drugim česticama samo znači postojanje određenih interakcija između njih.
U prirodi postoje čestice sa nabojima suprotnih predznaka. Naboj protona naziva se pozitivnim, a naboj elektrona negativnim. Pozitivan predznak naboja na čestici ne znači, naravno, da ona ima neke posebne prednosti. Uvođenje naboja dva znaka jednostavno izražava činjenicu da nabijene čestice mogu i privlačiti i odbijati. Ako su predznaci naboja isti, čestice se odbijaju, a ako su različiti, privlače se.
Trenutno nema objašnjenja za razloge postojanja dvije vrste električnih naboja. U svakom slučaju, ne postoje fundamentalne razlike između pozitivnih i negativnih naboja. Kada bi se znakovi električnih naboja čestica promijenili u suprotne, onda se priroda elektromagnetskih interakcija u prirodi ne bi promijenila.
Pozitivni i negativni naboji su veoma dobro izbalansirani u Univerzumu. A ako je Univerzum konačan, onda je njegov ukupni električni naboj, po svoj prilici, jednak nuli.
Najčudnije je da je električni naboj svih elementarnih čestica striktno isti po veličini. Postoji minimalni naboj, nazvan elementarni, koji posjeduju sve nabijene elementarne čestice. Naboj može biti pozitivan, poput protona, ili negativan, poput elektrona, ali modul naboja je isti u svim slučajevima.
Nemoguće je odvojiti dio naboja, na primjer, od elektrona. Ovo je možda nešto što najviše iznenađuje. Nema moderna teorija ne može objasniti zašto su naboji svih čestica isti, i ne može izračunati vrijednost minimalnog električnog naboja. Određuje se eksperimentalno korištenjem različitih eksperimenata.
Šezdesetih godina prošlog stoljeća, nakon što je broj novootkrivenih elementarnih čestica počeo alarmantno rasti, postavljena je hipoteza da su sve čestice koje su u snažnoj interakciji kompozitne. Fundamentalnije čestice su nazvane kvarkovi. Ono što je bilo upečatljivo je da kvarkovi treba da imaju delimičan električni naboj: 1/3 i 2/3 elementarnog naboja. Za izgradnju protona i neutrona dovoljna su dva tipa kvarkova. A njihov maksimalni broj, očigledno, ne prelazi šest.
Jedinica mjerenja električnog naboja
U Univerzumu svako tijelo živi u svoje vrijeme, a isto tako žive i osnovne elementarne čestice. Životni vijek većine elementarnih čestica je prilično kratak.
Neki se raspadaju odmah nakon rođenja, zbog čega ih nazivamo nestabilnim česticama.
Oni su gotovi kratko vrijeme raspadaju na stabilne: protone, elektrone, neutrine, fotone, gravitone i njihove antičestice.
Najvažniji mikroobjekti u našem obližnjem prostoru - protona i elektrona. Neki od udaljenih dijelova Univerzuma mogu se sastojati od antimaterije; najvažnije čestice tamo će biti antiproton i antielektron (pozitron).
Ukupno je otkriveno nekoliko stotina elementarnih čestica: proton (p), neutron (n), elektron (e-), kao i foton (g), pi-mezoni (p), mioni (m), neutrini tri vrste(elektronski v e, mionski v m, sa leptonom v t) itd. Očigledno će donijeti još novih mikročestica.
Izgled čestica:
Protoni i elektroni
Pojava protona i elektrona datira iz vremena, a njihova starost je otprilike deset milijardi godina.
Druga vrsta mikro-objekata koji igraju značajnu ulogu u strukturi obližnjeg prostora su neutroni, koji imaju zajedničko ime s protonom: nukleoni. Neutroni su sami po sebi nestabilni; raspadaju se oko deset minuta nakon što su proizvedeni. Oni mogu biti stabilni samo u jezgru atoma. Ogroman broj neutrona se stalno pojavljuje u dubinama zvijezda, gdje se iz protona rađaju atomska jezgra.
Neutrino
U Univerzumu također postoji konstantno rađanje neutrina, koji su slični elektronu, ali bez naboja i male mase. Godine 1936. otkrivena je jedna vrsta neutrina: mionski neutrini, koji nastaju prilikom transformacije protona u neutrone, u dubinama supermasivnih zvijezda i tokom raspada mnogih nestabilnih mikro-objekata. Oni se rađaju kada se kosmičke zrake sudare u međuzvjezdanom prostoru.
Veliki prasak je rezultirao stvaranjem ogromnog broja neutrina i mionskih neutrina. Njihov broj u svemiru se stalno povećava jer ih praktično nijedna materija ne apsorbuje.
Fotoni
Poput fotona, neutrini i mionski neutrini ispunjavaju sav prostor. Ovaj fenomen se naziva "neutrinsko more".
Od vremena Velikog praska ostalo je mnogo fotona koje nazivamo reliktnim ili fosilnim. Sav vanjski prostor je ispunjen njima, a njihova frekvencija, a time i energija, stalno se smanjuju kako se svemir širi.
Trenutno sva kosmička tijela, prvenstveno zvijezde i magline, učestvuju u formiranju fotonskog dijela Univerzuma. Fotoni se rađaju na površini zvijezda iz energije elektrona.
Veza čestica
IN početna faza formiranja Univerzuma, sve osnovne elementarne čestice su bile slobodne. Tada nije bilo atomskih jezgara, nije bilo planeta, nije bilo zvijezda.
Atomi, a od njih planete, zvijezde i sve tvari nastali su kasnije, kada je prošlo 300.000 godina i vruća materija se proširila u dovoljno ohlađeno. 
Samo neutrino, mionski neutrino i foton nisu ušli ni u jedan sistem: njihova međusobna privlačnost je preslaba. Ostale su slobodne čestice.
Više na početna faza Tokom formiranja Univerzuma (300.000 godina nakon njegovog rođenja), slobodni protoni i elektroni spojeni su u atome vodonika (jedan proton i jedan elektron povezani električnom silom).
Proton se smatra glavnom elementarnom česticom sa nabojem od +1 i masom od 1,672 10 −27 kg (nešto manje od 2000 puta teže od elektrona). Protoni koji su završili u masivnoj zvijezdi postepeno su se pretvorili u glavne građevne blokove Univerzuma. Svaki od njih je oslobodio jedan posto svoje mase mirovanja. U supermasivnim zvijezdama, koje su na kraju svog života komprimirane u male zapremine kao rezultat vlastite gravitacije, proton može izgubiti skoro petinu svoje energije mirovanja (a samim tim i petinu svoje mirne mase).Poznato je da su "građevinski mikroblokovi" Univerzuma protoni i elektroni.
Konačno, kada se proton i antiproton sretnu, ne nastaje nikakav sistem, već se sva njihova energija mirovanja oslobađa u obliku fotona (). 
Naučnici tvrde da postoji i sablasna osnovna elementarna čestica, graviton, koja nosi gravitacionu interakciju sličnu elektromagnetizmu. Međutim, prisustvo gravitona je dokazano samo teoretski.
Tako su nastale osnovne elementarne čestice koje sada predstavljaju naš univerzum, uključujući i Zemlju: protoni, elektroni, neutrini, fotoni, gravitoni i mnogi drugi otkriveni i neotkriveni mikroobjekti.
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 vidljivo svetlo; 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“ ti naboji. 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. Određuje se svojstva čestice najveća snaga, postupajući po tome. 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. Ovo 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 uklanjaju se iz 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 sadržano je 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, izgubivši (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 suštinski prošireni geometrijski objekti – „žice” u desetodimenzionalnom prostoru.
Nevidljivi svijet.
Univerzum ne sadrži samo vidljivu materiju (već i crne rupe i “ Crna materija“, kao što su hladne planete koje postaju vidljive ako 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 su u interakciji 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 se poništavaju 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 Univerzum svjetlošću, a gravitoni ispunjavaju svemir gravitacijskim valovima (još nisu pouzdano otkriveni).
Za česticu sposobnu da emituje merne 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 naboja (osim naboja mase). Ako je čestica kompozitna, kao što je neutron, onda 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 koje su u jakoj interakciji 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 potvrdili 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.
Često se govori o različitim generacijama kvarkova i leptona (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 pođete zajedno periodni 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 drugo, itd. Ova dosljedna promjena u elektronskoj strukturi atoma od elementa do elementa određuje njihove obrasce hemijska svojstva.
Ako bi elektroni bili bozoni, onda 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 merila” 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. Ugao impulsa je karakteristika rotacionog kretanja, baš kao i ukupni impuls translatornog kretanja. U bilo kojoj interakciji, ugaoni moment i impuls 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 razmjena se stalno događa 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 koji se razmjenjuju 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 jedinstvenu i istovremeno jednostavna teorija, u koji bi svi oni postali različite aspekte jedna stvarnost - kao ivice 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 provjere - pošaljite 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 neku vrstu korelacije različitim dijelovima Univerzum, 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, traže se odgovor 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 to potrebni eksperimenti sa energijama od 10 15 GeV ili će napor misli biti dovoljan? 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.
Daljnji prodor u dubine mikrosvijeta povezan je s prijelazom sa nivoa atoma na nivo elementarnih čestica. Kao prva elementarna čestica krajem 19. veka. otkriven je elektron, a zatim u prvim decenijama 20. veka. – foton, proton, pozitron i neutron.
Nakon Drugog svetskog rata, zahvaljujući upotrebi savremene eksperimentalne tehnologije, a pre svega moćnih akceleratora, u kojima se stvaraju uslovi visokih energija i ogromnih brzina, ustanovljeno je postojanje velikog broja elementarnih čestica - preko 300. Među njima postoje i eksperimentalno otkrivene i teoretski izračunate, uključujući rezonancije, kvarkove i virtualne čestice.
Termin elementarna čestica prvobitno je značilo najjednostavnije, dalje nerazgradive čestice koje leže u osnovi bilo koje materijalne formacije. Kasnije su fizičari shvatili čitavu konvenciju pojma "elementarno" u odnosu na mikro-objekte. Sada nema sumnje da čestice imaju jednu ili drugu strukturu, ali, ipak, povijesno utvrđeno ime nastavlja postojati.
Glavne karakteristike elementarnih čestica su masa, naboj, prosječni životni vijek, spin i kvantni brojevi.
Masa za odmor elementarne čestice se određuju u odnosu na masu mirovanja elektrona.Postoje elementarne čestice koje nemaju masu mirovanja - fotoni. Preostale čestice prema ovom kriteriju se dijele na leptons– svjetlosne čestice (elektron i neutrino); mezoni– čestice srednje veličine sa masom od jedne do hiljadu elektronskih masa; barioni– teške čestice čija masa prelazi hiljadu elektronskih masa i koje uključuje protone, neutrone, hiperone i mnoge rezonancije.
Električno punjenje je još jedna važna karakteristika elementarnih čestica. Sve poznate čestice imaju pozitivan, negativan ili nulti naboj. Svaka čestica, osim fotona i dva mezona, odgovara antičesticama sa suprotnim nabojem. Oko 1963–1964 postavljena je hipoteza o postojanju kvarkovi– čestice sa delimičnim električnim nabojem. Ova hipoteza još nije eksperimentalno potvrđena.
Doživotno čestice se dijele na stabilan I nestabilno . Postoji pet stabilnih čestica: foton, dva tipa neutrina, elektron i proton. Stabilne čestice se igraju vitalna uloga u strukturi makrotela. Sve ostale čestice su nestabilne, postoje oko 10 -10 -10 -24 s, nakon čega se raspadaju. Zovu se elementarne čestice sa prosječnim životnim vijekom od 10–23–10–22 s rezonancije. Zbog svog kratkog životnog vijeka, oni se raspadaju prije nego što napuste atom ili atomsko jezgro. Rezonantna stanja su izračunata teoretski i nisu mogla biti otkrivena u stvarnim eksperimentima.
Osim naboja, mase i životnog vijeka, elementarne čestice se opisuju i konceptima koji nemaju analoga u klasičnoj fizici: koncept nazad . Spin je unutrašnji ugaoni moment čestice koji nije povezan s njenim kretanjem. Spin karakteriše spin kvantni broj s, koji može imati cjelobrojne (±1) ili polucijele (±1/2) vrijednosti. Čestice sa cjelobrojnim spinom – bozoni, sa polucijelim brojem – fermioni. Elektroni se klasifikuju kao fermioni. Prema Paulijevom principu, atom ne može imati više od jednog elektrona sa istim skupom kvantnih brojeva n,m,l,s. Elektroni, koji odgovaraju valnim funkcijama s istim brojem n, vrlo su bliski po energiji i formiraju elektronsku ljusku u atomu. Razlike u broju l određuju „podljusku“, preostali kvantni brojevi određuju njeno punjenje, kao što je gore navedeno.
U karakteristikama elementarnih čestica postoji još jedna važna ideja interakcija. Kao što je ranije navedeno, poznata su četiri tipa interakcija između elementarnih čestica: gravitacioni,slab,elektromagnetna I jaka(nuklearni).
Sve čestice koje imaju masu mirovanja ( m 0), učestvuju u gravitacionoj interakciji, a naelektrisani takođe učestvuju u elektromagnetnoj interakciji. Leptoni takođe učestvuju u slabim interakcijama. Hadroni učestvuju u sve četiri fundamentalne interakcije.
Prema kvantnoj teoriji polja, sve interakcije se odvijaju zahvaljujući razmjeni virtuelne čestice , odnosno čestice o čijem se postojanju može suditi samo posredno, po nekim njihovim manifestacijama kroz neke sekundarne efekte ( stvarne čestice može se direktno snimiti pomoću instrumenata).
Ispostavilo se da sve četiri poznate vrste interakcija - gravitaciona, elektromagnetna, jaka i slaba - imaju mjernu prirodu i opisuju se mjernim simetrijama. Odnosno, sve interakcije su, takoreći, napravljene „iz istog blanka“. To nam daje nadu da će biti moguće pronaći “jedini ključ za sve poznate brave” i opisati evoluciju Univerzuma iz stanja predstavljenog jednim supersimetričnim superpoljom, iz stanja u kojem su razlike između tipova interakcija, između svih vrsta čestica materije i kvanti polja se još nisu pojavili.
Postoji ogroman broj načina za klasifikaciju elementarnih čestica. Na primjer, čestice se dijele na fermione (Fermi čestice) - čestice materije i bozone (Bozeove čestice) - kvante polja.
Prema drugom pristupu, čestice se dijele u 4 klase: fotoni, leptoni, mezoni, barioni.
Fotoni (kvanta elektromagnetnog polja) učestvuju u elektromagnetnim interakcijama, ali nemaju jake, slabe ili gravitacione interakcije.
Leptoni dobilo ime od grčke reči leptos- lako. Tu spadaju čestice koje nemaju jaku interakciju: mioni (μ – , μ +), elektroni (e – , u +), elektronski neutrini (v e – ,v e +) i mionski neutrini (v – m, v + m). Svi leptoni imaju spin od ½ i stoga su fermioni. Svi leptoni imaju slabu interakciju. Oni koji imaju električni naboj (tj. mioni i elektroni) imaju i elektromagnetnu silu.
Mezoni – nestabilne čestice u jakoj interakciji koje ne nose takozvani barionski naboj. Među njima je R-mezoni, ili pioni (π + , π – , π 0), TO-mezoni, ili kaoni (K +, K –, K 0), i ovo-mezoni (η) . Težina TO-mezon je ~970me (494 MeV za naelektrisan i 498 MeV za neutralan TO-mezoni). Životni vijek TO-mezoni imaju magnitudu reda 10 –8 s. One se raspadaju u formu I-mezoni i leptoni ili samo leptoni. Težina ovo-mezoni je 549 MeV (1074me), životni vijek je oko 10–19 s. Ovo-mezoni se raspadaju i formiraju π-mezone i γ-fotone. Za razliku od leptona, mezoni imaju ne samo slabu (i, ako su naelektrisani, elektromagnetnu) interakciju, već i jaku interakciju, koja se manifestuje kada su u međusobnoj interakciji, kao i tokom interakcije mezona i bariona. Svi mezoni imaju nulti spin, tako da su bozoni.
Klasa barioni kombinuje nukleone (p,n) i nestabilne čestice mase veće od mase nukleona, koje se nazivaju hiperoni. Svi barioni imaju snažnu interakciju i stoga aktivno stupaju u interakciju s atomskim jezgrama. Spin svih bariona je ½, tako da su barioni fermioni. Sa izuzetkom protona, svi barioni su nestabilni. Tokom raspada bariona, zajedno sa ostalim česticama, nužno nastaje barion. Ovaj obrazac je jedna od manifestacija zakon očuvanja barionskog naboja.
Pored gore navedenih čestica, pronašli smo veliki broj snažno interagirajuće kratkotrajne čestice, koje se tzv rezonancije . Ove čestice su rezonantna stanja formirana od dvije ili više elementarnih čestica. Životni vijek rezonancije je samo ~ 10 –23 –10 –22 s.
Elementarne čestice, kao i složene mikročestice, mogu se uočiti zahvaljujući tragovima koje ostavljaju prolazeći kroz materiju. Priroda tragova nam omogućava da procijenimo znak naboja čestice, njenu energiju, impuls, itd. Nabijene čestice uzrokuju ionizaciju molekula na njihovoj putanji. Neutralne čestice ne ostavljaju tragove, ali se mogu otkriti u trenutku raspadanja na nabijene čestice ili u trenutku sudara s bilo kojim jezgrom. Posljedično, neutralne čestice se na kraju također detektuju jonizacijom uzrokovanom nabijenim česticama koje generiraju.
Čestice i antičestice. Godine 1928. engleski fizičar P. Dirac uspio je pronaći relativističku kvantnu mehaničku jednačinu za elektron, iz koje slijedi niz izvanrednih posljedica. Prije svega, iz ove jednačine se prirodno dobijaju spin i numerička vrijednost vlastitog magnetskog momenta elektrona, bez ikakvih dodatnih pretpostavki. Tako se pokazalo da je spin i kvantna i relativistička veličina. Ali ovo ne iscrpljuje značaj Diracove jednadžbe. Takođe je omogućilo da se predvidi postojanje antičestice elektrona - pozitron. Iz Diracove jednadžbe dobivaju se ne samo pozitivne nego i negativne vrijednosti ukupne energije slobodnog elektrona. Proučavanje jednadžbe pokazuje da za dati impuls čestice postoje rješenja jednadžbe koja odgovaraju energijama: .
Između najveće negativne energije (- m e With 2) i najmanje pozitivne energije (+ m e c 2) postoji interval energetskih vrednosti koji se ne može realizovati. Širina ovog intervala je 2 m e With 2. Posljedično, dobivaju se dvije regije vlastitih vrijednosti energije: jedna počinje sa + m e With 2 i proteže se do +∞, drugi počinje od – m e With 2 i proteže se do –∞.
Čestica sa negativnom energijom mora imati vrlo čudna svojstva. Prelazeći u stanja sa sve manje energije (tj. sa negativnom energijom koja raste po veličini), mogla bi oslobađati energiju, recimo, u obliku zračenja, i, budući da | E| bez ograničenja, čestica sa negativnom energijom mogla bi emitovati beskonačno veliku količinu energije. Do sličnog zaključka može se doći i na sljedeći način: iz relacije E=m e With 2 slijedi da će čestica s negativnom energijom imati i negativnu masu. Pod utjecajem sile kočenja, čestica negativne mase ne bi trebala usporiti, već ubrzati, obavljajući beskonačno veliku količinu rada na izvoru sile kočenja. S obzirom na ove poteškoće, čini se da bi bilo neophodno priznati da stanje sa negativnom energijom treba isključiti iz razmatranja kao što dovodi do apsurdnih rezultata. Ovo bi, međutim, bilo u suprotnosti s nekim općim principima kvantne mehanike. Stoga je Dirac izabrao drugačiji put. On je predložio da se prijelazi elektrona u stanja s negativnom energijom obično ne primjećuju iz razloga što su svi dostupni nivoi s negativnom energijom već zauzeti elektronima. 
Prema Diracu, vakuum je stanje u kojem su svi nivoi negativne energije zauzeti elektronima, a nivoi sa pozitivnom energijom slobodni. Pošto su svi nivoi koji se nalaze ispod zabranjenog pojasa zauzeti bez izuzetka, elektroni na ovim nivoima se ni na koji način ne otkrivaju. Ako jedan od elektrona koji se nalazi na negativnim nivoima dobije energiju E≥ 2m e With 2, tada će ovaj elektron prijeći u stanje s pozitivnom energijom i ponašat će se na uobičajen način, kao čestica s pozitivnom masom i negativnim nabojem. Ova prva teoretski predviđena čestica nazvana je pozitron. Kada pozitron sretne elektron, oni se anihiliraju (nestaju) - elektron se kreće sa pozitivnog nivoa na prazni negativni nivo. Energija koja odgovara razlici između ovih nivoa oslobađa se u obliku zračenja. Na sl. 4, strelica 1 prikazuje proces stvaranja para elektron-pozitron, a strelica 2 – njihovo poništavanje.Pojam “anihilacija” ne treba shvatiti doslovno. U suštini, ono što se dešava nije nestanak, već transformacija nekih čestica (elektrona i pozitrona) u druge (γ-fotone).
Postoje čestice koje su identične svojim antičesticama (odnosno, nemaju antičestice). Takve čestice nazivaju se apsolutno neutralnim. To uključuje foton, π 0 mezon i η mezon. Čestice koje su identične njihovim antičesticama nisu sposobne za anihilaciju. To, međutim, ne znači da se one uopće ne mogu transformirati u druge čestice.
Ako se barionima (tj. nukleonima i hiperonima) dodijeli barionski naboj (ili barionski broj) IN= +1, antibarioni – barionski naboj IN= –1, a sve ostale čestice imaju barionski naboj IN= 0, tada će se svi procesi koji se odvijaju uz učešće bariona i antibariona karakterizirati očuvanjem bariona naboja, kao što se procesi karakteriziraju očuvanjem električnog naboja. Zakon održanja barionskog naboja određuje stabilnost najmekšeg bariona, protona. Transformacija svih veličina koje opisuju fizički sistem, u kojoj su sve čestice zamijenjene antičesticama (na primjer, elektroni s protonima, a protoni s elektronima, itd.), naziva se konjugacijski naboj.
Čudne čestice.TO-mezoni i hiperoni su otkriveni kao deo kosmičkih zraka početkom 50-ih godina XX veka. Od 1953. proizvode se u akceleratorima. Pokazalo se da je ponašanje ovih čestica toliko neobično da su ih nazvali čudnim. Neobično ponašanje čudnih čestica bilo je to što su se očito rodile zbog jakih interakcija s karakterističnim vremenom reda od 10–23 s, a ispostavilo se da je njihov životni vijek reda 10–8–10–10 s. Posljednja okolnost je ukazivala da do raspada čestica dolazi kao rezultat slabih interakcija. Bilo je potpuno nejasno zašto su čudne čestice živele tako dugo. Budući da su iste čestice (π-mezoni i protoni) uključene u stvaranje i raspad λ-hiperona, bilo je iznenađujuće da je brzina (tj. vjerovatnoća) oba procesa bila toliko različita. Dalja istraživanja su pokazala da se čudne čestice rađaju u parovima. To je dovelo do ideje da jake interakcije ne mogu igrati ulogu u raspadu čestica zbog činjenice da je prisustvo dvije čudne čestice neophodno za njihovu manifestaciju. Iz istog razloga, pokazalo se da je jedno stvaranje čudnih čestica nemoguće.
Da bi objasnili zabranu pojedinačne proizvodnje čudnih čestica, M. Gell-Mann i K. Nishijima uveli su novi kvantni broj čija bi ukupna vrijednost, prema njihovoj pretpostavci, trebala biti očuvana pod jakim interakcijama. Ovo je kvantni broj S je imenovan neobičnost čestice. U slabim interakcijama, neobičnost se možda neće sačuvati. Stoga se pripisuje samo česticama u jakoj interakciji - mezonima i barionima.
Neutrino. Neutrino je jedina čestica koja ne učestvuje ni u jakim ni u elektromagnetnim interakcijama. Isključujući gravitacionu interakciju, u kojoj učestvuju sve čestice, neutrini mogu učestvovati samo u slabim interakcijama.
Dugo je bilo nejasno kako se neutrino razlikuje od antineutrina. Otkriće zakona održanja kombinovanog pariteta omogućilo je da se odgovori na ovo pitanje: razlikuju se po spiralnosti. Ispod heličnost razume se određeni odnos između pravaca impulsa R i nazad Sčestice. Heličnost se smatra pozitivnom ako su spin i impuls u istom smjeru. U ovom slučaju, smjer kretanja čestica ( R) i smjer "rotacije" koji odgovara okretanju formiraju desnoruki vijak. Kada su spin i impuls suprotno usmjereni, spiralnost će biti negativna (translacijsko kretanje i "rotacija" formiraju lijevoruki vijak). Prema teoriji longitudinalnih neutrina koju su razvili Yang, Lee, Landau i Salam, svi neutrini koji postoje u prirodi, bez obzira na način njihovog porijekla, uvijek su potpuno longitudinalno polarizirani (tj. njihov spin je usmjeren paralelno ili antiparalelno s impulsom R). Neutrino ima negativan(lijevo) spiralnost (odgovara omjeru pravaca S I R, prikazano na sl. 5 (b), antineutrino – pozitivna (desnoruka) spirala (a). Dakle, heličnost je ono što razlikuje neutrine od antineutrina.
Rice. 5.Šema spiralnosti elementarnih čestica
Sistematika elementarnih čestica. Obrasci uočeni u svijetu elementarnih čestica mogu se formulirati u obliku zakona održanja. Već se nakupilo dosta takvih zakona. Neki od njih se ispostavljaju da nisu tačni, već samo približni. Svaki zakon održanja izražava određenu simetriju sistema. Zakoni održanja impulsa R, ugaoni moment L i energiju E odražavaju svojstva simetrije prostora i vremena: očuvanje E je posljedica homogenosti vremena, očuvanosti R zbog homogenosti prostora i očuvanosti L– njegova izotropija. Zakon održanja parnosti povezan je sa simetrijom između desnog i lijevog ( R-invarijantnost). Simetrija u odnosu na konjugaciju naboja (simetrija čestica i antičestica) dovodi do očuvanja pariteta naboja ( WITH-invarijantnost). Zakoni održanja električnih, barionskih i leptonskih naboja izražavaju posebnu simetriju WITH-funkcije. Konačno, zakon održanja izotopskog spina odražava izotropiju izotopskog prostora. Nepoštivanje jednog od zakona očuvanja znači kršenje odgovarajuće vrste simetrije u ovoj interakciji.
U svijetu elementarnih čestica vrijedi sljedeće pravilo: sve što nije zabranjeno zakonima o konzervaciji je dozvoljeno. Potonji igraju ulogu pravila isključivanja koja regulišu međusobnu konverziju čestica. Prije svega, primijetimo zakone održanja energije, impulsa i električnog naboja. Ova tri zakona objašnjavaju stabilnost elektrona. Iz očuvanja energije i impulsa slijedi da ukupna masa mirovanja proizvoda raspada mora biti manja od mase mirovanja čestice koja se raspada. To znači da se elektron može raspasti samo na neutrine i fotone. Ali ove čestice su električno neutralne. Tako se ispostavilo da elektron jednostavno nema kome da prenese svoj električni naboj, pa je stabilan.
Kvarkovi. Postalo je toliko čestica koje se nazivaju elementarnim da su se pojavile ozbiljne sumnje u njihovu elementarnu prirodu. Svaku od čestica u jakoj interakciji karakteriziraju tri nezavisna aditivna kvantna broja: naboj Q, hipercharge U i barionsko punjenje IN. S tim u vezi pojavila se hipoteza da su sve čestice građene od tri fundamentalne čestice – nosioca ovih naboja. Godine 1964. Gell-Mann i, nezavisno od njega, švicarski fizičar Zweig iznijeli su hipotezu prema kojoj su sve elementarne čestice građene od tri čestice koje se nazivaju kvarkovi. Ovim česticama se dodeljuju frakcioni kvantni brojevi, posebno električni naboj jednak +⅔; –⅓; +⅓ za svaki od tri kvarka. Ovi kvarkovi se obično označavaju slovima U,D,S. Pored kvarkova, razmatraju se i antikvarkovi ( u,d,s). Do danas je poznato 12 kvarkova - 6 kvarkova i 6 antikvarkova. Mezoni se formiraju od para kvark-antikvark, a barioni se formiraju od tri kvarka. Na primjer, proton i neutron se sastoje od tri kvarka, što proton ili neutron čini bezbojnim. Shodno tome razlikuju se tri naboja jakih interakcija - crvena ( R), žuta ( Y) i zelena ( G).
Svakom kvarku je dodijeljen isti magnetni moment (μV), čija vrijednost nije određena iz teorije. Proračuni napravljeni na osnovu ove pretpostavke daju vrijednost magnetnog momenta μ p za proton = μ kv, a za neutron μ n = – ⅔μ sq.
Tako se za omjer magnetnih momenata dobije vrijednost μ p / μn = –⅔, što se odlično slaže s eksperimentalnom vrijednošću.
U osnovi, boja kvarka (kao i znak električnog naboja) počela je izražavati razliku u svojstvu koje određuje međusobno privlačenje i odbijanje kvarkova. Po analogiji sa kvantima polja različitih interakcija (fotoni u elektromagnetnim interakcijama, R-mezoni u jakim interakcijama itd.) uvedene su čestice koje su nosile interakciju između kvarkova. Ove čestice su dobile naziv gluoni. Oni prenose boju s jednog kvarka na drugi, uzrokujući da se kvarkovi drže zajedno. U fizici kvarkova formulisana je hipoteza konfiniranja (od engleskog. zatvaranja– capture) kvarkova, prema kojem je nemoguće oduzeti kvark od cjeline. Može postojati samo kao element cjeline. Postojanje kvarkova kao stvarnih čestica u fizici je pouzdano potkrijepljeno.
Ideja o kvarkovima se pokazala vrlo plodnom. Omogućio je ne samo sistematizaciju već poznatih čestica, već i predviđanje čitavog niza novih. Situacija koja se razvila u fizici elementarnih čestica podsjeća na situaciju koja je nastala u atomskoj fizici nakon otkrića periodnog zakona 1869. od strane D. I. Mendeleva. Iako je suština ovog zakona razjašnjena tek oko 60 godina nakon stvaranja kvantne mehanike, on je omogućio sistematizaciju do tada poznatih hemijskih elemenata i, osim toga, doveo do predviđanja postojanja novih elemenata i njihovih svojstava. . Na isti način, fizičari su naučili da sistematiziraju elementarne čestice, a razvijena taksonomija je u rijetkim slučajevima omogućila da se predvidi postojanje novih čestica i predvidi njihova svojstva.
Dakle, trenutno se kvarkovi i leptoni mogu smatrati zaista elementarnim; Ima ih 12, ili zajedno sa anti-čaticima - 24. Osim toga, tu su i čestice koje obezbeđuju četiri fundamentalne interakcije (kvanta interakcije). Postoji 13 ovih čestica: graviton, foton, W± - i Z-čestice i 8 gluona.
Postojeće teorije elementarnih čestica ne mogu naznačiti šta je početak serije: atomi, jezgra, hadroni, kvarkoviU ovoj seriji svaka složenija materijalna struktura uključuje jednostavniju kao komponentu. Očigledno, ovo se ne može nastaviti u nedogled. Pretpostavljalo se da je opisani lanac materijalnih struktura zasnovan na objektima fundamentalno različite prirode. Pokazano je da takvi objekti možda nisu točkasti, već proširene, iako izuzetno male (~10-33 cm) formacije, tzv. superstrings. Opisana ideja nije ostvariva u našem četvorodimenzionalnom prostoru. Ovo područje fizike je općenito izuzetno apstraktno i vrlo je teško pronaći vizualne modele koji pomažu u pojednostavljenju percepcije ideja svojstvenih teorijama elementarnih čestica. Ipak, ove teorije dozvoljavaju fizičarima da izraze međusobnu transformaciju i međuzavisnost “najelementarnijih” mikro-objekata, njihovu povezanost sa svojstvima četverodimenzionalnog prostora-vremena. Najperspektivniji je tzv M-teorija (M – od misterija- zagonetka, tajna). Ona radi dvanaestodimenzionalni prostor . Konačno, tokom tranzicije u četverodimenzionalni svijet koji direktno percipiramo, sve "dodatne" dimenzije se "urušavaju". M-teorija je do sada jedina teorija koja omogućava da se četiri fundamentalne interakcije svedu na jednu - tzv. Supermoć. Također je važno da M-teorija dopušta postojanje različitih svjetova i uspostavlja uslove koji osiguravaju nastanak našeg svijeta. M-teorija još nije dovoljno razvijena. Vjeruje se da je finale "teorija svega" zasnovana na M-teoriji biće izgrađena u 21. veku.