Koncept elementarnih čestica. Elementarne čestice i njihove glavne karakteristike

Elementarne čestice

Fizičari su otkrili postojanje elementarnih čestica proučavajući nuklearne procese, pa je sve do sredine 20. stoljeća fizika elementarnih čestica bila grana nuklearne fizike. Trenutno su fizika elementarnih čestica i nuklearna fizika bliske, ali nezavisne grane fizike, koje objedinjuje zajedništvo mnogih razmatranih problema i korištenih istraživačkih metoda. Osnovni zadatak fizike elementarnih čestica je proučavanje prirode, svojstava i međusobnih transformacija elementarnih čestica.

Ideja da je svijet napravljen od osnovnih čestica ima dugu istoriju. Po prvi put, ideju o postojanju najmanjih nevidljivih čestica koje čine sve okolne objekte iznio je 400 godina prije Krista grčki filozof Demokrit. Te je čestice nazvao atomima, odnosno nedjeljivim česticama. Nauka je počela da koristi koncept atoma tek u početkom XIX veka, kada je na osnovu toga bilo moguće objasniti niz hemijskih pojava. Tridesetih godina 19. veka, u teoriji elektrolize koju je razvio M. Faraday, pojavio se koncept jona i izvršeno je merenje. elementarnog naboja. Kraj 19. vijeka obilježilo je otkriće fenomena radioaktivnosti (A. Becquerel, 1896), kao i otkrića elektrona (J. Thomson, 1897) i alfa čestica (E. Rutherford, 1899). Godine 1905. u fizici se pojavila ideja o kvantima elektromagnetnog polja - fotonima (A. Einstein).

Godine 1911. otkriveno je atomsko jezgro (E. Rutherford) i konačno je dokazano da atomi imaju složenu strukturu. Godine 1919. Rutherford je otkrio protone u produktima fisije atomskih jezgara brojnih elemenata. Godine 1932. J. Chadwick je otkrio neutron. Postalo je jasno da jezgra atoma, kao i sami atomi, imaju složenu strukturu. Pojavila se protonsko-neutronska teorija strukture jezgara (D. D. Ivanenko i V. Heisenberg). Iste 1932. godine otkriven je pozitron u kosmičkim zracima (K. Anderson). Pozitron je pozitivno nabijena čestica koja ima istu masu i isti (modulo) naboj kao elektron. Postojanje pozitrona predvidio je P. Dirac 1928. godine. Tokom ovih godina otkrivene su i proučavane međusobne transformacije protona i neutrona, te je postalo jasno da ni te čestice nisu nepromjenjivi elementarni „građevinski blokovi“ prirode. Godine 1937. čestice mase od 207 elektronskih masa, nazvane mioni (μ-mezoni), otkrivene su u kosmičkim zracima. Zatim, 1947-1950, otkriveni su pioni (tj. π mezoni) koji, prema modernim konceptima, interaguju između nukleona u jezgru. U narednim godinama, broj novootkrivenih čestica počeo je brzo rasti. To je bilo olakšano istraživanjem kosmičkih zraka, razvojem tehnologije akceleratora i proučavanjem nuklearnih reakcija.

Trenutno je poznato oko 400 subnuklearnih čestica koje se obično nazivaju elementarnim. Velika većina ovih čestica je nestabilna. Jedini izuzeci su foton, elektron, proton i neutrino. Sve ostale čestice prolaze kroz spontane transformacije u druge čestice u određenim intervalima. Nestabilne elementarne čestice se uvelike razlikuju po svom vijeku trajanja. Najdugovječnija čestica je neutron. Životni vijek neutrona je oko 15 minuta. Ostale čestice "žive" mnogo kraće. Na primjer, prosječno vrijeme života μ mezona je 2,2 10–6 s, a neutralnog π mezona 0,87 10–16 s. Mnoge masivne čestice - hiperoni - imaju prosječni životni vijek reda 10-10 s.
Postoji nekoliko desetina čestica čiji životni vijek prelazi 10-17 s. Na skali mikrokosmosa, ovo je značajno vrijeme. Takve čestice se nazivaju relativno stabilne. Većina kratkoživih elementarnih čestica ima životni vijek reda 10–22–10–23 s.

Sposobnost za međusobne transformacije je najveća važna imovina sve elementarne čestice. Elementarne čestice su sposobne da se rađaju i uništavaju (emituju i apsorbuju). Ovo važi i za stabilne čestice, s jedinom razlikom što se transformacije stabilnih čestica ne dešavaju spontano, već kroz interakciju sa drugim česticama. Primjer je anihilacija (tj. nestanak) elektrona i pozitrona, praćena rođenjem fotona visoke energije. Može se dogoditi i obrnuti proces - rođenje para elektron-pozitron, na primjer, kada se foton sudari sa dovoljno odlična energija sa jezgrom. Proton takođe ima tako opasnog blizanca kao što je pozitron za elektron. Zove se antiproton. Električni naboj antiprotona je negativan. Trenutno su antičestice pronađene u svim česticama. Antičestice su suprotne česticama jer kada se bilo koja čestica susretne sa svojom antičesticom, dolazi do njihove anihilacije, tj. obje čestice nestaju, pretvarajući se u kvante zračenja ili druge čestice.

Antičestica je čak pronađena u neutronu. Neutron i antineutron se razlikuju samo po predznacima magnetnog momenta i takozvanog barionskog naboja. Moguće je postojanje atoma antimaterije, čija se jezgra sastoje od antinukleona, a ljuska od pozitrona. Kada se antimaterija poništi sa materijom, ostatak energije se pretvara u energiju kvanta zračenja. To je ogromna energija koja znatno premašuje onu koja se oslobađa tokom nuklearnih i termonuklearnih reakcija.

U nizu do sada poznatih elementarnih čestica, nalazi se manje-više harmoničan sistem klasifikacije. Tabela daje neke informacije o svojstvima elementarnih čestica sa životnim vijekom dužim od 10-20 s. Od mnogih svojstava koja karakteriziraju elementarnu česticu, tabela prikazuje samo masu čestice (u masama elektrona), električni naboj (u jedinicama elementarnog naboja) i ugaoni moment (tzv. spin) u jedinicama Planckove konstante ħ = h / 2π. Tabela takođe pokazuje prosječni vijek trajanja čestica.

	Ime čestice		misa (u elektronskim masama)	Električno punjenje		Životni vijek (s)
	Antičestica
				Stabilan
	Neutrino elektron				Stabilan
Neutrino mion				Stabilan
Elektron						Stabilan
		Pi mesons
				≈ 10–10 –10–8
Eta-nul-mezon
							Stabilan
Lambda hiperon
Sigma hiperoni
Xi-hiperoni
Omega-minus-hiperon

Elementarne čestice su kombinovane u tri grupe: fotoni, leptoni i hadroni.
Grupa fotona uključuje jednu česticu - foton, koji je nosilac elektromagnetne interakcije.

Sljedeću grupu čine lake leptonske čestice. Ova grupa uključuje dvije vrste neutrina (elektron i mion), elektron i μ-mezon. Leptoni takođe uključuju brojne čestice koje nisu navedene u tabeli. Svi leptoni imaju spin 1/2.

Treću veliku grupu čine teške čestice zvane hadroni. Ova grupa je podijeljena u dvije podgrupe. Lakše čestice čine podgrupu mezona. Najlakši od njih su pozitivno i negativno nabijeni, kao i neutralni π-mezoni s masama reda 250 masa elektrona. Pioni su kvanti nuklearnog polja, kao što su fotoni kvanti elektromagnetnog polja. Ova podgrupa takođe uključuje četiri K mezona i jedan η0 mezon. Svi mezoni imaju spin jednak nuli.
Druga podgrupa - barioni - uključuje teže čestice. Najobimniji je. Najlakši barioni su nukleoni - protoni i neutroni. Slijede ih takozvani hiperoni. Tablicu zatvara omega-minus hiperon, otkriven 1964. To je teška čestica sa masom od 3273 mase elektrona. Svi barioni imaju spin 1/2.

Obilje otkrivenih i novootkrivenih hadrona navelo je naučnike da poveruju da su svi izgrađeni od nekih drugih fundamentalnijih čestica. Godine 1964. američki fizičar M. Gell-Man iznio je hipotezu, potvrđenu kasnijim istraživanjima, da su sve teške fundamentalne čestice - hadroni - izgrađene od fundamentalnijih čestica zvanih kvarkovi. Na osnovu hipoteze kvarka, ne samo da je shvaćena struktura već poznatih hadrona, već je i predviđeno postojanje novih. Gell-Manova teorija pretpostavljala je postojanje tri kvarka i tri antikvarka, koji se međusobno povezuju u različitim kombinacijama. Dakle, svaki barion se sastoji od tri kvarka, a svaki antibarion se sastoji od tri antikvarka. Mezoni se sastoje od parova kvark–antikvark.

Sa prihvatanjem hipoteze o kvarku, bilo je moguće stvoriti harmoničan sistem elementarne čestice. Međutim, ispostavilo se da su predviđena svojstva ovih hipotetičkih čestica prilično neočekivana. Električni naboj kvarkova treba izraziti razlomci brojeva, jednako 2/3 i 1/3 elementarnog naboja.
Brojne pretrage za kvarkovima u slobodnom stanju, vršene na visokoenergetskim akceleratorima i u kosmičkim zracima, bile su neuspešne. Naučnici vjeruju da je jedan od razloga neuočljivosti slobodnih kvarkova možda njihova vrlo velika masa. Ovo sprečava rađanje kvarkova na energijama koje se postižu u modernim akceleratorima. Međutim, većina stručnjaka sada je uvjerena da kvarkovi postoje unutar teških čestica - hadrona. Osim leptonskih i barionskih naboja, poznati su i sljedeći:

Strangeness s. Kvantni broj s može imati vrijednosti -3, -2, -1, 0, +1, +2, +3 i određen je sastavom kvarka adrona. Na primjer, hiperoni Λ, Σ imaju s = -l; K+, K- mezoni imaju s = +l.

Šarm sa. Kvantni broj c može imati vrijednosti -3, -2, -1, 0, +1, +2, +3. Trenutno su otkrivene čestice koje imaju c = 0, +1 i -1. Na primjer, Λ+c barion ima c = +1.

Dno b. Kvantni broj b može imati vrijednosti -3, -2, -1, 0, +1, +2, +3. Trenutno su otkrivene čestice koje imaju b = 0, +1, -1. Na primjer, B+ mezon ima b = +1.

Topness t. Kvantni broj t može imati vrijednosti -3, -2, -1, 0, +1, +2, +3. Trenutno je otkriveno samo jedno stanje sa t = +1.

Isospin I.Čestice u jakoj interakciji mogu se podijeliti u grupe čestica koje imaju slična svojstva ( istu vrijednost spin, paritet, barionski broj, čudnost i drugi kvantni brojevi sačuvani u jakim interakcijama) - izotopski multipleti. Vrijednost izospina I određuje broj čestica uključenih u jedan izotopski multiplet. n i p formiraju izotopski dublet I=1/2; Σ+ ,Σ- ,Σ0 su dio izotopskog tripleta I = 1, Λ je izotopski singlet I = 0, broj čestica uključenih u jedan izotopski multiplet 2I + 1.

G-paritet je kvantni broj koji odgovara simetriji u odnosu na istovremenu operaciju konjugacije naboja i promjenu predznaka treće komponente Iz izospina. G paritet je očuvan samo u jakim interakcijama.

Fundamentalne interakcije. Procesi u kojima učestvuju različite elementarne čestice uvelike se razlikuju po svojim karakterističnim vremenima i energijama. Prema modernim konceptima, u prirodi postoje četiri vrste interakcija koje se ne mogu svesti na druge, više jednostavni tipovi interakcije: jake, elektromagnetne, slabe i gravitacione. Ove vrste interakcija se nazivaju fundamentalnim.

Jaka (ili nuklearna) interakcija je najintenzivnija od svih vrsta interakcija. Oni uzrokuju izuzetno jaku vezu između protona i neutrona u jezgri atoma. Samo teške čestice—hadroni (mezoni i barioni)—mogu učestvovati u snažnim interakcijama. Jaka interakcija se manifestuje na udaljenostima manjim od 10–15 m. Stoga se naziva kratkog dometa.

Elektromagnetna interakcija. U ovoj vrsti interakcije mogu učestvovati bilo koje električno nabijene čestice, kao i fotoni - kvanti elektromagnetnog polja. Elektromagnetna interakcija je posebno odgovorna za postojanje atoma i molekula. On određuje mnoga svojstva tvari u čvrstom, tekućem i plinovitom stanju. Kulonsko odbijanje protona dovodi do nestabilnosti jezgara sa velikim masenim brojem. Elektromagnetna interakcija određuje procese apsorpcije i emisije fotona od strane atoma i molekula materije i mnoge druge procese u fizici mikro- i makrosvijeta.

Slaba interakcija je najsporija od svih interakcija koje se dešavaju u mikrokosmosu. U njemu mogu učestvovati sve elementarne čestice osim fotona. Slaba interakcija je odgovorna za nastanak procesa koji uključuju neutrine ili antineutrine, na primjer, neutronski β-raspad:

Kao i procesi raspada čestica bez neutrina sa dugim životnim vijekom (τ ≥ 10–10 s).

Gravitacijska interakcija je svojstvena svim česticama bez izuzetka, međutim, zbog male mase elementarnih čestica, sile gravitacijske interakcije između njih su zanemarljive i njihova uloga u procesima mikrosvijeta je neznatna. Gravitacijske sile igraju odlučujuću ulogu u interakciji kosmičkih objekata (zvijezda, planeta, itd.) s njihovim ogromnim masama.

Tridesetih godina 20. vijeka pojavila se hipoteza da se u svijetu elementarnih čestica interakcije odvijaju razmjenom kvanta nekog polja. Ovu hipotezu su izvorno iznijeli naši sunarodnici I. E. Tamm i D. D. Ivanenko. Oni su predložili da fundamentalne interakcije nastaju izmjenom čestica, kao što kovalentna kemijska veza atoma nastaje iz razmjene valentnih elektrona koji se kombinuju na neispunjenim elektronskim omotačima.
Interakcija koju vrši razmjena čestica u fizici se naziva interakcija razmjene. Na primjer, elektromagnetna interakcija između nabijenih čestica nastaje zbog razmjene fotona - kvanta elektromagnetnog polja.

Teorija interakcije razmjene dobila je priznanje nakon što je japanski fizičar H. Yukawa 1935. teorijski pokazao da se snažna interakcija između nukleona u jezgri atoma može objasniti ako pretpostavimo da nukleoni razmjenjuju hipotetičke čestice zvane mezoni. Yukawa je izračunao masu ovih čestica, za koju se pokazalo da je približno jednaka 300 masa elektrona. Čestice s takvom masom su naknadno zapravo otkrivene. Ove čestice se nazivaju π-mezoni (pioni). Trenutno su poznata tri tipa piona: π+, π– i π0.

Godine 1957. teorijski je predviđeno postojanje teških čestica, takozvanih vektorskih bozona W+, W– i Z0, koje uzrokuju razmjenski mehanizam slabe interakcije. Ove čestice su otkrivene 1983. u eksperimentima na akceleratorima koristeći se sudarajućim snopovima protona i antiprotona visoke energije. Otkriće vektorskih bozona bilo je veoma važno dostignuće u fizici čestica. Ovo otkriće označilo je uspjeh teorije, koja je spojila elektromagnetne i slabe sile u jednu takozvanu elektroslabu silu. Ova nova teorija razmatra elektromagnetno polje i polje slabe interakcije kao različite komponente istog polja, u kojem vektorski bozoni učestvuju zajedno sa kvantom elektromagnetnog polja.

Nakon ovog otkrića u modernoj fizici, značajno je poraslo povjerenje da su sve vrste interakcija usko povezane jedna s drugom i da su, u suštini, različite manifestacije nekog pojedinačnog polja. Međutim, ujedinjenje svih interakcija ostaje samo privlačna naučna hipoteza.

Teoretski fizičari ulažu značajne napore u pokušajima da na jedinstvenoj osnovi razmotre ne samo elektromagnetnu i slabu, već i snažnu interakciju. Ova teorija je nazvana Veliko ujedinjenje. Naučnici sugeriraju da bi gravitacijska interakcija također trebala imati svog nosioca - hipotetičku česticu koja se zove graviton. Međutim, ova čestica još nije otkrivena.

Danas se smatra dokazanim da jedno polje koje objedinjuje sve vrste interakcija može postojati samo pri ekstremno visokim energijama čestica, nedostižnim savremenim akceleratorima. Čestice su mogle imati tako visoke energije samo u vrlo ranim fazama postojanja Univerzuma, koji je nastao kao rezultat takozvanog Velikog praska ( Veliki prasak). Kosmologija - studija evolucije svemira - sugerira da se Veliki prasak dogodio prije 18 milijardi godina. U standardnom modelu evolucije Univerzuma pretpostavlja se da bi u prvom periodu nakon eksplozije temperatura mogla dostići 1032 K, a energija čestice E = kT 1019 GeV. U tom periodu materija je postojala u obliku kvarkova i neutrina, a sve vrste interakcija su kombinovane u jedno polje sile. Postepeno, kako se Univerzum širio, energija čestica se smanjivala, a iz ujedinjenog polja interakcija prvo je nastala gravitaciona interakcija (pri energijama čestica ≤ 1019 GeV), a zatim se jaka interakcija odvojila od elektroslabe interakcije (pri energijama reda od 1014 GeV). Pri energijama reda od 103 GeV ispostavilo se da su sva četiri tipa fundamentalnih interakcija razdvojena. Istovremeno sa ovim procesima nastajali su složeniji oblici materije - nukleoni, laka jezgra, joni, atomi, itd. Kosmologija u svom modelu pokušava da prati evoluciju Univerzuma u različitim fazama njegovog razvoja od Velikog praska do danas. dan, oslanjajući se na zakone fizike elementarnih čestica, kao i nuklearne i atomske fizike.

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. Svojstva čestice određuju najveća sila koja na nju djeluje. Samo su kvarkovi nosioci svih naboja i stoga su podložni dejstvu svih sila, među kojima je dominantna boja. Elektroni imaju sve naboje osim boje, a dominantna sila za njih je elektromagnetna sila.

Najstabilnije u prirodi su po pravilu neutralne kombinacije čestica u kojima se naboj čestica jednog znaka kompenzira ukupnim nabojem čestica drugog znaka. 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. Tako su elektroni sposobni da emituju fotone okruženi električnim i magnetskim poljima, kao i slabim i gravitacionim poljima. 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

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 – jedno od najvećih naučnih dostignuća 19. stoljeća.

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.

Elementarne čestice, u preciznom značenju tog pojma, su primarne, dalje nerazgradive čestice od kojih bi se trebala sastojati sva materija.

Elementarne čestice moderne fizike ne zadovoljavaju strogu definiciju elementarnosti, jer su većina njih, prema savremenim konceptima, kompozitni sistemi. Zajedničko svojstvo ovih sistema je da: Da nisu atomi ili jezgra (izuzetak je proton). Stoga se ponekad nazivaju subnuklearnim česticama.

Čestice koje tvrde da su primarni elementi materije se ponekad nazivaju "istinskim elementarnim česticama".

Prva otkrivena elementarna čestica bio je elektron. Otvorena je engleski fizičar Thomson 1897.

Prvi otkriveni anticistit bio je pozitron - čestica mase elektrona, ali pozitivnog električnog naboja. Ovu antičesticu je u kosmičkim zracima otkrio američki fizičar Anderson 1932. godine.

U savremenoj fizici grupa elementarnih čestica obuhvata više od 350 čestica, uglavnom nestabilnih, a njihov broj i dalje raste.

Ako su se ranije elementarne čestice obično detektirale u kosmičkim zracima, onda su od ranih 50-ih akceleratori postali glavni alat za proučavanje elementarnih čestica.

Mikroskopske mase i veličine elementarnih čestica određuju kvantnu specifičnost njihovog ponašanja: kvantni zakoni su odlučujući u ponašanju elementarnih čestica.

Najvažnije kvantno svojstvo svih elementarnih čestica je sposobnost da se rađaju i uništavaju (emituju i apsorbuju) u interakciji sa drugim česticama. Svi procesi sa elementarnim česticama odvijaju se nizom činova apsorpcije i emisije.

Različiti procesi sa elementarnim česticama značajno se razlikuju po intenzitetu njihovog pojavljivanja.

U skladu sa različitim intenzitetom interakcije elementarnih čestica, fenomenološki se dijele u nekoliko klasa: jake, elektromagnetne i slabe. Osim toga, sve elementarne čestice imaju gravitacijsku interakciju.

Jaka interakcija elementarnih čestica izaziva procese koji se odvijaju najvećim intenzitetom u odnosu na druge procese i dovodi do najjačeg povezivanja elementarnih čestica. To je ono što određuje vezu između protona i neutrona u jezgri atoma.

Elektromagnetna interakcija se razlikuje od drugih po učešću elektromagnetnog polja. Elektromagnetno polje (u kvantnoj fizici foton) se ili emituje, apsorbuje tokom interakcije ili prenosi interakciju između tela.

Elektromagnetna interakcija osigurava vezu jezgara i elektrona u atomima i molekulima materije i time određuje (na osnovu zakona kvantne mehanike) mogućnost stabilnog stanja takvih mikrosistema.

Slaba interakcija elementarnih čestica uzrokuje vrlo spore procese s elementarnim česticama, uključujući raspad kvazistabilnih čestica.

Slaba interakcija je mnogo slabija ne samo od jake interakcije, već i od elektromagnetne interakcije, ali mnogo jača od gravitacijske interakcije.

Gravitaciona interakcija elementarnih čestica je najslabija od svih poznatih. Gravitaciona interakcija na udaljenostima karakterističnim za elementarne čestice proizvodi izuzetno male efekte zbog malih masa elementarnih čestica.

Slaba interakcija je mnogo jača od gravitacijske interakcije, ali u Svakodnevni život uloga gravitacione interakcije je mnogo uočljivija od uloge slabe interakcije. To se događa zato što gravitacijska interakcija (kao i elektromagnetna interakcija) ima beskonačno veliki radijus djelovanja. Stoga su, na primjer, tijela koja se nalaze na površini Zemlje podložna gravitacijskom privlačenju svih atoma koji čine Zemlju. Slaba interakcija ima tako mali raspon djelovanja da još nije izmjerena.

U modernoj fizici osnovnu ulogu igra relativistička kvantna teorija fizičkih sistema sa beskonačnim brojem stupnjeva slobode – kvantna teorija polja. Ova teorija je izgrađena da opiše jednu od najčešćih opšta svojstva mikrosvijet - univerzalna međusobna konvertibilnost elementarnih čestica. Da bi se opisali procesi ove vrste, bio je potreban prijelaz na kvantno valno polje. Kvantna teorija polja je nužno relativistička, jer ako se sistem sastoji od čestica koje se sporo kreću, onda njihova energija možda neće biti dovoljna za formiranje novih čestica sa masom mirovanja različitom od nule. Čestice sa nultom masom mirovanja (foton, eventualno neutrino) su uvijek relativističke, tj. uvek se kreće brzinom svetlosti.

Univerzalni način bavljenja svim interakcijama, baziran na simetriji kalibra, omogućava njihovo kombinovanje.

Kvantna teorija polja se pokazala najadekvatnijim aparatom za razumijevanje prirode interakcije elementarnih čestica i ujedinjenja svih vrsta interakcija.

Kvantna elektrodinamika je onaj dio kvantne teorije polja koji se bavi interakcijom elektromagnetnog polja i nabijenih čestica (ili elektron-pozitronskog polja).

Trenutno se kvantna elektrodinamika smatra sastavnim dijelom jedinstvene teorije slabih i elektromagnetnih interakcija.

U zavisnosti od njihovog učešća u određenim vrstama interakcije, sve proučavane elementarne čestice, sa izuzetkom fotona, dele se u dve glavne grupe - hadrone i leptone.

Hadroni (od grčkog - veliki, jaki) su klasa elementarnih čestica koje učestvuju u jakim interakcijama (zajedno sa elektromagnetnim i slabim). Leptoni (od grčkog - tanak, lagan) su klasa elementarnih čestica koje nemaju jake interakcije, učestvuju samo u elektromagnetnim i slabim interakcijama. (Prisustvo gravitacijske interakcije za sve elementarne čestice, uključujući foton, se podrazumijeva).

Još ne postoji potpuna teorija hadrona ili jake interakcije između njih, ali postoji teorija koja nam, iako nije ni potpuna ni opšteprihvaćena, omogućava da objasnimo njihova osnovna svojstva. Ova teorija je kvantna hromodinamika, prema kojoj se hadroni sastoje od kvarkova, a sile između kvarkova nastaju izmjenom gluona. Svi otkriveni hadroni sastoje se od pet kvarkova razne vrste(„ukusi“). Svaki kvark "ukusa" može biti u tri stanja "boje" ili imati tri različita "boja naboja".

Ako se zakoni koji uspostavljaju odnos između veličina koje karakterišu fizički sistem, ili koji određuju promjenu ovih veličina tokom vremena, ne mijenjaju pod određenim transformacijama kojima sistem može biti podvrgnut, onda se kaže da ovi zakoni imaju simetriju (ili invarijantnost). ) s obzirom na ove transformacije. Matematički, transformacije simetrije čine grupu.

IN moderna teorija Kod elementarnih čestica vodeći je koncept simetrije zakona u pogledu određenih transformacija. Simetrija se smatra faktorom koji određuje postojanje različitih grupa i porodica elementarnih čestica.

Snažna interakcija je simetrična u odnosu na rotacije u posebnom „izotopskom prostoru“. Sa matematičke tačke gledišta, izotopska simetrija odgovara transformacijama unitarne grupe simetrije SU(2). Izotopska simetrija nije egzaktna simetrija prirode, jer poremećena je elektromagnetnom interakcijom i razlikama u masama kvarkova.

Izotopska simetrija je dio šire aproksimativne simetrije jake interakcije - unitarne SU(3) simetrije. Ispostavilo se da je unitarna simetrija mnogo više narušena od izotopske. Međutim, predlaže se da će se ove simetrije, koje su vrlo snažno narušene na postignutim energijama, obnoviti na energijama koje odgovaraju takozvanom “velikom ujedinjenju”.

Za klasu unutrašnjih simetrija jednadžbi teorije polja (tj. simetrije povezane sa svojstvima elementarnih čestica, a ne sa svojstvima prostor-vremena), koristi se uobičajeni naziv - kalibarska simetrija.

Gauge simetrija dovodi do potrebe za postojanjem vektorskih mjernih polja, čija razmjena kvanta određuje interakcije čestica.

Ideja mjerne simetrije pokazala se najplodonosnijom u ujedinjenoj teoriji slabih i elektromagnetnih interakcija.

Zanimljiv problem u kvantnoj teoriji polja je uključivanje snažne interakcije (“veliko ujedinjenje”) u jedinstvenu mjernu shemu.

Za druge obećavajući pravac unifikacija se smatra supergauge simetrijom, ili jednostavno supersimetrijom.

60-ih godina, američki fizičari S. Weinberg, S. Glashow, pakistanski fizičar A. Salam i drugi stvorili su jedinstvenu teoriju slabih i elektromagnetnih interakcija, koja je kasnije postala poznata kao standardna teorija elektroslabe interakcije. U ovoj teoriji, uz foton koji vrši elektromagnetnu interakciju, pojavljuju se srednji vektorski bozoni - čestice koje nose slabu interakciju. Ove čestice su eksperimentalno otkrivene 1983. godine u CERN-u.

Eksperimentalno otkriće srednjih vektorskih bozona potvrđuje ispravnost osnovne (mjerne) ideje standardne teorije elektroslabe interakcije.

Međutim, da bi se teorija u potpunosti ispitala, potrebno je i eksperimentalno proučiti mehanizam spontanog narušavanja simetrije. Ako se ovaj mehanizam zaista javlja u prirodi, onda bi trebali postojati elementarni skalarni bozoni - takozvani Higgsovi bozoni. Standardna teorija elektroslabe interakcije predviđa postojanje najmanje jednog skalarnog bozona.

U fizici, elementarne čestice su fizički objekti na skali atomskog jezgra koji se ne mogu podijeliti na sastavne dijelove. Međutim, danas su naučnici uspeli da razdvoje neke od njih. Strukturu i svojstva ovih sićušnih objekata proučava fizika čestica.

Najmanje čestice koje čine svu materiju poznate su od davnina. Međutim, osnivačima takozvanog “atomizma” smatraju se starogrčki filozof Leukip i njegov poznatiji učenik Demokrit. Pretpostavlja se da je ovaj drugi skovao termin „atom“. Sa starogrčkog "atomos" se prevodi kao "nedjeljiv", što određuje stavove antičkih filozofa.

Kasnije je postalo poznato da se atom još uvijek može podijeliti na dva fizička objekta - jezgro i elektron. Potonji je kasnije postao prva elementarna čestica, kada je 1897. Englez Joseph Thomson izveo eksperiment s katodnim zrakama i otkrio da su to struja identičnih čestica iste mase i naboja.

Paralelno s Thomsonovim radom, Henri Becquerel, koji proučava rendgenske zrake, provodi eksperimente s uranijumom i otkriva novu vrstu zračenja. Godine 1898, francuski par fizičara, Marie i Pierre Curie, proučavao je različite radioaktivne supstance, otkrivajući isto radioaktivno zračenje. Kasnije će se otkriti da se sastoji od alfa čestica (2 protona i 2 neutrona) i beta čestica (elektrona), a Becquerel i Curie će dobiti Nobelovu nagradu. Dok je provodila svoje istraživanje sa elementima kao što su uranijum, radijum i polonijum, Marie Sklodowska-Curie nije poduzela nikakve sigurnosne mjere, uključujući čak ni korištenje rukavica. Kao rezultat toga, 1934. ju je zahvatila leukemija. U znak sjećanja na dostignuća velikog naučnika, element koji je otkrio par Curie, polonijum, nazvan je u čast Marijine domovine - Polonije, sa latinskog - Poljska.

Fotografija sa V Solvejskog kongresa 1927. Pokušajte pronaći sve naučnike iz ovog članka na ovoj fotografiji.

Od 1905. Albert Ajnštajn je svoje publikacije posvetio nesavršenosti talasne teorije svetlosti, čiji su postulati bili u suprotnosti sa rezultatima eksperimenata. Što je kasnije navelo izvanrednog fizičara na ideju o "kvantu svjetlosti" - dijelu svjetlosti. Kasnije, 1926. godine, američki fizikalni hemičar Gilbert N. Lewis ga je nazvao "foton", što je prevedeno sa grčkog "phos" ("svetlost").

Godine 1913., Ernest Rutherford, britanski fizičar, na osnovu rezultata eksperimenata koji su već bili izvedeni u to vrijeme, primijetio je da mase mnogih jezgara hemijski elementi su višekratnici mase jezgra vodonika. Stoga je pretpostavio da je jezgro vodika sastavni dio jezgara drugih elemenata. U svom eksperimentu, Rutherford je ozračio atom dušika alfa česticama, koje su kao rezultat emitirale određenu česticu, koju je Ernest nazvao "proton", od drugih grčkih "protos" (prvi, glavni). Kasnije je eksperimentalno potvrđeno da je proton jezgro vodika.

Očigledno, proton nije jedina komponenta jezgara hemijskih elemenata. Ova ideja je vođena činjenicom da bi se dva protona u jezgru odbijala jedan drugog, a atom bi se momentalno raspao. Stoga je Rutherford pretpostavio prisustvo druge čestice, čija je masa jednaka masi protona, ali je nenabijena. Neki eksperimenti naučnika o interakciji radioaktivnih i lakših elemenata doveli su ih do otkrića još jednog novog zračenja. James Chadwick je 1932. utvrdio da se sastoji od onih vrlo neutralnih čestica koje je nazvao neutronima.

Tako su otkrivene najpoznatije čestice: foton, elektron, proton i neutron.

Nadalje, otkrivanje novih subnuklearnih objekata postajalo je sve češći događaj, a trenutno je poznato oko 350 čestica koje se općenito smatraju "elementarnim". One od njih koje još nisu podijeljene smatraju se nestrukturiranim i nazivaju se „fundamentalnim“.

Šta je spin?

Prije nego što se krene naprijed sa daljim inovacijama u polju fizike, moraju se odrediti karakteristike svih čestica. Najpoznatiji, osim mase i električnog naboja, uključuje i spin. Ova veličina se inače naziva „unutarnji ugaoni moment” i ni na koji način nije povezana sa kretanjem subnuklearnog objekta kao celine. Naučnici su bili u mogućnosti da otkriju čestice sa spinom 0, ½, 1, 3/2 i 2. Da biste vizualizirali, iako pojednostavljeno, spin kao svojstvo objekta, razmotrite sljedeći primjer.

Neka predmet ima okret jednak 1. Tada će se takav objekt, kada se zarotira za 360 stepeni, vratiti u prvobitni položaj. Na avionu ovaj predmet može biti olovka, koja će nakon okretanja za 360 stepeni završiti u svom prvobitnom položaju. U slučaju nultog okretanja, bez obzira na to kako se predmet okreće, uvijek će izgledati isto, na primjer, jednobojna lopta.

Za ½ okretanja trebat će vam predmet koji zadržava svoj izgled kada se okrene za 180 stepeni. Može biti ista olovka, samo simetrično naoštrena s obje strane. Za okretanje od 2 potrebno je da se oblik zadrži kada se rotira za 720 stepeni, a za okretanje od 3/2 će biti potrebno 540.

Ova karakteristika je veoma važna za fiziku čestica.

Standardni model čestica i interakcija

Imati impresivan skup mikro-objekata koji čine svijet, naučnici su ih odlučili strukturirati i tako je nastala poznata teorijska struktura pod nazivom “Standard Model”. Ona opisuje tri interakcije i 61 česticu koristeći 17 osnovnih, od kojih je neke predvidjela mnogo prije otkrića.

Tri interakcije su:

• Elektromagnetski. Javlja se između električno nabijenih čestica. IN jednostavan slučaj, poznato iz škole, - za razliku od naelektrisanih objekata privlače, a slično naelektrisani odbijaju. To se dešava preko takozvanog nosioca elektromagnetne interakcije - fotona.
• Jaka, inače poznata kao nuklearna interakcija. Kao što naziv govori, njegovo djelovanje se proteže na objekte reda atomskog jezgra; odgovorno je za privlačenje protona, neutrona i drugih čestica koje se također sastoje od kvarkova. Snažnu interakciju nose gluoni.
• Slabo. Učinkovito na udaljenosti hiljadu manjim od veličine jezgra. Leptoni i kvarkovi, kao i njihove antičestice, učestvuju u ovoj interakciji. Štaviše, u slučaju slabe interakcije, mogu se transformirati jedni u druge. Nosioci su W+, W− i Z0 bozoni.

Dakle, standardni model je formiran na sljedeći način. Uključuje šest kvarkova, od kojih su sastavljeni svi hadroni (čestice podložne jakoj interakciji):

• Gornji(u);
• Začarani (c);
• istina(t);
• Donji (d);
• Strange(s);
• Divno (b).

Jasno je da fizičari imaju dosta epiteta. Ostalih 6 čestica su leptoni. Ovo su fundamentalne čestice sa spinom ½ koje ne učestvuju u jakoj interakciji.

• Electron;
• Elektronski neutrino;
• Muon;
• mionski neutrino;
• Tau lepton;
• Tau neutrino.

A treća grupa Standardnog modela su gauge bozoni, koji imaju spin jednak 1 i predstavljeni su kao nosioci interakcija:

• Gluon – jak;
• Foton – elektromagnetski;
• Z-bozon - slab;
• W bozon je slab.

To uključuje i nedavno otkrivenu spin-0 česticu, koja, jednostavno rečeno, daje inertnu masu svim ostalim subnuklearnim objektima.

Kao rezultat toga, prema Standardnom modelu, naš svijet izgleda ovako: sva materija se sastoji od 6 kvarkova koji formiraju hadrone i 6 leptona; sve ove čestice mogu učestvovati u tri interakcije, čiji su nosioci kalibracioni bozoni.

Nedostaci standardnog modela

Međutim, čak i prije otkrića Higsovog bozona, posljednje čestice predviđene Standardnim modelom, naučnici su prešli njegove granice. Upečatljiv primjer postoji tzv „gravitaciona interakcija“, koja je u rangu sa ostalima danas. Pretpostavlja se da je njegov nosilac čestica sa spinom 2, koja nema masu, a koju fizičari još nisu uspjeli otkriti - "graviton".

Štaviše, standardni model opisuje 61 česticu, a danas je čovječanstvu već poznato više od 350 čestica. To znači da posao teoretskih fizičara nije završen.

Klasifikacija čestica

Kako bi im olakšali život, fizičari su grupisali sve čestice ovisno o njihovim strukturnim karakteristikama i drugim karakteristikama. Klasifikacija se zasniva na sledećim kriterijumima:

• Životni vijek.
  1. Stabilan. To uključuje proton i antiproton, elektron i pozitron, foton i graviton. Postojanje stabilnih čestica nije vremenski ograničeno, sve dok su u slobodnom stanju, tj. nemojte komunicirati ni sa čim.
  2. Nestabilno. Sve ostale čestice se nakon nekog vremena raspadaju na sastavne dijelove, zbog čega se nazivaju nestabilnim. Na primjer, mion živi samo 2,2 mikrosekunde, a proton - 2,9 10 * 29 godina, nakon čega se može raspasti na pozitron i neutralni pion.
• Težina.
  1. Elementarne čestice bez mase, kojih ima samo tri: foton, gluon i graviton.
  2. Masivne čestice su sve ostalo.
• Spin značenje.
  1. Cijelo okretanje, uklj. nula, imaju čestice koje se nazivaju bozoni.
  2. Čestice sa polucijelim spinom su fermioni.
• Učešće u interakcijama.
  1. Hadroni (strukturne čestice) su subnuklearni objekti koji učestvuju u sve četiri vrste interakcija. Ranije je spomenuto da se sastoje od kvarkova. Hadroni se dijele na dva podtipa: mezoni (cijelobrojni spin, bozoni) i barioni (polucijeli spin, fermioni).
  2. Fundamentalne (bezstrukturne čestice). To uključuje leptone, kvarkove i gauge bozone (čitaj ranije - “Standard Model..”).

Nakon što ste se upoznali sa klasifikacijom svih čestica, možete, na primjer, precizno odrediti neke od njih. Dakle, neutron je fermion, hadron, odnosno barion i nukleon, odnosno ima polucijeli spin, sastoji se od kvarkova i sudjeluje u 4 interakcije. Nukleon je uobičajeno ime za protone i neutrone.

• Zanimljivo je da su protivnici Demokritovog atomizma, koji je predvidio postojanje atoma, izjavili da je svaka supstanca na svijetu podijeljena na neodređeno vrijeme. Donekle se može pokazati da su u pravu, jer su naučnici već uspjeli podijeliti atom na jezgro i elektron, jezgro na proton i neutron, a ove, pak, na kvarkove.
• Demokrit je pretpostavio da atomi imaju jasan geometrijski oblik, pa stoga "oštri" atomi vatre sagorevaju, grubi atomi čvrste materiječvrsto drže zajedno svojim izbočinama, a glatki atomi vode klize tokom interakcije, inače teku.
• Joseph Thomson je sastavio vlastiti model atoma, koji je vidio kao pozitivno nabijeno tijelo u koje se činilo da su elektroni "zaglavljeni". Njegov model se zvao "model pudinga od šljiva".
• Kvarkovi su dobili ime zahvaljujući američkom fizičaru Murrayu Gell-Manu. Naučnik je želeo da upotrebi reč sličnu zvuku pačjeg kvaka (kwork). Ali u romanu Jamesa Joycea Finnegans Wake naišao je na riječ “kvark” u retku “Tri kvarka za gospodina Marka!”, čije značenje nije precizno definirano i moguće je da ju je Joyce koristio samo za rimu. Murray je odlučio nazvati čestice ovom riječju, pošto su u to vrijeme bila poznata samo tri kvarka.
• Iako su fotoni, čestice svjetlosti, bez mase, u blizini crne rupe izgleda da mijenjaju svoju putanju jer ih privlače gravitacijske sile. U stvari, supermasivno tijelo savija prostor-vrijeme, zbog čega sve čestice, uključujući i one bez mase, mijenjaju svoju putanju prema crnoj rupi (vidi).
• Veliki hadronski sudarač je „hadronski“ upravo zato što sudara dva usmerena snopa hadrona, čestice dimenzija veličine atomskog jezgra koje učestvuju u svim interakcijama.

ELEMENTARNE ČESTICE, u užem smislu, su čestice za koje se ne može smatrati da se sastoje od drugih čestica. U modernom U fizici se pojam "elementarne čestice" koristi u širem smislu: tzv. najsitnije čestice materije, pod uslovom da nisu i (izuzetak je); Ponekad se iz tog razloga elementarne čestice nazivaju subnuklearnim česticama. Većina ovih čestica (poznato ih je više od 350) su kompozitni sistemi.
E elementarne čestice učestvuju u elektromagnetnim, slabim, jakim i gravitacionim interakcijama. Zbog male mase elementarnih čestica, njihova gravitaciona interakcija. obično se ne uzima u obzir. Sve elementarne čestice podijeljene su u tri glavne. grupe. Prvi se sastoji od tzv. Bozoni su nosioci elektroslabe interakcije. Ovo uključuje foton ili kvantum elektromagnetno zračenje. Masa mirovanja fotona je nula, stoga brzina prostiranja elektromagnetnih valova (uključujući svjetlosne) predstavlja maksimalnu brzinu prostiranja fizičkog. uticaj i jedan je od fondova. fizički trajno; prihvaćeno je da je c = (299792458 1,2) m/s.
Druga grupa elementarnih čestica su leptoni, koji učestvuju u elektromagnetnim i slabim interakcijama. Poznato je 6 leptona: , elektron, mion, teški lepton i odgovarajući. (simbol e) smatra se materijalom najmanje mase u prirodi m c, jednake 9,1 x 10 -28 g (u energetskim jedinicama 0,511 MeV) i najmanje negativne. električni naelektrisanje e = 1,6 x 10 -19 C. (simbol) - čestice mase cca. 207 mase (105,7 MeV) i električni. naelektrisanje jednako naelektrisanju; Teški lepton ima masu od cca. 1,8 GeV. Tri tipa koji odgovaraju ovim česticama su elektron (simbol v c), mion (simbol) i neutrino (simbol) - lagane (moguće bez mase) električno neutralne čestice.
Svi leptoni imaju (-), tj. statistički. Sv. vi ste fermioni (vidi).
Svaki od leptona odgovara , koji ima iste vrijednosti mase i druge karakteristike, ali se razlikuje po električnom predznaku. naplatiti. Postoje (simbol e +) - u odnosu na, pozitivno nabijene (simbol) i tri vrste antineutrina (simbol), koji se pripisuju suprotnom predznaku posebnog kvantnog broja, tzv. leptonski naboj (vidi dolje).
Treća grupa elementarnih čestica su hadroni, oni učestvuju u jakim, slabim i elektromagnetnim interakcijama. Hadroni su "teške" čestice čija je masa znatno veća od mase . Ovo je najviše velika grupa elementarnih čestica. Hadroni se dijele na barione - čestice sa mezonima - čestice sa cijelim brojem (O ili 1); kao i tzv rezonancije su kratkotrajni hadroni. Barioni uključuju (simbol p) - jezgro s masom ~ 1836 puta većom od m s i jednakom 1,672648 x 10 -24 g (938,3 MeV), i put. električni naboj jednak naboju, a također (simbol n) - električki neutralna čestica, čija masa malo prelazi masu. Od i sve je izgrađeno, odnosno snažna interakcija. određuje međusobnu povezanost ovih čestica. U jakoj interakciji i imaju ista svojstva i smatraju se kao dvije čestice jedne čestice - nukleoni sa izotopom. (vidi dolje). Barioni takođe uključuju hiperone - elementarne čestice sa masom većom od nukleona: hiperon ima masu od 1116 MeV, hiperon ima masu od 1190 MeV, hiperon ima masu od 1320 MeV, a hiperon ima masu od 1670 MeV. Mezoni imaju mase između masa i (-mezon, K-mezon). Postoje neutralni i nabijeni mezoni (sa pozitivnim i negativnim elementarnim električnim nabojem). Svi mezoni imaju svoje karakteristike. Sv. ti pripadaš bozonima.

Osnovna svojstva elementarnih čestica. Svaka elementarna čestica je opisana skupom diskretnih fizičkih vrijednosti. količine (kvantni brojevi). Opće karakteristike svih elementarnih čestica - masa, vijek trajanja, elektricitet. naplatiti.
U zavisnosti od svog životnog veka, elementarne čestice se dele na stabilne, kvazistabilne i nestabilne (rezonancije). Stabilni (u okviru tačnosti savremenih merenja) su: (životni vek veći od 5 -10 21 godine), (više od 10 31 godina), foton i . Kvazistabilne čestice uključuju čestice koje se raspadaju zbog elektromagnetnih i slabih interakcija; njihov životni vijek je više od 10-20 s. Rezonancije opadaju zbog jakih interakcija, njihov karakteristični životni vijek je 10 -22 -10 -24 s.
Unutrašnje karakteristike (kvantni brojevi) elementarnih čestica su naboji leptona (simbol L) i bariona (simbol B); ovi brojevi se smatraju strogo očuvanim količinama za sve vrste fondova. interakcija Jer leptonici i njihov L imaju suprotne predznake; za barione B = 1, za odgovarajuće B = -1.
Hadrone karakterizira prisustvo posebnih kvantnih brojeva: „čudnost“, „šarm“, „ljepota“. Obični (nečudni) hadroni su ,-mezoni. Unutra različite grupe hadrona, postoje porodice čestica koje su slične po masi i sa sličnim svojstvima u odnosu na jaku interakciju, ali sa razlikama. električne vrijednosti punjenje; najjednostavniji primjer-proton i . Ukupni kvantni broj za takve elementarne čestice je tzv. izotopski , koji, kao i obični , prihvaća cjelobrojne i polucijele vrijednosti. Posebne karakteristike hadrona uključuju i unutrašnji paritet, koji uzima vrijednosti 1.
Važna osobina elementarnih čestica je njihova sposobnost da prolaze kroz međusobne transformacije kao rezultat elektromagnetnih ili drugih interakcija. Jedna od vrsta međusobnih transformacija je tzv. rođenje, odnosno formiranje u isto vrijeme čestice i (u opštem slučaju - formiranje elementarnih čestica sa suprotnim leptonskim ili barionskim nabojem). Mogući procesi uključuju rađanje elektron-pozitrona e - e +, mionskih novih teških čestica u sudarima leptona i formiranje cc- i bb-stanja iz kvarkova (vidi dolje). Druga vrsta interkonverzije elementarnih čestica je anihilacija tokom sudara čestica sa formiranjem konačnog broja fotona (kvanta). Obično se 2 fotona proizvode kada je ukupan broj sudarajućih čestica nula, a 3 fotona se proizvode kada je ukupan broj jednak 1 (manifestacija zakona očuvanja pariteta naboja).
Pod određenim uslovima, posebno pri maloj brzini sudarajućih čestica, formiranje spregnutog sistema - e - e + i ovi nestabilni sistemi se često nazivaju. , od čega umnogome zavisi njihov životni vijek na selu sv-v-va, što omogućava korištenje kondenzatora za proučavanje strukture. supstance i kinetika brzih hemikalija. okruzi (vidi,).

Kvarkov model hadrona. Detaljno ispitivanje kvantnih brojeva hadrona s obzirom na njih omogućilo nam je da zaključimo da čudni hadroni i obični hadroni zajedno čine asocijacije čestica bliskih svojstava, koje se nazivaju unitarni multipleti. Broj čestica uključenih u njih je 8 (oktet) i 10 (dekuplet). Čestice koje su dio unitarnog multipleta imaju istu unutrašnju paritet, ali se razlikuju u električnim vrijednostima. naboj (čestice izotopskog multipleta) i neobičnost. Svojstva povezana s unitarnim grupama, njihovo otkriće je bila osnova za zaključak o postojanju posebnih strukturnih jedinica od kojih se grade hadroni i kvarkovi. Vjeruje se da su hadroni kombinacija 3 osnove. čestice sa 1/2: up-kvarkovi, d-kvarkovi i s-kvarkovi. Dakle, mezoni se sastoje od kvarka i antikvarka, a barioni se sastoje od 3 kvarka.
Pretpostavka da se hadroni sastoje od 3 kvarka napravljena je 1964. godine (J. Zweig i, nezavisno, M. Gell-Mann). Naknadno su još dva kvarka uključena u model strukture hadrona (posebno, kako bi se izbjegle kontradikcije sa ) ​​- "začarani" (c) i "lijepi" (b), a uvedene su i posebne karakteristike kvarkova - “ukus” i “boja”. Kvarkovi, koji djeluju kao komponente adrona, nisu uočeni u slobodnom stanju. Sva raznolikost adrona je posljedica različitih faktora. kombinacije i-, d-, s-, c- i b-kvarkova koje formiraju povezana stanja. Obični hadroni ( , -mezoni) odgovaraju povezanim stanjima izgrađenim od up- i d-kvarkova. Prisustvo u hadronu, zajedno sa up i d kvarkovima, jednog s-, c- ili b-kvarka znači da je odgovarajući hadron "čudan", "začaran" ili "lijep".
Kvarkov model strukture adrona potvrđen je kao rezultat eksperimenata izvedenih na kraju. 60-e - rano
70s 20ti vijek Kvarkovi su se zapravo počeli smatrati novim elementarnim česticama - zaista elementarnim česticama za hadronski oblik materije. Neuočljivost slobodnih kvarkova je, očigledno, fundamentalne prirode i sugeriše da su to one elementarne čestice koje zatvaraju lanac strukturnih komponenti tela. Postoje teoretski i eksperiment. argumente u prilog činjenici da sile koje djeluju između kvarkova ne slabe s rastojanjem, tj. da bi se kvarkovi odvojili jedan od drugog potrebna je beskonačno velika količina energije ili, drugim riječima, nemoguća je pojava kvarkova u slobodnom stanju . To ih čini potpuno novim tipom strukturnih jedinica na otoku. Moguće je da kvarkovi djeluju kao posljednji stupanj materije.

Kratki istorijski podaci. Prva otkrivena elementarna čestica bila je - neg. električni naboj u oba električna znaka. naboj (K. Anderson i S. Neddermeyer, 1936) i K-mezoni (S. Powellova grupa, 1947; postojanje takvih čestica sugerisao je H. Yukawa 1935). U kon. 40-e - rano 50s otkrivene su "čudne" čestice. U svemiru su snimljene i prve čestice ove grupe - K + - i K - -mezoni, A-hiperoni. zraci
S početka 50s akceleratori su postali glavni alat za istraživanje elementarnih čestica. Otkriveni su antiproton (1955), antineutron (1956), antihiperon (1960), a 1964 najteži W -hiperon. Šezdesetih godina Na akceleratorima je otkriven veliki broj izuzetno nestabilnih rezonancija. Godine 1962. ispostavilo se da postoje dva različita: elektron i mion. Godine 1974. otkrivene su masivne (mase 3-4 protona) i istovremeno relativno stabilne (u poređenju sa običnim rezonancijama) čestice, za koje se pokazalo da su usko povezane s novom familijom elementarnih čestica - "začaranim", njihovim prvim predstavnicima. otkriveni su 1976. Godine 1975. otkriveni su teški analog i lepton, 1977. godine - čestice mase oko deset protonskih masa, 1981. godine - "lijepe" čestice. Godine 1983. otkrivene su najteže poznate elementarne čestice - bozoni (masa 80 GeV) i Z° (91 GeV).
Tako je tokom godina od otkrića identifikovan ogroman broj različitih mikročestica. Pokazalo se da je svijet elementarnih čestica složen, a njihova svojstva su bila neočekivana u mnogim aspektima.

Lit.: Kokkede Ya., Teorija kvarkova, [prev. s engleskog], M., 1971; Markov M. A., O prirodi materije, M., 1976; Okun L.B., Leptoni i kvarkovi, 2. izdanje, M., 1990.