Концептот на елементарни честички. Елементарните честички и нивните главни карактеристики

Елементарни честички

Физичарите откриле постоење на елементарни честички кога ги проучувале нуклеарните процеси, па така до средината на 20 век, физиката на елементарните честички била гранка на нуклеарната физика. Во моментов, физиката на елементарните честички и нуклеарната физика се блиски, но независни гранки на физиката, обединети со заедништвото на многу разгледани проблеми и користените методи на истражување. Главната задача на физиката на елементарните честички е проучување на природата, својствата и меѓусебните трансформации на елементарните честички.

Идејата дека светот е направен од основни честички има долга историја. За прв пат, идејата за постоењето на најмалите невидливи честички кои ги сочинуваат сите околни објекти ја изразил грчкиот филозоф Демокрит 400 години пред нашата ера. Тој ги нарече овие честички атоми, односно неделиви честички. Науката почна да го користи концептот на атоми само во почетокот на XIXвек, кога врз оваа основа можеше да се објаснат голем број хемиски појави. Во 30-тите години на 19 век, во теоријата за електролиза развиена од М. Фарадеј, се појавил концептот на јон и било направено мерење елементарен полнеж. Крајот на 19 век беше обележан со откривањето на феноменот на радиоактивност (А. Бекерел, 1896), како и откритијата на електроните (Ј. Томсон, 1897) и алфа честичките (Е. Радерфорд, 1899). Во 1905 година, во физиката се појави идејата за кванти на електромагнетно поле - фотони (А. Ајнштајн).

Во 1911 година беше откриено атомското јадро (Е. Радерфорд) и конечно беше докажано дека атомите имаат сложена структура. Во 1919 година, Радерфорд открил протони во производите на фисија на атомските јадра на голем број елементи. Во 1932 година, J. ​​Chadwick го открил неутронот. Стана јасно дека јадрата на атоми, како и самите атоми, имаат сложена структура. Се појави протон-неутронската теорија за структурата на јадрата (Д. Д. Иваненко и В. Хајзенберг). Во истата 1932 година, позитрон беше откриен во космичките зраци (К. Андерсон). Позитрон е позитивно наелектризирана честичка која има иста маса и ист (модуло) полнеж како електрон. Постоењето на позитронот го предвидел П. Дирак во 1928 година. Во текот на овие години, меѓусебните трансформации на протоните и неутроните беа откриени и проучувани, и стана јасно дека овие честички исто така не се непроменливите елементарни „градежни блокови“ на природата. Во 1937 година, во космичките зраци беа откриени честички со маса од 207 електронски маси, наречени миони (μ-мезони). Потоа, во 1947-1950 година, беа откриени пиони (т.е. π мезони), кои, според современите концепти, комуницираат помеѓу нуклеоните во јадрото. Во следните години, бројот на новооткриените честички почна брзо да расте. Ова беше олеснето со истражување на космичките зраци, развојот на технологијата за забрзување и проучувањето на нуклеарните реакции.

Во моментов се познати околу 400 субнуклеарни честички, кои вообичаено се нарекуваат елементарни. Огромното мнозинство од овие честички се нестабилни. Единствени исклучоци се фотонот, електронот, протонот и неутриното. Сите други честички подлежат на спонтани трансформации во други честички во одредени интервали. Нестабилните елементарни честички многу се разликуваат во нивниот животен век. Најдолговечната честичка е неутронот. Животот на неутроните е околу 15 минути. Другите честички „живеат“ многу пократко време. На пример, просечниот животен век на μ мезон е 2,2 10-6 секунди, а на неутрален π мезон е 0,87 10-16 s. Многу масивни честички - хиперони - имаат просечен животен век од редот на 10-10 секунди.
Има неколку десетици честички со животен век што надминува 10-17 секунди. На скалата на микрокосмосот, ова е значајно време. Таквите честички се нарекуваат релативно стабилни. Повеќето краткотрајни елементарни честички имаат животен век од редот на 10–22–10–23 s.

Способноста за меѓусебни трансформации е најмногу важен имотсите елементарни честички. Елементарните честички се способни да се раѓаат и уништат (емитираат и апсорбираат). Ова исто така важи и за стабилните честички, со единствената разлика што трансформациите на стабилните честички не се случуваат спонтано, туку преку интеракција со други честички. Пример е уништувањето (т.е. исчезнувањето) на електрон и позитрон, придружено со раѓање на фотони со висока енергија. Може да се случи и обратен процес - раѓање на пар електрон-позитрон, на пример, кога фотонот ќе се судри со доволно голема енергијасо јадро. Протонот исто така има толку опасен близнак како позитронот за електронот. Тоа се нарекува антипротон. Електричниот полнеж на антипротонот е негативен. Во моментов, античестички се пронајдени во сите честички. Античестичките се спротивставени на честичките затоа што кога некоја честичка ќе се сретне со нејзината античестичка, доаѓа до нивно уништување, т.е. двете честички исчезнуваат, претворајќи се во кванти на зрачење или други честички.

Античестичката е пронајдена дури и во неутронот. Неутронот и антинеутронот се разликуваат само по знаците на магнетниот момент и таканаречениот барионски полнеж. Можно е постоење на атоми на антиматерија, чии јадра се состојат од антинуклеони и обвивка од позитрони. Кога антиматеријата се уништува со материјата, останатата енергија се претвора во енергија на квантите на зрачење. Ова е огромна енергија, која значително ја надминува онаа што се ослободува за време на нуклеарните и термонуклеарните реакции.

Во разновидноста на елементарните честички познати до денес, се наоѓа повеќе или помалку хармоничен систем за класификација. Табелата дава некои информации за својствата на елементарните честички со животен век од повеќе од 10–20 секунди. Од многуте својства што ја карактеризираат елементарната честичка, табелата ја прикажува само масата на честичката (во електронски маси), електричниот полнеж (во единици на елементарен полнеж) и аголниот моментум (т.н. спин) во единици на Планковата константа ħ = h / 2π. Табелата го прикажува и просечниот животен век на честичките.

	Име на честички		Маса (во електронски маси)	Електрично полнење		Животно време (и)
	Античестичка
				Стабилно
	Неутрино електрон				Стабилно
Неутрино мион				Стабилно
Електрон						Стабилно
		Пи мезони
				≈ 10–10 –10–8
Ета-нул-мезон
							Стабилно
Ламбда хиперон
Сигма хиперони
Кси-хиперони
Омега-минус-хиперон

Елементарните честички се комбинираат во три групи: фотони, лептони и хадрони.
Групата фотони вклучува една честичка - фотон, кој е носител на електромагнетната интеракција.

Следната група се состои од лесни лептонски честички. Оваа група вклучува два вида неутрина (електрон и мион), електрон и μ-мезон. Лептоните исто така вклучуваат голем број на честички кои не се наведени во табелата. Сите лептони имаат спин 1/2.

Третата голема група се состои од тешки честички наречени хадрони. Оваа група е поделена на две подгрупи. Полесните честички сочинуваат подгрупа мезони. Најлесните од нив се позитивно и негативно наелектризирани, како и неутралните π-мезони со маси од редот на 250 електронски маси. Пионите се кванти на нуклеарното поле, исто како што фотоните се кванти на електромагнетното поле. Оваа подгрупа вклучува и четири К мезони и еден η0 мезон. Сите мезони имаат спин еднаков на нула.
Втората подгрупа - бариони - вклучува потешки честички. Таа е најобемна. Најлесните бариони се нуклеоните - протони и неутрони. По нив следат таканаречените хиперони. Табелата ја затвора омега-минус хиперонот, откриен во 1964 година.Тоа е тешка честичка со маса од 3273 електронски маси. Сите бариони имаат спин 1/2.

Изобилството на откриени и новооткриени хадрони ги навело научниците да веруваат дека сите тие се изградени од некои други пофундаментални честички. Во 1964 година, американскиот физичар М. Гел-Ман изнесе хипотеза, потврдена со последователно истражување, дека сите тешки основни честички - хадрони - се изградени од пофундаментални честички наречени кваркови. Врз основа на хипотезата за кварк, не само што беше разбрана структурата на веќе познатите хадрони, туку беше предвидено и постоење на нови. Теоријата на Гел-Ман претпоставува постоење на три кваркови и три антикваркови, кои се поврзуваат едни со други во различни комбинации. Така, секој барион се состои од три кваркови, а секој антибарион се состои од три антикваркови. Мезоните се состојат од парови кварк-антикварк.

Со прифаќањето на хипотезата за кварк, беше можно да се создаде хармоничен системелементарни честички. Сепак, предвидените својства на овие хипотетички честички се покажаа сосема неочекувани. Електричниот полнеж на кварковите треба да се изрази дробни броеви, еднакво на 2/3 и 1/3 од елементарното полнење.
Бројните пребарувања за кваркови во слободна состојба, извршени на високоенергетски акцелератори и во космички зраци, беа неуспешни. Научниците веруваат дека една од причините за незабележливоста на слободните кваркови се можеби нивните многу големи маси. Ова го спречува раѓањето на кваркови на енергиите што се постигнуваат во современите акцелератори. Сепак, повеќето експерти сега се уверени дека кварковите постојат во тешки честички - хадрони. Покрај лептонските и барионските полнежи, познати се и следново:

Чудноста с.Квантниот број s може да има вредности -3, -2, -1, 0, +1, +2, +3 и се одредува со составот на кварковите на хадроните. На пример, хипероните Λ, Σ имаат s = -l; К+, К- мезоните имаат s = +l.

Шарм со.Квантниот број c може да земе вредности -3, -2, -1, 0, +1, +2, +3. Во моментов, откриени се честички кои имаат c = 0, +1 и -1. На пример, барион Λ+c има c = +1.

Дното б.Квантниот број b може да земе вредности -3, -2, -1, 0, +1, +2, +3. Во моментов, откриени се честички кои имаат b = 0, +1, -1. На пример, мезонот B+ има b = +1.

Врвност т.Квантниот број t може да има вредности -3, -2, -1, 0, +1, +2, +3. Во моментов, откриена е само една состојба со t = +1.

Изоспин I.Силно интерактивни честички може да се поделат во групи на честички кои имаат слични својства ( иста вредностспин, паритет, барионски број, чудност и други квантни броеви конзервирани во силни интеракции) - изотопски мултипти. Вредноста на изоспин I го одредува бројот на честички вклучени во еден изотопски мултиплет. n и p формираат изотопски дубл I=1/2; Σ+ ,Σ- ,Σ0 се дел од изотопската тројка I = 1, Λ е изотопскиот синглот I = 0, бројот на честички вклучени во еден изотопски мултиплет 2I + 1.

Г-паритете квантен број што одговара на симетријата во однос на истовремената операција на конјугација на полнеж и промената на знакот на третата компонента Iz на изоспинот. G паритет е зачуван само во силни интеракции.

Фундаментални интеракции. Процесите во кои учествуваат различни елементарни честички во голема мера се разликуваат во нивните карактеристични времиња и енергии. Според современите концепти, постојат четири типа на интеракции во природата кои не можат да се сведат на други, повеќе едноставни типовиинтеракции: силни, електромагнетни, слаби и гравитациони. Овие типови на интеракции се нарекуваат фундаментални.

Силната (или нуклеарна) интеракција е најинтензивна од сите видови интеракции. Тие предизвикуваат исклучително силна врска помеѓу протоните и неутроните во јадрата на атомите. Само тешки честички - хадрони (мезони и бариони) - можат да учествуваат во силни интеракции. Силната интеракција се манифестира на растојанија помали од 10-15 m. Затоа, се нарекува краток дострел.

Електромагнетна интеракција. Сите електрично наелектризирани честички, како и фотоните - квантите на електромагнетното поле, можат да учествуваат во овој тип на интеракција. Електромагнетната интеракција е одговорна, особено, за постоењето на атоми и молекули. Тој одредува многу својства на супстанциите во цврста, течна и гасовита состојба. Кулоновото одбивање на протоните доведува до нестабилност на јадрата со голем број на маса. Електромагнетната интеракција ги одредува процесите на апсорпција и емисија на фотони од атомите и молекулите на материјата и многу други процеси во физиката на микро- и макросветот.

Слабата интеракција е најбавната од сите интеракции што се случуваат во микрокосмосот. Во него можат да учествуваат сите елементарни честички освен фотоните. Слабата интеракција е одговорна за појавата на процеси кои вклучуваат неутрина или антинеутрина, на пример, β-распаѓање на неутроните:

Како и процесите на распаѓање на честички без неутрино со долг животен век (τ ≥ 10-10 s).

Гравитациската интеракција е својствена за сите честички без исклучок, меѓутоа, поради малите маси на елементарните честички, силите на гравитациската интеракција меѓу нив се занемарливи и нивната улога во процесите на микросветот е незначителна. Гравитационите сили играат одлучувачка улога во интеракцијата на космичките објекти (ѕвезди, планети итн.) со нивните огромни маси.

Во 30-тите години на 20 век, се појави хипотеза дека во светот на елементарните честички, интеракциите се вршат преку размена на кванти на некое поле. Оваа хипотеза првично беше изнесена од нашите сонародници I. E. Tamm и D. D. Ivanenko. Тие предложија дека фундаменталните интеракции произлегуваат од размената на честички, исто како што ковалентната хемиска врска на атомите произлегува од размената на валентни електрони кои се комбинираат на неисполнетите електронски обвивки.
Интеракцијата што се врши со размена на честички се нарекува разменлива интеракција во физиката. На пример, електромагнетната интеракција помеѓу наелектризираните честички се јавува поради размена на фотони - кванти на електромагнетното поле.

Теоријата за размена на интеракција доби признание откако јапонскиот физичар Х. Јукава теоретски покажа во 1935 година дека силната интеракција помеѓу нуклеоните во јадрата на атомите може да се објасни ако претпоставиме дека нуклеоните разменуваат хипотетички честички наречени мезони. Јукава ја пресметал масата на овие честички, што се покажало дека е приближно еднакво на 300 електронски маси. Подоцна всушност беа откриени честички со таква маса. Овие честички се нарекуваат π-мезони (пиони). Во моментов се познати три типа пиони: π+, π– и π0.

Во 1957 година, теоретски беше предвидено постоењето на тешки честички, таканаречените векторски бозони W+, W– и Z0, што предизвика механизам за размена на слабата интеракција. Овие честички беа откриени во 1983 година во експерименти со акцелератор користејќи судир на снопови на високоенергетски протони и антипротони. Откривањето на векторските бозони беше многу важно достигнување во физиката на честички. Ова откритие го означи успехот на теоријата, која ги комбинира електромагнетните и слабите сили во една таканаречена електрослаба сила. Оваа нова теорија го смета електромагнетното поле и слабото поле на интеракција како различни компоненти на истото поле, во кои векторските бозони учествуваат заедно со квантното електромагнетно поле.

По ова откритие во модерната физика, значително се зголеми уверувањето дека сите видови интеракции се тесно поврзани едни со други и, во суштина, се различни манифестации на некое поединечно поле. Сепак, обединувањето на сите интеракции останува само атрактивна научна хипотеза.

Теоретските физичари вложуваат значителни напори во обидите на обединета основа да ја разгледаат не само електромагнетната и слабата, туку и силната интеракција. Оваа теорија беше наречена Големо обединување. Научниците сугерираат дека гравитациската интеракција треба да има и свој носител - хипотетичка честичка наречена гравитон. Сепак, оваа честичка сè уште не е откриена.

Сега се смета за докажано дека едно поле што ги обединува сите видови на интеракција може да постои само при екстремно високи енергии на честички, недостижни со современите акцелератори. Честичките можеле да имаат толку високи енергии само во раните фази на постоењето на Универзумот, кои настанале како резултат на т.н. Биг Бенг ( Големата експлозија). Космологијата - проучување на еволуцијата на Универзумот - сугерира дека Големата експлозија се случила пред 18 милијарди години. Во стандардниот модел на еволуцијата на Универзумот, се претпоставува дека во првиот период по експлозијата температурата би можела да достигне 1032 K, а енергијата на честичките E = kT може да достигне 1019 GeV. Во овој период, материјата постоела во форма на кваркови и неутрина, а сите видови интеракции биле комбинирани во едно поле на сила. Постепено, како што се ширел Универзумот, енергијата на честичките се намалувала, а од унифицираното поле на интеракции, прво се појавила гравитациската интеракција (при енергии на честички ≤ 1019 GeV), а потоа силната интеракција се одвоила од електрослабата интеракција (кај енергиите од редот од 1014 GeV). При енергии од редот на 103 GeV, сите четири типа на фундаментални интеракции се покажаа како разделени. Истовремено со овие процеси, се формираа посложени форми на материја - нуклеони, светлосни јадра, јони, атоми итн. ден, потпирајќи се на законите на физиката на елементарните честички, како и на нуклеарната и атомската физика.

Овие три честички (како и другите опишани подолу) меѓусебно се привлекуваат и се одбиваат според нивното давачки, од кои има само четири типа според бројот на основните сили на природата. Полнењата можат да се подредат по редослед на намалување на соодветните сили на следниов начин: полнеж во боја (сили на интеракција помеѓу кваркови); електричен полнеж (електрични и магнетни сили); слаб полнеж (сили во некои радиоактивни процеси); конечно, маса (гравитациска сила или гравитациска интеракција). Зборот „боја“ овде нема никаква врска со бојата видлива светлина; тоа е едноставно карактеристика на силен полнеж и најголеми сили.

Наплати се спасени, т.е. полнењето што влегува во системот е еднакво на полнењето што го напушта. Ако вкупниот електричен полнеж на одреден број честички пред нивната интеракција е еднаков на, да речеме, 342 единици, тогаш по интеракцијата, без оглед на нејзиниот резултат, ќе биде еднаков на 342 единици. Ова исто така важи и за други полнежи: боја (силно полнење на интеракцијата), слабо и маса (маса). Честичките се разликуваат по нивните полнежи: во суштина, тие „се“ овие полнежи. Обвиненијата се како „потврда“ за правото да се одговори на соодветната сила. Така, само обоените честички се под влијание на силите на бојата, само електрично наелектризираните честички се под влијание на електричните сили итн. Својствата на честичката се одредуваат со најголемата сила што делува на неа. Само кварковите се носители на сите полнежи и, според тоа, се предмет на дејство на сите сили, меѓу кои доминантна е бојата. Електроните ги имаат сите полнежи освен бојата, а доминантна сила за нив е електромагнетната сила.

Најстабилни по природа се, по правило, неутрални комбинации на честички во кои полнењето на честичките од едниот знак се компензира со вкупниот полнеж на честичките од другиот знак. Ова одговара на минималната енергија на целиот систем. (На ист начин, два прачки магнети се распоредени во линија, при што северниот пол на едниот е свртен кон јужниот пол на другиот, што одговара на минималната енергија на магнетното поле.) Гравитацијата е исклучок од ова правило: негативна маса не постои. Нема тела што паѓаат нагоре.

ВИДОВИ МАТЕРИЈА

Обичната материја е формирана од електрони и кваркови, групирани во предмети кои се неутрални по боја, а потоа во електричен полнеж. Моќта на бојата се неутрализира, како што ќе се дискутира подетално подолу, кога честичките се комбинираат во тројки. (Оттука и самиот термин „боја“, земен од оптика: три основни бои кога се мешаат произведуваат бело.) Така, кварковите за кои јачината на бојата е главна формираат тројки. Но, кваркови, и тие се поделени на u-кваркови (од англиски нагоре - горе) и г-кварковите (од англискиот надолу - дното), исто така имаат електричен полнеж еднаков на u-кварк и за г-кварк. Две u-кварк и еден г-кварковите даваат електричен полнеж +1 и формираат протон, и еден u-кварк и два г-кварковите даваат нула електричен полнеж и формираат неутрон.

Стабилните протони и неутрони, привлечени еден кон друг од преостанатите сили на боја на интеракцијата помеѓу нивните составни кваркови, формираат атомско јадро кое е неутрално за бојата. Но, јадрата носат позитивен електричен полнеж и, привлекувајќи негативни електрони кои орбитираат околу јадрото како планети кои орбитираат околу Сонцето, имаат тенденција да формираат неутрален атом. Електроните во нивните орбити се отстранети од јадрото на растојанија десетици илјади пати поголеми од радиусот на јадрото - доказ дека електричните сили што ги држат се многу послаби од нуклеарните. Благодарение на моќта на интеракцијата на боите, 99,945% од масата на атомот е содржана во неговото јадро. Тежина u- И г-Кварковите се околу 600 пати поголема од масата на електрон. Затоа, електроните се многу полесни и поподвижни од јадрата. Нивното движење во материјата е предизвикано од електрични феномени.

Постојат неколку стотици природни сорти на атоми (вклучувајќи изотопи), кои се разликуваат по бројот на неутрони и протони во јадрото и, соодветно, во бројот на електрони во нивните орбити. Наједноставниот е атом на водород, кој се состои од јадро во форма на протон и еден електрон што се врти околу него. Целата „видлива“ материја во природата се состои од атоми и делумно „расклопени“ атоми, кои се нарекуваат јони. Јоните се атоми кои, откако изгубиле (или добиле) неколку електрони, станале наелектризирани честички. Материјата која се состои речиси целосно од јони се нарекува плазма. Ѕвездите кои горат поради термонуклеарни реакции што се случуваат во центрите се состојат главно од плазма, а бидејќи ѕвездите се најчестиот облик на материја во Универзумот, можеме да кажеме дека целиот Универзум се состои главно од плазма. Поточно, ѕвездите се претежно целосно јонизиран водороден гас, т.е. мешавина од поединечни протони и електрони, и затоа, речиси целиот видлив универзум се состои од него.

Ова е видлива материја. Но, постои и невидлива материја во Универзумот. И има честички кои делуваат како носители на сила. Постојат античестички и возбудени состојби на некои честички. Сето ова води до јасно прекумерно изобилство на „елементарни“ честички. Во ова изобилство може да се најде индикација за вистинската, вистинска природа на елементарните честички и силите што дејствуваат меѓу нив. Според најновите теории, честичките може да бидат во суштина продолжени геометриски објекти - „жици“ во десетдимензионален простор.

Невидливиот свет.

Универзумот содржи не само видлива материја (туку и црни дупки и „ темна материја“, како што се студените планети кои стануваат видливи ако се осветлени). Исто така, постои навистина невидлива материја која продира во сите нас и во целиот универзум секоја секунда. Тоа е брзодвижен гас од честички од еден тип - електронски неутрина.

Електронско неутрино е партнер на електрон, но нема електрично полнење. Неутрините носат само таканаречен слаб полнеж. Нивната маса за одмор е, по секоја веројатност, нула. Но, тие комуницираат со гравитационото поле бидејќи имаат кинетичка енергија Е, што одговара на ефективната маса м, според формулата на Ајнштајн Е = mc 2 каде в– брзина на светлината.

Клучната улога на неутриното е тоа што придонесува за трансформација И-кваркови во г-кваркови, како резултат на што протонот се претвора во неутрон. Неутрините делуваат како „игла на карбураторот“ за реакции на фузија на ѕвездите, во кои четири протони (јадра на водород) се комбинираат за да формираат јадро на хелиум. Но, бидејќи јадрото на хелиумот не се состои од четири протони, туку од два протона и два неутрона, за таква нуклеарна фузија потребно е два И-кварковите се претворија во два г-кварк. Интензитетот на трансформацијата одредува колку брзо ќе изгорат ѕвездите. А процесот на трансформација е одреден од слабите полнежи и слабите сили на интеракција помеѓу честичките. При што И-кварк (електричен полнеж +2/3, слаб полнеж +1/2), во интеракција со електрон (електричен полнеж - 1, слаб полнеж -1/2), формира г-кварк (електрично полнење –1/3, слаб полнеж –1/2) и електронско неутрино (електрично полнење 0, слаб полнеж +1/2). Обвиненијата во боја (или само боите) на двата кварка се откажуваат во овој процес без неутриното. Улогата на неутриното е да го однесе некомпензираното слабо полнење. Затоа, брзината на трансформација зависи од тоа колку слаби се слабите сили. Да беа послаби отколку што се, ѕвездите воопшто не би изгореле. Да беа посилни, ѕвездите одамна ќе изгореа.

Што е со неутрината? Бидејќи овие честички екстремно слабо комуницираат со друга материја, тие речиси веднаш ги напуштаат ѕвездите во кои се родени. Сите ѕвезди сјаат, испуштајќи неутрина, а неутрините сјаат низ нашите тела и низ целата Земја дење и ноќе. Така тие талкаат низ Универзумот додека не влезат, можеби, во нова интеракција ЅВЕЗДА).

Носители на интеракции.

Што предизвикува сили кои дејствуваат помеѓу честичките на растојание? Модерната физика одговара: поради размена на други честички. Замислете двајца брзи лизгачи како фрлаат топка наоколу. Со давањето импулс на топката кога ќе се фрли и примајќи импулс со примената топка, и двајцата добиваат туркање во правец подалеку еден од друг. Ова може да го објасни појавувањето на одбивни сили. Но, во квантната механика, која ги разгледува феномените во микросветот, дозволено е невообичаено истегнување и делокализација на настаните, што доведува до навидум невозможно: еден од лизгачите ја фрла топката во правец. одразлично, но сепак тоа Можебифати ја оваа топка. Не е тешко да се замисли дека ако тоа беше можно (а во светот на елементарните честички тоа е можно), ќе се појави привлечност меѓу скејтерите.

Честичките, поради чија размена силите на интеракција помеѓу четирите „честички на материјата“ дискутирани погоре, се нарекуваат честички со мерачи. Секоја од четирите интеракции - силна, електромагнетна, слаба и гравитациска - има свој сет на честички со мерачи. Носител на честичките на силната интеракција се глуоните (има само осум од нив). Фотонот е носител на електромагнетна интеракција (има само еден, а фотоните ги перцепираме како светлина). Носачките честички на слабата интеракција се средновекторски бозони (тие се откриени во 1983 и 1984 г. В + -, В- -бозони и неутрални З-бозон). Носачката честичка на гравитациската интеракција е сеуште хипотетичкиот гравитон (треба да има само еден). Сите овие честички, освен фотонот и гравитонот, кои можат да патуваат бесконечно долги растојанија, постојат само во процесот на размена меѓу материјалните честички. Фотоните го исполнуваат универзумот со светлина, а гравитоните со гравитациони бранови (сè уште не се со сигурност откриени).

Се вели дека честичката која е способна да емитува честички од мерачот е опкружена со соодветно поле на сили. Така, електроните способни да емитуваат фотони се опкружени со електрични и магнетни полиња, како и со слаби и гравитациони полиња. Кварковите се исто така опкружени со сите овие полиња, но и со силното поле на интеракција. Честичките со боја набој во полето на силите на бојата се под влијание на силата на бојата. Истото важи и за другите сили на природата. Според тоа, можеме да кажеме дека светот се состои од материја (материјални честички) и поле (честички на мерачот). Повеќе за ова подолу.

Антиматерија.

Секоја честичка има античестичка, со која честичката може меѓусебно да се уништи, т.е. „уништи“, што резултира со ослободување на енергија. „Чистата“ енергија сама по себе, сепак, не постои; Како резултат на уништувањето, се појавуваат нови честички (на пример, фотони) кои ја носат оваа енергија.

Во повеќето случаи, античестичката има својства спротивни на соодветната честичка: ако честичката се движи налево под влијание на силни, слаби или електромагнетни полиња, тогаш нејзината античестичка ќе се движи надесно. Накратко, античестичката има спротивни знаци на сите полнежи (освен масовниот полнеж). Ако честичката е композитна, како што е неутронот, тогаш нејзината античестичка се состои од компоненти со спротивни знаци на полнеж. Така, антиелектрон има електричен полнеж +1, слаб полнеж +1/2 и се нарекува позитрон. Антинеутронот се состои од И-антикваркови со електричен полнеж –2/3 и г-антикваркови со електричен полнеж +1/3. Вистинските неутрални честички се нивните сопствени античестички: античестичката на фотонот е фотон.

Според современите теоретски концепти, секоја честичка што постои во природата треба да има своја античестичка. И многу античестички, вклучувајќи позитрони и антинеутрони, навистина беа добиени во лабораторија. Последиците од ова се исклучително важни и се во основата на целата експериментална физика на честички. Според теоријата на релативност, масата и енергијата се еквивалентни, а под одредени услови енергијата може да се претвори во маса. Бидејќи полнењето е зачувано, а полнењето на вакуумот (празен простор) е нула, сите парови честички и античестички (со нула нето полнење) можат да излезат од вакуумот, како зајаци од капата на магионичарот, сè додека има доволно енергија за ја создаваат нивната маса.

Генерации на честички.

Експериментите со акцелератори покажаа дека квартетот од материјални честички се повторува најмалку двапати при повисоки вредности на масата. Во втората генерација, местото на електронот го зазема мионот (со маса приближно 200 пати поголема од масата на електронот, но со исти вредности на сите други полнежи), местото на електронската неутрино е земен од мионот (кој го придружува мионот во слабите интеракции на ист начин како што електронот е придружен од електронската неутрина), место И-кваркот зазема Со-кварк ( шармантен), А г-кварк - с-кварк ( чудно). Во третата генерација, квартетот се состои од тау лептон, тау неутрино, т-кварк и б-кварк.

Тежина т- Кварк е околу 500 пати поголема од масата на најлесниот - г-кварк. Експериментално е утврдено дека постојат само три типа на лесни неутрина. Така, четвртата генерација на честички или воопшто не постои, или соодветните неутрина се многу тешки. Ова е во согласност со космолошките податоци, според кои не можат да постојат повеќе од четири типа на лесни неутрина.

Во експериментите со честички со висока енергија, електронот, мионот, тау лептонот и соодветните неутрина делуваат како изолирани честички. Тие не носат полнеж во боја и влегуваат само во слаби и електромагнетни интеракции. Збирно тие се нарекуваат лептони.

Табела 2. ГЕНЕРАЦИИ НА ФУНДАМЕНТАЛНИ ЧЕСТИЧКИ
Честичка	Маса за одмор, MeV/ Со 2	Електрично полнење	Полнење во боја	Слаб полнеж
ВТОРА ГЕНЕРАЦИЈА
Со-кварк	1500	+2/3	Црвена, зелена или сина	+1/2
с-кварк	500	–1/3	Исто	–1/2
Муонско неутрино		0	0	+1/2
Мион	106	0	0	–1/2
ТРЕТА ГЕНЕРАЦИЈА
т-кварк	30000–174000	+2/3	Црвена, зелена или сина	+1/2
б-кварк	4700	–1/3	Исто	–1/2
Тау неутрино		0	0	+1/2
Тау	1777	–1	0	–1/2

Кварковите, под влијание на силите на бојата, се комбинираат во силно интерактивни честички кои доминираат во повеќето експерименти со физика со висока енергија. Таквите честички се нарекуваат хадрони. Тие вклучуваат две подкласи: бариони(како што се протон и неутрон), кои се составени од три кваркови и мезони, кој се состои од кварк и антикварк. Во 1947 година, првиот мезон, наречен пион (или пи-мезон), беше откриен во космичките зраци, а некое време се веруваше дека размената на овие честички - главна причинануклеарни сили. Омега-минус хадрони, откриени во 1964 година во Националната лабораторија Брукхевен (САД), и честичката JPS ( Ј/y-мезон), откриен истовремено во Брукхевен и во Центарот за линеарни акцелератори Стенфорд (исто така во САД) во 1974 година. Постоењето на честичката омега минус беше предвидено од М. Гел-Ман во неговата т.н. С.У. 3 теорија“ (другото име е „осумкратна патека“), во која најпрво беше предложена можноста за постоење на кваркови (и ова име им беше дадено). Една деценија подоцна, откривањето на честичката Ј/yго потврди постоењето Со-кварк и конечно ги натера сите да веруваат и во моделот на кварк и во теоријата што ги обединува електромагнетните и слабите сили ( Види подолу).

Честичките од втората и третата генерација не се помалку реални од првата. Точно, откако се појавија, за милионити или милијардити делови од секундата тие се распаѓаат во обични честички од првата генерација: електрон, електронско неутрино и исто така И- И г- кваркови. Прашањето зошто постојат неколку генерации на честички во природата сè уште останува мистерија.

За различни генерации кваркови и лептони често се зборува (што, се разбира, е донекаде ексцентрично) како различни „вкусови“ на честички. Потребата да се објаснат се нарекува проблем со „вкусот“.

БОЗОНИ И ФЕРМИОНИ, ПОЛЕ И МАТЕРИЈА

Една од основните разлики помеѓу честичките е разликата помеѓу бозоните и фермионите. Сите честички се поделени во овие две главни класи. Идентичните бозони можат да се преклопуваат или преклопуваат, но идентичните фермиони не можат. Суперпозиција се јавува (или не се јавува) во дискретните енергетски состојби во кои квантната механика ја дели природата. Овие состојби се како посебни ќелии во кои може да се сместат честичките. Значи, можете да ставите онолку идентични бозони колку што сакате во една ќелија, но само еден фермион.

Како пример, земете ги таквите ќелии или „состојби“ за електрон што орбитира околу јадрото на атомот. За разлика од планетите сончев систем, електронот, според законите на квантната механика, не може да циркулира во ниедна елипсовидна орбита, бидејќи има само дискретна серија на дозволени „состојби на движење“. Се нарекуваат множества од такви состојби, групирани според растојанието од електронот до јадрото орбитали. Во првата орбитала има две состојби со различен аголен момент и, според тоа, две дозволени ќелии, а во повисоките орбитали има осум или повеќе ќелии.

Бидејќи електронот е фермион, секоја клетка може да содржи само еден електрон. Од ова следат многу важни последици - целата хемија, бидејќи хемиските својства на супстанциите се одредуваат од интеракциите помеѓу соодветните атоми. Ако одите заедно периодниот системелементи од еден атом до друг по редослед на зголемување за еден бројот на протони во јадрото (бројот на електрони исто така ќе се зголеми соодветно), тогаш првите два електрони ќе ја окупираат првата орбитала, следните осум ќе бидат лоцирани во второ, итн. Оваа конзистентна промена во електронската структура на атомите од елемент до елемент ги одредува шемите во нивните хемиски својства.

Ако електроните беа бозони, тогаш сите електрони во атомот би можеле да ја окупираат истата орбитала, што одговара на минималната енергија. Во овој случај, својствата на целата материја во Универзумот би биле сосема различни, а Универзумот во формата во која знаеме дека е невозможен.

Сите лептони - електрон, мион, тау лептон и нивните соодветни неутрина - се фермиони. Истото може да се каже и за кварковите. Така, сите честички што ја формираат „материја“, главниот полнач на Универзумот, како и невидливите неутрина, се фермиони. Ова е доста значајно: фермионите не можат да се комбинираат, така што истото важи и за предметите во материјалниот свет.

Во исто време, сите „мерни честички“ кои се разменуваат помеѓу интерактивни материјални честички и кои создаваат поле на сили ( Види погоре), се бозони, што е исто така многу важно. Така, на пример, многу фотони можат да бидат во иста состојба, формирајќи магнетно поле околу магнет или електрично поле околу електричен полнеж. Благодарение на ова, можен е и ласер.

Спин.

Разликата помеѓу бозоните и фермионите е поврзана со уште една карактеристика на елементарните честички - спин. Изненадувачки, сите фундаментални честички имаат свој аголен моментум или, поедноставно кажано, ротираат околу сопствената оска. Аголот на импулсот е карактеристика на ротационото движење, исто како и вкупниот импулс на транслаторното движење. Во секоја интеракција, аголниот момент и моментумот се зачувани.

Во микрокосмосот, аголниот моментум е квантизиран, т.е. зема дискретни вредности. Во соодветни мерни единици, лептоните и кварковите имаат спин од 1/2, а честичките со мерачот имаат спин 1 (освен гравитонот, кој сè уште не е експериментално набљудуван, но теоретски треба да има спин 2). Бидејќи лептоните и кварковите се фермиони, а мерачните честички се бозони, можеме да претпоставиме дека „фермионичноста“ е поврзана со спин 1/2, а „бозоничноста“ е поврзана со спин 1 (или 2). Навистина, и експериментот и теоријата потврдуваат дека ако честичката има спин со половина цел број, тогаш таа е фермион, а ако има цел број спин, тогаш тоа е бозон.

ТЕОРИИ И ГЕОМЕТРИЈА НА МЕРЕЧ

Во сите случаи, силите се јавуваат поради размена на бозони помеѓу фермиони. Така, силата на бојата на интеракцијата помеѓу два кваркови (кваркови - фермиони) настанува поради размената на глуони. Слична размена се случува постојано во протоните, неутроните и атомските јадра. Слично на тоа, фотоните разменети помеѓу електроните и кварковите создаваат електрични привлечни сили кои ги држат електроните во атомот, а средновекторските бозони разменети помеѓу лептоните и кварковите создаваат слаби сили одговорни за претворање на протоните во неутрони во термонуклеарните реакции во ѕвездите.

Теоријата зад оваа размена е елегантна, едноставна и веројатно точна. Тоа се нарекува теорија на мерач. Но, во моментов постојат само независни мерач теории за силни, слаби и електромагнетни интеракции и слична, иако малку поинаква, теорија на гравитацијата. Еден од најважните физички проблеми е редуцирањето на овие поединечни теории во една и во исто време едноставна теорија, во која би станале сите различни аспектиединствена реалност - како рабовите на кристалот.

Табела 3. НЕКОИ ХАДРОНИ

Табела 3. НЕКОИ ХАДРОНИ
Честичка	Симбол	Кварк состав *	Маса за одмор, MeV/ Со 2	Електрично полнење
БАРИОНИ
Протон	стр	ууд	938	+1
Неутрон	n	уд	940	0
Омега минус	Ш -	ссс	1672	–1
МЕЗОНИ
Пи-плус	стр +	u	140	+1
Пи минус	стр –	ду	140	–1
Фи	ѓ	сє	1020	0
ЈП	Ј/г	cў	3100	0
Апсилон	Ў	б	9460	0
* Кварк состав: u- врв; г- пониско; с- чудно; в– маѓепсана; б- Убава. Антиквитетите се означени со линија над буквата.

Наједноставната и најстара од теориите за мерач е теоријата на мерач на електромагнетна интеракција. Во него, полнежот на електрон се споредува (калибрира) со полнежот на друг електрон оддалечен од него. Како можете да ги споредите трошоците? Можете, на пример, да го приближите вториот електрон до првиот и да ги споредите нивните сили на интеракција. Но, дали полнежот на електронот не се менува кога се движи во друга точка во вселената? Единствениот начинпроверува - испратете сигнал од блискиот електрон до далечниот и видете како тој реагира. Сигналот е мерач честичка - фотон. За да може да се тестира полнењето на далечни честички, потребен е фотон.

Математички, оваа теорија е исклучително точна и убава. Од „принципот на мерач“ опишан погоре тече целата квантна електродинамика (квантна теорија на електромагнетизмот), како и теоријата на Максвел за електромагнетното поле - едно од најголемите научни достигнувања на 19 век.

Зошто толку едноставен принцип е толку плоден? Очигледно, тоа изразува некаква корелација различни деловиУниверзум, овозможувајќи да се прават мерења во Универзумот. Во математичка смисла, полето геометриски се толкува како искривување на некој замислив „внатрешен“ простор. Мерното полнење е мерење на вкупната „внатрешна кривина“ околу честичката. Теориите на мерачот за силните и слабите интеракции се разликуваат од теоријата на електромагнетниот мерач само во внатрешната геометриска „структура“ на соодветниот полнеж. На прашањето каде точно се наоѓа овој внатрешен простор се бара одговор со повеќедимензионални унифицирани теренски теории, кои овде не се дискутирани.

Табела 4. ФУНДАМЕНТАЛНИ ИНТЕРАКЦИИ
Интеракција	Релативен интензитет на растојание од 10–13 см	Радиус на дејство	Носач на интеракција	Носачка маса на мирување, MeV/ Со 2	Завртете го носачот
Силен	1		Глуон	0	1
Електро- магнетни	0,01	Ґ	Фотон	0	1
Слаби	10 –13		В +	80400	1
			В –	80400	1
			З 0	91190	1
Гравита- цијални	10 –38	Ґ	Гравитон	0	2

Физиката на честички сè уште не е завршена. Сè уште не е јасно дали достапните податоци се доволни за целосно да се разбере природата на честичките и силите, како и вистинската природа и димензија на просторот и времето. Дали за ова ни се потребни експерименти со енергии од 10 15 GeV или ќе биде доволен напорот на мислата? Се уште нема одговор. Но, можеме со сигурност да кажеме дека конечната слика ќе биде едноставна, елегантна и убава. Можно е да нема толку многу фундаментални идеи: принципот на мерач, простори со повисоки димензии, колапс и проширување и, пред сè, геометрија.

Елементарните честички, во прецизното значење на терминот, се примарни, понатамошни неразградливи честички од кои се претпоставува дека се состои целата материја.

Елементарните честички на модерната физика не ја задоволуваат строгата дефиниција за елементарност, бидејќи повеќето од нив, според современите концепти, се композитни системи. Заедничкото својство на овие системи е дека: Дека тие не се атоми или јадра (исклучок е протонот). Затоа, тие понекогаш се нарекуваат субнуклеарни честички.

Честичките кои тврдат дека се примарни елементи на материјата понекогаш се нарекуваат „вистински елементарни честички“.

Првата откриена елементарна честичка беше електронот. Беше отворено англиски физичарТомсон во 1897 година.

Првиот откриен антицистит е позитронот - честичка со маса на електрон, но позитивен електричен полнеж. Оваа античестичка била откриена во космичките зраци од американскиот физичар Андерсон во 1932 година.

Во модерната физика, групата на елементарни честички вклучува повеќе од 350 честички, главно нестабилни, а нивниот број продолжува да расте.

Ако претходно елементарните честички обично беа откриени во космичките зраци, тогаш од раните 50-ти, акцелераторите станаа главната алатка за проучување на елементарните честички.

Микроскопските маси и големини на елементарните честички ја одредуваат квантната специфичност на нивното однесување: квантните закони се одлучувачки во однесувањето на елементарните честички.

Најважното квантно својство на сите елементарни честички е способноста да се раѓаат и уништуваат (емитираат и апсорбираат) при интеракција со други честички. Сите процеси со елементарните честички се одвиваат низ низа чинови на апсорпција и емисија.

Различни процеси со елементарни честички значително се разликуваат по интензитетот на нивното појавување.

Во согласност со различниот интензитет на интеракцијата на елементарните честички, тие феноменолошки се поделени во неколку класи: силни, електромагнетни и слаби. Покрај тоа, сите елементарни честички имаат гравитациона интеракција.

Силната интеракција на елементарните честички предизвикува процеси кои се случуваат со најголем интензитет во споредба со другите процеси и доведува до најсилно поврзување на елементарните честички. Тоа е она што ја одредува врската помеѓу протоните и неутроните во јадрата на атомите.

Електромагнетната интеракција се разликува од другите со учество на електромагнетно поле. Електромагнетно поле (во квантната физика, фотон) или се емитува, се апсорбира за време на интеракцијата или ја пренесува интеракцијата помеѓу телата.

Електромагнетната интеракција обезбедува поврзување на јадрата и електроните во атомите и молекулите на материјата и со тоа ја одредува (врз основа на законите на квантната механика) можноста за стабилна состојба на таквите микросистеми.

Слабата интеракција на елементарните честички предизвикува многу бавни процеси со елементарните честички, вклучително и распаѓање на квазистабилните честички.

Слабата интеракција е многу послаба не само од силната, туку и од електромагнетната интеракција, но многу посилна од гравитациската интеракција.

Гравитациската интеракција на елементарните честички е најслабата од сите познати. Гравитациската интеракција на растојанија карактеристични за елементарните честички произведува исклучително мали ефекти поради малите маси на елементарните честички.

Слабата интеракција е многу посилна од гравитациската интеракција, но во Секојдневниот животулогата на гравитациската интеракција е многу позабележителна од улогата на слабата интеракција. Ова се случува затоа што гравитациската интеракција (како и електромагнетната интеракција) има бескрајно голем радиус на дејство. Затоа, на пример, телата лоцирани на површината на Земјата се предмет на гравитациска привлечност од сите атоми што ја сочинуваат Земјата. Слабата интеракција има толку мал опсег на дејство што сè уште не е измерена.

Во современата физика фундаментална улога игра релативистичката квантна теорија на физичките системи со бесконечен број степени на слобода - квантната теорија на полето. Оваа теорија е изградена за да опише една од најпознатите општи својствамикросвет - универзална меѓусебна конвертибилност на елементарните честички. За да се опишат процесите од овој вид, потребна беше транзиција кон полето на квантните бранови. Теоријата на квантното поле е нужно релативистичка, бидејќи ако системот се состои од честички кои бавно се движат, тогаш нивната енергија можеби нема да биде доволна за формирање на нови честички со маса на мирување не-нулта. Честичките со нулта маса на мирување (фотон, можеби неутрино) се секогаш релативистички, т.е. секогаш се движи со брзина на светлината.

Универзален начин на справување со сите интеракции, заснован на симетрија на мерачот, овозможува нивно комбинирање.

Теоријата на квантното поле се покажа како најадекватен апарат за разбирање на природата на интеракцијата на елементарните честички и обединувањето на сите видови интеракции.

Квантна електродинамика е оној дел од теоријата на квантното поле кој се занимава со интеракцијата на електромагнетното поле и наелектризираните честички (или електрон-позитронско поле).

Во моментов, квантната електродинамика се смета како составен дел на обединетата теорија на слаби и електромагнетни интеракции.

Во зависност од нивното учество во одредени видови интеракции, сите проучувани елементарни честички, со исклучок на фотонот, се поделени во две главни групи - хадрони и лептони.

Хадроните (од грчки - големи, силни) се класа на елементарни честички кои учествуваат во силни интеракции (заедно со електромагнетни и слаби). Лептоните (од грчкиот - тенки, лесни) се класа на елементарни честички кои немаат силни интеракции, учествувајќи само во електромагнетни и слаби интеракции. (Присуството на гравитациска интеракција за сите елементарни честички, вклучувајќи го и фотонот, се подразбира).

Сè уште не постои целосна теорија за хадроните или силна интеракција меѓу нив, но постои теорија која, иако ниту целосна ниту општо прифатена, ни овозможува да ги објасниме нивните основни својства. Оваа теорија е квантна хромодинамика, според која хадроните се составени од кваркови, а силите меѓу кварковите се должат на размената на глуони. Сите откриени хадрони се состојат од пет кваркови разни видови(„вкусови“). Секој кварк на „вкус“ може да биде во три состојби на „боја“ или да има три различни „обвиненија за боја“.

Ако законите кои ја воспоставуваат врската помеѓу количините што го карактеризираат физичкиот систем, или кои ја одредуваат промената на овие количини со текот на времето, не се променат при одредени трансформации на кои системот може да биде подложен, тогаш се вели дека овие закони имаат симетрија (или непроменливост ) во однос на овие трансформации. Математички, трансформациите на симетрија формираат група.

ВО модерна теоријаКај елементарните честички водечки е концептот на симетрија на законите во однос на одредени трансформации. Симетријата се смета како фактор кој го одредува постоењето на различни групи и фамилии на елементарни честички.

Силната интеракција е симетрична во однос на ротации во посебен „изотопски простор“. Од математичка гледна точка, изотопската симетрија одговара на трансформациите на унитарната симетрична група SU(2). Изотопската симетрија не е точна симетрија на природата, бидејќи тој е нарушен од електромагнетната интеракција и разликите во масите на кварковите.

Изотопската симетрија е дел од пошироката приближна симетрија на силната интеракција - унитарна SU(3) симетрија. Излегува дека унитарната симетрија е многу поскршена од изотопската симетрија. Сепак, се сугерира дека овие симетрии, кои се многу силно нарушени при постигнатите енергии, ќе бидат обновени во енергии што одговараат на таканареченото „големо обединување“.

За класата на внатрешни симетрии на равенките на теоријата на поле (т.е. симетрии поврзани со својствата на елементарните честички, а не со својствата на простор-времето), се користи заедничко име - симетрија на мерач.

Симетријата на мерачот доведува до потреба од постоење полиња со векторски мерач, чија размена на кванти ги одредува интеракциите на честичките.

Идејата за симетрија на мерачот се покажа како најплодна во обединетата теорија на слаби и електромагнетни интеракции.

Интересен проблем во теоријата на квантното поле е вклучувањето на силната интеракција („големо обединување“) во унифицирана шема на мерач.

На другите ветувачка насокаобединувањето се смета за симетрија на супермерач, или едноставно суперсиметрија.

Во 60-тите, американските физичари С. Вајнберг, С. Глашоу, пакистанскиот физичар А. Салам и други создадоа обединета теорија за слаби и електромагнетни интеракции, која подоцна стана позната како стандардна теорија за електрослаба интеракција. Во оваа теорија, заедно со фотонот кој ја врши електромагнетната интеракција, се појавуваат и средновекторски бозони - честички кои ја носат слабата интеракција. Овие честички беа експериментално откриени во 1983 година во ЦЕРН.

Експерименталното откритие на средновекторски бозони ја потврдува исправноста на основната (мерач) идеја на стандардната теорија за електрослаба интеракција.

Сепак, за да се тестира теоријата во целост, исто така е неопходно експериментално да се проучи механизмот на спонтано кршење на симетријата. Ако овој механизам навистина се јавува во природата, тогаш треба да има елементарни скаларни бозони - таканаречените Хигсови бозони. Стандардната теорија за електрослаба интеракција предвидува постоење на барем еден скаларен бозон.

Во физиката, елементарните честички биле физички објекти на скалата на атомското јадро кои не можат да се поделат на нивните составни делови. Сепак, денес научниците успеаја да поделат некои од нив. Структурата и својствата на овие ситни објекти ги проучува физиката на честичките.

Најмалите честички кои ја сочинуваат целата материја се познати уште од античко време. Меѓутоа, основачите на таканаречениот „атомизам“ се сметаат за античкиот грчки филозоф Левкип и неговиот попознат ученик Демокрит. Се претпоставува дека вториот го измислил терминот „атом“. Од старогрчкиот „атомос“ се преведува како „неделив“, што ги одредува ставовите на античките филозофи.

Подоцна се дозна дека атомот сè уште може да се подели на два физички објекти - јадрото и електронот. Последната последователно стана првата елементарна честичка, кога во 1897 година Англичанецот Џозеф Томсон спроведе експеримент со катодни зраци и откри дека тие се млаз од идентични честички со иста маса и полнеж.

Паралелно со работата на Томсон, Анри Бекерел, кој ги проучува рендгенските зраци, спроведува експерименти со ураниум и открива нов вид на зрачење. Во 1898 година, француски пар физичари, Марија и Пјер Кири, проучувале различни радиоактивни материи, откривајќи го истото радиоактивно зрачење. Подоцна ќе се открие дека се состои од алфа честички (2 протони и 2 неутрони) и бета честички (електрони), а Бекерел и Кири ќе ја добијат Нобеловата награда. Додека го вршеше своето истражување со елементи како што се ураниум, радиум и полониум, Мари Склодовска-Кири не презеде никакви безбедносни мерки, вклучително и не користење на ракавици. Како резултат на тоа, во 1934 година таа беше претекната од леукемија. Во спомен на достигнувањата на големиот научник, елементот откриен од двојката Кири, полониум, беше именуван во чест на татковината на Марија - Полонија, од латински - Полска.

Фотографија од V Солвеј конгрес 1927 година. Обидете се да ги најдете сите научници од оваа статија на оваа фотографија.

Од 1905 година, Алберт Ајнштајн ги посвети своите публикации на несовршеноста на теоријата на брановите на светлината, чии постулати беа во спротивност со резултатите од експериментите. Што последователно го наведе извонредниот физичар до идејата за „светлосен квант“ - дел од светлината. Подоцна, во 1926 година, тој беше наречен „фотон“, преведен од грчкиот „фос“ („светлина“), од американскиот физички хемичар Гилберт Н. Луис.

Во 1913 година, Ернест Радерфорд, британски физичар, врз основа на резултатите од веќе извршените експерименти во тоа време, забележал дека масите на многу јадра хемиски елементисе множители на масата на водородното јадро. Затоа, тој претпоставил дека јадрото на водородот е компонента на јадрата на другите елементи. Во својот експеримент, Радерфорд зрачил атом на азот со алфа честички, кои како резултат испуштале одредена честичка, именувана од Ернест како „протон“, од другиот грчки „протос“ (прв, главен). Подоцна експериментално беше потврдено дека протонот е водородно јадро.

Очигледно, протонот не е единствената компонента на јадрата на хемиските елементи. Оваа идеја е предводена од фактот дека два протони во јадрото ќе се одвратат еден со друг, а атомот веднаш ќе се распадне. Затоа, Радерфорд претпоставил присуство на друга честичка, која има маса еднаква на масата на протон, но е ненаполнета. Некои експерименти на научниците за интеракцијата на радиоактивни и полесни елементи ги доведоа до откривање на уште едно ново зрачење. Во 1932 година, Џејмс Чедвик утврдил дека се состои од оние многу неутрални честички што ги нарекол неутрони.

Така, откриени се најпознатите честички: фотон, електрон, протон и неутрон.

Понатаму, откривањето на нови субнуклеарни објекти стана сè почест настан, а во моментов се познати околу 350 честички, кои генерално се сметаат за „елементарни“. Оние од нив кои сè уште не се поделени се сметаат за безструктурни и се нарекуваат „фундаментални“.

Што е спин?

Пред да се продолжи со понатамошни иновации во областа на физиката, мора да се утврдат карактеристиките на сите честички. Најпознатото, освен масата и електричното полнење, вклучува и спин. Оваа количина инаку се нарекува „внатрешна аголна динамика“ и во никој случај не е поврзана со движењето на субнуклеарниот објект како целина. Научниците беа во можност да детектираат честички со спин 0, ½, 1, 3/2 и 2. За да го визуелизирате, иако поедноставен, вртењето како својство на објектот, разгледајте го следниот пример.

Нека објектот има спин еднаков на 1. Тогаш таков објект, кога ќе се ротира за 360 степени, ќе се врати во првобитната положба. Во авион, овој предмет може да биде молив, кој по вртење од 360 степени ќе заврши во првобитната положба. Во случај на нула центрифугирање, без разлика како се ротира предметот, тој секогаш ќе изгледа исто, на пример, топка со една боја.

За ½ центрифугирање, ќе ви треба предмет што го задржува својот изглед кога се ротира за 180 степени. Може да биде ист молив, само наострен симетрично од двете страни. За вртење од 2 ќе треба формата да се одржува кога ќе се ротира за 720 степени, а за вртење од 3/2 ќе бидат потребни 540.

Оваа карактеристика е многу важна за физиката на честичките.

Стандарден модел на честички и интеракции

Имајќи импресивен сет на микро-објекти што го сочинуваат светот, научниците решиле да ги структуираат и вака се формирала добро позната теоретска структура наречена „Стандарден модел“. Таа опишува три интеракции и 61 честичка користејќи 17 фундаментални, од кои некои ги предвидела долго пред откритието.

Трите интеракции се:

• Електромагнетна. Се јавува помеѓу електрично наелектризираните честички. ВО едноставен случај, познат од училиште, - за разлика од наелектризираните предмети привлекуваат, а сличните наелектризирани предмети одбиваат. Ова се случува преку таканаречениот носител на електромагнетна интеракција - фотонот.
• Силна, инаку позната како нуклеарна интеракција. Како што имплицира името, неговото дејство се протега на објекти од редот на атомското јадро; тој е одговорен за привлекување на протони, неутрони и други честички кои исто така се состојат од кваркови. Силната интеракција ја носат глуоните.
• Слаби. Ефективни на растојанија илјада помали од големината на јадрото. Лептоните и кварковите, како и нивните античестички, учествуваат во оваа интеракција. Покрај тоа, во случај на слаба интеракција, тие можат да се трансформираат едни во други. Носители се бозоните W+, W− и Z0.

Така, Стандардниот модел беше формиран на следниов начин. Вклучува шест кваркови, од кои се составени сите хадрони (честички кои се предмет на силна интеракција):

• Горна (u);
• Маѓепсани (в);
• точно (t);
• Долна (г);
• Чудно(и);
• Прекрасен (б).

Јасно е дека физичарите имаат многу епитети. Останатите 6 честички се лептони. Ова се основни честички со спин ½ кои не учествуваат во силната интеракција.

• Електрон;
• Електронско неутрино;
• Муон;
• Муонско неутрино;
• Тау лептон;
• Тау неутрино.

И третата група на стандардниот модел се мерач бозони, кои имаат спин еднаков на 1 и се претставени како носители на интеракции:

• Глуон - силен;
• Фотон – електромагнетен;
• Z-бозон - слаб;
• W бозонот е слаб.

Тука спаѓаат и неодамна откриената честичка спин-0, која, едноставно кажано, им дава инертна маса на сите други субнуклеарни објекти.

Како резултат на тоа, според Стандардниот модел, нашиот свет изгледа вака: целата материја се состои од 6 кваркови, кои формираат хадрони и 6 лептони; сите овие честички можат да учествуваат во три интеракции, чии носители се мерачните бозони.

Недостатоци на стандардниот модел

Сепак, уште пред откривањето на Хигсовиот бозон, последната честичка предвидена од Стандардниот модел, научниците ги надминаа нејзините граници. Впечатлив примерпостои т.н „гравитациска интеракција“, која е на исто ниво со другите денес. Веројатно, нејзиниот носител е честичка со спин 2, која нема маса и која физичарите сè уште не успеале да ја откријат - „гравитонот“.

Згора на тоа, Стандардниот модел опишува 61 честичка, а денес на човештвото веќе му се познати повеќе од 350 честички. Тоа значи дека работата на теоретските физичари не е завршена.

Класификација на честички

За да им го олеснат животот, физичарите ги групираа сите честички во зависност од нивните структурни карактеристики и други карактеристики. Класификацијата се заснова на следниве критериуми:

• Доживотно.
  1. Стабилно. Тие вклучуваат протон и антипротон, електрон и позитрон, фотон и гравитон. Постоењето на стабилни честички не е временски ограничено, се додека тие се во слободна состојба, т.е. не комуницирај со ништо.
  2. Нестабилна. Сите други честички по одредено време се распаѓаат во нивните составни делови, поради што се нарекуваат нестабилни. На пример, мион живее само 2,2 микросекунди, а протонот - 2,9 10 * 29 години, по што може да се распадне во позитрон и неутрален пион.
• Тежина.
  1. Елементарни честички без маса, од кои има само три: фотон, глуон и гравитон.
  2. Масивните честички се сите останати.
• Значење на спин.
  1. Цело вртење, вкл. нула, имаат честички наречени бозони.
  2. Честичките со спин од половина цел број се фермиони.
• Учество во интеракции.
  1. Хадроните (структурни честички) се субнуклеарни објекти кои учествуваат во сите четири типа на интеракции. Претходно беше споменато дека тие се составени од кваркови. Хадроните се поделени на два подтипа: мезони (целоброен спин, бозони) и бариони (спин со половина цел број, фермиони).
  2. Фундаментални (честички без структура). Тие вклучуваат лептони, кваркови и мерач бозони (прочитајте претходно - „Стандарден модел..“).

Откако се запознавте со класификацијата на сите честички, можете, на пример, точно да одредите некои од нив. Значи неутронот е фермион, хадрон, поточно барион и нуклеон, односно има спин од половина цел број, се состои од кваркови и учествува во 4 интеракции. Нуклеон е вообичаено име за протони и неутрони.

• Интересно е што противниците на атомизмот на Демокрит, кој го предвиде постоењето на атоми, изјавија дека секоја супстанција во светот е поделена на неодредено време. До одреден степен, тие може да испаднат дека се во право, бидејќи научниците веќе успеале да го поделат атомот на јадро и електрон, јадрото на протон и неутрон, а тие, пак, во кваркови.
• Демокрит претпоставувал дека атомите имаат јасна геометриска форма и затоа „остри“ огнени атоми горат, груби атоми цврсти материицврсто се држат заедно со нивните испакнатини, а мазните атоми на водата се лизгаат за време на интеракцијата, во спротивно тие течат.
• Џозеф Томсон составил сопствен модел на атомот, кој го гледал како позитивно наелектризирано тело во кое се чини дека електроните се „заглавени“. Неговиот модел беше наречен „модел на пудинг од слива“.
• Кварковите го добиле своето име благодарение на американскиот физичар Мареј Гел-Ман. Научникот сакал да употреби збор сличен на звукот на патка квак (kwork). Но, во романот Finnegans Wake на Џејмс Џојс го сретнал зборот „кварк“ во редот „Три кваркови за г-дин Марк!“, чие значење не е прецизно дефинирано и можно е Џојс да го користел само за рима. Мареј реши да ги нарече честичките овој збор, бидејќи во тоа време беа познати само три кваркови.
• Иако фотоните, честичките на светлината, се без маса, во близина на црна дупка се чини дека ја менуваат својата траекторија бидејќи се привлечени кон неа од гравитационите сили. Всушност, супермасивно тело го свиткува простор-времето, поради што сите честички, вклучувајќи ги и оние без маса, ја менуваат својата траекторија кон црната дупка (види).
• Големиот хадронски судирач е „хадронски“ токму поради тоа што се судира со два насочени снопови хадрони, честички со димензии по редот на атомско јадро кои учествуваат во сите интеракции.

ЕЛЕМНИ ЧЕСТИЧКИ, во потесна смисла, се честички за кои не може да се смета дека се состојат од други честички. Во модерната Во физиката, терминот „елементарни честички“ се користи во поширока смисла: т.н. најмалите честички на материјата, под услов да не се и (исклучок е); Понекогаш поради оваа причина елементарните честички се нарекуваат субнуклеарни честички. Повеќето од овие честички (повеќе од 350 од нив се познати) се композитни системи.
Е елементарните честички учествуваат во електромагнетни, слаби, силни и гравитациони интеракции. Поради малите маси на елементарните честички, нивната гравитациска интеракција. обично не се зема предвид. Сите елементарни честички се поделени на три главни. групи. Првиот се состои од т.н. Бозоните се носители на електрослабата интеракција. Ова го вклучува фотонот или квантот електромагнетно зрачење. Останатата маса на фотонот е нула, затоа брзината на ширење на електромагнетните бранови (вклучувајќи ги и светлосните бранови) ја претставува максималната брзина на ширење на физичките. влијание и е еден од фондовите. физички постојана; прифатено е дека c = (299792458 1.2) m/s.
Втората група на елементарни честички се лептони, кои учествуваат во електромагнетни и слаби интеракции. Познати се 6 лептони: , електрон, мион, тежок-лептон и соодветниот. (симбол д) се смета за материјал со најмала маса во природата m c, еднаква на 9,1 x 10 -28 g (во енергетски единици 0,511 MeV) и најмал негативен. електрични полнење e = 1,6 x 10 -19 C. (симбол) - честички со маса од прибл. 207 маса (105,7 MeV) и електрична. полнење еднакво на полнењето; Тежок лептон има маса од прибл. 1,8 GeV. Трите типа што одговараат на овие честички се електрон (симбол v c), мион (симбол) и неутрино (симбол) - лесни (можеби без маса) електрично неутрални честички.
Сите лептони имаат (-), т.е. статистички. Св. вие сте фермиони (види).
Секој од лептоните одговара на , кој има исти вредности на маса и други карактеристики, но се разликува по електричен знак. наплаќаат. Постојат (симбол e +) - во однос на, позитивно наелектризирани (симбол) и три типа на антинеутрина (симбол), кои се припишуваат на спротивниот знак на посебен квантен број, наречен. полнење на лептон (види подолу).
Третата група на елементарни честички се хадрони, тие учествуваат во силни, слаби и електромагнетни интеракции. Хадроните се „тешки“ честички со маса значително поголема од онаа на . Ова е најмногу голема група на елементарни честички. Хадроните се делат на бариони - честички со мезони - честички со цел број (О или 1); како и т.н резонанциите се краткотрајни хадрони. Барјоните вклучуваат (симбол p) - јадро со маса ~ 1836 пати поголема од m s и еднаква на 1,672648 x 10 -24 g (938,3 MeV), и стави. електрични полнење еднакво на полнежот, а исто така (симбол n) - електрично неутрална честичка, чија маса малку ја надминува масата. Од и сè е изградено, имено силна интеракција. ја одредува поврзаноста на овие честички една со друга. Во силна интеракција и имаат исти својства и се сметаат како две од една честичка - нуклеони со изотоп. (Види подолу). Во барионите спаѓаат и хиперони - елементарни честички со маса поголема од нуклеонот: хиперон има маса од 1116 MeV, хиперон има маса од 1190 MeV, хиперон има маса од 1320 MeV и хиперон има маса од 1670 MeV. Мезоните имаат посредни маси помеѓу масите и (-мезон, К-мезон). Постојат неутрални и наелектризирани мезони (со позитивен и негативен елементарен електричен полнеж). Сите мезони имаат свои карактеристики. Св ти припаѓаш на бозони.

Основни својства на елементарните честички.Секоја елементарна честичка е опишана со збир на дискретни физички вредности. количини (квантни броеви). Општи карактеристики на сите елементарни честички - маса, животен век, електрична енергија. наплаќаат.
Во зависност од нивниот животен век, елементарните честички се делат на стабилни, квазистабилни и нестабилни (резонанции). Стабилни (во рамките на точноста на современите мерења) се: (животниот век повеќе од 5 -10 21 година), (повеќе од 10 31 година), фотонот и . Квазистабилните честички вклучуваат честички кои се распаѓаат поради електромагнетни и слаби интеракции; нивниот животен век е повеќе од 10-20 секунди. Резонансите се распаѓаат поради силните интеракции, нивниот карактеристичен век на траење е 10 -22 -10 -24 с.
Внатрешните карактеристики (квантни броеви) на елементарните честички се лептонски (симбол L) и барионски (симбол Б) полнежи; овие бројки се сметаат за строго зачувани количини за сите видови фондови. интеракција За лептониците и нивното L имаат спротивни знаци; за бариони B = 1, за соодветните B = -1.
Хадроните се карактеризираат со присуство на специјални квантни броеви: „чудно“, „шарм“, „убавина“. Обичните (нечудни) хадрони се ,-мезони. Внатре различни групихадрони, постојат фамилии на честички кои се слични по маса и со слични својства во однос на силната интеракција, но со разлики. електрични вредности полнење; наједноставен пример-протон и . Вкупниот квантен број за такви елементарни честички е т.н. изотопски , кој, како и редовните , прифаќа цели и полуцели вредности. Посебните карактеристики на хадроните вклучуваат и внатрешен паритет, кој зема вредности 1.
Важно својство на елементарните честички е нивната способност да подлежат на меѓусебни трансформации како резултат на електромагнетни или други интеракции. Еден од видовите на меѓусебни трансформации е т.н. раѓање, или формирање во исто време на честичка и (во општ случај - формирање на елементарни честички со спротивни лептонски или барионски полнежи). Можните процеси вклучуваат раѓање на електрон-позитрон e-e +, нови тешки честички на мион при судири на лептони и формирање на cc- и bb-состојби од кваркови (види подолу). Друг тип на интерконверзија на елементарните честички е уништувањето при судири на честички со формирање на конечен број фотони (кванти). Вообичаено, 2 фотони се произведуваат кога вкупниот број на честички кои се судираат е нула и 3 фотони се произведуваат кога вкупниот број е еднаков на 1 (манифестација на законот за зачувување на парноста на полнежот).
Под одредени услови, особено при мала брзина на судир на честички, често се нарекуваат формирање на споен систем - e - e + и Овие нестабилни системи. , нивниот животен век во селото во голема мера зависи од sv-v-va, што овозможува да се користи кондензатор за проучување на структурата. супстанции и кинетика на брзи хемикалии. области (види,).

Кварков модел на хадрони.Деталното испитување на квантните броеви на хадроните ни овозможи да заклучиме дека чудните хадрони и обичните хадрони заедно формираат асоцијации на честички со блиски својства, наречени унитарни мултипти. Бројот на честички вклучени во нив е 8 (октет) и 10 (декуплет). Честичките кои се дел од унитарен мултиплет имаат ист внатрешен паритет, но се разликуваат во електричните вредности. полнеж (честички на изотопскиот мултиплет) и чудност. Својствата поврзани со унитарните групи, нивното откритие беше основа за заклучок за постоењето на посебни структурни единици од кои се конструирани хадрони и кваркови. Се верува дека хадроните се комбинации од 3 основи. честички со 1/2: до-кваркови, д-кваркови и с-кваркови. Така, мезоните се составени од кварк и антикварк, барионите се составени од 3 кваркови.
Претпоставката дека хадроните се составени од 3 кваркови е направена во 1964 година (Ј. Цвајг и, независно, М. Гел-Ман). Последователно, уште два кварка беа вклучени во моделот на структурата на хадроните (особено, за да се избегнат противречности со ) - „шармантен“ (в) и „убав“ (б), а беа воведени и посебни карактеристики на кваркови - „вкус“ и „боја“. Кварковите, кои дејствуваат како компоненти на хадроните, не се забележани во слободна состојба. Целата разновидност на хадроните се должи на различни фактори. комбинации на и-, d-, s-, c- и b-кваркови кои формираат поврзани состојби. Обичните хадрони (, -мезони) одговараат на поврзаните состојби изградени од горе- и д-кваркови. Присуството во хадрон, заедно со до и д кваркови, на еден s-, c- или b-кварк значи дека соодветниот хадрон е „чуден“, „шармантен“ или „убав“.
Кварковиот модел на структурата на хадроните беше потврден како резултат на експериментите извршени на крајот. 60-ти - рано
70-ти 20-ти век Кварковите всушност почнаа да се сметаат како нови елементарни честички - навистина елементарни честички за хадронската форма на материјата. Незабележливоста на слободните кваркови, очигледно, е од фундаментална природа и сугерира дека тие се оние елементарни честички што го затвораат синџирот на структурните компоненти на телото. Постојат теоретски и експеримент. аргументи во прилог на фактот дека силите што дејствуваат помеѓу кварковите не слабеат со растојанието, т.е. за да се одделат кварковите еден од друг, потребна е бескрајно голема количина на енергија или, со други зборови, појавата на кваркови во слободна состојба е невозможна . Ова ги прави сосема нов тип на структурни единици на островот. Можно е кварковите да дејствуваат како последна фаза на материјата.

Кратки историски информации.Првата откриена елементарна честичка беше - нег. електрични полнење во двата електрични знаци. полнење (К. Андерсон и С. Недермајер, 1936) и К-мезони (група на С. Пауел, 1947 година; постоењето на такви честички беше предложено од Х. Јукава во 1935 година). Во кон. 40-ти - рано 50-ти Откриени се „чудни“ честички. Во вселената беа забележани и првите честички од оваа група - К + - и К - -мезони, А-хиперони. зраци
Од почетокот 50-ти акцелераторите станаа главни алатка за истражување на елементарни честички. Откриени се антипротонот (1955), антинеутронот (1956), антихиперонот (1960), а во 1964 година најтешкиотВ -хиперон. Во 1960-тите Кај акцелераторите беа откриени голем број екстремно нестабилни резонанции. Во 1962 година се покажа дека има две различни: електрон и мион. Во 1974 година беа откриени масивни (3-4 маси на протони) и во исто време релативно стабилни (во споредба со обичните резонанции) честички, кои се покажа дека се тесно поврзани со новото семејство на елементарни честички - „шармирани“, нивните први претставници беа откриени во 1976 година Во 1975 година беа откриени тешкиот аналог и лептонот, во 1977 година - честички со маса од околу десет протонски маси, во 1981 година - „прекрасни“ честички. Во 1983 година беа откриени најтешките познати елементарни честички - бозони (маса 80 GeV) и Z° (91 GeV).
Така, со текот на годините по откривањето, беа идентификувани огромен број различни микрочестички. Светот на елементарните честички се покажа како сложен, а нивните својства беа неочекувани во многу аспекти.

Лит.: Кокеде Ја., Теорија на кваркови, [прев. од англиски], М., 1971; Марков М. А., За природата на материјата, М., 1976; Окун Л.Б., Лептони и кваркови, второ издание, М., 1990 година.