Ang konsepto ng elementarya na mga particle. Mga particle ng elementarya at ang kanilang mga pangunahing katangian

Mga particle ng elementarya

Ang pagkakaroon ng elementarya na mga particle ay natuklasan ng mga physicist sa pag-aaral ng mga prosesong nuklear, samakatuwid, hanggang sa kalagitnaan ng ika-20 siglo, ang elementarya na particle physics ay isang sangay ng nuclear physics. Sa kasalukuyan, ang elementarya na particle physics at nuclear physics ay malapit, ngunit ang mga independiyenteng sangay ng physics, na pinagsama ng pagkakapareho ng marami sa mga problemang isinasaalang-alang at ang mga pamamaraan ng pananaliksik na ginamit. Ang pangunahing gawain ng elementarya na pisika ng particle ay ang pag-aaral ng kalikasan, mga katangian at magkaparehong pagbabago ng elementarya na mga particle.

Ang paniwala na ang mundo ay binubuo ng mga pangunahing particle ay may mahabang kasaysayan. Sa kauna-unahang pagkakataon, ang ideya ng pagkakaroon ng pinakamaliit na hindi nakikitang mga particle na bumubuo sa lahat ng nakapalibot na bagay ay ipinahayag 400 taon bago ang ating panahon ng pilosopong Griyego na si Democritus. Tinawag niya ang mga particle na ito na mga atom, iyon ay, hindi mahahati na mga particle. Ang agham ay nagsimulang gumamit ng konsepto ng mga atomo lamang sa maagang XIX siglo, kapag sa batayan na ito ay posible na ipaliwanag ang isang bilang ng mga kemikal na phenomena. Noong 30s ng ika-19 na siglo, sa teorya ng electrolysis na binuo ni M. Faraday, lumitaw ang konsepto ng isang ion at isang pagsukat ang ginawa. bayad sa elementarya. Ang pagtatapos ng ika-19 na siglo ay minarkahan ng pagtuklas ng phenomenon ng radioactivity (A. Becquerel, 1896), gayundin ang mga pagtuklas ng mga electron (J. Thomson, 1897) at α-particle (E. Rutherford, 1899). Noong 1905, sa pisika, lumitaw ang konsepto ng electromagnetic field quanta - photon (A. Einstein).

Noong 1911, natuklasan ang atomic nucleus (E. Rutherford) at sa wakas ay napatunayan na ang mga atomo ay may kumplikadong istraktura. Noong 1919, natuklasan ni Rutherford ang mga proton sa mga produkto ng fission ng nuclei ng mga atomo ng isang bilang ng mga elemento. Noong 1932, natuklasan ni J. Chadwick ang neutron. Naging malinaw na ang nuclei ng mga atomo, tulad ng mga atomo mismo, ay may kumplikadong istraktura. Ang teorya ng proton-neutron ng istraktura ng nuclei ay lumitaw (D. D. Ivanenko at V. Heisenberg). Sa parehong taon, 1932, ang positron ay natuklasan sa mga cosmic ray (K. Anderson). Ang positron ay isang positibong sisingilin na particle na may parehong masa at parehong (modulo) na singil bilang isang elektron. Ang pagkakaroon ng positron ay hinulaan ni P. Dirac noong 1928. Sa mga taong ito, natuklasan at pinag-aralan ang magkaparehong pagbabago ng mga proton at neutron, at naging malinaw na ang mga particle na ito ay hindi rin nagbabago ng elementarya na "mga bloke ng gusali" ng kalikasan. Noong 1937, ang mga particle na may mass na 207 electron mass, na tinatawag na muons (μ-mesons), ay natuklasan sa cosmic rays. Pagkatapos, noong 1947-1950, ang mga pions (i.e., π-mesons) ay natuklasan, na, ayon sa mga modernong konsepto, ay nagsasagawa ng pakikipag-ugnayan sa pagitan ng mga nucleon sa nucleus. Sa mga sumunod na taon, ang bilang ng mga bagong natuklasang particle ay nagsimulang lumaki nang mabilis. Ito ay pinadali ng pag-aaral ng mga cosmic ray, ang pagbuo ng teknolohiya ng accelerator, at ang pag-aaral ng mga reaksyong nuklear.

Sa kasalukuyan, mga 400 subnuclear particle ang kilala, na karaniwang tinatawag na elementarya. Ang karamihan sa mga particle na ito ay hindi matatag. Ang tanging eksepsiyon ay ang photon, electron, proton at neutrino. Ang lahat ng iba pang mga particle ay sumasailalim sa kusang pagbabago sa iba pang mga particle sa ilang mga agwat. Ang mga hindi matatag na particle ng elementarya ay lubos na naiiba sa bawat isa sa mga buhay. Ang pinakamahabang nabubuhay na particle ay ang neutron. Ang buhay ng neutron ay humigit-kumulang 15 min. Ang iba pang mga particle ay "nabubuhay" sa mas maikling panahon. Halimbawa, ang average na buhay ng isang μ meson ay 2.2 10–6 s, at ang isang neutral na π meson ay 0.87 10–16 s. Maraming napakalaking particle - ang mga hyperon ay may average na haba ng buhay ng pagkakasunud-sunod ng 10-10 s.
Mayroong ilang sampu-sampung mga particle na may habambuhay na higit sa 10–17 s. Sa mga tuntunin ng sukat ng microcosm, ito ay isang makabuluhang oras. Ang ganitong mga particle ay tinatawag na medyo matatag. Karamihan sa panandaliang elementarya na mga particle ay may tagal ng tagal ng pagkakasunud-sunod na 10–22–10–23 s.

Ang kakayahan para sa mutual transformations ay ang pinaka mahalagang ari-arian lahat ng elementarya na particle. Ang mga elemento ng elementarya ay may kakayahang ipanganak at masira (nailalabas at hinihigop). Nalalapat din ito sa mga matatag na particle, na may pagkakaiba lamang na ang mga pagbabagong-anyo ng mga matatag na particle ay hindi nangyayari nang kusang, ngunit sa pakikipag-ugnayan sa iba pang mga particle. Ang isang halimbawa ay ang paglipol (ibig sabihin, pagkawala) ng isang elektron at isang positron, na sinamahan ng paggawa ng mga photon ng mataas na enerhiya. Ang baligtad na proseso ay maaari ding mangyari - ang kapanganakan ng isang pares ng electron-positron, halimbawa, sa banggaan ng isang photon na may sapat na mahusay na enerhiya na may core. Ang ganitong mapanganib na kambal, dahil ang positron ay para sa elektron, mayroon din ang proton. Ito ay tinatawag na isang antiproton. Ang electric charge ng antiproton ay negatibo. Sa kasalukuyan, ang mga antiparticle ay natagpuan sa lahat ng mga particle. Ang mga antiparticle ay laban sa mga particle dahil kapag ang anumang particle ay nakakatugon sa antiparticle nito, sila ay nagwawasak, ibig sabihin, ang parehong mga particle ay nawawala, nagiging radiation quanta o iba pang mga particle.

Kahit na ang neutron ay may antiparticle. Ang neutron at antineutron ay naiiba lamang sa mga palatandaan ng magnetic moment at ang tinatawag na baryon charge. Posible ang pagkakaroon ng mga atomo ng antimatter, ang nuclei na binubuo ng mga antinucleon, at ang shell ay binubuo ng mga positron. Sa panahon ng paglipol ng antimatter na may matter, ang natitirang enerhiya ay na-convert sa enerhiya ng radiation quanta. Ito ay isang malaking enerhiya, higit na mas malaki kaysa sa inilabas sa nuclear at thermonuclear reactions.

Sa iba't ibang mga elementarya na particle na kilala hanggang sa kasalukuyan, ang isang mas marami o hindi gaanong maayos na sistema ng pag-uuri ay matatagpuan. Ang talahanayan ay naglalaman ng ilang impormasyon tungkol sa mga katangian ng elementarya na mga particle na may buhay na higit sa 10–20 s. Sa maraming mga katangian na nagpapakilala sa isang elementarya, ang talahanayan ay naglilista lamang ng masa ng particle (sa mga masa ng elektron), electric charge (sa mga yunit ng elementarya) at angular momentum (ang tinatawag na spin) sa mga yunit ng Planck's constant ħ = h / 2π. Ipinapakita rin ng talahanayan ang average na buhay ng particle.

	Pangalan ng particle		Misa (sa mga elektronikong masa)	Pagsingil ng kuryente		(mga) buhay
	Antiparticle
				matatag
	Neutrino electronic				matatag
Muon neutrino				matatag
Elektron						matatag

		Pi meson

				≈ 10–10 –10–8

Ang null meson na ito
							matatag

lambda hyperon
Sigma hyperon


Xi hyperons

Omega minus hyperon

Ang mga elemento ng elementarya ay pinagsama-sama sa tatlong pangkat: mga photon, lepton at hadron.
Kasama sa grupo ng mga photon ang tanging particle - ang photon, na siyang carrier ng electromagnetic interaction.

Ang susunod na grupo ay binubuo ng mga light lepton particle. Kasama sa pangkat na ito ang dalawang uri ng neutrino (electronic at muon), electron at μ-meson. Kasama rin sa mga Lepton ang ilang mga particle na hindi nakalista sa talahanayan. Lahat ng lepton ay may spin 1/2.

Ang ikatlong malaking grupo ay binubuo ng mga mabibigat na particle na tinatawag na hadrons. Ang grupong ito ay nahahati sa dalawang subgroup. Ang mas magaan na mga particle ay bumubuo ng isang subgroup ng mga meson. Ang pinakamagaan sa kanila ay positibo at negatibong sisingilin, pati na rin ang mga neutral na π-mesons na may mga masa ng pagkakasunud-sunod ng 250 electron mass. Ang mga pion ay quanta ng nuclear field, tulad ng mga photon ay quanta ng electromagnetic field. Kasama rin sa subgroup na ito ang apat na K meson at isang η0 meson. Ang lahat ng meson ay may spin na katumbas ng zero.
Ang pangalawang subgroup - mga baryon - ay may kasamang mas mabibigat na particle. Ito ang pinakamalawak. Ang pinakamagaan sa mga baryon ay mga nucleon - mga proton at neutron. Sinusundan sila ng tinatawag na hyperon. Isinasara ang talahanayan na omega-minus-hyperon, na natuklasan noong 1964. Ito ay isang mabigat na particle na may mass na 3273 electron mass. Lahat ng baryon ay may spin 1/2.

Ang kasaganaan ng mga natuklasan at bagong natuklasan na mga hadron ay humantong sa mga siyentipiko sa ideya na lahat sila ay binuo mula sa ilang iba pang mas pangunahing mga particle. Noong 1964, ang American physicist na si M. Gell-Man ay naglagay ng hypothesis, na kinumpirma ng mga sumunod na pag-aaral, na ang lahat ng mabibigat na pangunahing particle - mga hadron - ay binuo mula sa mas pangunahing mga particle na tinatawag na quark. Batay sa quark hypothesis, hindi lamang naunawaan ang istruktura ng mga kilalang hadron, ngunit hinulaan din ang pagkakaroon ng mga bago. Ipinagpalagay ng teoryang Gell-Mann ang pagkakaroon ng tatlong quark at tatlong antiquark, na pinagsama sa isa't isa sa iba't ibang kumbinasyon. Kaya, ang bawat baryon ay binubuo ng tatlong quark, at isang antibaryon ay binubuo ng tatlong antiquark. Ang mga meson ay binubuo ng mga pares ng quark-antiquark.

Sa pagtanggap ng quark hypothesis, posible itong lumikha maayos na sistema elementarya na mga particle. Gayunpaman, ang mga hinulaang katangian ng mga hypothetical na particle na ito ay naging hindi inaasahan. Dapat ipahayag ang electric charge ng quark mga fractional na numero katumbas ng 2/3 at 1/3 ng elementary charge.
Maraming mga paghahanap para sa mga quark sa libreng estado, na isinasagawa sa mga high-energy accelerators at sa mga cosmic ray, ay naging hindi matagumpay. Naniniwala ang mga siyentipiko na ang isa sa mga dahilan para sa hindi maobserbahang mga libreng quark ay, marahil, ang kanilang napakalaking masa. Pinipigilan nito ang paglikha ng mga quark sa mga enerhiya na nakakamit sa mga modernong accelerators. Gayunpaman, ang karamihan sa mga eksperto ay kumpiyansa na ngayon na ang mga quark ay umiiral sa loob ng mabibigat na particle - mga hadron. Bilang karagdagan sa mga singil sa lepton at baryon, kilala rin ang mga sumusunod:

Kakaiba s. Ang quantum number s ay maaaring tumagal sa mga halaga -3, -2, -1, 0, +1, +2, +3 at tinutukoy ng quark na komposisyon ng mga hadron. Halimbawa, ang mga hyperon Λ, Σ ay may s = -l; K+, K- mesons ay may s = +l.

Kaakit-akit kasama. Ang quantum number c ay maaaring tumagal sa mga halaga -3, -2, -1, 0, +1, +2, +3. Ang mga particle na may c = 0, +1 at -1 ay natagpuan na ngayon. Halimbawa, ang baryon Λ+c ay may c = +1.

Kababaan b. Ang quantum number b ay maaaring tumagal sa mga halaga -3, -2, -1, 0, +1, +2, +3. Sa kasalukuyan, natagpuan ang mga particle na may b = 0, +1, -1. Halimbawa, ang B+ meson ay may b = +1.

kataas-taasan t. Ang quantum number t ay maaaring tumagal sa mga halaga -3, -2, -1, 0, +1, +2, +3. Isang estado lamang na may t = +1 ang natagpuan sa ngayon.

Isospin I. Ang malakas na pakikipag-ugnayan ng mga particle ay maaaring nahahati sa mga grupo ng mga particle na may katulad na mga katangian ( parehong halaga spin, parity, baryon number, strangeness, at iba pang quantum number na pinananatili sa malakas na pakikipag-ugnayan) ay isotopic multiplet. Tinutukoy ng halaga ng isospin I ang bilang ng mga particle sa isang isotopic multiplet. n at p ay bumubuo ng isotopic doublet I=1/2; Ang Σ+ ,Σ- ,Σ0 ay bahagi ng isotopic triplet I = 1, Λ ang isotopic singlet I = 0, ang bilang ng mga particle sa isang isotopic multiplet ay 2I + 1.

G-pagkakapantay-pantay ay ang quantum number na tumutugma sa simetrya na may paggalang sa sabay-sabay na operasyon ng conjugation ng singil at pagbaliktad ng tanda ng ikatlong bahagi ng isospin na Iz. Ang G-parity ay pinananatili lamang sa malakas na pakikipag-ugnayan.

Mga pangunahing pakikipag-ugnayan. Ang mga proseso kung saan lumalahok ang iba't ibang mga elementarya na particle ay malaki ang pagkakaiba sa kanilang mga katangian na oras at enerhiya. Ayon sa mga modernong ideya, apat na uri ng pakikipag-ugnayan ang nagaganap sa kalikasan, na hindi maaaring bawasan sa iba, higit pa simpleng species pakikipag-ugnayan: malakas, electromagnetic, mahina at gravitational. Ang mga uri ng pakikipag-ugnayan ay tinatawag na pangunahing.

Ang malakas (o nuklear) na pakikipag-ugnayan ay ang pinakamatindi sa lahat ng uri ng pakikipag-ugnayan. Nagdudulot sila ng isang napakalakas na bono sa pagitan ng mga proton at neutron sa nuclei ng mga atomo. Ang mga mabibigat na particle lamang - mga hadron (meson at baryon) ang maaaring makilahok sa malakas na pakikipag-ugnayan. Ang malakas na pakikipag-ugnayan ay nagpapakita ng sarili sa mga distansya ng pagkakasunud-sunod na 10-15 m o mas kaunti. Samakatuwid, ito ay tinatawag na short-range.

Pakikipag-ugnayan ng electromagnetic. Ang anumang mga particle na may kuryente ay maaaring makilahok sa ganitong uri ng pakikipag-ugnayan, pati na rin ang mga photon - quanta ng electromagnetic field. Ang pakikipag-ugnayan ng electromagnetic ay responsable, lalo na, para sa pagkakaroon ng mga atomo at molekula. Tinutukoy nito ang maraming katangian ng mga sangkap sa solid, likido at gas na estado. Ang Coulomb repulsion ng mga proton ay humahantong sa kawalang-tatag ng nuclei na may malalaking numero ng masa. Tinutukoy ng interaksyon ng electromagnetic ang mga proseso ng pagsipsip at paglabas ng mga photon ng mga atomo at molekula ng bagay at marami pang ibang proseso sa physics ng micro- at macroworld.

Ang mahinang pakikipag-ugnayan ay ang pinakamabagal sa lahat ng pakikipag-ugnayan na nagaganap sa microcosm. Anumang elementarya na particle, maliban sa mga photon, ay maaaring makilahok dito. Ang mahinang interaksyon ay responsable para sa paglitaw ng mga prosesong kinasasangkutan ng mga neutrino o antineutrino, halimbawa, ang β-pagkabulok ng isang neutron:

Pati na rin ang mga neutrinoless decay na proseso ng mga particle na may mahabang buhay (τ ≥ 10–10 s).

Ang pakikipag-ugnayan ng gravitational ay likas sa lahat ng mga particle nang walang pagbubukod, gayunpaman, dahil sa kaliit ng masa ng mga elementarya na particle, ang mga puwersa ng pakikipag-ugnayan ng gravitational sa pagitan nila ay hindi gaanong maliit at ang kanilang papel sa mga proseso ng microcosm ay hindi gaanong mahalaga. Ang mga puwersa ng gravity ay gumaganap ng isang mapagpasyang papel sa pakikipag-ugnayan ng mga bagay sa kalawakan (mga bituin, planeta, atbp.) sa kanilang malalaking masa.

Noong 1930s, lumitaw ang isang hypothesis na ang mga pakikipag-ugnayan sa mundo ng mga elementarya na particle ay isinasagawa sa pamamagitan ng pagpapalitan ng quanta ng ilang larangan. Ang hypothesis na ito ay orihinal na inilagay ng ating mga kababayan na sina I. E. Tamm at D. D. Ivanenko. Iminungkahi nila na ang mga pangunahing pakikipag-ugnayan ay nagmumula sa pagpapalitan ng mga particle, tulad ng covalent chemical bond ng mga atomo na nagmumula sa pagpapalitan ng mga valence electron, na pinagsama sa mga walang laman na shell ng elektron.
Ang pakikipag-ugnayan na isinagawa sa pamamagitan ng pagpapalitan ng mga particle ay nakatanggap sa pisika ng pangalan ng pakikipag-ugnayan sa palitan. Kaya, halimbawa, ang pakikipag-ugnayan ng electromagnetic sa pagitan ng mga sisingilin na particle ay lumitaw bilang isang resulta ng pagpapalitan ng mga photon - quanta ng electromagnetic field.

Ang teorya ng pakikipag-ugnayan ng palitan ay nakakuha ng pagkilala pagkatapos ng teoryang ipinakita ng pisikong Hapones na si H. Yukawa noong 1935 na ang malakas na interaksyon sa pagitan ng mga nucleon sa nuclei ng mga atomo ay maaaring ipaliwanag sa pamamagitan ng pagpapalagay na ang mga nucleon ay nagpapalit ng hypothetical na mga particle na tinatawag na meson. Kinakalkula ni Yukawa ang masa ng mga particle na ito, na naging humigit-kumulang katumbas ng 300 electron mass. Ang mga particle na may tulad na masa ay kasunod na aktwal na natuklasan. Ang mga particle na ito ay tinatawag na π-mesons (pions). Sa kasalukuyan, tatlong uri ng pion ang kilala: π+, π–, at π0.

Noong 1957, ang pagkakaroon ng mabibigat na particle, ang tinatawag na vector boson W+, W– at Z0, ay theoretically hinulaang, na nagiging sanhi ng exchange mechanism ng mahinang interaksyon. Ang mga particle na ito ay natuklasan noong 1983 sa nagbabanggaan na mga eksperimento ng beam na may mga proton at mga antiproton na may mataas na enerhiya. Ang pagtuklas ng mga vector boson ay isang napakahalagang tagumpay sa elementarya na pisika ng particle. Ang pagtuklas na ito ay minarkahan ang tagumpay ng isang teorya na pinag-isa ang electromagnetic at mahinang pwersa sa iisang tinatawag na electroweak force. Itinuturing ng bagong teoryang ito ang electromagnetic field at ang field ng mahinang interaksyon bilang magkakaibang bahagi ng parehong field, kung saan, kasama ang quantum ng electromagnetic field, ang mga vector boson ay lumahok.

Matapos ang pagtuklas na ito, sa modernong pisika, ang kumpiyansa na ang lahat ng uri ng pakikipag-ugnayan ay malapit na nauugnay sa isa't isa at, sa esensya, ay iba't ibang mga pagpapakita ng isang tiyak na pinag-isang larangan, ay tumaas nang malaki. Gayunpaman, ang pag-iisa ng lahat ng mga pakikipag-ugnayan ay isa pa ring kaakit-akit na siyentipikong hypothesis.

Ang mga teoretikal na pisiko ay gumagawa ng malaking pagsisikap sa mga pagtatangka na isaalang-alang sa isang pinag-isang batayan hindi lamang ang electromagnetic at mahina, kundi pati na rin ang malakas na pakikipag-ugnayan. Ang teoryang ito ay tinatawag na Great Unification. Iminumungkahi ng mga siyentipiko na ang pakikipag-ugnayan ng gravitational ay dapat ding magkaroon ng sarili nitong carrier - isang hypothetical particle na tinatawag na graviton. Gayunpaman, ang butil na ito ay hindi pa natuklasan.

Sa kasalukuyan, ito ay itinuturing na napatunayan na ang isang pinag-isang larangan na pinag-iisa ang lahat ng mga uri ng pakikipag-ugnayan ay maaari lamang umiral sa napakataas na enerhiya ng butil na hindi matamo sa mga modernong accelerators. Ang mga particle ay maaaring magkaroon ng napakataas na enerhiya sa mga unang yugto lamang ng pagkakaroon ng Uniberso, na lumitaw bilang resulta ng tinatawag na Big Bang ( Big Bang). Ang kosmolohiya, ang agham ng ebolusyon ng uniberso, ay nagmumungkahi na ang Big Bang ay nangyari 18 bilyong taon na ang nakalilipas. Ipinapalagay ng karaniwang modelo ng ebolusyon ng Uniberso na sa unang yugto pagkatapos ng pagsabog, ang temperatura ay maaaring umabot sa 1032 K, at ang enerhiya ng particle E = kT ay maaaring umabot sa 1019 GeV. Sa panahong ito, umiral ang matter sa anyo ng mga quark at neutrino, habang ang lahat ng uri ng pakikipag-ugnayan ay pinagsama sa isang field ng puwersa. Unti-unti, habang lumalawak ang Uniberso, bumababa ang enerhiya ng mga particle, at ang pakikipag-ugnayan ng gravitational ay unang humiwalay sa pinag-isang larangan ng mga pakikipag-ugnayan (sa mga enerhiya ng particle ≤ 1019 GeV), at pagkatapos ay humiwalay ang malakas na pakikipag-ugnayan mula sa electroweak (sa enerhiya ng pagkakasunud-sunod). ng 1014 GeV). Sa lakas ng pagkakasunud-sunod ng 103 GeV, lahat ng apat na uri ng pangunahing pakikipag-ugnayan ay naging hiwalay. Kasabay ng mga prosesong ito, naganap ang pagbuo ng mas kumplikadong mga anyo ng bagay - mga nucleon, light nuclei, ions, atoms, atbp. Sinusubukan ng kosmolohiya sa modelo nito na subaybayan ang ebolusyon ng Uniberso sa iba't ibang yugto ng pag-unlad nito mula sa Big Bang hanggang sa sa kasalukuyan, batay sa mga batas ng elementarya na particle physics, pati na rin sa nuclear at atomic physics.

Ang tatlong particle na ito (pati na rin ang iba pang inilarawan sa ibaba) ay kapwa umaakit at nagtataboy sa isa't isa ayon sa kanilang singil, na apat na uri lamang ayon sa bilang ng mga pangunahing puwersa ng kalikasan. Maaaring isaayos ang mga singil sa pagkakasunud-sunod ng pagbaba ng kaukulang pwersa gaya ng sumusunod: color charge (mga puwersa ng interaksyon sa pagitan ng mga quark); electric charge (electric at magnetic forces); mahinang singil (lakas sa ilang radioactive na proseso); panghuli, masa (gravitational force, o gravitational interaction). Ang salitang "kulay" dito ay walang kinalaman sa kulay. nakikitang liwanag; ito ay isang katangian lamang ng pinakamalakas na singil at pinakadakilang pwersa.

Singil magpumilit, ibig sabihin. Ang singil na pumapasok sa system ay katumbas ng singil na umalis dito. Kung ang kabuuang singil ng kuryente ng isang tiyak na bilang ng mga particle bago ang kanilang pakikipag-ugnayan ay, sabihin nating, 342 mga yunit, pagkatapos pagkatapos ng pakikipag-ugnayan, anuman ang resulta nito, ito ay magiging katumbas ng 342 na mga yunit. Nalalapat din ito sa iba pang mga singil: kulay (malakas na singil sa pakikipag-ugnayan), mahina at masa (mass). Ang mga particle ay naiiba sa kanilang mga singil: sa esensya, sila ay "mga" mga singil na ito. Ang mga singil ay, kumbaga, isang "sertipiko" ng karapatang tumugon sa kaukulang puwersa. Kaya, ang mga may kulay na particle lamang ang apektado ng mga puwersa ng kulay, ang mga particle na may kuryente lamang ang apektado ng mga puwersa ng kuryente, at iba pa. Ang mga katangian ng isang particle ay tinutukoy ng pinakamalaking puwersa na kumikilos dito. Ang mga quark lamang ang mga tagadala ng lahat ng mga singil at, samakatuwid, ay napapailalim sa pagkilos ng lahat ng pwersa, kung saan ang kulay ay nangingibabaw. Ang mga electron ay may lahat ng singil maliban sa kulay, at ang nangingibabaw na puwersa para sa kanila ay ang electromagnetic force.

Ang pinaka-matatag sa kalikasan ay, bilang panuntunan, mga neutral na kumbinasyon ng mga particle kung saan ang singil ng mga particle ng isang sign ay binabayaran ng kabuuang singil ng mga particle ng isa pang sign. Ito ay tumutugma sa pinakamababang enerhiya ng buong sistema. (Katulad nito, ang dalawang bar magnet ay nasa isang linya, na ang north pole ng isa ay nakaharap sa south pole ng isa, na tumutugma sa pinakamababang magnetic field energy.) Ang gravity ay isang exception sa panuntunang ito: walang negatibong masa. Walang mga katawan na babagsak.

MGA URI NG BAGAY

Ang ordinaryong bagay ay nabuo mula sa mga electron at quark, na pinagsama sa mga bagay na neutral ang kulay, at pagkatapos ay sa electric charge. Ang puwersa ng kulay ay neutralisado, na tatalakayin nang mas detalyado sa ibaba, kapag ang mga particle ay pinagsama sa triplets. (Kaya ang terminong "kulay" mismo, na kinuha mula sa optika: ang tatlong pangunahing kulay, kapag pinaghalo, ay nagbibigay ng puti.) Kaya, ang mga quark, kung saan ang kapangyarihan ng kulay ang pangunahing isa, ay bumubuo ng mga triplet. Ngunit ang mga quark, at sila ay nahahati sa u-quarks (mula sa English up - upper) at d-quarks (mula sa English pababa - lower), mayroon din silang electric charge na katumbas ng u-quark at para sa d-quark. Dalawa u-quark at isa d-quark ay nagbibigay ng isang electric charge +1 at bumuo ng isang proton, at isa u-quark at dalawa d-Ang mga quark ay nagbibigay ng zero electric charge at bumubuo ng isang neutron.

Ang mga matatag na proton at neutron, na naaakit sa isa't isa ng natitirang mga puwersa ng kulay ng pakikipag-ugnayan sa pagitan ng kanilang mga constituent quark, ay bumubuo ng isang kulay-neutral na atomic nucleus. Ngunit ang nuclei ay nagdadala ng isang positibong singil sa kuryente at, sa pamamagitan ng pag-akit ng mga negatibong electron na umiikot sa nucleus tulad ng mga planeta na umiikot sa Araw, ay may posibilidad na bumuo ng isang neutral na atom. Ang mga electron sa kanilang mga orbit ay inalis mula sa nucleus sa mga distansyang libu-libong beses na mas malaki kaysa sa radius ng nucleus - ebidensya na ang mga puwersang elektrikal na humahawak sa kanila ay mas mahina kaysa sa mga nuklear. Dahil sa kapangyarihan ng pakikipag-ugnayan ng kulay, 99.945% ng masa ng isang atom ay nakapaloob sa nucleus nito. Timbang u- at d-Ang mga quark ay humigit-kumulang 600 beses ang masa ng isang elektron. Samakatuwid, ang mga electron ay mas magaan at mas mobile kaysa sa nuclei. Ang kanilang paggalaw sa bagay ay nagdudulot ng mga electrical phenomena.

Mayroong ilang daang likas na uri ng mga atom (kabilang ang mga isotopes) na naiiba sa bilang ng mga neutron at proton sa nucleus at, nang naaayon, sa bilang ng mga electron sa mga orbit. Ang pinakasimpleng ay ang hydrogen atom, na binubuo ng isang nucleus sa anyo ng isang proton at isang solong electron na umiikot sa paligid nito. Ang lahat ng "nakikita" na bagay sa kalikasan ay binubuo ng mga atomo at bahagyang "na-disassemble" na mga atomo, na tinatawag na mga ion. Ang mga ion ay mga atomo na, na nawala (o nakakuha) ng ilang electron, ay naging mga particle na may charge. Ang bagay, na binubuo ng halos isang ion, ay tinatawag na plasma. Ang mga bituin na nasusunog dahil sa mga thermonuclear na reaksyon na nagaganap sa mga sentro ay pangunahing binubuo ng plasma, at dahil ang mga bituin ang pinakakaraniwang anyo ng bagay sa uniberso, masasabing ang buong uniberso ay pangunahing binubuo ng plasma. Mas tiyak, ang mga bituin ay nakararami sa ganap na ionized na gas na hydrogen, i.e. isang halo ng mga indibidwal na proton at mga electron, at samakatuwid halos ang buong nakikitang uniberso ay binubuo nito.

Ito ay nakikitang bagay. Ngunit mayroon pa ring hindi nakikitang bagay sa Uniberso. At may mga particle na nagsisilbing carrier ng pwersa. May mga antiparticle at nasasabik na estado ng ilang mga particle. Ang lahat ng ito ay humahantong sa isang malinaw na labis na kasaganaan ng "elementarya" na mga particle. Sa kasaganaan na ito, mahahanap ng isa ang isang indikasyon ng tunay, totoong kalikasan ng elementarya na mga particle at ang mga puwersang kumikilos sa pagitan nila. Ayon sa pinakahuling mga teorya, ang mga particle ay karaniwang maaaring pinalawak na mga geometric na bagay - "mga string" sa sampung-dimensional na espasyo.

Di-nakikitang mundo.

Sa Uniberso mayroong hindi lamang nakikitang bagay (kundi mayroon ding mga itim na butas at " madilim na bagay”, gaya ng malamig na mga planeta na nakikita kapag naiilaw). Mayroon ding isang tunay na hindi nakikitang bagay na tumatagos sa ating lahat at sa buong Uniberso bawat segundo. Ito ay isang mabilis na gumagalaw na gas ng isang uri ng mga particle - mga electron neutrino.

Ang electron neutrino ay ang partner ng electron, ngunit walang electric charge. Ang mga neutrino ay nagdadala lamang ng tinatawag na mahinang singil. Ang kanilang rest mass ay, sa lahat ng posibilidad, zero. Ngunit nakikipag-ugnayan sila sa gravitational field, dahil mayroon silang kinetic energy E, na tumutugma sa mabisang masa m, ayon sa Einstein formula E = mc 2, kung saan c ay ang bilis ng liwanag.

Ang pangunahing papel ng neutrino ay ang pag-aambag nito sa pagbabago at-quarks in d quark, na nagreresulta sa pagbabago ng isang proton sa isang neutron. Ang neutrino ay gumaganap ng papel na "karburetor na karayom" para sa mga stellar thermonuclear reactions, kung saan apat na proton (hydrogen nuclei) ang nagsasama-sama upang bumuo ng isang helium nucleus. Ngunit dahil ang helium nucleus ay hindi binubuo ng apat na proton, ngunit ng dalawang proton at dalawang neutron, para sa naturang nuclear fusion kinakailangan na dalawa at-naging dalawa ang quark d-quark. Tinutukoy ng intensity ng transformation kung gaano kabilis masusunog ang mga bituin. At ang proseso ng pagbabagong-anyo ay tinutukoy ng mahinang mga singil at pwersa ng mahinang pakikipag-ugnayan sa pagitan ng mga particle. Kung saan at-quark (electric charge +2/3, mahinang singil +1/2), nakikipag-ugnayan sa isang electron (electric charge - 1, mahinang charge -1/2), bumubuo d-quark (electric charge -1/3, mahinang charge -1/2) at electron neutrino (electric charge 0, mahinang charge +1/2). Ang mga singil sa kulay (o simpleng mga kulay) ng dalawang quark ay nakansela sa prosesong ito nang walang neutrino. Ang papel na ginagampanan ng neutrino ay upang dalhin ang hindi nabayarang mahinang singil. Samakatuwid, ang rate ng pagbabago ay nakasalalay sa kung gaano kahina ang mga mahihinang pwersa. Kung sila ay mas mahina kaysa sa kanila, kung gayon ang mga bituin ay hindi masusunog. Kung sila ay mas malakas, kung gayon ang mga bituin ay matagal nang nasusunog.

Ngunit ano ang tungkol sa mga neutrino? Dahil ang mga particle na ito ay lubhang mahinang nakikipag-ugnayan sa ibang bagay, halos agad-agad silang umalis sa mga bituin kung saan sila ipinanganak. Ang lahat ng mga bituin ay nagniningning, naglalabas ng mga neutrino, at ang mga neutrino ay kumikinang sa ating mga katawan at sa buong Daigdig araw at gabi. Kaya't gumala sila sa Uniberso, hanggang sa pumasok sila, marahil, sa isang bagong pakikipag-ugnayan ng STAR) .

Mga carrier ng pakikipag-ugnayan.

Ano ang sanhi ng mga puwersa na kumikilos sa pagitan ng mga particle sa malayo? Mga sagot sa modernong pisika: dahil sa pagpapalitan ng iba pang mga particle. Isipin ang dalawang skater na naghahagis ng bola sa paligid. Ang pagbibigay ng momentum ng bola kapag naghahagis at tumatanggap ng momentum kasama ang natanggap na bola, parehong nakakakuha ng push sa direksyon mula sa isa't isa. Ito ay maaaring ipaliwanag ang paglitaw ng mga salungat na pwersa. Ngunit sa quantum mechanics, na isinasaalang-alang ang mga phenomena sa microworld, ang hindi pangkaraniwang pag-uunat at delokalisasi ng mga kaganapan ay pinapayagan, na humahantong, tila, sa imposible: ang isa sa mga skater ay itinapon ang bola sa direksyon. mula sa ang isa, ngunit ang isa gayunman siguro saluhin ang bolang ito. Hindi mahirap isipin na kung ito ay posible (at sa mundo ng elementarya na mga particle posible), magkakaroon ng atraksyon sa pagitan ng mga skater.

Ang mga partikulo, dahil sa pagpapalitan ng kung aling mga puwersa ng pakikipag-ugnayan ay lumitaw sa pagitan ng apat na "mga partikulo ng bagay" na tinalakay sa itaas, ay tinatawag na mga partikulo ng gauge. Ang bawat isa sa apat na pakikipag-ugnayan - malakas, electromagnetic, mahina at gravitational - ay may sariling hanay ng mga particle ng gauge. Ang malakas na mga particle ng carrier ng pakikipag-ugnayan ay mga gluon (mayroon lamang walo sa kanila). Ang photon ay isang carrier ng electromagnetic interaction (ito ay isa, at nakikita natin ang mga photon bilang liwanag). Ang mga particle-carrier ng mahinang interaksyon ay mga intermediate vector boson (noong 1983 at 1984 ay natuklasan W + -, W- -boson at neutral Z-boson). Ang particle-carrier ng gravitational interaction ay hypothetical graviton pa rin (ito ay dapat isa). Ang lahat ng mga particle na ito, maliban sa photon at graviton, na maaaring maglakbay nang walang katapusan na malalayong distansya, ay umiiral lamang sa proseso ng pagpapalitan sa pagitan ng mga materyal na particle. Pinupuno ng mga photon ang Uniberso ng liwanag, at mga graviton - na may mga gravitational wave (hindi pa natukoy nang may katiyakan).

Ang isang particle na may kakayahang maglabas ng mga particle ng gauge ay sinasabing napapalibutan ng isang naaangkop na field ng puwersa. Kaya, ang mga electron na may kakayahang maglabas ng mga photon ay napapalibutan ng mga electric at magnetic field, pati na rin ang mahina at gravitational field. Ang mga quark ay napapalibutan din ng lahat ng mga larangang ito, ngunit din ng larangan ng malakas na pakikipag-ugnayan. Ang mga particle na may kulay na singil sa larangan ng mga puwersa ng kulay ay apektado ng puwersa ng kulay. Ang parehong naaangkop sa iba pang mga puwersa ng kalikasan. Samakatuwid, masasabi natin na ang mundo ay binubuo ng matter (materyal particles) at field (gauge particles). Higit pa tungkol dito sa ibaba.

Antimatter.

Ang bawat butil ay tumutugma sa isang antiparticle, kung saan ang butil ay maaaring magkahiwalay, i.e. "lipulin", bilang isang resulta kung saan ang enerhiya ay inilabas. Gayunpaman, ang "dalisay" na enerhiya ay hindi umiiral; bilang resulta ng paglipol, lumilitaw ang mga bagong particle (halimbawa, mga photon), na dinadala ang enerhiya na ito.

Ang isang antiparticle sa karamihan ng mga kaso ay may kabaligtaran na mga katangian na may paggalang sa kaukulang particle: kung ang isang particle ay gumagalaw sa kaliwa sa ilalim ng pagkilos ng malakas, mahina o electromagnetic na mga patlang, kung gayon ang antiparticle nito ay lilipat sa kanan. Sa madaling salita, ang antiparticle ay may kabaligtaran na mga palatandaan ng lahat ng singil (maliban sa mass charge). Kung ang isang particle ay composite, tulad ng, halimbawa, isang neutron, kung gayon ang antiparticle nito ay binubuo ng mga bahagi na may kabaligtaran na mga palatandaan ng singil. Kaya, ang isang antielectron ay may electric charge na +1, isang mahinang charge ng +1/2 at tinatawag na positron. Ang antineutron ay binubuo ng at-mga antiquark na may electric charge –2/3 at d-mga antiquark na may electric charge +1/3. Ang tunay na neutral na mga particle ay ang kanilang sariling mga antiparticle: ang antiparticle ng photon ay ang photon.

Ayon sa mga modernong teoretikal na konsepto, ang bawat particle na umiiral sa kalikasan ay dapat magkaroon ng sarili nitong antiparticle. At maraming antiparticle, kabilang ang mga positron at antineutron, ay talagang nakuha sa laboratoryo. Ang mga kahihinatnan nito ay pambihirang mahalaga at pinagbabatayan ang buong pang-eksperimentong pisika ng elementarya na mga particle. Ayon sa teorya ng relativity, ang masa at enerhiya ay katumbas, at sa ilalim ng ilang mga kundisyon, ang enerhiya ay maaaring ma-convert sa masa. Dahil ang singil ay natipid at ang singil ng vacuum (walang laman na espasyo) ay zero, anumang pares ng mga particle at antiparticle (na may zero net charge) ay maaaring lumabas mula sa vacuum, tulad ng mga kuneho mula sa sumbrero ng mago, hangga't ang enerhiya ay sapat upang lumikha ng kanilang misa.

Mga henerasyon ng mga particle.

Ipinakita ng mga eksperimento sa accelerator na ang quadruple (quartet) ng mga particle ng materyal ay inuulit nang hindi bababa sa dalawang beses sa mas mataas na mga halaga ng masa. Sa ikalawang henerasyon, ang lugar ng electron ay inookupahan ng muon (na may mass na humigit-kumulang 200 beses na mas malaki kaysa sa masa ng electron, ngunit may parehong mga halaga ng lahat ng iba pang mga singil), ang lugar ng electron neutrino ay ang muon (na sumasama sa muon sa mahinang pakikipag-ugnayan sa parehong paraan tulad ng electron na sumasama sa electron neutrino), ilagay at-sinasakop ng quark Sa-quark ( ginayuma), a d-quark - s-quark ( kakaiba). Sa ikatlong henerasyon, ang quartet ay binubuo ng tau lepton, tau neutrino, t-quark at b-quark.

Timbang t-Ang quark ay humigit-kumulang 500 beses ang mass ng pinakamagaan - d-quark. Ito ay eksperimento na itinatag na mayroon lamang tatlong uri ng mga light neutrino. Kaya, ang ika-apat na henerasyon ng mga particle ay alinman sa hindi umiiral, o ang kaukulang neutrino ay napakabigat. Ito ay pare-pareho sa cosmological data, ayon sa kung saan maaaring mayroong hindi hihigit sa apat na uri ng light neutrino.

Sa mga eksperimento na may mga particle na may mataas na enerhiya, ang electron, muon, tau-lepton at ang kaukulang neutrino ay kumikilos bilang magkahiwalay na mga particle. Hindi sila nagdadala ng singil sa kulay at pumapasok lamang sa mahina at electromagnetic na pakikipag-ugnayan. Sama-sama silang tinatawag lepton.

Talahanayan 2. MGA HENERASYON NG MGA PUNDAMENTAL NA PARTIKULO
Particle	Rest mass, MeV/ Sa 2	Pagsingil ng kuryente	singil sa kulay	Mahina ang singil
PANGALAWANG HENERASYON
Sa-quark	1500	+2/3	Pula, berde o asul	+1/2
s-quark	500	–1/3	Pareho	–1/2
Muon neutrino		0	0	+1/2
Muon	106	0	0	–1/2
IKATLONG HENERASYON
t-quark	30000–174000	+2/3	Pula, berde o asul	+1/2
b-quark	4700	–1/3	Pareho	–1/2
Tau neutrino		0	0	+1/2
Tau	1777	–1	0	–1/2

Ang mga quark, sa kabilang banda, sa ilalim ng impluwensya ng mga puwersa ng kulay, ay nagsasama-sama sa malakas na pakikipag-ugnayan ng mga particle na nangingibabaw sa karamihan ng mga eksperimento sa high-energy physics. Ang ganitong mga particle ay tinatawag hadrons. Kasama nila ang dalawang subclass: mga baryon(hal. proton at neutron), na binubuo ng tatlong quark, at mesons binubuo ng isang quark at isang antiquark. Noong 1947, ang unang meson, na tinatawag na pion (o pi-meson), ay natuklasan sa mga cosmic ray, at sa loob ng ilang panahon ay pinaniniwalaan na ang pagpapalitan ng mga particle na ito - pangunahing dahilan pwersang nukleyar. Ang omega-minus hadrons, natuklasan noong 1964 sa Brookhaven National Laboratory (USA), at ang j-psy particle ( J/y-meson), na natuklasan nang sabay-sabay sa Brookhaven at sa Stanford Center for Linear Accelerators (din sa USA) noong 1974. Ang pagkakaroon ng omega-minus particle ay hinulaan ni M. Gell-Mann sa kanyang tinatawag na " SU 3-teorya" (isa pang pangalan ay ang "walong-tiklop na paraan"), kung saan ang posibilidad ng pagkakaroon ng mga quark ay unang iminungkahi (at ang pangalang ito ay ibinigay sa kanila). Makalipas ang isang dekada, natuklasan ang butil J/y nakumpirma ang pagkakaroon Sa-quark at sa wakas ay pinaniwalaan ang lahat sa parehong modelo ng quark at ang teorya na pinagsama ang electromagnetic at mahinang pwersa ( tingnan sa ibaba).

Ang mga partikulo ng ikalawa at ikatlong henerasyon ay hindi gaanong totoo kaysa sa una. Totoo, nang bumangon, nabubulok sila sa milyon-milyong bahagi ng isang segundo sa mga ordinaryong particle ng unang henerasyon: isang electron, isang electron neutrino, at gayundin. at- at d-mga quark. Ang tanong kung bakit mayroong ilang henerasyon ng mga particle sa kalikasan ay isang misteryo pa rin.

Ang iba't ibang henerasyon ng mga quark at lepton ay madalas na binabanggit (na, siyempre, medyo sira-sira) bilang iba't ibang "lasa" ng mga particle. Ang pangangailangang ipaliwanag ang mga ito ay tinatawag na "lasa" na problema.

MGA BOSON AT FERMION, LARANGAN AT SUBSTANCE

Ang isa sa mga pangunahing pagkakaiba sa pagitan ng mga particle ay ang pagkakaiba sa pagitan ng boson at fermion. Ang lahat ng mga particle ay nahahati sa dalawang pangunahing klase. Tulad ng mga boson ay maaaring mag-overlap o mag-overlap, ngunit tulad ng mga fermion ay hindi. Nagaganap ang superposisyon (o hindi nagaganap) sa mga discrete energy states kung saan hinahati ng quantum mechanics ang kalikasan. Ang mga estadong ito ay, kumbaga, magkahiwalay na mga selula kung saan maaaring ilagay ang mga particle. Kaya, sa isang cell maaari kang maglagay ng anumang bilang ng magkaparehong boson, ngunit isang fermion lamang.

Bilang halimbawa, isaalang-alang ang mga naturang cell, o "estado", para sa isang electron na umiikot sa nucleus ng isang atom. Hindi tulad ng mga planeta solar system, ang isang electron, ayon sa mga batas ng quantum mechanics, ay hindi makakaikot sa anumang elliptical orbit, dahil mayroon lamang itong discrete number ng pinapayagang "states of motion". Ang mga hanay ng naturang mga estado, na pinagsama-sama ayon sa distansya mula sa elektron hanggang sa nucleus, ay tinatawag mga orbital. Sa unang orbital, mayroong dalawang estado na may magkaibang angular momenta at, samakatuwid, dalawang pinapayagang mga cell, at sa mas matataas na orbital, walo o higit pang mga cell.

Dahil ang isang electron ay isang fermion, ang bawat cell ay maaaring maglaman lamang ng isang electron. Mula dito sundin ang napakahalagang mga kahihinatnan - ang kabuuan ng kimika, dahil ang mga kemikal na katangian ng mga sangkap ay tinutukoy ng mga pakikipag-ugnayan sa pagitan ng kaukulang mga atomo. Kung sasama ka panaka-nakang sistema mga elemento mula sa isang atom patungo sa isa pa upang madagdagan ng isa ang bilang ng mga proton sa nucleus (ang bilang ng mga electron ay tataas din nang naaayon), pagkatapos ay ang unang dalawang electron ay sasakupin ang unang orbital, ang susunod na walo ay matatagpuan sa pangalawa. , at iba pa. Ang sunud-sunod na pagbabago sa elektronikong istraktura ng mga atom mula sa elemento hanggang sa elemento ay tumutukoy sa mga regularidad sa kanilang mga katangian ng kemikal.

Kung ang mga electron ay boson, kung gayon ang lahat ng mga electron ng isang atom ay maaaring sakupin ang parehong orbital na naaayon sa pinakamababang enerhiya. Sa kasong ito, ang mga katangian ng lahat ng bagay sa Uniberso ay magiging ganap na naiiba, at sa anyo kung saan alam natin ito, ang Uniberso ay magiging imposible.

Ang lahat ng lepton - electron, muon, tau-lepton at ang kanilang katumbas na neutrino - ay mga fermion. Ganoon din ang masasabi tungkol sa mga quark. Kaya, ang lahat ng mga particle na bumubuo ng "matter", ang pangunahing tagapuno ng Uniberso, pati na rin ang mga hindi nakikitang neutrino, ay mga fermion. Napakahalaga nito: hindi maaaring pagsamahin ang mga fermion, kaya ang parehong naaangkop sa mga bagay sa materyal na mundo.

Kasabay nito, ang lahat ng "mga particle ng gauge" ay nagpapalitan sa pagitan ng mga partikulo ng materyal na nakikipag-ugnayan at lumikha ng isang larangan ng puwersa ( tingnan sa itaas), ay mga boson, na napakahalaga rin. Kaya, halimbawa, maraming mga photon ang maaaring nasa parehong estado, na bumubuo ng isang magnetic field sa paligid ng isang magnet o isang electric field sa paligid ng isang electric charge. Dahil dito, posible rin ang isang laser.

Iikot.

Ang pagkakaiba sa pagitan ng boson at fermion ay konektado sa isa pang katangian ng elementarya na mga particle - pabalik. Mukhang nakakagulat, ngunit lahat ng mga pangunahing particle ay may sariling angular momentum o, sa madaling salita, umiikot sa kanilang sariling axis. Ang angular momentum ay isang katangian ng rotational motion, tulad ng kabuuang momentum ng translational motion. Sa anumang pakikipag-ugnayan, ang angular na momentum at momentum ay pinananatili.

Sa microcosm, ang angular momentum ay quantize, i.e. tumatagal ng mga discrete value. Sa angkop na mga unit, ang mga lepton at quark ay may spin na katumbas ng 1/2, at ang gauge particle ay may spin na katumbas ng 1 (maliban sa graviton, na hindi pa naoobserbahan sa eksperimentong paraan, ngunit sa teorya ay dapat magkaroon ng spin na katumbas ng 2). Dahil ang mga lepton at quark ay mga fermion, at ang mga partikulo ng gauge ay mga boson, maaaring ipagpalagay na ang "fermionicity" ay nauugnay sa spin 1/2, at ang "bosonicity" ay nauugnay sa spin 1 (o 2). Sa katunayan, ang parehong eksperimento at teorya ay nagpapatunay na kung ang isang particle ay may half-integer spin, kung gayon ito ay isang fermion, at kung ito ay integer, kung gayon ito ay isang boson.

MGA TEORYA AT GEOMETRY NG GAUGE

Sa lahat ng mga kaso, ang mga puwersa ay lumitaw dahil sa pagpapalitan ng mga boson sa pagitan ng mga fermion. Kaya, ang puwersa ng kulay ng pakikipag-ugnayan sa pagitan ng dalawang quark (quark - fermion) ay lumitaw dahil sa pagpapalitan ng mga gluon. Ang ganitong palitan ay patuloy na nagaganap sa mga proton, neutron at atomic nuclei. Sa parehong paraan, ang mga photon na ipinagpapalit sa pagitan ng mga electron at quark ay lumilikha ng mga elektrikal na kaakit-akit na pwersa na humahawak ng mga electron sa isang atom, at ang mga intermediate na vector boson na ipinagpapalit sa pagitan ng mga lepton at quark ay lumilikha ng mahinang pwersa ng interaksyon na responsable para sa conversion ng mga proton sa mga neutron sa panahon ng mga thermonuclear na reaksyon sa mga bituin.

Ang teorya ng naturang palitan ay elegante, simple, at malamang na tama. Ito ay tinatawag na gauge theory. Ngunit sa kasalukuyan ay mayroon lamang independiyenteng mga teorya ng gauge ng malakas, mahina at electromagnetic na pakikipag-ugnayan at isang gauge theory ng gravity na katulad sa kanila, bagaman sa ilang mga paraan ay naiiba. Ang isa sa pinakamahalagang pisikal na problema ay ang pagbabawas ng mga hiwalay na teoryang ito sa isang solong at sa parehong oras simpleng teorya kung saan magiging lahat sila iba't ibang aspeto iisang katotohanan - tulad ng mga facet ng isang kristal.

Talahanayan 3. ILANG HADRONS

Talahanayan 3. ILANG HADRONS
Particle	Simbolo	Komposisyon ng quark *	rest mass, MeV/ Sa 2	Pagsingil ng kuryente
MGA BARYON
Proton	p	uud	938	+1
Neutron	n	udd	940	0
Omega minus	W-	sss	1672	–1
MGA MESON
Pi plus	p +	u	140	+1
Pi-minus	p –	du	140	–1
fi	f	sє	1020	0
JPS	J/y	cў	3100	0
Upsilon	Ў	b	9460	0
* Komposisyon ng quark: u- itaas; d- mas mababa; s- kakaiba; c- enchanted b- maganda. Ang linya sa itaas ng titik ay tumutukoy sa mga antiquark.

Ang pinakasimple at pinakaluma sa mga teorya ng gauge ay ang gauge theory ng electromagnetic interaction. Sa loob nito, ang singil ng isang elektron ay inihambing (naka-calibrate) sa singil ng isa pang elektron na malayo dito. Paano maihahambing ang mga singil? Maaari mong, halimbawa, dalhin ang pangalawang elektron na mas malapit sa una at ihambing ang kanilang mga puwersa ng pakikipag-ugnayan. Ngunit hindi ba nagbabago ang singil ng isang elektron kapag lumipat ito sa ibang punto sa kalawakan? Ang tanging paraan mga tseke - magpadala ng signal mula sa malapit na elektron patungo sa malayo at tingnan kung paano ito tumutugon. Ang signal ay isang gauge particle - isang photon. Upang masuri ang singil sa malalayong mga particle, kinakailangan ang isang photon.

Sa matematika, ang teoryang ito ay nakikilala sa pamamagitan ng matinding katumpakan at kagandahan. Mula sa "prinsipyo ng gauge" na inilarawan sa itaas, ang lahat ng quantum electrodynamics (ang quantum theory ng electromagnetism) ay sumusunod, gayundin ang teorya ni Maxwell ng electromagnetic field, isa sa pinakadakilang mga nagawang siyentipiko noong ika-19 na siglo.

Bakit mabunga ang gayong simpleng prinsipyo? Tila, nagpapahayag ito ng ilang ugnayan iba't ibang parte Universe, na nagpapahintulot sa mga sukat sa Uniberso. Sa mga termino sa matematika, ang patlang ay binibigyang kahulugan sa geometriko bilang ang kurbada ng ilang naiisip na "panloob" na espasyo. Ang pagsukat ng singil ay ang pagsukat ng kabuuang "internal curvature" sa paligid ng particle. Ang mga teorya ng gauge ng malakas at mahina na pakikipag-ugnayan ay naiiba sa electromagnetic gauge theory lamang sa panloob na geometric na "istraktura" ng kaukulang singil. Ang tanong kung saan eksaktong matatagpuan ang panloob na espasyo na ito ay sinasagot ng mga multidimensional na pinag-isang teorya ng larangan, na hindi isinasaalang-alang dito.

Talahanayan 4. MGA PUNDAMENTAL NA INTERAKSYON
Pakikipag-ugnayan	Relatibong intensity sa layo na 10-13 cm	Radius ng pagkilos	carrier ng pakikipag-ugnayan	Mass ng pahinga ng carrier, MeV/ Sa 2	Pag-ikot ng carrier
malakas	1		Gluon	0	1
Electro- magnetic	0,01	Ґ	Photon	0	1
Mahina	10 –13		W +	80400	1
			W –	80400	1
			Z 0	91190	1
Grabidad- makatwiran	10 –38	Ґ	graviton	0	2

Ang pisika ng elementarya na mga particle ay hindi pa nakumpleto. Malayo pa rin sa malinaw kung sapat ba ang magagamit na data upang lubos na maunawaan ang kalikasan ng mga particle at pwersa, gayundin ang tunay na kalikasan at sukat ng espasyo at oras. Kailangan ba natin ng mga eksperimento na may mga enerhiya na 10 15 GeV para dito, o sapat na ba ang pagsisikap ng pag-iisip? Wala pang sagot. Ngunit maaari nating sabihin nang may kumpiyansa na ang huling larawan ay magiging simple, elegante at maganda. Posible na hindi magkakaroon ng napakaraming pangunahing ideya: ang prinsipyo ng gauge, mga espasyo ng mas matataas na sukat, pagbagsak at pagpapalawak, at, higit sa lahat, geometry.

Ang mga elementarya na particle, sa eksaktong kahulugan ng terminong ito, ay ang pangunahin, karagdagang hindi nabubulok na mga particle, kung saan, sa pamamagitan ng pagpapalagay, ang lahat ng bagay ay binubuo.

Ang mga elementarya na particle ng modernong pisika ay hindi nakakatugon sa mahigpit na kahulugan ng elementarity, dahil karamihan sa kanila, ayon sa mga modernong konsepto, ay mga composite system. Ang karaniwang pag-aari ng mga sistemang ito ay iyon Na hindi sila mga atomo o nuclei (maliban sa proton). Samakatuwid, kung minsan ay tinatawag silang mga subnuclear na particle.

Ang mga particle na nagsasabing sila ang mga pangunahing elemento ng matter ay tinatawag minsan na "truly elementary particles".

Ang unang elementarya na butil na natuklasan ay ang elektron. binuksan ito English physicist Thomson noong 1897.

Ang unang natuklasang anti-particle ay ang positron - isang particle na may mass ng isang electron, ngunit isang positibong electric charge. Ang antiparticle na ito ay natuklasan sa cosmic ray ng American physicist na si Anderson noong 1932.

Sa modernong pisika, ang pangkat ng mga elementarya na particle ay kinabibilangan ng higit sa 350 na mga particle, karamihan ay hindi matatag, at ang kanilang bilang ay patuloy na lumalaki.

Kung ang mga naunang elementarya na particle ay karaniwang matatagpuan sa mga cosmic ray, pagkatapos ay mula noong simula ng 1950s ang mga accelerator ay naging pangunahing tool para sa pag-aaral ng mga elementarya na particle.

Tinutukoy ng mga mikroskopiko na masa at laki ng elementarya ang mga quantum specificity ng kanilang pag-uugali: ang mga quantum regularities ay mapagpasyahan sa pag-uugali ng elementarya na mga particle.

Ang pinakamahalagang pag-aari ng quantum ng lahat ng elementarya na mga particle ay ang kakayahang maipanganak at masira (nailalabas at hinihigop) kapag nakikipag-ugnayan sa ibang mga particle. Ang lahat ng mga proseso na may elementarya na mga particle ay nagpapatuloy sa pamamagitan ng isang pagkakasunud-sunod ng mga pagkilos ng kanilang pagsipsip at paglabas.

Ang iba't ibang mga proseso na may mga elementarya na particle ay kapansin-pansing naiiba sa kanilang intensity.

Alinsunod sa iba't ibang intensity ng kurso ng pakikipag-ugnayan ng mga elementarya na particle, ang mga ito ay phenomenologically nahahati sa ilang mga klase: malakas, electromagnetic at mahina. Bilang karagdagan, ang lahat ng elementarya na particle ay may gravitational interaction.

Ang malakas na pakikipag-ugnayan ng mga elementarya na particle ay nagdudulot ng mga proseso na nagpapatuloy nang may pinakamalaking intensity kumpara sa iba pang mga proseso at humahantong sa pinakamalakas na koneksyon ng elementarya na mga particle. Ito ang tumutukoy sa bono sa pagitan ng mga proton at neutron sa nuclei ng mga atomo.

Ang pakikipag-ugnayan ng electromagnetic ay naiiba sa iba sa pamamagitan ng pakikilahok ng isang electromagnetic field. Ang isang electromagnetic field (sa quantum physics - isang photon) ay maaaring ibinubuga o hinihigop sa panahon ng pakikipag-ugnayan, o inililipat ang pakikipag-ugnayan sa pagitan ng mga katawan.

Tinitiyak ng pakikipag-ugnayan ng electromagnetic ang koneksyon ng nuclei at mga electron sa mga atomo at molekula ng bagay, at sa gayon ay tinutukoy (batay sa mga batas ng quantum mechanics) ang posibilidad ng isang matatag na estado ng naturang mga microsystem.

Ang mahinang interaksyon ng elementarya na mga particle ay nagdudulot ng napakabagal na proseso sa elementarya na mga particle, kabilang ang pagkabulok ng quasi-stable na mga particle.

Ang mahina na pakikipag-ugnayan ay mas mahina kaysa hindi lamang sa malakas, kundi pati na rin sa pakikipag-ugnayan ng electromagnetic, ngunit mas malakas kaysa sa gravitational.

Ang pakikipag-ugnayan ng gravitational ng elementarya na mga particle ay ang pinakamahina sa lahat ng nalalaman. Ang pakikipag-ugnayan ng gravitational sa mga distansiyang katangian ng elementarya na mga particle ay nagbibigay ng napakaliit na epekto dahil sa liit ng masa ng elementarya na mga particle.

Ang mahinang pakikipag-ugnayan ay mas malakas kaysa sa gravitational, ngunit sa Araw-araw na buhay ang papel ng gravitational interaction ay higit na kapansin-pansin kaysa sa papel ng mahinang interaksyon. Ito ay dahil ang gravitational interaction (pati na rin ang electromagnetic) ay may walang katapusang malaking radius ng pagkilos. Samakatuwid, halimbawa, ang mga katawan na matatagpuan sa ibabaw ng Earth ay apektado ng gravitational attraction mula sa lahat ng mga atom na bumubuo sa Earth. Ang mahinang pakikipag-ugnayan ay may napakaliit na radius ng pagkilos na hindi pa ito nasusukat.

Sa modernong pisika, isang pangunahing papel ang ginagampanan ng relativistic quantum theory ng mga pisikal na sistema na may walang katapusang bilang ng mga degree ng kalayaan - quantum field theory. Ang teoryang ito ay binuo upang ilarawan ang isa sa pinaka karaniwang katangian microworld - universal mutual convertibility ng elementary particles. Upang ilarawan ang mga naturang proseso, kinakailangan ang isang paglipat sa isang field ng quantum wave. Ang quantum field theory ay kinakailangang relativistic, dahil kung ang sistema ay binubuo ng mabagal na paglipat ng mga particle, kung gayon ang kanilang enerhiya ay maaaring hindi sapat upang bumuo ng mga bagong particle na may non-zero rest mass. Ang mga particle na may zero rest mass (photon, posibleng neutrino) ay palaging relativistic, i.e. laging gumagalaw sa bilis ng liwanag.

Ang unibersal na paraan ng pagsasagawa ng lahat ng mga pakikipag-ugnayan, batay sa sukat ng simetrya, ay ginagawang posible na pagsamahin ang mga ito.

Ang teorya ng patlang ng kuwantum ay naging pinaka-sapat na kagamitan para sa pag-unawa sa likas na katangian ng pakikipag-ugnayan ng mga elementarya na particle at pagsasama-sama ng lahat ng uri ng pakikipag-ugnayan.

Ang quantum electrodynamics ay bahagi ng quantum field theory na tumatalakay sa interaksyon ng electromagnetic field at charged particles (o electron-positron field).

Sa kasalukuyan, ang quantum electrodynamics ay itinuturing na isang mahalagang bahagi ng pinag-isang teorya ng mahina at electromagnetic na pakikipag-ugnayan.

Depende sa pakikilahok sa iba't ibang uri ng pakikipag-ugnayan, ang lahat ng pinag-aralan na elementarya na mga particle, maliban sa photon, ay nahahati sa dalawang pangunahing grupo - mga hadron at lepton.

Hadrons (mula sa Greek - malaki, malakas) - isang klase ng elementarya na mga particle na kasangkot sa malakas na pakikipag-ugnayan (kasama ang electromagnetic at mahina). Leptons (mula sa Greek - manipis, magaan) - isang klase ng elementarya na mga particle na walang malakas na pakikipag-ugnayan, nakikilahok lamang sa electromagnetic at mahina na pakikipag-ugnayan. (Ang pagkakaroon ng gravitational interaction sa lahat ng elementarya na particle, kasama ang photon, ay ipinahiwatig).

Wala pang kumpletong teorya ng mga hadron, walang malakas na interaksyon sa pagitan nila, ngunit mayroong isang teorya na, dahil hindi kumpleto o kinikilala sa pangkalahatan, ginagawang posible na ipaliwanag ang kanilang mga pangunahing katangian. Ang teoryang ito ay quantum chromodynamics, ayon sa kung saan ang mga hadron ay binubuo ng mga quark, at ang mga puwersa sa pagitan ng mga quark ay dahil sa pagpapalitan ng mga gluon. Ang lahat ng natuklasang hadron ay binubuo ng limang quark iba't ibang uri("mga lasa"). Ang quark ng bawat "lasa" ay maaaring nasa tatlong "kulay" na estado, o may tatlong magkakaibang "mga singil sa kulay".

Kung ang mga batas na nagtatatag ng ugnayan sa pagitan ng mga dami na nagpapakilala sa isang pisikal na sistema, o tinutukoy ang pagbabago sa mga dami na ito sa paglipas ng panahon, ay hindi nagbabago sa ilalim ng ilang mga pagbabagong maaaring isailalim sa sistema, ang mga batas na ito ay sinasabing simetriko (o invariant) na may kinalaman sa mga pagbabagong ito. Sa matematika, ang mga pagbabagong simetrya ay bumubuo ng isang pangkat.

AT modernong teorya elementarya particle, ang konsepto ng mahusay na proporsyon ng mga batas na may paggalang sa ilang mga pagbabago ay ang nangungunang isa. Ang simetrya ay itinuturing bilang isang kadahilanan na tumutukoy sa pagkakaroon ng iba't ibang mga grupo at pamilya ng mga elementarya na particle.

Ang malakas na pakikipag-ugnayan ay simetriko na may paggalang sa mga pag-ikot sa isang espesyal na "isotopic space". Mula sa punto ng matematika, ang isotopic symmetry ay tumutugma sa mga pagbabagong-anyo ng unitary symmetry group na SU(2). Ang isotopic symmetry ay hindi isang eksaktong simetrya ng kalikasan, dahil ito ay nasira ng electromagnetic interaction at ang pagkakaiba sa quark mass.

Ang isotopic symmetry ay bahagi ng isang mas malawak na tinatayang malakas na simetrya ng interaksyon, ang unitary SU(3) symmetry. Ang unitary symmetry ay lumalabas na mas sira kaysa sa isotopic. Gayunpaman, iminumungkahi na ang mga symmetry na ito, na napakalakas na nilabag sa mga nakamit na enerhiya, ay ibabalik sa mga enerhiya na naaayon sa tinatawag na "grand unification".

Para sa klase ng panloob na symmetries ng field theory equation (ibig sabihin, symmetries na nauugnay sa mga katangian ng elementary particles, at hindi sa mga katangian ng space-time), isang karaniwang pangalan ang ginagamit - gauge symmetry.

Ang symmetry ng gauge ay humahantong sa pangangailangan para sa pagkakaroon ng mga field ng vector gauge, ang pagpapalitan ng quanta kung saan tinutukoy ang mga pakikipag-ugnayan ng mga particle.

Ang ideya ng gauge symmetry ay naging pinakamabunga sa pinag-isang teorya ng mahina at electromagnetic na pakikipag-ugnayan.

Ang isang kawili-wiling problema ng quantum field theory ay ang pagsasama ng malakas na interaksyon ("grand unification") sa isang pinag-isang iskema ng panukat.

Iba pa promising direksyon ang unification ay itinuturing na supergauge symmetry, o simpleng supersymmetry.

Noong dekada 60, ang mga Amerikanong physicist na sina S. Weinberg, S. Glashow, Pakistani physicist na si A. Salam at iba pa ay lumikha ng pinag-isang teorya ng mahina at electromagnetic na interaksyon, na kalaunan ay tinawag na standard theory of electroweak interaction. Sa teoryang ito, kasama ang photon, na nagsasagawa ng electromagnetic interaction, lumilitaw ang mga intermediate vector boson - mga particle na nagdadala ng mahinang interaksyon. Ang mga particle na ito ay eksperimento na natuklasan noong 1983 sa CERN.

Ang eksperimentong pagtuklas ng mga intermediate vector boson ay nagpapatunay sa kawastuhan ng pangunahing (gauge) na ideya ng karaniwang teorya ng electroweak na pakikipag-ugnayan.

Gayunpaman, upang masubukan ang teorya nang buo, kinakailangan ding pag-aralan nang eksperimento ang mekanismo ng spontaneous symmetry breaking. Kung ang mekanismong ito ay talagang ipinatupad sa kalikasan, dapat mayroong elementarya scalar boson - ang tinatawag na Higgs boson. Ang karaniwang electroweak theory ay hinuhulaan ang pagkakaroon ng hindi bababa sa isang scalar boson.

Sa pisika, ang mga elementarya na particle ay mga pisikal na bagay sa sukat ng nucleus ng isang atom, na hindi mahahati sa mga bahaging bumubuo. Gayunpaman, ngayon, nagawa pa ring hatiin ng mga siyentipiko ang ilan sa kanila. Ang istraktura at katangian ng mga pinakamaliit na bagay na ito ay pinag-aaralan ng elementarya na pisika ng particle.

Ang pinakamaliit na particle na bumubuo sa lahat ng bagay ay kilala na mula pa noong sinaunang panahon. Gayunpaman, ang mga nagtatag ng tinatawag na "atomism" ay itinuturing na pilosopo ng Sinaunang Greece na si Leucippus at ang kanyang mas sikat na estudyante, si Democritus. Ipinapalagay na ipinakilala ng huli ang terminong "atom". Mula sa sinaunang Griyego "atomos" ay isinalin bilang "indivisible", na tumutukoy sa mga pananaw ng mga sinaunang pilosopo.

Nang maglaon ay nalaman na ang atom ay maaari pa ring hatiin sa dalawang pisikal na bagay - ang nucleus at ang elektron. Ang huli ay naging unang elementary particle, noong 1897 ang Englishman na si Joseph Thomson ay nagsagawa ng isang eksperimento sa cathode rays at ipinahayag na ang mga ito ay isang stream ng magkaparehong mga particle na may parehong masa at singil.

Kaayon ng gawain ni Thomson, si Henri Becquerel, na nakikibahagi sa pag-aaral ng X-ray radiation, ay nagsasagawa ng mga eksperimento sa uranium at natuklasan ang isang bagong uri ng radiation. Noong 1898, pinag-aralan ng mag-asawang French physicist, sina Marie at Pierre Curie, ang iba't ibang radioactive substance, na nakahanap ng parehong radioactive radiation. Mamaya ay itatatag na ito ay binubuo ng alpha (2 proton at 2 neutron) at beta particle (mga electron), at sina Becquerel at Curie ay tatanggap ng Nobel Prize. Isinasagawa ang kanyang pananaliksik gamit ang mga elemento tulad ng uranium, radium at polonium, si Marie Sklodowska-Curie ay hindi gumawa ng anumang mga hakbang sa kaligtasan, kabilang ang hindi paggamit ng guwantes. Bilang resulta, noong 1934 ay naabutan siya ng leukemia. Sa memorya ng mga nagawa ng mahusay na siyentipiko, ang elementong natuklasan ng mag-asawang Curie, polonium, ay pinangalanan sa tinubuang-bayan ni Mary - Polonia, mula sa Latin - Poland.

Larawan mula sa 5th Solvay Congress, 1927. Subukang hanapin ang lahat ng mga siyentipiko mula sa artikulong ito sa larawang ito.

Simula noong 1905, itinalaga ni Albert Einstein ang kanyang mga publikasyon sa di-kasakdalan ng wave theory of light, ang mga postulate na kung saan ay divered mula sa mga resulta ng mga eksperimento. Na kasunod na humantong sa natitirang pisisista sa ideya ng isang "light quantum" - isang bahagi ng liwanag. Nang maglaon, noong 1926, pinangalanan itong "photon", na isinalin mula sa Griyegong "phos" ("liwanag"), ng Amerikanong physiochemist na si Gilbert N. Lewis.

Noong 1913, binanggit ni Ernest Rutherford, isang British physicist, batay sa mga resulta ng mga eksperimento na isinagawa noong panahong iyon, na ang masa ng nuclei ng maraming mga elemento ng kemikal multiple ng masa ng hydrogen nucleus. Samakatuwid, iminungkahi niya na ang hydrogen nucleus ay isang bahagi ng nuclei ng iba pang mga elemento. Sa kanyang eksperimento, si Rutherford ay nag-irradiated ng nitrogen atom na may mga alpha particle, na bilang resulta ay naglabas ng isang partikular na particle, na pinangalanan ni Ernest bilang isang "proton", mula sa ibang Greek na "protos" (una, pangunahing). Nang maglaon, nakumpirma na ang proton ay ang nucleus ng hydrogen.

Malinaw, ang proton ay hindi lamang ang bahagi ng nuclei ng mga elemento ng kemikal. Ang ideyang ito ay pinangunahan ng katotohanan na ang dalawang proton sa nucleus ay magtatakwil sa isa't isa, at ang atom ay agad na mabulok. Samakatuwid, si Rutherford ay naglagay ng hypothesis tungkol sa pagkakaroon ng isa pang particle, na may mass na katumbas ng mass ng isang proton, ngunit hindi sinisingil. Ang ilang mga eksperimento ng mga siyentipiko sa pakikipag-ugnayan ng radioactive at mas magaan na mga elemento ay humantong sa kanila sa pagtuklas ng isa pang bagong radiation. Noong 1932, natukoy ni James Chadwick na ito ay binubuo ng parehong mga neutral na particle na tinatawag niyang mga neutron.

Kaya, natuklasan ang pinakatanyag na mga particle: photon, electron, proton at neutron.

Dagdag pa, ang pagtuklas ng mga bagong subnuclear na bagay ay naging isang mas madalas na kaganapan, at sa sandaling ito ay kilala ang tungkol sa 350 mga particle, na itinuturing na "elementarya". Ang mga hindi pa nakakapag-split ay itinuturing na walang istruktura at tinatawag na "fundamental".

Ano ang spin?

Bago magpatuloy sa karagdagang mga pagbabago sa larangan ng pisika, kinakailangan upang matukoy ang mga katangian ng lahat ng mga particle. Ang pinakasikat, bukod sa mass at electric charge, ay kinabibilangan din ng spin. Ang halagang ito ay tinatawag kung hindi man bilang "intrinsic angular momentum" at sa anumang paraan ay hindi nauugnay sa displacement ng subnuclear object sa kabuuan. Natuklasan ng mga siyentipiko ang mga particle na may mga spin 0, ½, 1, 3/2 at 2. Upang maisalarawan, kahit pinasimple, ang spin bilang katangian ng isang bagay, isaalang-alang ang sumusunod na halimbawa.

Hayaang magkaroon ng spin ang bagay na katumbas ng 1. Pagkatapos, ang naturang bagay, kapag pinaikot ng 360 degrees, ay babalik sa orihinal nitong posisyon. Sa isang eroplano, ang bagay na ito ay maaaring isang lapis, na, pagkatapos ng 360-degree na pagliko, ay nasa orihinal nitong posisyon. Sa kaso ng zero spin, sa anumang pag-ikot ng bagay, ito ay palaging magiging pareho, halimbawa, isang isang kulay na bola.

Para sa spin ½, kakailanganin mo ng item na nananatili sa hitsura nito kapag naka-180 degrees. Maaari itong maging ang parehong lapis, lamang simetriko lupa sa magkabilang panig. Ang pag-ikot ng 2 ay mangangailangan ng hugis upang mapanatili sa pamamagitan ng 720 degree na pag-ikot, habang ang 3/2 ay mangangailangan ng 540.

Ang katangiang ito ay may malaking kahalagahan para sa elementarya na pisika ng butil.

Karaniwang Modelo ng Mga Particle at Pakikipag-ugnayan

Ang pagkakaroon ng kahanga-hangang hanay ng mga micro-object na bumubuo ang mundo, nagpasya ang mga siyentipiko na buuin ang mga ito, kaya nabuo ang isang kilalang teoretikal na konstruksiyon na tinatawag na "Standard Model". Inilalarawan niya ang tatlong mga pakikipag-ugnayan at 61 mga particle gamit ang 17 pangunahing mga, ang ilan ay hinulaan niya bago pa man siya natuklasan.

Ang tatlong pakikipag-ugnayan ay:

Electromagnetic. Ito ay nangyayari sa pagitan ng mga particle na may kuryente. AT simpleng kaso, na kilala mula sa paaralan, - ang mga bagay na magkasalungat na sinisingil ay umaakit, at ang mga bagay na may parehong pangalan ay nagtataboy. Nangyayari ito sa pamamagitan ng tinatawag na carrier ng electromagnetic interaction - isang photon.
Malakas, kung hindi man - pakikipag-ugnayan ng nukleyar. Tulad ng ipinahihiwatig ng pangalan, ang pagkilos nito ay umaabot sa mga bagay ng pagkakasunud-sunod ng atomic nucleus, ito ay responsable para sa pagkahumaling ng mga proton, neutron at iba pang mga particle, na binubuo din ng mga quark. Ang malakas na puwersa ay dinadala ng mga gluon.
Mahina. Gumagana sa mga distansyang isang libong mas mababa kaysa sa laki ng core. Ang pakikipag-ugnayang ito ay nagsasangkot ng mga lepton at quark, pati na rin ang kanilang mga antiparticle. Bukod dito, sa kaso ng mahinang pakikipag-ugnayan, maaari silang magbago sa isa't isa. Ang mga carrier ay ang boson W+, W−, at Z0.

Kaya ang Standard Model ay nabuo bilang mga sumusunod. Kabilang dito ang anim na quark na bumubuo sa lahat ng hadron (mga partikulo na napapailalim sa malakas na pakikipag-ugnayan):

Itaas (u);
Enchanted (c);
totoo(t);
mas mababa (d);
kakaiba (mga);
Kaibig-ibig (b).

Makikita na ang mga physicist ay walang mga epithet. Ang iba pang 6 na particle ay mga lepton. Ito ang mga pangunahing particle na may spin ½ na hindi nakikibahagi sa malakas na pakikipag-ugnayan.

Elektron;
Electronic neutrino;
Muon;
Muon neutrino;
Tau lepton;
Tau neutrino.

At ang ikatlong pangkat ng Standard Model ay ang gauge boson, na may spin na katumbas ng 1 at kinakatawan bilang mga carrier ng mga pakikipag-ugnayan:

Malakas ang Gluon;
Photon - electromagnetic;
Ang Z-boson ay mahina;
Mahina ang W-boson.

Kasama rin sa mga ito ang kamakailang natuklasang particle na may spin 0, na, sa madaling salita, ay nagbibigay sa lahat ng iba pang subnuclear na bagay na may inertial mass.

Bilang resulta, ayon sa Standard Model, ganito ang hitsura ng ating mundo: ang lahat ng bagay ay binubuo ng 6 na quark na bumubuo ng mga hadron at 6 na lepton; lahat ng mga particle na ito ay maaaring lumahok sa tatlong pakikipag-ugnayan, ang mga carrier nito ay gauge boson.

Mga disadvantages ng Standard Model

Gayunpaman, bago pa man matuklasan ang Higgs boson, ang huling particle na hinulaang ng Standard Model, ang mga siyentipiko ay lumampas dito. Isang pangunahing halimbawa na may tinatawag na. "gravitational interaction", na ngayon ay kapantay ng iba. Malamang, ang carrier nito ay isang particle na may spin 2, na walang mass, at hindi pa nakikita ng mga physicist - ang "graviton".

Bukod dito, ang Standard Model ay naglalarawan ng 61 particle, at ngayon higit sa 350 particle ay kilala sa sangkatauhan. Nangangahulugan ito na ang gawain ng mga teoretikal na pisiko ay hindi pa tapos.

Pag-uuri ng particle

Upang gawing mas madali ang buhay para sa kanilang sarili, pinagsama-sama ng mga pisiko ang lahat ng mga particle ayon sa kanilang istraktura at iba pang mga katangian. Ang pag-uuri ay batay sa mga sumusunod na tampok:

Habang buhay.
1. Matatag. Kabilang sa mga ito ang proton at antiproton, electron at positron, photon, at graviton din. Ang pagkakaroon ng mga matatag na particle ay hindi limitado ng oras, hangga't sila ay nasa isang malayang estado, i.e. huwag makipag-ugnayan sa anumang bagay.
2. Hindi matatag. Ang lahat ng iba pang mga particle pagkatapos ng ilang oras ay nabubulok sa kanilang mga bahagi, samakatuwid sila ay tinatawag na hindi matatag. Halimbawa, ang isang muon ay nabubuhay lamang ng 2.2 microseconds, at ang isang proton ay nabubuhay ng 2.9 10*29 taon, pagkatapos nito ay maaari itong mabulok sa isang positron at isang neutral na pion.
Timbang.
1. Massless elementary particles, kung saan mayroon lamang tatlo: photon, gluon at graviton.
2. Ang mga malalaking particle ay lahat ng iba pa.
Iikot ang halaga.
1. Buong pag-ikot, kasama. zero, may mga particle na tinatawag na boson.
2. Ang mga particle na may half-integer spin ay mga fermion.
Pakikilahok sa mga pakikipag-ugnayan.
1. Ang mga Hadron (mga particle ng istruktura) ay mga subnuclear na bagay na nakikibahagi sa lahat ng apat na uri ng pakikipag-ugnayan. Nabanggit kanina na ang mga ito ay binubuo ng mga quark. Ang mga Hadron ay nahahati sa dalawang subtype: mesons (integer spin, ay boson) at baryons (half-integer spin - fermion).
2. Pangunahin (mga particle na walang istruktura). Kabilang dito ang mga lepton, quark at gauge boson (basahin nang mas maaga - "Standard Model ..").

Ang pagkakaroon ng pamilyar sa pag-uuri ng lahat ng mga particle, posible, halimbawa, upang tumpak na matukoy ang ilan sa kanila. Kaya ang neutron ay isang fermion, isang hadron, o sa halip ay isang baryon, at isang nucleon, iyon ay, mayroon itong kalahating integer na spin, binubuo ng mga quark at nakikilahok sa 4 na pakikipag-ugnayan. Ang Nucleon ay ang karaniwang pangalan para sa mga proton at neutron.

Kapansin-pansin, ang mga kalaban ng atomismo ni Democritus, na hinulaang ang pagkakaroon ng mga atomo, ay nagsabi na ang anumang sangkap sa mundo ay mahahati hanggang sa kawalang-hanggan. Sa ilang sukat, maaari silang maging tama, dahil nagawa na ng mga siyentipiko na hatiin ang atom sa isang nucleus at isang electron, ang nucleus sa isang proton at isang neutron, at ang mga ito, sa turn, sa mga quark.
Ipinagpalagay ni Democritus na ang mga atomo ay may malinaw na geometriko na hugis, at samakatuwid ang "matalim" na mga atomo ng apoy ay nasusunog, mga magaspang na atomo mga solido ay mahigpit na pinagsasama-sama ng kanilang mga protrusions, at ang makinis na mga atomo ng tubig ay dumudulas sa pakikipag-ugnayan, kung hindi man ay dumadaloy sila.
Si Joseph Thomson ay gumawa ng sarili niyang modelo ng atom, na inisip niya bilang isang positibong sisingilin na katawan, kung saan ang mga electron ay, kumbaga, "natigil". Ang kanyang modelo ay tinawag na "pudding with raisins" (Plum pudding model).
Nakuha ng mga Quark ang kanilang pangalan mula sa American physicist na si Murray Gell-Mann. Nais ng scientist na gumamit ng salitang katulad ng tunog ng duck quacking (kwork). Ngunit sa nobelang Finnegans Wake ni James Joyce, na-encounter ko ang salitang "quark" sa linyang "Three quarks for Mr. Mark!", na hindi eksakto ang kahulugan nito at posibleng ginamit lang ito ni Joyce para sa rhyme. Nagpasya si Murray na pangalanan ang mga particle sa salitang ito, dahil sa oras na iyon ay tatlong quark lamang ang kilala.
Bagaman ang mga photon, mga particle ng liwanag, ay walang masa, malapit sa isang black hole, tila binabago nila ang kanilang tilapon, na naaakit dito sa tulong ng pakikipag-ugnayan ng gravitational. Sa katunayan, ang isang napakalaking katawan ay yumuko sa space-time, dahil sa kung saan ang anumang mga particle, kabilang ang mga walang masa, ay nagbabago ng kanilang tilapon patungo sa isang black hole (tingnan).
Ang Large Hadron Collider ay "hadron" dahil ito ay nagbanggaan ng dalawang nakadirekta na beam ng mga hadron, mga particle na may sukat ng pagkakasunud-sunod ng nucleus ng isang atom, na nakikilahok sa lahat ng pakikipag-ugnayan.

MGA ELEMENTARYONG PARTIKULO, sa makitid na kahulugan - mga particle, ang to-rye ay hindi maituturing na Binubuo ng iba pang mga particle. Sa moderno Sa pisika, ang terminong "elementarya na mga particle" ay ginagamit sa mas malawak na kahulugan: ang tinatawag na. ang pinakamaliit na mga particle ng bagay na napapailalim sa kondisyon na sila ay hindi at (ang pagbubukod ay); minsan sa kadahilanang ito ang mga elementarya na particle ay tinatawag na subnuclear particle. Karamihan sa mga particle na ito (higit sa 350 ay kilala) ay mga composite system.
E Ang mga elementarya na particle ay lumalahok sa electromagnetic, mahina, malakas at gravitational na pakikipag-ugnayan. Dahil sa maliit na masa ng elementarya particle, ang kanilang gravitational interaction. karaniwang hindi isinasaalang-alang. Ang lahat ng elementarya na particle ay nahahati sa tatlong pangunahing. mga pangkat. Ang una ay ang tinatawag na. boson-carrier ng electroweak na pakikipag-ugnayan. Kabilang dito ang photon, o quantum electromagnetic radiation. Ang natitirang masa ng isang photon ay katumbas ng zero, samakatuwid ang propagation velocity ng electromagnetic waves sa (kabilang ang mga light waves) ay ang nililimitahan ang propagation velocity ng physical. epekto at isa sa mga fundam. pisikal permanente; ipinapalagay na c \u003d (299792458 1.2) m / s.
Ang pangalawang pangkat ng mga elementarya na particle - mga lepton, nakikilahok sa electromagnetic at mahina na pakikipag-ugnayan. Mayroong 6 na kilalang lepton: , electron , muon , heavy lepton at ang kaukulang . (simbolo e) ay itinuturing na materyal ng pinakamaliit na masa sa kalikasan m c, katumbas ng 9.1 x 10 -28 g (sa mga yunit ng enerhiya na 0.511 MeV) at ang pinakamaliit na negatibo. electric singilin e \u003d 1.6 x 10 -19 C. (simbolo) - mga particle na may mass na approx. 207 masa (105.7 MeV) at electric. singilin katumbas ng bayad ; ang isang mabigat na lepton ay may masa na humigit-kumulang. 1.8 GeV. Ang tatlong uri na naaayon sa mga particle na ito - electron (simbolo v c), muon (simbolo) at neutrino (simbolo) - ay mga light (posibleng walang mass) electrically neutral na mga particle.
Lahat ng lepton ay may ( - ), ibig sabihin, ayon sa istatistika. St. kayo ay mga fermion (tingnan).
Ang bawat isa sa mga lepton ay tumutugma sa pagkakaroon ng parehong mga halaga ng masa, at iba pang mga katangian, ngunit naiiba sa tanda ng electric. singilin. Mayroong (simbolo e +) - may kaugnayan sa, positibong sisingilin (simbolo) at tatlong uri ng antineutrino (simbolo), kung saan ang kabaligtaran na tanda ng isang espesyal na numero ng quantum ay tinatawag. lepton charge (tingnan sa ibaba).
Ang ikatlong pangkat ng mga elementarya na particle - mga hadron, nakikilahok sila sa malakas, mahina at electromagnetic na pakikipag-ugnayan. Ang mga Hadron ay "mabibigat" na mga particle na may mass na mas malaki kaysa sa . Si Naib ito. maraming pangkat ng mga elementarya na particle. Ang mga Hadron ay nahahati sa mga baryon - mga particle na may mga meson - mga particle na may isang integer (0 o 1); pati na rin ang tinatawag. resonances - panandaliang hadrons. Kasama sa mga Baryon ang (simbolo p) - isang nucleus na may mass ~ 1836 beses na mas malaki kaysa sa m c at katumbas ng 1.672648 x 10 -24 g (938.3 MeV), at ilagay. electric na may singil na katumbas ng singil, at gayundin (simbolo n) - isang de-koryenteng neutral na particle, ang masa na bahagyang mas malaki kaysa sa masa. Ang lahat ay binuo mula sa at, ibig sabihin, isang malakas na pakikipag-ugnayan. tinutukoy ang koneksyon ng mga particle na ito sa isa't isa. Sa malakas na pakikipag-ugnayan at may parehong St. Islands at itinuturing na dalawa sa parehong particle - isang nucleon na may isotopic. (tingnan sa ibaba). Kasama rin sa mga baryon ang hyperon - mga elementarya na particle na may mass na mas malaki kaysa sa nucleon: -hyperon ay may mass na 1116 MeV, -hyperon - 1190 MeV, -hyperon -1320 MeV, -hyperon - 1670 MeV. Ang mga meson ay may masa na nasa pagitan ng masa at (-meson, K-meson). May mga neutral at naka-charge na meson (na may positibo at negatibong elementarya na electric charge). Ang lahat ng mga meson sa kanilang sariling paraan. St. nabibilang ka sa boson.

Mga pangunahing katangian ng elementarya na mga particle. Ang bawat elementary particle ay inilalarawan ng isang set ng discrete physical values. dami (quantum number). Pangkalahatang katangian ng lahat ng elementarya na particle - mass, lifetime, electric. singilin.
Depende sa tagal ng buhay, nahahati ang mga elementary particle sa stable, quasi-stable at unstable (resonances). Ang matatag (sa loob ng katumpakan ng mga makabagong sukat) ay: (buhay na higit sa 5 -10 21 taon), (higit sa 10 31 taon), photon at . Ang mga quasi-stable na particle ay kinabibilangan ng mga particle na nabubulok dahil sa electromagnetic at mahina na pakikipag-ugnayan, ang kanilang buhay ay higit sa 10 -20 s. Ang mga resonance ay nabubulok dahil sa malakas na pakikipag-ugnayan, ang kanilang mga katangian ng buhay ay 10 -22 -10 -24 s.
Ang mga panloob na katangian (mga numerong quantum) ng elementarya ay mga singil ng lepton (simbol L) at baryon (simbol B); ang mga numerong ito ay itinuturing na mahigpit na natipid na mga halaga para sa lahat ng uri ng fundam. pakikipag-ugnayan Para sa leptonic at ang kanilang L ay may magkasalungat na palatandaan; para sa mga baryon B = 1, para sa katumbas na B = -1.
Ang mga Hadron ay nailalarawan sa pagkakaroon ng mga espesyal na numero ng quantum: "kakaiba", "kaakit-akit", "kagandahan". Ordinaryong (hindi kakaiba) hadrons - mesons. Sa loob iba't ibang grupo hadrons, may mga pamilya ng mga particle na malapit sa masa at may katulad na St. mo na may kaugnayan sa malakas na pakikipag-ugnayan., ngunit may decomp. mga halaga ng kuryente. singilin; ang pinakasimpleng halimbawa- proton at . Ang kabuuang bilang ng quantum para sa naturang elementarya na mga particle - ang tinatawag na. isotopic , na, tulad ng karaniwan, ay tumatagal ng mga halaga ng integer at kalahating-integer. Kabilang sa mga espesyal na katangian ng mga hadron ay ang intrinsic parity, na tumatagal sa mga halaga1.
Ang isang mahalagang pag-aari ng elementarya na mga particle ay ang kanilang kakayahang makipagpalitan bilang isang resulta ng electromagnetic o iba pang mga pakikipag-ugnayan. Isa sa mga uri ng mutual transformations ay ang tinatawag na. kapanganakan, o ang pagbuo ng parehong isang particle at (sa pangkalahatang kaso, ang pagbuo ng elementarya particle na may kabaligtaran lepton o baryon singil). Ang mga posibleng proseso ay ang paggawa ng electron-positron e - e + , muonic new heavy particles sa banggaan ng mga lepton, ang pagbuo ng cc- at bb-states mula sa mga quark (tingnan sa ibaba). Ang isa pang uri ng mutual transformations ng elementary particles ay annihilation sa panahon ng banggaan ng mga particle na may pagbuo ng isang may hangganang bilang ng mga photon (quanta). Karaniwan, 2 photon ang nabubuo na may zero total colliding particle at 3 photon - na may kabuuang katumbas ng 1 (manifestation ng charge parity conservation law).
Sa ilalim ng ilang mga kundisyon, lalo na sa isang mababang bilis ng nagbabanggaan na mga particle, posible na bumuo ng isang nakagapos na sistema - e - e + at Ang mga hindi matatag na sistema, na madalas na tinatawag. , ang kanilang buhay sa v-ve ay nakasalalay sa malaking lawak sa sv-v-va, na ginagawang posible na gamitin ang condenser upang pag-aralan ang istraktura. in-va at kinetics ng fast chem. p-tions (tingnan,).

Quark modelo ng hadrons. Ang isang detalyadong pagsusuri sa mga quantum na bilang ng mga hadron na may pagtingin sa mga ito ay humantong sa konklusyon na ang mga kakaibang hadron at ordinaryong hadron ay magkakasamang bumubuo ng mga asosasyon ng mga particle na may malapit na katangian, na tinatawag na unitary multiplets. Ang bilang ng mga particle na kasama sa kanila ay 8 (octet) at 10 (decuplet). Ang mga particle na bumubuo sa unitary multiplet ay may pareho at ext. parity, ngunit naiiba sa mga halaga ng kuryente. charge (mga particle ng isotopic multiplet) at kakaiba. Ang St. Islands ay nauugnay sa mga unitary group, ang kanilang pagtuklas ay ang batayan para sa konklusyon tungkol sa pagkakaroon ng mga espesyal na yunit ng istruktura, kung saan itinayo ang mga hadron, quark. Ito ay pinaniniwalaan na ang mga hadron ay mga kumbinasyon ng 3 fundam. mga particle na may 1 / 2: i-quarks, d-quarks at s-quarks. Kaya, ang mga meson ay binubuo ng isang quark at isang antiquark, ang mga baryon ay binubuo ng 3 quark.
Ang pagpapalagay na ang mga hadron ay binubuo ng 3 quark ay ginawa noong 1964 (ni J. Zweig at independyente ni M. Gell-Mann). Nang maglaon, sa modelo ng istraktura ng mga hadron (sa partikular, upang maiwasan ang mga kontradiksyon sa ), dalawa pang quark ang isinama - "charmed" (c) at "beautiful" (b), at ang mga espesyal na katangian ng quark ay ipinakilala - "lasa" at "kulay". Ang mga quark na kumikilos bilang mga bahagi ng mga hadron ay hindi naobserbahan sa malayang estado. Ang buong iba't ibang mga hadron ay dahil sa pagkabulok. kumbinasyon ng u-, d-, s-, c- at b-quark na bumubuo ng mga nakatali na estado. Ang mga ordinaryong hadron (,-mesons) ay tumutugma sa mga nakatali na estado na binuo mula sa u- at d-quarks. Ang presensya sa isang hadron ng isang s-, c-, o b-quark kasama ang i- at d-quarks ay nangangahulugan na ang katumbas na hadron ay "kakaiba", "enchanted" o "beautiful".
Ang modelo ng quark ng istraktura ng mga hadron ay nakumpirma bilang isang resulta ng mga eksperimento na isinagawa sa con. 60s - maaga.
70s ika-20 siglo Ang mga quark ay aktwal na nagsimulang isaalang-alang bilang mga bagong elementarya na particle - tunay na elementarya na mga particle para sa hadronic na anyo ng bagay. Ang hindi maobserbahan ng mga libreng quark, tila, ay isang pangunahing katangian at nagmumungkahi na sila ang mga elementarya na particle na nagsasara sa kadena ng mga istrukturang bahagi ng isla. May mga teoretikal at eksperimento. Ang mga argumento na pabor sa katotohanan na ang mga puwersa na kumikilos sa pagitan ng mga quark ay hindi humina sa distansya, ibig sabihin, ang isang walang katapusang malaking enerhiya ay kinakailangan upang paghiwalayin ang mga quark mula sa isa't isa, o, sa madaling salita, ang paglitaw ng mga quark sa isang libreng estado ay imposible. Ginagawa silang ganap na bagong uri ng mga istrukturang yunit sa Isla. Posible na ang mga quark ay nagsisilbing huling yugto ng bagay.

Maikling makasaysayang impormasyon. Ang unang natuklasang elementarya ay negatibo. electric singilin sa parehong mga palatandaan ng kuryente. charge (K. Anderson at S. Neddermeyer, 1936), at K-mesons (grupo ni S. Powell, 1947; ang pagkakaroon ng naturang mga particle ay iminungkahi ni X. Yukawa noong 1935). Sa con. 40s - maaga. 50s Natagpuan ang mga "kakaibang" mga particle. Ang mga unang particle ng pangkat na ito - K + - at K - mesons, L-hyperons - ay naitala din sa kalawakan. sinag.
Mula sa simula 50s ang mga accelerator ay naging pangunahing. tool sa pananaliksik ng elementarya. Ang antiproton (1955), antineutron (1956), anti-hyperon (1960) ay natuklasan, at noong 1964 - ang pinakamabigat W -hyperon. Noong 1960s isang malaking bilang ng mga lubhang hindi matatag na resonance ang natagpuan sa mga accelerator. Noong 1962 naging malinaw na mayroong dalawang magkaibang: electron at muon. Noong 1974, natuklasan ang napakalaking (3-4 na masa ng proton) at sa parehong oras ay medyo matatag (kumpara sa mga ordinaryong resonance), na naging malapit na nauugnay sa isang bagong pamilya ng elementarya na mga particle - "enchanted", ang kanilang mga unang kinatawan. ay natuklasan noong 1976 Noong 1975, natuklasan ang isang mabigat na analogue ng u-lepton, noong 1977 - mga particle na may masa na halos sampung proton na masa, noong 1981 - "magandang" mga particle. Noong 1983, natuklasan ang pinakamabigat na kilalang elementarya na mga particle, boson (mass 80 GeV) at Z° (91 GeV).
Kaya arr., sa mga taon na lumipas mula noong natuklasan, isang malaking bilang ng iba't ibang microparticle ang natukoy. Ang mundo ng mga elementarya na particle ay naging kumplikado, at ang kanilang mga pag-aari ay hindi inaasahan sa maraming aspeto.

Lit.: Kokkede Ya., Teorya ng mga quark, [transl. mula sa Ingles], M., 1971; Markov M. A., Sa kalikasan ng bagay, M., 1976; Okun L.B., Leptons and Quarks, 2nd ed., M., 1990.