Электрон элементарная частица

В конце XVIII — начале XIX века физики были твердо убеждены, что в их науке больше нечего исследовать и никаких прорывов в ней не предвидится. Однако прошло всего полвека, и в научных журналах стали появляться статьи, описывавшие необъяснимые результаты экспериментов. То Рентген откроет лучи, которые проникают через стекло и отклоняются в магнитном поле, то Беккерель засветит фотопластинку минералом урана… Эти явления заставили людей задуматься о том, что атомный мир намного сложнее, чем они думали.

Самой первой частицей, о которой узнали физики, стал электрон. Это понятие ввел еще в конце XIX века британский ученый Джордж Стоуни, чтобы описать перенос заряда в электрохимических процессах. А в 1897 году Джозеф Томсон, исследуя «катодные лучи», выяснил, что они состоят из частиц, обладающих также и волновыми свойствами.

Свойства волны и частицы во многом противоположны. Например, частица, ударяясь о препятствие, отскакивает, а волна может его огибать.

казателен в этом плане эксперимент Томаса Юнга, в котором ученый пропускал свет через две узкие щели. Казалось бы, если фотоны (еще одна элементарная частица, квант света) — это частицы, то они должны проходить через щель и оставлять на экране за ней две полосы. Но оказалось, что полос гораздо больше! Всё это легко объяснимо, если принять, что фотон — это волна, а волнам свойственно огибать препятствия (это явление называется дифракцией). Как рябь на воде огибает камень, так и электромагнитные волны могут «обходить» встречающиеся на их пути преграды.

Какие бывают элементарные частицы

После открытия электрона ученые ввели в картину мира фотон и остальные бозоны, дополнили список лептонов и открыли кварки.

С каждым витком развития науки люди стремились поделить вещество на мельчайшие части, чтобы понять, как оно устроено. Оказалось, что вся материя, которая нас окружает, похожа на матрешку с четырьмя оболочками:

• то, что мы видим невооруженным глазом;
• молекулярная структура;
• атомная структура;
• элементарный уровень.

Последняя «оболочка» была открыта не так давно и на данный момент считается самой маленькой. Она включает в себя все элементарные или фундаментальные частицы.

Да, их очень много — но так даже интереснее. Со времен открытия электрона ученые обнаружили огромное количество фундаментальных частиц и разделили их на две большие группы: фермионы (от фамилии итальянского физика Энрико Ферми) и бозоны (в честь индийского физика Сатьендры Нат Бозе).

Элементарные частицы, в отличие от атомов, — это не всегда реально существующие объекты. Это, скорее, модели, созданные для описания разных видов взаимодействий и свойств материи.

Например, электромагнитное взаимодействие передается с помощью фотонов, ядро атома находится в стабильном состоянии благодаря мезонам — частицам, удерживающим протоны и нейтроны.

Физики выделяют разные виды взаимодействий (сильное, слабое, электромагнитное, гравитационное) и типы материи (атомы, антиматерия, темная материя, излучения). Чтобы изучить их свойства, нужно подробно описать их природу.

Во второй половине ХХ века группа ученых создала теорию под названием «Стандартная модель». Она помогла систематизировать большое количество открытых на тот момент элементарных частиц и соотнести каждую со своим видом материи или взаимодействия. Сейчас эта теория считается завершенной и включает 17 видов элементарных частиц, вместе описывающих 3 фундаментальных взаимодействия и некоторую часть известных видов материи. Однако Стандартная модель описывает далеко не всё. Например, в ее рамках нельзя описать силу гравитации, и ученые до сих пор ломают голову над тем, как бы ее объяснить.

Чтобы разобраться в мире элементарных частиц, мы расскажем обо всех 17 частицах Стандартной модели, разделив их на две большие группы: фермионы и бозоны.

I. Фермионы

В этот класс входят 12 обычных частиц и столько же античастиц. Они противоположны по заряду: например, античастица отрицательно заряженного электрона — это положительно заряженный позитрон.

Эти 12 частиц, в свою очередь, можно поделить на две группы по 6 штук: кварки и лептоны.

Как устроен атом

Атом состоит из ядра, в котором сосредоточено более 99 % его массы, и электронной оболочки, окружающей его, как облако. Электроны, составляющие внешнюю оболочку, — это элементарные частицы. Ядро же состоит из протонов и нейтронов (вместе они называются нуклонами). Протоны заряжены положительно, чтобы компенсировать отрицательный заряд электронов на внешней оболочке, а нейтроны, как следует из названия, вообще не имеют заряда и «склеивают» ядро, не давая ему распасться (как это происходит с радиоактивными элементами).

Долгое время протоны и нейтроны считались неделимыми, но они слишком большие для элементарных частиц. Позже ученые установили, что каждая из них состоит из трех кварков.

Кварки — любители ходить в парах

В отличие от электронов кварки не могут существовать в свободном состоянии и соединяются в пары. Эти пары называются мезонами — это частицы, которые перемещаются между протонами и нейтронами и удерживают ядро в стабильном состоянии. Три кварка образуют нуклоны — протон или нейтрон. Частицы, состоящие из четырех или пяти кварков, являются экзотическими и отчасти вызывают гравитационное взаимодействие между телами.

Лептоны — одиночки

Второй тип фермионов — лептоны, их свойства совершенно другие. Кварки не могут существовать поодиночке, а лептоны, наоборот, не могут соединяться (если это, конечно, не частица со своей античастицей: объединяясь, они исчезают, выделяя энергию).

Лептоны похожи на волков-одиночек, и самый влиятельный и могущественный среди них (прямо как волк с Уолл-стрит) — электрон, самый распространенный и наиболее изученный лептон.

Долгое время ученые не могли понять, в чем «сила» электрона. В конце концов они нашли этому одно разумное объяснение: электрон — это единственная стабильная заряженная частица из своего класса. Остальные 5 заряженных лептонов не существуют дольше 2 микросекунд: они либо распадаются на несколько более мелких частиц, либо, наоборот, соединяются в одну более крупную.

Нейтрино — неуловимые лептоны

Еще один вид лептонов — нейтрино, практически неуловимые частицы, которые движутся в космосе со скоростью света.

е с середины ХХ века проводятся эксперименты, чтобы их поймать и изучить. Многое в этих «неуловимых» частицах уже исследовано, и ученые даже пытались создать коммуникацию с их помощью, но идея осталась лишь в планах. Нейтрино могут быть индикаторами различных процессов, происходящих в ядрах звезд. Например, в нашем Солнце протекает множество термоядерных реакций каждую секунду, и практически каждая такая реакция выделяет хотя бы одно нейтрино.

Нейтрино бывают нескольких видов: электронное, мюонное и тау-нейтрино. Все эти названия взяты не с потолка.

Каждое нейтрино соответствует своему лептону (электрону, мюону, тау-лептону), так как напоминает его по своим квантовым характеристикам. Разные виды этих частиц, двигаясь совместно, могут переходить друг в друга — это называется нейтринной осцилляцией.

Итак, фермионы бывают двух видов: кварки и лептоны. Первые могут существовать только группами, а вторые — только по отдельности. Первые входят в состав ядер атомов, вторые — в состав электронных оболочек этих атомов.

А теперь мы переходим ко второй, не менее интересной группе элементарных частиц — бозонам. Готовы спорить, что она у вас на слуху благодаря одному известному ее представителю.

II. Бозоны

Невольно возникает вопрос: а чем фермионы отличаются от бозонов? Всё дело в квантовой характеристике — спи́не. У фермионов он дробный: чтобы при повороте в пространстве частица стала симметричной себе, надо повернуть ее больше чем на один полный оборот. А у бозонов спин целый — то есть либо они одинаковы, как ни крути, либо для совмещения самих с собой в пространстве их нужно повернуть на 180 или 360 градусов.

Спин обуславливает обменное взаимодействие элементарных частиц, когда между двумя одинаково заряженными частицами может возникать связь (это свойство исчезает при переходе к большим системам). Если по законам классической механики два электрона должны отталкиваться, то квантовая механика «разрешает» им находиться относительно близко друг от друга — на одной орбитали.

Бозоны, слава богу, не делятся ни на какие группы. В Стандартной модели их выделяют всего пять: фотон, W-бозон, Z-бозон, глюон и бозон Хиггса. С фотоном мы уже знакомы, его функция — переносить электромагнитное возбуждение (то есть свет разного диапазона длин волн). W- и Z-бозоны — это своего рода волшебные палочки. W-бозоны переносят электрический заряд, понижая или повышая его у выбранной цели, и могут превращать один вид кварков в другой. Z-бозоны помогают передавать импульс и спин от одной частицы к другой при их столкновении.

Выделяют 8 типов глюонов.

Глюоны напоминают кварки и фотоны одновременно: их никогда не видели в свободном состоянии, они не имеют заряда и в теории не обладают массой. Глюоны отвечают за передачу между кварками квантовой характеристики, называемой цветом (общее с теми цветами, которые мы видим, — только название).

Последний тип — бозоны Хиггса — очень странная вещь. Они существовали лишь теоретически, их долго не могли обнаружить, однако в 2012 году это удалось сделать с помощью Большого адронного коллайдера (БАК).

Бозон Хиггса обуславливает массы всех элементарных частиц. Его открытие завершило Стандартную модель.

Она описывает 3 вида взаимодействий: электромагнитное, сильное (между нуклонами в ядре атома) и слабое, но ее нельзя считать Теорией всего, так как она не описывает, например, гравитационное взаимодействие, темную материю и энергию. Так что у физики большое и светлое будущее.

Итак, бозоны переносят различные виды взаимодействий. Они имеют целочисленный спин и различаются между собой массой и свойствами. Существование всех этих частиц ученые уже доказали с помощью БАК.

Составные частицы

Фермионы и бозоны — это лишь основа всей физики элементарных частиц. Соединяясь, они образуют что-то вроде молекул. Это очень похоже на химическую реакцию: две элементарные частицы могут соединяться друг с другом, как и химические вещества.

Самый известный вид составных частиц — адроны. Их делят на два вида: барионы и мезоны. Барионы — это частицы, состоящие из кварков, в том числе протоны и нейтроны; мезоны переносят взаимодействие между нуклонами в ядрах атомов.

Физика элементарных частиц невероятно разнообразна. Кроме перечисленных основных классов выделяют также квазичастицы («почти»-частицы), которые формально не существуют: человек придумал их для описания различных природных процессов. Кроме того, есть много гипотетических частиц, существование которых экспериментально не подтверждено.

---

Сегодня мы знаем Вселенную едва ли на 0,1 %. С помощью физики мы пытаемся расширить границы познания и описать всё, что нам непонятно. Но каждый новый шаг вперед всё труднее: если пять лет назад вы были на острие прогресса и понимали всё, что происходит в вашей науке, то сегодня она вас озадачит своей сложностью и запутанностью.

Однако сложность добавляет физике прелесть и очарование, которое притягивает новые пытливые умы. С помощью них мы, быть может, скоро создадим Теорию всего и постигнем все тайны мироздания.

А потом природа преподнесет нам сюрприз, и окажется, что всё, что мы знали, — полная туфта.

Источник: knife.media

Элементарные частицы материи

Эле­мен­тар­ные ча­сти­цы ма­те­рии раз­де­ля­ют­ся на квар­ки и леп­то­ны. Квар­ки уча­ст­ву­ют в силь­ных, сла­бых и элек­тро­маг­нит­ных взаи­мо­дей­ст­ви­ях.

силь­ных взаи­мо­дей­ст­ви­ях квар­ки вы­сту­па­ют в ви­де три­пле­тов; со­от­вет­ст­вую­щее кван­то­вое чис­ло, на­зы­вае­мое цве­том, при­ни­ма­ет 3 зна­че­ния. В сла­бых взаи­мо­дей­ст­ви­ях квар­ки вы­сту­па­ют в ви­де дуб­ле­тов; со­от­вет­ст­вую­щее кван­то­вое чис­ло, на­зы­вае­мое сла­бым изо­спи­ном, при­ни­ма­ет 2 зна­че­ния. Элек­трич. за­ряд квар­ков дроб­ный: для u-квар­ка из изо­спи­но­во­го дуб­ле­та он ра­вен +²/₃, для b-квар­ка –¹/₃ в еди­ни­цах за­ря­да элек­тро­на. Квар­ки име­ют спин ¹/₂ и, сле­до­ва­тель­но, яв­ля­ют­ся фер­мио­на­ми.

Леп­то­ны уча­ст­ву­ют в сла­бых и элек­тро­маг­нит­ных взаи­мо­дей­ст­ви­ях. В сла­бых взаи­мо­дей­ст­ви­ях леп­то­ны, как и квар­ки, вы­сту­па­ют в ви­де дуб­ле­тов. Элек­трич. за­ряд леп­то­нов це­лый, рав­ный –1 у элек­тро­на и 0 у ней­три­но. Леп­то­ны так­же яв­ля­ют­ся фер­мио­на­ми и име­ют спин ¹/₂.

По­ка не до кон­ца яс­на при­ро­да лег­чай­ше­го леп­то­на – ней­три­но.

я ней­три­но, элек­три­че­ски ней­траль­ной час­ти­цы, воз­мож­на си­туа­ция, ко­гда оно яв­ля­ет­ся ан­ти­час­ти­цей са­мо­му се­бе. В этом слу­чае его на­зы­ва­ют май­о­ра­нов­ским ней­три­но. Но ес­ли это раз­ные час­ти­цы, то то­гда ней­три­но яв­ля­ет­ся ди­ра­ков­ской час­ти­цей. Не­из­вест­но и аб­со­лют­ное зна­че­ние мас­сы ней­три­но, из­вест­ны толь­ко раз­но­сти масс ме­ж­ду разл. сор­та­ми ней­три­но, ко­то­рые чрез­вы­чай­но ма­лы.

Су­ще­ст­ву­ют 3 по­ко­ле­ния квар­ков и леп­то­нов (рис.). Час­ти­цы раз­ных по­ко­ле­ний име­ют оди­на­ко­вые кван­то­вые чис­ла и раз­ли­ча­ют­ся толь­ко мас­са­ми, каж­дое сле­дую­щее по­ко­ле­ние тя­же­лее пре­ды­ду­ще­го. Спектр масс квар­ков и леп­то­нов в стан­дарт­ной мо­де­ли про­из­воль­ный и про­сти­ра­ет­ся от до­лей эВ для ней­три­но и не­сколь­ких МэВ для лёг­ких квар­ков до не­сколь­ких ГэВ для тя­жё­лых квар­ков и леп­то­нов и сот­ни ГэВ для са­мой тя­жё­лой час­ти­цы – t-квар­ка. Спектр масс не пред­ска­зы­ва­ет­ся стан­дарт­ной мо­де­лью и оп­ре­де­ля­ет­ся из экс­пе­рим. дан­ных. Мас­сы всех квар­ков и леп­то­нов воз­ни­ка­ют в ре­зуль­та­те их взаи­мо­дей­ст­вия с по­лем Хигг­са.

Квар­ки не на­блю­да­ют­ся в сво­бод­ном со­стоя­нии. Их мож­но на­блю­дать толь­ко в свя­зан­ных со­стоя­ни­ях, на­зы­вае­мых ад­ро­на­ми, ко­то­рые име­ют це­ло­чис­лен­ный элек­трич. за­ряд и ней­траль­ны по от­но­ше­нию к кван­то­во­му чис­лу «цвет». Леп­то­ны, на­обо­рот, на­блю­да­ют­ся в сво­бод­ном со­стоя­нии и так­же «бес­цвет­ны». В стан­дарт­ной мо­де­ли счи­та­ет­ся, что квар­ки не мо­гут пе­ре­хо­дить в леп­то­ны и на­обо­рот, т. к. эти про­цес­сы при­ве­ли бы к не­со­хра­не­нию ба­ри­он­но­го и леп­тон­но­го за­ря­дов. Эти за­ко­ны со­хра­не­ния не сле­ду­ют из об­щих прин­ци­пов сим­мет­рии, но на­дёж­но ус­та­нов­ле­ны экс­пе­ри­мен­таль­но. Все квар­ки име­ют ба­ри­он­ный за­ряд, рав­ный ¹/₃, и леп­тон­ный за­ряд, рав­ный ну­лю, а леп­то­ны име­ют леп­тон­ный за­ряд, рав­ный 1, и ну­ле­вой ба­ри­он­ный за­ряд.

Элементарные частицы – переносчики взаимодействий

Со­глас­но кван­то­вой тео­рии, все взаи­мо­дей­ст­вия Э. ч. осу­ще­ст­в­ля­ют­ся за счёт об­ме­на кван­та­ми со­от­вет­ст­вую­щих по­лей. Пе­ре­нос­чик силь­но­го взаи­мо­дей­ст­вия – глю­он; он яв­ля­ет­ся ок­те­том по от­но­ше­нию к цве­ту и не име­ет ни изо­спи­на, ни элек­трич. за­ря­да. Как и кварк, глю­он не на­блю­да­ет­ся в сво­бод­ном со­стоя­нии, а за­перт внут­ри ад­ро­нов. Пе­ре­нос­чи­ки сла­бых взаи­мо­дей­ст­вий – про­ме­жу­точ­ные век­тор­ные W- и Z-бо­зо­ны. Они «бес­цвет­ны», яв­ля­ют­ся три­пле­та­ми по от­но­ше­нию к сла­бо­му изо­спи­ну, W-бо­зон име­ет элек­трич. за­ряд ±1, Z-бо­зон ней­тра­лен. Пе­ре­нос­чик элек­тро­маг­нит­но­го взаи­мо­дей­ст­вия – фо­тон; он «бес­цве­тен», не име­ет изо­спи­на и то­же ней­тра­лен. Пе­ре­нос­чи­ки всех этих взаи­мо­дей­ст­вий яв­ля­ют­ся бо­зо­на­ми и име­ют спин, рав­ный 1. Они не не­сут ни ба­ри­он­но­го, ни леп­тон­но­го за­ря­да.

По­след­ней час­ти­цей в этом ря­ду сто­ит бо­зон Хигг­са. Он иг­ра­ет двоя­кую роль в стан­дарт­ной мо­де­ли: за счёт взаи­мо­дей­ст­вия с клас­сич. со­став­ляю­щей хигг­сов­ско­го по­ля все час­ти­цы стан­дарт­ной мо­де­ли при­об­ре­та­ют мас­су, а сам хигг­сов­ский бо­зон яв­ля­ет­ся пе­ре­нос­чи­ком ещё од­но­го взаи­мо­дей­ст­вия ме­ж­ду квар­ка­ми и леп­то­на­ми, ин­тен­сив­ность ко­то­ро­го про­пор­цио­наль­на мас­сам час­тиц. Он уча­ст­ву­ет так­же в сла­бых взаи­мо­дей­ст­ви­ях и яв­ля­ет­ся дуб­ле­том по от­но­ше­нию к сла­бо­му изо­спи­ну. Элек­трич. за­ряд бо­зо­на Хигг­са ра­вен ну­лю, спин так­же ну­ле­вой.

Некоторые проблемы теории элементарных частиц

Со­глас­но экс­пе­рим. дан­ным по рас­падам Э. ч., а так­же с учё­том дан­ных по тем­пе­ра­тур­ным флук­туа­ци­ям мик­ро­вол­но­во­го фо­но­во­го из­лу­че­ния, чис­ло по­ко­ле­ний Э. ч. рав­но трём. Тео­ре­тич. объ­яс­не­ния это­го фак­та по­ка нет. Это оз­на­ча­ет, что по­сколь­ку все пе­ре­чис­лен­ные вы­ше час­ти­цы от­кры­ты экс­пе­ри­мен­таль­но, то дру­гих, но­вых Э. ч. не су­ще­ст­ву­ет. Од­на­ко воз­мож­но су­ще­ст­во­ва­ние иных Э. ч., ко­то­рые не опи­сы­ва­ют­ся стан­дарт­ной мо­де­лью и по­ка не об­на­ру­же­ны, т. к. они ли­бо слиш­ком тя­же­лы и не мо­гут ро­дить­ся на ус­ко­ри­те­лях час­тиц, ли­бо слиш­ком сла­бо взаи­мо­дей­ст­ву­ют с из­вест­ны­ми час­ти­ца­ми и по­это­му по­ка не об­на­ру­же­ны. При­ме­ром слу­жат ги­по­те­тич. час­ти­цы, со­став­ляю­щие тём­ную ма­те­рию, ко­то­рая про­яв­ля­ет­ся за счёт свое­го гра­ви­тац. по­ля, но не за­ре­ги­ст­ри­ро­ва­на по­ка как ин­ди­ви­ду­аль­ная час­ти­ца.

К Э. ч. мо­жет быть от­не­сён так­же гра­ви­тон – квант гра­ви­тац. по­ля, но за­ре­ги­ст­ри­ро­вать его ещё труд­нее, по­сколь­ку в си­лу ис­клю­чи­тель­ной сла­бо­сти гра­ви­та­ци­он­но­го взаи­мо­дей­ст­вия тре­бу­ет­ся сре­до­то­чие ог­ром­ных масс для по­лу­че­ния силь­ной гра­ви­та­ции, что воз­мож­но лишь в ок­ре­ст­но­сти чёр­ных дыр.

Кро­ме час­тиц, в при­ро­де су­ще­ст­ву­ют ан­ти­час­ти­цы, со­став­ляю­щие ан­ти­ма­терию. Ка­ж­дая час­ти­ца име­ет сво­его парт­нё­ра, ан­ти­час­ти­цу, ко­то­рая име­ет те же са­мые свой­ст­ва и ту же мас­су, что и обыч­ная час­ти­ца, но про­ти­во­по­лож­ные зна­ки всех за­ря­дов. Су­ще­ст­во­ва­ние ан­ти­час­тиц сле­ду­ет из урав­не­ний ре­ля­ти­ви­ст­ской кван­то­вой тео­рии по­ля, ко­то­рая опи­сы­ва­ет все Э. ч. Не­на­блю­дае­мость ан­ти­час­тиц в ок­ру­жаю­щем нас ми­ре, при том что они все­гда ро­ж­да­ют­ся на ус­ко­ри­те­лях в па­ре с обыч­ны­ми час­ти­ца­ми, объ­яс­ня­ет­ся тем, что на ран­них ста­ди­ях эво­лю­ции Все­лен­ной был на­рушен ба­ланс ме­ж­ду час­ти­ца­ми и ан­ти­час­ти­ца­ми. В ре­зуль­та­те час­тиц об­ра­зо­ва­лось боль­ше, чем ан­ти­час­тиц, про­изош­ла их вза­им­ная ан­ни­ги­ля­ция, и те час­ти­цы, ко­то­рые ос­та­лись, об­ра­зу­ют совр. Все­лен­ную.

По­сколь­ку ни квар­ки, ни глюо­ны не на­блю­да­ют­ся в сво­бод­ном со­стоя­нии, об их су­ще­ст­во­ва­нии из­вест­но кос­вен­но, из экс­пе­ри­мен­тов по рас­сея­нию про­то­нов и элек­тро­нов. Эти экс­пе­ри­мен­ты по­хо­жи на опы­ты Ре­зер­фор­да, в ко­то­рых бы­ло от­кры­то атом­ное яд­ро, и де­мон­ст­ри­ру­ют, что внут­ри про­то­нов и др. ад­ро­нов на­хо­дят­ся то­чеч­ные со­став­ляю­щие, на ко­то­рых и про­ис­хо­дит рас­сея­ние. Та­ким об­ра­зом ус­та­нов­ле­но, что ад­ро­ны – со­став­ные час­ти­цы, об­ра­зо­ван­ные из квар­ков, а глюо­ны – «клей», ко­то­рый за счёт силь­но­го взаи­мо­дей­ст­вия не по­зво­ля­ет квар­кам раз­ле­теть­ся и де­ла­ет ад­ро­ны ста­биль­ны­ми.

Кварковая модель адронов

Пер­во­на­чаль­но квар­ки бы­ли пред­ло­же­ны для клас­си­фи­ка­ции ад­ро­нов, но по­сле опы­тов по рас­сея­нию при­об­ре­ли ста­тус ре­аль­ных час­тиц. Ад­ро­ны, со­став­лен­ные из квар­ков, де­лят­ся на два боль­ших клас­са: ба­рио­ны (час­ти­цы с по­лу­це­лым спи­ном) и ме­зо­ны (час­ти­цы с це­лым спи­ном).

Ба­рио­ны со­сто­ят из трёх квар­ков. Так, напр., про­тон со­сто­ит их двух u-квар­ков и од­но­го d-квар­ка, при­чём цве­та квар­ков со­став­ле­ны так, что про­тон «бес­цве­тен», а спи­ны раз­но­на­прав­ле­ны, так что сум­мар­ный спин ока­зы­ва­ет­ся рав­ным ¹/₂. Элек­трич. за­ряд про­то­на ра­вен сум­ме за­ря­дов квар­ков и ра­вен +1. Ней­трон по­стро­ен ана­ло­гич­ным об­ра­зом и со­сто­ит из двух d-квар­ков и од­но­го u-квар­ка. Су­ще­ст­ву­ют и ба­рио­ны со спи­ном ³/₂. Все ба­рио­ны име­ют ба­ри­он­ный за­ряд, рав­ный 1. Из­на­чаль­но квар­ко­вая мо­дель ос­но­вы­ва­лась на трёх квар­ках (u, d и s) и все ба­рио­ны пред­став­ля­ли со­бой разл. ком­би­на­ции, со­став­лен­ные из этих квар­ков.

Ме­зо­ны со­сто­ят из квар­ка и ан­тик­вар­ка и име­ют ба­ри­он­ный за­ряд, рав­ный ну­лю. Так, напр., лег­чай­шие силь­но­взаи­мо­дей­ст­вую­щие час­ти­цы – π-ме­зо­ны – име­ют сле­дую­щий квар­ко­вый со­став: $π^{+}=uoverline d$, $π^{-}=overline ud$, $π^0=uoverline u+doverline d$. Чер­та над сим­во­лом квар­ка обо­зна­ча­ет ан­ти­кварк. Спи­ны квар­ков раз­но­на­прав­ле­ны, и пол­ный спин π-ме­зо­на ра­вен ну­лю. Су­ще­ст­ву­ют ме­зо­ны и со спи­ном 1, ко­гда спи­ны со­став­ляю­щих их квар­ков од­но­на­прав­ле­ны.

Для сис­те­ма­ти­за­ции ад­рон­ных со­стоя­ний ис­поль­зо­ва­ли груп­пу уни­тар­ной сим­мет­рии SU(3), где чис­ло 3 со­от­вет­ст­вова­ло чис­лу квар­ков. Все имею­щие­ся ба­рио­ны, со­став­лен­ные из трёх квар­ков, и ме­зо­ны, со­став­лен­ные из квар­ка и ан­тик­вар­ка, пре­крас­но ук­ла­ды­ва­ют­ся в пред­став­ле­ния этой груп­пы, та­кие как ок­тет, но­нет или де­ку­плет. Ес­ли бы час­ти­цы из муль­ти­пле­тов име­ли оди­на­ко­вые мас­сы, то сим­мет­рия бы­ла бы точ­ной. Из-за раз­ли­чия масс квар­ков она на­ру­ша­ет­ся, од­на­ко это не при­во­дит к раз­ру­ше­нию муль­ти­пле­тов, ко­то­рые со­дер­жат все воз­мож­ные час­ти­цы и пра­виль­но пе­ре­да­ют их кван­то­вые чис­ла. Та­кая клас­си­фи­ка­ция час­тиц на ос­но­ве квар­ко­вой мо­де­ли по­лу­чи­ла назв. вось­ме­рич­но­го пу­ти в со­от­вет­ст­вии с про­стей­шим муль­ти­пле­том. Ны­не, ко­гда из­вест­ны 6 квар­ков, груп­па сим­мет­рии долж­на быть рас­ши­ре­на до груп­пы SU(6) и все имею­щие­ся ад­ро­ны долж­ны при­над­ле­жать к пред­став­ле­ни­ям этой груп­пы.

Все пред­став­лен­ные вы­ше ад­ро­ны яв­ля­ют­ся «бес­цвет­ны­ми» ком­би­на­ция­ми цвет­ных квар­ков, но они не един­ст­вен­но воз­мож­ны. До­пус­ти­мы так­же ад­ро­ны, со­став­лен­ные из че­ты­рёх, пя­ти и шес­ти квар­ков и ан­тик­вар­ков. Они по­лу­чи­ли на­зва­ние эк­зо­тич. ад­ро­нов. Их так­же на­зы­ва­ют тет­ра-, пен­та- и сек­ста­к­вар­ка­ми в за­ви­си­мо­сти от чис­ла со­став­ляю­щих их квар­ков. По­лу­че­но экс­пе­рим. под­твер­жде­ние их су­ще­ст­во­ва­ния. Воз­мож­но так­же су­ще­ст­во­ва­ние ад­ро­на, об­ра­зо­ван­но­го ис­клю­чи­тель­но из глюо­нов. Он по­лу­чил на­зва­ние глю­бо­ла, но по­ка ещё дос­то­вер­но не иден­ти­фи­ци­ро­ван.

Боль­шин­ст­во Э. ч. не­ста­биль­ны и рас­па­да­ют­ся на бо­лее лёг­кие, ес­ли это не за­пре­ще­но за­ко­на­ми со­хра­не­ния энер­гии, элек­трич., цвет­но­го, ба­ри­он­но­го и леп­тон­но­го за­ря­дов. Ста­биль­ны фо­тон, элек­трон­ное и мю­он­ное ней­три­но, элек­трон, про­тон и их ан­ти­час­ти­цы. Ос­таль­ные Э. ч. са­мо­про­из­воль­но рас­па­да­ют­ся за вре­мя от ок. 10³ с (для сво­бод­но­го ней­тро­на) до 10^–17–10^–24 (для ад­ро­нов). В обоб­ще­ни­ях стан­дарт­ной мо­де­ли при энер­ги­ях, за­ве­до­мо не­дос­туп­ных ус­ко­ри­те­лям, воз­мо­жен и рас­пад про­то­на, од­на­ко его вре­мя жиз­ни боль­ше 10³⁴ лет, что на­мно­го пре­вы­ша­ет вре­мя жиз­ни Все­лен­ной. Экс­пе­рим. под­твер­жде­ния рас­па­да про­то­на по­ка не по­лу­че­но.

Источник: bigenc.ru

Причем первая из них будет переносить заряд электрона, другая — его спин (момент импульса), а третья вообще является квантом орбитальной волны электрона, то есть переносит его орбитальное взаимодействие с другими электронами и ядром. Правда, проявляются эти три квазичастицы не всегда, когда электрон того пожелает, а лишь в особых условиях. Например, в пределах одномерных цепочек атомов, стоящих очень близко друг к другу (такое часто бывает в углеродных нанотрубках).

Сразу хочу заметить, что электрон вовсе не распадается на эти частицы так, как протон или нейтрон на кварки. То есть даже в нанотрубках не происходит такого, что при взаимодействии с близко расположенными электронами других атомов, какой-то конкретный электрон (для удобства представим его как шарик) вдруг развалился на три более мелких шарика. Причем один из них сохранил заряд электрона, другой вертится вокруг своей оси так же, как электрон (сохранил спин), а третий движется по той же орбите, что и электрон (сохранил орбитальные взаимодействия).

 На самом деле электрон, конечно же, ни на какие частицы не разваливается. Просто при сближении друг с другом в пределах одномерной цепочки электроны соседних атомов начинают взаимодействовать друг с другом особым образом. И это взаимодействие можно описать не исходя из свойств самих электронов, а представив себе, что их осуществляют три гипотетические частицы — те самые холон, спинон и орбитон. В частности, уже давно было экспериментально показано, что в таких взаимодействиях изменения заряда не связаны с изменением спина.

Но как такое возможно? Представьте себе, что атомы стоят настолько плотно, что электроны образовали так называемый вигнеровский кристалл — то есть компактную упорядоченную структуру вроде кристаллической решетки. При этом в узлах данной решетки возникнут коллективные колебания электронов (как это происходит с узловыми частицами любого кристалла). Но данные колебания обязательно будут сопровождаться переносом заряда. В этом случае можно говорить о возникновении квазичастицы холона.

В то же время электроны в цепочке обладают спином, и, соответственно, между ними существует некоторое спин-спиновое взаимодействие. А поскольку все электроны стоят вплотную друг к другу, логично предположить, что если мы перевернем один из спинов, то по цепочке побежит спиновое возмущение. И оно вовсе не будет сопровождаться переносом заряда. В данном случае мы имеем дело с другой квазичастицей — спиноном.

То, о чем мы сейчас беседовали, представляет собой мысленный эксперимент, проведенный физиками еще в 90-х годах прошлого века. А вот добиться возникновения спинона и холона в реальности удалось не так давно — в 2006 году. Тогда группа ученых во главе с Ким Чанюном из университета Енсей в Сеуле (Республика Корея), Эли Ротенберг и Шень Чжи Сюнем из Стэнфордского университета сообщила об обнаружении четких спектральных сигналов спинонов и холонов в одномерных образцах SrCuO2. Следует заметить, что это вещество весьма своеобразно — по своим свойствам оно скорее металл, но при этом данный материал не проводит электричество из-за постоянного электрон-электронного взаимодействия. Так что разделить спинон и холон решили именно там.

Используемая физиками методика фотоэмиссионной спектроскопии с угловым разрешением ARPES состояла в том, что образец облучался рентгеновскими лучами, вызывающими эмиссию электронов (что также известно как фотоэффект). Измерение кинетической энергии испускаемых электронов и углов, под которыми они вылетают, позволяет вычислить их скорость и степень рассеяния. Это в свою очередь дает детальную картину энергетического спектра электрона.

А поскольку известно, что удаление электрона приводит к образованию положительно заряженной «дырки», которая несет информацию как о спине, так и о заряде, то следует фиксировать именно ее образование. Это самое образование «дырки» проявляется в виде одного пика спектра ARPES. Если происходит разделение заряда и спина, «дырка» распадается на спинон и холон, и в спектре ARPES появляются два пика. Именно эти два пика и зафиксировали ученые. Таким образом возможность независимого существования спинона и холона была доказана.

Недавно же другая группа физиков из Германии, Швейцарии, Франции и Нидерландов под руководством госпожи Джастин Шлаппа смогла «отделить» орбитон. «Подопытным кроликом» выступил все тот же SrCuO2. А вот методика была уже другая — так называемое неупругое рассеяние частиц (RIXS). Она заключалась в том, что образец бомбардировали быстрыми частицами. Это приводило электроны в возбужденное состояние и одновременно исследователи могли отмечать расположение и конфигурацию их спинов.

Измерив же спины и орбитальные угловые моменты (он характеризует движение частицы по орбитали вокруг ядра) электронов, исследователи поняли, что орбитон и спинон существуют одновременно. Дело в том, что изменение спина и орбитального углового момента не совпадали — а это значит, что спинон и орбитон передвигаются вдоль Sr2CuO3 с разной скоростью. То есть это отдельные квазичастицы.

 Итак, существование орбитона наконец-то экспериментально подтверждено, и из-за этого электрон окончательно лишился почетного звания элементарной частицы. Однако эксперимент ученых сводился вовсе не к исправлению терминологии — орбитон и сам по себе представляет немалую ценность. Например, его существование может объяснить некоторые аномалии высокотемпературных сверхпроводников — почему в них возникает сверхпроводимость в таких условиях, в каких вроде бы не должна возникать.

Кроме того, движение орбитонов и спинонов можно будет использовать при создании квантовых компьютеров — эти квазичастицы двигаются настолько быстро, что их перемещение от одной квантовой точки к другой занимает фемтосекунды. А значит, перенос информации будет почти что мгновенный…

Антон Евсеев

Источник: cosmos.mirtesen.ru

Из истории вопроса

Первым из тех, кто задумался о существовании мельчайших частиц, из которых состоят все вещества и окружающие предметы, был древнегреческий философ Демокрит. Он был первым, кто высказал предположение о существовании фундаментальных частиц. Согласно письменным источникам, случилось это в 

$4$

веке до нашей эры. Демокрит дал название атому и определил, что это неделимая частица материи.

В течение ряда веков понятие об атомах носило скорее философский, чем физический смысл. И только начиная с

$19$

века представление об атомах стали использовать сначала для объяснения химических, а затем и физических процессов.

В

$30$

-е годы

$19$

столетия Макс Фарадей ввел в обиход понятие иона в рамках теории электролиза, а также выполнил изменение элементарного заряда. К концу столетия Антуан Анри Беккерель открыл явление радиоактивности, Джозеф Томсон установил существование электронов, Эрнест Резерфорд —

$\alpha$

-частиц. В первые пять лет

$20$

века Альберт Эйнштейн разработал учение о фотонах (квантах электромагнитного поля). Все эти открытия были бы невозможны без понятия об атомах.

В течение первой трети

$20$

века было установлено, что атом имеет сложное строение, которое предполагает наличие ядра и расположенных вокруг него электронов. Эрнест Резерфорд предложил орбитальную модель строения атома, согласно которой электроны движутся вокруг ядра по определенным орбитам. Он же во время опытов по расщеплению ядер атомов установил существование протонов.

Открытие нейтронов принадлежит известному английскому физику Джеймсу Чедвику. Он установил, что ядра атомов имеют сложное строение. Так возникла протон-нейтронная теория строения ядер, разработкой которой занимались немецкий исследователь Вейнер Гейзенберг и наш соотечественник, физик-теоретик, лауреат Сталинской премии Дмитрий Дмитриевич Иваненко.

Существование позитрона было предсказано англичанином Полем Дираком. Эта положительно заряженная частица, имеющая такую же массу и такой же (по модулю) заряд, что и электрон, была открыта американским физиком-экспериментатором Карлом Дейвидом Андерсеном в космических лучах.

В тридцатых годах

$20$

-го века были открыты взаимные превращения нейтронов и протонов. Было установлено, что элементарные частицы не являются неизменными. В это же время были открыты мюоны– частицы, масса которых составляет

$207$

электронных масс, а затем и пионы – частицы, которые обеспечивают взаимодействие между нуклонами в ядре атома.

До середины

$20$

века было открыто большое количество элементарных частиц. Это стало возможно благодаря широкому исследованию космических лучей, внедрению ускорительной техники, развитию ядерной физики.

Виды частиц

В наше время известно порядка

$400$

элементарных или субъядерных частиц. Большинство из них нестабильно: одни частицы могут самопроизвольно превращаться в другие с течением времени. Исключением из этого являются нейтрино, фотон, протон и электрон.

Время жизни нестабильных частиц значительно разнится. Дольше всех «живет» нейтрон:

$15$

минут. Существование

$\mu$

-мезона ограничено отрезком времени в 

$2,2·{10}^{–6}$

 секунды, нейтрального 

$\pi$

-мезона – 

$0,87·{10}^{–16} с$

. Среднее время существования гиперонов, массивных частиц, составляет всего

${10}^{–10} с$

.

Основые свойства элементарных частиц

Одним из наиболее важных свойств элементарных частиц является их способность к взаимным превращениям. Частицы способны поглощаться (возникать) и испускаться (исчезать). Это относится как к стабильным, так и к нестабильным частицам. Разница лишь в том, что стабильные частицы могут превращаться не самопроизвольно, а в результате взаимодействия с другими частицами.

Частицы и античастицы

Электрон является двойником позитрона. Антипротон отличается от протона наличием у него отрицательного электрического заряда. Нейтрон не имеет заряда. Антинейтрон отличается от нейтрона знаком магнитного момента и барионного заряда.

Наличие античастиц установлено для всех элементарных частиц. Встреча частицы и античастицы сопровождается аннигиляцией, в результате которой обе частицы превращаются в кванты излучения или частицы других видов.

Ученые предполагают существование антивещества. Теоретически, это возможно, если в ядре будут антинуклоны, а в оболочке атома позитроны. Взаимодействие вещества и антивещества может привести к выделению огромного количества энергии, которое будет превосходить энергию ядерных и термоядерных реакций.

Группы элементарных частиц

Информацию об основных элементарных частицах мы собрали в таблицу. Размещение частиц соответствует существующей ныне системе классификации элементарных частиц. Каждая из частиц имеет ряд характеристик: время жизни, масса, выраженная в электронных массах, электрический заряд в единицах элементарного заряда и спин, который также носит название момента импульса, выраженный в единицах постоянной Планка

$ħ = \frac{h}{2\mathrm{\pi }}$

.

Объединяет частицы из группы лептонов спин 

$\frac{1}{2}$

. В таблицу мы включили только основные лептоны. На самом деле их намного больше.

Подгруппа барионов по сравнению с мезонами является более обширной и состоит из более тяжелых элементарных частиц. Нуклоны являются самыми легкими из барионов, затем идут гипероны. Масса омега-минус-гиперона составляет

$3273$

электронных массы. Спин барионов составляет

$\frac{1}{2}$

.

Кварковая гипотеза

Количество уже открытых и вновь открываемых частиц позволяет предположить, что существуют какие-то более мелкие фундаментальные частицы. В середине

$20$

века американский физик Мюррей Гелл-Ман выдвинул гипотезу существования кварков, фундаментальных частиц, из которых построены тяжелые элементарные частицы.

Согласно теории Гелл-Мана существует три кварка и три антикварка. Они могут объединяться, образуя различные сочетания.

Эта теория позволила объяснить существование уже открытых частиц и существование других, еще неизвестных науке. При этом, ряд свойств предсказанных частиц оказался неожиданным для исследователей.

Электрический заряд кварков должен выражаться дробными числами, равными 

$\frac{2}{3}$

и 

$\frac{1}{3}$

элементарного заряда.

Поиски кварков в космических лучах и на современных ускорителях высоких энергий оказались безуспешными. Считается, что кварки обладают очень большой массой. В связи с этим, получить кварки при тех энергиях, которые можно получить в современных ускорителях, не получается. Тем не менее, установлено, что кварки существуют внутри тяжелых элементарных частиц, таких как андроны.

 Фундаментальные взаимодействия в природе

Сильное взаимодействие

Это вид фундаментального взаимодействия также носит название ядерного, так как оно обуславливает прочную связь между нуклонами в ядре атома. Из числа элементарных частиц в сильном взаимодействии принимают участие андроны (мезоны и барионы).

Сильное взаимодействие считается короткодействующим, так как проявляется на расстоянии порядка

${10}^{–15} м$

 и менее.

Электромагнитное взаимодействие

Благодаря этому виду взаимодействия возможно существование молекул и атомов. Оно определяет большинство свойств веществ, находящихся в трех агрегатных состояниях (твердом, жидком и газообразном). Оно обуславливает протекание процессов поглощения и излучения фотонов атомами и молекулами вещества, а также целый ряд других физических и химических процессов. Кулоновское отталкивание, существующее между протонами, объясняет неустойчивость ядер атомов с большими массовыми числами.

В электромагнитном взаимодействии могут участвовать любые частицы, которые обладают электрическим зарядом, а также кванты электромагнитного поля фотоны.

Слабое взаимодействие

Этот вид взаимодействия определяет ход наиболее медленных процессов, которые протекают в микромире, в том числе с участием нейтрино или антинейтрино.

В этом виде взаимодействия могут принимать участие любые элементарные частицы.

Гравитационное взаимодействие

В связи с тем, что масса элементарных частиц мала, силами гравитационного воздействия между ними можно пренебречь. Гравитация имеет значение при взаимодействии космических объектов, чья масса огромна.

Теория обменного взаимодействия

В первой трети прошлого столетия у исследователей появилась гипотеза о том, что все взаимодействия в мире элементарных частиц осуществляются посредством обмена квантами какого-либо поля. Выдвинули эту гипотезу советские ученые И.Е. Тамм и Д.Д. Иваненко. Они провели параллели между взаимодействиями, которые возникают в результате обмена частицами, и обменом валентными электронами, которые при образовании ковалентной химической связи объединяются на незаполненных электронных оболочках.

Подтверждением верности теории обменного взаимодействия стали теоретические выкладки японского физика Х. Юкавы, который доказал, что сильное взаимодействие между нуклонами можно объяснить обменом гипотетическими частицами, которые получили название мезонов. Юкава вычислил массу этих частиц. Она оказалась приблизительно равно

$300$

электронным массам.

Спустя несколько лет частицы с такой массой действительно были обнаружены. Они были названы π-мезонов (пионов). В настоящее время известны три вида пионов: 

${\pi }^{+}, {\pi }^{—}$

 и 

${\pi }_0$

.

Теория электрослабого взаимодействия рассматривает электромагнитное поле и поле слабого взаимодействия как две разные характеристики одного поля. В таком поле помимо квантов взаимодействие обеспечивают и векторные бозоны.

Теория Великого объединения

После того, как удалось объединить в одну модель слабое и электромагнитное взаимодействия, у исследователей появилась уверенность в том, что связаны между собой все виды взаимодействий. Единственное, чего не хватает для полноты картины, это физического подтверждения таких взаимодействий. До получения доказательств теория остается лишь привлекательной научной гипотезой.

Для того, чтобы объединить слабое, электромагнитное и гравитационное взаимодействия, физики-теоретики предположили существование гипотетической частицы под названием гравитон. Однако до настоящего времени существование такой частицы не было подтверждено в ходе экспериментов.

Предполагается, что получить подтверждение теории Великого объединения в современных ускорителях невозможно. А все потому, что единое поле, которое объединяет все виды взаимодействий, существует только при очень больших энергиях частиц. Такая энергия частицы могла наблюдаться только на самых ранних этапах существования вселенной, сразу после Большого взрыва.

Предполагается, что Большой взрыв произошел

$18$

миллиардов лет назад. В теории, сразу после Большого взрыва температура могла достигать

$1032 К$

, а энергия частиц 

$E = kT$

 достигать значений 

$1019$

 ГэВ. В таких условиях материя могла существовать в форме кварков и нейтрино, а все виды взаимодействий были объединены в одно силовое поле.

По мере расширения вселенной энергия частиц уменьшается. Из единого поля при энергиях частиц 

$\le 1019 ГэВ$

выделилось гравитационное взаимодействие. При энергиях порядка 

$1014 ГэВ$

разделились сильное и электрослабое взаимодействия. При энергиях порядка 

$103 ГэВ$

 все четыре вида фундаментальных взаимодействий оказались разделенными. Параллельно этому началось формирование более сложных форм материи: нуклонов, ядер атомов, атомов, ионов.

Основываясь на законах физики, описывающих взаимодействие элементарных частиц, создана модель эволюции вселенной, на которую опирается вся современная космология.

Источник: Zaochnik.com