Элементарные частицы список


С тех пор, как атом перестал быть неделимым, элементарных частиц в современной квантовой физике «развелось» так много, что впору задуматься об издании краткого путеводителя по элементарным частицам. Вот неполный список некоторых таких частиц – протоны, нейтроны, адроны, нуклоны, электроны, кварки, глюоны, бозоны, барионы, партоны, пионы, мюоны, лептоны, фермионы, гипероны, каоны, мезоны, нейтрино, гравитоны, фотоны. Наверное, специалисты-ядерщики легко расширят этот список ещё и дадут исчерпывающие комментарии по каждой из этих частиц и их родственных связях друг с другом.


Мы с вами пойдём другим путём. Наоборот, максимально сократим список элементарных частиц. И попробуем найти среди всего этого многообразия действительно элементарные, т.е. неделимые частицы. Для начала разделим все частицы на стабильные и нестабильные. И сосредоточим своё внимание исключительно на стабильных частицах, так как нестабильные частицы с точки зрения своей элементарности не представляют интереса. Потому что время их существования ограничено и они, по определению, в течение этого времени распадаются или трансформируются в какие-то другие частицы. При этом уточним, что к стабильным относятся элементарные частицы, имеющие бесконечное время жизни в свободном состоянии. Таких стабильных частиц в квантовой физике оказывается совсем не много. Это протон, электрон, фотон, гравитон и нейтрино. Причём, если из этого списка исключить все без массовые частицы, то останется всего две элементарные частицы – протон и электрон. Только эти две частицы обладают массой покоя и могут существовать в свободном состоянии бесконечно долго. Более продвинутые читатели укажут мне, что нейтрино также обладает массой не более 0,28 эВ. Не оспаривая в целом возможность существования такой частицы и наличия у неё массы, я, совершенно сознательно, исключил нейтрино из своего списка элементарных частиц по следующим соображениям – во-первых, точная масса нейтрино до сих пор не определена, а во-вторых, методы обнаружения и легализации таких частиц как нейтрино и антинейтрино вызывают большие сомнения в силу своей спорной научной чистоты и безупречности (может быть чуть позже, я напишу отдельную статью по этой теме).


оме перечисленных выше, с небольшой натяжкой, к элементарным стабильным частицам можно добавить нейтрон, который наравне с протоном существует в составе любого атомного ядра бесконечно долго, но в свободном состоянии распадается на протон и электрон примерно через 15 минут. Масса и заряд всех этих частиц установлены в многочисленных экспериментах и их величины на сегодняшний день не вызывают ни каких сомнений у научного сообщества.

Факт распада свободного нейтрона на протон и электрон недвусмысленно намекает нам на то, что нейтрон это не элементарная частица, а сложная, состоящая как минимум из протона и электрона. Однако в рамках стандартной модели этому факту даётся другая интерпретация. Так, согласно квантовой хромодинамике (КХД), каждый нейтрон состоит из двух нижних кварков и одного верхнего, а каждый протон из одного нижнего и двух верхних кварков. В рамках этой теории распад нейтрона сопровождается излучением одного электрона и превращением одного нижнего кварка в верхний. Т.е. нейтрон превращается в протон примерно вот так:


Согласно этой модели в превращении участвуют три нестабильных элементарных частицы с дробными зарядами. Верхний кварк (U) всегда имеет заряд 2/3e, и два нижних кварка (D) могут иметь заряды только минус 1/3e (где е заряд электрона). Наличие у кварков других величин зарядов запрещено стандартной моделью. Этот запрет не имеет строгого теоретического обоснования, и, наверное, поэтому получил красивое название — конфайнмент. Простое суммирование величин зарядов всех элементарных частиц участвующих в превращении нейтрона в протон даёт искомый заряд протона +1е.


Такой расчёт, по мнению сторонников КХД, позволяет надёжно обосновать существование кварков в составе нуклонов. Если попытаться понять физический смысл этого арифметического выражения, то очень быстро становится ясно, что вычитание величины заряда электрона производится не из нулевого заряда нейтрона, а из одного из его нижних кварков, имеющего заряд минус 1/3е (–1/3 – (– 1) = 2/3). Т.е. в рассматриваемом выражении в качестве стабильной электростатической системы выступает не сам нейтрон, а одна из его составных частей – нижний кварк. В таком подходе не было бы ничего плохого, если бы в ходе многочисленных экспериментов удалось обнаружить хотя бы один кварк с любым, кратным е/3 зарядом. Увы, пока экспериментальная физика таких случаев не представила. Поэтому, кварки в рамках стандартной модели остаются виртуальными частицами, необходимыми для чисто теоретического описания всего многообразия адронов. Использовать кварки в электростатических расчётах в качестве самостоятельных частиц, имеющих собственный заряд, нельзя хотя бы потому, что механизм дробного распределения разноимённых зарядов между кварками, постулированный американским физиком Гелл-Маном (автором кваркового строения нуклонов), не имеет под собой никакого теоретического обоснования. Более того, на сегодня ни одна лаборатория мира не зафиксировала ни одной частицы с величиной заряда меньше величины заряда электрона. Т.е., де-факто в реальном микромире таких частиц как кварки не обнаружено.


Раз так, может быть имеет смысл вернуться к подсказкам матушки-природы, и всё-таки попытаться объяснить строение нуклонов, опираясь на реально наблюдаемые данные, а не на выдуманные частицы? Давайте попробуем. Исходя из многочисленных и надёжно подтверждаемых экспериментов установлено, что в результате так называемых β-распадов, нуклоны стабильно испускают частицы с массой электрона и зарядами +1е и -1е. β-частицы с отрицательным зарядом это хорошо знакомые нам электроны, а β-частицы с положительным зарядом это позитроны. Позитрон это античастица электрона, имеет такую же как электрон массу и величину заряда, но противоположный знак (+e). Согласно современной классификации квантовой физики позитроны отнесены к антиматерии, наряду с другими античастицами, предсказанными общей теорией относительности. В результате β-распада экспериментально зафиксированы 4 типа распада нуклонов:


er__block_image" itemscope="" itemprop="image" itemtype="http://schema.org/ImageObject">

В результате этих превращений наш список пополнился новой частицей – антипротоном. Антипротон это ещё одна античастица, она антипод протона. На самом деле, практически все частицы, перечисленные в начале статьи, имеют свои античастицы. По крайней мере, так утверждает математический аппарат стандартной модели. Экспериментально антипротон был обнаружен в 1955 году. Его масса равна массе протона, но при этом, антипротон имеет отрицательный электрический заряд (-e).


Из представленных моделей β-распада нуклонов вырисовывается довольно странная картина. В каждую большую частицу (нейтрон, протон, антипротон) может входить любая маленькая — электрон или позитрон. Более того, любая большая частица может распадаться в любую другую большую частицу и любую маленькую. Напоминает какую-то сюрреалистическую матрёшку. Вот прекрасная головоломка для любителей логических парадоксов и пространственных иллюзий!

Чтобы с чего-то начать разгадку этой головоломки, давайте разделим массу нейтрона на массу электрона. Полученное значение — 1838 говорит нам, что ровно столько частиц с массой электрона можно “упаковать” в один нейтрон. Так как из объективных экспериментальных данных мы точно знаем, что в нейтроне кроме электронов могут находиться и позитроны, то будет вполне разумно разделить это число (1838) поровну между электронами и позитронами. Таким образом, получается, что каждый нейтрон может включать в себя не более 919 электронно-позитронных пар. Исходя из этого, не трудно посчитать, что каждый протон в этом случае будет содержать 918 электронов и 919 позитронов, а каждый антипротон должен состоять из 918 позитронов и 919 электронов. Такое, механическое, распределение позитронов и электронов внутри нейтронов, протонов и антипротонов позволяет отыскать чисто арифметическое решение нашей головоломки про матрёшку.


также объяснить разницу в массах между нейтронами и протонами. И заодно, снять все вопросы о взаимном превращении нуклонов. Потому что, отнимая у нейтрона один электрон, мы превращаем его в протон, состоящий из 918 электронов и 919 позитронов, отнимая один позитрон у протона, мы превращаем его в нейтрон, состоящий из 918 электронно-позитронных пар и т.д. Вроде бы, всё прекрасно встаёт на свои места. Однако, предвижу вопросы от дотошных читателей по поводу неизбежной аннигиляции электронов и позитронов в составе придуманных нами моделей нуклонов. Действительно, какая сила может удержать частицы с разноимёнными зарядами от взаимного притяжения и полного уничтожения в составе нуклона? Если мы обратимся к инструментарию классической электростатики, то рано или поздно доберёмся до такого понятия как суперпозиция разноимённых электрических зарядов. Суперпозиции бывают устойчивые и неустойчивые. В устойчивых суперпозициях электростатическая система может находиться как угодно долго, а для неустойчивых суперпозиций характерны спонтанные переходы отдельных элементов электростатической систем или системы в целом из одного неустойчивого состояния в другое, такое же неустойчивое состояние. Вооружённые этими знаниями мы вправе предположить, что электронно-позитронные пары в составе нуклонов могут формировать подобные суперпозиции, образуя достаточно сложные пространственные конфигурации. Для более наглядного представления таких пространственных конфигураций можно рассмотреть упрощённые плоские модели нейтрона и протона.


В модели нейтрона все электронно-позитронные пары взаимно уравновешены и занимают симметричные позиции относительно друг друга. Это соответствует устойчивой суперпозиции электростатической системы в целом. В модели протона для одного электрона не хватило места в симметричной структуре, вследствие этого он оказался на внешней неустойчивой позиции. Теперь, под действием любого случайного воздействия он вынужден совершать спонтанные прыжки вокруг симметричного «ядра» протона, переводя электростатическую систему протона из одного неустойчивого состояния в другое. Такова в общих чертах система "сдержек и противовесов", удерживающая электроны и позитроны в составе нуклонов.

Ну вот, мы окончательно убедились, что протоны и нейтроны не элементарные частицы. Все протоны и нейтроны состоят из более мелких частиц — электронов и позитронов. Значит ли это, что электроны и позитроны и есть те самые элементарные частицы — кирпичики мироздания, из которых построена вся остальная материя вселенной? Не факт! Для того чтобы доказать или опровергнуть это продолжим наши рассуждения.


Как уже отмечалось выше, такие элементарные частицы как электроны и позитроны при встрече в свободном состоянии должны взаимно притягиваться, так как обладают противоположными зарядами. Этот факт надёжно подтверждён многочисленными экспериментами. При этом, в ходе этих же самых экспериментов было зафиксировано, что встреча свободных электронов и позитронов всегда завершается их аннигиляцией — полным взаимным уничтожением. Энергия аннигиляции одного электрона и одного позитрона составляет примерно 0,551 КэВ. Этот факт также надёжно подтверждён многочисленными экспериментами. Не смотря на то, что стандартная модель допускает полное исчезновение материи и антиматерии после их аннигиляции и превращении их массы в чистую энергию, мы постараемся не нарушать фундаментальных законов природы. Поэтому предположим, что в полном соответствии с законом сохранения массы в результате аннигиляции электрона и позитрона энергия покоя, удерживающая более мелкие частицы, из которых могут состоять электроны и позитроны переходит в кинетическую энергию этих частиц. Что это за частицы нам пока не известно. Но, можно предположить, что они электрически нейтральны, т.к. при разрушении электронов и позитронов никаких более мелких стабильных частиц с электрическими зарядами не фиксируется. Продолжая логику этих рассуждений, опять же, можно предположить, что эти частицы обладают еще большей плотностью, чем электроны и взаимодействуют друг с другом только посредством гравитации. В качестве названия для таких частиц неплохо подходит термин гравитоны, который в современной квантовой физике зарезервирован для виртуальных (без массовых) частиц, испускающих особые гравитационные волны. Наши гравитоны должны обладать собственной массой и благодаря этому обязаны собираться в некие гравитонные облака, представляющие собой стабильные пространственные конфигурации (электроны и позитроны). Объёмная форма электронов и позитронов в этом случае будет близка к тору и это можно объяснить соблюдением всё тех же законов сохранения. Которые, в частности, запрещают бесконечное притяжение гравитонов друг к другу, так как их размеры конечны. Следовательно, уплотнившись до какого-то критического состояния, после которого дальнейшее сжатие становится невозможным, гравитонное облако должно либо разрушиться, либо начать избавляться от избыточной энергии сжатия. Хорошим механизмом для сброса такой «лишней» энергии может быть вращение гравитонного облака. При вращении любых тел вокруг общей оси, центробежные силы неизбежно соберут вращающиеся объекты в кольцо, диск или тор. В случае с электронами и позитронами наиболее вероятным пространственным расположением гравитонов является тор, как объёмная фигура вращения. Направление вращения такого тора, в первом приближении, представляется случайной величиной. Следствием этого является то, что во вселенной должно быть примерно одинаковое количество позитронов и электронов. Силой, объединяющей такие «бублики», является гравитация. Поэтому размер самих гравитонов не может быть меньше радиуса действия сил гравитации (10^-33 см), а их количество в одном электроне или позитроне должно быть строго связано с массой самого электрона или позитрона. Если предположить, что гравитон представляет собой идеальный шар и ограничить его размер радиусом 10^-32 см (т.е. близким к минимально допустимому), то можно приблизительно подсчитать количество таких шаров, умещаемых в торе с радиусом электрона (2,8*10^-15 см). Получится число порядка 2*10^17 штук. Т.е. каждый электрон и позитрон состоит, примерно, из 200 квадрильонов гравитонов, которые притягиваются друг к другу под действием силы гравитации. Масса одного гравитона в этом случае должна составлять что-то около 10^-41г.

Из предложенной модели строения электронов и позитронов объективно следует, что во вселенной существует колоссальное количество свободных гравитонов, являющихся конечным продуктом распада электронов и позитронов. Свободные гравитоны должны буквально пронизывать всё наше пространство, перемещаясь во всех направлениях. Эта своеобразная пыль вселенной должна в буквальном смысле этого слова заполнять все её уголки. Так вот она какая — тёмная материя!!!

На резонный вопрос – а из чего в таком случае состоят гравитоны? Рискну дать такой ответ — гравитоны это «капли» материи. Да-да, той самой первичной материи, загадочной субстанции, которую нельзя потрогать руками, но без которой наш материальный мир не существует. Т.е. наши гравитоны не что иное, как настоящие элементарные частицы, которые физически нельзя разделить или уничтожить. И из этого утверждения логически вытекает очень важное следствие — количество гравитонов во вселенной должно всегда оставаться неизменным. Они не могут бесследно исчезать или внезапно появляться из ниоткуда. По сути, это и есть закон сохранения массы – один из фундаментальных законов природы. В рамках предлагаемой гипотезы этот закон может быть сформулирован следующим образом – масса материи в замкнутой вселенной постоянна.

PS. Конечное число гравитонов во вселенной автоматически исключает возможность существования бесконечной вселенной. Но не запрещает бесконечное количество самих вселенных. Такой софизм стимулирует нас к дальнейшему поиску иерархических структур не только в микро-, но и в макромире.

Источник: zen.yandex.ru

Элемента́рная части́ца — собирательный термин, относящийся к микрообъектам в субъядерном масштабе, которые невозможно расщепить на составные части. Их строение и поведение изучается физикой элементарных частиц. Понятие элементарных частиц основывается на факте дискретного строения вещества. Ряд элементарных частиц имеет сложную внутреннюю структуру, однако разделить их на части невозможно. Другие элементарные частицы являются бесструктурными и могут считаться первичными фундаментальными частицами.

Начиная с 1932 года было открыто более 400 элементарных частиц.

По величине спина все элементарные частицы делятся на два класcа:

фермионы — частицы с полуцелым спином (например, электрон, протон, нейтрон, нейтрино) ;
бозоны — частицы с целым спином (например, фотон) .
По видам взаимодействий элементарные частицы делятся на следующие группы:

адроны — частицы, участвующие во всех видах фундаментальных взаимодействий. Они состоят из кварков и подразделяются, в свою очередь, на:
мезоны (адроны с целым спином, т. е. бозоны) ;
барионы (адроны с полуцелым спином, т. е. фермионы) . К ним, в частности, относятся частицы, составляющие ядро атома, — протон и нейтрон.
лептоны — фермионы, которые имеют вид точечных частиц (т. е. не состоящих ни из чего) вплоть до масштабов порядка 10−18 м. Не участвуют в сильных взаимодействиях. Участие в электромагнитных взаимодействиях экспериментально наблюдалось только для заряженных лептонов (электроны, мюоны, тау-лептоны) и не наблюдалось для нейтрино. Известны 6 типов лептонов.
кварки — дробнозаряженные частицы, входящие в состав адронов. В свободном состоянии не наблюдались. Как и лептоны, делятся на 6 типов и являются бесструктурными, однако, в отличие от лептонов, участвуют в сильном взаимодействии.
калибровочные бозоны — частицы, посредством обмена которыми осуществляются взаимодействия:
фотон — частица, переносящая электромагнитное взаимодействие;
восемь глюонов — частиц, переносящих сильное взаимодействие;
три промежуточных векторных бозона W+, W− и Z0, переносящие слабое взаимодействие;
гравитон — частица, переносящая гравитационное взаимодействие. Существование гравитонов, хотя пока не доказано экспериментально в связи со слабостью гравитационного взаимодействия, считается вполне вероятным.
Адроны и лептоны образуют вещество. Калибровочные бозоны — это кванты разных видов излучения.

Кроме того, в Стандартной Модели с необходимостью присутствует хиггсовский бозон, который, впрочем, пока ещё не обнаружен экспериментально.

Первоначально термин «элементарная частица» подразумевал нечто абсолютно элементарное, первокирпичик материи. Однако, когда в 1950-х и 1960-х годах были открыты сотни адронов с похожими свойствами, стало ясно, что по крайней мере адроны обладают внутренними степенями свободы, т. е. не являются в строгом смысле слова элементарными. Это подозрение в дальнейшем подтвердилось, когда выяснилось, что адроны состоят из кварков.

Таким образом, мы продвинулись ещё немного вглубь строения вещества: самыми элементарными, точечными частями вещества сейчас считаются лептоны и кварки. Для них (вместе с калибровочными бозонами) и применяется термин «фундаментальные частицы» .

Источник: otvet.mail.ru

Оглавление

1 Систематизация по полевой теории элементарных частиц

  • L=0 (спин = 1) – группировка фотона, имеется одна частица – фотон;
  • L=1/2 (спин = 1/2) – группировка лептонов, имеются 2 подгруппы (электрона и мюона) каждая по 4 частицы/античастицы. Все элементарные частицы данной группы открыты. Тау-лептон и его нейтрино является возбужденными состояниями мюона и мюонного нейтрино;
  • L=1 (спин = 0) – группировка мезонов, имеются 3 подгруппы (пи-мезона, К-мезона, эта мезона) каждая по три частицы/античастицы. Отсутствие нейтральной «античастицы» вызвано нулевой величиной спина. В данной группе пока не открыт заряженный эта мезон. Разделение К0-мезонов на К0L и К0S существует только в рамках квантовой теории;
  • L=3/2 (спин = 1/2) – группировка барионов, имеются 4 подгруппы (протона, лямбда-гиперона, сигма-гиперона, кси-гиперона) каждая по 4 частицы/античастицы. Общепринятая систематизация отнесла заряженный лямбда-гиперон к сигма гиперонам. Все элементарные частицы данной группы открыты;
  • L=2 (спин = 1) – группировка векторных мезонов, 5 подгрупп, каждая по 4 частицы/античастицы. В настоящий момент открыты следующие элементарные частицы: подгруппа D*-мезонов, W±-мезоны(бозоны), Z0-мезон(бозон), J/ψ-мезон;
  • L=5/2 (спин = 3/2) – группировка тяжелых барионов, 6 подгрупп, каждая по 4 частицы/античастицы. В настоящий момент ни одна элементарная частица данной группы не открыта. Что касается омега-минус-гиперона — то он является возбужденным состоянием кси-гиперона;
  • L=3 (спин = 2) – группировка векторных мезонов, 7 подгрупп, каждая по 4 частицы/античастицы. В настоящий момент ни одна элементарная частица данной группы не открыта;
  • L=7/2 (спин = 5/2) – группировка тяжелых барионов, 8 подгрупп, каждая по 4 частицы/античастицы. В настоящий момент ни одна элементарная частица данной группы не открыта;
  • L=4 (спин = 3) – группировка векторных мезонов, 9 подгрупп, каждая по 4 частицы/античастицы. В настоящий момент ни одна элементарная частица данной группы не открыта;

2 Систематизация по квантовой теории поля

Источник: www.sites.google.com


You May Also Like

About the Author: admind

Добавить комментарий

Ваш e-mail не будет опубликован. Обязательные поля помечены *

Этот сайт использует Akismet для борьбы со спамом. Узнайте как обрабатываются ваши данные комментариев.