Характеристики элементарных частиц статьи студент


Характеристики элементарных частиц статьи студент «Мы задаёмся вопросом, почему группа талантливых и преданных своему делу людей готова посвятит жизнь погоне за такими малюсенькими объектами, которые даже невозможно увидеть? На самом деле, в занятиях физиков элементарных частиц проявляется человеческое любопытство и желание узнать, как устроен мир, в котором мы живём» Шон Кэрролл

Если вы всё ещё боитесь фразы квантовая механика и до сих пор не знаете, что такое стандартная модель — добро пожаловать под кат. В своей публикации я попытаюсь максимально просто и наглядно объяснить азы квантового мира, а так же физики элементарных частиц. Мы попробуем разобраться, в чём основные отличия фермионов и бозонов, почему кварки имеют такие странные названия, и наконец, почему все так хотели найти Бозон Хиггса.

Из чего мы состоим?

Ну что же, наше путешествие в микромир мы начнём с незатейливого вопроса: из чего состоят окружающие нас предметы? Наш мир, как дом, состоит из множества небольших кирпичиков, которые особым образом соединяясь, создают что-то новое, не только по внешнему виду, но ещё и по своим свойствам. На деле, если сильно к ним приглядеться, то можно обнаружить, что различных видов блоков не так уж и много, просто каждый раз они соединяются друг с другом по-разному, образуя новые формы и явления. Каждый блок — это неделимая элементарная частица, о которой и пойдёт речь в моём рассказе.


Для примера, возьмём какое-нибудь вещество, пусть у нас это будет второй элемент периодической системы Менделеева, инертный газ, гелий. Как и остальные вещества во Вселенной, гелий состоит из молекул, которые в свою очередь образованы связями между атомами. Но в данном случае, для нас, гелий немного особенный, потому что он состоит всего из одного атома.

Характеристики элементарных частиц статьи студент

Из чего состоит атом?

Атом гелия, в свою очередь, состоит из двух нейтронов и двух протонов, составляющих атомное ядро, вокруг которого вращаются два электрона. Самое интересное, что абсолютно неделимым здесь является лишь электрон.

Интересный момент квантового мира

Чем меньше масса элементарной частицы, тем больше места она занимает. Именно по этой причине электроны, которые в 2000 раз легче протона, занимают гораздо больше места по сравнению с ядром атома.

Нейтроны и протоны относятся к группе так называемых адронов (частиц, подверженных сильному взаимодействию), а если быть ещё точнее, барионов.

Адроны можно разделить на группы

  • Барионов, которые состоят из трёх кварков
  • Мезонов, которые состоят из пары: частица-античастица

Нейтрон, как ясно из его названия, является нейтрально заряженным, и может быть поделён на два нижних кварка и один верхний кварк. Протон, положительно заряженная частица, делится на один нижний кварк и два верхних кварка.

Характеристики элементарных частиц статьи студент

Да, да, я не шучу, они действительно называются верхний и нижний. Казалось бы, если мы открыли верхний и нижний кварк, да ещё электрон, то сможем с их помощью описать всю Вселенную. Но это утверждение было бы очень далеко от истины.

Главная проблема — частицы должны как-то между собой взаимодействовать. Если бы мир состоял лишь из этой троицы (нейтрон, протон и электрон), то частицы бы просто летали по бескрайним просторам космоса и никогда бы не собирались в более крупные образования, вроде адронов.

Фермионы и Бозоны

Достаточно давно учёными была придумана удобная и лаконичная форма представления элементарных частиц, названная стандартной моделью. Оказывается, все элементарные частицы делятся на фермионы, из которых и состоит вся материя, и бозоны, которые переносят различные виды взаимодействий между фермионами.


Разница между этими группами очень наглядна. Дело в том, что фермионам для выживания по законам квантового мира необходимо некоторое пространство, а для бозонов почти не важно наличие свободного места.

Фермионы


Группа фермионов, как было уже сказано, создаёт видимую материю вокруг нас. Что бы мы и где ни увидели, создано фермионами. Фермионы делятся на кварки, сильно взаимодействующие между собой и запертые внутри более сложных частиц вроде адронов, и лептоны, которые свободно существуют в пространстве независимо от своих собратьев.

Кварки делятся на две группы.

  • Верхнего типа. К кваркам верхнего типа, с зарядом +23, относят: верхний, очарованный и истинный кварки
  • Нижнего типа. К кваркам нижнего типа, с зарядом -13, относят: нижний, странный и прелестный кварки

Истинный и прелестный являются самыми большими кварками, а верхний и нижний — самыми маленькими. Почему кваркам дали такие необычные названия, а говоря более правильно, «ароматы», до сих пор для учёных предмет споров.

Лептоны также делятся на две группы.

  • Первая группа, с зарядом «-1», к ней относят: электрон, мюон (более тяжёлую частицу) и тау-частицу (самую массивную)
  • Вторая группа, с нейтральным зарядом, содержит: электронное нейтрино, мюонное нейтрино и тау-нейтрино

Нейтрино — есть малая частица вещества, засечь которую практически невозможно. Её заряд всегда равен 0.


Возникает вопрос, не найдут ли физики ещё несколько поколений частиц, которые будут еще более массивными, по сравнению с предыдущими. На него ответить трудно, однако теоретики считают, что поколения лептонов и кварков исчерпываются тремя.

Не находите никакого сходства? И кварки, и лептоны делятся на две группы, которые отличаются друг от друга зарядом на единицу? Но об этом позже…

Бозоны


Без них бы фермионы сплошным потоком летали по вселенной. Но обмениваясь бозонами, фермионы сообщают друг другу какой-либо вид взаимодействия. Сами бозоны же с друг другом практически не взаимодействуют.
На самом деле, некоторые бозоны всё же взаимодействуют друг с другом, но об этом будет рассказано более подробно в следующих статьях о проблемах микромира

Взаимодействие, передаваемое бозонами, бывает:

  • Электромагнитным, частицы — фотоны. С помощью этих безмассовых частиц передаётся свет.
  • Сильным ядерным, частицы — глюоны. С их помощью кварки из ядра атома не распадаются на отдельные частицы.
  • Слабым ядерным, частицы — ±W и Z бозоны. С их помощью фермионы перекидываются массой, энергией, и могут превращаться друг в друга.
  • Гравитационным, частицы — гравитоны. Чрезвычайно слабая в масштабах микромира сила. Становится видимой только на сверхмассивных телах.

Оговорка о гравитационном взаимодействии.
Существование гравитонов экспериментально ещё не подтверждено. Они существуют лишь в виде теоретической версии. В стандартной модели в большинстве случаев их не рассматривают.

Вот и всё, стандартная модель собрана.

Характеристики элементарных частиц статьи студент

Проблемы только начались

Несмотря на очень красивое представление частиц на схеме, осталось два вопроса. Откуда частицы берут свою массу и что такое Бозон Хиггса, который выделяется из остальных бозонов.

Для того, что бы понимать идею применения бозона Хиггса, нам необходимо обратиться к квантовой теории поля. Говоря простым языком, можно утверждать, что весь мир, вся Вселенная, состоит не из мельчайших частиц, а из множества различных полей: глюонного, кваркового, электронного, электромагнитного и.т.д. Во всех этих полях постоянно возникают незначительные колебания. Но наиболее сильные из них мы воспринимаем как элементарные частицы. Да и этот тезис весьма спорный. С точки зрения корпускулярно-волнового дуализма, один и тот же объект микромира в различных ситуациях ведёт себя то как волна, то как элементарная частица, это зависит лишь от того, как физику, наблюдающему за процессом, удобнее смоделировать ситуацию.

Поле Хиггса

Оказывается, существует так называемое поле Хиггса, среднее значение которого не хочет стремиться к нулю.


результате чего, это поле старается принять некоторое постоянное ненулевое значение во всей Вселенной. Поле составляет вездесущий и постоянный фон, в результате сильных колебаний которого и появляется Бозон Хиггса.
И именно благодаря полю Хиггса, частицы наделяются массой.
Масса элементарной частицы, зависит от того, насколько сильно она взаимодействует с полем Хиггса, постоянно пролетая внутри него.
И именно из-за Бозона Хиггса, а точнее из-за его поля, стандартная модель имеет так много похожих групп частиц. Поле Хиггса вынудило сделать множество добавочных частиц, таких, например, как нейтрино.

Итоги

То, что было рассказано мною, это самые поверхностные понятия о природе стандартной модели и о том, зачем нам нужен Бозон Хиггса. Некоторые учёные до сих пор в глубине души надеются, что частица, найденная в 2012 году и похожая на Бозон Хиггса в БАКе, была просто статистической погрешностью. Ведь поле Хиггса нарушает многие красивые симметрии природы, делая расчёты физиков более запутанными.
Некоторые даже считают, что стандартная модель доживает свои последние годы из-за своего несовершенства. Но экспериментально это не доказано, и стандартная модель элементарных частиц остаётся действующим образцом гения человеческой мысли.

Источник: habr.com

Величины, характеризующие элементарные частицы. Формула Гелл-Манна – Нишиджимы

Каждая элементарная частица характеризуется следующими величинами:

1.


Характеристики элементарных частиц статьи студент – электрический заряд;

2. m – масса частицы (МэВ);

3. Характеристики элементарных частиц статьи студент – время жизни (секунды или года);

4. L – лептонный заряд (особое квантовое число, характеризующее лептоны);

5. B – барионный заряд (особое квантовое число, характеризующее барионы);

6. Характеристики элементарных частиц статьи студент – спин (квантовое число, определяющее соответствующую характеристику элементарной частицы, складываемую с её импульсом по правилу сложения векторов);

7. I – изотопический спин. Элементарные частицы можно сгруппировать в мультиплеты (совокупность элементарных частиц, обладающих сходными свойствами). Количество членов мультиплета характеризует изотопический спин:

Характеристики элементарных частиц статьи студент 

Для примера, у протона и нейтрона изотопический спин равен:


Характеристики элементарных частиц статьи студент 

Следовательно:

Характеристики элементарных частиц статьи студент 

Поэтому нуклон представлен двумя состояниями – протоном и нейтроном.

Для пионов изотопический спин Характеристики элементарных частиц статьи студент, следовательно, количество пионов равно 3 (Характеристики элементарных частиц статьи студент) – этоХарактеристики элементарных частиц статьи студент-мезоны,Характеристики элементарных частиц статьи студент-мезоны,


Характеристики элементарных частиц статьи студент-мезоны.

8. S – странность (квантовое число, необходимое для описания некоторых короткоживущих частиц). Эту характеристику ввели Гёлл-Манн и Нишиджима в 1954 году для объяснения того, что некоторые элементарные частицы всегда рождаются парами, а также для объяснения аномально долгого времени жизни некоторых элементарных частиц.

9. C – очарование.

10. b – красота.

Американский физик Гёлл-Манн и японский физик Нишиджима для характеристики адронов ввели понятие гиперзаряда (Y).

Характеристики элементарных частиц статьи студент ,

где B – барионный заряд; S – странность; C – очарование; b – красота.

Гиперзаряд определяет заряд отдельно взятой частицы по формуле Гелл-Манна – Нишиджимы:

Характеристики элементарных частиц статьи студент ,

где Характеристики элементарных частиц статьи студент – третья проекция изотопического спина.

Например, для нуклонов изотопический спин равен


Характеристики элементарных частиц статьи студент, поэтому проекция равна Характеристики элементарных частиц статьи студент. Барионный заряд: Характеристики элементарных частиц статьи студент. Остальные внутренние квантовые числа равны нулю. Следовательно, гиперзаряд: Характеристики элементарных частиц статьи студент. Согласно формуле, заряд нуклона может быть равен:

Характеристики элементарных частиц статьи студент, что соответствует протону (Характеристики элементарных частиц статьи студент)

Или

Характеристики элементарных частиц статьи студент – заряд нейтрона (Характеристики элементарных частиц статьи студент)

Фундаментальные взаимодействия элементарных частиц

Фундаментальные взаимодействия элементарных частиц подразделяются на четыре вида: сильное, электромагнитное, слабое, гравитационное (см. табл. 1).

Характеристики элементарных частиц статьи студент

Табл. 1. Фундаментальные взаимодействия элементарных частиц

Если интенсивность сильного взаимодействия принять за единицу, то интенсивность электромагнитного будет порядка Характеристики элементарных частиц статьи студент от сильного взаимодействия между частицами, слабого – Характеристики элементарных частиц статьи студент, гравитационного – Характеристики элементарных частиц статьи студент.

Источник: interneturok.ru

Происхождение хиггсовского механизма

Хиггсовский механизм электрослабой симметрии — ключевой элемент Стандартной модели, которая очень удачно описывает мир элементарных частиц. Однако Стандартная модель не дает никакого объяснения тому, почему вообще есть хиггсовское поле и почему оно обладает таким свойством — образовывать вакуумный конденсат.

Проблема иерархии

В квантовой теории элементарных частиц оказывается, что вакуум — это не абсолютная пустота, а безостановочно бурлящее море виртуальных частиц. Эти виртуальные частицы самых разных сортов появляются на короткий миг и тут же пропадают. Однако если поблизости есть какая-то реальная частица, то они словно окутывают ее и изменяют ее свойства. Все частицы, из которых состоит наш мир, и даже те частицы, которые рождаются на коллайдерах, — это уже частицы, «укутанные» в виртуальную шубу. Массы, заряды и все прочие характеристики наблюдаемых частиц — это характеристики не исходных, а укутанных частиц.

Теоретики учитывают это явление с помощью особой математической процедуры, называемой перенормировкой. Для всех частиц Стандартной модели она работает хорошо, хотя доказать это было непросто (за это в 1999 году Г. ‘т Хоофту и М. Вельтману была присуждена Нобелевская премия по физике). Однако в случае хиггсовского бозона возникает проблема: влияние виртуальных частиц оказалось в теоретических расчетах ненормально сильным и неузнаваемо меняло массу бозона. В самом простейшем варианте, если исходная масса хиггсовского бозона составляла, скажем, 100 ГэВ, то после укутывания в шубу из виртуальных частиц она возрастала в триллионы раз, и такая частица уже не могла играть роль хиггсовского бозона.

Условно говоря, с точки зрения теории, Стандартная модель, будучи предоставлена сама себе, стремится «улететь» на энергетический масштаб, на много порядков превышающий реальный масштаб электрослабых явлений (порядка 200 ГэВ). Внутри Стандартной модели нет никакого сдерживающего фактора, останавливающего рост массы хиггсовского бозона за счет виртуальных частиц. Эта трудность называется проблемой иерархии — теорию сформулировали для работы на одном масштабе, но она «предпочитает жить» на гораздо большем масштабе энергий. (Слово «иерархия» здесь понимается как исключительно сильный дисбаланс энергетических масштабов.)

Есть две точки зрения на эту проблему. Первая возможность заключается в следующем: хиггсовский бозон изначально имел ненормальные свойства, и лишь после того, как он приобрел виртуальную шубу, все ненормальности очень точно скомпенсировались. Физикам такая тонкая подстройка кажется исключительно противоестественной.

Второй выход таков. Если в природе есть какие-то другие частицы, то их — в виртуальном виде — влияние на хиггсовский бозон компенсирует друг друга. Самое важное здесь в том, что во многих моделях физики вне Стандартной модели (в том числе, некоторые неминимальные варианты хиггсовского механизма, а также суперсимметричные теории) эту компенсацию не надо подстраивать, она сама по себе возникает такая, как надо, просто по построению теории. Именно такие теории больше всего привлекают теоретиков.

Парадокс LEP

Примем ту точку зрения, что при повышении энергии Стандартная модель действительно превращается в какую-то более широкую теорию, которая и решает проблему иерархий. В большинстве конкретных примеров получается, что эта Новая физика должна полноправно вступать в свои права при энергии около 1 ТэВ, то есть современные коллайдеры вот-вот откроют новые частицы или силы. Но раз так, Новая физика должна начинать чувствоваться при гораздо меньших масштабах энергий, порядка 100 ГэВ — ведь она «включается» не резко, а постепенно, с ростом энергии.

Проблема, однако, в том, что ни электрон-позитронный коллайдер LEP (полная энергия столкновений почти 200 ГэВ), ни протон-антипротонный коллайдер Тэватрон (полная энергия столкновений 2 ТэВ, что дает типичную энергию партонных столкновений несколько сотен ГэВ) до сих пор не открыли никакого достоверного отклонения от Стандартной модели. Эту же проблему называют «парадоксом LEP»: несмотря на высокую точность данных LEP и несмотря на то, что Новая физика должна быть «за углом», никакого намека на нее LEP не увидел. Впрочем, в последний год работы Тэватрон предъявил сразу несколько результатов, требующих объяснений, однако до настоящего открытия физики за пределами Стандартной модели дело пока не дошло.

Массы фермионов

Еще одной загадочной чертой Стандартной модели является очень большой разброс масс фундаментальных фермионов, то есть кварков и лептонов (см. рис. 2). Массы топ-кварка и электрона различаются в сотни тысяч раз, а если принимать во внимание нейтрино, то в триллион раз! Поскольку массы фермионов в Стандартной модели возникают за счет хиггсовского механизма, то получается, что безразмерные коэффициенты во взаимодействии хиггсовского поля с фермионами тоже разбросаны в очень широком диапазоне.

С точки зрения всего опыта теоретической физики такая ситуация тоже выглядит ненормальной. Физики пытаются понять, может ли существовать какой-то механизм, который естественным образом приводит к такому разбросу. Стандартная модель тут не поможет, но в некоторых нестандартных теориях похожая иерархия масс может возникать.

Нейтрино

Стандартная модель, в том виде, в каком она изначально и строилась, требует, чтобы нейтрино были строго безмассовые. Однако экспериментально доказано, что нейтрино имеют массу, пусть и очень маленькую. Кроме того, нейтрино очень активно смешиваются друг с другом, постоянно перетекая из одного типа в другой. Всё это наводит на мысль, что массы и смешивание нейтрино происходит не из-за хиггсовского механизма, а за счет явления какой-то иной природы. Опять же, в Стандартной модели таких явлений нет, а вот среди разнообразных вариантов Новой физики таких механизмов предостаточно.

Отсутствие частиц темной материи

В астрофизике сейчас считается общепринятым, что во Вселенной, кроме обычного вещества в виде звезд, планет, газопылевых облаков, черных дыр, нейтрино и т. п., существуют и частицы совершенно иной природы, которых мы не видим ни в каком диапазоне электромагнитных волн. Это частицы темной материи, про которые сейчас ничего не известно, кроме того лишь факта, что они движутся с малыми скоростями и практически не взаимодействуют с излучением и обычным веществом. В Стандартной модели нет ни одной частицы, подходящей на эту роль. Однако частицы-кандидаты в темную материю встречаются среди теорий вне Стандартной модели.

Преобладание вещества над антивеществом

По всей видимости, наблюдаемая часть Вселенной состоит практически целиком из вещества — отдельных планет, звезд, галактик, сделанных из антиматерии, нет. Такой дисбаланс вещества над антивеществом должен был возникнуть динамически на самых ранних этапах эволюции Вселенной. Однако расчеты показали, что Стандартная модель породить нужный дисбаланс неспособна. Фактически, само существование мира, каким мы его видим, говорит о недостаточности Стандартной модели.

Источник: elementy.ru

Каждая частица описывается набором физических величин – квантовых чисел, определяющих её свойства. Наиболее часто употребляемые характеристики частиц следующие.

Масса покоя частицы, Характеристики элементарных частиц статьи студент . Массы покоя элементарных частиц определяются либо по отношению к массе электрона, либо на основании соотношения Характеристики элементарных частиц статьи студент в МэВ. Существуют элементарные частицы, масса покоя которых равна нулю, например фотоны. Они всегда движутся со скоростью света. К группе лептонов относятся легкие частицы: электроны ( Характеристики элементарных частиц статьи студент кг Характеристики элементарных частиц статьи студент МэВ), позитроны, различные нейтрино.. Частицы с массой в пределах до тысячи масс электрона называют мезонами: Характеристики элементарных частиц статьи студент — мезоны, Характеристики элементарных частиц статьи студент — мезоны ( Характеристики элементарных частиц статьи студент МэВ), Характеристики элементарных частиц статьи студент — мезоны ( Характеристики элементарных частиц статьи студент МэВ). Тяжелые элементарные частицы называются барионами: протон, нейтрон, гипероны, резонансы. Например, масса протона Характеристики элементарных частиц статьи студент МэВ, масса гиперона Характеристики элементарных частиц статьи студент равна Характеристики элементарных частиц статьи студент МэВ. Существуют и более тяжелые частицы: масса бозона Характеристики элементарных частиц статьи студент равна Характеристики элементарных частиц статьи студент ГэВ, масса недавно открытого бозона Хиггса оценивается в Характеристики элементарных частиц статьи студент ГэВ.

Время жизни, Характеристики элементарных частиц статьи студент . В зависимости от времени жизни частицы делятся на стабильные, квазистабильные и нестабильные. К стабильным частицам относятся протон ( > 5∙1032 лет), электрон ( > 2∙1022 лет), три разновидности нейтрино и их античастицы, для которых в настоящее время распады не обнаружены, фотоны. Все остальные элементарные частицы нестабильны, их время жизни находится в пределах 10-10 – 10-24 с, после чего они распадаются. К нестабильным частицам относят частицы, распадающиеся в результате сильного взаимодействия. Их обычно называют резонансами. Характерное время жизни резонансов 10-24 – 10-22 с. Характеристики элементарных частиц статьи студент Частицы, распадающиеся за счет слабого или электромагнитного взаимодействий, время жизни которых превышает 10-20 с, называются квазистабильными. Например, время жизни Характеристики элементарных частиц статьи студент — мезона 0,8∙10-16 с.

Электрический заряд Характеристики элементарных частиц статьи студент . Электрический заряд элементарных частиц является целой кратной величиной от элементарного электрического заряда Характеристики элементарных частиц статьи студент = 1,6⋅10−19 Кл. Известные элементарные частицы имеют электрические заряды Характеристики элементарных частиц статьи студент Кварки имеют дробные электрические заряды: верхние кварки Характеристики элементарных частиц статьи студент нижние Характеристики элементарных частиц статьи студент

Спин Характеристики элементарных частиц статьи студент. Спин – собственный момент количества движения элементарной частицы, имеющий квантовую природу и не связанный с перемещением частицы как целого. Величина спина измеряется в единицах постоянной Планка Характеристики элементарных частиц статьи студент и равна Характеристики элементарных частиц статьи студент , где – характерное для каждого сорта частиц целое (в том числе нулевое) или полуцелое положительное число, называемое спиновым квантовым числом. Например, спин -, -мезонов равен 0, спин фотона равен 1, гравитона 2. Спин электрона, мюона, протона равен 1/2, спин — гиперона равен 3/2. Частицы с полуцелым спином подчиняются статистике Ферми−Дирака, их называют фермионами . К фермионам относятся лептоны, барионы, барионные резонансы, кварки и их античастицы. Для фермионов справедлив принцип запрета Паули. Частицы с целым спином подчиняются статистике Бозе-Эйнштейна, их называют бозонами. К бозонам относятся фотон, гравитон, промежуточные векторные бозоны, мезоны и мезонные резонансы, глюоны.

Внутренняя четность Характеристики элементарных частиц статьи студент – квантовое число, характеризующее поведение волновой функции физической системы при некоторых дискретных преобразованиях. Если при пространственной инверсии (переход от правовинтовой системы координат к левовинтовой) волновая функция остаётся неизменной, то состояние, описываемое такой волновой функцией, называется чётным ( = + 1). Если при таком преобразовании волновая функция меняет знак на противоположный, то такое состояние называется нечётным ( = – 1). Например, четностьмезона Характеристики элементарных частиц статьи студент

Наряду с общими для всех частиц характеристиками, используют также квантовые числа, которые приписывают только отдельным группам частиц.

Лептонное число(лептонный заряд) – аддитивное внутреннее квантовое число, приписываемое каждому семейству (поколению) лептонов: Характеристики элементарных частиц статьи студентХарактеристики элементарных частиц статьи студент Характеристики элементарных частиц статьи студентХарактеристики элементарных частиц статьи студентХарактеристики элементарных частиц статьи студент . Лептоны , и участвуют только в электромагнитных и слабых взаимодействиях. Лептоны Характеристики элементарных частиц статьи студент , Характеристики элементарных частиц статьи студент и Характеристики элементарных частиц статьи студент участвуют только в слабых взаимодействиях. Обычно лептонам приписывается лептонное число, равное Характеристики элементарных частиц статьи студент а антилептонам, равное Характеристики элементарных частиц статьи студент Например, электрон Характеристики элементарных частиц статьи студент электронное нейтрино имеют Характеристики элементарных частиц статьи студент ; а Характеристики элементарных частиц статьи студент имеют Характеристики элементарных частиц статьи студент При этом , и Характеристики элементарных частиц статьи студент не тождественны друг другу. Для элементарных частиц, не являющихся лептонами, лептонное число равно нулю. Эксперимент показал, что во всех процессах взаимодействия элементарных частиц с участием лептонов каждое из лептонных чисел сохраняется.

Барионное число (барионный заряд), Характеристики элементарных частиц статьи студент , – характеристика элементарных частиц, отражающая установленный на опыте закон сохранения «тяжелых» частиц – барионов. Понятие «барионное число» введено в 1938 г. Э.Штюкельбергом для объяснения стабильности протона. Барионное число протона, нейтрона, Характеристики элементарных частиц статьи студент и Характеристики элементарных частиц статьи студент гиперонов равно + Характеристики элементарных частиц статьи студент , а Характеристики элементарных частиц статьи студент — и Характеристики элементарных частиц статьи студент — мезоны имеют Характеристики элементарных частиц статьи студент У антибарионов Характеристики элементарных частиц статьи студент . Закон сохранения барионного заряда запрещает распад протона, обладающего барионным зарядом, на мезоны и лептоны, которые не имеют барионного заряда.

Странность, Характеристики элементарных частиц статьи студент– аддитивное квантовое число, являющееся одной из специфических характеристик адронов, носителем которой является странный кварк Характеристики элементарных частиц статьи студент . Все адроны обладают определёнными целочисленными (нулевыми, положительными или отрицательными) значениями , причём Характеристики элементарных частиц статьи студент Адроны с Характеристики элементарных частиц статьи студент называются странными частицами. К странным частицам относятся К-мезоны, гипероны и некоторые резонансы. Например, гипероны и имеют Характеристики элементарных частиц статьи студент мезоны Характеристики элементарных частиц статьи студент имеют Характеристики элементарных частиц статьи студент Частицам, не участвующим в сильном взаимодействии, приписывается значение Характеристики элементарных частиц статьи студент В процессах, обусловленных сильным и электромагнитным взаимодействиями, странность сохраняется, т.е. суммарная странность исходных и конечных частиц одинакова. В процессах слабого взаимодействия странность может нарушаться.

Очарование(шарм) [от англ. charm – очарование] — аддитивное квантовое число Характеристики элементарных частиц статьи студент , характеризующее адроны или кварки. Носителем квантового числа является Характеристики элементарных частиц статьи студент -кварк, массой примерно 1,5 ГэВ и электрическим зарядом +2/3. Может принимать значения −3, −2, −1, 0, +1, +2, +3. Например, Характеристики элементарных частиц статьи студент имеет Характеристики элементарных частиц статьи студент Квантовое число очарование сохраняется в сильном и электромагнитном взаимодействиях, но нарушается слабым взаимодействием.

Прелесть (красота, боттомность, Характеристики элементарных частиц статьи студент ) [от англ. – beauty] – аддитивное квантовое число, присущее красивым, или прелестным, адронам, сохраняющееся в процессах сильного и электромагнитного взаимодействия и нарушающееся в процессах слабого взаимодействия. Носителем красоты являются — кварк, а также адроны, в состав которых входит — кварк (или его антикварк). Для красивых барионов квантовое число может принимать значения Характеристики элементарных частиц статьи студент

Для всех элементарных частиц с ненулевыми значениями хотя бы одного из квантовых чисел Характеристики элементарных частиц статьи студент существуют античастицы с теми же значениями массы, времени жизни, спина, изотопического спина (для адронов), но с противоположными знаками указанных квантовых чисел. Частицы, не имеющие античастиц, называются истинно нейтральными частицами ( Характеристики элементарных частиц статьи студент -, Характеристики элементарных частиц статьи студент -, Характеристики элементарных частиц статьи студент — и Характеристики элементарных частиц статьи студент — мезоны).

Понятия частицы и античастицы относительны. Что называть частицей, а что античастицей – это вопрос соглашения. Электрон считают частицей, а позитрон – античастицей только потому, что в нашей Вселенной преобладают именно электроны, а позитроны являются экзотическими объектами. В вакууме при отсутствии вещества позитрон столь же стабилен, как и электрон. Однако при встрече электрона с позитроном эти частицы аннигилируют, превращаясь в несколько квантов излучения. Аннигилируют и другие частицы со своими античастицами. При аннигиляции тяжелых частиц возникают не столько гамма-кванты, сколько другие легкие частицы. Так, при аннигиляции протона с антипротоном появляются пи-мезоны.

Вещество, основой которого являются барионы – тяжелые элементарные частицы, включающие протоны и нейтроны и ряд короткоживущих частиц, которые при распаде порождают протоны, называется барионным веществом или барионной материей. Все вещество, с которым мы имеем дело и из которого сами состоим, является барионным. В нашей Вселенной астрономами не обнаружено скоплений антивещества. Этот факт получил название барионной асимметрии Вселенной.

Барионная асимметрия Вселенной – экстраполяция на Вселенную в целом наблюдаемого преобладания вещества над антивеществом в нашем локальном скоплении галактик; отсутствие в заметных количествах в Метагалактике антивещества, что противоречит симметричному образованию пары частица-античастица из вакуума, согласно квантовой теории поля. Причину такой асимметрии следует искать в происхождении и эволюции нашей Вселенной. Объяснение происхождения барионной асимметрии Вселенной – одна из ключевых проблем современной космологии и физики элементарных частиц.

Контрольные вопросы для самоподготовки студентов:

1. Назовите типы фундаментальных взаимодействий.

2. Какие структуры называют элементарными частицами?

3. Основные характеристики элементарных частиц.

Литературные источники:

1. Трофимова, Т.И. Курс физики: учеб. пособие для вузов / Т.И. Трофимова. – М.: ACADEMIA, 2008.

2. Савельев, И.В. Курс общей физики: учеб. пособие для втузов: в 3-х томах / И.В.Савельев. – СПб.: Спец. лит., 2005.

 

 

Источник: helpiks.org

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 —

α

-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

μ

-мезона ограничено отрезком времени в 

2,2·106

 секунды, нейтрального 

π

-мезона – 

0,87·1016 с

. Среднее время существования гиперонов, массивных частиц, составляет всего

1010 с

.

Определение 1

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.

Определение 2

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 = h2π

.

Определение 3
Определение 4
Определение 5

Объединяет частицы из группы лептонов спин 

12

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

Определение 6

Определение 7

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

12

.

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.

Определение 8

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 

23

и 

13

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

Определение 9
Определение 10

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

1015 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.

Пример 1

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.

Определение 11
Определение 12

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: 

π+, π

 и 

π0

.

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 

 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


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.