Почему несмотря на большое разнообразие элементарных частиц


Содержание.

Введение.

1.1. Гравитация.

1.2. Электромагнетизм.

1.3. Слабое взаимодействие.

1.4. Проблема единства физики.

2. Классификация элементарных частиц.

2.1. характеристика субатомных частиц.

2.2. лептоны.

2.3. Адроны.

2.4. Частицы – переносчики взаимодействий.

3. Теории элементарных частиц.

3.1. Квантовая электродинамика.

3.2. Теория кварков.

3.3. Теория электрослабого взаимодействия.

3.4. Квантовая хромодинамика.

3.5. На пути к великому объединению.

Список литературы.

Введение.

В середине и второй половине ХХ века в тех разделах физики, которые заняты изучением фундаментальной структуры материи, были получены поистине удивительные результаты. Прежде всего это проявилось в открытии целого множества новых субатомных частиц.


обычно называют элементарными частицами, но далеко не все из них действительно элементарны. Многие из них в свою очередь состоят из еще более элементарных частичек. Мир субатомных частиц поистине многообразен. К ним относятся протоны и нейтроны, составляющие атомные ядра, а также обращающиеся вокруг ядер электроны. Но есть и такие частицы, которые в окружающем нас веществе практически не встречаются. Время их жизни чрезвычайно мало, оно составляет мельчайшие доли секунды. По истечении этого чрезвычайно короткого времени они распадаются на обычные частицы. Таких нестабильных короткоживущих частиц поразительно много: их известно уже несколько сотен. В 60-70-е годы физики были совершенно сбиты с толку многочисленностью, разнообразием и необычностью вновь открытых субатомных частиц. Казалось, им не будет конца. Совершенно непонятно, для чего столько частиц. Являются ли эти элементарные частицы хаотическими и случайными осколками материи? Или, возможно, они таят в себе ключ к познанию структуры Вселенной? Развитие физики в последующие десятилетия показало, что в существовании такой структуры нет никаких сомнений. В конце ХХ в. физика начинает понимать, каково значение каждой из элементарных частиц. Миру субатомных частиц присущ глубокий и рациональный порядок. В основе этого порядка — фундаментальные физические взаимодействия.

1.Фундаментальные физические взаимодействия.

В свой повседневной жизни человек сталкивается с множеством сил, действующих на тела.
есь и сила ветра или набегающего потока воды, давление воздуха, мощный выброс взрывающихся химических веществ, мускульная сила человека, вес тяжелых объектов, давление квантов света, притяжение и отталкивание электрических зарядов, сейсмические волны, вызывающие подчас катастрофические разрушения, и вулканические извержения, приводившие к гибели цивилизации, и т. д. Одни силы действуют непосредственно при контакте с телом, другие, например, гравитация, действуют на расстоянии, через пространство. Но, как выяснилось в результате развития теоретического естествознания, несмотря на столь большое разнообразие, все действующие в природе силы можно свести всего лишь к четырем фундаментальным взаимодействиям. Именно эти взаимодействия в конечном счете отвечают за все изменения в мире, именно они являются источником всех преобразований тел и процессов. Изучение свойств фундаментальных взаимодействий составляет главную задачу современной физики.

    1. Гравитация.

В истории физики гравитация (тяготение) стала первым из четырех фундаментальных взаимодействий предметом научного исследования. После появления в ХVII в. ньютоновской теории гравитации — закона всемирного тяготения — удалось впервые осознать истинную роль гравитации как силы природы. Гравитация обладает рядом особенностей, отличающих ее от других фундаментальных взаимодействий.
иболее удивительной особенностью гравитации является ее малая интенсивность. Величина гравитационного взаимодействия между компонентами атома водорода составляет 10n , где n = — 3 9 , от силы взаимодействия электрических зарядов. (Если бы размеры атома водорода определялись гравитацией, а не взаимодействием между электрическими зарядами, то низшая (самая близкая к ядру) орбита электрона по размерам превосходила бы доступную наблюдению часть Вселенной!) (Если бы размеры атома водорода определялись гравитацией, а не взаимодействием между электрическими зарядами, то низшая (самая близкая к ядру) орбита электрона по размерам превосходила бы доступную наблюдению часть Вселенной!). Может показаться удивительным, что мы вообще ощущаем гравитацию, коль скоро она так слаба. Как она может оказаться господствующей силой во Вселенной? Все дело во второй удивительной черте гравитации — ее универсальности. Ничто во Вселенной не избавлено от гравитации. Каждая частица испытывает на себе действие гравитации и сама является источником гравитации. Поскольку каждая частица вещества вызывает гравитационное притяжение, гравитация возрастает по мере образования все больших скоплений вещества. Мы ощущаем гравитацию в повседневной жизни потому, что все атомы Земли сообща притягивают нас. И хотя действие гравитационного притяжения одного атома пренебрежимо мало, но результирующая сила притяжения со стороны всех атомов может быть значительной.


авитация — дальнодействующая сила природы. Это означает, что, хотя интенсивность гравитационного взаимодействия убывает с расстоянием, оно распространяется в пространстве и может сказываться на весьма удаленных от источника телах. В астрономическом масштабе гравитационное взаимодействие, как правило, играет главную роль. Благодаря дальнодействию гравитация не позволяет Вселенной развалиться на части: она удерживает планеты на орбитах, звезды в галактиках, галактики в скоплениях, скопления в Метагалактике. Сила гравитации, действующая между частицами, всегда представляет собой силу притяжения: она стремится сблизить частицы. Гравитационное отталкивание никогда еще не наблюдалось (Хотя в традициях квазинаучной мифологии есть целая область, которая называется левитация — поиск «фактов» антигравитации). Поскольку энергия, запасенная в любой частице, всегда положительна и наделяет ее положительной массой, частицы под действием гравитации всегда стремятся сблизиться. Чем является гравитация, неким полем или проявлением искривления пространства-времени, — на этот вопрос пока еще однозначного ответа нет. Как уже отмечалось нами, существуют разные мнения и концепции физиков на сей счет.

    1. Электромагнетизм.

По величине электрические силы намного превосходят гравитационные. В отличие от слабого гравитационного взаимодействия, электрические силы, действующие между телами обычных размеров, можно легко наблюдать.
ектромагнетизм известен людям с незапамятных времен (полярные сияния, вспышки молнии и др.). В течение долгого времени электрические и магнитные процессы изучались независимо друг от друга. Как мы уже знаем, решающий шаг в познании электромагнетизма сделал в середине XIX в. Дж. К. Максвелл, объединивший электричество и магнетизм в единой теории электромагнетизма — первой единой теории поля. Существование электрона было твердо установлено в 90-e годы прошлого столетия. Ныне известно, что электрический заряд любой частицы вещества всегда кратен фундаментальной единице заряда — своего рода «атому» заряда. Почему это так — чрезвычайно интересный вопрос. Однако не все материальные частицы являются носителями электрического заряда. Например, фотон и нейтрино электрически нейтральны. В этом отношении электричество отличается от гравитации. Все материальные частицы создают гравитационное поле, тогда как с электромагнитным полем связаны только заряженные частицы. Как и электрические заряды, одноименные магнитные полюса отталкиваются, а разноименные — притягиваются. Однако в отличие от электрических зарядов магнитные полюса встречаются не по отдельности, а только парами — северный полюс и южный полюс. Еще с древнейших времен известны попытки получить посредством разделения магнита лишь один изолированный магнитный полюс — монополь. Но все они заканчивались неудачей. Может быть, существование изолированных магнитных полюсов в природе исключено? Определенного ответа на этот вопрос пока не существует.
которые теоретические концепции допускают возможность существования монополя. Как электрическое и гравитационное взаимодействия, взаимодействие магнитных полюсов подчиняется закону обратных квадратов. Следовательно, электрическая и магнитная силы «дальнодействующие», и их действие ощутимо на больших расстояниях от источника. Так, магнитное поле Земли простирается далеко в космическое пространство. Мощное магнитное поле Солнца заполняет всю Солнечную систему. Существуют и галактические магнитные поля. Электромагнитное взаимодействие определяет структуру атомов и отвечает за подавляющее большинство физических и химических явлений и процессов (за исключением ядерных).

    1. Слабое взаимодействие.

К выявлению существования слабого взаимодействия физика продвигалась медленно. Слабое взаимодействие ответственно за распады частиц; и поэтому с его проявлением столкнулись с открытием радиоактивности и исследованием бета-распада. У бета-распада обнаружилась в высшей степени странная особенность. Исследования приводили к выводу, что в этом распаде нарушается один из фундаментальных законов физики — закон сохранения энергии. Казалось, что в этом распаде часть энергии куда-то исчезала. Чтобы «спасти» закон сохранения энергии, В. Паули предположил, что вместе с электроном при бета -распаде вылетает еще одна частица.


а — нейтральная и обладающая необычайно высокой проникающей способностью, вследствие чего ее не удавалось наблюдать. Э. Ферми назвал частицу-невидимку «нейтрино». Но предсказание и обнаружение нейтрино — это только начало проблемы, ее постановка. Нужно было объяснить природу нейтрино, но здесь оставалось много загадочного. Дело в том, что и электроны и нейтрино испускались нестабильными ядрами. Но было неопровержимо доказано, что внутри ядер таких частиц нет. Как же они возникали? Было высказано предположение, что электроны и нейтрино не существуют в ядре в «готовом виде», а каким-то образом образуются из энергии радиоактивного ядра. Дальнейшие исследования показали, что входящие в состав ядра нейтроны, предоставленные самим себе, через несколько минут распадаются на протон, электрон и нейтрино, т.е. вместо одной частицы появляются три новые. Анализ приводил к выводу, что известные силы не могут вызвать такой распад. Он, видимо, порождался какой-то иной, неизвестной силой. Исследования показали, что этой силе соответствует некоторое слабое взаимодействие. Оно гораздо слабее электромагнитного, хотя и сильнее гравитационного. Оно распространяется на очень незначительных расстояниях. Радиус слабого взаимодействия очень мал. Слабое взаимодействие прекращается на расстоянии, большем 10n см (где n = — 1 6 ) от источника и потому не может влиять на макроскопические объекты, а ограничивается отдельными субатомными частицами. Впоследствии выяснилось, что большинство нестабильных элементарных частиц участвует в слабом взаимодействии. Теория слабого взаимодействия была создана в конце б0-х годов С. Вайнбергом и А. Саламом. С момента построения Максвеллом теории электромагнитного поля создание этой теории явилось самым крупным шагом на пути к единству физики. 10.

    1. Сильное взаимодействие.


Последнее в ряду фундаментальных взаимодействий — сильное взаимодействие, которое является источником огромной энергии. Наиболее характерный пример энергии, высвобождаемой сильным взаимодействием, — это наше Солнце. В недрах Солнца и звезд, начиная с определенного времени, непрерывно протекают термоядерные реакции, вызываемые сильным взаимодействием. Но и человек научился высвобождать сильное взаимодействие: создана водородная бомба, сконструированы и совершенствуются технологии управляемой термоядерной реакции. К представлению о существовании сильного взаимодействия физика шла в ходе изучения структуры атомного ядра. Какая-то сила должна удерживать протоны в ядре, не позволяя им разлетаться под действием электростатического отталкивания. Гравитация для этого слишком слаба; очевидно, необходимо какое-то новое взаимодействие, причем, более сильное, чем электромагнитное. Впоследствии оно было обнаружено. Выяснилось, что хотя по своей величине сильное взаимодействие существенно превосходит все остальные фундаментальные взаимодействия, но за пределами ядра оно не ощущается.
диус действия новой силы оказался очень малым. Сильное взаимодействие резко падает на расстоянии от протона или нейтрона, превышающем примерно 10n см (где n = — 13). Кроме того, выяснилось, что сильное взаимодействие испытывают не все частицы. Его испытывают протоны и нейтроны, но электроны, нейтрино и фотоны не подвластны ему. В сильном взаимодействии участвуют только более тяжелые частицы. Теоретическое объяснение природы сильного взаимодействия развивалось трудно. Прорыв наметился в начале 60-х годов, когда была предложена кварковая модель. В этой теории нейтроны и протоны рассматриваются не как элементарные частицы, а как составные системы, построенные из кварков. Таким образом, в фундаментальных физических взаимодействиях четко прослеживается различие сил дальнодействующих и близкодействующих. С одной стороны, имеют место взаимодействия неограниченного радиуса действия (гравитация, электромагнетизм), а с другой — взаимодействия малого радиуса действия (сильное и слабое). Мир физических элементов в целом развертывается в единстве этих двух полярностей и является воплощением единства предельно малого и предельно большого — близкодействия в микромире и дальнодействия во всей Вселенной.

    1. Проблема единства физики.

Познание есть обобщение действительности, и поэтому цель науки — поиск единства в природе, связывание разрозненных фрагментов знания в единую картину.
я того чтобы создать единую систему, нужно открыть связующее звено между различными отраслями знания, некоторое фундаментальное отношение. Поиск таких связей и отношений — одна из главных задач научного исследования. Всякий раз, когда удается установить такие новые связи, значительно углубляется понимание окружающего мира, формируются новые способы познания, которые указывают путь к не известным ранее явлениям. Установление глубинных связей между различными областями природы — это одновременно и синтез знания, и метод, направляющий научные исследования по новым, непроторенным дорогам. Выявление Ньютоном связи между притяжением тел в земных условиях и движением планет ознаменовало собой рождение классической механики, на основе которой построена технологическая база современной цивилизации. Установление связи термодинамических свойств газа с хаотическим движением молекул поставило на прочную основу атомно-молекулярную теорию вещества. В середине прошлого столетия Максвелл создал единую электромагнитную теорию, охватившую как электрические, так и магнитные явления. Затем в 20-х г. нашего века Эйнштейн предпринимал попытки объединить в единой теории электромагнетизм и гравитацию. Но к середине ХХ в. положение в физике радикально изменилось: были открыты два новых фундаментальных взаимодействия — сильное и слабое, т.е. при создании единой физики приходится считаться уже не с двумя, а с четырьмя фундаментальными взаимодействиями. Это несколько охладило пыл тех, кто надеялся на быстрое решение данной проблемы. Но сам замысел под сомнение всерьез не ставился, и увлеченность идеей единого описания не прошла. Существует точка зрения, что все четыре (или хотя бы три) взаимодействия представляют собой явления одной природы и должно быть найдено их единое теоретическое описание. Перспектива создания единой теории мира физических элементов на основе одного-единственного фундаментального взаимодействия остается весьма привлекательной. Это главная мечта физиков ХХ в. Но долгое время она оставалась лишь мечтой, и очень неопределенной. Однако во второй половине ХХ в. появились предпосылки осуществления этой мечты и уверенность, что это дело отнюдь не отдаленного будущего. Похоже, что вскоре она вполне может стать реальностью. Решающий шаг на пути к единой теории был сделан в 6О-70-х гг. с созданием сначала теории кварков, а затем и теории электрослабого взаимодействия. Есть основания для мнения, что мы стоим на пороге более могущественного и глубокого объединения, чем когда-либо ранее. Среди физиков усиливается убеждение, что начинают вырисовываться контуры единой теории всех фундаментальных взаимодействий — Великого объединения.

2. Классификация элементарных частиц.

Источник: studfile.net

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).

Почему несмотря на большое разнообразие элементарных частиц
Все частицы Стандартной модели, собранные в подобие системы Менделеева. Справа — бозоны, слева — фермионы

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. Еще 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.

Почему несмотря на большое разнообразие элементарных частиц
Траектории движения элементарных частиц, образующихся в результате столкновения двух протонов

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

Вкратце, это все, чем занимаются ученые. Концентрируют большую энергию в малом объеме, и смотрят, что из этого получится. Для этого необязательно сталкивать протоны. Можно сталкивать электроны, нейтроны или атомы свинца. Можно вообще ничего не сталкивать, есть другие виды экспериментов, например очень мощный лазер фокусируют на мельчайшей мишени и расстреливают ее в упор, это тоже способ собрать большую энергию в малом объеме. В конце концов можно просто взять молоток и со всей дури начать херачить им по наковальне. При этом тоже будет выделяться некая энергия и при большой удаче можно будет получить какую–то элементарную частицу. Это я шучу, конечно, все–таки порядки энергий не совсем те, но в принципе идея та же самая. «Возгоняем» материю до состояния чистой энергии, а потом смотрим, во что она «оседает».

Тут важно помнить и понимать два существенных фактора. Первый я уже упоминал, это наличие законов сохранения. Вполне интуитивная концепция — существуют несколько не меняющихся характеристик, которые как вошли в реакцию, точно так же и выдут из нее. Самый главный тут, конечно — закон сохранения энергии. Посчитаем, сколько у нас частиц (по массе) участвовало в реакции, ведь, что масса, что энергия, все равно E=mc^2. Плюс добавим сюда ту энергию, которую частицы приобрели за счет своей скорости (а их для того и разгоняют в ускорителях, чтобы добавить дополнительной энергии). Ровно столько же энергии мы получим на выходе, она никуда не денется, не исчезнет. То есть теоретически (теоретически!), мы можем так разогнать два протона, что после столкновения их лоб в лоб у нас окажется столько энергии, что ее хватит на образование сразу миллиона протонов. Теоретически да, но тут нельзя забывать, что кроме закона сохранения энергии существуют и другие законы сохранения.

Например закон сохранения заряда. Если в реакцию «влетело» два протона, и каждый имел при этом положительный заряд +1, то и на выходе мы должны получить что–то, что будет иметь суммарный заряд равный +2. Например на выходе нас могут ожидать 1000 нейтронов (заряд 0), 1000 электронов (заряд –1) и 1002 позитрона (заряд +1), чтобы в сумме все равно получалось +2. Или любая другая комбинация, главное, чтобы общий баланс в итоге сошелся. Кроме этого есть и другие законы сохранения: закон сохранения момента импульса, барионного числа, спина, четности и т.д. Некоторые из них безусловные, т.е. работают всегда и при любых обстоятельствах, другие выполняются лишь в определенных конфигурациях, но в целом идея весьма простая. Что, грубо говоря, влетело в реакцию, то (в сумме) из нее и вылетит. Хоть и в совершено неузнаваемом виде, не обязательно это будут те протоны, которые изначально в нее влетали.

Отмечу, что у нас тут не обычная химическая реакция, а некий процесс перехода материи в состояние чистой энергии, а затем возвращение ее назад, но уже в абсолютно ином, точнее, абсолютно любом виде. Вылететь из этой реакции может все что угодно. Все, что не нарушает законы сохранения. Это могут оказаться совершенно экзотические частицы, вместо привычных протонов, электронов и нейтронов. Могут вылететь какие–нибудь тау–мезоны, мюонные антинейтрино, отрицательные W– бозоны, или вообще неведомая зверушка, для которой и названия не придумали. Как раз упомянутый выше «зоопарк частиц», который еще не полон и ученые периодически открывают новые, все более экзотические экземпляры.

Чем более массивная получилась частица, чем больше энергии мы затратили на ее изготовление, тем короче она живет. Практически все тяжелые экзотические частицы нестабильны, и в сжатое время (мы говорим о порядках 10^–24 секунды) они распадаются на другие, уже более легкие, которые тоже могут распасться на еще более легкие, покуда в итоге мы не вернемся к привычным стабильным протонам с электронами. Ну, и фотонам, конечно же. Фотоны — частицы света, частицы этой самой «чистой энергии» тоже рождаются в таких реакциях, и если не удается «осадить» в виде какой–нибудь стабильной частицы, то они просто разлетаются в стороны, унося энергию с собой в виде тепла. Получается, что энергия может существовать как–бы в двух состояниях. Состоянии собственно чистой энергии — не имеющих массы покоя и движущихся со скоростью света фотонов, или же она может «сконденсироваться и осесть» в виде какой–либо элементарной частицы, с массой покоя и другими присущими материи характеристиками. Это, если повезет, конечно.

Ведь есть еще и второй, очень важный фактор, который играет огромную роль во всех этих превращениях частиц друг в друга, но который совершенно не интуитивен с точки зрения каждодневного человеческого опыта. Все реакции «возгонки и осаждения» элементарных частиц происходят в мире, которым управляют законы квантовой механики. А если вы хоть чуточку знакомы с принципами этой механики, то должны бы знать — все процессы в ней принципиально вероятностны и абсолютно случайны. Например, влетело у нас в реакцию два протона, с суммарной энергией, скажем, 10 ТэВ (10 триллионов электронвольт). Цифра не значит абсолютно ничего и приведена лишь для примера, не нужно ей особо заморачиваться. Следуя законам квантовой механики, каждый раз из этой реакции будут вываливаться другой набор частиц. Учитывая все законы сохранения, естественно, о которых я писал выше. Но никогда не узнаешь наперед, что вывалится в следующей конкретной реакции. Вот у нас из двух протонов на энергии столкновения 10 ТэВ получился топ–кварк и три тау–лептона (еще раз напоминаю, все реакции не соответствуют действительным, и приведены лишь в качестве примеров), а вот из таких же двух протонов (или даже тех же самых) на той же энергии столкновения, родилось 10 каонов, 11 мюонов, 7 тау–нейтрино и один бозон Хиггса. И никогда не угадаешь, почему так, а не иначе.

Ну, ученые тоже не совсем зря хлеб едят. Они все подсчитали, и чисто статистически, учитывая все тонкости, могут сказать — с вероятностью 40% при столкновении на такой энергии из реакции вывалятся три тау–лептона. С вероятностью 25% родятся 11 мюонов и 13 позитронов. А 11 мюонов и 12 позитронов вообще никогда не родятся, ибо при этом нарушится закон сохранения электрического заряда. Но с вероятностью в 3% могут родиться 11 мюонов, 13 позитронов и один нейтрон, так как он нейтральный и своей лепты в закон сохранения заряда не вносит.

В принципе, если сильно не лезть в детали, самое важное в реакции это масса, т.е. энергия родившейся частицы. Например частица Z–бозон имеет массу около 1.6·10^–25 килограмм, и это уже не с потолка цифра, а из википедии взята. Значит, если мы столкнем два протона на энергии 91.2 ГэВ (91.2 миллиардов электронвольт), а это как раз эквивалентно массе 1.6·10^–25 килограмм по всем уже полюбившейся формуле эквивалентности энергии и массы E=mc^2, то скорее всего мы этот Z–бозон в результате и получим. Если все другие законы сохранения не нарушены, естественно. А можем и не получить. Все вроде есть, энергия присутствует, заряды на месте, все указывает на то, что в результате реакции должен родится Z–бозон. А он раз, и не родился. Вероятность не выпала, не судьба. Короче говоря — «без выигрыша, попробуйте еще раз».

Именно таким образом и искали небезызвестный бозон Хиггса, про которого столько шума было в прессе пару лет назад. Ученые не знали точной его массы, но предполагали, что по теоретическим расчетам, она должна быть не менее такой–то величины, но в то же время и не более другой. В этом промежутке энергий и сталкивали протоны наугад, в надежде, что попадут в верное место и бозон Хиггса все–таки родится. Потому его поиски заняли несколько лет, если очень упрощенно говорить — все это время наугад тыкали, на каких же энергиях необходимо сталкивать протоны, чтобы получился бозон Хиггса. Перебирали разные варианты и в результате в конце концов вроде бы нашли его на энергии 125 ГэВ, что составляет примерно 2.22·10^–25 килограмма, или около 133 масс протона.

Теперь собственно, основная часть статьи. Аналогия, которая, возможно, поможет хоть как–то визуализировать, что из себя представляет элементарная частица, каким образом она рождается и как умирает.

Представьте себе некую ткань, например полотенце, которое небрежно уронили куда–то. На полотенце лежат две кучки песка, символизирующие два протона. Затем по этой ткани снизу ударили рукой, песок из кучек поднялся в воздух и посыпался обратно на полотенце. А оно совсем не натянуто, оно скомкано, в горах и долинах, ямы то тут, то там, совершенно измятая структура. Песок в данной аналогии у нас представляет собой энергию, которая поднявшись вверх затем «осаждается» в виде частиц, а полотенце даже сразу и не соображу, что символизирует. Оно символизирует одновременно и начальные условия и законы сохранения этих условий, и конфигурацию пространства–времени в месте, где происходит реакция «нисхождения» энергии, и расположение локальных минимумов энергии в этом пространстве–времени и еще много чего. Короче говоря — символизирует условия, в которых происходит процесс «осаждения» энергии. Что–то такое эфемерное и надуманное, ну, так аналогия же. Не нужно к ней слишком сильно придираться, конечно можно найти кучу нестыковок, она для образного представления приведена, а не для точного описания физики элементарных частиц.

Вроде бы равномерно (но все–таки случайным образом) падающий на ткань песок будет накапливаться в ямках, формируя какие–то структуры. Тут горка, там горка, а тут целая горища, потому что ямка в этом месте была глубокая. Горищи окажутся скорее всего неустойчивыми и при малейшем колебании рассыпятся на более мелкие кучки, а кое–где так и останутся ни с чем не связанные отдельные песчинки–фотоны.

Тут должна быть анимированная трехмерная модель, как песок подлетает, а затем валится назад на полотенце, образует кучки, кучки собираются и вновь рассыпаются, все это в динамике, вращается в пространстве под разными углами, видны сечения процессов и так далее. Но  такой анимации в Интернете я не нашел, так что, поверьте на слово и включите воображение в этом месте все должно быть круто, информативно и доступно.

Читатели со звездочкой(*) знают, что хотя издалека полотенце кажется однородным и скомканным примерно равномерно, все время выходит так, что левые склоны формирующихся горок постоянно оказываются чуть более пологими, чем правые. Сразу и не заметишь, однако такая интересная закономерность была экспериментально обнаружена. Как и множество других, по кусочкам воссоздающих единую картину физики микромира.

Вот такая вот аналогия. Каждая образовавшаяся кучка песка в нашем воображаемом эксперименте представляет из себя некую стабильную частицу, получившуюся в результате «осаждения» энергии, высвободившейся при столкновении протонов. Причем не красивые ровные горы, а такие скрюченные складками полотенца, размазанные по пространству хреновины непонятной формы. А те горки, что развалились, представляют нестабильные частицы, которые вроде бы формируются, но потом опять распадаются под тяжестью собственного веса.

Какие в результате окажутся у нас частицы заранее и не скажешь, все будет зависеть от конфигурации изгибов ткани, а она у нас, напомню, брошена совершенно случайным образом. Но случайность–случайностью, а законы сохранения плюс статистика позволяют ученым делать кое–какие проверяемые предсказания.

Однако каждая кучка, по сути, состоит из одинакового песка. Просто сложенного в виде какой–то хитрой фигуры, заданной формой ткани полотенца. Каждая частица это одна и та же, но в разном количестве и по разному скомканная энергия. Еще раз особо подчеркну — не нужно думать, что наше скомканное полотенце, это искривленное пространство–время, в складках которого «застревает» энергия, образуя элементарные частицы. Не нужно понимать эту аналогию конкретно и буквально, искривления пространства–времени это совсем другой оперы либретто, это вам в Общую Теорию Относительности надо. От читателя хочу добиться лишь образной визуализации — каждая элементарная частица, это кусочек особым образом сконфигурированной (внешними обстоятельствами) энергии, висящей в окружающей пустоте. Вроде (только вроде!) нижеприведенной картинки, хотя это и вольная фантазия художника, а не реальная фотография частицы, естественно.

Источник: pikabu.ru

Элементарные частицы: что это такое и какие они бывают

Начнем с самого начала. Все вокруг состоит из частиц. Грубо говоря, тем, что Земля – круглая, а небо – голубое, мы обязаны тому, как разные частицы с различными свойствами взаимодействуют между собой.

Элементарная частица – микрообъект субъядерного масштаба, который невозможно расщепить на более мелкие составные части.

Какие бывают элементарные частицы? По значению спина их делят на бозоны и фермионы. Но, конечно же, это далеко не все. Чтобы понять все многообразие частиц, вот небольшая схема с их классификацией.

Почему несмотря на большое разнообразие элементарных частиц

Элементарных частиц насчитывается очень много. Так, стандартная модель насчитывает 61 частицу. А всего вместе с античастицами известно более 350 элементарных частиц. К тому же, ученые полагают, что существуют и неизвестные до сих пор частицы.

Понятие фундаментального физического взаимодействия

Чтобы понять и объяснить, как же все это работает, специально была разработана «теория всего». Точнее, сначала придумали стандартную модель, но из-за проблем с теорией квантовой гравитации она не включала в себя гравитационного взаимодействия. На данный момент теория всего насчитывает четыре фундаментальных физических взаимодействия:

  1. Гравитационное взаимодействие.
  2. Слабое взаимодействие.
  3. Электромагнитное взаимодействие.
  4. Сильное взаимодействие.

Здесь они выстроены в порядке интенсивности. Вполне возможно, есть еще какое-то фундаментальное взаимодействие, о котором мы пока просто не знаем. 

Пятым фундаментальным взаимодействием иногда называют Поле Хиггса. Подробнее об открытии знаменитого бозона Хиггса читайте в отдельной статье.

Рассмотрим каждое взаимодействие в хронологическом порядке.

Гравитационное взаимодействие

Его начали изучать одним из первых, а теория гравитации Ньютона на долгие годы легла в основу классической механики. Гравитация – уникальное и внезапно самое слабое из всех взаимодействий. Чем больше масса объекта, тем сильнее проявляется гравитация. Движение небесных тел и свободное падение происходят за счет гравитации, а гравитационное взаимодействие проявляется на огромных расстояниях. В масштабах микромира оно практически ничтожно.

Электромагнитное взаимодействие

Это основной вид взаимодействия между атомами, который начали активно изучать в 19 веке. Именно электромагнитная природа лежит в основе многих сил: упругости, трения и т.д. Исключение – сила тяжести, она является следствием гравитационного взаимодействия. Суть проявления электромагнитного взаимодействия описывается законом Кулона: между электрическими зарядами действуют силы притяжения и отталкивания.

Слабое взаимодействие 

Уже с открытием радиоактивности и ядерных реакций ученые задумались: почему и благодаря какой силе ядро или составная частица распадаются? Логично было предположить, что за эти процессы ответственно еще одно взаимодействие, которое назвали слабым. Оно проявляется на расстояниях меньше атомного ядра. 

Электромагнитное и слабое взаимодействие объединены теорией электрослабого взаимодействия.

Сильное взаимодействие

Ну ладно, с распадом разобрались. Но почему стабильные ядра атомов сами по себе не распадаются на протоны и нейтроны? Тем более, что положительные протоны в ядре должны отталкиваться друг от друга из-за электромагнитного взаимодействия.  Очевидно, здесь действует штука посильнее, и это – сильное взаимодействие, которое проявляется на совсем уж маленьких расстояниях внутри атомного ядра между нуклонами.

Конечно, здесь мы рассказали обо всем очень кратко и без единой формулы. Хотите разобраться глубже? Попробуйте почитать учебники по квантовой физике. Но будьте осторожны, учеными доказано, что они являются сильнодействующим снотворным. А если на каком-то этапе возникнут сложности, обращайтесь в профессиональный сервис помощи учащимся.

Источник: Zaochnik-com.ru

Нейтрон живет достаточно короткое время и распадается на протон. Но внутри ядер нейтрон живет практически вечно, потому что идет и обратный процесс превращения протона в нейтрон.

К-мезоны и пи-мезоны, оказалось, живут довольно короткий промежуток времени — 10-6–10-9 секунды, то есть по человеческим меркам распадаются мгновенно, но по меркам физики частиц они живут довольно долго. К этому нужно добавить, что они движутся с очень большой скоростью, прилетая к нам из космоса, то есть со скоростью, близкой к скорости света. А согласно специальной теории относительности Эйнштейна, время у быстродвижущихся объектов замедляется, поэтому их собственное время течет очень медленно, практически стоит, поэтому эти частицы, несмотря на то что в покое они должны были распасться в неуловимые доли секунды, на самом деле живут довольно долго и успевают прилететь к нам из космоса.

Космические лучи являются источниками новых элементарных частиц — там же они были когда-то и открыты. И число их начало постепенно возрастать, и их становилось все больше и больше. Далее эти частицы начали открывать на ускорителях, и перед нами образовался целый зоопарк. Частицы стали называть греческими буквами. Появились ро-мезоны (ρ), омега-мезоны (ω), эта-мезоны (η), кси-мезоны (ξ), сигма-мезоны (Σ) и так далее, а также и другие частицы.

Число частиц стало таким большим, что возникло естественное желание как-то их проклассифицировать наподобие таблицы Менделеева. В таблице Менделеева, как известно, все элементы имеют очень хорошую классификацию, они распадаются на периоды, на ряды, и теперь, благодаря квантовой механике, мы понимаем, как они устроены и почему есть такая классификация химических элементов. Элементарные частицы тоже хотелось бы как-то проклассифицировать, коль скоро их стало так много.

Естественно, надо посмотреть на свойства этих частиц, чем они различаются, и попытаться разделить их на отдельные классы в соответствии с их свойствами.

Одним из таких замечательных свойств оказалось наличие у частиц углового момента.

Частицы представляют собой с классической точки зрения что-то похожее на волчки, они вращаются с очень большим угловым моментом. Классически описать этот угловой момент не удается. Если бы частица имела какой-то размер, имела угловой момент, который мы измеряем, то получилось бы, что поверхность этой частицы вращается со скоростью, превышающей скорость света, а это невозможно.

Классически описать это вращение не удается — это удается сделать только в квантовой механике. Но угловой момент, как оказалось, в квантовой механике квантуется, то есть он приобретает только целые или полуцелые значения в некоторых единицах, называемых магнетонами Бора. Оказалось, что все частицы можно разделить на два класса: те, у которых целый угловой момент, и те, у кого полуцелый угловой момент. Эти частицы имеют два разных названия. Частицы с целым угловым моментом называются бозонами, потому что когда они собираются в большом количестве в некий ансамбль, то подчиняются статистике, которая называется статистика Бозе — Эйнштейна. А частицы с полуцелым угловым моментом ведут себя совершенно другим образом, они подчиняются совсем другой статистике — статистике Ферми — Дирака.

Частицы с целым спином и с полуцелым спином — это два совершенно разных класса частиц. Протоны, нейтроны, электроны, нейтрино — это фермионы, то есть частицы со спином ½. А пи-мезоны и К-мезоны имеют спин 0 — это бозоны. Спин 1 имеет ро-мезон. Интересно, что свет тоже квантуется, и квант света, фотон, имеет спин 1, то есть это тоже бозон.

Первая классификация готова: у нас есть фермионы и у нас есть бозоны, мы разделили частицы на два класса с совершенно разными свойствами. Но этого оказалось мало. Оказалось, что частицы вдобавок к тому, что имеют угловой момент, еще друг с другом взаимодействуют. Одно из взаимодействий мы хорошо знаем — это электричество. У них есть электромагнитные взаимодействия, у них есть электрический заряд, то есть бывают частицы с положительным зарядом, с отрицательным зарядом, с нулевым зарядом. Но оказалось, что, помимо этого, частицы принимают участие и в других взаимодействиях. Например, протон и нейтрон подчиняются ядерным силам, которые их удерживают.

И вот готова вторая классификация: одни частицы участвуют в сильных ядерных силах, другие не участвуют. Те частицы, которые участвуют в сильных взаимодействиях, получили название адронов. Адрон — это греческое слово ἁδρός, означает «жесткий» или «тяжелый», и все частицы, участвующие в сильных взаимодействиях, — это тяжелые частицы. Есть другой класс частиц, которые не участвуют во взаимодействиях. Примером является электрон. Эти частицы достаточно легкие, они получили название лептонов, от слова λεπτός — «легкий». Значит, есть частицы тяжелые — адроны, есть частицы легкие — лептоны. Все частицы, с которыми мы имеем дело в природе, можно разделить на эти два класса: на адроны и лептоны.

Источник: postnauka.ru


You May Also Like

About the Author: admind

Добавить комментарий

Ваш адрес email не будет опубликован. Обязательные поля помечены *

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