Partículas componentes:
1.1 hadrones son partículas que participan en todo tipo de interacciones fundamentales. Están formados por quarks y se dividen, a su vez, en:
1.1.1 mesones (hadrones con espín entero, es decir, bosones);
1.1.2 bariones (hadrones con espín semientero, es decir, fermiones). Estos, en particular, incluyen las partículas que forman el núcleo de un átomo: el protón y el neutrón.
Partículas fundamentales (sin estructura):
2.1 leptones: fermiones que tienen la forma de partículas puntuales (es decir, que no consisten en nada) hasta escalas del orden de 10 a 18 m y no participan en interacciones fuertes. La participación en interacciones electromagnéticas se observó experimentalmente solo para leptones cargados (electrones, muones, leptones tau) y no se observó para neutrinos. Hay 6 tipos conocidos de leptones.
2,2 quarks son partículas cargadas fraccionariamente que forman parte de los hadrones. No fueron observados en estado libre (se ha propuesto un mecanismo de confinamiento para explicar la ausencia de tales observaciones). Al igual que los leptones, se dividen en 6 tipos y no tienen estructura; sin embargo, a diferencia de los leptones, participan en interacciones fuertes.
2.3 bosones de calibre: partículas mediante cuyo intercambio se llevan a cabo interacciones:
2.3.1 fotón: partícula que lleva interacción electromagnética;
2.3.2 ocho gluones: partículas que llevan la interacción fuerte;
2.3.3 tres bosones vectoriales intermedios W+, W? y Z0, que toleran interacciones débiles;
2.3.4 Gravitón es una partícula hipotética que transfiere interacción gravitacional. La existencia de gravitones, aunque aún no se ha demostrado experimentalmente debido a la debilidad de la interacción gravitacional, se considera bastante probable; sin embargo, el gravitón no está incluido en el Modelo Estándar.
Los hadrones y los leptones forman la materia. Los bosones de calibre son cuantos. diferentes tipos radiación.
Además, el modelo estándar contiene necesariamente el bosón de Higgs, que, sin embargo, aún no ha sido descubierto experimentalmente.
Inicialmente, el término "partícula elemental" significaba algo absolutamente elemental, el primer ladrillo de materia. Sin embargo, cuando en las décadas de 1950 y 1960 se descubrieron cientos de hadrones con propiedades similares, quedó claro que los hadrones al menos tienen grados de libertad internos, es decir, no son elementales en el sentido estricto de la palabra. Esta sospecha se confirmó más tarde cuando resultó que los hadrones están formados por quarks.
Por lo tanto, nos hemos adentrado un poco más en la estructura de la materia: los leptones y los quarks ahora se consideran las partes más elementales y puntuales de la materia. Es para ellos (junto con los bosones de calibre) que se utiliza el término "partículas fundamentales".
Hay cuatro tipos de interacciones entre partículas, cada una de las cuales es transportada por su propio tipo de bosones: fotón, cuanto de luz - interacciones electromagnéticas, gravitón - fuerzas gravitacionales que actúan entre cualquier cuerpo que tenga masa. Ocho gluones transportan las fuertes fuerzas nucleares que unen a los quarks. Los bosones vectoriales intermedios tienen interacciones débiles responsables de la desintegración de algunas partículas. Se cree que todas las fuerzas de la naturaleza se reducen a estas cuatro interacciones. Uno de los logros más sorprendentes de nuestro siglo fue la prueba de que, con muy altas temperaturas(o energías) las cuatro interacciones se fusionan en una.
A una energía de 100 GeV (10 9 eV), se combinan interacciones electromagnéticas y débiles. Esta energía corresponde a la temperatura del Universo 10 -10 s después Big Bang y 4 billones de veces mayor que la temperatura ambiente. Este descubrimiento permitió suponer que con una energía del orden de 10 15 GeV es posible lograr la unificación de interacciones fuertes con ellos, como se afirma en las Grandes Teorías Unificadas (GUT), y con una energía de 10 19 GeV. , la interacción gravitacional también se unirá a las interacciones GUT, “formando” una FA (La Teoría de Todo lo Que Existe).
No existen aceleradores en los que se puedan obtener tales energías y se puedan probar estas teorías, por lo que se está recurriendo al Universo para encontrar posibles limitaciones en él durante una gran cantidad de años. partículas elementales. En los últimos treinta años ha habido una estrecha conexión entre la física de partículas y la cosmología. La totalidad de los datos astrofísicos se puede considerar como "material experimental" acumulado como resultado del trabajo del Universo, un acelerador de partículas gigante. Sólo podemos ocuparnos de las consecuencias indirectas de los procesos que han tenido lugar y están en curso, cuyo resultado de su influencia en la evolución de la materia se promedia en todo el Universo.
Entre los leptones, el más famoso es el electrón; probablemente no esté formado por otras partículas, es decir, es elemental. Otro leptón es un neutrino. Es el leptón más abundante del Universo y al mismo tiempo el más esquivo. Los neutrinos no participan ni en las interacciones fuertes ni en las electromagnéticas. Después de la predicción, el neutrino fue descubierto sólo 30 años después en los aceleradores. Hay tres tipos de neutrinos: neutrinos electrónicos, muónicos y tau. El muón es también un leptón muy extendido en la naturaleza. Fue descubierto en rayos cósmicos en 1936; es una partícula inestable, pero en otros aspectos es similar a un electrón. En dos millonésimas de segundo, se desintegra en un electrón y dos neutrinos. La mayor parte de la radiación cósmica de fondo está formada por muones. A finales de los años 70. Se descubrió un tercer leptón cargado (además del electrón y el muón): el leptón tau. Se comporta de manera muy similar a sus primos, pero es 3.500 veces más pesado que un electrón. Cada leptón también tiene una antipartícula, es decir hay 12 de ellos en total.
Hay muchos hadrones, cientos de ellos. Por lo tanto, a menudo se las considera no como partículas elementales, sino compuestas de otras. Están cargados eléctricamente y son neutros. Todos los hadrones participan en interacciones fuertes, débiles y gravitacionales. Entre ellos, los más famosos son el protón y el neutrón. El resto vive muy poco, desintegrándose en 10 -6 s por interacción débil o en 10 -23 s por interacción fuerte. Los hadrones se clasificaron por masa, carga y espín. En esto ayudó la hipótesis de los quarks, o partículas que forman los hadrones.
Para ello, los quarks pueden combinarse en tripletes, formando bariones, o en pares: quark-antiquark, formando mesones (partículas intermedias). Los quarks tienen una carga de 1/3 o 2/3 de la carga de un electrón. Luego, en combinación, darán 0 o 1. Todos los quarks tienen un giro igual a 1/2, es decir pertenecen a los fermiones. Se cree que están unidos por una interacción fuerte, pero también participan en una débil. Las características de interacción fuerte se caracterizan por tipos ("sabores"): "superior", "inferior", "extraño". Pero la interacción débil puede cambiar el “sabor” del quark. Por ejemplo, durante la desintegración de un neutrón, uno de los quarks "abajo" se convierte en "arriba" y el electrón resultante se lleva el exceso de carga. Por tanto, la interacción fuerte no puede cambiar el “sabor”, y sin cambiar el “sabor” del quark, la desintegración del hadrón es imposible.
En los aceleradores (1974) se descubrió un nuevo hadrón, llamado partícula -. Por tanto, de acuerdo con la teoría de los quarks, se introdujo otra característica, un cuarto “sabor”, y así apareció el quark “charm”.
Así pues, la partícula sh es presumiblemente un mesón, formado por un quark c y un antiquark c. Se han descubierto muchas partículas "encantadas", y todas ellas son pesadas. Y en 1977 apareció -meson, y toda la historia se repitió, el quinto aroma se llamó "encantador". Así se desarrolla hoy el atomismo. Ahora se cree que hay 12 quarks: partículas fundamentales y la misma cantidad de antipartículas.
Las seis partículas son quarks con los exóticos nombres “arriba”, “abajo”, “encantado”, “extraño”, “verdadero”, “encantador”. Son el producto de una teoría que lucha por el orden y la belleza, y todo está abierto excepto lo "verdadero". Los seis restantes son leptones: electrón, muón, -partícula y sus correspondientes neutrinos (electrón, muón, neutrino).
Estas 12 partículas, o dos de seis, se agrupan en tres generaciones, cada una de las cuales consta de cuatro miembros.
En la primera generación - quarks "superiores" y "abajo", electrones y neutrinos electrónicos, en la segunda - quarks "encantadores" y "extraños", muones y neutrinos muónicos, en la tercera - quarks "verdaderos" y "encantadores" y -partícula con su neutrino. Toda la materia ordinaria está formada por partículas de primera generación. Un protón, por ejemplo, consta de dos quarks "arriba" y uno "abajo", un neutrón, de dos quarks "abajo" y uno "arriba". Cada átomo consta de un núcleo pesado (protones y neutrones estrechamente unidos) rodeado por una nube de electrones.
Además de esta clasificación, se pueden distinguir partículas elementales verdaderas y micropartículas condicionalmente verdaderas. Karpenkov S.Kh. Conceptos básicos de las ciencias naturales. M., 2007. P.89.
Partículas verdaderamente elementales.
Hoy, desde un punto de vista teórico, se conocen las siguientes partículas verdaderamente elementales (en esta etapa del desarrollo de la ciencia, consideradas indescomponibles): quarks y leptones (estas variedades pertenecen a partículas de materia), cuantos de campo (fotones, bosones vectoriales , gluones), así como partículas de Higgs.
De acuerdo con los cuatro tipos de interacciones fundamentales, se distinguen respectivamente cuatro tipos de partículas elementales: hadrones, que participan en todas las interacciones, y leptones, que no participan. Sólo en los fuertes (tanto en los neutrinos como en los electromagnéticos), un fotón participa únicamente en la interacción electromagnética, y un gravitón hipotético, el portador de la interacción gravitacional.
Acerca de las interacciones fundamentales
Interacciones fundamentales
Es bien sabido que toda la materia está formada por partículas elementales. Estas partículas interactúan entre sí a través de 4 interacciones fundamentales que tienen diferentes naturalezas y fortalezas.
La más obvia de las interacciones fundamentales, y la más débil de ellas, es interacción gravitacional, por lo tanto, es más difícil de estudiar experimentalmente. Menos obvio, pero también muy extendido y familiar, es interacción electromagnética. Al igual que la fuerza gravitacional, se debilita en proporción a r 2, pero tiene una fuerza relativa 10 36 veces mayor. La razón por la que no es absolutamente dominante es el hecho de que prácticamente toda la materia del Universo es eléctricamente neutra. Ambas interacciones operan a distancias infinitamente grandes, aunque quizás de manera cada vez más débil.
Pero además de estas, hay dos interacciones fundamentales más que juegan un papel importante en el microcosmos, nombradas sin adornos especiales. débil Y fuerte. La interacción débil juega un papel importante en la desintegración beta radiactiva de los núcleos, en particular, es gracias a ella que el neutrón libre se desintegra (vida media 10 minutos 14 segundos, no confundir con la vida útil), y es la única interacción asimétrica (solo con su ayuda se puede explicar a los extraterrestres dónde está la derecha y dónde la izquierda :)). La fuerza fuerte (en particular) mantiene unidos a los nucleones (protones y neutrones) en el núcleo.
Actualmente, se acostumbra describir las interacciones fundamentales utilizando partículas especiales que las transportan: bosones de calibre.
Puedes mirar una hermosa imagen sobre el tema.
Partículas elementales
Después del descubrimiento por Thomson de la primera partícula elemental, el electrón, en 1897 (la teoría corpuscular de la luz existía antes, pero ganó verdadera popularidad después del trabajo de Einstein sobre el efecto fotoeléctrico), se descubrieron más de 400 partículas elementales. En la tabla periódica durante aproximadamente 120 varios elementos con su abundancia de propiedades químicas hay base general: su estructura electrónica, que es función del número de protones y neutrones. Al mismo tiempo, la clasificación de elementos se convirtió en un requisito previo para estudiar la estructura electrónica de los átomos. Afortunadamente, esta clasificación también es posible en la física de partículas.
Actualmente, existen dos clasificaciones principales de partículas elementales: por espín y por estructura.
Girar se trata de una determinada propiedad de las partículas que se manifiesta en la interacción con un campo magnético (en particular, en ella se basa la resonancia magnética nuclear (RMN), uno de los métodos de análisis más avanzados, tanto en química como en medicina). Las partículas con espín semientero (como el electrón, los nucleones y los neutrinos) tienen estadísticas de comportamiento diferentes (llamadas estadísticas de Fermi-Dirac) que las partículas con espín entero (como el fotón) (estadísticas de Bose-Einstein), por eso se denominan respectivamente fermiones Y bosones. A veces se añaden adjetivos: escalar, vector, bosón tensor o espinor, fermión espín-vector. Estas son simplemente anotaciones para la cantidad de giro (0, 1, 2 y 1/2, 3/2, respectivamente).
Según su estructura, las partículas se pueden dividir en compuestas (hadrones) y sin estructura.
Hadrones consiste en quarks. Ahora bien, el punto de vista generalmente aceptado es que los hadrones no se pueden dividir en quarks de ninguna manera (este fenómeno se llama confinamiento), porque la fuerza de la interacción entre ellos aumenta con la distancia (sin embargo, esto aún no se ha demostrado estrictamente: ofrecen un millón de dólares como prueba: el problema de resolver las ecuaciones de Yang-Mills). Sin embargo, su existencia es innegable: en particular, cuando los hadrones son bombardeados con electrones de alta energía, las características de dispersión indican que varios de los llamados partones, cuya dispersión se produce con especial fuerza. Si se aplica aún más energía, la conexión entre los quarks puede "romperse", pero el exceso de energía conducirá a la formación de nuevos quarks en ambos lados de la brecha; se producirá la llamada "rotura". nacimiento de los chorros hadrónicos. La teoría, que supone la existencia de sólo 6 tipos de quarks (d, u, s, c, b, t y sus antiquarks), explica la existencia de todos los hadrones conocidos hoy en día, que fueron descubiertos en abundancia en los años 50-60 por experimentadores vigorosos.
La mayoría de los hadrones constan de 2 ( mesones) o 3 ( bariones) quarks: el “color” del hadrón debe ser “incoloro”, lo cual está bien descrito sólo en estos casos. La posibilidad de existencia, aún no confirmada experimentalmente, ha sido predicha teóricamente, pentaquarks, que consta de 5 quarks, y tetraquarks(de 4).
Los propios quarks pertenecen a partículas sin estructura (aunque se están haciendo intentos infructuosos de construir teorías en las que consistirían en algo que podría llamarse " preón" o " icono"). Otras partículas sin estructura se clasifican según su espín: bosones de calibre y leptones, que son fermiones.
La materia se compone de hadrones y leptones, radiación de bosones de calibre.
Es interesante notar que existen varias teorías de cuerdas que, junto con bradios(partículas que se mueven más lentamente que la velocidad de la luz) y Luxones(moviéndose con él: fotón, gluones y gravitón hipotético) introduce taquiones, que se mueven más rápido que la velocidad de la luz y tienen masa imaginaria.
Supersimetría
“Fermiones y bosones”, pensaron algunos físicos, “¡hay dos tipos! 2 - ¡eso es mucho!” Y se les ocurrió supersimetría. Según él, de hecho, todos los bosones y fermiones son las mismas partículas y pueden transformarse entre sí (en la práctica, esto significa la posibilidad de convertir la materia en radiación y viceversa; vale la pena señalar que la aniquilación es la forma más poderosa posible fuente de energía y en nuestro Universo, no como algún tipo de petróleo).
En la teoría de la supersimetría, existe una necesidad urgente de descubrir partículas supercompañeras. Pero aquí está el problema: a energías ordinarias (bajas), se viola la supersimetría, es decir, no hay pares bosón-fermión que difieran sólo en el espín, pero que tengan masas y cargas iguales. "No es gran cosa", pensaron estos físicos, "significa que los supercompañeros son muy pesados". Cabe señalar que en el marco de la teoría de la supersimetría, una explicación simple de la existencia de materia oscura como partículas neutralino, por lo que la búsqueda de súper socios es muy interesante.
Uno de los candidatos más probables para la detección es el supercompañero del quark top: debido a la gran masa de este último, su supercompañero puede, por el contrario, ser ligero y accesible para su observación en el LHC.
Combinando interacciones
A pesar de todas las diferencias entre las partículas y sus interacciones, se pueden encontrar muchas similitudes en ellas: un ejemplo bien conocido es la unificación de la electricidad y el magnetismo en electromagnetismo por Maxwell en 1864. La idea de describir varias interacciones con una ecuación general se hizo especialmente popular después de que Einstein la creara en 1916. Teoría general de la relatividad, que describía la gravedad. Teoría del campo unificado, que permitiría describir todas las partículas elementales y sus interacciones en el marco de un enfoque unificado, explicaría todos los fenómenos físicos que existen en el Universo; una teoría tan hipotética recibió el nombre medio en broma " teoría del todo" Las tareas que tiene por delante son serias: no sólo debe explicar y predecir todas las partículas elementales existentes y sus interacciones, sino que también debe explicar sus masas y tiempos de vida.
Sin embargo, los pasos para construirlo. por mucho tiempo no tuvieron éxito: en particular, Einstein trabajó en la creación de tal teoría hasta su muerte. Las leyendas dicen que Einstein logró hacer esto, y para probar experimentalmente sus conclusiones teóricas, el gobierno estadounidense organizó el Experimento secreto Filadelfia en 1943, durante el cual el destructor Eldridge supuestamente fue teletransportado a varios cientos de kilómetros de distancia. Supuestamente, Einstein destruyó toda su investigación en esta área, ya que podría usarse en armas extremadamente destructivas. Los chicos correctos tratan esta leyenda con un ligero escepticismo: la mayoría de los experimentos que hicieron posible creación El Modelo Estándar, que combina sólo 3 de las 4 fuerzas fundamentales, fue elaborado tras la muerte de Einstein.
Un cambio en el campo de la construcción de la Teoría del Campo Unificado comenzó sólo después del descubrimiento de las interacciones fuertes y débiles. El primer paso fue teoría de la interacción electrodébil, construido por Salam, Glashow y Weinberg en 1967 sobre la base de la electrodinámica cuántica (por lo que recibieron premio Nobel en 1979, es decir casi inmediatamente). Luego, en 1973, se desarrolló una teoría que describía la interacción fuerte: cromodinámica cuántica. Con base en estas dos teorías, se creó Modelo estandar, todas cuyas predicciones fueron confirmadas, excepto la aún no detectada bosón de Higgs.
Fuerte interacción y cromodinámica cuántica.
La capacidad de un quark para participar en la interacción fuerte se llama color. Hay 3 colores de quarks en total, llamados rojo, verde y azul. El campo cuántico en cromodinámica cuántica es gluón, una partícula similar a un fotón, también sin carga, masa y antipartícula, al igual que el resto de bosones de calibre, con espín unitario. Sin embargo, la interacción fuerte es mucho más complicada que la electromagnética: el gluón en sí es portador de color y, por lo tanto, puede experimentar fuertes interacciones con otros gluones. Además, dado que un gluón lleva color, no hay solo uno, sino 8 tipos de gluones. Los gluones, al igual que los quarks, se observaron como partones durante la dispersión de electrones por los nucleones.
Modelo estandar
El modelo estándar no obtiene todas las propiedades de la materia de la punta de los dedos. Para ello necesita 19 parámetros, 17 de los cuales ya han sido medidos experimentalmente: las masas de 3 tipos de leptones y 6 quarks; 4 parámetros relacionados con Matriz Cabibbo-Kobayashi-Maskawa, que describe las probabilidades de desintegraciones débiles que cambian el "sabor" de los quarks; 3 constantes asociadas con las fuerzas de interacciones fundamentales; otro parámetro de fuerte interacción; y, finalmente, dos parámetros, aún no determinados experimentalmente, asociados con la interacción del bosón de Higgs con la materia y de los bosones de Higgs entre sí.
El modelo estándar es una de las teorías más claras y precisas de la física: todas sus predicciones, excepto, hasta ahora, el bosón de Higgs, han sido confirmadas experimentalmente, a veces con una precisión asombrosa. Uno de los éxitos más destacados del modelo estándar fue la predicción de la masa de los bosones de calibre W y Z responsables de la interacción débil.
Por supuesto, el Modelo Estándar no puede pretender ser la Teoría del Campo Unificado, ya que no incluye la teoría de la gravedad (y las perspectivas para su integración parecen muy vagas) y no puede explicar la existencia de tres generaciones de partículas, entre que se diferencian sólo en masa:
| Primera generación | Segunda generación | Tercera generación | |
| Leptón (¿carga?1) | Electrón 5,11x10 ?4 GeV |
muón 0,106 GeV |
partícula tau 1,777 GeV |
| Neutrino (carga 0) |
neutrino electrónico (0-0,13)x10 ?9 GeV |
neutrino muónico (0,009-0,13)x10 ?9 GeV |
neutrino tau (0,04-0,14)x10 ?9 GeV |
| Quark tipo D (¿carga? 1/3) | quark d 0,005 GeV |
quark s 0,1 GeV |
quark b 4,2 GeV |
| Quark tipo U (carga 2/3) | quark u 0,002 GeV |
quark c 1,3 GeV |
t-quark 173 GeV |
Se supone que es posible la existencia de partículas muy pesadas de cuarta generación, pero aún no se han detectado experimentalmente.
En el marco del Modelo Estándar, resultó sorprendentemente conveniente describir las interacciones fundamentales en términos de teoría de grupos:
- El grupo se utiliza para describir la interacción electromagnética. U(1)(esto es sólo un grupo de multiplicación números complejos, igual en módulo 1);
- para describir un grupo débil SU(2)(un grupo multiplicativo de matrices unitarias especiales 2x2, es decir, matrices unitarias con determinante 1: el número de generadores de dicho grupo es 3 (se llaman matrices de pauli), por lo tanto también hay 3 portadores de interacción débiles);
- para describir un grupo fuerte SU(3)(igual que SU(2), sólo 3x3: 8 generadores (llamados Matrices de Gell-Mann) y por tanto 8 gluones).
¿Qué es el bosón de Higgs?
Dentro del Modelo Estándar surge la necesidad del bosón de Higgs. Esta partícula con espín cero es responsable de la masa de las partículas elementales, pero es tan esquiva que ni siquiera es seguro que exista una sola de esas partículas. Fue precisamente para su detección (o no detección) que el Gran Colisionador de Hadrones LHC.
El bosón de Higgs dota a las partículas de masas, de modo que el portador de la interacción electromagnética, el fotón, permanece sin masa y puede moverse a cualquier distancia, mientras que la interacción débil se transmite mediante partículas masivas, lo que limita el radio de esta interacción a escalas subnucleares. Así, con la ayuda de esta partícula se rompe la simetría electrodébil, lo que hace que las interacciones electromagnéticas y débiles sean tan diferentes entre sí.
Imagen canónica (sin escala, la profundidad es de aproximadamente 100 metros y la longitud del túnel es de 26,7 km): 
Colisionador Se trata de un acelerador (en el caso del LHC, de anillo) en el que chocan dos haces de partículas elementales. El LHC se construye desde 2001 en un túnel en la frontera entre Francia y Suiza, donde anteriormente se encontraba el colisionador electrón-positrón LEP. El LHC tiene 4 grandes detectores:
La cantidad de datos que producirá el colisionador se evidencia en el hecho de que, a pesar del filtrado de tres niveles implementado en el hardware para eventos "poco interesantes", el LHC generará un promedio de 500 megabytes de datos por segundo.
Hermosas imágenes del colisionador: uno, dos, tres, cuatro; Con gran cantidad bellas imágenes.
El LHC funcionará hasta la década de 2020, recopilando material experimental. Pero hay esperanzas de que los primeros resultados significativos aparezcan al final. el próximo año. Sin duda, técnica y experiencia científica, que se obtuvo durante su creación y se obtendrá a partir de su uso, desempeñará un papel muy importante en la creación proyectada del Muy Grande Colisionador de Hadrones (VLHC) a mediados del siglo XXI.
Presumiblemente, se pueden descubrir en el LHC. monopolos magnéticos. Este es un nombre general para partículas hipotéticas que tienen una carga magnética distinta de cero. Dirac también predijo la posibilidad potencial de su existencia.
Tabla comparativa de energía
Para evaluar la escala de energías y posibles descubrimientos, vale la pena mirar la tabla, que enumera las masas de algunas partículas elementales, algunas energías características y energías de los colisionadores (enumero principalmente las energías totales de los haces en colisión: cabe señalar que para observar una partícula con masa E, por regla general se debe utilizar la energía total de los haces 2E).
Como unidad de energía tanto en el sector nuclear como en el física cuántica ampliamente utilizado electronvoltio(eV) en lugar de julios. 1 eV ~ 1,6021765x10 ?19 J. Las masas de las partículas también se miden en eV utilizando la ecuación de Einstein E = mc 2.
| Energía | |
| 511 KeV | electrón |
| 1,9 MeV | quark u |
| 4,4 MeV | quark d |
| 87 MeV | quark s |
| 106 MeV | muón |
| 938,3 MeV | protón |
| 939,6 MeV | neutrón |
| 1,32 GeV | quark c |
| 1,78 GeV | partícula tau |
| 4,24 GeV | quark b |
| 6 GeV | El mayor colisionador ruso |
| 45 GeV | LEP, 1989 |
| 80,4 GeV | bosón W |
| 91,2 GeV | bosón Z |
| ~100 GeV | unificación electrodébil |
| 100-1000 GeV | partículas supercompañeras (?) |
| 117-251 GeV | Bosón de Higgs (?), intervalo más probable |
| 172,7 GeV | t-quark |
| 189 GeV | LEP, 1998 |
| ~200 GeV | LEP, 1999 |
| 209 GeV | LEP, 2000, antes del cierre |
| 250-650 GeV | Bosón de Higgs (?), “variante pesada” |
| 650-1000 GeV | Bosón de Higgs (?), “variante muy pesada” |
| 900 GeV | LHC, Commission Run, verano de 2008 |
| 980 GeV | Tevatron, potencia máxima |
| 7 TeV | LHC, finales de 2008 |
| 14 TeV | LHC, energía del proyecto |
| ~1000 TeV | Rayos cósmicos de alta energía |
| 6,24x109 GeV | 1 julio |
| 6x10 10 GeV | Límite de Greisen-Zatsepin-Kuzmin, límite de energía teórico también para los rayos cósmicos |
| ~10 14 -10 16 GeV | "Gran Unificación" de las interacciones electrodébiles y fuertes (?) |
| ~10 19 GeV | Energía de Planck, la supuesta unificación de todas las interacciones (?) |
| 3x10 31 GeV | Producción anual de electricidad en la Tierra. |
Riesgos asociados al lanzamiento/no lanzamiento del LHC
Las principales preocupaciones en torno al lanzamiento del LHC se dividen en dos partes:
1. Formación de microscópicos estables. agujero negro que se tragará la Tierra (hermosa imagen de un agujero negro)
Algunas teorías predicen la posibilidad de que se formen agujeros negros microscópicos durante los experimentos en el LHC. Un agujero negro es un objeto con una gravedad superfuerte que ni siquiera permite que escape la luz. Pero no todo es tan fatal, ya que existe un fenómeno como Radiación de Hawking. La radiación de Hawking es una consecuencia del hecho de que la gravedad de un agujero negro conduce a la formación de pares partícula-antipartícula no solo virtuales, sino también reales, algunos de los cuales pueden estar por encima del horizonte de sucesos. Una partícula así abandona el agujero negro y se lleva consigo parte de su energía y masa. Obviamente, para los agujeros negros microscópicos la probabilidad de que ocurra tal evento es mucho mayor y, por lo tanto, los expertos del CERN creen que, incluso si se forman agujeros negros, se evaporarán inmediatamente. Pero también es posible que se formen agujeros negros microscópicos, que serán bastante estables y no se evaporarán debido a la radiación de Hawking. En este caso, toda la Tierra se consumirá en unos años :)
2. Educación asunto extraño
Educación posible "strapelek"(extraño): un estado hipotético de la materia que consta de un número aproximadamente igual de quarks d, u y s. Cuando una sustancia de este tipo interactúa con una ordinaria, debería producirse una reacción en cadena con la liberación de energía y la transformación de toda la sustancia en "materia extraña". Es poco probable que una persona sobreviva después de tal evento :)
Si estos escenarios se hacen realidad (el último sueño de Bender Rodríguez), sería apropiado llamar al LHC el último colisionador de hadrones.
En respuesta a estas preocupaciones, se formaron varios grupos de investigación para tratar de evaluar la probabilidad de un desenlace trágico. El principal argumento de los defensores de la seguridad de los colisionadores es que "el LHC no hará nada que la naturaleza no haya hecho millones de veces antes". Esto implica que la Tierra es bombardeada periódicamente con partículas de rayos cósmicos de energía mucho mayor que la que estaría disponible en el LHC. Pero los oponentes señalan que incluso si se formaran agujeros negros microscópicos durante tales colisiones, volaron a través de la Tierra a una velocidad sólo ligeramente inferior a la velocidad de la luz, lo que, por supuesto, no se puede decir del campo magnético cerrado del colisionador. que probablemente creó tal agujero negro, simplemente no lo suelta.
La estimación oficial de la probabilidad de que se produzcan tales acontecimientos, realizada por los especialistas del CERN, es de 1/50000000 (1 entre 50 millones). Sin embargo, teniendo en cuenta el número potencial de víctimas (6.700 millones), el valor esperado es de unas 130 personas, lo que, por supuesto, es bastante.
Pero el famoso especialista en computación cuántica Scott Aaronson cree en general que el LHC debe lanzarse lo antes posible, porque no podemos excluir la posibilidad de que el año que viene lleguen extraterrestres y, como todavía no hemos descubierto el bosón de Higgs, lo harán. considéranos completos salvajes y esclavízanos :)
Estimación del número de civilizaciones extraterrestres según el escenario catastrófico de la investigación del bosón de Higgs
Actualmente hay un brote de ingenio inusualmente grande asociado con este evento. Sin embargo, prevalece el humor negro, por ejemplo, sobre el hecho de que cualquier civilización desarrollada se convierte en un agujero negro en un intento de estudiar el bosón de Higgs. Yo también lo intentaré :)
Este punto de vista es tanto más interesante cuanto que no observamos señales de civilizaciones extraterrestres, especialmente de aquellas situadas en el centro de nuestra galaxia. Vale la pena señalar aquí que las estrellas del centro de la Galaxia se formaron mucho antes que el Sistema Solar y, por lo tanto, las civilizaciones allí deberían ser mucho más antiguas y desarrolladas que la nuestra. Pero observamos en el centro de la galaxia un colosal agujero negro Sagitario-A* con una masa de 3,7 millones de soles.
Postulamos que cualquier civilización se desarrolla antes del descubrimiento de la radio, y después de unos 100 años se descubre el bosón de Higgs, lo que conlleva la formación de un colapsar y la muerte de la civilización, y también que se formó el agujero negro en el centro de la Galaxia. precisamente de civilizaciones tan desarrolladas.
Teniendo en cuenta que en total nuestra Galaxia contiene alrededor de 200 mil millones de estrellas y aproximadamente el 90% de ellas están en el centro, podemos suponer que la probabilidad de que surja una civilización en un sistema estelar es de aproximadamente 1 entre 50.000. Suposición plausible de que actualmente existe vida inteligente en un estrecho cinturón de la galaxia con una anchura de unos 500 pársecs (aproximadamente más o menos 100 millones de años de vida del sistema planetario), una altura de 300 pársecs (el espesor de la galaxia en nuestro área), y un radio de 8,5 kiloparsecs.
Basado en una evaluación de la probabilidad de que el sistema estelar sea apto para el desarrollo vida inteligente(ver arriba, 2x10?5), la probabilidad de que la civilización esté ahora mismo en el nivel de radio (10?6) y la densidad de estrellas en este cinturón (alrededor de 0,1 pc?3) obtenemos que en este momento hay alrededor de 20 mil sistemas estelares, en el que hay vida, y casi con seguridad no hay un solo sistema dispuesto a contactar con nosotros. Lamentablemente, según estos cálculos, estamos solos en la Galaxia. Y no hay nadie que nos avise :)
Usando este método, es posible obtener en la fórmula de Drake el producto de los cinco términos promedio (estimado en aproximadamente 2x10?5, el de Drake es 10?4) y L ~ 100 años (el de Drake es mucho más optimista, 10.000 años). Una coincidencia bastante buena... y bastante aterradora. La escala de Kardashev no desmiente esta valoración: una civilización de tipo III bien podría haber surgido en el núcleo de la Galaxia, pero no observamos ningún rastro de su presencia o actividad.
Entonces, ¿por qué se necesita el LHC?
- Búsqueda del bosón de Higgs, responsable de la masa de las partículas, última confirmación experimental del Modelo Estándar;
- Búsqueda de partículas fuera del Modelo Estándar: pentaquarks y tetraquarks, partículas de 4ª generación, monopolos magnéticos;
- Búsqueda de partículas predichas por la teoría de Lisi
- Búsqueda de supersimetría, partículas supercompañeras, especialmente la supercompañera t-quark;
- Investigación sobre la gravedad cuántica;
- Investigación sobre agujeros negros microscópicos y radiación de Hawking;
- Matar a todas las personas (hipótesis a).
- Conversión de materia en energía (aniquilación), motores de fotones, viajes interestelares
- Control de la gravedad, en particular antigravedad.
- Posible investigación en el campo de la teoría M, por ejemplo, mundos paralelos.
El futuro lo dirá.
Complemento n.° 1: Si te interesa este tema, te recomiendo que leas el maravilloso artículo de Igor Ivanov en La vuelta al mundo.
En física de partículas bosones de calibre Son bosones que llevan las interacciones fundamentales de la naturaleza. Más precisamente, las partículas elementales cuyas interacciones se describen en la teoría de calibre actúan entre sí mediante el intercambio de bosones de calibre, generalmente como partículas virtuales.
Hay tres tipos de bosones de calibre en el modelo estándar: fotones, bosones W y Z y gluones. Cada tipo corresponde a una de las tres interacciones, descritas en el Modelo Estándar: los fotones son bosones calibre de la interacción electromagnética, los bosones W y Z llevan la interacción débil y los gluones llevan la interacción fuerte. A través del confinamiento, los gluones aislados no aparecen a bajas energías. Sin embargo, a bajas energías es posible observar bolas de pegamento masivas, cuya existencia no ha sido confirmada experimentalmente hasta 2006.
Número de bosones de calibre
En la teoría de calibre cuántico, los bosones de calibre son cuantos de campos de calibre. En consecuencia, hay tantos bosones de calibre como fuentes de campos de calibre. En electrodinámica cuántica, el grupo calibre es U(1); en este caso más simple sólo hay un bosón de calibre. En cromodinámica cuántica el grupo es más complejo. SU (3) Tiene 8 fuentes, lo que corresponde a 8 gluones. Tres bosones W y Z corresponden, a grandes rasgos, a tres fuentes SU (2) en la teoría de la interacción electrodébil.
Bosones de calibre masivo
Por razones técnicas, incluida la invariancia de calibre, los bosones de calibre se describen matemáticamente mediante ecuaciones de campo para partículas sin masa. Por lo tanto, en un nivel de percepción teórico ingenuo, todos los bosones de calibre deberían carecer de masa y las interacciones que describen deberían ser interacciones de largo alcance. El conflicto entre esta idea y el hecho experimental de que la fuerza débil tiene un alcance muy corto requiere más análisis. investigación teórica.
Según el modelo estándar, los bosones W y Z ganan masa mediante el mecanismo de Higgs. El mecanismo de Higgs tiene cuatro bosones de calibre. (SU(2) X tú (1) Las simetrías) de la interacción electrodébil están acopladas en el campo de Higgs. Este campo está sujeto a una simetría espontánea que rompe la forma de su potencial de interacción. Como resultado, un condensado del campo de Higgs distinto de cero atraviesa el Universo. Este condensado se acopla con tres bosones calibre electrodébiles (W± y Z), dándoles masa; el bosón de calibre restante permanece sin masa (fotón). Esta teoría también predice la existencia de un bosón de Higgs escalar, que aún no ha sido descubierto.
Teorías de la gran unificación
En las grandes teorías unificadas (GUT), aparecen bosones de calibre X e Y adicionales. Controlan las interacciones entre quarks y leptones, violando la ley de conservación del número bariónico y provocando la desintegración de los protones. Estos bosones tienen una masa enorme según los estándares cuánticos (quizás incluso mayor que los bosones W y Z) debido a la ruptura de la simetría. Hasta el momento, no se ha obtenido ni una sola confirmación experimental de la existencia de estos bosones (por ejemplo, en una serie de observaciones de la desintegración de protones en la instalación japonesa Super-Kamiokande).
Gravitones
La cuarta fuerza fundamental, la gravedad, también puede ser transportada por un bosón, al que se ha llamado gravitón. En ausencia de evidencia experimental y de una teoría matemáticamente consistente de la gravedad cuántica, se desconoce si el gravitón es un bosón de calibre o no. El papel de la invariancia de calibre en teoría general la relatividad juega una simetría similar: invariancia al difeomorfismo.
Las partículas elementales, en el sentido exacto de este término, son partículas primarias, no descomponibles, de las que, según se supone, se compone toda la materia. En el concepto de "partículas elementales" en ciencia moderna las ciencias naturales encuentran expresión en la idea de esencias primitivas que determinan todas las propiedades conocidas mundo material, una idea que se originó en las primeras etapas del desarrollo de las ciencias naturales y siempre ha jugado un papel importante en su desarrollo. El concepto de "partículas elementales" se formó en estrecha relación con el establecimiento de la naturaleza discreta de la estructura de la materia a nivel microscópico. Descubrimiento a principios de los siglos XIX y XX. los portadores más pequeños de las propiedades de la materia (moléculas y átomos) y el establecimiento del hecho de que las moléculas se construyen a partir de átomos, permitieron por primera vez describir todas las sustancias conocidas como combinaciones de un número finito, aunque grande, de estructuras componentes - átomos. La posterior identificación de la presencia de átomos constituyentes: electrones y núcleos, el establecimiento de la naturaleza compleja de los núcleos, que resultaron estar formados por solo dos tipos de partículas (protones y neutrones), redujo significativamente el número de elementos discretos que se forman. las propiedades de la materia, y dio motivos para suponer que la cadena componentes la materia termina en formaciones discretas sin estructura: partículas elementales. Tal suposición, en términos generales, es una extrapolación. hechos conocidos y no puede fundamentarse de manera estricta. Es imposible decir con certeza que existan partículas que sean elementales en el sentido de la definición anterior. Por ejemplo, se descubrió que los protones y neutrones, durante mucho tiempo considerados partículas elementales, tenían Estructura compleja. No se puede descartar la posibilidad de que la secuencia de los componentes estructurales de la materia sea fundamentalmente infinita. También puede resultar que la afirmación “consiste en…” en alguna etapa del estudio de la materia resulte carente de contenido. En este caso, habrá que abandonar la definición de “elemental” dada anteriormente. La existencia de partes elementales es una especie de postulado y probar su validez es una de las tareas más importantes de las ciencias naturales.
Partícula elemental es un término colectivo que se refiere a microobjetos a escala subnuclear que no se pueden dividir (o aún no se ha demostrado) en sus partes componentes. Su estructura y comportamiento son estudiados por la física de partículas. El concepto de partículas elementales se basa en la estructura discreta de la materia. Varias partículas elementales tienen una estructura interna compleja, pero es imposible separarlas en partes. Otras partículas elementales no tienen estructura y pueden considerarse partículas fundamentales primarias.
Desde el primer descubrimiento de una partícula elemental (electrón) en 1897, se han descubierto más de 400 partículas elementales.
Según la magnitud de su espín, todas las partículas elementales se dividen en dos clases:
fermiones: partículas con espín semientero (por ejemplo, electrón, protón, neutrón, neutrino);
Los bosones son partículas con espín entero (por ejemplo, un fotón).
Según los tipos de interacciones, las partículas elementales se dividen en los siguientes grupos:
Partículas componentes:
Los hadrones son partículas que participan en todo tipo de interacciones fundamentales. Están formados por quarks y se dividen, a su vez, en:
mesones (hadrones con espín entero, es decir, bosones);
bariones (hadrones con espín semientero, es decir, fermiones). Estos, en particular, incluyen las partículas que forman el núcleo de un átomo: el protón y el neutrón.
Partículas fundamentales (sin estructura):
Los leptones son fermiones que tienen la forma de partículas puntuales (es decir, que no están compuestos de nada) hasta escalas del orden de 10 a 18 m y no participan en interacciones fuertes. La participación en interacciones electromagnéticas se observó experimentalmente solo para leptones cargados (electrones, muones, leptones tau) y no se observó para neutrinos. Hay 6 tipos conocidos de leptones.
Los quarks son partículas con carga fraccionada que forman parte de los hadrones. No fueron observados en el estado libre. Al igual que los leptones, se dividen en 6 tipos y no tienen estructura; sin embargo, a diferencia de los leptones, participan en interacciones fuertes.
bosones de calibre: partículas mediante cuyo intercambio se llevan a cabo interacciones:
fotón: una partícula que lleva interacción electromagnética;
ocho gluones, partículas que llevan la interacción fuerte;
tres bosones vectoriales intermedios W+, W− y Z0, que llevan la interacción débil;
Gravitón es una partícula hipotética que transfiere interacción gravitacional. La existencia de gravitones, aunque aún no se ha demostrado experimentalmente debido a la debilidad de la interacción gravitacional, se considera bastante probable; sin embargo, el gravitón no está incluido en el Modelo Estándar.
Los hadrones y los leptones forman la materia. Los bosones de calibre son cuantos de diferentes tipos de radiación.
Además, el modelo estándar contiene necesariamente el bosón de Higgs, que, sin embargo, aún no ha sido descubierto experimentalmente.
La capacidad de sufrir transformaciones mutuas es la propiedad más importante de todas las partículas elementales. Las partículas elementales son capaces de nacer y destruirse (emitidas y absorbidas). Esto también se aplica a las partículas estables, con la única diferencia de que las transformaciones de las partículas estables no se producen de forma espontánea, sino mediante la interacción con otras partículas. Un ejemplo es la aniquilación (es decir, la desaparición) de un electrón y un positrón, acompañada del nacimiento de fotones de alta energía. También puede gotear proceso inverso– el nacimiento de un par electrón-positrón, por ejemplo, cuando un fotón con una energía suficientemente alta choca con un núcleo. El protón también tiene un gemelo tan peligroso como el positrón del electrón. Se llama antiprotón. La carga eléctrica del antiprotón es negativa. Actualmente, se han encontrado antipartículas en todas las partículas. Las antipartículas se oponen a las partículas porque cuando cualquier partícula se encuentra con su antipartícula, se produce su aniquilación, es decir, ambas partículas desaparecen, convirtiéndose en cuantos de radiación u otras partículas.
En la variedad de partículas elementales conocidas hasta la fecha se encuentra un sistema de clasificación más o menos armonioso: la taxonomía más conveniente de numerosas partículas elementales es su clasificación según los tipos de interacciones en las que participan. En relación con la interacción fuerte, todas las partículas elementales se dividen en dos grandes grupos: hadrones (del griego hadros - grande, fuerte) y leptones (del griego leptos - ligero).
Inicialmente, el término "partícula elemental" significaba algo absolutamente elemental, el primer ladrillo de materia. Sin embargo, cuando en las décadas de 1950 y 1960 se descubrieron cientos de hadrones con propiedades similares, quedó claro que los hadrones al menos tienen grados de libertad internos, es decir, no son elementales en el sentido estricto de la palabra. Esta sospecha se confirmó más tarde cuando resultó que los hadrones están formados por quarks.
Así, la humanidad ha avanzado un poco más en la estructura de la materia: los leptones y los quarks ahora se consideran las partes más elementales y puntuales de la materia. Es para ellos (junto con los bosones de calibre) que se utiliza el término "partículas fundamentales".
2. CARACTERÍSTICAS DE LAS PARTÍCULAS ELEMENTALES
Todas las partículas elementales son objetos de masas y tamaños extremadamente pequeños. La mayoría de ellos tienen masas del orden de la masa del protón, igual a 1,6×10 -24 g (sólo la masa del electrón es notablemente menor: 9×10 -28 g). Los tamaños determinados experimentalmente del protón, neutrón y mesón p son iguales en orden de magnitud a 10 -13 cm. Los tamaños del electrón y muón no se pudieron determinar, solo se sabe que miden menos de 10 -15 cm. Masas y tamaños microscópicos Las partículas elementales subyacen a la especificidad cuántica de su comportamiento. Las longitudes de onda características que deberían atribuirse a las partículas elementales en la teoría cuántica (donde está la constante de Planck, m es la masa de la partícula, c es la velocidad de la luz) están cercanas en orden de magnitud a tamaños típicos, en el que tiene lugar su interacción (por ejemplo, para el mesón p 1,4×10 -13 cm). Esto lleva al hecho de que las leyes cuánticas son decisivas para las partículas elementales.
; p+®m++vm; К + ®p + + p 0 (el signo de “tilde” sobre el símbolo de partícula en lo sucesivo marca las antipartículas correspondientes). Varios procesos con partículas elementales difieren notablemente en la intensidad de su aparición. De acuerdo con esto, las interacciones de partículas elementales se pueden dividir fenomenológicamente en varias clases: interacciones fuertes, electromagnéticas y débiles. Todas las partículas elementales también tienen interacción gravitacional.
Interacciones fuertesse destacan como interacciones que dan lugar a procesos que ocurren con mayor intensidad entre todos los demás procesos. También conducen a la conexión más fuerte entre partículas elementales. Son las interacciones fuertes las que determinan la conexión de protones y neutrones en los núcleos de los átomos y proporcionan la fuerza excepcional de estas formaciones, que es la base de la estabilidad de la materia en condiciones terrestres.
Interacciones electromagnéticascaracterizado como interacciones basadas en la comunicación con el campo electromagnético. Los procesos que provocan son menos intensos que los procesos de interacciones fuertes y la conexión que generan es notablemente más débil. En particular, las interacciones electromagnéticas son responsables de la unión de los electrones atómicos con los núcleos y de la unión de los átomos en las moléculas.
Interacciones débiles, como su propio nombre indica, provocan procesos que ocurren muy lentamente con partículas elementales. Un ejemplo de su baja intensidad es el hecho de que los neutrinos, que sólo tienen interacciones débiles, penetran libremente, por ejemplo, en el espesor de la Tierra y el Sol. Las interacciones débiles también provocan desintegraciones lentas de las llamadas partículas elementales cuasi estables. La vida útil de estas partículas está en el rango de 10 -8 -10 -10 segundos, mientras que los tiempos típicos para interacciones fuertes de partículas elementales son 10 -23 -10 -24 segundos.
Las interacciones gravitacionales, bien conocidas por sus manifestaciones macroscópicas, en el caso de partículas elementales a distancias características de ~10 -13 cm producen efectos extremadamente pequeños debido a las pequeñas masas de las partículas elementales.
La fuerza de varias clases de interacciones se puede caracterizar aproximadamente mediante parámetros adimensionales asociados con los cuadrados de las constantes de las interacciones correspondientes. Para interacciones fuertes, electromagnéticas, débiles y gravitacionales de protones con una energía de proceso promedio de ~1 GeV, estos parámetros se correlacionan como 1:10 -2: l0 -10:10 -38. La necesidad de indicar la energía promedio del proceso se debe al hecho de que para interacciones débiles el parámetro adimensional depende de la energía. Además, las intensidades de los distintos procesos dependen de forma diferente de la energía. Esto lleva al hecho de que el papel relativo de las distintas interacciones, en general, cambia con el aumento de la energía de las partículas que interactúan, de modo que la división de las interacciones en clases, basándose en una comparación de las intensidades de los procesos, se lleva a cabo de forma fiable en no energías demasiado altas. Sin embargo, las diferentes clases de interacciones también tienen otras características específicas asociadas con diferentes propiedades de su simetría, lo que contribuye a su separación a energías más altas. Aún no está claro si esta división de interacciones en clases se mantendrá en el límite de las energías más altas.
Dependiendo de su participación en ciertos tipos de interacciones, todas las partículas elementales estudiadas, con excepción del fotón, se dividen en dos grupos principales: hadrones (del griego hadros - grande, fuerte) y leptones (del griego leptos - pequeño, delgado, ligero). Los hadrones se caracterizan principalmente por el hecho de que tienen interacciones fuertes, junto con interacciones electromagnéticas y débiles, mientras que los leptones participan solo en interacciones electromagnéticas y débiles. (Se implica la presencia de interacciones gravitacionales comunes a ambos grupos). Las masas de hadrones están cercanas en orden de magnitud a la masa del protón (m p); El mesón p tiene la masa mínima entre los hadrones: t p »m 1/7×t p. Las masas de los leptones conocidas antes de 1975-76 eran pequeñas (0,1 m p), pero los últimos datos aparentemente indican la posibilidad de la existencia de leptones pesados con las mismas masas que los hadrones. Los primeros representantes de los hadrones estudiados fueron el protón y el neutrón, y los leptones, el electrón. Un fotón que solo tiene interacciones electromagnéticas no puede clasificarse ni como hadrones ni como leptones y debe separarse en una sección separada. grupo. Según los desarrollados en los años 70. En nuestra opinión, el fotón (una partícula con masa en reposo cero) pertenece al mismo grupo que las partículas muy masivas, las llamadas. bosones vectoriales intermedios responsables de interacciones débiles y aún no observados experimentalmente.
Cada partícula elemental, junto con las características específicas de sus interacciones inherentes, se describe mediante un conjunto de valores discretos de determinadas cantidades físicas, o sus características. En algunos casos, estos valores discretos se expresan en términos de números enteros o números fraccionarios y algún factor común: una unidad de medida; a estos números se habla como números cuánticos de partículas elementales y sólo se especifican estos, omitiendo las unidades de medida.
Las características comunes de todas las partículas elementales son masa (m), vida útil (t), espín (J) y carga eléctrica (Q). Aún no se comprende lo suficiente la ley según la cual se distribuyen las masas de las partículas elementales y si existe alguna unidad para ellas.
mediciones.
Según su vida útil, las partículas elementales se dividen en estables, cuasi estables e inestables (resonancias). Estables, dentro de la precisión de las mediciones modernas, son el electrón (t > 5×10 21 años), el protón (t > 2×10 30 años), el fotón y el neutrino. Las partículas cuasi estables incluyen partículas que se desintegran debido a interacciones electromagnéticas y débiles. Su vida útil es > 10 -20 segundos (para un neutrón libre incluso ~ 1000 segundos). Las resonancias son partículas elementales que se desintegran debido a fuertes interacciones. Sus tiempos de vida característicos son 10 -23 -10 -24 seg. En algunos casos, se suprime la desintegración de resonancias fuertes (con una masa de ³ 3 GeV) debido a interacciones fuertes y la vida útil aumenta a valores de ~10 -20 s.
Girar de partículas elementales es un múltiplo entero o semientero de . En estas unidades, el espín de los mesones p y K es 0, para el protón, neutrón y electrón J = 1/2, para el fotón J = 1. Hay partículas con un espín mayor. La magnitud del espín de las partículas elementales determina el comportamiento de un conjunto de partículas idénticas (idénticas), o sus estadísticas (W. Pauli, 1940). Las partículas de espín semientero están sujetas a la estadística de Fermi-Dirac (de ahí el nombre fermiones), que requiere la antisimetría de la función de onda del sistema con respecto a la permutación de un par de partículas (o un número impar de pares) y, por lo tanto, “prohíbe” que dos partículas de espín semientero estén en el mismo estado (principio de Pauli). Las partículas de espín entero están sujetas a la estadística de Bose-Einstein (de ahí el nombre de bosones), que requiere la simetría de la función de onda con respecto a las permutaciones de partículas y permite que cualquier número de partículas estén en el mismo estado. Las propiedades estadísticas de las partículas elementales resultan significativas en los casos en que se forman varias partículas idénticas durante el nacimiento o la descomposición. La estadística de Fermi-Dirac también juega un papel extremadamente importante en la estructura de los núcleos y determina los patrones de llenado de las capas atómicas con electrones, que subyacen a tabla periódica elementos de D.I. Mendeleev.
Las cargas eléctricas de las partículas elementales estudiadas son múltiplos enteros del valor e » 1,6×10 -19 k, denominada carga eléctrica elemental. Para partículas elementales conocidas Q = 0, ±1, ±2.
Además de las cantidades indicadas, las partículas elementales se caracterizan además por una serie de números cuánticos, llamados internos. Los leptones llevan una carga leptónica específica L de dos tipos: electrónica (L e) y muónica (L m); L e = +1 para electrones y neutrinos electrónicos, L m = +1 para muones negativos y neutrinos muónicos. Leptón pesado t; y el neutrino asociado a él, aparentemente, son portadores de un nuevo tipo de carga leptónica L t.
Para los hadrones L = 0, y esta es otra manifestación de su diferencia con los leptones. A su vez, partes importantes de los hadrones deberían atribuirse a una carga bariónica especial B (|E| = 1). Los hadrones con B = +1 forman un subgrupo
los bariones (esto incluye el protón, el neutrón, los hiperones, las resonancias bariónicas) y los hadrones con B = 0 son un subgrupo de mesones (mesones p y K, resonancias bosónicas). El nombre de los subgrupos de hadrones proviene de las palabras griegas barýs - pesado y mesos - medio, que etapa inicial Los estudios de partículas elementales reflejaron los valores comparativos de las masas de los entonces conocidos bariones y mesones. Datos posteriores demostraron que las masas de bariones y mesones son comparables. Para leptones B = 0. Para fotones B = 0 y L = 0.
bariones y los mesones se dividen en los agregados ya mencionados: partículas ordinarias (no extrañas) (protones, neutrones, mesones p), partículas extrañas (hiperons, mesones K) y partículas encantadas. Esta división corresponde a la presencia de números cuánticos especiales en los hadrones: extrañeza S y encanto (encanto inglés) Ch con valores permisibles: 151 = 0, 1, 2, 3 y |Ch| = 0, 1, 2, 3. Para partículas ordinarias S = 0 y Ch = 0, para partículas extrañas |S| ¹ 0, Ch = 0, para partículas encantadas |Ch| ¹0 y |S| = 0, 1, 2. En lugar de extrañeza, se suele utilizar la hipercarga del número cuántico Y = S + B, que aparentemente tiene un significado más fundamental.
Ya los primeros estudios con hadrones ordinarios revelaron la presencia entre ellos de familias de partículas similares en masa, con propiedades muy similares con respecto a interacciones fuertes, pero con diferentes significados carga eléctrica. El protón y el neutrón (nucleones) fueron el primer ejemplo de una familia de este tipo. Más tarde, se descubrieron familias similares entre hadrones extraños y (en 1976) encantados. La similitud de las propiedades de las partículas incluidas en tales familias es un reflejo
la existencia del mismo valor de un número cuántico especial: el espín isotópico I, que, como el espín ordinario, toma valores enteros y semienteros. Las propias familias suelen denominarse multipletes isotópicos. El número de partículas en un multiplete (n) está relacionado con I mediante la relación: n = 2I + 1. Las partículas de un multiplete isotópico se diferencian entre sí en el valor de la "proyección" del espín isotópico I 3, y el Los valores correspondientes de Q vienen dados por la expresión: 
Una característica importante de los hadrones es también la paridad interna P, asociada al funcionamiento de la inversión de espacios: P toma valores de ±1.
Para todas las partículas elementales con valores distintos de cero de al menos una de las cargas O, L, B, Y (S) y el encanto Ch, existen antipartículas con los mismos valores de masa m, vida útil t, espín. J y para hadrones de espín isotópico 1, pero con signos opuestos de todas las cargas y para bariones con signo opuesto de paridad interna P. Las partículas que no tienen antipartículas se denominan absolutamente (verdaderamente) neutrales. Los hadrones absolutamente neutros tienen un número cuántico especial: paridad de carga (es decir, paridad con respecto a la operación de conjugación de carga) C con valores de ±1; ejemplos de tales partículas son el fotón y p 0 .
Números cuánticos Las partículas elementales se dividen en precisas (es decir, aquellas que están asociadas con cantidades físicas que se conservan en todos los procesos) e inexactas (para las cuales las correspondientes Cantidades fisicas algunos procesos no se guardan). El espín J está asociado con la estricta ley de conservación del momento angular y, por tanto, es un número cuántico exacto. Otros números cuánticos exactos: Q, L, B; según datos modernos, se conservan durante todas las transformaciones Partículas elementales La estabilidad de un protón es una expresión directa de la conservación de B (por ejemplo, no hay desintegración p ® e + + g). Sin embargo, la mayoría de los números cuánticos de hadrones son imprecisos. El espín isotópico, si bien se conserva en interacciones fuertes, no se conserva en interacciones electromagnéticas y débiles. La extrañeza y el encanto se conservan en las interacciones fuertes y electromagnéticas, pero no en las interacciones débiles. Las interacciones débiles también cambian la paridad interna y de carga. La paridad combinada del CP se conserva con un grado mucho mayor de precisión, pero también se viola en algunos procesos causados por interacciones débiles. Las razones que causan la no conservación de muchos números cuánticos de hadrones no están claras y, aparentemente, están asociadas tanto con la naturaleza de estos números cuánticos como con la estructura profunda de las interacciones electromagnéticas y débiles. La conservación o no conservación de ciertos números cuánticos es una de las manifestaciones significativas de las diferencias en las clases de interacciones de partículas elementales.
CONCLUSIÓN
A primera vista, parece que el estudio de las partículas elementales tiene una importancia puramente teórica. Pero eso no es cierto. Las partículas elementales se han utilizado en muchas áreas de la vida.
La aplicación más sencilla de las partículas elementales es en reactores y aceleradores nucleares. En los reactores nucleares, los neutrones se utilizan para romper los núcleos de isótopos radiactivos y producir energía. En los aceleradores se utilizan partículas elementales para la investigación.
EN microscopios electrónicos Se utilizan haces de electrones "duros", que permiten ver objetos más pequeños que en un microscopio óptico.
Al bombardear películas de polímero con núcleos de ciertos elementos, se puede obtener una especie de "tamiz". El tamaño de los agujeros puede ser de 10 a 7 cm y la densidad de estos agujeros alcanza los mil millones por centímetro cuadrado. Estos "tamices" se pueden utilizar para una limpieza ultrafina. Filtran el agua y el aire de los virus más pequeños, el polvo de carbón, esterilizan soluciones medicinales y son indispensables para controlar el estado del medio ambiente.
En el futuro, los neutrinos ayudarán a los científicos a penetrar en las profundidades del Universo y obtener información sobre el período inicial del desarrollo de las galaxias.
crear una familia de hadrones que lo contengan. Una vida útil tan corta se debe a la gran liberación de energía Q durante la transformación.
quark t a quark b:
Q = m t c 2 –m b c 2 = 90 GeV, τ ~ 1/Q 5.
El esquema para observar un par de quarks t t tiene la forma
p + p→ t+ t, t→ b+ W+ , W+ → e+ + ν e , t→ b+ W− , W− → u+ d.
7.11. Bosones de calibre
La siguiente clase de partículas fundamentales del modelo estándar está formada por cuantos de campos calibre. Este es el nombre que se les da a los campos que implementan el principio de invariancia de calibre local, que es la base del modelo estándar. Los cuantos de campo de calibre (bosones de calibre) tienen un espín entero J = 0,1 y son portadores de la interacción entre fermiones fundamentales.
El bosón de calibre más famoso es el fotón, un cuanto del campo electromagnético. Los cuantos de campo fuerte son ocho gluones. La fuerza débil es llevada por tres enormes
cuantos W + , W - y Z . Los bosones de calibre de campos fuertes, electromagnéticos y débiles se han descubierto experimentalmente y han
girar J = 1, es decir son cuantos de campos vectoriales. El cuanto del campo gravitacional (el gravitón con J = 2) no ha sido encontrado.
Las fuentes de los bosones de calibre son las cargas de las correspondientes interacciones fundamentales. Por tanto, los gluones pueden ser emitidos por cualquier partícula dotada de una carga fuerte (de color). Un fotón es emitido (o absorbido) únicamente por partículas cargadas eléctricamente y dotadas de una carga débil.
Tabla 20 Interacciones fundamentales y sus bosones de calibre
Interacción | Calibración |
||
las partículas actúan | |||
Todas las partículas coloreadas | 8 gluo sin masa |
||
nuevo, J = 1 |
|||
Electromagnético | Todo está cargado eléctricamente. | fotón sin masa, |
|
nuevas partículas | J=1 |
||
Quarks, leptones, calibre | Bosones masivos |
||
bosones constantes W ± ,Z | W ± ,Z ,J = 1 |
||
Mwc2 ≈ 80,4 GEV |
|||
M z c 2 ≈ 91,2 GEV |
|||
Gravitacional | todas las partículas | gravedad sin masa |
|
tono, J = 2 |
Gravitón puede ser emitido por cualquier partícula, porque cualquier partícula tiene una carga gravitacional correspondiente (para masas
partícula Gm).
7.12. Gluones
Los gluones (g), partículas eléctricamente neutras sin masa con espín J = 1 y paridad P = 1, son portadores de la fuerte interacción de color entre quarks. Pegan los quarks formando hadrones. Cuando se emite un g-gluón, los quarks pueden cambiar de color, mientras que los números cuánticos restantes del quark y su sabor no cambian. Aunque los gluones tienen color, su estructura de color es diferente a la de un quark.
gramo' | gramo'' | ||||
Arroz. 35. Cambio de color de los quarks tras la emisión de gluones.
Consideremos la interacción de dos quarks de colores: rojo (k) y verde (h) (ver Fig. 35). Puede haber dos opciones para esta interacción:
1) con intercambio de colores, es decir en el punto 1, el quark k = g′ + z emite el gluón g′, y el quark z lo absorbe en el punto 2:
punto 1 | k = g′ + z punto 2 z+ k′ = k; |
punto 1 | k = gramo″ + k punto 2 z+ gramo″ = z. |
2) sin intercambio de color:
Como resultado, obtenemos la estructura de color de los gluones g′ y g″:
g′ = kz,g” = kk,zz
aquellos. Un gluón tiene dos características de color: g′ color y g″ – color oculto.
Cada gluón tiene un par de cargas de color: color y anticolor. A partir de tres colores (k z s) y anticolores (k z s), se pueden realizar nueve combinaciones de pares para gluones (color - anticolor). Los cálculos teóricos muestran que de nueve combinaciones quedan ocho, que se muestran en la tabla:
7.13. Portadores de interacción débil | ||||||||||||
Portadores de débiles | interacción | son | ||||||||||
W + ,W − ,Z, que a menudo se denominan intermedios (Fig. 36). |
||||||||||||
ν e (ν µ, ν τ) | yo |
|||||||||||
w- | ||||||||||||
mi −(µ −, τ −) | ||||||||||||
Diagrama 1 | Diagrama 2 | |||||||||||
e- |
||||||||||||
ƒ 4 | e- | |||||||||||
Diagrama 3 | Diagrama 4 | |||||||||||
ν~e | ν~e | |||||||||||
Diagrama 5
Arroz. 36. Representación gráfica del proceso de interacción débil.
El diagrama 3 describe la interacción débil de los fermiones (f 1234) mediante el intercambio de bosones intermedios cargados.
mi. Diagrama 4: dispersión del neutrino ν e en un electrón. Posible
Procesos débiles en los que se intercambia el bosón neutro Z. En este caso cargas eléctricas los leptones que interactúan no cambian (diagrama 5).
Procesos débiles que representan el intercambio de carga.
Los cuantos de campo débil (W ± ) se denominan corrientes débiles cargadas. Si la interacción débil se realiza mediante el intercambio de un bosón Z intermedio de neutrones, entonces hablamos de corrientes neutras débiles (Fig. 38).
Los bosones intermedios W ± ,Z tienen una carga débil, una fuente de campo del que son portadores. Por tanto, los bosones intermedios ellos mismos son capaces de generar otros bosones intermedios y se dispersan entre sí. Lo importante es que
