Osakesed:
1.1 hadronid on osakesed, mis osalevad igat tüüpi fundamentaalsetes interaktsioonides. Need koosnevad kvarkidest ja jagunevad omakorda:
1.1.1 mesonid (täisarvulise spinniga hadronid, st bosonid);
1.1.2 barüonid (pooltäisarvulise spinniga hadronid, st fermionid). Nende hulka kuuluvad eelkõige osakesed, mis moodustavad aatomi tuuma – prooton ja neutron.
Põhilised (struktuurita) osakesed:
2,1 leptonid - fermionid, mis on punktosakeste kujul (st mitte millestki koosnevad) kuni mõõtkavadeni suurusjärgus 10-18 m. Nad ei osale tugevas vastastikmõjus. Elektromagnetilistes interaktsioonides osalemist täheldati eksperimentaalselt ainult laetud leptonite (elektronid, müüonid, tau leptonid) puhul ja neutriinode puhul seda ei täheldatud. Leptoneid on teada 6 tüüpi.
2.2 kvargid on fraktsioneeriva laenguga osakesed, mis on osa hadronitest. Neid ei täheldatud vabas olekus (selliste vaatluste puudumise selgitamiseks on pakutud välja vangistusmehhanism). Nagu leptonid, jagunevad nad 6 tüüpi ja on struktuurita, kuid erinevalt leptonitest osalevad nad tugevas interaktsioonis.
2.3 gabariidibosonid - osakesed, mille vahetuse kaudu toimub interaktsioon:
2.3.1 footon - osake, mis kannab elektromagnetilist vastasmõju;
2.3.2 kaheksa gluooni – osakesed, mis kannavad tugevat vastasmõju;
2.3.3 kolm vahevektori bosonit W+, W? ja Z0, mis taluvad nõrka interaktsiooni;
2.3.4 graviton on hüpoteetiline osake, mis kannab edasi gravitatsioonilist vastasmõju. Gravitonite olemasolu, kuigi gravitatsioonilise vastasmõju nõrkuse tõttu pole veel eksperimentaalselt tõestatud, peetakse üsna tõenäoliseks; standardmudelisse graviton siiski ei kuulu.
Hadronid ja leptonid moodustavad aine. Mõõtebosonid on kvantid erinevad tüübid kiirgust.
Lisaks sisaldab standardmudel tingimata Higgsi bosonit, mida aga pole veel eksperimentaalselt avastatud.
Algselt tähendas mõiste “elementaarosake” midagi absoluutselt elementaarset, aine esimest tellist. Kui aga 1950. ja 1960. aastatel avastati sadu sarnaste omadustega hadroneid, selgus, et hadronitel on vähemalt sisemised vabadusastmed, s.t nad pole elementaarsed selle sõna otseses mõttes. See kahtlus leidis hiljem kinnitust, kui selgus, et hadronid koosnevad kvarkidest.
Seega oleme liikunud pisut sügavamale mateeria struktuuri: leptoneid ja kvarke peetakse praegu aine kõige elementaarsemateks, punktitaolisteks osadeks. Nende jaoks (koos mõõtmisbosonitega) kasutatakse mõistet "põhiosakesed".
Osakeste vahel on nelja tüüpi interaktsioone, millest igaüht kannavad oma tüüpi bosonid: footon, valguskvant – elektromagnetilised vastasmõjud, graviton – gravitatsioonijõud, mis mõjuvad mis tahes massiga kehade vahel. Kaheksa gluooni kannavad tugevaid tuumajõude, mis seovad kvarke omavahel. Vahevektori bosonid kannavad nõrka interaktsiooni, mis põhjustab mõningaid osakeste lagunemist. Arvatakse, et kõik loodusjõud taanduvad nendele neljale vastasmõjule. Üks meie sajandi silmatorkavamaid saavutusi oli tõestus, et väga kõrged temperatuurid(või energiad) kõik neli vastasmõju ühinevad üheks.
Energia 100 GeV (10 9 eV) juures ühendatakse elektromagnetiline ja nõrk vastastikmõju. See energia vastab Universumi temperatuurile 10–10 s pärast Suur pauk ja 4 triljonit korda kõrgem kui toatemperatuur. See avastus võimaldas eeldada, et energia suurusjärgus 10 15 GeV on võimalik saavutada nendega tugevate interaktsioonide ühendamine, nagu on öeldud Grand Unified Theories (GUT) ja energia 10 19 GeV juures. , liitub ka gravitatsiooniline interaktsioon GUT interaktsioonidega, moodustades FA (The Theory of Everything That Exists).
Puuduvad kiirendid, millega selliseid energiaid saada ja neid teooriaid testida, ning seetõttu pöörduvad nad universumi poole, et leida selles võimalikke piiranguid paljude jaoks. elementaarosakesed. Viimase kolmekümne aasta jooksul on osakeste füüsika ja kosmoloogia vahel olnud tihe seos. Astrofüüsikaliste andmete kogumit võib pidada Universumi - hiiglasliku osakeste kiirendi - töö tulemusena kogunenud "eksperimentaalseks materjaliks". Me saame tegeleda vaid toimunud ja käimasolevate protsesside kaudsete tagajärgedega, mis tulenevad nende mõjust aine arengule kogu universumis keskmiselt.
Leptonitest on tuntuim elektron, mis ilmselt ei koosne teistest osakestest, st on elementaarne. Teine lepton on neutriino. See on universumi kõige rikkalikum lepton ja samal ajal ka kõige tabamatum. Neutriinod ei osale ei tugevas ega elektromagnetilises vastasmõjus. Pärast ennustust avastati neutriino alles 30 aastat hiljem kiirenditest. Neutriinosid on kolme tüüpi – elektron-, müüon- ja tau-neutriinod. Muuon on ka looduses laialt levinud lepton. See avastati kosmilistes kiirtes 1936. aastal; see on ebastabiilne osake, kuid muus osas sarnaneb elektroniga. Kahe miljondiku sekundi jooksul laguneb see elektroniks ja kaheks neutriinoks. Suurem osa kosmilisest taustkiirgusest koosneb müüonitest. 70ndate lõpus. avastati kolmas laetud lepton (peale elektroni ja müüoni) – tau lepton. See käitub väga sarnaselt oma sugulastega, kuid on 3500 korda raskem kui elektron. Igas leptonis on ka antiosake, st. neid on kokku 12.
Hadroneid on palju, sadu. Seetõttu ei peeta neid sageli elementaarosakesteks, vaid teistest koosnevateks osakesteks. Need on elektriliselt laetud ja neutraalsed. Kõik hadronid osalevad tugevates, nõrkades ja gravitatsioonilistes vastasmõjudes. Nende hulgas on kõige kuulsamad prooton ja neutron. Ülejäänud elavad väga vähe, lagunedes nõrga vastasmõju tõttu 10 -6 s või tugeva vastasmõju tõttu 10 -23 s. Hadronid sorteeriti massi, laengu ja pöörlemise järgi. Sellele aitas kaasa hüpotees kvarkidest ehk hadroneid moodustavatest osakestest.
Selleks võivad kvargid ühineda kolmikutena, moodustades barüone, või paarides: kvark-antikvark, moodustades mesonid (vaheosakesed). Kvarkide laeng on 1/3 või 2/3 elektroni laengust. Siis koos annavad nad 0 või 1. Kõigi kvarkide spinn on 1/2, st. nad kuuluvad fermionidele. Arvatakse, et neid seob tugev suhtlus, kuid nad osalevad ka nõrgas suhtluses. Tugeva interaktsiooni tunnuseid iseloomustavad tüübid (“maitsed”) - “ülemine”, “alumine”, “kummaline”. Kuid nõrk interaktsioon võib muuta kvargi "maitset". Näiteks neutroni lagunemise ajal muutub üks "alla" kvarkidest "üles" ja tekkiv elektron kannab üleliigse laengu ära. Seega ei saa tugev interaktsioon "maitset" muuta ja ilma kvargi "maitset" muutmata on hadroni lagunemine võimatu.
Kiirendite juures avastati uus hadron, mida nimetatakse -osakeseks (1974). Seetõttu võeti vastavalt kvarkide teooriale kasutusele veel üks omadus, neljas "maitse", ja nii tekkis "võlu" kvark.
Seega on sh-osakeseks oletatavasti meson, mis koosneb c-kvargist ja c-antikvargist. Nüüd on avastatud palju "nõiutud" osakesi ja kõik need on rasked. Ja 1977. aastal ilmus -meson ja kogu lugu kordus, viiendat lõhna nimetati "armasaks". Nii areneb tänapäeval atomism. Praegu arvatakse, et kvarke on 12 – põhiosakesed ja sama palju antiosakesi.
Kuus osakest on kvargid eksootiliste nimedega "üles", "alla", "võlutud", "kummaline", "tõene", "armas". Need on teooria tulemus, mis püüdleb korra ja ilu poole ning kõik on avatud, välja arvatud "tõe". Ülejäänud kuus on leptonid: elektron, müüon, -osake ja neile vastavad neutriinod (elektron, müüon, neutriino).
Need 12 osakest ehk kaks kuuest on rühmitatud kolme põlvkonda, millest igaüks koosneb neljast liikmest.
Esimeses põlvkonnas - "ülemised" ja "alla" kvargid, elektronide ja elektronide neutriinod, teises - "võlu" ja "kummalised" kvargid, muuon ja muuonneutriino, kolmandas - "tõelised" ja "võluvad" kvargid ja -osake oma neutriinoga. Kogu tavaline aine koosneb esimese põlvkonna osakestest. Näiteks prooton koosneb kahest "üles" ja ühest "alla" kvargist, neutron - kahest "alla" ja ühest "üles". Iga aatom koosneb raskest tuumast (tihedalt seotud prootonitest ja neutronitest), mida ümbritseb elektronipilv.
Lisaks sellele klassifikatsioonile saab eristada tõelisi elementaarosakesi ja tinglikult tõelisi mikroosakesi. Karpenkov S.Kh. Loodusteaduse põhimõisted. M., 2007. Lk 89.
Tõeliselt elementaarosakesed.
Tänapäeval on teoreetilisest vaatenurgast teada järgmised tõeliselt elementaarsed (teaduse selles arengufaasis, mida peetakse lagunematuks) osakesi: kvargid ja leptonid (need sordid kuuluvad aineosakeste hulka), väljakvandid (footonid, vektorbosonid, gluoonid), aga ka Higgsi osakesed.
Vastavalt neljale fundamentaalse interaktsiooni tüübile eristatakse vastavalt nelja tüüpi elementaarosakesi: hadronid, mis osalevad kõigis interaktsioonides, ja leptonid, mis ei osale. Ainult tugevates (ja neutriinodes ja elektromagnetilistes) footon, mis osaleb ainult elektromagnetilises interaktsioonis, ja hüpoteetiline graviton - gravitatsioonilise interaktsiooni kandja.
Põhiliste interaktsioonide kohta
Põhilised interaktsioonid
On hästi teada, et kogu aine koosneb elementaarosakestest. Need osakesed suhtlevad üksteisega nelja põhilise interaktsiooni kaudu, millel on erinev olemus ja tugevus.
Põhilistest interaktsioonidest kõige ilmsem ja nõrgim neist on gravitatsiooniline interaktsioon, seetõttu on kõige raskem eksperimentaalselt uurida. Vähem ilmne, aga ka laialt levinud ja tuttav on elektromagnetiline interaktsioon. Nagu gravitatsioonijõud, nõrgeneb see võrdeliselt r 2 -ga, kuid selle suhteline tugevus on 10 36 korda suurem. Põhjus, miks see ei ole absoluutselt domineeriv, on asjaolu, et peaaegu kogu universumi aine on elektriliselt neutraalne. Mõlemad vastasmõjud toimivad lõputult suurte vahemaade tagant, ehkki võib-olla kaduvalt nõrgalt.
Kuid peale nende on veel kaks fundamentaalset interaktsiooni, mis mängivad mikrokosmoses olulist rolli ja mida nimetatakse ilma eriliste satsikuteta. nõrk Ja tugev. Nõrgal interaktsioonil on oluline roll tuumade radioaktiivses beeta-lagunemises, eelkõige tänu sellele laguneb vaba neutron (poolestusaeg 10 minutit 14 sekundit, mitte segi ajada elueaga) ja on ainuke asümmeetriline interaktsioon (ainult selle abiga saab tulnukatele selgeks teha, kus on parem ja kus vasak :)). Tugev jõud (eriti) hoiab nukleone (prootoneid ja neutroneid) tuumas koos.
Praegu on tavaks kirjeldada põhilisi interaktsioone spetsiaalsete osakeste abil, mis neid kannavad - mõõta bosoneid.
Teemast saab vaadata ilusat pilti.
Elementaarosakesed
Pärast seda, kui Thomson avastas 1897. aastal esimese elementaarosakese, elektroni (valguse korpuskulaarne teooria eksisteeris varem, kuid saavutas tõelise populaarsuse pärast Einsteini tööd fotoelektrilise efekti kohta), avastati üle 400 elementaarosakese. Perioodilises tabelis umbes 120 jaoks erinevaid elemente nende keemiliste omaduste rohkusega on olemas üldine alus: nende elektrooniline struktuur, mis sõltub prootonite ja neutronite arvust. Samal ajal sai elementide klassifitseerimine eelduseks aatomite elektronstruktuuri uurimisel. Õnneks on selline klassifikatsioon võimalik ka osakeste füüsikas.
Praegu on elementaarosakestel kaks peamist klassifikatsiooni: spinni ja struktuuri järgi.
Keeruta see on osakeste teatud omadus, mis avaldub interaktsioonis magnetväljaga (eelkõige põhineb sellel tuumamagnetresonants (NMR), üks arenenumaid analüüsimeetodeid nii keemias kui ka meditsiinis). Pooltäisarvulise spinniga osakestel (nagu elektronid, nukleonid ja neutriinod) on erinev käitumisstatistika (nimetatakse Fermi-Dirac statistikaks) kui täisarvulise spinniga osakestel (nt footon) (Bose-Einsteini statistika), mistõttu neid nimetatakse. vastavalt fermionid Ja bosonid. Mõnikord lisatakse omadussõnu: skalaar, vektor, tensorboson või spinor, spin-vektor fermion. Need on lihtsalt tähised pöörlemissageduse kohta (vastavalt 0, 1, 2 ja 1/2, 3/2).
Osakesed saab nende struktuuri järgi jagada liit- (hadroniteks) ja struktuurituteks.
Hadronid koosneb kvargid. Nüüd on üldtunnustatud seisukoht, et hadroneid ei saa kuidagi kvarkideks jagada (seda nähtust nn. kinnipidamine), sest nendevahelise interaktsiooni tugevus suureneb kauguse suurenedes (see pole aga veel rangelt tõestatud: nad pakuvad tõestuseks miljon dollarit - Yang-Millsi võrrandite lahendamise probleem). Nende olemasolu on aga vaieldamatu: eelkõige siis, kui hadroneid pommitatakse suure energiaga elektronidega, näitavad hajumise karakteristikud, et mitmed nn. partonid, mille hajumine toimub eriti tugevalt. Kui rakendate veelgi rohkem energiat, võib kvarkide vaheline ühendus "katkeneda", kuid liigne energia toob kaasa uute kvarkide moodustumise mõlemal pool lõhet - toimub nn "katkenemine". hadroonlennukite sünd. Teooria, mis eeldab ainult 6 tüüpi kvarkide (d, u, s, c, b, t ja nende antikvargid) olemasolu, selgitas kõigi tänapäeval tuntud hadronite olemasolu, mida 50-60ndatel aastatel ohtralt avastati. jõulised katsetajad.
Enamik hadroneid koosneb 2 ( mesonid) või 3 ( barüonid) kvarkid: hadroni "värv" peaks olema "värvitu", mida kirjeldatakse hästi ainult nendel juhtudel. Teoreetiliselt on ennustatud eksisteerimise võimalust, mida pole veel katsega kinnitatud, pentakvarkid, mis koosneb 5 kvargist ja tetrakvarkid(4-st).
Kvargid ise kuuluvad struktuuritute osakeste hulka (kuigi ebaõnnestunult üritatakse konstrueerida teooriaid, kus need koosneksid millestki, mida võiks nimetada " preon" või " ikooni"). Teised struktuurita osakesed klassifitseeritakse nende spinni järgi: mõõtebosonid ja leptonid, mis on fermionid.
Aine koosneb hadronitest ja leptonitest, mõõtebosonite kiirgusest.
Huvitav on märkida, et on mitmeid stringiteooriaid, mis koos bradüüonid(valguse kiirusest aeglasemalt liikuvad osakesed) ja Luxonid(sellega liikumine: footon, gluoonid ja hüpoteetiline graviton) tutvustavad tahhüonid, mis liiguvad valguse kiirusest kiiremini ja millel on kujuteldav mass.
Supersümmeetria
"Fermione ja bosoneid," arvasid mõned füüsikud, "on kahte tüüpi! 2 - seda on palju! Ja nad mõtlesid välja supersümmeetria. Selle järgi on tegelikult kõik bosonid ja fermioonid ühed ja samad osakesed ja nad võivad muutuda üksteiseks (praktikas tähendab see võimalust muuta aine kiirguseks ja vastupidi; tasub teada, et annihilatsioon on kõige võimsam võimalik energiaallikas ja meie universumis, mitte nagu mingi õli).
Supersümmeetria teoorias on tungiv vajadus avastada superpartneri osakesed. Kuid siin on probleem: tavaliste (madalate) energiate korral rikutakse supersümmeetriat, nimelt pole olemas bosoni-fermioni paare, mis erinevad ainult spinni poolest, kuid millel on võrdne mass ja laengud. "See pole suur asi," arvasid need füüsikud, "see tähendab, et superpartnerid on lihtsalt väga rasked." Tuleb märkida, et supersümmeetriateooria raames lihtne seletus olemasolu kohta tumeaine nagu osakesed neutralino, seega on superpartnerite otsimine väga huvitav.
Üks tõenäolisemaid kandidaate tuvastamiseks on tippkvargi superpartner: viimase suure massi tõttu võib tema superpartner vastupidi olla kerge ja LHC-s vaatlemiseks ligipääsetav.
Interaktsioonide kombineerimine
Vaatamata kõikidele erinevustele osakeste ja nende vastastikmõjude vahel, võib neis leida üsna palju sarnasusi: tuntud näide on elektri ja magnetismi ühendamine elektromagnetismiks Maxwelli poolt 1864. aastal. Idee kirjeldada erinevaid interaktsioone üldvõrrandiga sai eriti populaarseks pärast seda, kui Einstein selle 1916. aastal lõi. Üldrelatiivsusteooria, mis kirjeldas gravitatsiooni. Ühtse väljateooria, mis võimaldaks ühtse lähenemise raames kirjeldada kõiki elementaarosakesi ja nende vastastikmõjusid, seletaks ära kõik Universumis eksisteerivad füüsikalised nähtused – selline hüpoteetiline teooria sai naljaga pooleks nime “ Kõige teooria" Selle ees olevad ülesanded on tõsised: see ei pea mitte ainult selgitama ja ennustama kõiki olemasolevaid elementaarosakesi ja nende vastasmõju, vaid ka selgitama nende massi ja eluiga.
Kuid selle ehitamise sammud pikka aega olid ebaõnnestunud: eelkõige töötas Einstein sellise teooria loomise kallal kuni oma surmani. Legendid räägivad, et Einstein sai sellega hakkama ning oma teoreetiliste järelduste katsetamiseks korraldas Ameerika valitsus 1943. aastal salajase Philadelphia eksperimendi, mille käigus teleporteeriti väidetavalt hävitaja Eldridge mitmesaja kilomeetri kaugusele. Väidetavalt hävitas Einstein seejärel kõik oma uuringud selles valdkonnas, kuna seda võis kasutada äärmiselt hävitavates relvades. Õiged poisid suhtuvad sellesse legendi kerge skepsisega: enamikku tehtud katsetest võimalik loomine Standardmudel, mis ühendab vaid 3 neljast põhijõust, loodi pärast Einsteini surma.
Nihe ühtse välja teooria konstrueerimise valdkonnas algas alles pärast nõrkade ja tugevate vastastikmõjude avastamist. Esimene samm oli elektrinõrga interaktsiooni teooria, mille konstrueerisid Salam, Glashow ja Weinberg 1967. aastal kvantelektrodünaamika põhjal (mille eest nad said Nobeli preemia 1979. aastal, s.o. peaaegu kohe). Seejärel, aastal 1973, töötati välja teooria, mis kirjeldas tugevat vastasmõju - kvantkromodünaamika. Nende kahe teooria põhjal see loodi Standardmudel, mille kõik ennustused said kinnitust, välja arvatud veel avastamata Higgsi boson.
Tugev interaktsioon ja kvantkromodünaamika
Kvargi võimet tugevas interaktsioonis osaleda nimetatakse kvargiks värvi. Kokku on 3 kvarkivärvi, mida nimetatakse punaseks, roheliseks ja siniseks. Väljakvant kvantkromodünaamikas on gluoon, footoniga sarnane osake, samuti ilma laenguta, massi ja antiosakeseta, nagu ka ülejäänud bosonid, millel on ühikpöörlemine. Tugev interaktsioon on aga palju keerulisem kui elektromagnetiline: gluoon ise on värvi kandja ja võib seetõttu kogeda tugevat vastasmõju teiste gluoonidega. Lisaks, kuna gluoon kannab värvi, ei ole ainult ühte, vaid 8 tüüpi gluoone. Gluoone, nagu kvarke, vaadeldi partonidena elektronide hajumise ajal nukleonide poolt.
Standardmudel
Standardmudel ei tuleta kõiki aine omadusi sõrmeotstest. Selleks vajab ta 19 parameetrit, millest 17 on juba eksperimentaalselt mõõdetud: 3 tüüpi leptoni ja 6 kvargi massid; 4 parameetrit, mis on seotud Cabibbo-Kobayashi-Maskawa maatriks, mis kirjeldab nõrga lagunemise tõenäosust, mis muudab kvarkide “maitset”; 3 konstanti, mis on seotud fundamentaalsete vastastikmõjude jõududega; teine tugeva interaktsiooni parameeter; ja lõpuks kaks parameetrit, mida pole veel eksperimentaalselt kindlaks määratud ja mis on seotud Higgsi bosoni ja aine vastastikmõjuga ja Higgsi bosonite vastastikmõjuga.
Standardmudel on üks selgemaid ja täpsemaid füüsikateooriaid: kõik selle ennustused, välja arvatud seni Higgsi boson, on katsetega kinnitatud, mõnikord hämmastava täpsusega. Üks standardmudeli kõrgeima profiiliga õnnestumisi oli nõrga interaktsiooni eest vastutavate W- ja Z-gabariidi bosonite massi ennustamine.
Muidugi ei saa standardmudel väita, et tegu on ühtse välja teooriaga, kuna see ei sisalda gravitatsiooniteooriat (ja selle integreerimise väljavaated tunduvad väga ebamäärased) ning ei suuda seletada kolme põlvkonna osakeste olemasolu. mis erinevad ainult massi poolest:
| Esimene põlvkond | Teine põlvkond | Kolmas põlvkond | |
| Lepton (laeng? 1) | elektron 5,11x10 ?4 GeV |
Muon 0,106 GeV |
Tau osake 1,777 GeV |
| Neutriino (laeng 0) |
Elektronneutriino (0-0,13)x10 ?9 GeV |
Muoni neutriino (0,009-0,13) x 10 ?9 GeV |
Tau neutriino (0,04-0,14) x 10 ?9 GeV |
| D-tüüpi kvark (laeng? 1/3) | d-kvark 0,005 GeV |
s-kvark 0,1 GeV |
b-kvark 4,2 GeV |
| U-tüüpi kvark (laeng 2/3) | u-kvark 0,002 GeV |
c-kvark 1,3 GeV |
t-kvark 173 GeV |
Eeldatakse, et 4. põlvkonna väga raskete osakeste olemasolu on võimalik, kuid neid pole veel eksperimentaalselt tuvastatud.
Standardmudeli raames osutus üllatavalt mugavaks kirjeldada fundamentaalseid interaktsioone grupiteooria mõttes:
- rühma kasutatakse elektromagnetilise interaktsiooni kirjeldamiseks U(1)(see on lihtsalt korrutamisrühm kompleksarvud, võrdne mooduliga 1);
- nõrga rühma kirjeldamiseks SU(2)(spetsiaalsete unitaarmaatriksite multiplikatiivne rühm 2x2, st unitaarmaatriksid determinandiga 1: sellise rühma generaatorite arv on 3 (neid nimetatakse nn. Pauli maatriksid), seetõttu on ka 3 nõrka interaktsiooni kandjat);
- tugeva grupi kirjeldamiseks SU(3)(sama mis SU(2), ainult 3x3:8 generaatorid (nn Gell-Manni maatriksid) ja seega 8 gluooni).
Mis on Higgsi boson?
Standardmudeli raames tekib vajadus Higgsi bosoni järele. See nullspinniga osake vastutab elementaarosakeste massi eest, kuid on nii tabamatu, et pole isegi kindel, et selliseid osakesi on ainult üks. Just selle tuvastamiseks (või mittetuvastamiseks) tehti Suur hadronite põrgataja LHC.
Higgsi boson varustab osakesi massidega, nii et elektromagnetilise interaktsiooni kandja footon jääb massituks ja võib liikuda suvalisele kaugusele, samas kui nõrk interaktsioon edastatakse massiivsete osakeste abil, mis piirab selle interaktsiooni raadiuse subnukleaarsete skaaladega. Seega rikutakse selle osakese abil elektronõrk sümmeetria, mis muudab elektromagnetilised ja nõrgad vastasmõjud üksteisest niivõrd erinevaks.
Kanooniline pilt (mitte mõõtkavas, sügavus on umbes 100 meetrit ja tunneli pikkus 26,7 km): 
Collider See on kiirendi (LHC puhul ring), milles põrkuvad kaks elementaarosakeste kiirt. LHC-d on ehitatud alates 2001. aastast Prantsusmaa ja Šveitsi piiril asuvas tunnelis, kus varem asus elektron-positroni põrkur LEP. LHC-l on 4 suurt detektorit:
Kui palju andmeid põrkur toodab, näitab tõsiasi, et vaatamata riistvarapõhisele "ebahuvitavate" sündmuste kolmetasandilisele filtreerimisele genereerib LHC keskmiselt 500 megabaiti andmeid sekundis.
Ilusad pildid põrkajast: üks, kaks, kolm, neli; Koos suur summa ilusaid pilte.
LHC töötab kuni 2020. aastateni ja kogub eksperimentaalset materjali. Kuid on lootust, et esimesed märkimisväärsed tulemused ilmuvad lõpuks järgmine aasta. Kahtlemata tehniline ja teaduslik kogemus, mis saadi selle loomise käigus ja saadakse selle kasutamisest, mängib tohutut rolli 21. sajandi keskpaigaks kavandatavas The Very Large Hadron Collider (VLHC) loomises.
Arvatavasti saab neid avastada LHC-st magnetilised monopoolused. See on üldnimetus hüpoteetilistele osakestele, millel on nullist erinev magnetlaeng. Dirac ennustas ka nende olemasolu võimalikku võimalust.
Energia võrdlustabel
Energiate skaala ja võimalike avastuste hindamiseks tasub vaadata tabelit, kus on kirjas mõnede elementaarosakeste massid, mõned iseloomulikud energiad ja põrkajate energiad (põhiliselt loetlen kokku põrkuvate kiirte koguenergiad: tuleb tähele panna, osakese vaatlemiseks massiga E tuleks reeglina kasutada kiirte koguenergiat 2E).
Energiaühikuna nii tuuma- kui kvantfüüsika laialdaselt kasutatud elektron-volt(eV) džauli asemel. 1 eV ~ 1,6021765x10 ?19 J. Osakeste massi mõõdetakse ka eV-des, kasutades Einsteini võrrandit E = mc 2.
| Energia | |
| 511 KeV | elektron |
| 1,9 MeV | u-kvark |
| 4,4 MeV | d-kvark |
| 87 MeV | s-kvark |
| 106 MeV | muuon |
| 938,3 MeV | prooton |
| 939,6 MeV | neutron |
| 1,32 GeV | c-kvark |
| 1,78 GeV | tau osake |
| 4,24 GeV | b-kvark |
| 6 GeV | suurim Venemaa põrkur |
| 45 GeV | LEP, 1989 |
| 80,4 GeV | W boson |
| 91,2 GeV | Z boson |
| ~100 GeV | elektrinõrk ühendamine |
| 100-1000 GeV | superpartneri osakesed (?) |
| 117-251 GeV | Higgsi boson (?), kõige tõenäolisem intervall |
| 172,7 GeV | t-kvark |
| 189 GeV | LEP, 1998 |
| ~200 GeV | LEP, 1999 |
| 209 GeV | LEP, 2000, enne sulgemist |
| 250-650 GeV | Higgsi boson (?), "raske versioon" |
| 650-1000 GeV | Higgsi boson (?), “väga raske variant” |
| 900 GeV | LHC, komisjonijooks, 2008. aasta suvi |
| 980 GeV | Tevatron, tippvõimsus |
| 7 TeV | LHC, 2008. aasta lõpp |
| 14 TeV | LHC, projekti energia |
| ~1000 TeV | Suure energiaga kosmilised kiired |
| 6,24x10 9 GeV | 1 džaul |
| 6x10 10 GeV | Greisen-Zatsepin-Kuzmini piir, ka kosmiliste kiirte teoreetiline energiapiir |
| ~10 14 -10 16 GeV | Elektrinõrga ja tugeva interaktsiooni "suur ühendamine" (?) |
| ~10 19 GeV | Plancki energia, kõigi interaktsioonide oletatav ühendamine (?) |
| 3x10 31 GeV | Aastane elektritoodang Maal |
LHC käivitamise/mittekäivitamisega seotud riskid
LHC käivitamisega seotud peamised probleemid jagunevad kaheks osaks:
1. Stabiilse mikroskoopilise moodustumine must auk mis neelab Maa (ilus pilt mustast august)
Mõned teooriad ennustavad mikroskoopiliste mustade aukude tekkimise võimalust LHC katsete ajal. Must auk on ülitugeva gravitatsiooniga objekt, mis ei lase isegi valgusel välja pääseda. Kuid mitte kõik pole nii saatuslik, kuna on olemas selline nähtus nagu Hawkingi kiirgus. Hawkingi kiirgus on tingitud asjaolust, et musta augu gravitatsioon põhjustab mitte ainult virtuaalsete, vaid ka reaalsete osakeste-antiosakeste paaride moodustumist, millest mõned võivad olla sündmuste horisondi kohal. Selline osake lahkub mustast august ja võtab endaga kaasa osa oma energiast ja massist. Ilmselgelt on mikroskoopiliste mustade aukude puhul sellise sündmuse tõenäosus palju suurem ja seetõttu usuvad CERNi eksperdid, et isegi kui mustad augud tekivad, aurustuvad need kohe ära. Kuid on ka võimalik, et tekivad mikroskoopilised mustad augud, mis on üsna stabiilsed ega aurustu läbi Hawkingi kiirguse. Sel juhul kulub kogu Maa paari aastaga ära :)
2. Haridus kummaline asi
Haridus võimalik "strapelek"(strangelet) - aine hüpoteetiline olek, mis koosneb ligikaudu võrdsest arvust d-, u- ja s-kvarkidest. Kui selline aine interakteerub tavalise ainega, peaks toimuma ahelreaktsioon energia vabanemisega ja kogu aine muutumisega "kummaliseks aineks". Inimese ellujäämine pärast sellist sündmust on ebatõenäoline :)
Kui need stsenaariumid täituvad (Bender Rodrigueze ülim unistus), oleks asjakohane nimetada LHC-d viimaseks hadronite põrkajaks.
Vastuseks sellistele muredele moodustati mitu uurimisrühma, et hinnata traagilise tulemuse tõenäosust. Põrkurohutuse eestkõnelejate peamine argument on see, et "LHC ei tee midagi, mida loodus pole miljoneid kordi varem teinud." See tähendab, et Maad pommitatakse perioodiliselt kosmiliste kiirte osakestega, mille energia on palju suurem kui LHC-s. Kuid oponendid märgivad, et isegi kui selliste kokkupõrgete ajal tekkisid mikroskoopilised mustad augud, lendasid need läbi Maa valguse kiirusest vaid veidi väiksema kiirusega, mida muidugi ei saa öelda põrkeseadme suletud magnetvälja kohta. mis tõenäoliselt sellise musta augu tekitas, see lihtsalt ei lase lahti.
CERNi spetsialistide tehtud ametlik hinnang selliste sündmuste tõenäosusele on 1/50000000 (1:50 miljonit). Arvestades aga potentsiaalset ohvrite arvu (6,7 miljardit), on eeldatav väärtus umbes 130 inimest, mis on muidugi päris palju.
Kuid kuulus kvantarvutite spetsialist Scott Aaronson usub üldiselt, et LHC tuleb käivitada nii kiiresti kui võimalik, sest me ei saa välistada võimalust, et järgmisel aastal saabuvad tulnukad, ja kuna me pole veel Higgsi bosonit avastanud, pidada meid täielikeks metslasteks ja orjastada :)
Maaväliste tsivilisatsioonide arvu hindamine Higgsi bosoniuuringute katastroofilise stsenaariumi järgi
Praegu on selle sündmusega seotud ebatavaliselt suur vaimukuse puhang. Tume huumor valitseb aga näiteks selle üle, et iga arenenud tsivilisatsioon muutub Higgsi bosoni uurimise katsetes mustaks auguks. proovin ka ära :)
See vaatenurk on seda huvitavam, et me ei jälgi signaale maavälistest tsivilisatsioonidest, eriti nendelt, mis asuvad meie galaktika keskmes. Siinkohal väärib märkimist, et Galaktika keskpunkti tähed tekkisid oluliselt varem kui Päikesesüsteem ja seetõttu peaksid sealsed tsivilisatsioonid olema meie omadest palju vanemad ja arenenumad. Kuid me täheldame Galaktika keskel kolossaalset musta auku Sagittarius-A*, mille mass on 3,7 miljonit päikeseenergiat.
Me oletame, et igasugune tsivilisatsioon areneb välja enne raadio avastamist ja umbes 100 aasta pärast avastatakse Higgsi boson, mis toob kaasa kollapsari moodustumise ja tsivilisatsiooni surma, ning ka seda, et galaktika keskmesse tekkis must auk. just sellistelt arenenud tsivilisatsioonidelt.
Arvestades, et meie Galaktikas on kokku umbes 200 miljardit tähte ja umbes 90% neist asub keskmes, võime eeldada, et tsivilisatsiooni tekkimise tõenäosus tähesüsteemis on umbes 1:50 000. Teeme usutav oletus, et intelligentne elu eksisteerib praegu Galaktika kitsas vöös, mille laius on umbes 500 parseki (umbes pluss-miinus 100 miljonit aastat planeedisüsteemi eluiga), kõrgus 300 parseki (meie galaktika paksus). ala) ja raadiusega 8,5 kiloparseki.
Põhineb hinnangul tähesüsteemi arendamiseks sobivuse tõenäosuse kohta intelligentne elu(vt eespool, 2x10?5), tõenäosus, et tsivilisatsioon on praegu raadiotasemel (10?6) ja tähtede tihedus selles vöös (umbes 0,1 tk?3) saame, et praegu on umbes 20 tuhat. tähesüsteemid, milles on elu ja peaaegu kindlasti pole olemas ühtegi süsteemi, mis oleks valmis meiega ühendust võtma. Paraku oleme nende arvutuste järgi Galaktikas üksi. Ja keegi ei hoiata meid :)
Seda meetodit kasutades on võimalik saada Drake'i valemis viie keskmise liikme (hinnanguliselt ligikaudu 2x10?5, Drake'i oma 10?4) ja L ~ 100 aasta korrutis (Drake'i oma on palju optimistlikum, 10 000 aastat). Päris hea... ja pigem hirmutav kokkusattumus. Kardaševi skaala ei lükka hinnangut ümber: III tüüpi tsivilisatsioon oleks võinud tekkida galaktika tuumas, kuid me ei tähelda selle kohaloleku ega tegevuse jälgi.
Miks siis LHC-d vaja on?
- Otsige Higgsi bosonit, mis vastutab osakeste massi eest, standardmudeli uusim eksperimentaalne kinnitus;
- Osakeste otsimine väljaspool standardmudelit: pentakvargid ja tetrakvargid, 4. põlvkonna osakesed, magnetilised monopoolid;
- Lisi teooria ennustatud osakeste otsimine
- Otsige supersümmeetriat, superpartneri osakesi, eriti t-kvarki superpartnerit;
- Kvantgravitatsiooni uurimine;
- Mikroskoopiliste mustade aukude ja Hawkingi kiirguse uurimine;
- Tapa kõik inimesed (hüpotees a).
- Aine muundamine energiaks (annihilatsioon), footonmootorid, tähtedevaheline rännak
- Gravitatsiooni juhtimine, eriti antigravitatsioon
- Võimalikud uuringud M-teooria vallas, näiteks paralleelmaailmad
Eks tulevik näitab.
Lisand nr 1: Kui olete selle teema vastu huvitatud, soovitan teil lugeda Igor Ivanovi imelist artiklit ajakirjas Around the World.
Osakeste füüsikas mõõta bosoneid on bosonid, mis kannavad looduse põhilisi vastastikmõjusid. Täpsemalt, elementaarosakesed, mille vastastikmõjusid kirjeldab gabariiditeooria, mõjutavad üksteist mõõtebosonite vahetuse kaudu, tavaliselt virtuaalsete osakestena.
Standardmudelis on kolme tüüpi bosoneid: footonid, W- ja Z-bosonid ning gluoonid. Iga tüüp vastab ühele kolmest interaktsioonist, mida on kirjeldatud standardmudelis: footonid on elektromagnetilise interaktsiooni mõõtbosonid, W- ja Z-bosonid kannavad nõrka interaktsiooni ning gluoonid kannavad tugevat vastasmõju. Läbi kinnipidamise ei ilmu isoleeritud gluoonid madala energiaga. Küll aga on madalate energiate juures võimalik jälgida massiivseid liimipalle, mille olemasolu pole 2006. aasta seisuga katseliselt kinnitatud.
Mõõtebosonite arv
Kvantmõõturiteoorias on gabariidibosonid gabariidiväljade kvantid. Järelikult on gabariidibosoneid sama palju, kui on gabariidiväljade allikaid. Kvantelektrodünaamikas on gabariidirühm U(1); sel lihtsaimal juhul on ainult üks boson. Kvantkromodünaamikas on rühm keerulisem SU (3) on 8 allikat, mis vastab 8 gluoonile. Kolm W- ja Z-bosonit vastavad jämedalt öeldes kolmele allikale SU (2) elektronõrga interaktsiooni teoorias.
Massiivsed bosonid
Tehnilistel põhjustel, sealhulgas gabariidi invariantsus, kirjeldatakse gabariidibosoneid matemaatiliselt massita osakeste väljavõrranditega. Seetõttu peaksid naiivsel teoreetilisel tajutasandil kõik mõõtebosonid olema massivabad ja nende kirjeldatud vastastikmõjud peaksid olema pikamaa interaktsioonid. Konflikt selle idee ja eksperimentaalse fakti vahel, et nõrk jõud on väga väikese ulatusega, nõuab edasist teoreetiline uurimus.
Standardmudeli kohaselt omandavad W- ja Z-bosonid massi Higgsi mehhanismi kaudu. Higgsi mehhanismil on neli mõõtu bosonit. (SU(2) X U (1) elektronõrga interaktsiooni sümmeetriad) on ühendatud Higgsi väljas. See väli on allutatud spontaansele sümmeetriale, mis murrab läbi selle interaktsioonipotentsiaali kuju. Selle tulemusena läbib universumit nullist erinev Higgsi välja kondensaat. See kondensaat seostub kolme elektrinõrga bosoniga (W± ja Z), andes neile massi; järelejäänud gabariitboson jääb massituks (footon). See teooria ennustab ka skalaarse Higgsi bosoni olemasolu, mida pole veel avastatud.
Suured ühendamise teooriad
Suurtes ühtsetes teooriates (GUTs) ilmuvad täiendavad X- ja Y-bosonid. Nad kontrollivad kvarkide ja leptonite vahelisi koostoimeid, rikkudes barüoniarvu säilivusseadust ja põhjustades prootonite lagunemist. Nendel bosonitel on sümmeetria purunemise tõttu kvantstandardite järgi tohutu mass (võib-olla isegi suurem kui W- ja Z-bosonitel). Seni pole nende bosonite olemasolu kohta saadud ainsatki eksperimentaalset kinnitust (näiteks Jaapani Super-Kamiokande installatsiooni prootonite lagunemise vaatluste seerias).
Gravitonid
Neljandat põhijõudu, gravitatsiooni, võib kanda ka boson, mida on nimetatud gravitoniks. Eksperimentaalsete tõendite ja matemaatiliselt järjekindla kvantgravitatsiooni teooria puudumisel pole teada, kas graviton on gabariidiboson või mitte. Mõõdiku invariantsi roll selles Üldine teooria relatiivsusteoorias on sarnane sümmeetria – difeomorfismi invariantsus.
Elementaarosakesed selle mõiste täpses tähenduses on primaarsed, edasi lagunematud osakesed, millest oletatavasti koosneb kogu aine. "Elementaarosakeste" kontseptsioonis in kaasaegne teadus loodusteadus väljendub idees primitiivsetest essentsidest, mis määravad kõik teadaolevad omadused materiaalne maailm, idee, mis tekkis loodusteaduse arengu algfaasis ja on selle arengus alati olulist rolli mänginud. Mõiste "elementaarosakesed" tekkis tihedas seoses aine struktuuri diskreetsuse tuvastamisega mikroskoopilisel tasemel. Avastus 19.-20. sajandi vahetusel. aine omaduste väikseimad kandjad – molekulid ja aatomid – ning fakti väljaselgitamine, et molekulid koosnevad aatomitest, võimaldasid esmakordselt kirjeldada kõiki teadaolevaid aineid lõpliku, ehkki suure hulga struktuursete elementide kombinatsioonidena. komponendid - aatomid. Hilisem koostisaatomite - elektronide ja tuumade - olemasolu tuvastamine, tuumade keeruka olemuse kindlakstegemine, mis osutus ehitatud ainult kahte tüüpi osakestest (prootonid ja neutronid), vähendas oluliselt moodustavate diskreetsete elementide arvu. aine omadused ja andis põhjust oletada, et kett komponendid aine lõpeb diskreetsete struktuuritute moodustistega - elementaarosakesed Selline eeldus on üldiselt ekstrapolatsioon teadaolevad faktid ja seda ei saa kuidagi rangelt põhjendada. Ei saa kindlalt väita, et ülaltoodud määratluse tähenduses elementaarsed osakesed eksisteerivad. Leiti, et neil on näiteks prootonid ja neutronid, mida pikka aega peeti elementaarosakesteks keeruline struktuur. Ei saa välistada, et aine struktuurikomponentide jada on põhimõtteliselt lõpmatu. Samuti võib selguda, et väide “koosneb...” osutub aine uurimise mõnes etapis sisutuks. Sel juhul tuleb ülaltoodud "elementaarse" määratlusest loobuda. Elementaarosade olemasolu on omamoodi postulaat ja selle kehtivuse kontrollimine on loodusteaduse üks tähtsamaid ülesandeid.
Elementaarosake on koondnimetus, mis viitab subnukleaarses skaalas olevatele mikroobjektidele, mida ei saa osadeks jagada (või mida pole veel tõestatud). Nende ehitust ja käitumist uurib osakeste füüsika. Elementaarosakeste mõiste põhineb aine diskreetse struktuuri faktil. Paljudel elementaarosakestel on keeruline sisemine struktuur, kuid neid on võimatu osadeks eraldada. Teised elementaarosakesed on struktuurita ja neid võib pidada primaarseteks põhiosakesteks.
Alates elementaarosakese (elektroni) esmaavastamisest 1897. aastal on avastatud üle 400 elementaarosakese.
Kõik elementaarosakesed jagunevad nende pöörlemise suuruse järgi kahte klassi:
fermioonid - pooltäisarvulise spinniga osakesed (näiteks elektron, prooton, neutron, neutriino);
bosonid on täisarvulise spinniga osakesed (näiteks footon).
Sõltuvalt interaktsiooni tüüpidest jagatakse elementaarosakesed järgmistesse rühmadesse:
Osakesed:
hadronid on osakesed, mis osalevad igat tüüpi fundamentaalsetes interaktsioonides. Need koosnevad kvarkidest ja jagunevad omakorda:
mesonid (täisarvulise spinniga hadronid, st bosonid);
barüonid (pooltäisarvulise spinniga hadronid, st fermionid). Nende hulka kuuluvad eelkõige osakesed, mis moodustavad aatomi tuuma – prooton ja neutron.
Põhilised (struktuurita) osakesed:
leptonid on fermioonid, mis on punktosakeste kujul (st mitte millestki koosnevad) kuni suurusjärgus 10–18 m. Nad ei osale tugevas vastasmõjus. Elektromagnetilistes interaktsioonides osalemist täheldati eksperimentaalselt ainult laetud leptonite (elektronid, müüonid, tau leptonid) puhul ja neutriinode puhul seda ei täheldatud. Leptoneid on teada 6 tüüpi.
kvargid on fraktsioneeriva laenguga osakesed, mis on osa hadronitest. Vabariigis neid ei täheldatud. Nagu leptonid, jagunevad nad 6 tüüpi ja on struktuurita, kuid erinevalt leptonitest osalevad nad tugevas interaktsioonis.
mõõtebosonid - osakesed, mille vahetuse kaudu toimub interaktsioon:
footon - osake, mis kannab elektromagnetilist vastasmõju;
kaheksa gluooni - osakesed, mis kannavad tugevat vastasmõju;
kolm vahevektori bosonit W+, W− ja Z0, mis kannavad nõrka interaktsiooni;
graviton on hüpoteetiline osake, mis kannab edasi gravitatsioonilist vastasmõju. Gravitonite olemasolu, kuigi gravitatsioonilise vastasmõju nõrkuse tõttu pole veel eksperimentaalselt tõestatud, peetakse üsna tõenäoliseks; standardmudelisse graviton siiski ei kuulu.
Hadronid ja leptonid moodustavad aine. Mõõtebosonid on erinevat tüüpi kiirguse kvantid.
Lisaks sisaldab standardmudel tingimata Higgsi bosonit, mida aga pole veel eksperimentaalselt avastatud.
Kõigi elementaarosakeste kõige olulisem omadus on vastastikuste muundumiste võime. Elementaarosakesed on võimelised tekkima ja hävitama (eralduma ja neelduma). See kehtib ka stabiilsete osakeste kohta, ainsa erinevusega, et stabiilsete osakeste transformatsioonid ei toimu spontaanselt, vaid interaktsiooni kaudu teiste osakestega. Näiteks võib tuua elektroni ja positroni hävimise (s.o kadumise), millega kaasneb suure energiaga footonite sünd. Samuti võib see lekkida vastupidine protsess– elektron-positroni paari sünd, näiteks kui piisavalt suure energiaga footon põrkub tuumaga. Prootonil on ka selline ohtlik kaksik nagu elektroni jaoks positron. Seda nimetatakse antiprootoniks. Antiprootoni elektrilaeng on negatiivne. Praegu on antiosakesi leitud kõigist osakestest. Antiosakesed vastanduvad osakestele, sest kui mõni osake kohtub oma antiosakesega, toimub nende annihilatsioon, st mõlemad osakesed kaovad, muutudes kiirguskvantideks või muudeks osakesteks.
Seni tuntud elementaarosakeste mitmekesisuses on leitud enam-vähem harmooniline klassifikatsioonisüsteem.Arvukate elementaarosakeste kõige mugavam taksonoomia on nende klassifitseerimine vastavalt interaktsiooni tüüpidele, milles nad osalevad. Seoses tugeva interaktsiooniga jagunevad kõik elementaarosakesed kahte suurde rühma: hadronid (kreeka keelest hadros - suured, tugevad) ja leptonid (kreeka keelest leptos - valgus).
Algselt tähendas mõiste “elementaarosake” midagi absoluutselt elementaarset, aine esimest tellist. Kui aga 1950. ja 1960. aastatel avastati sadu sarnaste omadustega hadroneid, selgus, et hadronitel on vähemalt sisemised vabadusastmed, s.t nad pole elementaarsed selle sõna otseses mõttes. See kahtlus leidis hiljem kinnitust, kui selgus, et hadronid koosnevad kvarkidest.
Seega on inimkond mateeria struktuuris pisut sügavamale arenenud: leptoneid ja kvarke peetakse praegu aine kõige elementaarsemateks, punktitaolisteks osadeks. Nende jaoks (koos mõõtmisbosonitega) kasutatakse mõistet "põhiosakesed".
2. ELEMENTAARILISTE OSAKESTE OMADUSED
Kõik elementaarosakesed on äärmiselt väikese massi ja suurusega objektid. Enamiku nende mass on prootoni massi suurusjärgus, võrdne 1,6 × 10 -24 g (ainult elektronide mass on märgatavalt väiksem: 9 × 10 -28 g). Eksperimentaalselt määratud prootoni, neutroni, p-mesoni suurused on suurusjärgus 10 -13 cm Elektroni ja müüoni suurusi määrata ei õnnestunud, on teada vaid, et need on alla 10 -15 cm Mikroskoopilised massid ja suurused Elementaarosakesed on nende käitumise kvantspetsiifilisuse aluseks. Iseloomulikud lainepikkused, mida tuleks kvantteoorias omistada elementaarosakestele (kus on Plancki konstant, m on osakese mass, c on valguse kiirus), on suurusjärgus lähedased tüüpilised suurused, millel toimub nende interaktsioon (näiteks p-mesoni puhul 1,4×10 -13 cm). See toob kaasa asjaolu, et kvantseadused on elementaarosakeste jaoks määravad.
; p + ® m + + v m ; К + ®p + + p 0 (osakese sümboli kohal olev tildemärk tähistab edaspidi vastavaid antiosakesi). Erinevad protsessid elementaarosakestega erinevad märgatavalt nende esinemise intensiivsuse poolest. Selle järgi võib elementaarosakeste vastastikmõjud fenomenoloogiliselt jagada mitmeks klassiks: tugevad, elektromagnetilised ja nõrgad vastasmõjud. Kõigil elementaarosakestel on ka gravitatsiooniline vastastikmõju.
Tugevad vastasmõjudpaistavad silma vastastikmõjudena, mis põhjustavad protsesse, mis toimuvad kõigist teistest protsessidest suurima intensiivsusega. Need toovad kaasa ka tugevaima seose elementaarosakeste vahel. Just tugevad vastasmõjud määravad prootonite ja neutronite ühenduse aatomituumades ning annavad nendele moodustistele erakordse tugevuse, mis on aluseks aine stabiilsusele maapealsetes tingimustes.
Elektromagnetilised vastasmõjudiseloomustatakse kui interaktsioone, mis põhinevad suhtlemisel elektromagnetväljaga. Nende põhjustatud protsessid on tugevate vastasmõjude protsessidest vähem intensiivsed ja nende tekitatud seos on märgatavalt nõrgem. Eelkõige vastutavad elektromagnetilised interaktsioonid aatomi elektronide ühendamise eest tuumadega ja aatomite ühendamise eest molekulides.
Nõrk interaktsioon, nagu nimi ise näitab, põhjustavad elementaarosakestega väga aeglaselt toimuvaid protsesse. Nende madalat intensiivsust illustreerib asjaolu, et neutriinod, millel on ainult nõrk vastastikmõju, tungivad vabalt näiteks Maa ja Päikese paksusesse. Nõrgad interaktsioonid põhjustavad ka nn kvaasistabiilsete elementaarosakeste aeglast lagunemist. Nende osakeste eluiga on vahemikus 10 -8 -10 -10 sekundit, samas kui tüüpilised ajad elementaarosakeste tugevaks interaktsiooniks on 10 -23 -10 -24 sekundit.
Gravitatsioonilised interaktsioonid, mis on hästi tuntud oma makroskoopiliste ilmingute poolest, tekitavad elementaarosakeste puhul, mis asuvad iseloomulike kaugustega ~10–13 cm, äärmiselt väikeseid efekte, kuna elementaarosakeste massid on väikesed.
Erinevate interaktsiooniklasside tugevust saab ligikaudselt iseloomustada mõõtmeteta parameetritega, mis on seotud vastavate interaktsioonide konstantide ruutudega. Prootonite tugevate, elektromagnetiliste, nõrkade ja gravitatsiooniliste interaktsioonide korral keskmise protsessienergiaga ~1 GeV on need parameetrid korrelatsioonis 1:10 -2: l0 -10:10 -38. Vajadus näidata protsessi keskmist energiat tuleneb asjaolust, et nõrkade vastasmõjude korral sõltub dimensioonitu parameeter energiast. Lisaks sõltuvad erinevate protsesside intensiivsused energiast erinevalt. See toob kaasa asjaolu, et erinevate interaktsioonide suhteline roll üldiselt muutub koos interakteeruvate osakeste energia suurenemisega, nii et interaktsioonide klassidesse jagamine, mis põhineb protsesside intensiivsuse võrdlusel, viiakse usaldusväärselt läbi mitte. liiga kõrged energiad. Erinevatel interaktsiooniklassidel on aga ka teisi spetsiifilisi tunnuseid, mis on seotud nende sümmeetria erinevate omadustega, mis aitab kaasa nende eraldamisele kõrgemate energiate juures. Kas selline interaktsioonide jaotus klassideks säilib ka kõrgeimate energiate piirides, jääb ebaselgeks.
Sõltuvalt nende osalemisest teatud tüüpi interaktsioonides jagunevad kõik uuritud elementaarosakesed, välja arvatud footon, kahte põhirühma: hadronid (kreeka keelest hadros - suured, tugevad) ja leptonid (kreeka keelest leptos - väikesed, õhuke, kerge). Hadroneid iseloomustab eelkõige see, et neil on tugev vastastikmõju koos elektromagnetilise ja nõrga vastasmõjuga, leptonid aga ainult elektromagnetilises ja nõrgas vastasmõjus. (See eeldab mõlemale rühmale ühiste gravitatsiooniliste vastasmõjude olemasolu.) Hadroni massid on suurusjärgus lähedased prootoni massile (m p); P-mesonil on hadronite hulgas minimaalne mass: t p »m 1/7×t p. Enne 1975-76 tuntud leptonite massid olid väikesed (0,1 m p), kuid viimased andmed viitavad ilmselt ka hadronitega sama massiga raskete leptonite olemasolule. Esimesed uuritud hadronite esindajad olid prooton ja neutron ning leptonid - elektron. Footonit, millel on ainult elektromagnetiline vastastikmõju, ei saa klassifitseerida ei hadroniteks ega leptoniteks ning see tuleb eraldada eraldi sektsiooniks. Grupp. Vastavalt 70ndatel väljatöötatutele. Meie arvates on footon (null puhkemassiga osake) väga massiivsete osakestega samasse rühma - nn. vahepealsed vektorbosonid, mis vastutavad nõrkade interaktsioonide eest ja mida pole veel eksperimentaalselt täheldatud.
Iga elementaarosakest koos sellele omaste interaktsioonide spetsiifikaga kirjeldatakse teatud füüsikaliste suuruste või selle omaduste diskreetsete väärtuste komplektiga. Mõnel juhul väljendatakse neid diskreetseid väärtusi täisarvudes või murdarvud ja mõni ühine tegur – mõõtühik; neist arvudest räägitakse kui elementaarosakeste kvantarvudest ja täpsustatakse ainult neid, jättes välja mõõtühikud.
Kõigi elementaarosakeste ühised omadused on mass (m), eluiga (t), spin (J) ja elektrilaeng (Q). Ei ole veel piisavalt aru saadud seadustest, mille järgi elementaarosakeste massid jagunevad ja kas nende jaoks on mõni ühik
mõõdud.
Sõltuvalt nende elueast jagatakse elementaarosakesed stabiilseteks, kvaasistabiilseteks ja ebastabiilseteks (resonants). Stabiilsed, tänapäevaste mõõtmiste täpsuse piires, on elektron (t > 5×10 21 aastat), prooton (t > 2×10 30 aastat), footon ja neutriino. Kvaasistabiilsete osakeste hulka kuuluvad osakesed, mis lagunevad elektromagnetilise ja nõrga vastastikmõju tõttu. Nende eluiga on > 10 -20 sek (vaba neutroni puhul isegi ~ 1000 sek). Resonants on elementaarosakesed, mis lagunevad tugeva vastastikmõju tõttu. Nende iseloomulik eluiga on 10 -23 -10 -24 sek. Mõnel juhul surutakse maha tugevate interaktsioonide põhjustatud raskete resonantside (massiga ³ 3 GeV) vaibumine ja eluiga pikeneb väärtusteni ~10-20 sek.
Keeruta elementaarosakeste on täis- või pooltäisarv kordne . Nendes ühikutes on p- ja K-mesonite spinn 0, prootonil, neutronil ja elektronil J = 1/2, footonil J = 1. On osakesi, millel on suurem spinn. Elementaarosakeste spinni suurus määrab identsete (identsete) osakeste ansambli käitumise ehk nende statistika (W. Pauli, 1940). Pooltäisarvulise spinni osakeste suhtes kohaldatakse Fermi-Dirac statistikat (sellest ka nimi fermionid), mis nõuab süsteemi lainefunktsiooni antisümmeetriat osakeste paari (või paaritu arvu paaride) permutatsiooni suhtes ja seetõttu "keelab" kahel pooltäisarvulise spinni osakesel olla samas olekus (Pauli põhimõte). Täisarvulise spinni osakeste suhtes kohaldatakse Bose-Einsteini statistikat (sellest ka nimetus bosonid), mis eeldab lainefunktsiooni sümmeetriat osakeste permutatsioonide suhtes ja võimaldab mis tahes arvu osakesi olla samas olekus. Elementaarosakeste statistilised omadused osutuvad oluliseks juhtudel, kui sünni või lagunemise käigus tekib mitu identset osakest. Fermi-Dirac statistika mängib samuti äärmiselt olulist rolli tuumade struktuuris ja määrab ära aatomikestade elektronidega täitmise mustrid, mis on aluseks. perioodilisustabel D.I. Mendelejevi elemendid.
Uuritud elementaarosakeste elektrilaengud on täisarvulised kordsed väärtusest e » 1,6×10 -19 k, mida nimetatakse elementaarelektrilaenguks. Tuntud elementaarosakeste puhul Q = 0, ±1, ±2.
Lisaks näidatud suurustele iseloomustavad elementaarosakesi täiendavalt mitmed kvantarvud, mida nimetatakse sisemisteks. Leptonitel on kahte tüüpi spetsiifiline leptonlaeng L: elektrooniline (L e) ja müoniline (L m); L e = +1 elektron- ja elektronneutriino jaoks, L m = +1 negatiivse müüoni ja müüonneutriino jaoks. Raske lepton t; ja sellega seotud neutriinod on ilmselt uut tüüpi leptonilaengu L t kandjad.
Hadronite puhul L = 0 ja see on veel üks ilming nende erinevusest leptonitest. Märkimisväärsed osad hadronitest tuleks omakorda omistada spetsiaalsele barüonilaengule B (|E| = 1). Hadronid B = +1 moodustavad alarühma
barüonid (siia kuuluvad prootonid, neutronid, hüperonid, barüonresonants) ja hadronid, mille B = 0 on mesonite (p- ja K-mesonid, bosooniresonants) alamrühm. Hadronite alarühmade nimetus tuleneb kreeka sõnadest barýs - raske ja mesos - keskmine, mis esialgne etapp elementaarosakeste uuringud peegeldasid tol ajal tuntud barüonide ja mesonite masside võrdlusväärtusi. Hilisemad andmed näitasid, et barüonide ja mesonite massid on võrreldavad. Leptonitele B = 0. Footonitele B = 0 ja L = 0.
Barüonid ja mesonid jagunevad juba mainitud agregaatideks: tavalised (mitteveidrad) osakesed (prooton, neutron, p-mesonid), kummalised osakesed (hüperonid, K-mesonid) ja võlutud osakesed. See jaotus vastab eriliste kvantarvude olemasolule hadronites: kummalisus S ja võlu (inglise võlu) Ch lubatud väärtustega: 151 = 0, 1, 2, 3 ja |Ch| = 0, 1, 2, 3. Tavaliste osakeste puhul S = 0 ja Ch = 0, kummaliste osakeste puhul |S| ¹ 0, Ch = 0, võlutud osakeste jaoks |Ch| ¹0 ja |S| = 0, 1, 2. Kummalise asemel kasutatakse sageli kvantarvude hüperlaengut Y = S + B, millel on ilmselt fundamentaalsem tähendus.
Juba esimesed uuringud tavaliste hadronitega näitasid, et nende hulgas on osakeste perekondi, mis on massilt sarnased ja millel on tugeva interaktsiooni osas väga sarnased omadused, kuid millel on erinevaid tähendusi elektrilaeng. Prooton ja neutron (nukleonid) olid sellise perekonna esimene näide. Hiljem avastati sarnaseid perekondi kummaliste ja (1976. aastal) võlutud hadronite hulgast. Sellistesse perekondadesse kuuluvate osakeste omaduste sarnasus on peegeldus
erilise kvantarvu sama väärtuse olemasolu - isotoopspin I, mis võtab sarnaselt tavalise spinniga täis- ja pooltäisarvu väärtusi. Perekondi endid nimetatakse tavaliselt isotoopmultiplettideks. Osakeste arv multipletis (n) on seotud I-ga seosega: n = 2I + 1. Ühe isotoopmultipleti osakesed erinevad üksteisest isotoopspinni I 3 “projektsiooni” väärtuse poolest ja Q vastavad väärtused antakse avaldisega: 
Hadronite oluline omadus on ka sisemine paarsus P, mis on seotud ruumide toimimisega, inversioon: P võtab väärtused ±1.
Kõigi elementaarosakeste puhul, mille vähemalt ühe laengu O, L, B, Y (S) ja võlu Ch on nullist erinevad väärtused, on antiosakesed, mille mass m, eluiga t, spin J ja hadronite puhul, mille isotoopne spinn on 1, kuid kõigi laengute vastandmärkidega ja barüonide puhul, mille sisepaarsus on vastupidine P. Osakesi, millel pole antiosakesi, nimetatakse absoluutselt (tõeliselt) neutraalseteks. Absoluutselt neutraalsetel hadronitel on spetsiaalne kvantarv - laengu paarsus (st paarsus laengu konjugatsioonioperatsiooni suhtes) C väärtustega ±1; selliste osakeste näideteks on footon ja p 0 .
Kvantarvud elementaarosakesed jagunevad täpseteks (st need, mis on seotud füüsikaliste suurustega, mis säilivad kõigis protsessides) ja ebatäpseteks (millele vastavad füüsikalised kogused mõnda protsessi ei salvestata). Spin J on seotud nurkimpulsi jäävuse range seadusega ja on seetõttu täpne kvantarv. Teised täpsed kvantarvud: Q, L, B; tänapäeva andmetel säilivad need kõikide transformatsioonide käigus Elementaarosakesed Prootoni stabiilsus on B jäävuse otsene väljendus (näiteks ei toimu lagunemist p ® e + + g). Enamik hadronite kvantnumbreid on aga ebatäpsed. Isotoopne spin, kuigi see säilib tugevas interaktsioonis, ei säili elektromagnetilise ja nõrga interaktsiooni korral. Kummalisus ja võlu säilivad tugevas ja elektromagnetilises vastasmõjus, kuid mitte nõrgas vastasmõjus. Nõrk interaktsioon muudab ka sise- ja laengupaarsust. CP kombineeritud paarsus säilib palju suurema täpsusega, kuid seda rikutakse ka mõnes nõrga interaktsiooni põhjustatud protsessis. Paljude hadronite kvantarvude mittesäilimise põhjused on ebaselged ja ilmselt on need seotud nii nende kvantarvude olemuse kui ka elektromagnetiliste ja nõrkade interaktsioonide süvastruktuuriga. Teatud kvantarvude säilimine või mittesäilitamine on elementaarosakeste interaktsiooniklasside erinevuste üks olulisi ilminguid.
KOKKUVÕTE
Esmapilgul tundub, et elementaarosakeste uurimine on puhtalt teoreetilise tähendusega. Aga see pole tõsi. Elementaarosakesi on kasutatud paljudes eluvaldkondades.
Lihtsaim elementaarosakeste rakendus on tuumareaktorites ja kiirendites. Tuumareaktorites kasutatakse neutroneid radioaktiivsete isotoopide tuumade lõhustamiseks energia tootmiseks. Kiirendites kasutatakse uurimistööks elementaarosakesi.
IN elektronmikroskoobid kasutatakse "kõvade" elektronide kiiri, mis võimaldavad näha väiksemaid objekte kui optilises mikroskoobis.
Pommitades polümeerkilesid teatud elementide tuumadega, saate omamoodi “sõela”. Aukude suurus selles võib olla 10 -7 cm Nende aukude tihedus ulatub miljardini ruutsentimeetri kohta. Selliseid “sõelu” saab kasutada ülipeeneks puhastamiseks. Nad filtreerivad vett ja õhku kõige väiksematest viirustest, söetolmust, steriliseerivad ravimlahuseid ning on asendamatud keskkonnaseisundi jälgimiseks.
Tulevikus aitavad neutriinod teadlastel tungida universumi sügavustesse ja saada teavet galaktikate arengu varase perioodi kohta.
luua seda sisaldavate hadronite perekond. Selline lühike eluiga on tingitud suurest energia vabanemisest Q transformatsiooni ajal
t-kvark kuni b-kvark:
Q =m t c 2 –m b c 2 = 90 GeV, τ ~ 1/Q 5.
Kvarkide paari t t vaatlemise skeemil on vorm
p + p→ t+ t, t→ b+ W+, W+ → e+ + ν e, t→ b+ W−, W− → u+ d.
7.11. Mõõtke bosoneid
Standardmudeli järgmise põhiosakeste klassi moodustavad gabariidiväljade kvantid. Nii nimetatakse väljasid, mis rakendavad standardmudeli aluseks olevat lokaalse rööpmelaiuse invariantsi põhimõtet. Mõõtevälja kvantide – gabariidibosonite – täisarvuline spin J = 0,1 ja need on fundamentaalsete fermioonide vahelise interaktsiooni kandjad.
Kõige kuulsam boson on footon, elektromagnetvälja kvant. Tugeva välja kvantid on kaheksa gluooni. Nõrka jõudu kannavad kolm massiivset
kvantid W + , W - ja Z . Tugevate, elektromagnetiliste ja nõrkade väljade mõõtmisbosonid on eksperimentaalselt avastatud ja seda on tehtud
spin J = 1, st. on vektorväljade kvantid. Gravitatsioonivälja kvanti – gravitoni, mille J = 2 – ei leitud.
Mõõtebosonite allikad on vastavate fundamentaalsete interaktsioonide laengud. Seega võivad gluoonid emiteerida kõik tugeva (värvi)laenguga osakesed. Footoni kiirgavad (või neelavad) ainult nõrga laenguga elektriliselt laetud osakesed.
Tabel 20 Fundamentaalsed vastastikmõjud ja nende mõõtmisbosonid
Interaktsioon | Kalibreerimine |
||
osakesed toimivad | |||
Kõik värvilised osakesed | 8 massivaba gluo- |
||
uus, J = 1 |
|||
Elektromagnetiline | Kõik on elektriliselt laetud - | Massivaba footon, |
|
ny osakesed | J = 1 |
||
Kvargid, leptonid, mõõtur | Massiivsed bosonid |
||
konstantsed bosonid W ± ,Z | W±,Z,J = 1 |
||
M w c 2 ≈ 80,4 GEV |
|||
M z c 2 ≈ 91,2 GEV |
|||
Gravitatsiooniline | Kõik osakesed | Massivaba gravitatsioon |
|
toon, J = 2 |
Gravitoni võib kiirata mis tahes osake, sest igal osakesel on vastav gravitatsioonilaeng (massiivsete
osake Gm).
7.12. Gluoonid
Gluoonid (g) - massita elektriliselt neutraalsed osakesed, mille spinn J = 1 ja paarsus P = 1 - on kvarkide vahelise tugeva värviinteraktsiooni kandjad. Nad liimivad kvarke hadronites kokku. G-gluooni eraldumisel võivad kvargid muuta oma värvi, samas kui kvargi ülejäänud kvantarvud ja selle maitse ei muutu. Kuigi gluoonidel on värv, erineb nende värvistruktuur kvargi omast.
g′ | g′′ | ||||
Riis. 35. Kvarkide värvuse muutus gluooni emissioonil
Vaatleme kahe värvilise kvargi – punase (k) ja rohelise (h) – vastasmõju (vt joonis 35.). Selle interaktsiooni jaoks võib olla kaks võimalust:
1) värvivahetusega, s.o. punktis 1 kiirgab kvark k = g′ + z gluooni g′ ja kvark z neelab selle punktis 2:
punkt 1 | k = g′ + z punkt 2 z+ k′ = k; |
punkt 1 | k = g″ + k punkt 2 z+ g″ = z. |
2) ilma värvivahetuseta:
Selle tulemusena saame gluoonide g′ ja g″ värvistruktuuri:
g ′ = kz,g ′′ = kk,zz
need. Glüoonil on kaks värviomadust: g′ värv ja g″ – varjatud värv.
Igal gluoonil on paar värvilaenguid – värv ja antivärv. Kolmest värvist (k z s) ja anticolorist (k z s) saab gluoonide jaoks teha üheksa paari kombinatsiooni (värv - anticolor). Teoreetilised arvutused näitavad, et üheksast kombinatsioonist jääb kaheksa, mis on toodud tabelis:
7.13. Nõrgad interaktsioonikandjad | ||||||||||||
Nõrkade kandjad | interaktsiooni | on | ||||||||||
W + ,W − ,Z, mida sageli nimetatakse vahepealseks (joonis 36). |
||||||||||||
ν e (ν µ, ν τ) | νе |
|||||||||||
w− | ||||||||||||
e −(µ −, τ −) | ||||||||||||
Skeem 1 | 2. diagramm | |||||||||||
e− |
||||||||||||
ƒ 4 | e− | |||||||||||
3. diagramm | 4. diagramm | |||||||||||
ν ~ e | ν ~ e | |||||||||||
Skeem 5
Riis. 36. Nõrga interaktsiooni protsessi graafiline esitus
Diagramm 3 kirjeldab fermioonide nõrka vastasmõju (f 1234) laetud vahepealsete bosonite vahetuse kaudu
mi. Diagramm 4 – neutriino ν e hajumine elektronil. Võimalik
nõrgad protsessid, mille käigus vahetatakse neutraalne boson Z. Sel juhul elektrilaengud interakteeruvad leptonid ei muutu (diagramm 5).
Nõrgad protsessid, mis esindavad laetud vahetust
nõrga välja kvante (W ± ) nimetatakse laetud nõrkadeks vooludeks. Kui nõrk vastastikmõju realiseerub neutronite vahepealse bosoni Z vahetumisel, siis räägime neutraalsetest nõrkadest vooludest (joonis 38).
Vahebosonitel W ± ,Z on nõrk laeng – välja allikas, mille kandjad nad on. Seega vahepealsed bosonid nad ise on võimelised genereerima teised vahepealsed bosonid ja hajuvad üksteisele. Tähtis on see
