Particule componente:
1.1 hadronii sunt particule care participă la toate tipurile de interacțiuni fundamentale. Sunt formați din quarci și sunt împărțiți, la rândul lor, în:
1.1.1 mezoni (hadroni cu spin întreg, adică bozoni);
1.1.2 barioni (hadroni cu spin semiîntreg, adică fermioni). Acestea, în special, includ particulele care alcătuiesc nucleul unui atom - protonul și neutronul.
Particule fundamentale (fără structură):
2.1 leptoni - fermioni, care au forma unor particule punctiforme (adică nu constau din nimic) până la scale de ordinul 10-18 m. Ei nu participă la interacțiuni puternice. Participarea la interacțiuni electromagnetice a fost observată experimental numai pentru leptoni încărcați (electroni, muoni, leptoni tau) și nu a fost observată pentru neutrini. Există 6 tipuri cunoscute de leptoni.
Cuarcii 2.2 sunt particule încărcate fracțional care fac parte din hadroni. Ele nu au fost observate în stare liberă (a fost propus un mecanism de izolare pentru a explica absența unor astfel de observații). La fel ca leptonii, ei sunt împărțiți în 6 tipuri și sunt lipsiți de structură, cu toate acestea, spre deosebire de leptoni, ei participă la o interacțiune puternică.
2.3 bosoni gauge - particule prin schimbul cărora se realizează interacțiuni:
2.3.1 foton - o particulă care poartă interacțiune electromagnetică;
2.3.2 opt gluoni - particule care poartă interacțiunea puternică;
2.3.3 trei bosoni vectori intermediari W+, W? și Z0, care tolerează interacțiuni slabe;
2.3.4 gravitonul este o particulă ipotetică care transferă interacțiunea gravitațională. Existența gravitonilor, deși nu este încă demonstrată experimental din cauza slăbiciunii interacțiunii gravitaționale, este considerată destul de probabilă; cu toate acestea, gravitonul nu este inclus în modelul standard.
Hadronii și leptonii formează materia. Bosonii gauge sunt cuante tipuri diferite radiatii.
În plus, Modelul Standard conține în mod necesar bosonul Higgs, care, totuși, nu a fost încă descoperit experimental.
Inițial, termenul „particulă elementară” însemna ceva absolut elementar, prima cărămidă de materie. Cu toate acestea, când au fost descoperite sute de hadroni cu proprietăți similare în anii 1950 și 1960, a devenit clar că hadronii au cel puțin grade interne de libertate, adică nu sunt elementare în sensul strict al cuvântului. Această suspiciune a fost confirmată ulterior când s-a dovedit că hadronii constau din quarci.
Astfel, ne-am mutat puțin mai adânc în structura materiei: leptonii și quarcii sunt acum considerați cele mai elementare părți ale materiei, sub formă de puncte. Pentru ei (împreună cu bosonii gauge) este folosit termenul „particule fundamentale”.
Există patru tipuri de interacțiuni între particule, fiecare dintre acestea fiind purtată de propriul tip de bosoni: foton, cuantum de lumină - interacțiuni electromagnetice, graviton - forțe gravitaționale care acționează între orice corp care are masă. Opt gluoni poartă forțele nucleare puternice care leagă quarcii. Bosonii vectori intermediari poartă interacțiuni slabe responsabile pentru dezintegrarea unor particule. Se crede că toate forțele din natură se reduc la aceste patru interacțiuni. Una dintre cele mai izbitoare realizări ale secolului nostru a fost dovada că, cu foarte temperaturi mari(sau energiile) toate cele patru interacțiuni se contopesc într-una singură.
La o energie de 100 GeV (10 9 eV), interacțiunile electromagnetice și slabe sunt combinate. Această energie corespunde temperaturii Universului 10 -10 s după Big bang, și de 4 trilioane de ori mai mare decât temperatura camerei. Această descoperire a făcut posibilă presupunerea că la o energie de ordinul 10 15 GeV, este posibilă unificarea interacțiunilor puternice cu ele, așa cum se precizează în Grand Unified Theories (GUT), și la o energie de 10 19 GeV. , interacțiunea gravitațională se va alătura și interacțiunilor GUT, „formând” un FA (The Theory of Everything That Exists).
Nu există acceleratoare la care să poată fi obținute astfel de energii și aceste teorii pot fi testate și, prin urmare, se îndreaptă către Univers pentru a găsi posibile limitări în el pentru un număr mare de particule elementare. În ultimii treizeci de ani a existat o legătură strânsă între fizica particulelor și cosmologie. Totalitatea datelor astrofizice poate fi considerată „material experimental” acumulat ca urmare a muncii Universului - un accelerator de particule gigant. Ne putem ocupa doar de consecințele indirecte ale proceselor care au avut loc și sunt în desfășurare, cu rezultatul influenței lor asupra evoluției materiei mediat pe întregul Univers.
Dintre leptoni, cel mai faimos este electronul; probabil că nu este format din alte particule, adică este elementar. Un alt lepton este un neutrin. Este cel mai abundent lepton din Univers și, în același timp, cel mai evaziv. Neutrinii nu participă nici la interacțiunile puternice, nici la interacțiunile electromagnetice. După predicție, neutrinul a fost descoperit doar 30 de ani mai târziu la acceleratoare. Există trei tipuri de neutrini - electroni, muoni și tau. Muonul este, de asemenea, un lepton răspândit în natură. A fost descoperit în razele cosmice în 1936; este o particulă instabilă, dar în alte privințe este similară cu un electron. În două milioane de secundă, se descompune într-un electron și doi neutrini. Cea mai mare parte a radiației cosmice de fond este formată din muoni. La sfârşitul anilor '70. a fost descoperit un al treilea lepton încărcat (în afară de electron și muon) - leptonul tau. Se comportă foarte asemănător cu verii săi, dar este de 3.500 de ori mai greu decât un electron. Fiecare lepton are, de asemenea, o antiparticulă, adică. sunt 12 în total.
Există o mulțime de hadroni, sute dintre ei. Prin urmare, ele sunt adesea considerate nu ca particule elementare, ci ca fiind formate din altele. Sunt încărcate electric și neutre. Toți hadronii participă la interacțiuni puternice, slabe și gravitaționale. Dintre acestea, cele mai cunoscute sunt protonul și neutronul. Restul trăiește foarte puțin, degradând în 10 -6 s din cauza interacțiunii slabe sau în 10 -23 s din cauza interacțiunii puternice. Hadronii au fost sortați după masă, sarcină și spin. Ipoteza quarcilor, sau a particulelor care alcătuiesc hadronii, a ajutat în acest sens.
În acest scop, quarcurile se pot combina în triplete, formând barioni, sau în perechi: quark-antiquark, alcătuind mezoni (particule intermediare). Cuarcii au o sarcină de 1/3 sau 2/3 din sarcina unui electron. Apoi în combinație vor da 0 sau 1. Toți quarcii au un spin egal cu 1/2, adică. aparțin fermionilor. Se crede că sunt legați de o interacțiune puternică, dar participă și la una slabă. Caracteristicile interacțiunii puternice sunt caracterizate prin tipuri („arome”) - „sus”, „inferior”, „ciudat”. Dar interacțiunea slabă poate schimba „aroma” cuarcului. De exemplu, în timpul dezintegrarii unui neutron, unul dintre quarcii „jos” devine „sus”, iar sarcina în exces este transportată de electronul rezultat. Deci interacțiunea puternică nu poate schimba „aroma”, iar fără a schimba „aroma” cuarcului, degradarea hadronului este imposibilă.
Un nou hadron, numit particula -, a fost descoperit la acceleratoare (1974). Prin urmare, în conformitate cu teoria quarcilor, a fost introdusă o altă caracteristică, o a patra „aromă” și așa a apărut quarcul „farmec”.
Deci, particula sh este probabil un mezon, constând dintr-un c-quark și un c-antiquark. Multe particule „vrăjite” au fost acum descoperite și toate sunt grele. Și în 1977, a apărut -meson și întreaga poveste s-a repetat, al cincilea parfum a fost numit „drăguț”. Așa se dezvoltă atomismul astăzi. Acum se crede că există 12 quarci - particule fundamentale și același număr de antiparticule.
Cele șase particule sunt cuarcuri cu nume exotice „sus”, „jos”, „fermecat”, „ciudat”, „adevărat”, „drăguț”. Ele sunt produsul unei teorii care se străduiește spre ordine și frumusețe și totul este deschis, cu excepția „adevărului”. Restul de șase sunt leptoni: electron, muon, -particulă și neutrini corespunzători acestora (electron, muon, neutrin).
Aceste 12 particule, sau două din șase, sunt grupate în trei generații, fiecare dintre acestea fiind formată din patru membri.
În prima generație - quarcuri „superioare” și „jos”, neutrini de electroni și electroni, în a doua - quarcuri „șarm” și „ciudați”, neutrini muoni și muoni, în a treia - quarcuri „adevărate” și „fermecatoare” și -particulă cu neutrinoul său. Toată materia obișnuită este formată din particule de prima generație. Un proton, de exemplu, este format din doi quarci „sus” și unul „jos”, un neutron - din doi „jos” și unul „sus”. Fiecare atom este format dintr-un nucleu greu (protoni și neutroni strâns legați) înconjurat de un nor de electroni.
În plus față de această clasificare, se pot distinge particulele elementare adevărate și microparticulele adevărate condiționat. Karpenkov S.Kh. Concepte de bază ale științelor naturii. M., 2007. P.89.
Particule cu adevărat elementare.
Astăzi, din punct de vedere teoretic, sunt cunoscute următoarele particule cu adevărat elementare (în acest stadiu al dezvoltării științei, considerate indecompuse): quarci și leptoni (aceste varietăți aparțin particulelor de materie), cuante de câmp (fotoni, bosoni vectoriali). , gluoni), precum și particulele Higgs.
În conformitate cu cele patru tipuri de interacțiuni fundamentale, se disting patru tipuri de particule elementare, respectiv: hadronii, care participă la toate interacțiunile, și leptonii, care nu participă. Numai în cei puternici (și neutrini și în electromagnetic), un foton care participă numai la interacțiunea electromagnetică și un graviton ipotetic - purtătorul interacțiunii gravitaționale.
Despre interacțiunile fundamentale
Interacțiuni fundamentale
Este bine cunoscut faptul că toată materia constă din particule elementare. Aceste particule interacționează între ele prin 4 interacțiuni fundamentale care au naturi și puteri diferite.
Cea mai evidentă dintre interacțiunile fundamentale și cea mai slabă dintre ele este interacțiune gravitațională, prin urmare, este cel mai dificil de studiat experimental. Mai puțin evident, dar și răspândit și familiar este interacțiune electromagnetică. Ca și forța gravitațională, ea slăbește proporțional cu r 2 , dar are o putere relativă de 10 36 de ori mai mare. Motivul pentru care nu este absolut dominant este faptul că practic toată materia din Univers este neutră din punct de vedere electric. Ambele aceste interacțiuni operează pe distanțe infinit de mari, deși poate dispărând de slab.
Dar, pe lângă acestea, există încă două interacțiuni fundamentale care joacă un rol important în microcosmos, numite fără bibelouri speciale. slabȘi puternic. Interacțiunea slabă joacă un rol important în dezintegrarea beta radioactivă a nucleelor, în special datorită acesteia, un neutron liber se descompune (timp de înjumătățire 10 minute și 14 secunde, a nu fi confundat cu durata de viață) și este singurul interacțiune asimetrică (doar cu ajutorul ei poate fi explicată extratereștrilor, unde este dreapta și unde este stânga :)). Forța puternică (în special) ține nucleonii (protoni și neutroni) împreună în nucleu.
În prezent, se obișnuiește să se descrie interacțiunile fundamentale folosind particule speciale care le poartă - bozoni de măsurare.
Vă puteți uita la o imagine frumoasă pe acest subiect.
Particule elementare
După descoperirea de către Thomson a primei particule elementare, electronul, în 1897 (teoria corpusculară a luminii a existat înainte, dar a câștigat o reală popularitate după lucrările lui Einstein asupra efectului fotoelectric), au fost descoperite peste 400 de particule elementare. În tabelul periodic pentru aproximativ 120 diverse elemente cu abundenţa lor de proprietăţi chimice există baza generala: structura lor electronică, care este în funcție de numărul de protoni și neutroni. În același timp, clasificarea elementelor a devenit o condiție prealabilă pentru studierea structurii electronice a atomilor. Din fericire, o astfel de clasificare este posibilă și în fizica particulelor.
În prezent, există două clasificări principale ale particulelor elementare: după spin și după structură.
A învârti aceasta este o anumită proprietate a particulelor care se manifestă în interacțiunea cu un câmp magnetic (în special, rezonanța magnetică nucleară (RMN), una dintre cele mai avansate metode de analiză, atât în chimie, cât și în medicină, se bazează pe aceasta). Particulele cu spin semiîntreg (cum ar fi electronul, nucleonii și neutrinii) au statistici comportamentale diferite (numite statistici Fermi-Dirac) decât particulele cu spin întreg (cum ar fi fotonul) (statistica Bose-Einstein), așa că sunt numite în consecinţă fermioniȘi bozoni. Uneori se adaugă adjective: scalar, vector, boson tensor sau spinor, fermion spin-vector. Acestea sunt pur și simplu notații pentru cantitatea de spin (0, 1, 2 și, respectiv, 1/2, 3/2).
Pe baza structurii lor, particulele pot fi împărțite în compozite (hadroni) și fără structură.
Hadronii constau din quarcuri. Acum, punctul de vedere general acceptat este că hadronii nu pot fi împărțiți în quarci în niciun fel (acest fenomen se numește izolarea), deoarece puterea interacțiunii dintre ele crește odată cu creșterea distanței (totuși, acest lucru nu a fost încă dovedit cu strictețe: oferă un milion de dolari pentru dovadă - problema rezolvării ecuațiilor Yang-Mills). Cu toate acestea, existența lor este de netăgăduit: în special, atunci când hadronii sunt bombardați cu electroni de înaltă energie, caracteristicile de împrăștiere indică faptul că mai multe așa-numite partoni, a cărei împrăștiere are loc deosebit de puternic. Dacă aplicați și mai multă energie, conexiunea dintre quarci se poate „rupe”, dar excesul de energie va duce la formarea de noi quarci de ambele părți ale decalajului - va avea loc așa-numita „ruptură”. nașterea jeturilor hadronice. Teoria, care presupune existența a doar 6 tipuri de quarci (d, u, s, c, b, t și antiquarcii lor), a explicat existența tuturor hadronilor cunoscuți astăzi, care au fost descoperiți din abundență în anii 50-60 de către experimentatori energic.
Majoritatea hadronilor constau din 2 ( mezonii) sau 3 ( barionii) quarci: „culoarea” hadronului ar trebui să fie „incoloră”, ceea ce este bine descris doar în aceste cazuri. Posibilitatea existenței, încă neconfirmată prin experiment, a fost prezisă teoretic, pentaquarci, format din 5 quarci, și tetraquarci(din 4).
Cuarcii înșiși aparțin unor particule fără structură (deși se fac încercări nereușite de a construi teorii în care ar consta în ceva ce ar putea fi numit „ preon" sau " pictograma"). Alte particule fără structură sunt clasificate după spinul lor: bosonii gauge și leptoni, care sunt fermioni.
Materia este formată din hadroni și leptoni, radiații din bosonii gauge.
Este interesant de observat că există mai multe teorii ale corzilor care, împreună cu bradioane(particule care se deplasează mai încet decât viteza luminii) și Luxoni(deplasându-se cu el: foton, gluoni și graviton ipotetic) introduce tahioane, care se mișcă mai repede decât viteza luminii și au masă imaginară.
Supersimetrie
„Fermionii și bosonii”, au gândit unii fizicieni, „există două tipuri! 2 - asta e mult!” Și au venit cu supersimetrie. Potrivit acesteia, de fapt, toți bosonii și fermionii sunt aceleași particule și se pot transforma unul în celălalt (în practică, aceasta înseamnă posibilitatea de a transforma materia în radiație și invers; merită remarcat faptul că anihilarea este cea mai puternică posibilă sursă de energie și în Universul nostru, nu ca un fel de petrol).
În teoria supersimetriei, există o nevoie urgentă de a descoperi particule de superpartener. Dar iată problema: la energiile obișnuite (joase), supersimetria este încălcată, și anume, nu există perechi bozon-fermion care diferă doar în spin, dar au mase și sarcini egale. „Nu este mare lucru”, au gândit acești fizicieni, „înseamnă că superpartenerii sunt doar foarte grei”. Trebuie remarcat faptul că, în cadrul teoriei supersimetriei, o simplă explicație a existenței materie întunecată ca niște particule neutralino, așa că căutarea de super-parteneri este foarte interesantă.
Unul dintre cei mai probabili candidați pentru detectare este superpartenerul cuarcului superior: datorită masei mari a acestuia din urmă, superpartenerul său poate, dimpotrivă, să fie ușor și accesibil pentru observare la LHC.
Combinarea interacțiunilor
În ciuda tuturor diferențelor dintre particule și interacțiunile lor, pot fi găsite destul de multe asemănări în ele: un exemplu binecunoscut este unificarea electricității și magnetismului în electromagnetism de către Maxwell în 1864. Ideea de a descrie diverse interacțiuni cu o ecuație generală a devenit deosebit de populară după ce Einstein a creat-o în 1916. Teoria generală a relativității, care descria gravitația. Teoria câmpului unificat, care ar face posibilă descrierea tuturor particulelor elementare și a interacțiunilor lor în cadrul unei abordări unificate, ar explica toate fenomenele fizice existente în Univers - o astfel de teorie ipotetică a primit numele pe jumătate în glumă " Teoria tuturor" Sarcinile înaintea lui sunt serioase: nu numai că trebuie să explice și să prezică toate particulele elementare existente și interacțiunile lor, ci trebuie să explice și masele și duratele de viață ale acestora.
Cu toate acestea, pașii pentru a-l construi pentru o lungă perioadă de timp nu au avut succes: în special, Einstein a lucrat la crearea unei astfel de teorii până la moartea sa. Legendele spun că Einstein a reușit să facă acest lucru și, pentru a-și testa experimental concluziile teoretice, guvernul american a organizat în 1943 experimentul secret Philadelphia, în timpul căruia distrugătorul Eldridge ar fi fost teleportat la câteva sute de kilometri distanță. Se presupune că Einstein și-a distrus apoi toate cercetările în acest domeniu, deoarece ar putea fi folosit în arme extrem de distructive. Băieții potriviti tratează această legendă cu ușor scepticism: majoritatea experimentelor pe care le-au făcut posibilă creație Modelul Standard, care combină doar 3 din cele 4 forțe fundamentale, a fost produs după moartea lui Einstein.
O schimbare în domeniul construirii Teoriei Câmpului Unificat a început abia după descoperirea interacțiunilor slabe și puternice. Primul pas a fost teoria interacțiunii electro-slabe, construit de Salam, Glashow și Weinberg în 1967 pe baza electrodinamicii cuantice (pentru care au primit Premiul Nobelîn 1979, adică aproape imediat). Apoi, în 1973, a fost dezvoltată o teorie care a descris interacțiunea puternică - cromodinamica cuantică. Pe baza acestor două teorii, a fost creat Model standard, ale căror predicții au fost confirmate, cu excepția celor încă nedetectate bosonul Higgs.
Interacțiune puternică și cromodinamică cuantică
Capacitatea unui quark de a participa la interacțiunea puternică se numește ea culoare. Există în total 3 culori de quark, numite roșu, verde și albastru. Câmpul cuantic în cromodinamica cuantică este gluon, o particulă asemănătoare unui foton, de asemenea, fără sarcină, masă și antiparticulă, la fel ca restul bosonilor gauge, având spin unitar. Cu toate acestea, interacțiunea puternică este mult mai complicată decât cea electromagnetică: gluonul în sine este un purtător de culoare și, prin urmare, poate experimenta interacțiuni puternice cu alți gluoni. În plus, deoarece un gluon poartă culoare, nu există doar unul, ci 8 tipuri de gluoni. Gluonii, ca și quarcii, au fost observați ca partoni în timpul împrăștierii electronilor de către nucleoni.
Model standard
Modelul standard nu derivă toate proprietățile materiei din vârful degetelor. Pentru aceasta, ea are nevoie de 19 parametri, dintre care 17 au fost deja măsurați experimental: masele a 3 tipuri de leptoni și 6 quarci; 4 parametri legati de Matricea Cabibbo-Kobayashi-Maskawa, care descrie probabilitățile de dezintegrare slabă care schimbă „aroma” quarcurilor; 3 constante asociate cu forțele interacțiunilor fundamentale; un alt parametru de interacțiune puternică; și, în sfârșit, doi parametri, încă nedeterminați experimental, asociați cu interacțiunea bosonului Higgs cu materia și a bosonilor Higgs între ei.
Modelul Standard este una dintre cele mai clare și mai precise teorii din fizică: toate predicțiile sale, cu excepția, până acum, a bosonului Higgs, au fost confirmate prin experiment, uneori cu o acuratețe uimitoare. Unul dintre cele mai importante succese ale modelului standard a fost predicția masei bosonilor de măsurare W și Z responsabili pentru interacțiunea slabă.
Desigur, Modelul Standard nu poate pretinde a fi Teoria Câmpului Unificat, deoarece nu include teoria gravitației (și perspectivele integrării acesteia par foarte vagi) și nu poate explica existența a trei generații de particule, între care diferă doar în masă:
| Prima generatie | A doua generație | A treia generatie | |
| Lepton (taxare? 1) | Electron 5,11x10 ?4 GeV |
Muon 0,106 GeV |
Particulă Tau 1,777 GeV |
| Neutrino (încărcare 0) |
Neutrinul electronic (0-0,13)x10 ?9 GeV |
Neutrinul muon (0,009-0,13)x10 ?9 GeV |
Neutrinul Tau (0,04-0,14)x10 ?9 GeV |
| Cuarc de tip D (încărcare? 1/3) | d-quark 0,005 GeV |
s-quark 0,1 GeV |
b-quarc 4,2 GeV |
| Cuarc de tip U (încărcare 2/3) | u-quark 0,002 GeV |
c-quarc 1,3 GeV |
t-quark 173 GeV |
Se presupune că existența particulelor foarte grele din a 4-a generație este posibilă, dar acestea nu au fost încă detectate experimental.
În cadrul modelului standard, sa dovedit a fi surprinzător de convenabil să descriem interacțiunile fundamentale în termeni de teoria grupurilor:
- grupul este folosit pentru a descrie interacțiunea electromagnetică U(1)(acesta este doar un grup de multiplicare numere complexe, egal în modulul 1);
- pentru a descrie un grup slab SU(2)(un grup multiplicativ de matrici unitare speciale 2x2, adică matrici unitare cu determinantul 1: numărul de generatori ai unui astfel de grup este 3 (se numesc Matrice Pauli), prin urmare există și 3 purtători de interacțiune slabă);
- pentru a descrie un grup puternic SU(3)(la fel ca SU(2), doar 3x3: 8 generatoare (numite Matrice Gell-Mann) și deci 8 gluoni).
Ce este bosonul Higgs?
În cadrul modelului standard apare necesitatea bosonului Higgs. Această particulă cu spin zero este responsabilă pentru masa particulelor elementare, dar este atât de evazivă încât nici măcar nu este sigur că există o singură astfel de particule. Tocmai pentru detectarea (sau nedetectarea) sa Large Hadron Collider LHC.
Bosonul Higgs dotează particulele cu mase astfel încât purtătorul interacțiunii electromagnetice, fotonul, rămâne fără masă și se poate deplasa la orice distanță, în timp ce interacțiunea slabă este transmisă folosind particule masive, ceea ce limitează raza acestei interacțiuni la scara subnucleară. Astfel, cu ajutorul acestei particule, simetria electroslabă este ruptă, ceea ce face ca interacțiunile electromagnetice și slabe să fie atât de diferite unele de altele.
Imagine canonică (nu la scară, adâncimea este de aproximativ 100 de metri, iar lungimea tunelului este de 26,7 km): 
Ciocnitorul Acesta este un accelerator (în cazul LHC, unul inel) în care două fascicule de particule elementare se ciocnesc. LHC se află în construcție din 2001 într-un tunel de la granița dintre Franța și Elveția, unde a fost localizat anterior ciocnitorul electron-pozitron LEP. LHC are 4 detectoare mari:
Câte date va produce colisionarul este evidențiată de faptul că, în ciuda filtrării pe trei niveluri implementate de hardware a evenimentelor „neinteresante”, LHC va genera o medie de 500 de megaocteți de date pe secundă.
Imagini frumoase ale ciocnitorului: unu, doi, trei, patru; Cu o cantitate mare imagini frumoase.
LHC va funcționa până în anii 2020, colectând material experimental. Dar există speranță că primele rezultate semnificative vor apărea până la sfârșit anul urmator. Fără îndoială, tehnic și experiență științifică, care a fost obținut în timpul creării sale și va fi obținut din utilizarea sa, va juca un rol uriaș în crearea proiectată a The Very Large Hadron Collider (VLHC) până la mijlocul secolului al XXI-lea.
Probabil că pot fi descoperite la LHC monopoli magnetici. Acesta este un nume general pentru particulele ipotetice care au o sarcină magnetică diferită de zero. Dirac a prezis, de asemenea, posibilitatea potențială a existenței lor.
Tabel de comparație energetică
Pentru a evalua scara energiilor și a posibilelor descoperiri, merită să vă uitați la tabel, care enumeră masele unor particule elementare, unele energii caracteristice și energii ale ciocnitorilor (enumerez în principal energiile totale ale fasciculelor care se ciocnesc: trebuie menționat că pentru a observa o particulă cu masa E, de regulă, trebuie utilizată energia totală a fasciculelor 2E).
Ca unitate de energie atât în nuclear cât și fizică cuantică utilizate pe scară largă electron-volt(eV) în loc de joule. 1 eV ~ 1,6021765x10 ?19 J. Masele particulelor sunt de asemenea măsurate în eV folosind ecuația lui Einstein E = mc 2.
| Energie | |
| 511 KeV | electron |
| 1,9 MeV | u-quark |
| 4,4 MeV | d-quark |
| 87 MeV | s-quark |
| 106 MeV | muon |
| 938,3 MeV | proton |
| 939,6 MeV | neutroni |
| 1,32 GeV | c-quarc |
| 1,78 GeV | particulă tau |
| 4,24 GeV | b-quarc |
| 6 GeV | cel mai mare coliziune rusesc |
| 45 GeV | LEP, 1989 |
| 80,4 GeV | bosonul W |
| 91,2 GeV | bosonul Z |
| ~100 GeV | unificare electroslabă |
| 100-1000 GeV | particule superpartenere (?) |
| 117-251 GeV | Bosonul Higgs (?), cel mai probabil interval |
| 172,7 GeV | t-quark |
| 189 GeV | LEP, 1998 |
| ~200 GeV | LEP, 1999 |
| 209 GeV | LEP, 2000, înainte de oprire |
| 250-650 GeV | bosonul Higgs (?), „varianta grea” |
| 650-1000 GeV | bosonul Higgs (?), „varianta foarte grea” |
| 900 GeV | LHC, Comision Run, vara 2008 |
| 980 GeV | Tevatron, putere de vârf |
| 7 TeV | LHC, sfârșitul anului 2008 |
| 14 TeV | LHC, energie de proiect |
| ~1000 TeV | Raze cosmice de înaltă energie |
| 6,24x10 9 GeV | 1 joule |
| 6x10 10 GeV | Limita Greisen-Zatsepin-Kuzmin, limita teoretică de energie și pentru raze cosmice |
| ~10 14 -10 16 GeV | „Marea Unificare” a interacțiunilor electroslabe și puternice (?) |
| ~10 19 GeV | Energia Planck, presupusa unificare a tuturor interacțiunilor (?) |
| 3x10 31 GeV | Producția anuală de energie electrică pe Pământ |
Riscuri asociate cu lansarea/nelansarea LHC
Principalele preocupări legate de lansarea LHC sunt împărțite în două părți:
1. Formarea microscopice stabile gaură neagră care va înghiți Pământul (frumoasă imagine a unei găuri negre)
Unele teorii prezic posibilitatea formării de găuri negre microscopice în timpul experimentelor la LHC. O gaură neagră este un obiect cu o gravitate super-puternică care nici măcar nu permite luminii să scape. Dar nu totul este atât de fatal, deoarece există un astfel de fenomen ca Radiația Hawking. Radiația Hawking este o consecință a faptului că gravitația unei găuri negre duce la formarea nu numai a unor perechi particule-antiparticule virtuale, ci și reale, dintre care unele pot fi deasupra orizontului evenimentelor. O astfel de particulă părăsește gaura neagră și ia cu ea o parte din energia și masa sa. Evident, pentru găurile negre microscopice probabilitatea unui astfel de eveniment este mult mai mare și, prin urmare, cred experții CERN, chiar dacă se formează găurile negre, acestea se vor evapora imediat. Dar este, de asemenea, posibil să se formeze găuri negre microscopice, care vor fi destul de stabile și nu se vor evapora prin radiația Hawking. În acest caz, întregul Pământ va fi consumat în câțiva ani :)
2. Educație chestiune ciudată
Educație posibilă "strapelek"(strangelet) - o stare ipotetică a materiei constând din un număr aproximativ egal de cuarcuri d, u și s. Când o astfel de substanță interacționează cu una obișnuită, ar trebui să aibă loc o reacție în lanț cu eliberarea de energie și transformarea întregii substanțe în „materie ciudată”. Supraviețuirea unei persoane după un astfel de eveniment este puțin probabilă :)
Dacă aceste scenarii devin realitate (visul suprem al lui Bender Rodriguez), ar fi potrivit să numim LHC ultimul ciocnitor de hadron.
Ca răspuns la astfel de preocupări, au fost formate mai multe grupuri de cercetare pentru a încerca să evalueze probabilitatea unui rezultat tragic. Principalul argument al susținătorilor siguranței colisionanților este că „LHC nu va face nimic din ceea ce natura nu a făcut de milioane de ori înainte”. Acest lucru implică faptul că Pământul este bombardat periodic cu particule de raze cosmice cu o energie mult mai mare decât ar fi disponibilă la LHC. Dar oponenții subliniază că, chiar dacă găurile negre microscopice s-au format în timpul unor astfel de ciocniri, ele au zburat prin Pământ cu o viteză doar puțin mai mică decât viteza luminii, ceea ce, desigur, nu se poate spune despre câmpul magnetic închis al ciocnitorului, care cel mai probabil a creat o astfel de gaură neagră, pur și simplu nu va da drumul.
Estimarea oficială a probabilității unor astfel de evenimente, făcută de specialiștii CERN, este de 1/50000000 (1 la 50 de milioane). Totuși, ținând cont de numărul potențial al victimelor (6,7 miliarde), valoarea așteptată este de aproximativ 130 de persoane, ceea ce, desigur, este destul de mult.
Dar faimosul specialist în calcul cuantic Scott Aaronson crede în general că LHC trebuie lansat cât mai curând posibil, pentru că nu putem exclude posibilitatea ca extratereștri să sosească anul viitor și, văzând că încă nu am descoperit bosonul Higgs, ei vor consideră-ne sălbatici completi și înrobește-ne :)
Estimarea numărului de civilizații extraterestre conform scenariului catastrofal al cercetării bosonului Higgs
În prezent, există un focar neobișnuit de mare de inteligență asociat cu acest eveniment. Cu toate acestea, umorul negru predomină, de exemplu, despre faptul că orice civilizație dezvoltată se transformă într-o gaură neagră în încercările de a studia bosonul Higgs. O sa incerc si eu :)
Acest punct de vedere este cu atât mai interesant cu cât nu observăm semnale de la civilizațiile extraterestre, în special de la cele situate în centrul Galaxiei noastre. Este demn de remarcat aici că stelele din centrul Galaxiei s-au format semnificativ mai devreme decât Sistemul Solar și, prin urmare, civilizațiile de acolo ar trebui să fie mult mai vechi și mai dezvoltate decât a noastră. Dar observăm în centrul Galaxiei o gaură neagră colosală Săgetător-A* cu o masă de 3,7 milioane solare.
Noi postulăm că orice civilizație se dezvoltă înainte de descoperirea radioului, iar după aproximativ 100 de ani este descoperit bosonul Higgs, ceea ce presupune formarea unui colapsar și moartea civilizației și, de asemenea, că s-a format gaura neagră din centrul Galaxiei. tocmai din civilizaţii atât de dezvoltate.
Având în vedere că în total Galaxia noastră conține aproximativ 200 de miliarde de stele și aproximativ 90% dintre ele se află în centru, putem face ipoteza că probabilitatea apariției unei civilizații într-un sistem stelar este de aproximativ 1 la 50.000. Să facem o presupunerea plauzibilă că viața inteligentă există în prezent într-o centură îngustă a Galaxiei cu o lățime de aproximativ 500 de parsecs (aproximativ plus sau minus 100 de milioane de ani de viață a sistemului planetar), o înălțime de 300 de parsecs (grosimea galaxiei în zonă) și o rază de 8,5 kiloparsecs.
Pe baza unei evaluări a probabilității ca sistemul stelar să fie adecvat pentru dezvoltare viata inteligenta(vezi mai sus, 2x10?5), probabilitatea ca civilizația să fie chiar acum la nivel radio (10?6) și densitatea stelelor din această centură (aproximativ 0,1 pc?3) obținem că acum există aproximativ 20 de mii. sisteme stelare, în care există viață și aproape sigur că nu există un singur sistem gata să ne contacteze. Din păcate, conform acestor calcule, suntem singuri în Galaxie. Și nu e nimeni care să ne avertizeze :)
Folosind această metodă, este posibil să se obțină în formula lui Drake produsul dintre cei cinci termeni medii (estimat a fi aproximativ 2x10?5, cel al lui Drake este de 10?4) și L ~ 100 de ani (cel al lui Drake este mult mai optimist, 10.000 de ani). O coincidență destul de bună... și destul de înfricoșătoare. Scara Kardashev nu respinge evaluarea: o civilizație de tip III ar fi putut foarte bine să apară în miezul Galaxiei, dar nu observăm nicio urmă a prezenței sau activității sale.
Deci, de ce este nevoie de LHC?
- Căutați bosonul Higgs, responsabil pentru masa particulelor, cea mai recentă confirmare experimentală a Modelului Standard;
- Căutare de particule în afara Modelului Standard: pentaquarci și tetraquarci, particule de generația a 4-a, monopol magnetic;
- Căutați particule prezise de teoria Lisi
- Căutați supersimetrie, particule superpartenere, în special superpartenerul t-quark;
- Cercetarea gravitației cuantice;
- Cercetări privind găurile negre microscopice și radiația Hawking;
- Ucideți toți oamenii (ipoteza a).
- Conversia materiei în energie (anihilare), motoare fotonice, călătorii interstelare
- Controlul gravitației, în special antigravitația
- Posibile cercetări în domeniul teoriei M, de exemplu, lumi paralele
Viitorul va spune.
Addon #1: Dacă ești interesat de acest subiect, îți recomand să citești minunatul articol al lui Igor Ivanov din În jurul lumii.
În fizica particulelor bozoni de măsurare sunt bosoni care poartă interacțiunile fundamentale ale naturii. Mai precis, particulele elementare ale căror interacțiuni sunt descrise de teoria gauge acționează unele asupra altora prin schimbul de bosoni gauge, de obicei ca particule virtuale.
Există trei tipuri de bosoni gauge în modelul standard: fotoni, bosoni W și Z și gluoni. Fiecare tip corespunde uneia dintre cele trei interacțiuni, descrise în modelul standard: fotonii sunt bosoni gauge ai interacțiunii electromagnetice, bosonii W și Z poartă interacțiunea slabă, iar gluonii poartă interacțiunea puternică. Prin izolare, gluonii izolați nu apar la energii scăzute. Cu toate acestea, la energii scăzute este posibil să se observe bile masive de lipici, a căror existență nu a fost confirmată experimental din 2006.
Numărul de bosoni gauge
În teoria gauge cuantică, bosonii gauge sunt cuante de câmpuri gauge. În consecință, există atât de mulți bosoni gauge câte surse de câmpuri gauge există. În electrodinamica cuantică, grupul gauge este U(1);în acest caz cel mai simplu există un singur boson gauge. În cromodinamica cuantică grupul este mai complex SU (3) are 8 surse, ceea ce corespunde la 8 gluoni. Trei bosoni W și Z corespund, aproximativ, la trei surse SU (2)în teoria interacțiunii electro-slabe.
Bosoni masivi
Din motive tehnice, inclusiv invarianța gauge, bosonii gauge sunt descriși matematic prin ecuații de câmp pentru particule fără masă. Prin urmare, la un nivel teoretic naiv de percepție, toți bosonii gauge ar trebui să fie fără masă, iar interacțiunile pe care le descriu ar trebui să fie interacțiuni pe distanță lungă. Conflictul dintre această idee și faptul experimental că forța slabă are o rază foarte scurtă necesită mai departe cercetare teoretică.
Conform modelului standard, bosonii W și Z câștigă masă prin mecanismul Higgs. Mecanismul Higgs are patru bosoni gauge. (SU(2) X U (1) simetriile) ale interacţiunii electroslăbite sunt cuplate în câmpul Higgs. Acest câmp este supus unei simetrii spontane care străpunge forma potențialului său de interacțiune. Ca rezultat, un condens de câmp Higgs diferit de zero trece prin Univers. Acest condensat se cuplează cu trei bosoni gauge electroslăbiți (W± și Z), dându-le masa; bosonul gauge rămas rămâne fără masă (foton). Această teorie prezice și existența unui boson Higgs scalar, care nu a fost încă descoperit.
Teoriile Marii Unificări
În teoriile mari unificate (GUT), apar bosoni X și Y suplimentari. Ei controlează interacțiunile dintre quarci și leptoni, încălcând legea de conservare a numărului barionilor și provocând dezintegrarea protonilor. Acești bosoni au o masă enormă după standardele cuantice (poate chiar mai mare decât bosonii W și Z) din cauza ruperii simetriei. Până în prezent, nu a fost obținută o singură confirmare experimentală a existenței acestor bosoni (de exemplu, într-o serie de observații ale dezintegrarii protonilor la instalația japoneză Super-Kamiokande).
Gravitoni
A patra forță fundamentală, gravitația, poate fi purtată și de un boson, care a fost numit graviton. În absența unor dovezi experimentale și a unei teorii consistente din punct de vedere matematic a gravitației cuantice, nu se știe dacă gravitonul este un boson gauge sau nu. Rolul invarianței gabaritului în Teoria generală relativitatea joacă o simetrie similară - invarianță față de difeomorfism.
Particulele elementare în sensul precis al acestui termen sunt particule primare, în continuare necompuse, din care, prin presupunere, constă toată materia. În conceptul de „particule elementare” în stiinta modernaștiința naturii își găsește expresie în ideea de esențe primitive care determină toate proprietățile cunoscute Lumea materială, idee care a luat naștere în primele etape ale dezvoltării științei naturii și a jucat întotdeauna un rol important în dezvoltarea acesteia. Conceptul de „particule elementare” a fost format în strânsă legătură cu stabilirea naturii discrete a structurii materiei la nivel microscopic. Descoperire la începutul secolelor XIX-XX. cei mai mici purtători ai proprietăților materiei - molecule și atomi - și stabilirea faptului că moleculele sunt construite din atomi, a făcut pentru prima dată posibilă descrierea tuturor substanțelor cunoscute ca combinații ale unui număr finit, deși mare, de structuri structurale. componente – atomi. Identificarea ulterioară a prezenței atomilor constituenți - electroni și nuclee, stabilirea naturii complexe a nucleelor, care s-a dovedit a fi construită din doar două tipuri de particule (protoni și neutroni), a redus semnificativ numărul de elemente discrete care formează. proprietățile materiei și a dat motive să presupunem că lanțul componente materia se termină în formațiuni discrete fără structură - Particule elementare O astfel de presupunere, în general, este o extrapolare fapte cunoscuteși nu poate fi fundamentată în niciun mod strict. Este imposibil să spunem cu certitudine că există particule care sunt elementare în sensul definiției de mai sus. S-a descoperit că protonii și neutronii, de exemplu, despre care se credeau că sunt particule elementare structura complexa. Nu poate fi exclusă posibilitatea ca succesiunea componentelor structurale ale materiei să fie fundamental infinită. Se poate dovedi, de asemenea, că afirmația „constă în...” la o anumită etapă a studiului materiei se va dovedi a fi lipsită de conținut. În acest caz, definiția „elementar” dată mai sus va trebui abandonată. Existența părților elementare este un fel de postulat, iar testarea validității acestuia este una dintre cele mai importante sarcini ale științei naturii.
Particulă elementară este un termen colectiv care se referă la micro-obiecte la scară subnucleară care nu pot fi împărțite (sau nu au fost încă dovedite) în părțile lor componente. Structura și comportamentul lor sunt studiate de fizica particulelor. Conceptul de particule elementare se bazează pe structura discretă a materiei. Un număr de particule elementare au o structură internă complexă, dar este imposibil să le separe în părți. Alte particule elementare sunt lipsite de structură și pot fi considerate particule fundamentale primare.
De la prima descoperire a unei particule elementare (electron) în 1897, au fost descoperite peste 400 de particule elementare.
Pe baza mărimii spinului lor, toate particulele elementare sunt împărțite în două clase:
fermioni - particule cu spin semiîntreg (de exemplu, electron, proton, neutron, neutrin);
bosonii sunt particule cu spin întreg (de exemplu, un foton).
Pe baza tipurilor de interacțiuni, particulele elementare sunt împărțite în următoarele grupuri:
Particule componente:
hadronii sunt particule care participă la toate tipurile de interacțiuni fundamentale. Sunt formați din quarci și sunt împărțiți, la rândul lor, în:
mezoni (hadroni cu spin întreg, adică bozoni);
barioni (hadroni cu spin semiîntreg, adică fermioni). Acestea, în special, includ particulele care alcătuiesc nucleul unui atom - protonul și neutronul.
Particule fundamentale (fără structură):
leptonii sunt fermioni, care au forma unor particule punctiforme (adică nu constau din nimic) până la scale de ordinul 10-18 m. Ei nu participă la interacțiuni puternice. Participarea la interacțiuni electromagnetice a fost observată experimental numai pentru leptoni încărcați (electroni, muoni, leptoni tau) și nu a fost observată pentru neutrini. Există 6 tipuri cunoscute de leptoni.
Cuarcii sunt particule încărcate fracțional care fac parte din hadroni. Nu au fost observați în stare liberă. La fel ca leptonii, ei sunt împărțiți în 6 tipuri și sunt lipsiți de structură, cu toate acestea, spre deosebire de leptoni, ei participă la o interacțiune puternică.
bosoni gauge - particule prin schimbul cărora se realizează interacțiuni:
foton - o particulă care poartă interacțiune electromagnetică;
opt gluoni - particule care poartă interacțiunea puternică;
trei bosoni vectori intermediari W+, W− și Z0, purtând interacțiunea slabă;
gravitonul este o particulă ipotetică care transferă interacțiunea gravitațională. Existența gravitonilor, deși nu este încă demonstrată experimental din cauza slăbiciunii interacțiunii gravitaționale, este considerată destul de probabilă; cu toate acestea, gravitonul nu este inclus în modelul standard.
Hadronii și leptonii formează materia. Bosonii gauge sunt cuante de diferite tipuri de radiații.
În plus, Modelul Standard conține în mod necesar bosonul Higgs, care, totuși, nu a fost încă descoperit experimental.
Capacitatea de a suferi transformări reciproce este cea mai importantă proprietate a tuturor particulelor elementare. Particulele elementare sunt capabile să se nască și să fie distruse (emise și absorbite). Acest lucru se aplică și particulelor stabile, singura diferență fiind că transformările particulelor stabile nu au loc spontan, ci prin interacțiunea cu alte particule. Un exemplu este anihilarea (adică, dispariția) unui electron și a unui pozitron, însoțită de nașterea fotonilor de înaltă energie. De asemenea, se poate scurge proces invers– nașterea unei perechi electron-pozitron, de exemplu, când un foton cu o energie suficient de mare se ciocnește cu un nucleu. Protonul are, de asemenea, un geamăn atât de periculos precum pozitronul pentru electron. Se numește antiproton. Sarcina electrică a antiprotonului este negativă. În prezent, antiparticulele au fost găsite în toate particulele. Antiparticulele sunt opuse particulelor, deoarece atunci când orice particulă își întâlnește antiparticula, are loc anihilarea lor, adică ambele particule dispar, transformându-se în cuante de radiație sau alte particule.
În varietatea particulelor elementare cunoscute până în prezent se găsește un sistem de clasificare mai mult sau mai puțin armonios.Taxonomia cea mai convenabilă a numeroaselor particule elementare este clasificarea lor în funcție de tipurile de interacțiuni la care participă. În raport cu interacțiunea puternică, toate particulele elementare sunt împărțite în două mari grupe: hadroni (din grecescul hadros - mare, puternic) și leptoni (din grecescul leptos - lumină).
Inițial, termenul „particulă elementară” însemna ceva absolut elementar, prima cărămidă de materie. Cu toate acestea, când au fost descoperite sute de hadroni cu proprietăți similare în anii 1950 și 1960, a devenit clar că hadronii au cel puțin grade interne de libertate, adică nu sunt elementare în sensul strict al cuvântului. Această suspiciune a fost confirmată ulterior când s-a dovedit că hadronii constau din quarci.
Astfel, omenirea a avansat puțin mai adânc în structura materiei: leptonii și quarcii sunt acum considerați cele mai elementare părți ale materiei, sub formă de puncte. Pentru ei (împreună cu bosonii gauge) este folosit termenul „particule fundamentale”.
2. CARACTERISTICILE PARTICILELOR ELEMENTARE
Toate particulele elementare sunt obiecte de mase și dimensiuni extrem de mici. Majoritatea au mase de ordinul masei protonilor, egale cu 1,6×10 -24 g (doar masa electronilor este vizibil mai mica: 9×10 -28 g). Dimensiunile determinate experimental ale protonului, neutronului, p-mezonului sunt egale în ordinul mărimii cu 10 -13 cm. Dimensiunile electronului și muonului nu au putut fi determinate, se știe doar că sunt mai mici de 10 -15 cm. Mase și dimensiuni microscopice Particulele elementare stau la baza specificității cuantice a comportamentului lor. Lungimile de undă caracteristice care ar trebui atribuite particulelor elementare în teoria cuantică (unde este constanta lui Planck, m este masa particulei, c este viteza luminii) sunt apropiate în ordinea mărimii dimensiuni tipice, pe care are loc interacțiunea lor (de exemplu, pentru p-mezonul 1,4×10 -13 cm). Acest lucru duce la faptul că legile cuantice sunt decisive pentru particulele elementare.
; p + ®m + + v m ; К + ®p + + p 0 (semnul „tilde” de deasupra simbolului particulei de mai jos marchează antiparticulele corespunzătoare). Diverse procese cu particule elementare diferă semnificativ în intensitatea apariției lor. În conformitate cu aceasta, interacțiunile particulelor elementare pot fi împărțite fenomenologic în mai multe clase: interacțiuni puternice, electromagnetice și slabe. Toate particulele elementare au și interacțiune gravitațională.
Interacțiuni puternicese evidențiază ca interacțiuni care dau naștere la procese care au loc cu cea mai mare intensitate dintre toate celelalte procese. Ele conduc, de asemenea, la cea mai puternică conexiune între particulele elementare. Interacțiunile puternice determină legătura protonilor și neutronilor în nucleele atomilor și asigură rezistența excepțională a acestor formațiuni, care stă la baza stabilității materiei în condiții terestre.
Interacțiuni electromagneticecaracterizate ca interacţiuni bazate pe comunicarea cu câmpul electromagnetic. Procesele provocate de acestea sunt mai puțin intense decât procesele de interacțiuni puternice, iar legătura generată de acestea este vizibil mai slabă. Interacțiunile electromagnetice, în special, sunt responsabile pentru conectarea electronilor atomici cu nucleele și conectarea atomilor în molecule.
Interacțiuni slabe, după cum arată și numele, provoacă procese foarte lente cu particule elementare. O ilustrare a intensității lor scăzute este faptul că neutrinii, care au doar interacțiuni slabe, pătrund liber, de exemplu, în grosimea Pământului și a Soarelui. Interacțiunile slabe provoacă, de asemenea, dezintegrari lente ale așa-numitelor particule elementare cvasi-stabile. Duratele de viață ale acestor particule sunt în intervalul 10-8-10-10 sec, în timp ce timpii tipici pentru interacțiunile puternice ale particulelor elementare sunt de 10-23-10-24 sec.
Interacțiunile gravitaționale, bine cunoscute pentru manifestările lor macroscopice, în cazul particulelor elementare la distanțe caracteristice de ~10 -13 cm produc efecte extrem de mici datorită maselor mici de particule elementare.
Puterea diferitelor clase de interacțiuni poate fi aproximativ caracterizată prin parametrii adimensionali asociați cu pătratele constantelor interacțiunilor corespunzătoare. Pentru interacțiunile puternice, electromagnetice, slabe și gravitaționale ale protonilor cu o energie de proces medie de ~ 1 GeV, acești parametri se corelează ca 1:10 -2: l0 -10:10 -38. Necesitatea de a indica energia medie a procesului se datorează faptului că pentru interacțiunile slabe parametrul adimensional depinde de energie. În plus, intensitățile diferitelor procese depind în mod diferit de energie. Acest lucru duce la faptul că rolul relativ al diferitelor interacțiuni, în general vorbind, se modifică odată cu creșterea energiei particulelor care interacționează, astfel încât împărțirea interacțiunilor în clase, pe baza unei comparații a intensităților proceselor, se realizează în mod fiabil la nu energii prea mari. Diferite clase de interacțiuni au însă și alte caracteristici specifice asociate cu diferite proprietăți ale simetriei lor, ceea ce contribuie la separarea lor la energii mai mari. Dacă această împărțire a interacțiunilor în clase va fi păstrată în limita celor mai înalte energii rămâne neclar.
În funcție de participarea lor la anumite tipuri de interacțiuni, toate particulele elementare studiate, cu excepția fotonului, sunt împărțite în două grupuri principale: hadroni (din grecescul hadros - mare, puternic) și leptoni (din grecescul leptos - mic, subțire, ușoară). Hadronii se caracterizează în primul rând prin faptul că au interacțiuni puternice, împreună cu interacțiuni electromagnetice și slabe, în timp ce leptonii participă doar la interacțiuni electromagnetice și slabe. (Este implicată prezența interacțiunilor gravitaționale comune ambelor grupuri.) Masele hadronilor sunt apropiate în ordinea mărimii masei protonilor (m p); P-mezonul are masa minimă dintre hadroni: t p »m 1/7×t p. Masele de leptoni cunoscute înainte de 1975-76 au fost mici (0,1 m p), dar ultimele date indică aparent posibilitatea existenței unor leptoni grei cu aceleași mase ca și hadronii. Primii reprezentanți ai hadronilor studiați au fost protonul și neutronul, iar leptonii - electronul. Un foton care are doar interacțiuni electromagnetice nu poate fi clasificat nici ca hadroni, nici ca leptoni și trebuie separat într-o secțiune separată. grup. Conform celor dezvoltate în anii '70. În opinia noastră, fotonul (o particulă cu masă de repaus zero) este inclus în același grup cu particule foarte masive - așa-numitele. bozoni vectori intermediari responsabili de interacțiuni slabe și încă neobservați experimental.
Fiecare particulă elementară, împreună cu specificul interacțiunilor sale inerente, este descrisă de un set de valori discrete ale anumitor cantități fizice sau caracteristicile sale. În unele cazuri, aceste valori discrete sunt exprimate în termeni de numere întregi sau numere fracționareși un factor comun - o unitate de măsură; despre aceste numere se vorbește ca numere cuantice de particule elementare și numai acestea sunt specificate, omițând unitățile de măsură.
Caracteristicile comune ale tuturor particulelor elementare sunt masa (m), durata de viață (t), spin (J) și sarcina electrică (Q). Nu există încă o înțelegere suficientă a legii prin care sunt distribuite masele particulelor elementare și dacă există vreo unitate pentru ele
măsurători.
În funcție de durata lor de viață, particulele elementare sunt împărțite în stabile, cvasistabile și instabile (rezonanțe). Stabili, în limitele preciziei măsurătorilor moderne, sunt electronul (t > 5×10 21 ani), protonul (t > 2×10 30 ani), fotonii și neutrinii. Particulele aproape stabile includ particule care se degradează din cauza interacțiunilor electromagnetice și slabe. Durata lor de viață este > 10 -20 sec (pentru un neutron liber chiar ~ 1000 sec). Rezonanțe sunt particule elementare care se degradează din cauza interacțiunilor puternice. Duratele lor de viață caracteristice sunt 10 -23 -10 -24 sec. În unele cazuri, dezintegrarea rezonanțelor grele (cu o masă de ³ 3 GeV) din cauza interacțiunilor puternice este suprimată, iar durata de viață crește la valori de ~10 -20 sec.
A învârti de particule elementare este un multiplu întreg sau semiîntreg al . În aceste unități, spinul mezonilor p și K este 0, pentru proton, neutron și electron J = 1/2, pentru fotonul J = 1. Există particule cu spin mai mare. Mărimea spin-ului particulelor elementare determină comportamentul unui ansamblu de particule identice (identice), sau statisticile acestora (W. Pauli, 1940). Particulele cu spin semiîntreg sunt supuse statisticilor Fermi-Dirac (de unde și denumirea de fermioni), care necesită antisimetria funcției de undă a sistemului în raport cu permutarea unei perechi de particule (sau a unui număr impar de perechi) și, prin urmare, „interzice” două particule de spin semiîntreg să fie în aceeași stare (principiul Pauli). Particulele cu spin întreg sunt supuse statisticilor Bose-Einstein (de unde denumirea de bosoni), care necesită simetria funcției de undă în raport cu permutațiile particulelor și permite oricărui număr de particule să fie în aceeași stare. Proprietățile statistice ale particulelor elementare se dovedesc a fi semnificative în cazurile în care se formează mai multe particule identice în timpul nașterii sau descompunerii. Statistica Fermi-Dirac joacă, de asemenea, un rol extrem de important în structura nucleelor și determină modelele de umplere a învelișurilor atomice cu electroni, care stau la baza tabelul periodic elemente de D. I. Mendeleev.
Sarcinile electrice ale particulelor elementare studiate sunt multipli întregi ai valorii e » 1,6×10 -19 k, numite sarcină electrică elementară. Pentru particulele elementare cunoscute Q = 0, ±1, ±2.
Pe lângă cantitățile indicate, particulele elementare sunt caracterizate suplimentar de un număr de numere cuantice, numite interne. Leptonii poartă o sarcină specifică de lepton L de două tipuri: electronice (L e) și muonice (L m); L e = +1 pentru electroni și neutrini de electroni, L m = +1 pentru muoni negativi și neutrini de muoni. T lepton greu; iar neutrinul asociat cu acesta, aparent, sunt purtători ai unui nou tip de sarcină leptonică L t.
Pentru hadroni L = 0, iar aceasta este o altă manifestare a diferenței lor față de leptoni. La rândul lor, părți semnificative ale hadronilor ar trebui atribuite unei sarcini speciale de barion B (|E| = 1). Hadronii cu B = +1 formează un subgrup
barionii (acesta include protonii, neutronii, hiperonii, rezonanța barionică) și hadronii cu B = 0 sunt un subgrup de mezoni (mezoni p și K, rezonanțe bosonice). Numele subgrupurilor de hadroni provine de la cuvintele grecești barýs - grele și mesos - mediu, care stadiul inițial studiile particulelor elementare au reflectat valorile comparative ale maselor barionilor și mezonilor cunoscuți atunci. Datele ulterioare au arătat că masele de barioni și mezoni sunt comparabile. Pentru leptonii B = 0. Pentru fotonii B = 0 și L = 0.
Barioni iar mezonii sunt împărțiți în agregatele deja menționate: particule obișnuite (nestrăine) (protoni, neutroni, p-mezoni), particule ciudate (hiperoni, K-mezoni) și particule fermecate. Această împărțire corespunde prezenței numerelor cuantice speciale în hadroni: stranietate S și farmec (farmec englezesc) Ch cu valori admise: 151 = 0, 1, 2, 3 și |Ch| = 0, 1, 2, 3. Pentru particulele obișnuite S = 0 și Ch = 0, pentru particulele ciudate |S| ¹ 0, Ch = 0, pentru particule fermecate |Ch| ¹0 și |S| = 0, 1, 2. În loc de ciudățenie, se folosește adesea hiperîncărcarea numărului cuantic Y = S + B, care aparent are un sens mai fundamental.
Deja primele studii cu hadroni obișnuiți au relevat prezența printre ei a unor familii de particule asemănătoare ca masă, cu proprietăți foarte asemănătoare în ceea ce privește interacțiunile puternice, dar cu sensuri diferite incarcare electrica. Protonul și neutronul (nucleonii) au fost primul exemplu de astfel de familie. Mai târziu, familii similare au fost descoperite printre hadroni ciudați și (în 1976) printre hadroni fermecați. Caracterul comun al proprietăților particulelor incluse în astfel de familii este o reflectare
existența aceleiași valori a unui număr cuantic special - spin izotopic I, care, ca spinul obișnuit, ia valori întregi și semiîntregi. Familiile în sine sunt de obicei numite multiplete izotopice. Numărul de particule dintr-un multiplet (n) este legat de I prin relația: n = 2I + 1. Particulele unui multiplet izotopic diferă unele de altele prin valoarea „proiecției” spinului izotopic I 3, iar valorile corespunzătoare ale lui Q sunt date de expresia: 
O caracteristică importantă a hadronilor este și paritatea internă P, asociată cu funcționarea spațiilor, inversare: P ia valori de ±1.
Pentru toate particulele elementare cu valori diferite de zero ale cel puțin uneia dintre sarcinile O, L, B, Y (S) și farmecul Ch, există antiparticule cu aceleași valori de masă m, durata de viață t, spin. J și pentru hadronii de spin izotopic 1, dar cu semne opuse ale tuturor sarcinilor și pentru barionii cu semnul opus al parității interne P. Particulele care nu au antiparticule se numesc absolut (cu adevărat) neutre. Hadronii absolut neutri au un număr cuantic special - paritate de sarcină (adică paritate în raport cu operația de conjugare a sarcinii) C cu valori de ±1; exemple de astfel de particule sunt fotonul și p 0 .
Numerele cuantice particulele elementare sunt împărțite în precise (adică cele care sunt asociate cu mărimi fizice care sunt conservate în toate procesele) și inexacte (pentru care corespunzătoare mărimi fizice unele procese nu sunt salvate). Spinul J este asociat cu legea strictă a conservării momentului unghiular și, prin urmare, este un număr cuantic exact. Alte numere cuantice exacte: Q, L, B; conform datelor moderne, ele se păstrează în timpul tuturor transformărilor.Particule elementare Stabilitatea protonului este o expresie directă a conservării lui B (de exemplu, nu există dezintegrare p ® e + + g). Cu toate acestea, majoritatea numerelor cuantice de hadron sunt imprecise. Spinul izotopic, deși este conservat în interacțiunile puternice, nu este conservat în interacțiunile electromagnetice și slabe. Ciudația și farmecul se păstrează în interacțiunile puternice și electromagnetice, dar nu și în interacțiunile slabe. Interacțiunile slabe modifică și paritatea internă și de încărcare. Paritatea combinată a CP este păstrată cu un grad mult mai mare de acuratețe, dar este încălcată și în unele procese cauzate de interacțiuni slabe. Motivele care cauzează neconservarea multor numere cuantice de hadroni sunt neclare și, aparent, sunt asociate atât cu natura acestor numere cuantice, cât și cu structura profundă a interacțiunilor electromagnetice și slabe. Conservarea sau neconservarea anumitor numere cuantice este una dintre manifestările semnificative ale diferențelor dintre clasele de interacțiuni ale particulelor elementare.
CONCLUZIE
La prima vedere, se pare că studiul particulelor elementare are o semnificație pur teoretică. Dar asta nu este adevărat. Particulele elementare au fost folosite în multe domenii ale vieții.
Cea mai simplă aplicare a particulelor elementare este în reactoare nucleare și acceleratoare. În reactoarele nucleare, neutronii sunt folosiți pentru a sparge nucleele izotopilor radioactivi pentru a produce energie. La acceleratoare, particulele elementare sunt folosite pentru cercetare.
ÎN microscoape electronice sunt folosite fascicule de electroni „duri”, permițând cuiva să se vadă obiecte mai mici decât într-un microscop optic.
Bombardând filmele polimerice cu nuclee ale anumitor elemente, puteți obține un fel de „sită”. Dimensiunea găurilor din acesta poate fi de 10 - 7 cm. Densitatea acestor găuri ajunge la un miliard pe centimetru pătrat. Astfel de „site” pot fi folosite pentru curățarea ultrafină. Ele filtrează apa și aerul de la cei mai mici virusuri, praful de cărbune, sterilizează soluțiile medicinale și sunt indispensabile pentru monitorizarea stării mediului.
În viitor, neutrinii vor ajuta oamenii de știință să pătrundă în adâncurile Universului și să obțină informații despre perioada timpurie a dezvoltării galaxiilor.
creați o familie de hadroni care îl conțin. O astfel de viață scurtă se datorează eliberării mari de energie Q în timpul transformării
cuarc t la cuarc b:
Q =m t c 2 –m b c 2 = 90 GeV, τ ~ 1/Q 5.
Schema de observare a unei perechi de quarci t t are forma
p + p→ t+ t, t→ b+ W+ , W+ → e+ + ν e , t→ b+ W− , W− → u+ d.
7.11. Bosoni de măsurare
Următoarea clasă de particule fundamentale a modelului standard este formată din cuante de câmpuri gauge. Acesta este numele dat câmpurilor care implementează principiul invarianței gabaritului local, care stă la baza modelului standard. Cuantele câmpului gauge - bosonii gauge - au un spin întreg J = 0,1 și sunt purtători ai interacțiunii dintre fermionii fundamentali.
Cel mai faimos boson gauge este fotonul, un cuantum al câmpului electromagnetic. Cuantele de câmp puternic sunt opt gluoni. Forța slabă este purtată de trei masive
cuantele W + , W − și Z . Bosonii gauge de câmpuri puternice, electromagnetice și slabe au fost descoperiți experimental și au
spin J = 1, adică sunt cuante de câmpuri vectoriale. Cuantumul câmpului gravitațional — gravitonul cu J = 2 — nu a fost găsit.
Sursele bosonilor gauge sunt sarcinile interacțiunilor fundamentale corespunzătoare. Astfel, gluonii pot fi emiși de orice particulă înzestrată cu o încărcătură (de culoare) puternică. Un foton este emis (sau absorbit) numai de particulele încărcate electric, dotate cu o sarcină slabă.
Tabelul 20 Interacțiuni fundamentale și bosonii lor gauge
Interacţiune | Calibrare |
||
particulele acţionează | |||
Toate particulele colorate | 8 glucoză fără masă |
||
nou, J = 1 |
|||
Electromagnetic | Totul este încărcat electric - | Fotoni fără masă, |
|
ny particule | J=1 |
||
Quarci, leptoni, gauge | bozoni masivi |
||
bosoni constanţi W ± ,Z | W ± ,Z ,J = 1 |
||
Mwc2 = 80,4 GEV |
|||
Mzc2≈ 91,2 GEV |
|||
Gravitațional | Toate particulele | Gravitația fără masă |
|
ton, J = 2 |
Gravitonul poate fi emis de orice particulă, deoarece orice particulă are o sarcină gravitațională corespunzătoare (pentru masiv
particula Gm).
7.12. Gluoni
Gluonii (g) - particule fără masă neutre din punct de vedere electric cu spin J = 1 și paritate P = 1 - sunt purtători ai interacțiunii puternice de culoare dintre quarci. Ei lipesc quarcii împreună în hadroni. Când este emis un g-gluon, quarcii își pot schimba culoarea, în timp ce numerele cuantice rămase ale quarcului și aroma acestuia nu se schimbă. Deși gluonii au culoare, structura lor de culoare este diferită de cea a unui quarc.
g′ | g′′ | ||||
Orez. 35. Schimbarea culorii quarcilor la emisia de gluoni
Să luăm în considerare interacțiunea a doi quarci colorați - roșu (k) și verde (h) (vezi Fig. 35.). Pot exista două opțiuni pentru această interacțiune:
1) cu schimb de culoare, i.e. în punctul 1, quarcul k = g′ + z emite gluonul g′, iar quarcul z îl absoarbe în punctul 2:
punctul 1 | k = g′ + z punctul 2 z+ k′ = k; |
punctul 1 | k = g″ + k punctul 2 z+ g″ = z. |
2) fără schimb de culoare:
Ca rezultat, obținem structura de culoare a gluonilor g′ și g″:
g ′ = kz,g ′′ = kk,zz
acestea. Un gluon are două caracteristici de culoare: g′ culoare și g″ – culoare ascunsă.
Fiecare gluon are o pereche de încărcături de culoare - culoare și anticolor. Din trei culori (k z s) și anticolore (k z s), se pot face nouă combinații de perechi pentru gluoni (culoare - anticolor). Calculele teoretice arată că din nouă combinații au rămas opt, care sunt date în tabel:
7.13. Purtători de interacțiune slabi | ||||||||||||
Purtători de slabi | interacţiune | sunt | ||||||||||
W + ,W − ,Z, care sunt adesea numite intermediare (Fig. 36). |
||||||||||||
ν e (ν µ, ν τ) | νе |
|||||||||||
w− | ||||||||||||
e −(µ −, τ −) | ||||||||||||
Diagrama 1 | Diagrama 2 | |||||||||||
e− |
||||||||||||
ƒ 4 | e− | |||||||||||
Diagrama 3 | Diagrama 4 | |||||||||||
ν~ e | ν~ e | |||||||||||
Diagrama 5
Orez. 36. Reprezentarea grafică a procesului de interacțiune slabă
Diagrama 3 descrie interacțiunea slabă a fermionilor (f 1234) prin schimbul de bosoni intermediari încărcați
mi. Diagrama 4 – împrăștierea neutrinului ν e pe un electron. Posibil
procese slabe în care se schimbă bosonul neutru Z. În acest caz sarcini electrice leptonii care interacționează nu se modifică (diagrama 5).
Procese slabe reprezentând schimbul de taxe
Quantele de câmp slab (W ± ) se numesc curenți slabi încărcați. Dacă interacțiunea slabă se realizează prin schimbul unui boson Z intermediar neutron, atunci vorbim de curenți slabi neutri (Fig. 38).
Bosonii intermediari W ± ,Z au o sarcină slabă - o sursă de câmp, din care sunt purtători. Prin urmare, bosonii intermediari ei înșiși sunt capabili să genereze alți bosoni intermediari și se împrăștie unul pe altul. Important este că
