الجسيمات الأولية وخصائصها الرئيسية. الجسيمات الأولية المستقرة الجسيمات الأخرى الموجودة والافتراضية
1. الجسيمات الأولية- وهي كائنات دقيقة لا تتجاوز أبعادها حجم النوى الذرية. تشمل الجسيمات الأولية البروتونات والنيوترونات والإلكترونات والميزونات والنيوترينوات والفوتونات وما إلى ذلك.
لا ينبغي فهم تعبير الجسيمات الأولية على أنه جسيمات عديمة البنية وغير قادرة على التحول. مع تطور العلم، فإن محتوى أي مصطلح علمي يبتعد تدريجياً عن أصل الكلمة. وهكذا ظلت الذرة غير قابلة للتجزئة في أذهان الناس حتى ظهورها في بداية القرن التاسع عشر. الذرة الكيميائية: في المعرفة العلمية الحديثة، الذرة عبارة عن نظام ديناميكي معقد قادر على إعادة ترتيب متنوعة. وبالمثل، فإن الجسيمات الأولية، مع اكتشاف خصائصها الجديدة، تكشف عن بنية متزايدة التعقيد.
إن أهم خاصية للجسيمات الأولية هي قدرتها على النشوء والتحول إلى بعضها البعض أثناء الاصطدامات. ولكي تحدث مثل هذه العمليات، من الضروري أن تكون للجزيئات المتصادمة طاقة عالية. ولذلك، تسمى فيزياء الجسيمات أيضًا فيزياء الطاقة العالية.
وفقًا لعمرها، تنقسم جميع الجسيمات الأولية إلى ثلاث مجموعات: مستقرة وغير مستقرة وأصداء.
توجد الجسيمات المستقرة في حالة حرة لفترة غير محدودة، ولا يوجد سوى 11 جسيمًا من هذا القبيل: البروتون p، والإلكترون e، وإلكترون نيوترينو ν 0، وميون نيوترينو νμ، وتاون نيوترينو ντ، وجسيماتها المضادة p، e، ν e، νμ، ντ. بالإضافة إلى الفوتون γ. لا يزال الدليل التجريبي على التحلل التلقائي لهذه الجسيمات غير معروف.
الجسيمات غير المستقرة لها متوسط عمر τ. وهو كبير جدًا مقارنة بزمن الرحلة النووي المميز الذي يبلغ 10 -23 ثانية (الوقت الذي يستغرقه الضوء للانتقال عبر قطر النواة). على سبيل المثال، للنيوترون τ = 16 دقيقة، للميون τ = 10 -6 ثانية، للبيون المشحون τ = 10 -8 ثانية، للهايبرون والكاونات τ = 10 -4 ثانية.
تتمتع الرنينات بعمر مماثل لزمن الرحلة البالغ 10 -23 ثانية. يتم تسجيلها بواسطة الرنين على منحنيات المقاطع العرضية للتفاعل مقابل الطاقة. يتم تفسير العديد من الأصداء على أنها حالات مثارة للنيوكليونات والجسيمات الأخرى.
2. التفاعلات الأساسية. إن تنوع التفاعلات التي لوحظت بين الجسيمات الأولية وفي الطبيعة ككل ينقسم إلى أربعة أنواع رئيسية: القوية والكهرومغناطيسية والضعيفة والجاذبية. التفاعل القوي يحمل النيوكليونات في النوى الذرية وهو متأصل في الهادرونات (البروتونات والنيوترونات والميزونات والهايبرونات وما إلى ذلك). التفاعلات الكهرومغناطيسية هي تلك التي تظهر على المستوى الكلي - المرنة، واللزجة، والجزيئية، والكيميائية، وما إلى ذلك. تسبب التفاعلات الضعيفة اضمحلال بيتا للنوى، جنبًا إلى جنب مع القوى الكهرومغناطيسية، تتحكم في سلوك الببتونات - وهي جسيمات أولية ذات دوران نصف صحيح التي لا تشارك في تفاعلات قوية. تفاعل الجاذبية متأصل في جميع الأشياء المادية.
قارن التفاعلات الأساسية مع بعضها البعض ولكن في شدتها. لا يوجد تعريف لا لبس فيه لهذا المفهوم ولا توجد طريقة لمقارنة الشدة. ولذلك يتم استخدام المقارنات المبنية على مجموعة من الظواهر.
على سبيل المثال، نسبة قوة الجذب بين بروتونين إلى قوة تنافر كولوم هي G (m p m p /r 2) /(e 2 /4πε 0 r 2) = 4πε 0 G(m p 2 /e 2) = 10-36. ويُؤخذ هذا الرقم كمقياس لنسبة تفاعلات الجاذبية والكهرومغناطيسية.
تقدر النسبة بين التفاعلات القوية والكهرومغناطيسية، والتي يتم تحديدها من المقاطع العرضية وطاقات التفاعلات النووية، بـ 10 4: 1. وتتم مقارنة شدة التفاعلات القوية والضعيفة بنفس الطريقة.
إلى جانب الكثافة، يتم أيضًا استخدام وقت التفاعل والمسافة كمقياس لمقارنة التفاعل. عادة، لمقارنة الأوقات، نأخذ معدلات العمليات عند الطاقات الحركية للجسيمات المتصادمة E = 1 GeV. في مثل هذه الطاقات، تحدث العمليات الناجمة عن التفاعلات القوية خلال رحلة نووية مدتها 10 -23 ثانية، وتستغرق العمليات الناجمة عن التفاعلات الكهرومغناطيسية حوالي 10 -19 ثانية، وتستغرق التفاعلات الضعيفة حوالي 10 -9 ثانية، وتستغرق التفاعلات الجاذبية حوالي 10 +16 ثانية. س. .
عادة ما يتم أخذ متوسط المسار الحر للجسيم في المادة كمسافات لمقارنة التفاعلات. تتأخر الجسيمات المتفاعلة بقوة مع E = 1 GeV بطبقة من المعدن الثقيل يصل سمكها إلى 1 متر، بينما يمكن الاحتفاظ بالنيوترينو، القادر على المشاركة فقط في التفاعل الضعيف، بطاقة أقل 100 مرة (E = 10 MeV) بواسطة طبقة 10 9 كم!
أ. تفاعل قويليس فقط الأكثر كثافة، ولكن أيضًا الأقصر مفعولًا في الطبيعة. وعلى مسافات تزيد عن 10 - 15 م، يصبح دورها ضئيلاً. ومع ضمان استقرار النوى، فإن هذا التفاعل ليس له أي تأثير تقريبًا على الظواهر الذرية. التفاعل القوي ليس عالميًا. إنها ليست متأصلة في جميع الجسيمات، ولكن فقط في الهادرونات - النيوكليونات، والميزونات، والهايبرون، وما إلى ذلك. هناك جزيئات - الفوتونات، والإلكترونات، والميونات، والنيوترينوات - التي لا تخضع لتفاعل قوي ولا تولد بسببها في الاصطدامات.
ب. التفاعل الكهرومغناطيسيالشدة أقل بمقدار 4 مرات من القوة. المنطقة الرئيسية لتجليها هي مسافات تتراوح من قطر النواة 10 -15 م وتصل إلى 1 م تقريبًا، ويشمل ذلك بنية الذرات والجزيئات والبلورات والتفاعلات الكيميائية والتشوهات والاحتكاك والضوء وموجات الراديو و والعديد من الظواهر الفيزيائية الأخرى التي يمكن للإدراك البشري الوصول إليها.
يكون التفاعل الكهرومغناطيسي أقوى بالنسبة للجسيمات المشحونة كهربائيًا. في الجسيمات المحايدة ذات الدوران غير الصفري، يتجلى ذلك بشكل أضعف وفقط بسبب حقيقة أن هذه الجسيمات لها عزم مغناطيسي بترتيب M=eћ/2m. يكون التفاعل الكهرومغناطيسي أضعف في البيونات المحايدة π 0 وفي النيوترينوات.
من الخصائص المهمة للغاية للتفاعل الكهرومغناطيسي وجود كل من التنافر بين الجسيمات المشحونة المتشابهة والتجاذب بين الجسيمات غير المشحونة. ونتيجة لذلك، فإن تفاعلات EM بين الذرات وأي أجسام أخرى ذات شحنة صافية صفرية لها نطاق قصير نسبيًا، على الرغم من أن قوى كولوم بين الجسيمات المشحونة طويلة المدى.
هـ- التفاعل الضعيفلا تذكر مقارنة بتلك القوية والكهرومغناطيسية. ولكن مع تناقص المسافات، فإنها تتزايد بسرعة. إذا افترضنا أن ديناميكيات النمو تظل عميقة بما فيه الكفاية، فإن التفاعل الضعيف سيصبح مساوياً للتفاعل القوي على مسافات تتراوح بين 10 إلى 20 مترًا. لكن مثل هذه المسافات ليست متاحة بعد للبحث التجريبي.
التفاعل الضعيف يسبب بعض عمليات التحويل البيني للجزيئات. على سبيل المثال، جسيم سيجما زائد هايبرون، فقط تحت تأثير التفاعل الضعيف، يضمحل إلى بروتون وبيون محايد، Σ + => p + π 0. بسبب التفاعل الضعيف يحدث اضمحلال β. ستكون الجسيمات مثل الهايبرونات والكاونات والميونات مستقرة في غياب التفاعل الضعيف.
د- تفاعل الجاذبيةالأضعف. ولكنها تتميز بعمل بعيد المدى، وعالمية مطلقة (جميع الأجسام تنجذب)، ونفس الإشارة بين أي زوج من الجسيمات. الخاصية الأخيرة تؤدي إلى حقيقة أن قوى الجاذبية تزداد دائمًا مع زيادة كتلة الأجسام. لذلك، فإن الجاذبية، على الرغم من كثافتها النسبية الضئيلة، تكتسب دورًا حاسمًا في تفاعلات الأجسام الكونية - الكواكب والنجوم والمجرات.
في عالم الجسيمات الأولية، دور الجاذبية لا يكاد يذكر. لذلك، في فيزياء الذرة والنواة والجسيمات الأولية، لا يؤخذ تفاعل الجاذبية بعين الاعتبار.
3. خصائص الجسيمات الأولية. حتى أوائل الخمسينيات من القرن العشرين، بينما كان عدد الجسيمات المكتشفة صغيرًا نسبيًا، تم استخدام الكميات الفيزيائية العامة لوصف الجسيمات - الكتلة m، والطاقة الحركية E، والزخم p وعدد كمي واحد - spin s، مما جعل من الممكن الحكم على حجم جسيمات العزوم الميكانيكية والمغناطيسية. بالنسبة للجسيمات غير المستقرة، تمت إضافة متوسط العمر τ هنا.
ولكن تدريجيًا، في أنماط ولادة واضمحلال بعض الجسيمات، أصبح من الممكن التعرف على بعض السمات الخاصة بهذه الجسيمات. لتعيين هذه الخصائص، كان لا بد من إدخال أرقام الكم الجديدة. وقد أطلق على بعضهم اتهامات.
على سبيل المثال، اتضح أنه أثناء تحلل الجزيئات الثقيلة، على سبيل المثال، النيوترون، لا يحدث أبدًا أن تتشكل الجزيئات الخفيفة فقط، على سبيل المثال، الإلكترونات e - و e + والنيوترينوات. وعلى العكس من ذلك، عندما تصطدم الإلكترونات والبوزيترونات، لا يمكن الحصول على نيوترون، على الرغم من استيفاء قوانين الحفاظ على الطاقة والزخم. ولعكس هذا النمط، تم تقديم شحنة الباريون ذات العدد الكمي B. وبدأوا في الاعتقاد بأن مثل هذه الجسيمات الثقيلة - الباريونات لها B = 1، وجسيماتها المضادة B = -1. بالنسبة لجسيمات الضوء B = 0. ونتيجة لذلك، اتخذ النمط المكتشف شكل قانون حفظ شحنة الباريون.
وبالمثل، بالنسبة لجزيئات الضوء، تم تقديم أرقام الكم تجريبيا - شحنات الليبتون L - علامات حظر بعض التحولات. اتفقنا على افتراض أن شحنات اللبتون L e = +1 للإلكترونات e - ونيوترينوات الإلكترون ν e ,L μ = + 1 للميونات السالبة μ - والنيوترينوات الميونية ν μ ,L τ = +1 للتونات السالبة τ - والتاون النيوترينوات الخامس τ . للجسيمات المضادة المقابلة L= -1. مثل شحنات الباريون، يتم حفظ الشحنات اللبتونية في جميع التفاعلات.
مع اكتشاف Hyperons المولودة في تفاعلات قوية، اتضح أن عمرها لا يساوي وقت الرحلة من 10 -23 ثانية، وهو أمر نموذجي للجزيئات المتفاعلة بقوة، ولكن 10 13 مرة أطول. بدا هذا غير متوقع وغريبًا ولا يمكن تفسيره إلا من خلال حقيقة أن الجسيمات التي تولد في تفاعلات قوية تتحلل في تفاعلات ضعيفة. لعكس هذه الخاصية للجسيمات، تم تقديم غرابة العدد الكمي S. الجسيمات الغريبة لها S = + 1، وجسيماتها المضادة لها S = - 1، والجسيمات الأخرى لها S = 0.
يتم التعبير عن الشحنة الكهربائية Q للجسيمات الدقيقة من خلال نسبتها إلى الشحنة الأولية الموجبة e +. ولذلك، فإن الشحنة الكهربائية Q للجسيمات هي أيضًا عدد كمي صحيح. بالنسبة للبروتون Q = + 1، بالنسبة للإلكترون Q = -1، بالنسبة للنيوترون والنيوترينو والجسيمات المحايدة الأخرى Q = 0.
بالإضافة إلى المعلمات المذكورة، فإن الجسيمات الأولية لها خصائص أخرى لم يتم تناولها هنا.
4. قوانين الحفظ في فيزياء الجسيماتيمكن تقسيمها إلى ثلاث مجموعات: قوانين الحفظ العامة، وقوانين الحفظ الدقيقة للشحنات، وقوانين الحفظ التقريبية.
أ . قوانين الحفظ العالميةيتم تنفيذها بدقة بغض النظر عن حجم الظواهر - في العالم الجزئي والكلي والضخم. هذه القوانين تتبع هندسة الزمكان. تجانس الزمن يؤدي إلى قانون حفظ الطاقة، تجانس الفضاء - إلى قانون حفظ الزخم، تباين الخواص في الفضاء - إلى قانون حفظ الزخم الزاوي، مساواة الأيزو - إلى قانون حفظ مركز الكون التعطيل. بالإضافة إلى هذه القوانين الأربعة، يتضمن هذا اثنين آخرين يتعلقان بتناظر الزمان والمكان بالنسبة إلى انعكاسات المرآة لمحاور الإحداثيات. من التماثل المرآة لمحاور الإحداثيات، يترتب على ذلك أن تماثلات الفضاء من اليمين إلى اليسار متطابقة (قانون حفظ التكافؤ). يتحدث القانون المرتبط بالتناظر المرآة للزمن عن هوية الظواهر في العالم المصغر فيما يتعلق بالتغير في علامة الزمن.
ب. القوانين الدقيقة لحفظ الرسوم. يتم تعيين شحنة عددية من كل نوع لأي نظام مادي. كل تهمة مضافة ومحفوظة. هناك 5 شحنات من هذا القبيل: الكهربائية Q، الباريون B، ثلاث شحنات ليجونية - الإلكترون L e، muon L μ ton L τ. جميع الرسوم صحيحة ويمكن أن يكون لها قيم موجبة وسالبة صفر.
الشحنة الكهربائية لها معنى مزدوج. إنه لا يمثل رقمًا كميًا فحسب، بل يمثل أيضًا مصدر مجال القوة. شحنات الباريون واللبتونية ليست مصادر لمجال القوة. بالنسبة لنظام معقد، فإن إجمالي الشحنة من أي نوع يساوي مجموع الشحنات المقابلة للجسيمات الأولية الموجودة في النظام.
الخامس. قوانين الحفظ التقريبيةيتم الوفاء بها فقط في أنواع معينة من التفاعلات الأساسية. وهي تتعلق بخصائص مثل غرابة S، وما إلى ذلك.
تم تلخيص جميع قوانين الحفظ المدرجة في الجدول 26.2.
5. الجسيمات والجسيمات المضادةلها نفس الكتلة، ولكن جميع شحناتها متضادة. إن اختيار زوج من الجسيمات والجسيمات المضادة هو أمر تعسفي. على سبيل المثال، في زوج الإلكترون + البوزيترون، اتفقوا على اعتبار الإلكترون e كجسيم، والبوزيترون e + كجسيم مضاد. شحنات الإلكترون Q = -1، B = 0، Le = +1، Lμ= 0، Lτ =0. شحنات البوزيترون Q = +1، V = 0، Le=-1، Lμ= 0، Lτ =0
جميع شحنات الجسيم + نظام الجسيمات المضادة تساوي صفرًا. تسمى هذه الأنظمة التي تكون فيها جميع الرسوم صفرًا محايدة حقًا. هناك محايدون وجزيئات حقيقية. هناك اثنان منهم: γ - الكم (الفوتون) و η - الميزون. الجسيمات والجسيمات المضادة متطابقة هنا.
6. تصنيف الجزيئات الأوليةلم تكتمل بعد. يعتمد أحد التصنيفات حاليًا على متوسط العمر τ، والكتلة m، والدوران s، وخمسة أنواع من الشحنات، والغرابة S، ومعلمات أخرى للجسيمات. وتنقسم جميع الجسيمات إلى 4 فئات.
الطبقة الأولى تتكون من جسيم واحد - الفوتون. الفوتون له كتلة ساكنة صفر وجميع الشحنات. الفوتون لا يخضع لتفاعلات قوية. ويبلغ دورانه 1، مما يعني إحصائيًا أنه بوزون.
وتتكون الفئة 2 من اللبتونات. وهي عبارة عن جسيمات خفيفة ذات شحنة باريونية صفر. كل جسيم - كمبيوتر محمول - له إحدى شحناته اللينتونية التي لا تساوي الصفر. اللبتونات لا تخضع لتفاعلات قوية. يبلغ دوران جميع اللبتونات 1/2، أي أنها فرميونات وفقًا للإحصاءات.
الطبقة الثالثة تتكون من الميزونات. وهي جسيمات ذات شحنات باريونية ولبتونية صفرية وتشارك في التفاعلات القوية. جميع الميزونات لها عدد صحيح من الدوران، وهذا هو، وفقا للإحصاءات، فهي بوزونات.
الطبقة الرابعة تتكون من الباريونات. هذه جسيمات ثقيلة ذات شحنة باريونية غير صفرية B ≠ O وشحنة لبتون صفرية، Le,Lμ,Lτ = 0. لديها دوران نصف عدد صحيح (الفرميونات) وتشارك في تفاعلات قوية. نظرًا لقدرة جزيئات الفئتين الثالثة والرابعة على المشاركة في تفاعلات قوية، فإنها تسمى أيضًا هادرونات.
يوضح الجدول 26.3 الجسيمات المعروفة - وليس الرنين مع خصائصها الرئيسية. يتم إعطاء الجسيمات والجسيمات المضادة. يتم وضع الجسيمات المحايدة الحقيقية، التي لا تحتوي على جسيمات مضادة، في منتصف العمود. يتم إعطاء الأسماء للجزيئات فقط. يتم الحصول على الجسيم المضاد المقابل ببساطة عن طريق إضافة البادئة "anti" إلى اسم الجسيم. على سبيل المثال، بروتون - مضاد البروتون، نيوترون - مضاد النيوترون.
الإلكترون المضاد e + له الاسم التاريخي بوزيترون. فيما يتعلق بالبيونات والكاونات المشحونة، فإن مصطلح "الجسيم المضاد" لا يستخدم عمليا. وهي تختلف فقط في الشحنة الكهربائية، ولذلك فهي تتحدث ببساطة عن البيونات والكاونات الموجبة أو السالبة.
تشير العلامة العلوية للشحنة إلى الجسيم، والعلامة السفلية تشير إلى الجسيم المضاد. على سبيل المثال، بالنسبة لزوج الإلكترون والبوزيترون Le = ± 1. هذا يعني أن الإلكترون لديه Le = + 1، والبوزيترون لديه Le = -1.
يتم استخدام الرموز التالية في الجدول: Q - الشحنة الكهربائية، B شحنة الباريون Le، Lμ، Lτ - على التوالي، الإلكترون، الميون، الشحنات اللبتوبية الطاونية، S - الغرابة، s - الدوران، τ - متوسط العمر.
يتم إعطاء الكتلة المتبقية m بالميجا إلكترون فولت. من المعادلة النسبية mc 2 =еU يتبع m=eU/c 2 . طاقة جسيمية قدرها 1 MeV تقابل كتلة m=eU/c 2 =1.6 *10 -19 /9*10 16 =17.71*10 -31 كجم. هذا حوالي كتلتين من الإلكترون. بالقسمة على كتلة الإلكترون m e = 9.11*10 -31 كجم، نحصل على m = 1.94 m e.
كتلة الإلكترون، معبرًا عنها بدلالة الطاقة، هي m e = 0.511 MeV.
7. نموذج الكوارك للهادرونات. الهادرونات هي جسيمات أولية تشارك في التفاعلات القوية. هذه هي الميزونات والباريونات. في عام 1964، افترض الأمريكيان موراي جيلمان وجورج زفايج أنه يمكن فهم بنية وخصائص الهادرونات بشكل أفضل من خلال افتراض أن الهادرونات تتكون من جسيمات أكثر أساسية، والتي أطلق عليها جيلمان اسم الكواركات. تبين أن فرضية الكوارك كانت مثمرة للغاية وهي الآن مقبولة بشكل عام.
عدد الكواركات المفترضة يتزايد باستمرار. حتى الآن، تمت دراسة 5 أنواع (نكهات) من الكواركات بشكل جيد: كوارك u بكتلة m u = 5 MeV، كوارك d بكتلة m d = 7 MeV، كوارك s بكتلة ms = 150 MeV، كوارك c بكتلته mc = 1300 MeV و كوارك ب مع mb=5000 MeV. كل كوارك له كوارك مضاد خاص به.
جميع الكواركات المذكورة لها نفس الدوران 1/2 ونفس شحنة الباريون B = 1/3. الكواركات u, c لها شحنة موجبة كسرية Q = + 2/3، الكواركات d, s, b لها
الشحنة السالبة الكسرية س = - 1/3. كوارك s هو حامل للغرابة، وكوارك c هو حامل للسحر، وكوارك b هو حامل للجمال (الجدول 26.4).
يمكن تمثيل كل هادرون كمجموعة من عدة كواركات. يتم الحصول على الأرقام الكمومية Q وB وS للهادرونات كمجموع الأعداد المقابلة للكواركات التي تشكل الهادرونات. إذا دخل كواركان متطابقان إلى الهادرون، فإن دورانهما يكون معاكسًا.
تحتوي الباريونات على عدد دوران نصف صحيح، لذلك يمكن أن تتكون من عدد فردي من الكواركات. على سبيل المثال، يتكون البروتون من ثلاثة كواركات، p => uud. الشحنة الكهربائية للبروتون Q =+ 2/3+2/3 – 1/3 = 1، شحنة الباريون للبروتون B = 1/3+ 1/3 + 1/3 = 1، الغرابة S = O، الدوران s = 1/2 – 1/2 +1/2=1/2.
ويتكون النيوترون أيضًا من ثلاثة كواركات، n => udd. س =2/3-1/3- 1/3 =O، ب = 1/3+1/3+1/3=1، S = 0، ق = 1/2 – 1/2 + 1/2 = 1/2. يمكن استخدام مزيج من ثلاثة كواركات لتمثيل الباريونات التالية: Λ 0 (uds)، Σ + (uus)، Σ 0 (uds)، Σ - (dds)،Ξ 0 (uss)، Ξ - (dss)، Ω - (sss) و°(uss). في الحالة الأخيرة، يتم توجيه دوران جميع الكواركات في نفس الاتجاه. لذلك فإن Ω - - Hyperon له دوران 3/2.
تتشكل الجسيمات المضادة للباريونات من الكواركات المضادة المقابلة.
تتكون الميزونات من أي اثنين من الكواركات والكوارك المضاد. على سبيل المثال، البيون الموجب هو π + (ud). شحنتها هي Q = +2/3- (-1/3) = 1، B = 1/3-1/3= O، S = 0، الدوران 1/2 – 1/2= 0.
يفترض نموذج الكوارك أن الكواركات موجودة داخل الهادرونات، لكن التجربة تظهر أنها لا تستطيع الهروب من الهادرونات. ولكن على الأقل تلك الطاقات التي يمكن تحقيقها باستخدام المسرعات الحديثة. هناك احتمال كبير بأن الكواركات لا يمكن أن توجد في حالة حرة على الإطلاق.
تعتقد فيزياء الطاقة العالية الحديثة أن التفاعل بين الكواركات يتم من خلال جزيئات خاصة - الغلوونات. الكتلة الباقية للجلونات تساوي صفرًا، واللف المغزلي يساوي الوحدة. من الممكن أن يكون هناك حوالي عشرة أنواع مختلفة من الغلوونات.
هذه الجسيمات الثلاثة (وكذلك الجسيمات الأخرى الموصوفة أدناه) تنجذب وتتنافر بشكل متبادل وفقًا لخصائصها رسوموالتي لا يوجد منها سوى أربعة أنواع حسب عدد القوى الأساسية في الطبيعة. يمكن ترتيب الشحنات ترتيبًا تنازليًا للقوى المقابلة على النحو التالي: شحنة اللون (قوى التفاعل بين الكواركات)؛ الشحنة الكهربائية (القوى الكهربائية والمغناطيسية)؛ شحنة ضعيفة (القوى في بعض العمليات الإشعاعية)؛ وأخيرًا الكتلة (قوة الجاذبية، أو تفاعل الجاذبية). وكلمة "لون" هنا لا علاقة لها بلون الضوء المرئي؛ إنها ببساطة سمة من سمات الشحنة القوية والقوى الأعظم.
رسوم يتم حفظها، أي. الشحنة الداخلة للنظام تساوي الشحنة الخارجة منه. إذا كانت الشحنة الكهربائية الإجمالية لعدد معين من الجزيئات قبل تفاعلها تساوي 342 وحدة مثلاً، فإنها بعد التفاعل، بغض النظر عن نتيجته، تساوي 342 وحدة. وينطبق هذا أيضًا على الشحنات الأخرى: اللون (شحنة التفاعل القوية) والضعيفة والكتلة (الكتلة). تختلف الجسيمات في شحناتها: فهي في جوهرها هذه الشحنات. الاتهامات أشبه بـ«الشهادة» بحق الرد على القوة المناسبة. وبالتالي، فإن الجسيمات الملونة فقط هي التي تتأثر بقوى اللون، والجسيمات المشحونة كهربائيًا فقط هي التي تتأثر بالقوى الكهربائية، وما إلى ذلك. يتم تحديد خصائص الجسيم من خلال القوة الأكبر المؤثرة عليه. الكواركات فقط هي التي تحمل جميع الشحنات، وبالتالي فهي تخضع لعمل جميع القوى، ومن بينها القوة المهيمنة هي اللون. تمتلك الإلكترونات جميع الشحنات باستثناء اللون، والقوة المسيطرة عليها هي القوة الكهرومغناطيسية.
الأكثر استقرارًا في الطبيعة هي، كقاعدة عامة، مجموعات محايدة من الجزيئات التي يتم فيها تعويض شحنة جزيئات علامة واحدة بالشحنة الإجمالية لجزيئات علامة أخرى. وهذا يتوافق مع الحد الأدنى من الطاقة للنظام بأكمله. (وبنفس الطريقة، يتم ترتيب قضيبين مغناطيسيين على شكل خط، حيث يواجه القطب الشمالي لأحدهما القطب الجنوبي للآخر، وهو ما يتوافق مع الحد الأدنى من طاقة المجال المغناطيسي.) الجاذبية هي استثناء لهذه القاعدة: سلبية الكتلة غير موجودة. لا توجد أجسام تسقط للأعلى.
أنواع المادة
تتكون المادة العادية من الإلكترونات والكواركات، وتتجمع في أجسام محايدة اللون ثم في شحنة كهربائية. يتم تحييد قوة اللون، كما سيتم مناقشته بمزيد من التفصيل أدناه، عندما يتم دمج الجزيئات في ثلاثة توائم. (ومن هنا جاء مصطلح "اللون" نفسه، مأخوذ من علم البصريات: ثلاثة ألوان أساسية عند مزجها تنتج اللون الأبيض.) وهكذا، فإن الكواركات التي تكون قوة اللون هي القوة الرئيسية لها تشكل ثلاثة توائم. لكن الكواركات، وهي مقسمة إلى ش-الكواركات (من اللغة الإنجليزية إلى الأعلى) و د-الكواركات (من الأسفل إلى الأسفل باللغة الإنجليزية)، لها أيضًا شحنة كهربائية تساوي ش-الكوارك و د-كوارك. اثنين ش-كوارك وواحد د-الكواركات تعطي شحنة كهربائية مقدارها +1 وتشكل بروتونًا وواحدًا ش-كوارك واثنين د-الكواركات تعطي شحنة كهربائية صفر وتشكل نيوترون.
تنجذب البروتونات والنيوترونات المستقرة إلى بعضها البعض بواسطة قوى اللون المتبقية للتفاعل بين الكواركات المكونة لها، وتشكل نواة ذرية محايدة اللون. لكن النوى تحمل شحنة كهربائية موجبة، وتجذب الإلكترونات السالبة التي تدور حول النواة مثل الكواكب التي تدور حول الشمس، وتميل إلى تكوين ذرة محايدة. تتم إزالة الإلكترونات الموجودة في مداراتها من النواة على مسافات أكبر بعشرات الآلاف من المرات من نصف قطر النواة - وهذا دليل على أن القوى الكهربائية التي تحملها أضعف بكثير من القوى النووية. بفضل قوة تفاعل الألوان، فإن 99.945% من كتلة الذرة موجودة في نواتها. وزن ش- و د- الكواركات تبلغ كتلتها حوالي 600 مرة كتلة الإلكترون. ولذلك، فإن الإلكترونات أخف بكثير وأكثر قدرة على الحركة من النواة. حركتهم في المادة ناتجة عن ظواهر كهربائية.
هناك عدة مئات من الأصناف الطبيعية للذرات (بما في ذلك النظائر)، والتي تختلف في عدد النيوترونات والبروتونات في النواة، وبالتالي في عدد الإلكترونات في مداراتها. أبسطها هي ذرة الهيدروجين، وتتكون من نواة على شكل بروتون وإلكترون واحد يدور حولها. تتكون كل المادة "المرئية" في الطبيعة من ذرات وذرات "مفككة" جزئيا، والتي تسمى الأيونات. الأيونات هي ذرات فقدت (أو اكتسبت) عدة إلكترونات، وأصبحت جسيمات مشحونة. تسمى المادة التي تتكون بالكامل تقريبًا من الأيونات بالبلازما. النجوم التي تحترق بسبب التفاعلات النووية الحرارية التي تحدث في مراكزها تتكون أساسًا من البلازما، وبما أن النجوم هي الشكل الأكثر شيوعًا للمادة في الكون، فيمكننا القول أن الكون بأكمله يتكون بشكل أساسي من البلازما. بتعبير أدق، النجوم هي في الغالب غاز الهيدروجين المتأين بالكامل، أي. خليط من البروتونات والإلكترونات الفردية، وبالتالي يتكون منه الكون المرئي بأكمله تقريبًا.
هذه مادة مرئية. ولكن هناك أيضًا مادة غير مرئية في الكون. وهناك جسيمات تعمل كحاملات للقوة. هناك جسيمات مضادة وحالات مثارة لبعض الجسيمات. كل هذا يؤدي إلى وفرة مفرطة بشكل واضح في الجسيمات "الأولية". في هذه الوفرة يمكن للمرء أن يجد مؤشرا على الطبيعة الفعلية والحقيقية للجسيمات الأولية والقوى المؤثرة بينها. وفقا لأحدث النظريات، قد تكون الجسيمات في الأساس كائنات هندسية ممتدة - "أوتار" في فضاء ذي عشرة أبعاد.
العالم غير المرئي.
لا توجد مادة مرئية في الكون فحسب (ولكن هناك أيضًا ثقوب سوداء و"المادة المظلمة"، مثل الكواكب الباردة التي تصبح مرئية عند إضاءتها). هناك أيضًا مادة غير مرئية حقًا تتخللنا جميعًا والكون بأكمله في كل ثانية. وهو عبارة عن غاز سريع الحركة يتكون من جسيمات من نوع واحد - نيوترينوات الإلكترون.
نيوترينو الإلكترون هو شريك للإلكترون، ولكن ليس لديه شحنة كهربائية. تحمل النيوترينوات فقط ما يسمى بالشحنة الضعيفة. ومن المرجح أن تكون كتلتها الباقية صفرًا. لكنها تتفاعل مع مجال الجاذبية لأنها تمتلك طاقة حركية ه، وهو ما يتوافق مع الكتلة الفعالة موفقا لصيغة أينشتاين ه = مولودية 2 حيث ج- سرعة الضوء.
الدور الرئيسي للنيوترينو هو أنه يساهم في التحول و-الكواركات في د- كواركات، ونتيجة لذلك يتحول البروتون إلى نيوترون. تعمل النيوترينوات بمثابة "إبرة المكربن" في تفاعلات الاندماج النجمي، حيث تتحد أربعة بروتونات (نوى الهيدروجين) لتشكل نواة الهيليوم. ولكن بما أن نواة الهيليوم لا تتكون من أربعة بروتونات، بل من بروتونين ونيوترونين، فمن الضروري لمثل هذا الاندماج النووي أن يكون اثنان و-الكواركات تحولت إلى اثنين د-كوارك. تحدد شدة التحول مدى سرعة احتراق النجوم. وتتحدد عملية التحول بشحنات ضعيفة وقوى تفاعل ضعيفة بين الجزيئات. حيث و-كوارك (شحنة كهربائية +2/3، شحنة ضعيفة +1/2)، يتفاعل مع الإلكترون (شحنة كهربائية - 1، شحنة ضعيفة -1/2)، يتشكل د-كوارك (شحنة كهربائية -1/3، شحنة ضعيفة -1/2) ونيوترينو الإلكترون (شحنة كهربائية 0، شحنة ضعيفة +1/2). يتم إلغاء الشحنات اللونية (أو الألوان فقط) للكواركين في هذه العملية بدون النيوترينو. ويتمثل دور النيوترينو في حمل الشحنة الضعيفة غير المعوضة بعيدًا. ولذلك فإن معدل التحول يعتمد على مدى ضعف القوى الضعيفة. ولو كانوا أضعف منهم، لما احترقت النجوم مطلقًا. لو كانوا أقوى، لكانت النجوم قد احترقت منذ فترة طويلة.
ماذا عن النيوترينوات؟ ونظرًا لأن هذه الجسيمات تتفاعل بشكل ضعيف للغاية مع المواد الأخرى، فإنها تغادر النجوم التي ولدت فيها على الفور تقريبًا. تتألق جميع النجوم، وتطلق النيوترينوات، وتتألق النيوترينوات عبر أجسادنا والأرض بأكملها ليلًا ونهارًا. لذا فهم يتجولون في أنحاء الكون حتى يدخلوا، ربما، في نجم تفاعلي جديد).
ناقلات التفاعلات.
ما الذي يسبب القوى المؤثرة بين الجسيمات على مسافة؟ تجيب الفيزياء الحديثة: بسبب تبادل الجزيئات الأخرى. تخيل اثنين من المتزلجين السريعين يرميون الكرة. من خلال نقل الزخم إلى الكرة عند رميها وتلقي الزخم مع الكرة المستلمة، يتلقى كلاهما دفعة في اتجاه بعيد عن بعضهما البعض. وهذا يمكن أن يفسر ظهور القوى البغيضة. لكن في ميكانيكا الكم، التي تأخذ في الاعتبار الظواهر في العالم الصغير، يُسمح بتمديد الأحداث وإلغاء تمركزها بشكل غير عادي، مما يؤدي إلى ما يبدو مستحيلًا: يقوم أحد المتزلجين برمي الكرة في الاتجاه منمختلفة، ولكن هذا واحد مع ذلك ربماقبض على هذه الكرة. ليس من الصعب أن نتصور أنه لو كان ذلك ممكنا (وهو ممكن في عالم الجسيمات الأولية)، فسينشأ التجاذب بين المتزلجين.
تسمى الجسيمات، بسبب تبادل قوى التفاعل بين "جسيمات المادة" الأربعة التي تمت مناقشتها أعلاه، بالجسيمات المعيارية. كل من التفاعلات الأربعة – القوية والكهرومغناطيسية والضعيفة والجاذبية – لها مجموعتها الخاصة من جزيئات القياس. الجسيمات الحاملة للتفاعل القوي هي الغلوونات (يوجد منها ثمانية فقط). الفوتون هو حامل للتفاعل الكهرومغناطيسي (يوجد واحد فقط، ونحن نعتبر الفوتونات بمثابة ضوء). الجسيمات الحاملة للتفاعل الضعيف هي البوزونات الناقلة المتوسطة (تم اكتشافها في عامي 1983 و1984) دبليو + -, دبليو- - البوزونات والمحايدة ز-بوسون). الجسيم الحامل لتفاعل الجاذبية هو الجرافيتون الافتراضي (يجب أن يكون هناك واحد فقط). كل هذه الجسيمات، باستثناء الفوتون والجرافيتون، اللذين يمكنهما السفر لمسافات طويلة لا نهائية، توجد فقط في عملية التبادل بين جزيئات المادة. تملأ الفوتونات الكون بالضوء، وتملأ الجرافيتونات الكون بموجات الجاذبية (لم يتم اكتشافها بشكل موثوق بعد).
ويقال إن الجسيم القادر على انبعاث جسيمات القياس محاط بمجال قوى مناظر. وهكذا فإن الإلكترونات القادرة على إصدار فوتونات تكون محاطة بمجالات كهربائية ومغناطيسية، بالإضافة إلى مجالات ضعيفة ومجالات جاذبية. الكواركات أيضًا محاطة بكل هذه المجالات، ولكنها أيضًا محاطة بمجال التفاعل القوي. تتأثر الجسيمات ذات الشحنة اللونية في مجال قوى اللون بقوة اللون. الأمر نفسه ينطبق على قوى الطبيعة الأخرى. لذلك يمكننا القول أن العالم يتكون من مادة (جسيمات مادية) ومجال (جسيمات قياس). المزيد عن هذا أدناه.
المادة المضادة.
يحتوي كل جسيم على جسيم مضاد، والذي يمكن للجسيم أن يفنيه بشكل متبادل، أي. "الإبادة"، مما يؤدي إلى إطلاق الطاقة. لكن الطاقة "النقية" في حد ذاتها غير موجودة؛ ونتيجة للفناء تظهر جسيمات جديدة (مثل الفوتونات) تحمل هذه الطاقة بعيدا.
في معظم الحالات، يكون للجسيم المضاد خصائص معاكسة للجسيم المقابل: إذا تحرك الجسيم إلى اليسار تحت تأثير مجالات قوية أو ضعيفة أو كهرومغناطيسية، فإن جسيمه المضاد سيتحرك إلى اليمين. باختصار، للجسيم المضاد علامات معاكسة لجميع الشحنات (ما عدا شحنة الكتلة). إذا كان الجسيم مركبًا، مثل النيوترون، فإن جسيمه المضاد يتكون من مكونات ذات علامات شحن معاكسة. وبالتالي، فإن الإلكترون المضاد لديه شحنة كهربائية قدرها +1، وشحنة ضعيفة قدرها +1/2 ويسمى البوزيترون. يتكون النيوترون المضاد من و-الكواركات المضادة بشحنة كهربائية -2/3 و د- كواركات مضادة بشحنة كهربائية +1/3. الجسيمات المحايدة الحقيقية هي جسيماتها المضادة: الجسيم المضاد للفوتون هو فوتون.
وفقا للمفاهيم النظرية الحديثة، يجب أن يكون لكل جسيم موجود في الطبيعة جسيم مضاد خاص به. وقد تم بالفعل الحصول على العديد من الجسيمات المضادة، بما في ذلك البوزيترونات والنيوترونات المضادة، في المختبر. إن العواقب المترتبة على ذلك مهمة للغاية وتشكل أساس كل فيزياء الجسيمات التجريبية. وفقا للنظرية النسبية، فإن الكتلة والطاقة متساويان، وفي ظل ظروف معينة يمكن تحويل الطاقة إلى كتلة. بما أن الشحنة محفوظة، وشحنة الفراغ (الفضاء الفارغ) صفر، فإن أي أزواج من الجسيمات والجسيمات المضادة (بشحنة صافية صفر) يمكن أن تخرج من الفراغ، مثل الأرانب من قبعة الساحر، طالما أن هناك ما يكفي من الطاقة لإخراجها من الفراغ. خلق كتلتهم.
أجيال من الجسيمات
أظهرت تجارب المسرعات أن رباعية جزيئات المادة تتكرر مرتين على الأقل عند قيم كتلة أعلى. في الجيل الثاني، يحل مكان الإلكترون الميون (كتلته أكبر بحوالي 200 مرة من كتلة الإلكترون، ولكن بنفس قيم جميع الشحنات الأخرى)، مكان نيوترينو الإلكترون يؤخذ بواسطة الميون (الذي يرافق الميون في التفاعلات الضعيفة بنفس الطريقة التي يرافق بها الإلكترون نيوترينو الإلكترون)، مكان و-يحتل الكوارك مع-كوارك ( سحر)، أ د-كوارك - س-كوارك ( غريب). وفي الجيل الثالث، تتكون الرباعية من تاو ليبتون، وتاو نيوترينو، ر-كوارك و ب-كوارك.
وزن ر- كتلة الكوارك تبلغ حوالي 500 مرة كتلة الأخف وزنا. د-كوارك. لقد ثبت تجريبيًا أن هناك ثلاثة أنواع فقط من النيوترينوات الخفيفة. وبالتالي، فإن الجيل الرابع من الجسيمات إما غير موجود على الإطلاق، أو أن النيوترينوات المقابلة ثقيلة جدًا. وهذا يتوافق مع البيانات الكونية، والتي بموجبها لا يمكن أن يوجد أكثر من أربعة أنواع من النيوترينوات الخفيفة.
في التجارب على الجسيمات عالية الطاقة، يعمل الإلكترون والميون وتاو ليبتون والنيوترينوات المقابلة كجسيمات معزولة. فهي لا تحمل شحنة لونية وتدخل فقط في التفاعلات الضعيفة والكهرومغناطيسية. يطلق عليهم بشكل جماعي لبتونات.
| الجدول 2. أجيال الجسيمات الأساسية | ||||
| جسيم | كتلة الراحة MeV/ مع 2 | الشحنة الكهربائية | تهمة اللون | تهمة ضعيفة |
| الجيل الثاني | ||||
| مع-كوارك | 1500 | +2/3 | الأحمر أو الأخضر أو الأزرق | +1/2 |
| س-كوارك | 500 | –1/3 | نفس | –1/2 |
| نيوترينو مون | 0 | 0 | +1/2 | |
| مون | 106 | 0 | 0 | –1/2 |
| الجيل الثالث | ||||
| ر-كوارك | 30000–174000 | +2/3 | الأحمر أو الأخضر أو الأزرق | +1/2 |
| ب-كوارك | 4700 | –1/3 | نفس | –1/2 |
| تاو نيوترينو | 0 | 0 | +1/2 | |
| تاو | 1777 | –1 | 0 | –1/2 |
تتحد الكواركات، تحت تأثير قوى اللون، لتشكل جسيمات متفاعلة بقوة، وهي ما يهيمن على معظم تجارب الفيزياء عالية الطاقة. تسمى هذه الجزيئات هادرونات. وهي تشمل فئتين فرعيتين: الباريونات(مثل البروتون والنيوترون)، والتي تتكون من ثلاثة كواركات، و الميزونات، يتكون من كوارك وكوارك مضاد. وفي عام 1947، تم اكتشاف الميزون الأول، الذي يسمى البيون (أو بي ميسون)، في الأشعة الكونية، وكان يعتقد لبعض الوقت أن تبادل هذه الجسيمات هو السبب الرئيسي للقوى النووية. هادرونات أوميغا ناقص، التي تم اكتشافها في عام 1964 في مختبر بروكهافن الوطني (الولايات المتحدة الأمريكية)، وجسيم JPS ( ج/ذ-meson)، تم اكتشافه في وقت واحد في بروكهافن وفي مركز ستانفورد للمسرع الخطي (أيضًا في الولايات المتحدة الأمريكية) في عام 1974. وقد تنبأ م. جيلمان بوجود جسيم أوميغا ناقص في كتابه المسمى " S. U. 3" (اسم آخر هو "المسار الثماني")، حيث تم اقتراح إمكانية وجود الكواركات لأول مرة (وأعطيت لهم هذا الاسم). وبعد عقد من الزمن، تم اكتشاف الجسيم ج/ذأكد وجود مع-الكوارك وأخيرًا جعل الجميع يؤمنون بنموذج الكوارك وبالنظرية التي وحدت القوى الكهرومغناطيسية والقوى الضعيفة ( انظر أدناه).
جسيمات الجيل الثاني والثالث ليست أقل واقعية من الأول. صحيح، بعد أن نشأت، في أجزاء من المليون أو المليارات من الثانية، فإنها تتحلل إلى جسيمات عادية من الجيل الأول: الإلكترون، ونيوترينو الإلكترون، وكذلك و- و د-جسيمات دون الذرية. لا يزال السؤال عن سبب وجود عدة أجيال من الجسيمات في الطبيعة لغزا.
غالبًا ما يتم الحديث عن أجيال مختلفة من الكواركات واللبتونات (والتي، بالطبع، غريبة الأطوار إلى حد ما) باعتبارها "نكهات" مختلفة للجسيمات. وتسمى الحاجة إلى شرحها بمشكلة "النكهة".
البوزونات والفرميونات، المجال والمادة
أحد الاختلافات الأساسية بين الجسيمات هو الفرق بين البوزونات والفرميونات. وتنقسم جميع الجسيمات إلى هاتين الفئتين الرئيسيتين. يمكن للبوزونات المتماثلة أن تتداخل أو تتداخل، لكن الفرميونات المتطابقة لا يمكنها ذلك. يحدث التراكب (أو لا يحدث) في حالات الطاقة المنفصلة التي تقسم إليها ميكانيكا الكم الطبيعة. تشبه هذه الحالات الخلايا المنفصلة التي يمكن وضع الجزيئات فيها. لذلك، يمكنك وضع أي عدد تريده من البوزونات المتطابقة في خلية واحدة، ولكن فيرميون واحد فقط.
على سبيل المثال، فكر في مثل هذه الخلايا، أو "الحالات"، للإلكترون الذي يدور حول نواة الذرة. على عكس كواكب النظام الشمسي، وفقًا لقوانين ميكانيكا الكم، لا يمكن للإلكترون أن يدور في أي مدار إهليلجي، لأنه لا يوجد سوى سلسلة منفصلة من "حالات الحركة" المسموح بها. تسمى مجموعات من هذه الحالات، مجمعة حسب المسافة من الإلكترون إلى النواة المدارات. في المدار الأول هناك حالتان لهما زخم زاوي مختلف، وبالتالي هناك خليتين مسموح بهما، وفي المدارات الأعلى هناك ثماني خلايا أو أكثر.
وبما أن الإلكترون عبارة عن فيرميون، فإن كل خلية يمكن أن تحتوي على إلكترون واحد فقط. من هذا يتبع عواقب مهمة للغاية - الكيمياء بأكملها، حيث يتم تحديد الخواص الكيميائية للمواد من خلال التفاعلات بين الذرات المقابلة. إذا مررت بالنظام الدوري للعناصر من ذرة إلى أخرى بترتيب زيادة عدد البروتونات في النواة بمقدار واحد (سيزداد عدد الإلكترونات أيضًا وفقًا لذلك)، فإن أول إلكترونين سيحتلان المدار الأول، سيتم تحديد موقع الثمانية التالية في الثانية، وما إلى ذلك. هذا التغيير الثابت في التركيب الإلكتروني للذرات من عنصر إلى عنصر يحدد أنماط خواصها الكيميائية.
إذا كانت الإلكترونات بوزونات، فإن جميع الإلكترونات الموجودة في الذرة يمكن أن تشغل نفس المدار، وهو ما يتوافق مع الحد الأدنى من الطاقة. في هذه الحالة، ستكون خصائص كل المادة في الكون مختلفة تمامًا، وسيكون من المستحيل وجود الكون بالشكل الذي نعرفه.
جميع اللبتونات - الإلكترون والميون وتاو ليبتون والنيوترينوات المقابلة لها - هي فرميونات. ويمكن قول الشيء نفسه عن الكواركات. وبالتالي، فإن جميع الجسيمات التي تشكل "المادة"، الحشو الرئيسي للكون، وكذلك النيوترينوات غير المرئية، هي فرميونات. وهذا أمر مهم جدًا: لا يمكن للفرميونات أن تتحد، لذا فإن الأمر نفسه ينطبق على الأشياء في العالم المادي.
وفي الوقت نفسه، فإن جميع "الجزيئات المعيارية" التي يتم تبادلها بين جزيئات المادة المتفاعلة والتي تخلق مجالًا من القوى ( أنظر فوق)، هي البوزونات، وهي أيضًا مهمة جدًا. لذلك، على سبيل المثال، يمكن أن تكون العديد من الفوتونات في نفس الحالة، وتشكل مجالًا مغناطيسيًا حول مغناطيس أو مجالًا كهربائيًا حول شحنة كهربائية. وبفضل هذا، أصبح الليزر ممكنًا أيضًا.
يلف.
ويرتبط الفرق بين البوزونات والفرميونات بخاصية أخرى للجسيمات الأولية - يلف. من المثير للدهشة أن جميع الجسيمات الأساسية لها زخمها الزاوي الخاص بها، أو، ببساطة، تدور حول محورها الخاص. زاوية الدفع هي إحدى خصائص الحركة الدورانية، تمامًا مثل الدفع الكلي للحركة الانتقالية. في أي تفاعل، يتم الحفاظ على الزخم الزاوي والزخم.
في العالم المصغر، يتم قياس الزخم الزاوي، أي. يأخذ قيمًا منفصلة. في وحدات القياس المناسبة، اللبتونات والكواركات لها دوران قدره 1/2، والجسيمات القياس لها دوران قدره 1 (باستثناء الجرافيتون، الذي لم يتم ملاحظته تجريبيا بعد، ولكن من الناحية النظرية يجب أن يكون له دوران قدره 2). بما أن اللبتونات والكواركات عبارة عن فرميونات، والجسيمات القياسية هي بوزونات، يمكننا أن نفترض أن "الفيرميونية" مرتبطة بالدوران 1/2، و"البوزنية" مرتبطة بالدوران 1 (أو 2). في الواقع، تؤكد كل من التجربة والنظرية أنه إذا كان للجسيم دوران نصف صحيح، فهو فيرميون، وإذا كان له دوران صحيح، فهو بوزون.
نظريات القياس والهندسة
وفي جميع الأحوال تنشأ القوى نتيجة لتبادل البوزونات بين الفرميونات. وهكذا فإن القوة اللونية للتفاعل بين كواركين (الكواركات – الفرميونات) تنشأ نتيجة لتبادل الجلونات. ويحدث تبادل مماثل باستمرار في البروتونات والنيوترونات والنوى الذرية. وبالمثل، فإن الفوتونات المتبادلة بين الإلكترونات والكواركات تخلق قوى الجذب الكهربائية التي تحمل الإلكترونات في الذرة، والبوزونات الناقلة الوسيطة المتبادلة بين اللبتونات والكواركات تخلق القوى الضعيفة المسؤولة عن تحويل البروتونات إلى نيوترونات في التفاعلات النووية الحرارية في النجوم.
إن النظرية وراء هذا التبادل أنيقة، وبسيطة، وربما صحيحة. تسمى نظرية القياس. ولكن في الوقت الحاضر لا يوجد سوى نظريات قياس مستقلة للتفاعلات القوية والضعيفة والكهرومغناطيسية ونظرية قياس مماثلة للجاذبية، على الرغم من اختلافها إلى حد ما. واحدة من أهم المشاكل الفيزيائية هي اختزال هذه النظريات الفردية في نظرية واحدة وبسيطة في نفس الوقت، حيث تصبح جميعها جوانب مختلفة لواقع واحد - مثل وجوه البلورة.
| الجدول 3. بعض الهادرونات | ||||
| جسيم | رمز | تكوين الكوارك * | الراحة، ميغا إلكترون فولت/ مع 2 | الشحنة الكهربائية |
| الباريون | ||||
| بروتون | ص | uud | 938 | +1 |
| نيوترون | ن | أود | 940 | 0 |
| أوميغا ناقص | ث – | نظام الضمان الاجتماعي | 1672 | –1 |
| الميزونات | ||||
| بي بلس | ص + | ش | 140 | +1 |
| بي ناقص | ص – | du | 140 | –1 |
| فاي | F | sє | 1020 | 0 |
| جي بي | ج/ ذ | ج | 3100 | 0 |
| ابسيلون | Ў | ب | 9460 | 0 |
| *تركيبة الكوارك: ش- قمة؛ د- أدنى؛ س- غريب؛ ج- مسحور؛ ب- جميل. يشار إلى التحف بخط فوق الحرف. | ||||
أبسط وأقدم نظريات القياس هي نظرية قياس التفاعل الكهرومغناطيسي. وفيه تتم مقارنة (معايرة) شحنة الإلكترون بشحنة إلكترون آخر بعيد عنه. كيف يمكنك مقارنة الرسوم؟ يمكنك، على سبيل المثال، تقريب الإلكترون الثاني من الأول ومقارنة قوى التفاعل بينهما. لكن ألا تتغير شحنة الإلكترون عندما ينتقل إلى نقطة أخرى في الفضاء؟ الطريقة الوحيدة للتحقق هي إرسال إشارة من إلكترون قريب إلى إلكترون بعيد ومعرفة كيفية تفاعلها. الإشارة عبارة عن جسيم قياس – فوتون. لكي نتمكن من اختبار الشحنة على الجسيمات البعيدة، هناك حاجة إلى الفوتون.
رياضيا، هذه النظرية دقيقة للغاية وجميلة. من "مبدأ المقياس" الموصوف أعلاه تتدفق كل الديناميكا الكهربائية الكمومية (نظرية الكم للكهرومغناطيسية)، بالإضافة إلى نظرية ماكسويل في المجال الكهرومغناطيسي - وهي واحدة من أعظم الإنجازات العلمية في القرن التاسع عشر.
لماذا يعتبر هذا المبدأ البسيط مثمرًا جدًا؟ على ما يبدو، فإنه يعبر عن ارتباط معين بين أجزاء مختلفة من الكون، مما يسمح بإجراء القياسات في الكون. من الناحية الرياضية، يتم تفسير المجال هندسيًا على أنه انحناء لبعض المساحة "الداخلية" التي يمكن تصورها. قياس الشحنة هو قياس "الانحناء الداخلي" الإجمالي حول الجسيم. تختلف نظريات قياس التفاعلات القوية والضعيفة عن نظرية القياس الكهرومغناطيسي فقط في "البنية" الهندسية الداخلية للشحنة المقابلة. إن السؤال حول مكان هذا الفضاء الداخلي بالضبط يتم البحث عن إجابة عليه من خلال نظريات المجال الموحد متعددة الأبعاد، والتي لم يتم مناقشتها هنا.
| الجدول 4. التفاعلات الأساسية | |||||
| تفاعل | الشدة النسبية على مسافة 10-13 سم | نصف قطر العمل | ناقل التفاعل | كتلة سكون الحامل MeV/ مع 2 | تدور الناقل |
| قوي | 1 | جلون | 0 | 1 | |
| كهربائي- مغناطيسي |
0,01 | Ґ | الفوتون | 0 | 1 |
| ضعيف | 10 –13 | دبليو + | 80400 | 1 | |
| دبليو – | 80400 | 1 | |||
| ز 0 | 91190 | 1 | |||
| الجاذبية- tional |
10 –38 | Ґ | جرافيتون | 0 | 2 |
فيزياء الجسيمات لم تكتمل بعد. ولا يزال من غير الواضح ما إذا كانت البيانات المتاحة كافية لفهم طبيعة الجسيمات والقوى بشكل كامل، فضلاً عن الطبيعة الحقيقية وأبعاد المكان والزمان. فهل نحتاج إلى تجارب بطاقة 10 15 جيجا إلكترون فولت أم أن جهد الفكر سيكون كافيا؟ لا إجابات حتى الآن. ولكن يمكننا أن نقول بثقة أن الصورة النهائية ستكون بسيطة وأنيقة وجميلة. من الممكن ألا يكون هناك الكثير من الأفكار الأساسية: مبدأ القياس، والمساحات ذات الأبعاد الأعلى، والانهيار والتوسع، وقبل كل شيء، الهندسة.
13.1. مفهوم الجسيمات الأولية
بالمعنى الدقيق لمصطلح "الابتدائية" هي أبسط الجسيمات الأولية غير القابلة للتجزئة بدون بنية داخلية تشكل المادة.
بحلول عام 1932، تم التعرف على أربعة أنواع من الجسيمات: الإلكترونات والبروتونات والنيوترونات والفوتونات. هذه الجسيمات (باستثناء الفوتون) هي بالفعل مكونات للمادة التي يمكن ملاحظتها.
بحلول عام 1956، تم بالفعل اكتشاف حوالي 30 جسيمًا أوليًا. وهكذا، كجزء من الإشعاع الكوني، تم اكتشاف البوزيترونات (1932)، الميونات (1936)، p(pi) - الميزونات (1947)، الجسيمات الغريبة K (ka) - الميزونات والهايبرونات. تم إجراء الاكتشافات اللاحقة في هذا المجال بمساعدة المسرعات الكبيرة التي تنقل طاقات تصل إلى مئات وآلاف المي الكترون فولت إلى الجسيمات. وهكذا، البروتونات المضادة (1955) والنيوترونات المضادة (1956)، والهايبرونات والرنينات الثقيلة (60 ثانية)، والجسيمات "الساحرة" و"الجميلة" (70 ثانية)، t(tau) - ليبتون ( 1975)، n(upsilon) - جسيم ذو كتلة تبلغ حوالي عشرة (!) كتل بروتون، وجسيمات "جميلة" (1981)، وبوزونات ناقلة متوسطة (1983). تُعرف الآن عدة مئات من الجسيمات ويستمر عددها في النمو.
الخاصية المشتركة لجميع هذه الجسيمات الأولية هي أنها أشكال محددة من وجود المادة التي لا ترتبط بالنوى والذرات. ولهذا السبب ظهر مصطلح " الجسيمات تحت النووية". معظم هذه الجسيمات لا تستوفي التعريف الدقيق للعنصرية، لأنها (وفقًا للمفاهيم الحديثة) كذلك الأنظمة المركبةأي أن لديهم بنية داخلية. ومع ذلك، ووفقاً للممارسة المتبعة، يتم الاحتفاظ بمصطلح "الجسيمات الأولية". تسمى الجسيمات التي تدعي أنها العناصر الأولية للمادة (على سبيل المثال، الإلكترونات) " الابتدائية حقا".
13.1.1. الخصائص الأساسية للجسيمات الأولية
جميع الجسيمات الأولية لها كتل صغيرة جدًا: من 10 -22 (للبوزونات المتوسطة) إلى ~ 10 -27 (للإلكترونات). أخف الجسيمات هي النيوترينوات (يُفترض أن كتلتها أقل بـ 10 آلاف مرة من كتلة الإلكترون). حجم الجسيمات الأولية صغير جدًا أيضًا: من 10 إلى 13 سم (للهادرونات) إلى< 10 -16 см у электронов и мюонов.
تحديد الكتل والأحجام المجهرية خصوصية الكمسلوك الجسيمات الأولية الخاصية الكمومية الأكثر أهمية هي القدرة على الولادة والتدمير (الانبعاث والامتصاص) عند التفاعل مع الجسيمات الأخرى.
معظم الجسيمات الأولية غير مستقر: تولد في الأشعة الكونية أو المسرعات، وتعيش لجزء من الثانية ثم تتحلل. مقياس استقرار الجسيمات هو متوسط العمر t. الإلكترون والبروتون والفوتون والنيوترينو - جزيئات مستقرة تماما(t®¥)، على أي حال، لم يتم اكتشاف اضمحلالها تجريبيًا. نيوترون شبه مستقرة(t=(898±16)s. هناك مجموعات من الجسيمات غير المستقرة بمتوسط عمر يتراوح بين 10 -6، 10 -8، 10 -10، 10 -13، 10 -16، 10 -20 ثانية. الجسيمات الحية الخنوعة هي رنينات: t~(10 -22 ¸10 -23)s.
الخصائص المشتركة للجسيمات الأولية هي أيضًا الدوران والشحنة الكهربائية والعزم المغناطيسي الداخلي. يتم التعبير عن الدوران عادةً بالوحدات ويأخذ فقط قيمًا صحيحة أو نصف عدد صحيح. فهو يحدد عدد حالات الدوران المحتملة للجسيم، وكذلك نوع الإحصائيات التي تخضع لها هذه الجسيمات. وفقا لهذا المعيار، يتم تقسيم جميع الجزيئات إلى فرميونات(جسيمات ذات دوران نصف عدد صحيح) و البوزونات(الجسيمات ذات الدوران الصحيح). الشحنة الكهربائية لجسيم ما هي مضاعف صحيح للشحنة الأولية |e| = 1.6 × 10 -19 سل. بالنسبة للجسيمات الأولية المعروفة، فإن الشحنة الكهربائية بوحدات e تأخذ القيم التالية: q = 0, ±1, ±2. الجسيمات ذات الشحنة الكسرية - جسيمات دون الذرية- لا تحدث في حالة حرة (انظر البند 5.3.2).
تميز اللحظة المغناطيسية الجوهرية تفاعل الجسيم الساكن مع مجال مغناطيسي خارجي. المتجهات و
موازية أو مضادة.
بالإضافة إلى تلك المذكورة، تتميز الجسيمات الأولية أيضًا بعدد من الخصائص الكمومية، تسمى "الداخلية" (شحنة الليبتون، شحنة الباريون، الغرابة، وما إلى ذلك).
13.1.2 الجسيمات والجسيمات المضادة
تقريبا كل الجسيمات يتوافق جسيم مضاد- جسيم له نفس الكتلة، العمر، الدوران؛ خصائصها الأخرى متساوية في الحجم، ولكنها معاكسة في الإشارة (الشحنة الكهربائية، العزم المغناطيسي، الخصائص الكمومية الداخلية). بعض الجسيمات (على سبيل المثال، الفوتون) ليس لديها أي أرقام كمية داخلية، وبالتالي فهي مطابقة لجسيماتها المضادة - وهذا هو جسيمات محايدة حقيقية.
تم التوصل إلى الاستنتاج حول وجود الجسيمات المضادة لأول مرة بواسطة P. Dirac (1930). لقد اشتق معادلة الكم النسبية التي تصف حالة الجسيم مع دوران نصف عدد صحيح. بالنسبة للجسيم الحر، تؤدي معادلة ديراك إلى علاقة نسبية بين الزخم (p) والطاقة (E) والكتلة (m) للجسيم:
بالنسبة للإلكترون الساكن (p e =0)، تكون مستويات الطاقة التالية ممكنة: 
و 
نطاق الطاقة 
"محظور".
في نظرية المجال الكمي، يتم تفسير حالة الجسيم ذو الطاقة السلبية على أنها حالة الجسيم المضاد، الذي لديه طاقة موجبة ولكن بشحنة كهربائية معاكسة. جميع مستويات الطاقة السلبية المحتملة ممتلئة ولكن لا يمكن ملاحظتها. الفوتون ذو الطاقة قادر على نقل الإلكترون من حالة ذات طاقة سلبية إلى حالة ذات طاقة موجبة (انظر الشكل 5.1) - يصبح الإلكترون قابلاً للملاحظة.
