Elementarne čestice i njihove glavne karakteristike. Stabilne elementarne čestice Ostale postojeće i hipotetičke čestice

1. Elementarne čestice- to su mikroobjekti čije dimenzije ne prelaze veličinu atomskih jezgara. Elementarne čestice uključuju protone, neutrone, elektrone, mezone, neutrine, fotone itd.

Izraz elementarne čestice ne treba shvatiti kao čestice bez strukture nesposobne za transformaciju. Kako se nauka razvija, sadržaj svakog naučnog pojma postepeno se udaljava od njegove etimologije. Tako je atom ostao nedjeljiv u glavama ljudi sve do svog nastanka početkom 19. stoljeća. hemijski atomizam.U savremenom naučnom znanju, atom je složen dinamički sistem sposoban za različita preuređivanja. Isto tako, elementarne čestice, kako se otkrivaju njihova nova svojstva, otkrivaju sve složeniju strukturu.

Najvažnije svojstvo elementarnih čestica je njihova sposobnost da se rađaju i transformišu jedna u drugu tokom sudara. Da bi se takvi procesi odvijali, potrebno je da čestice koje se sudaraju imaju veliku energiju. Stoga se fizika čestica naziva i fizika visokih energija.

Prema svom životnom vijeku, sve elementarne čestice dijele se u tri grupe: stabilne, nestabilne i rezonantne.

Stabilne čestice postoje u slobodnom stanju neograničeno vrijeme. Postoji samo 11 takvih čestica: proton p, elektron e, elektronski neutrino ν 0, mionski neutrino νμ, taun neutrino ντ, njihove antičestice p, e, ν e, νμ, ντ , i plus foton γ. Eksperimentalni dokazi o spontanom raspadu ovih čestica su još uvijek nepoznati.

Nestabilne čestice imaju prosječni vijek trajanja τ. što je vrlo veliko u poređenju sa karakterističnim nuklearnim vremenom leta od 10 -23 s (vrijeme koje je potrebno svjetlosti da putuje preko prečnika jezgara). Na primjer, za neutron τ = 16 min, za mion τ = 10 -6 s, za nabijeni pion τ = 10 -8 s, za hiperone i kaone τ = 10 -4 s.

Rezonancije imaju vijek trajanja usporediv s vremenom leta od 10 -23 s. Registriraju se rezonancijama na krivuljama poprečnih presjeka reakcije u odnosu na energiju. Mnoge rezonancije se tumače kao pobuđena stanja nukleona i drugih čestica.

2. Fundamentalne interakcije. Raznolikost interakcija uočenih između elementarnih čestica iu prirodi u cjelini svodi se na 4 glavna tipa: jaka, elektromagnetna, slaba i gravitacijska. Snažna interakcija drži nukleone u atomskim jezgrama i svojstvena je hadronima (protoni, neutroni, mezoni, hiperoni, itd.). Elektromagnetne interakcije su one koje se manifestuju na makro nivou - elastične, viskozne, molekularne, hemijske itd. Slabe interakcije uzrokuju β-raspad jezgara i uz elektromagnetne sile kontrolišu ponašanje peptona - elementarnih čestica sa polucijelim spinom koji ne učestvuju u jakim interakcijama. Gravitaciona interakcija je svojstvena svim materijalnim objektima.

Uporedite fundamentalne međusobne interakcije, ali njihov intenzitet. Ne postoji jednoznačna definicija ovog koncepta niti metoda za poređenje intenziteta. Stoga se koriste poređenja zasnovana na skupu pojava.

Na primjer, odnos sile gravitacionog privlačenja između dva protona i sile Kulonove odbijanja je G (m p m p /r 2) /(e 2 /4πε 0 r 2) = 4πε 0 G(m p 2 /e 2) = 10 -36. Ovaj broj se uzima kao mjera omjera gravitacijskih i elektromagnetnih interakcija.

Odnos jakih i elektromagnetnih interakcija, određen iz poprečnih presjeka i energija nuklearnih reakcija, procjenjuje se na 10 4:1. Intenzitet jake i slabe interakcije se poredi na isti način.

Uz intenzitet, vrijeme interakcije i udaljenost također se koriste kao mjera poređenja interakcije. Obično, za poređenje vremena, uzimamo brzine procesa pri kinetičkim energijama sudarajućih čestica E = 1 GeV. Pri takvim energijama procesi uzrokovani jakim interakcijama odvijaju se tokom nuklearnog leta od 10 -23 s, procesi uzrokovani elektromagnetnim interakcijama traju oko 10 -19 s, slabe interakcije traju oko 10 -9 s, a gravitacijske interakcije traju oko 10 +16 s. s.

Srednja slobodna putanja čestice u supstanci obično se uzima kao udaljenosti za poređenje interakcija. Čestice u jakoj interakciji sa E = 1 GeV odlažu se slojem teškog metala debljine do 1 m. Dok se neutrino, sposoban da učestvuje samo u slaboj interakciji, sa energijom 100 puta manjom (E = 10 MeV) može zadržati sloj od 10 9 km!

A. Jaka interakcija ne samo najintenzivnije, već i najkraćeg djelovanja. Na udaljenostima većim od 10 -15 m njegova uloga postaje zanemarljiva. Iako osigurava stabilnost jezgara, ova interakcija praktično nema efekta na atomske fenomene. Snažna interakcija nije univerzalna. Nije svojstveno svim česticama, već samo hadronima - nukleonima, mezonima, hiperonima itd. Postoje čestice - fotoni, elektroni, mioni, neutrini - koje nisu podložne jakoj interakciji i zbog toga se ne rađaju u sudarima.

b. Elektromagnetna interakcija intenzitet je 4 reda veličine niži od jakog. Glavno područje njegovog ispoljavanja su udaljenosti u rasponu od prečnika jezgra od 10 -15 m do približno 1 m. Ovo uključuje strukturu atoma, molekula, kristala, hemijske reakcije, deformacije, trenje, svjetlost, radio valove i mnoge druge fizičke pojave dostupne ljudskoj percepciji.

Elektromagnetska interakcija je najjača kod električno nabijenih čestica. Kod neutralnih čestica sa spinom različitom od nule on se slabije ispoljava i to samo zbog činjenice da takve čestice imaju magnetni moment reda M=eć/2m. Elektromagnetna interakcija je još slabija kod neutralnih piona π 0 i neutrina.

Izuzetno važno svojstvo EM interakcije je prisustvo i odbijanja između slično naelektrisanih čestica i privlačenja između nejednako naelektrisanih čestica. Zbog toga, EM interakcije između atoma i bilo kojih drugih objekata s nultim neto nabojem imaju relativno kratak domet, iako su Kulonove sile između nabijenih čestica dugog dometa.

e. Slaba interakcija zanemarljiv u odnosu na jake i elektromagnetne. Ali kako se udaljenosti smanjuju, ona se brzo povećava. Ako pretpostavimo da dinamika rasta ostaje dovoljno duboka, tada će na udaljenostima od 10 -20 m slaba interakcija postati jednaka jakoj. Ali takve udaljenosti još nisu dostupne za eksperimentalna istraživanja.

Slaba interakcija uzrokuje neke procese međusobne konverzije čestica. Na primjer, sigma-plus-hiperon čestica, samo pod utjecajem slabe interakcije, raspada se na proton i neutralni pion, Σ + => p + π 0. Zbog slabe interakcije dolazi do β raspada. Čestice kao što su hiperoni, kaoni, mioni bi bile stabilne u odsustvu slabe interakcije.

d) Gravitaciona interakcija najslabiji. Ali karakteriše ga djelovanje dugog dometa, apsolutna univerzalnost (sva tijela gravitiraju) i isti znak između bilo kojeg para čestica. Ovo posljednje svojstvo dovodi do činjenice da se gravitacijske sile uvijek povećavaju s povećanjem mase tijela. Stoga gravitacija, uprkos svom beznačajnom relativnom intenzitetu, dobija odlučujuću ulogu u interakcijama kosmičkih tela - planeta, zvezda, galaksija.

U svijetu elementarnih čestica uloga gravitacije je zanemarljiva. Stoga se u fizici atoma, jezgra i elementarnih čestica gravitacijska interakcija ne uzima u obzir.

3. Karakteristike elementarnih čestica. Sve do ranih 50-ih godina 20. veka, dok je broj otkrivenih čestica bio relativno mali, za opisivanje čestica korišćene su opšte fizičke veličine - masa m, kinetička energija E, impuls p i jedan kvantni broj - spin s, što je omogućilo suditi o veličini mehaničkih i magnetskih momenata čestica. Za nestabilne čestice, ovdje je dodan prosječan životni vijek τ.

Ali postepeno, u obrascima rađanja i raspadanja određenih čestica, bilo je moguće identificirati neke karakteristike specifične za te čestice. Da bi se označila ova svojstva, morali su biti uvedeni novi kvantni brojevi. Neki od njih su nazvani optužnicama.

Na primjer, pokazalo se da se prilikom raspada teških čestica, na primjer, neutrona, nikada ne dešava da se formiraju samo laki, na primjer, elektroni e - , e + i neutrini. Suprotno tome, kada se sudare elektroni i pozitroni, neutron se ne može dobiti, iako su zakoni održanja energije i impulsa zadovoljeni. Da bi se odrazio ovaj obrazac, uveden je kvantni broj barionskog naboja B. Počeli su vjerovati da takve teške čestice - barioni imaju B = 1, a njihove antičestice B = -1. Za lake čestice B = 0. Kao rezultat, otkriveni obrazac je dobio oblik zakona održanja barionskog naboja.

Slično, za svjetlosne čestice empirijski su uvedeni kvantni brojevi - leptonski naboji L - znaci zabrane nekih transformacija. Složili smo se da pretpostavimo da leptonski naboji L e = +1 za elektrone e - i elektronske neutrine ν e ,L µ = + 1 za negativne mione µ - i mionske neutrine ν µ ,L τ = +1 za negativne taone τ - i taon neutrina v τ . Za odgovarajuće antičestice L= -1. Poput barionskih naboja, leptonski naboji su očuvani u svim interakcijama.

Otkrićem hiperona rođenih u jakim interakcijama pokazalo se da njihov životni vijek nije jednak vremenu leta od 10 -23 s, što je tipično za čestice koje su u jakoj interakciji, već 10 13 puta duže. Ovo je izgledalo neočekivano i čudno i moglo se objasniti samo činjenicom da čestice rođene u jakim interakcijama propadaju u slabim interakcijama. Da bi se odrazilo ovo svojstvo čestica, uvedena je kvantna čudnost broja S. Čudne čestice imaju S = + 1, njihove antičestice imaju S = - 1, a druge čestice imaju S = 0.

Električni naboj Q mikročestica izražava se kroz njihov odnos prema pozitivnom elementarnom naboju e +. Prema tome, električni naboj Q čestica je također cjelobrojni kvantni broj. Za proton Q = + 1, za elektron Q = -1, za neutron, neutrino i druge neutralne čestice Q = 0.

Osim navedenih parametara, elementarne čestice imaju i druge karakteristike koje se ovdje ne razmatraju.

4. Zakoni održanja u fizici čestica mogu se podijeliti u tri grupe: opći zakoni očuvanja, egzaktni zakoni očuvanja naboja i približni zakoni očuvanja.

A . Univerzalni zakoni očuvanja izvode se precizno bez obzira na razmjere pojava - u mikro-, makro- i mega-svijetu. Ovi zakoni slijede iz geometrije prostor-vremena. Homogenost vremena dovodi do zakona održanja energije, homogenost prostora - zakona održanja količine gibanja, izotropija prostora - zakona održanja ugaonog momenta, jednakost ISO - zakona održanja centra inercija. Pored ova 4 zakona, ovo uključuje još dva koja se odnose na simetriju prostora - vrijeme u odnosu na zrcalne refleksije koordinatnih osa. Iz zrcalne simetrije koordinatnih osa proizilazi da su desno-lijeve simetrije prostora identične (zakon održanja parnosti). Zakon povezan sa zrcalnom simetrijom vremena govori o istovjetnosti pojava u mikrokosmosu u odnosu na promjenu predznaka vremena.

b. Tačni zakoni održanja naboja. Svakom fizičkom sistemu dodijeljen je cjelobrojni naboj svake vrste. Svako punjenje je aditivno i očuvano. Postoji 5 takvih naelektrisanja: električni Q, barion B, tri leigonska naelektrisanja - elektron L e, mion L µ ton L τ. Svi naboji su cijeli brojevi i mogu imati pozitivne i negativne vrijednosti nula.

Električni naboj ima dvostruko značenje. On ne predstavlja samo kvantni broj, već je i izvor polja sile. Barionski i leptonski naboji nisu izvori polja sila. Za složeni sistem, ukupni naboj bilo koje vrste jednak je zbiru odgovarajućih naelektrisanja elementarnih čestica uključenih u sistem.

V. Približni zakoni očuvanja ispunjavaju se samo u određenim tipovima fundamentalnih interakcija. Oni se odnose na karakteristike kao što su neobičnost S, itd.

Svi navedeni zakoni očuvanja sumirani su u tabeli 26.2.

5. Čestice i antičestice imaju istu masu, ali su im svi naboji suprotni. Izbor para čestica i antičestica je proizvoljan. Na primjer, u paru elektron + pozitron, složili su se da smatraju elektron e česticom, a pozitron e + antičesticom. Naboji elektrona Q =-1, B = 0, Le = +1, Lµ= 0, Lτ =0. Naboji pozitrona Q = +1, V = 0, Le=-1, Lµ= 0, Lτ =0

Sva naelektrisanja sistema čestica + antičestica jednaka su nuli. Takvi sistemi, u kojima su sva naelektrisanja jednaka nuli, nazivaju se zaista neutralnim. Postoje istinske neutralne i čestice. Postoje dva od njih: γ - kvantni (foton) i η - mezon. Čestice i antičestice su ovde identične.

6. Klasifikacija elementarnih čestica još nije završeno. Jedna od klasifikacija trenutno se zasniva na prosečnom životnom veku τ, masi m, spinu s, pet vrsta naelektrisanja, neobičnosti S i drugim parametrima čestica. Sve čestice su podijeljene u 4 klase.

1. klasu formira jedna čestica - foton. Foton ima nultu masu mirovanja i sva naelektrisanja. Foton nije podložan jakim interakcijama. Njegov spin je 1, što znači da je statistički bozon.

Klasu 2 formiraju leptoni. To su lake čestice sa nultim barionskim nabojem. Svaka čestica - laptop - ima jedno od svojih lenton naboja koje nije jednako nuli. Leptoni nisu podložni jakim interakcijama. Spin svih leptona je 1/2, odnosno, prema statistici, oni su fermioni.

Treću klasu čine mezoni. To su čestice sa nula barionskih i leptonskih naboja koje učestvuju u jakim interakcijama. Svi mezoni imaju cjelobrojni spin, odnosno, prema statistici, oni su bozoni.

Četvrta klasa se sastoji od bariona. To su teške čestice sa nenultim barionskim nabojem B ≠ O i sa nula leptonskih naboja, Le,Lµ,Lτ = 0. Imaju polucijeli spin (fermioni) i učestvuju u jakim interakcijama. Zbog sposobnosti čestica 3. i 4. klase da učestvuju u jakim interakcijama, nazivaju se i hadronima.

Tabela 26.3 prikazuje dobro poznate čestice - ne rezonancije sa njihovim glavnim karakteristikama. Date su čestice i antičestice. Prave neutralne čestice, koje nemaju antičestice, postavljaju se u sredinu kolone. Imena su data samo za čestice. Odgovarajuća antičestica se dobija jednostavnim dodavanjem prefiksa “anti” imenu čestice. Na primjer, proton - antiproton, neutron - antineutron.

Antielektron e + ima istorijski naziv pozitron. U odnosu na nabijene pione i kaone, termin "antičestica" se praktično ne koristi. Razlikuju se samo po električnom naboju, pa jednostavno govore o pozitivnim ili negativnim ionima i kaonima.

Gornji predznak naboja odnosi se na česticu, a donji na antičesticu. Na primjer, za par elektron - pozitron Le = ± 1. To znači da elektron ima Le = + 1, a pozitron Le = -1.

U tabeli se koriste sljedeće oznake: Q - električni naboj, B barionski naboj Le, Lµ, Lτ - respektivno, elektron, mion, taonski leptopski naboj, S - neobičnost, s - spin, τ - prosječni životni vijek.

Masa mirovanja m je data u megaelektronvoltima. Iz relativističke jednačine mc 2 =eU slijedi m=eU/c 2 . Energija čestice od 1 MeV odgovara masi m=eU/c 2 =1,6 *10 -19 /9*10 16 =17,71*10 -31 kg. Radi se o dvije mase elektrona. Podijelimo sa masom elektrona m e = 9,11*10 -31 kg, dobijemo m = 1,94 m e.

Masa elektrona, izražena kao energija, je m e =0,511 MeV.

7. Kvarkov model adrona. Hadroni su elementarne čestice koje učestvuju u snažnim interakcijama. To su mezoni i barioni. Amerikanci Murray Gell-Mann i George Zweig su 1964. godine postavili hipotezu da se struktura i svojstva hadrona mogu bolje razumjeti uz pretpostavku da su hadroni sastavljeni od fundamentalnijih čestica, koje je Gell-Mann nazvao kvarkovi. Hipoteza kvarka se pokazala vrlo plodnom i sada je općeprihvaćena.

Broj navodnih kvarkova stalno raste. Do danas je najbolje proučeno 5 varijanti (aroma) kvarkova: kvark u mase m u = 5 MeV, kvark d mase m d = 7 MeV, kvark s sa ms = 150 MeV, kvark c sa mc = 1300 MeV i kvark b sa mb=5000 MeV. Svaki kvark ima svoj antikvark.

Svi navedeni kvarkovi imaju isti spin 1/2 i isti barionski naboj B = 1/3. Kvarkovi u, c imaju delimični pozitivan naboj Q = + 2/3, kvarkovi d, s, b imaju

frakcioni negativni naboj Q = - 1/3. Kvark s je nosilac neobičnosti, kvark c je nosilac šarma, a kvark b je nosilac lepote (tabela 26.4).

Svaki adron se može predstaviti kao kombinacija nekoliko kvarkova. Kvantni brojevi Q, B, S adrona dobijaju se kao zbir odgovarajućih brojeva kvarkova koji čine adron. Ako dva identična kvarka uđu u hadron, njihovi spinovi su suprotni.

Barioni imaju polucijeli spin, tako da se mogu sastojati od neparnog broja kvarkova. Na primjer, proton se sastoji od tri kvarka, p => uud. Električni naboj protona Q =+ 2/3+2/3 – 1/3 = 1, barionski naboj protona B = 1/3+ 1/3 + 1/3 = 1, neobičnost S = O, spin s = 1/2 – 1/2 +1/2=1/2.

Neutron se takođe sastoji od tri kvarka, n => udd. Q =2/3-1/3- 1/3 =O, B = 1/3+1/3+1/3=1, S = 0, s = 1/2 – 1/2 + 1/2 = 1/2. Kombinacija tri kvarka može se koristiti za predstavljanje sljedećih bariona: Λ 0 (uds), Σ + (uus), Σ 0 (uds), Σ - (dds), Ξ 0 (uss), Ξ - (dss), Ω - (sss) a°(uss). U potonjem slučaju, spinovi svih kvarkova su usmjereni u istom smjeru. Stoga Ω - - hiperon ima spin 3/2.

Antičestice bariona nastaju od odgovarajućih antikvarkova.

Mezoni se sastoje od bilo koja dva kvarka i antikvarka. Na primjer, pozitivni pion je π + (ud). Njegov naboj je Q = +2/3- (-1/3) = 1, B = 1/3-1/3= O, S = 0, spin 1/2 – 1/2= 0.

Model kvarka pretpostavlja da kvarkovi postoje unutar hadrona, ali iskustvo pokazuje da oni ne mogu pobjeći od hadrona. Ali barem na onim energijama koje se mogu postići modernim akceleratorima. Postoji velika vjerovatnoća da kvarkovi uopće ne mogu postojati u slobodnom stanju.

Moderna fizika visokih energija vjeruje da se interakcija između kvarkova odvija preko posebnih čestica - gluona. Masa mirovanja gluona je nula, spin je jednak jedinici. Moguće je da postoji desetak različitih vrsta gluona.

Ove tri čestice (kao i druge opisane u nastavku) se međusobno privlače i odbijaju u skladu sa svojim optužbe, kojih postoje samo četiri vrste prema broju fundamentalnih sila prirode. Naelektrisanja se mogu rasporediti u opadajućem redosledu odgovarajućih sila na sledeći način: naboj u boji (sile interakcije između kvarkova); električni naboj (električne i magnetske sile); slabo naelektrisanje (sile u nekim radioaktivnim procesima); konačno, masa (gravitaciona sila, ili gravitaciona interakcija). Riječ "boja" ovdje nema nikakve veze sa bojom vidljive svjetlosti; to je jednostavno karakteristika jakog naboja i najvećih sila.

Naplate su sačuvani, tj. naboj koji ulazi u sistem jednak je naboju koji ga napušta. Ako je ukupan električni naboj određenog broja čestica prije njihove interakcije jednak, recimo, 342 jedinice, onda će nakon interakcije, bez obzira na njen rezultat, biti jednak 342 jedinice. Ovo se odnosi i na druga naelektrisanja: boja (jako interakcijsko naelektrisanje), slaba i masa (masa). Čestice se razlikuju po svom naboju: u suštini, one „jesu“ ti naboji. Optužbe su kao “potvrda” o pravu na odgovor odgovarajućoj sili. Dakle, samo na obojene čestice djeluju sile boje, samo na električno nabijene čestice djeluju električne sile, itd. Svojstva čestice određuju najveća sila koja na nju djeluje. Samo su kvarkovi nosioci svih naboja i stoga su podložni dejstvu svih sila, među kojima je dominantna boja. Elektroni imaju sve naboje osim boje, a dominantna sila za njih je elektromagnetna sila.

Najstabilnije u prirodi su po pravilu neutralne kombinacije čestica u kojima se naboj čestica jednog znaka kompenzira ukupnim nabojem čestica drugog znaka. Ovo odgovara minimalnoj energiji cijelog sistema. (Na isti način, dva magneta sa šipkama su raspoređena u liniji, pri čemu je sjeverni pol jednog okrenut prema južnom polu drugog, što odgovara minimalnoj energiji magnetskog polja.) Gravitacija je izuzetak od ovog pravila: negativna masa ne postoji. Ne postoje tijela koja padaju nagore.

VRSTE MATERIJA

Obična materija je formirana od elektrona i kvarkova, grupiranih u objekte neutralne boje, a zatim i električnog naboja. Snaga boje je neutralizirana, kao što će biti detaljnije razmotreno u nastavku, kada se čestice kombiniraju u trojke. (Odavde i sam izraz „boja” preuzet iz optike: tri primarne boje kada se pomešaju daju belu.) Dakle, kvarkovi za koje je jačina boje glavna formiraju trojke. Ali kvarkovi, i oni se dijele na u-kvarkovi (od engleskog gore - vrh) i d-kvarkovi (od engleskog down - bottom), takođe imaju električni naboj jednak u-kvark i za d-kvark. Dva u-kvark i jedan d-kvarkovi daju električni naboj od +1 i formiraju proton, i jedan u-kvark i dva d-kvarkovi daju nulti električni naboj i formiraju neutron.

Stabilni protoni i neutroni, privučeni jedni drugima rezidualnim silama boja interakcije između njihovih sastavnih kvarkova, formiraju atomsko jezgro neutralno u boji. Ali jezgre nose pozitivan električni naboj i, privlačeći negativne elektrone koji kruže oko jezgre poput planeta koje kruže oko Sunca, teže formiranju neutralnog atoma. Elektroni u svojim orbitama uklanjaju se iz jezgra na udaljenostima desetinama hiljada puta većim od radijusa jezgra - dokaz da su električne sile koje ih drže mnogo slabije od nuklearnih. Zahvaljujući snazi ​​interakcije boja, 99,945% mase atoma sadržano je u njegovom jezgru. Težina u- I d-kvarkovi su oko 600 puta veći od mase elektrona. Stoga su elektroni mnogo lakši i pokretljiviji od jezgara. Njihovo kretanje u materiji uzrokovano je električnim fenomenima.

Postoji nekoliko stotina prirodnih varijanti atoma (uključujući izotope), koji se razlikuju po broju neutrona i protona u jezgri i, shodno tome, po broju elektrona u svojim orbitama. Najjednostavniji je atom vodika, koji se sastoji od jezgre u obliku protona i jednog elektrona koji se okreće oko njega. Sva “vidljiva” materija u prirodi sastoji se od atoma i djelomično “rastavljenih” atoma, koji se nazivaju ioni. Joni su atomi koji su, izgubivši (ili stekli) nekoliko elektrona, postali nabijene čestice. Materija koja se gotovo u potpunosti sastoji od jona naziva se plazma. Zvijezde koje gore zbog termonuklearnih reakcija koje se dešavaju u centrima sastoje se uglavnom od plazme, a kako su zvijezde najčešći oblik materije u Univerzumu, možemo reći da se cijeli Univerzum sastoji uglavnom od plazme. Tačnije, zvijezde su pretežno potpuno jonizirani vodonik, tj. mješavina pojedinačnih protona i elektrona, pa se stoga gotovo cijeli vidljivi Univerzum sastoji od nje.

Ovo je vidljiva materija. Ali u Univerzumu postoji i nevidljiva materija. A postoje i čestice koje se ponašaju kao nosioci sile. Postoje antičestice i pobuđena stanja nekih čestica. Sve to dovodi do očigledno prevelikog obilja „elementarnih“ čestica. U ovom obilju može se pronaći indikacija stvarne, prave prirode elementarnih čestica i sila koje djeluju između njih. Prema najnovijim teorijama, čestice mogu biti suštinski prošireni geometrijski objekti – „žice” u desetodimenzionalnom prostoru.

Nevidljivi svijet.

U Univerzumu ne postoji samo vidljiva materija (već i crne rupe i “tamna materija”, kao što su hladne planete koje postaju vidljive kada su osvijetljene). Postoji i zaista nevidljiva materija koja svake sekunde prožima sve nas i cijeli Univerzum. To je gas koji se brzo kreće od čestica jedne vrste - elektronskih neutrina.

Elektronski neutrino je partner elektrona, ali nema električni naboj. Neutrini nose samo takozvani slab naboj. Njihova masa mirovanja je, po svoj prilici, nula. Ali oni su u interakciji sa gravitacionim poljem jer imaju kinetičku energiju E, što odgovara efektivnoj masi m, prema Ajnštajnovoj formuli E = mc 2 gdje c– brzina svetlosti.

Ključna uloga neutrina je da doprinosi transformaciji I-kvarkovi unutra d-kvarkovi, usled kojih se proton pretvara u neutron. Neutrini djeluju kao "igla karburatora" za reakcije fuzije zvijezda, u kojima se četiri protona (jezgra vodika) kombinuju i formiraju jezgro helijuma. Ali kako se jezgro helija ne sastoji od četiri protona, već od dva protona i dva neutrona, za takvu nuklearnu fuziju potrebno je da dva I-kvarkovi su se pretvorili u dva d-kvark. Intenzitet transformacije određuje koliko će brzo zvijezde gorjeti. A proces transformacije je određen slabim nabojem i slabim interakcijskim silama između čestica. Gde I-kvark (električni naboj +2/3, slab naboj +1/2), u interakciji sa elektronom (električni naboj - 1, slab naboj -1/2), formira se d-kvark (električni naboj –1/3, slab naboj –1/2) i elektronski neutrino (električni naboj 0, slab naboj +1/2). Naboji u boji (ili samo boje) dva kvarka se poništavaju u ovom procesu bez neutrina. Uloga neutrina je da odnese nekompenzirani slab naboj. Stoga, brzina transformacije zavisi od toga koliko su slabe sile slabe. Da su slabije nego što jesu, zvijezde uopće ne bi gorjele. Da su jače, zvijezde bi odavno izgorjele.

Šta je sa neutrinima? Pošto ove čestice izuzetno slabo komuniciraju sa drugim materijama, one skoro odmah napuštaju zvezde u kojima su rođene. Sve zvijezde sijaju, emituju neutrine, a neutrini sijaju kroz naša tijela i cijelu Zemlju danju i noću. Tako lutaju Univerzumom dok ne uđu, možda, u novu interakciju STAR).

Nosioci interakcija.

Šta uzrokuje sile koje djeluju između čestica na udaljenosti? Moderna fizika odgovara: zbog razmjene drugih čestica. Zamislite dva brza klizača koji bacaju loptu unaokolo. Dajući zamah loptici kada je bačena i primajući zamah primljenom loptom, oboje dobijaju guranje u smjeru daleko jedan od drugog. Ovo može objasniti pojavu odbojnih sila. Ali u kvantnoj mehanici, koja razmatra pojave u mikrosvijetu, dozvoljeno je neobično rastezanje i delokalizacija događaja, što dovodi do naizgled nemogućeg: jedan od klizača baca loptu u smjeru od drugačiji, ali taj ipak Možda uhvati ovu loptu. Nije teško zamisliti da bi, kada bi to bilo moguće (a u svijetu elementarnih čestica moguće), među klizačima nastala privlačnost.

Čestice, zbog čije razmjene djeluju sile interakcije između četiri "čestice materije" o kojima smo gore govorili, nazivaju se mjernim česticama. Svaka od četiri interakcije – jaka, elektromagnetna, slaba i gravitaciona – ima svoj skup mjernih čestica. Nosioci snažne interakcije su gluoni (ima ih samo osam). Foton je nosilac elektromagnetne interakcije (postoji samo jedan, a fotone doživljavamo kao svjetlost). Čestice nosača slabe interakcije su srednji vektorski bozoni (otkriveni su 1983. i 1984. W + -, W- - bozoni i neutralni Z-bozon). Nositelj gravitacijske interakcije je još uvijek hipotetički graviton (trebao bi biti samo jedan). Sve te čestice, osim fotona i gravitona, koji mogu putovati na beskonačno velike udaljenosti, postoje samo u procesu razmjene između materijalnih čestica. Fotoni ispunjavaju Univerzum svjetlošću, a gravitoni ispunjavaju svemir gravitacijskim valovima (još nisu pouzdano otkriveni).

Za česticu sposobnu da emituje merne čestice se kaže da je okružena odgovarajućim poljem sila. Tako su elektroni sposobni da emituju fotone okruženi električnim i magnetskim poljima, kao i slabim i gravitacionim poljima. Kvarkovi su takođe okruženi svim ovim poljima, ali i jakim interakcijskim poljem. Na čestice sa nabojem boje u polju sila boja utiče sila boje. Isto važi i za druge sile prirode. Stoga možemo reći da se svijet sastoji od materije (materijalne čestice) i polja (mjerne čestice). Više o tome u nastavku.

Antimaterija.

Svaka čestica ima antičesticu, sa kojom se čestica može međusobno anihilirati, tj. "poništiti", što rezultira oslobađanjem energije. “Čista” energija sama po sebi, međutim, ne postoji; Kao rezultat anihilacije pojavljuju se nove čestice (na primjer, fotoni) koje odnose ovu energiju.

U većini slučajeva, antičestica ima svojstva suprotna od odgovarajuće čestice: ako se čestica kreće ulijevo pod utjecajem jakog, slabog ili elektromagnetnog polja, tada će se njena antičestica pomjeriti udesno. Ukratko, antičestica ima suprotne predznake svih naboja (osim naboja mase). Ako je čestica kompozitna, kao što je neutron, onda se njena antičestica sastoji od komponenti sa suprotnim predznacima naelektrisanja. Dakle, antielektron ima električni naboj od +1, slab naboj od +1/2 i naziva se pozitron. Antineutron se sastoji od I-antikvarkovi sa električnim nabojem –2/3 i d-antikvarkovi sa električnim nabojem +1/3. Prave neutralne čestice su sopstvene antičestice: antičestica fotona je foton.

Prema savremenim teorijskim konceptima, svaka čestica koja postoji u prirodi treba da ima svoju antičesticu. I mnoge antičestice, uključujući pozitrone i antineutrone, zaista su dobijene u laboratoriji. Posljedice ovoga su izuzetno važne i leže u osnovi cijele eksperimentalne fizike čestica. Prema teoriji relativnosti, masa i energija su ekvivalentne, a pod određenim uslovima energija se može pretvoriti u masu. Budući da je naboj očuvan, a naboj vakuuma (prazan prostor) jednak nuli, bilo koji par čestica i antičestica (sa nultim neto nabojem) mogu izaći iz vakuuma, kao zečevi iz mađioničarskog šešira, sve dok je energija dovoljna da stvaraju svoju masu.

Generacije čestica.

Eksperimenti na akceleratorima su pokazali da se kvartet materijalnih čestica ponavlja najmanje dva puta pri većim vrijednostima mase. U drugoj generaciji, mjesto elektrona zauzima mion (sa masom približno 200 puta većom od mase elektrona, ali sa istim vrijednostima svih ostalih naboja), mjesto elektronskog neutrina je uzeti mion (koji prati mion u slabim interakcijama na isti način kao što je elektron u pratnji elektrona neutrina), mjesto I-kvark zauzima With-kvark ( očarani), A d-kvark – s-kvark ( čudno). U trećoj generaciji, kvartet se sastoji od tau leptona, tau neutrina, t-kvark i b-kvark.

Težina t- kvark je oko 500 puta veći od mase najlakšeg – d-kvark. Eksperimentalno je utvrđeno da postoje samo tri vrste lakih neutrina. Dakle, četvrta generacija čestica ili uopšte ne postoji, ili su odgovarajući neutrini veoma teški. Ovo je u skladu sa kosmološkim podacima, prema kojima ne može postojati više od četiri tipa lakih neutrina.

U eksperimentima s česticama visoke energije, elektron, mion, tau lepton i odgovarajući neutrini djeluju kao izolirane čestice. Oni ne nose naboj u boji i ulaze samo u slabe i elektromagnetne interakcije. Zajedno se zovu leptons.

Tabela 2. GENERACIJE FUNDAMENTALNIH ČESTICA
Particle	Masa mirovanja, MeV/ With 2	Električno punjenje	Naboj u boji	Slabo punjenje
DRUGA GENERACIJA
With-kvark	1500	+2/3	Crvena, zelena ili plava	+1/2
s-kvark	500	–1/3	Isto	–1/2
Muonski neutrino		0	0	+1/2
Muon	106	0	0	–1/2
TREĆA GENERACIJA
t-kvark	30000–174000	+2/3	Crvena, zelena ili plava	+1/2
b-kvark	4700	–1/3	Isto	–1/2
Tau neutrino		0	0	+1/2
Tau	1777	–1	0	–1/2

Kvarkovi se, pod uticajem sila boja, kombinuju u čestice koje su u jakoj interakciji koje dominiraju većinom eksperimenata fizike visokih energija. Takve čestice se nazivaju hadrona. Oni uključuju dvije podklase: barioni(kao što su proton i neutron), koji se sastoje od tri kvarka, i mezoni, koji se sastoji od kvarka i antikvarka. Godine 1947. otkriven je prvi mezon, nazvan pion (ili pi-mezon), u kosmičkim zracima, a neko vrijeme se vjerovalo da je izmjena ovih čestica glavni uzrok nuklearnih sila. Omega-minus hadroni, otkriveni 1964. u Brookhaven National Laboratory (SAD), i JPS čestica ( J/y-meson), otkriven istovremeno u Brookhavenu i u Centru za linearne akceleratore Stanford (takođe u SAD) 1974. Postojanje omega minus čestice predvidio je M. Gell-Mann u svojoj tzv. S.U. 3 teorija" (drugi naziv je "osmostruka staza"), u kojoj je prvi put sugerisana mogućnost postojanja kvarkova (i ovo ime im je dato). Deceniju kasnije, otkriće čestice J/y potvrdili postojanje With-kvark i konačno natjerao sve da povjeruju i u model kvarka i u teoriju koja je ujedinila elektromagnetne i slabe sile ( vidi ispod).

Čestice druge i treće generacije nisu ništa manje stvarne od prve. Istina, nakon što su nastali, u milionitim ili milijardnim dijelovima sekunde se raspadaju na obične čestice prve generacije: elektron, elektronski neutrino, a također I- I d-kvarkovi. Pitanje zašto u prirodi postoji nekoliko generacija čestica i dalje ostaje misterija.

Često se govori o različitim generacijama kvarkova i leptona (što je, naravno, pomalo ekscentrično) kao o različitim „ukusima“ čestica. Potreba da se oni objasne naziva se problemom "ukusa".

BOZONI I FERMIONI, POLJE I MATERIJA

Jedna od fundamentalnih razlika između čestica je razlika između bozona i fermiona. Sve čestice su podijeljene u ove dvije glavne klase. Identični bozoni se mogu preklapati ili preklapati, ali identični fermioni ne mogu. Superpozicija se javlja (ili se ne događa) u diskretnim energetskim stanjima na koja kvantna mehanika dijeli prirodu. Ova stanja su poput zasebnih ćelija u koje se mogu smjestiti čestice. Dakle, možete staviti koliko god identičnih bozona želite u jednu ćeliju, ali samo jedan fermion.

Kao primjer, uzmite u obzir takve ćelije ili "stanja" za elektron koji kruži oko jezgre atoma. Za razliku od planeta Sunčevog sistema, prema zakonima kvantne mehanike, elektron ne može da kruži ni po jednoj eliptičnoj orbiti; za njega postoji samo diskretna serija dozvoljenih „stanja kretanja“. Skupovi takvih stanja, grupirani prema udaljenosti od elektrona do jezgra, nazivaju se orbitale. U prvoj orbitali postoje dva stanja sa različitim ugaonim momentom i, prema tome, dvije dozvoljene ćelije, a u višim orbitalama ima osam ili više ćelija.

Pošto je elektron fermion, svaka ćelija može sadržavati samo jedan elektron. Iz toga proizlaze vrlo važne posljedice - sva hemija, jer su hemijska svojstva supstanci određena interakcijama između odgovarajućih atoma. Ako prođete kroz periodični sistem elemenata od jednog atoma do drugog po redoslijedu povećanja broja protona u jezgru za jedan (shodno tome će se povećati i broj elektrona), tada će prva dva elektrona zauzeti prvu orbitalu, sljedećih osam će se nalaziti u drugom, itd. Ova dosljedna promjena u elektronskoj strukturi atoma od elementa do elementa određuje obrasce u njihovim hemijskim svojstvima.

Ako bi elektroni bili bozoni, onda bi svi elektroni u atomu mogli zauzeti istu orbitalu, što odgovara minimalnoj energiji. U ovom slučaju, svojstva sve materije u Univerzumu bila bi potpuno drugačija, a Univerzum u onom obliku u kojem poznajemo bio bi nemoguć.

Svi leptoni - elektron, mion, tau lepton i njihovi odgovarajući neutrini - su fermioni. Isto se može reći i za kvarkove. Dakle, sve čestice koje formiraju "materiju", glavni punilac Univerzuma, kao i nevidljivi neutrini, su fermioni. Ovo je prilično značajno: fermioni se ne mogu kombinovati, pa se isto odnosi i na objekte u materijalnom svijetu.

Istovremeno, sve „čestice merila” koje se razmenjuju između čestica materijala u interakciji i koje stvaraju polje sila ( vidi gore), su bozoni, što je takođe veoma važno. Tako, na primjer, mnogi fotoni mogu biti u istom stanju, formirajući magnetsko polje oko magneta ili električno polje oko električnog naboja. Zahvaljujući tome, laser je takođe moguć.

Spin.

Razlika između bozona i fermiona povezana je sa još jednom karakteristikom elementarnih čestica - spin. Iznenađujuće, sve fundamentalne čestice imaju svoj ugaoni moment ili, jednostavnije rečeno, rotiraju oko svoje ose. Ugao impulsa je karakteristika rotacionog kretanja, baš kao i ukupni impuls translatornog kretanja. U bilo kojoj interakciji, ugaoni moment i impuls su očuvani.

U mikrokosmosu, ugaoni moment je kvantizovan, tj. uzima diskretne vrijednosti. U odgovarajućim mjernim jedinicama leptoni i kvarkovi imaju spin od 1/2, a mjerne čestice imaju spin od 1 (osim gravitona, koji još nije eksperimentalno uočen, ali bi teoretski trebao imati spin od 2). Pošto su leptoni i kvarkovi fermioni, a merne čestice bozoni, možemo pretpostaviti da je “fermioničnost” povezana sa spinom 1/2, a “bozoničnost” je povezana sa spinom 1 (ili 2). Zaista, i eksperiment i teorija potvrđuju da ako čestica ima polucijeli spin, onda je to fermion, a ako ima cjelobrojni spin, onda je to bozon.

TEORIJE I GEOMETRIJA GAUGE

U svim slučajevima, sile nastaju zbog razmjene bozona između fermiona. Dakle, sila boje interakcije između dva kvarka (kvarkova - fermiona) nastaje zbog razmjene gluona. Slična razmjena se stalno događa u protonima, neutronima i atomskim jezgrama. Slično, fotoni koji se razmjenjuju između elektrona i kvarkova stvaraju električne privlačne sile koje drže elektrone u atomu, a srednji vektorski bozoni koji se razmjenjuju između leptona i kvarkova stvaraju slabe sile odgovorne za pretvaranje protona u neutrone u termonuklearnim reakcijama u zvijezdama.

Teorija iza ove razmjene je elegantna, jednostavna i vjerovatno tačna. To se zove teorija merača. Ali trenutno postoje samo nezavisne mjerne teorije jakih, slabih i elektromagnetnih interakcija i slična, iako nešto drugačija, mjerna teorija gravitacije. Jedan od najvažnijih fizičkih problema je svođenje ovih pojedinačnih teorija u jednu i istovremeno jednostavnu teoriju, u kojoj bi sve one postale različiti aspekti jedne stvarnosti – poput lica kristala.

Tabela 3. NEKI HADRONI

Tabela 3. NEKI HADRONI
Particle	Simbol	Sastav kvarka *	masa odmora, MeV/ With 2	Električno punjenje
BARIONS
Proton	str	uud	938	+1
Neutron	n	udd	940	0
Omega minus	W –	sss	1672	–1
MESONS
Pi-plus	str +	u	140	+1
Pi minus	str –	du	140	–1
Fi	f	sê	1020	0
JP	J/y	cŭ	3100	0
Upsilon	Ў	b	9460	0
* Sastav kvarka: u– vrh; d- niže; s- čudno; c– začarana; b- Divno. Antikviteti su označeni linijom iznad slova.

Najjednostavnija i najstarija teorija merača je merač teorija elektromagnetne interakcije. U njemu se naboj jednog elektrona upoređuje (kalibrira) sa nabojem drugog elektrona koji je udaljen od njega. Kako možete uporediti troškove? Možete, na primjer, približiti drugi elektron prvom i uporediti njihove interakcijske sile. Ali zar se naboj elektrona ne mijenja kada se pomakne u drugu tačku u svemiru? Jedini način da provjerite je da pošaljete signal od bliskog elektrona do udaljenog i vidite kako će reagirati. Signal je mjerna čestica – foton. Da bismo mogli testirati naboj na udaljenim česticama, potreban je foton.

Matematički, ova teorija je izuzetno tačna i lijepa. Iz gore opisanog „principa mjerača“ proizilazi sva kvantna elektrodinamika (kvantna teorija elektromagnetizma), kao i Maxwellova teorija elektromagnetnog polja – jedno od najvećih naučnih dostignuća 19. stoljeća.

Zašto je tako jednostavan princip tako plodonosan? Očigledno, izražava određenu korelaciju između različitih dijelova Univerzuma, omogućavajući mjerenja u Univerzumu. U matematičkom smislu, polje se tumači geometrijski kao zakrivljenost nekog zamislivog „unutrašnjeg“ prostora. Mjerenje naboja je mjerenje ukupne "unutrašnje zakrivljenosti" oko čestice. Mjerne teorije jake i slabe interakcije razlikuju se od teorije elektromagnetnih mjerača samo po unutrašnjoj geometrijskoj „strukturi“ odgovarajućeg naboja. Na pitanje gdje se tačno nalazi ovaj unutrašnji prostor, nastoje se odgovoriti multidimenzionalnim unificiranim teorijama polja, o kojima se ovdje ne govori.

Tabela 4. FUNDAMENTALNE INTERAKCIJE
Interakcija	Relativni intenzitet na udaljenosti od 10–13 cm	Radijus djelovanja	Nositelj interakcije	Masa mirovanja nosioca, MeV/ With 2	Okrenite nosač
Jaka	1		Gluon	0	1
elektro- magnetna	0,01	Ґ	Photon	0	1
Slabo	10 –13		W +	80400	1
			W –	80400	1
			Z 0	91190	1
gravita- tional	10 –38	Ґ	Graviton	0	2

Fizika čestica još nije završena. Još uvijek je daleko od jasnog da li su dostupni podaci dovoljni za potpuno razumijevanje prirode čestica i sila, kao i prave prirode i dimenzije prostora i vremena. Da li su nam za to potrebni eksperimenti sa energijama od 10 15 GeV ili će napor misli biti dovoljan? Još nema odgovora. Ali možemo s povjerenjem reći da će konačna slika biti jednostavna, elegantna i lijepa. Moguće je da neće biti toliko fundamentalnih ideja: princip kalibra, prostori viših dimenzija, kolaps i ekspanzija i, prije svega, geometrija.

13.1. Koncept "elementarnih čestica"

U tačnom značenju pojma "elementarni" su primarne nedjeljive najjednostavnije čestice bez unutrašnje strukture koje čine materiju.

Do 1932. godine bile su poznate četiri vrste čestica: elektroni, protoni, neutroni i fotoni. Ove čestice (sa izuzetkom fotona) su zaista sastojci vidljive materije.

Do 1956. godine već je otkriveno oko 30 elementarnih čestica. Tako su u sklopu kosmičkog zračenja otkriveni pozitroni (1932), mioni (1936), p(pi) - mezoni (1947), čudne čestice K (ka) - mezoni i hiperoni. Kasnija otkrića u ovoj oblasti napravljena su uz pomoć velikih akceleratora koji česticama prenose energije reda stotina i hiljada MeV. Tako su antiprotoni (1955.) i antineutroni (1956.), teški hiperoni i rezonancije (60-e), "začarane" i "ljupke" čestice (70-e), t(tau) - lepton (1975.), n(upsilon) - čestica sa masa od desetak (!) masa protona, “lijepe” čestice (1981), srednji vektorski bozoni (1983). Sada je poznato nekoliko stotina čestica i njihov broj i dalje raste.

Zajedničko svojstvo svih ovih elementarnih čestica je da su oni specifični oblici postojanja materije koja nije povezana u jezgre i atome. Iz tog razloga, termin „ subnuklearne čestice". Većina ovih čestica ne zadovoljava strogu definiciju elementarnosti, budući da su (prema modernim konceptima) kompozitni sistemi, odnosno imaju unutrašnju strukturu. Međutim, u skladu sa ustaljenom praksom, termin „elementarne čestice” je zadržan. Čestice koje tvrde da su primarni elementi materije (na primjer, elektroni) nazivaju se “ zaista elementarno".

13.1.1. Osnovna svojstva elementarnih čestica

Sve elementarne čestice imaju vrlo male mase: od 10 -22 (za međubozone) do ~ 10 -27 (za elektrone). Najlakše čestice su neutrini (pretpostavlja se da je njegova masa 10 hiljada puta manja od mase elektrona). Veličina elementarnih čestica je takođe izuzetno mala: od 10 -13 cm (za hadrone) do< 10 -16 см у электронов и мюонов.

Mikroskopske mase i veličine određuju kvantna specifičnost ponašanje elementarnih čestica. Najvažnije kvantno svojstvo je sposobnost da se rađa i uništava (emituje i apsorbuje) pri interakciji sa drugim česticama.

Većina elementarnih čestica nestabilno: rođeni u kosmičkim zracima ili akceleratorima, žive djelić sekunde, a zatim propadaju. Mjera stabilnosti čestica je prosječni životni vijek t. Elektron, proton, foton i neutrino - apsolutno stabilne čestice(t®¥), u svakom slučaju, njihov raspad nije eksperimentalno otkriven. Neutron kvazi-stabilan(t=(898±16)s. Postoje grupe nestabilnih čestica sa prosječnim vijekom trajanja od 10 -6, 10 -8, 10 -10, 10 -13, 10 -16, 10 -20 s. Najviše krotke žive čestice su rezonancije : t~(10 -22 ¸10 -23)s.

Zajedničke karakteristike elementarnih čestica su također spin, električni naboj q i intrinzični magnetni moment. Spin se obično izražava u jedinicama i uzima samo cjelobrojne ili polucijele vrijednosti. Određuje broj mogućih spinskih stanja čestice, kao i vrstu statistike kojoj su te čestice podložne. Prema ovom kriteriju, sve čestice se dijele na fermioni(čestice sa polucijelim spinom) i bozoni(čestice sa celobrojnim spinom). Električni naboj čestice je cjelobrojni višekratnik elementarnog naboja |e| = 1,6 × 10 -19 Cl. Za poznate elementarne čestice, električni naboj u jedinicama e poprima sljedeće vrijednosti: q = 0, ±1, ±2. Čestice sa delimičnim nabojem - kvarkovi- ne pojavljuju se u slobodnom stanju (vidi tačku 5.3.2).

Unutarnji magnetni moment karakterizira interakciju čestice u mirovanju s vanjskim magnetnim poljem. Vektori i

paralelno ili antiparalelno.

Pored navedenih, elementarne čestice karakterišu i brojne kvantne karakteristike, koje se nazivaju „unutrašnjim“ (leptonski naboj, barionski naboj, neobičnost, itd.).

13.1.2 Čestice i antičestice

Skoro svaka čestica odgovara antičestica- čestica iste mase, vijeka trajanja, spina; njihove ostale karakteristike su jednake po veličini, ali suprotne po predznaku (električni naboj, magnetni moment, unutrašnje kvantne karakteristike). Neke čestice (na primjer, foton) nemaju nikakve unutrašnje kvantne brojeve i stoga su identične svojim antičesticama - to je prave neutralne čestice.

Zaključak o postojanju antičestica prvi je donio P. Dirac (1930). Izveo je relativističku kvantnu jednačinu koja opisuje stanje čestice sa polucijelim spinom. Za slobodnu česticu, Diracova jednačina dovodi do relativističkog odnosa između momenta (p), energije (E) i mase (m) čestice:

Za elektron koji miruje (p e =0), mogući su sljedeći energetski nivoi: I , energetski opseg "zabranjeno".

U kvantnoj teoriji polja, stanje čestice sa negativnom energijom tumači se kao stanje antičestice, koja ima pozitivnu energiju, ali suprotan električni naboj. Svi mogući negativni energetski nivoi su ispunjeni, ali nisu vidljivi. Foton sa energijom je sposoban da prebaci elektron iz stanja sa negativnom energijom u stanje sa pozitivnom energijom (vidi sliku 5.1) - elektron postaje vidljiv.