Elementární částice a jejich hlavní charakteristiky. Stabilní elementární částice Další existující a hypotetické částice

1. Elementární částice- jedná se o mikroobjekty, jejichž rozměry nepřesahují velikost atomových jader. Mezi elementární částice patří protony, neutrony, elektrony, mezony, neutrina, fotony atd.

Výraz elementární částice by neměl být chápán jako bezstrukturní částice neschopné transformace. Jak se věda vyvíjí, obsah jakéhokoli vědeckého termínu se postupně vzdaluje od své etymologie. Atom tak zůstal v myslích lidí nedělitelný až do svého vzniku na začátku 19. chemický atomismus V moderním vědeckém poznání je atom komplexní dynamický systém schopný různých přeskupení. Stejně tak elementární částice, když jsou objevovány jejich nové vlastnosti, odhalují stále složitější strukturu.

Nejdůležitější vlastností elementárních částic je jejich schopnost rodit se a přeměňovat se jedna v druhou při srážkách. Aby k takovým procesům došlo, je nutné, aby srážející se částice měly vysokou energii. Fyzika částic se proto také nazývá fyzika vysokých energií.

Podle doby života se všechny elementární částice dělí do tří skupin: stabilní, nestabilní a rezonance.

Stabilní částice existují ve volném stavu po neomezenou dobu.Takovýchto částic je pouze 11: proton p, elektron e, elektronové neutrino ν 0, mionové neutrino νμ, taun neutrino ντ, jejich antičástice p, e, ν e, νμ, ντ a plus foton γ. Experimentální důkaz spontánního rozpadu těchto částic je stále neznámý.

Nestabilní částice mají průměrnou životnost τ. což je velmi velké v porovnání s charakteristickým časem jaderného letu 10 -23 s (doba, kterou světlo potřebuje k cestování přes průměr jader). Například pro neutron τ = 16 min, pro mion τ = 10 -6 s, pro nabitý pion τ = 10 -8 s, pro hyperony a kaony τ = 10 -4 s.

Rezonance mají životnost srovnatelnou s dobou letu 10 -23 s. Jsou registrovány rezonancemi na křivkách reakčních průřezů versus energie. Mnoho rezonancí je interpretováno jako excitované stavy nukleonů a jiných částic.

2. Základní interakce. Rozmanitost pozorovaných interakcí mezi elementárními částicemi a v přírodě jako celku sestává ze 4 hlavních typů: silné, elektromagnetické, slabé a gravitační. Silná interakce drží nukleony v atomových jádrech a je vlastní hadronům (protony, neutrony, mezony, hyperony atd.). Elektromagnetické interakce jsou takové, které se projevují na makroúrovni – elastické, viskózní, molekulární, chemické atd. Slabé interakce způsobují β-rozpad jader a spolu s elektromagnetickými silami řídí chování peptonů – elementárních částic s polocelým spinem. které se neúčastní silných interakcí. Gravitační interakce je vlastní všem hmotným objektům.

Porovnejte základní interakce mezi sebou, ale jejich intenzity. Neexistuje jednoznačná definice tohoto pojmu ani metoda pro porovnávání intenzit. Proto se používá srovnání na základě souboru jevů.

Například poměr gravitační síly mezi dvěma protony k síle Coulombova odpuzování je G (m p m p /r 2) /(e 2 /4πε 0 r 2) = 4πε 0 G(m p 2 /e 2) = 10-36. Toto číslo je bráno jako míra poměru gravitačních a elektromagnetických interakcí.

Poměr mezi silnými a elektromagnetickými interakcemi, stanovený z průřezů a energií jaderných reakcí, se odhaduje na 10 4 : 1. Intenzity silných a slabých interakcí se porovnávají stejným způsobem.

Spolu s intenzitou se jako měřítko pro srovnání interakce používají také čas interakce a vzdálenost. Obvykle pro srovnání časů bereme rychlosti procesů při kinetických energiích srážejících se částic E = 1 GeV. Při takových energiích probíhají procesy způsobené silnými interakcemi během jaderného letu 10 -23 s, procesy způsobené elektromagnetickými interakcemi asi 10 -19 s, slabé interakce asi 10 -9 s a gravitační interakce asi 10 +16 s.

Střední volná dráha částice v látce se obvykle bere jako vzdálenosti pro porovnání interakcí. Silně interagující částice s E = 1 GeV jsou zpožděny vrstvou těžkého kovu o tloušťce až 1 m. Zatímco neutrino, schopné účastnit se pouze slabé interakce, s energií 100krát menší (E = 10 MeV) může být zadrženo vrstva 10 9 km!

A. Silná interakce nejen nejintenzivnější, ale také nejkratší působící v přírodě. Při vzdálenostech přesahujících 10 -15 m se jeho role stává zanedbatelnou. Při zajištění stability jader nemá tato interakce prakticky žádný vliv na atomové jevy. Silná interakce není univerzální. Není vlastní všem částicím, ale pouze hadronům - nukleonům, mezonům, hyperonům atd. Existují částice - fotony, elektrony, miony, neutrina - které nepodléhají silné interakci a nerodí se díky ní při srážkách.

b. Elektromagnetická interakce intenzita je o 4 řády nižší než silná. Hlavní oblastí jeho projevu jsou vzdálenosti od průměru jádra 10 -15 m až do přibližně 1 m. Patří sem struktura atomů, molekul, krystalů, chemické reakce, deformace, tření, světlo, rádiové vlny a mnoho dalších fyzikálních jevů přístupných lidskému vnímání.

Elektromagnetická interakce je nejsilnější u elektricky nabitých částic. U neutrálních částic s nenulovým spinem se projevuje slabší a to jen díky tomu, že takové částice mají magnetický moment řádu М=eћ/2m. Elektromagnetická interakce je ještě slabší v neutrálních pionech π 0 a v neutrinech.

Extrémně důležitou vlastností EM interakce je přítomnost jak odpuzování mezi stejně nabitými částicemi, tak i přitažlivosti mezi nestejně nabitými částicemi. Díky tomu mají EM interakce mezi atomy a jakýmikoli jinými objekty s nulovým čistým nábojem relativně krátký dosah, i když Coulombovy síly mezi nabitými částicemi mají velký dosah.

e. Slabá interakce zanedbatelné ve srovnání se silnými a elektromagnetickými. Ale jak se vzdálenosti zmenšují, rychle se zvětšují. Pokud předpokládáme, že dynamika růstu zůstane dostatečně hluboká, pak se ve vzdálenostech řádově 10 -20 m slabá interakce vyrovná silné. Takové vzdálenosti ale zatím nejsou k dispozici pro experimentální výzkum.

Slabá interakce způsobuje některé procesy vzájemné přeměny částic. Například částice sigma-plus-hyperon se pouze vlivem slabé interakce rozpadne na proton a neutrální pion, Σ + => p + π 0. Díky slabé interakci dochází k rozpadu β. Částice jako hyperony, kaony, miony by byly stabilní bez slabé interakce.

d. Gravitační interakce nejslabší. Vyznačuje se ale působením na velkou vzdálenost, absolutní univerzálností (všechna tělesa gravitují) a stejným znaménkem mezi libovolným párem částic. Posledně jmenovaná vlastnost vede k tomu, že gravitační síly vždy rostou s rostoucí hmotností těles. Gravitace proto i přes svou nepatrnou relativní intenzitu získává rozhodující roli v interakcích vesmírných těles – planet, hvězd, galaxií

Ve světě elementárních částic je role gravitace zanedbatelná. Ve fyzice atomu, jádra a elementárních částic se proto s gravitační interakcí nepočítá.

3. Charakteristika elementárních částic. Do počátku 50. let 20. století, kdy byl počet objevených částic relativně malý, se k popisu částic používaly obecné fyzikální veličiny - hmotnost m, kinetická energie E, hybnost p a jedno kvantové číslo - spin s, což umožnilo posoudit velikost částic mechanických a magnetických momentů. Pro nestabilní částice zde byla přidána průměrná životnost τ.

Ale postupně, ve vzorcích zrození a rozpadu určitých částic, bylo možné identifikovat některé rysy specifické pro tyto částice. K označení těchto vlastností bylo nutné zavést nová kvantová čísla. Některým z nich se říkalo obvinění.

Například se ukázalo, že při rozpadu těžkých částic, například neutronu, se nikdy nestane, že vzniknou jen lehké, například elektrony e -, e + a neutrina. Naopak, když se elektrony a pozitrony srazí, neutron získat nelze, ačkoli jsou splněny zákony zachování energie a hybnosti. K vyjádření tohoto vzoru byl zaveden kvantový baryonový náboj B. Začali věřit, že takové těžké částice - baryony mají B = 1 a jejich antičástice B = -1. Pro světelné částice B = 0. Výsledkem bylo, že objevený obrazec dostal podobu zákona zachování baryonového náboje.

Podobně pro částice světla byla empiricky zavedena kvantová čísla - leptonové náboje L - znaky zákazu některých přeměn. Souhlasili jsme s předpokladem, že leptonové náboje L e = +1 pro elektrony e - a elektronová neutrina ν e ,L µ = + 1 pro negativní miony µ - a mionová neutrina ν µ ,L τ = +1 pro negativní taony τ - a taon neutrina v τ . Pro odpovídající antičástice L= -1. Stejně jako baryonové náboje jsou leptonické náboje zachovány ve všech interakcích.

S objevem hyperonů zrozených v silných interakcích se ukázalo, že jejich životnost není rovna době letu 10 -23 s, která je typická pro silně interagující částice, ale 10 13krát delší. To se zdálo neočekávané a podivné a dalo se to vysvětlit pouze skutečností, že částice zrozené v silných interakcích se rozpadají ve slabých interakcích. Pro vyjádření této vlastnosti částic bylo zavedeno kvantové číslo podivnost S. Podivné částice mají S = + 1, jejich antičástice mají S = - 1 a ostatní částice mají S = 0.

Elektrický náboj Q mikročástic je vyjádřen jeho poměrem ke kladnému elementárnímu náboji e +. Proto je elektrický náboj Q částic také celočíselné kvantové číslo. Pro proton Q = + 1, pro elektron Q = -1, pro neutron, neutrino a další neutrální částice Q = 0.

Kromě jmenovaných parametrů mají elementární částice další charakteristiky, které zde nejsou uvažovány.

4. Zákony zachování v částicové fyzice lze rozdělit do tří skupin: obecné zákony zachování, přesné zákony zachování nábojů a přibližné zákony zachování.

A . Univerzální zákony zachování jsou prováděny přesně bez ohledu na rozsah jevů - v mikro-, makro- a mega-světě. Tyto zákony vyplývají z geometrie časoprostoru. Homogenita času vede k zákonu zachování energie, homogenitě prostoru - k zákonu zachování hybnosti, izotropii prostoru - k zákonu zachování momentu hybnosti, rovnosti ISO - k zákonu zachování středu setrvačnost. Kromě těchto 4 zákonů sem patří ještě dva související se symetrií prostoru – čas vzhledem k zrcadlovým odrazům souřadnicových os. Ze zrcadlové symetrie souřadnicových os vyplývá, že pravo-levé symetrie prostoru jsou totožné (zákon zachování parity). Zákon spojený se zrcadlovou symetrií času hovoří o totožnosti jevů v mikrokosmu s ohledem na změnu znamení času.

b. Přesné zákony zachování náboje. Každému fyzickému systému je přiřazen celočíselný náboj každého druhu. Každý náboj je aditivní a konzervovaný. Existuje 5 takových nábojů: elektrický Q, baryon B, tři leigonické náboje - elektron L e, mion L µ ton L τ. Všechny poplatky jsou celočíselné a mohou mít kladné i záporné hodnoty nula.

Elektrický náboj má dvojí význam. Představuje nejen kvantové číslo, ale je také zdrojem silového pole. Baryonové a leptonové náboje nejsou zdroji silového pole. Pro komplexní systém je celkový náboj jakéhokoli typu roven součtu odpovídajících nábojů elementárních částic obsažených v systému.

PROTI. Přibližné zákony zachování se naplňují pouze v určitých typech základních interakcí. Týkají se takových vlastností, jako je podivnost S atd.

Všechny uvedené zákony ochrany jsou shrnuty v tabulce 26.2.

5. Částice a antičástice mají stejnou hmotnost, ale všechny jejich náboje jsou opačné Volba dvojice částic a antičástic je libovolná. Například v páru elektron + pozitron se dohodli, že elektron e bude považovat za částici a pozitron e + za antičástici. Náboje elektronů Q =-1, B = 0, Le = +1, Lµ= 0, Lτ =0. Pozitronové náboje Q = +1, V = 0, Le=-1, Lµ= 0, Lτ =0

Všechny náboje systému částice + antičástice jsou rovny nule. Takové systémy, ve kterých jsou všechny náboje rovny nule, se nazývají skutečně neutrální. Existují skutečné neutrály a částice. Jsou dva: γ - kvantum (foton) a η - mezon. Částice a antičástice jsou zde totožné.

6. Klasifikace elementárních částic ještě nedokončeno. Jedna z klasifikací je v současnosti založena na průměrné době života τ, hmotnosti m, spinech s, pěti typech nábojů, podivnosti S a dalších parametrech částic. Všechny částice jsou rozděleny do 4 tříd.

1. třídu tvoří jedna částice – foton. Foton má nulovou klidovou hmotnost a všechny náboje. Foton nepodléhá silným interakcím. Jeho spin je 1, což statisticky znamená, že jde o boson.

Třída 2 je tvořena leptony. Jsou to lehké částice s nulovým baryonovým nábojem. Každá částice – laptop – má jeden ze svých lentonových nábojů, který se nerovná nule. Leptony nepodléhají silným interakcím. Spin všech leptonů je 1/2, tedy podle statistik se jedná o fermiony.

3. třídu tvoří mezony. Jsou to částice s nulovým baryonovým a leptonovým nábojem, které se účastní silných interakcí. Všechny mezony mají celočíselný spin, to znamená, že podle statistik jsou bosony.

4. třídu tvoří baryony. Jedná se o těžké částice s nenulovým baryonovým nábojem B ≠ O a s nulovými leptonovými náboji, Le,Lµ,Lτ = 0. Mají půlceločíselný spin (fermiony) a účastní se silných interakcí. Díky schopnosti částic 3. a 4. třídy účastnit se silných interakcí se jim také říká hadrony.

Tabulka 26.3 ukazuje dobře známé částice - nikoli rezonance s jejich hlavními charakteristikami. Jsou uvedeny částice a antičástice. Skutečné neutrální částice, které nemají žádné antičástice, jsou umístěny uprostřed kolony. Názvy jsou uvedeny pouze pro částice. Odpovídající antičástici získáte jednoduše přidáním předpony „anti“ k názvu částice. Například proton - antiproton, neutron - antineutron.

Antielektron e + má historický název pozitron. Ve vztahu k nabitým pionům a kaonům se termín „antičástice“ prakticky nepoužívá. Liší se pouze elektrickým nábojem, proto hovoří jednoduše o kladných nebo záporných pionech a kaonech.

Horní znaménko náboje se vztahuje k částici, spodní znaménko k antičástici. Například pro pár elektron - pozitron Le = ± 1. To znamená, že elektron má Le = + 1 a pozitron má Le = -1.

V tabulce jsou použity následující zápisy: Q - elektrický náboj, B baryonový náboj Le, Lµ, Lτ - elektron, mion, taonické leptopické náboje, S - podivnost, s - spin, τ - průměrná životnost.

Zbytková hmotnost m se udává v megaelektronvoltech. Z relativistické rovnice mc 2 =еU vyplývá m=eU/c 2 . Energie částice 1 MeV odpovídá hmotnosti m=eU/c2 =1,6 *10-19 /9*1016 =17,71*10-31 kg. Jedná se o dvě hmotnosti elektronů. Po dělení hmotností elektronu m e = 9,11*10 -31 kg získáme m = 1,94 m e.

Hmotnost elektronu, vyjádřená energií, je m e = 0,511 MeV.

7. Kvarkový model hadronů. Hadrony jsou elementární částice, které se účastní silných interakcí. Jsou to mezony a baryony. V roce 1964 Američané Murray Gell-Mann a George Zweig vyslovili hypotézu, že strukturu a vlastnosti hadronů lze lépe pochopit za předpokladu, že hadrony jsou složeny z fundamentálnějších částic, které Gell-Mann nazval kvarky. Kvarková hypotéza se ukázala jako velmi plodná a nyní je všeobecně přijímána.

Počet domnělých kvarků neustále roste. K dnešnímu dni bylo nejlépe prostudováno 5 odrůd (příchutí) kvarků: kvark u s hmotností m u = 5 MeV, kvark d s hmotností m d = 7 MeV, kvark s s ms = 150 MeV, kvark c s mc = 1300 MeV a kvark b s mb=5000 MeV. Každý kvark má svůj vlastní antikvark.

Všechny uvedené kvarky mají stejný spin 1/2 a stejný baryonový náboj B = 1/3. Kvarky u, c mají zlomkový kladný náboj Q = + 2/3, kvarky d, s, b mají

zlomkový záporný náboj Q = - 1/3. Quark s je nositelem zvláštnosti, kvark c je nositelem půvabu a kvark b je nositelem krásy (tab. 26.4).

Každý hadron může být reprezentován jako kombinace několika kvarků. Kvantová čísla Q, B, S hadronů se získá jako součet odpovídajících čísel kvarků, které hadron tvoří. Pokud dva stejné kvarky vstoupí do hadronu, jejich spiny jsou opačné.

Baryony mají poloceločíselný spin, takže se mohou skládat z lichého počtu kvarků. Například proton se skládá ze tří kvarků, p => uud. Elektrický náboj protonu Q =+ 2/3+2/3 – 1/3 = 1, baryonový náboj protonu B = 1/3+ 1/3 + 1/3 = 1, podivnost S = O, spin s = 1/2 – 1/2 + 1/2 = 1/2.

Neutron se také skládá ze tří kvarků, 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. Kombinaci tří kvarků lze použít k reprezentaci následujících baryonů: Λ 0 (uds), Σ + (uus), Σ 0 (uds), Σ - (dds), Ξ 0 (uss), Ξ - (dss), Ω - (sss) a°(uss). V druhém případě směřují spiny všech kvarků stejným směrem. Proto má Ω - - hyperon spin 3/2.

Antičástice baryonů se tvoří z odpovídajících antikvarků.

Mezony se skládají z libovolných dvou kvarků a jednoho antikvarku. Například kladný pion je π + (ud). Jeho náboj je Q = +2/3- (-1/3) = 1, B = 1/3-1/3= O, S = 0, spin 1/2 – 1/2= 0.

Kvarkový model předpokládá, že kvarky existují uvnitř hadronů, ale zkušenost ukazuje, že z hadronů nemohou uniknout. Ale alespoň u těch energií, které jsou dosažitelné moderními urychlovači. Je vysoká pravděpodobnost, že kvarky nemohou ve volném stavu vůbec existovat.

Moderní fyzika vysokých energií věří, že interakce mezi kvarky probíhá prostřednictvím speciálních částic - gluonů. Klidová hmotnost gluonů je nulová, spin se rovná jednotce. Je možné, že existuje asi tucet různých typů gluonů.

Tyto tři částice (stejně jako další popsané níže) se vzájemně přitahují a odpuzují podle svého poplatky, z nichž existují pouze čtyři typy podle počtu základních přírodních sil. Náboje mohou být uspořádány v sestupném pořadí odpovídajících sil následovně: barevný náboj (síly interakce mezi kvarky); elektrický náboj (elektrické a magnetické síly); slabý náboj (síly v některých radioaktivních procesech); konečně hmotnost (gravitační síla nebo gravitační interakce). Slovo "barva" zde nemá nic společného s barvou viditelného světla; je to prostě charakteristika silného náboje a největších sil.

Poplatky jsou uloženy, tj. náboj vstupující do systému se rovná náboji, který jej opouští. Pokud je celkový elektrický náboj určitého počtu částic před jejich interakcí roven řekněme 342 jednotkám, pak po interakci, bez ohledu na její výsledek, bude roven 342 jednotkám. To platí i pro ostatní náboje: barvu (silný interakční náboj), slabý a hmotnostní (hmotnost). Částice se liší svými náboji: v podstatě „jsou“ těmito náboji. Obvinění jsou jako „osvědčení“ o právu reagovat na příslušné síly. Barevnými silami jsou tedy ovlivněny pouze barevné částice, elektrickými silami jsou ovlivněny pouze elektricky nabité částice atd. Vlastnosti částice jsou určeny největší silou, která na ni působí. Pouze kvarky jsou nositeli všech nábojů, a proto podléhají působení všech sil, z nichž dominantní je barva. Elektrony mají všechny náboje kromě barvy a dominantní silou je pro ně elektromagnetická síla.

Nejstabilnější jsou zpravidla neutrální kombinace částic, ve kterých je náboj částic jednoho znaku kompenzován celkovým nábojem částic druhého znaku. To odpovídá minimální energii celého systému. (Stejným způsobem jsou dva tyčové magnety uspořádány v řadě, přičemž severní pól jednoho směřuje k jižnímu pólu druhého, což odpovídá minimální energii magnetického pole.) Gravitace je výjimkou z tohoto pravidla: záporná hmotnost neexistuje. Neexistují žádná těla, která by padala vzhůru.

TYPY HMOT

Obyčejná hmota se tvoří z elektronů a kvarků, seskupených do objektů, které mají neutrální barvu a poté elektrický náboj. Barevná síla se neutralizuje, jak bude podrobněji diskutováno níže, když se částice spojí do trojic. (Odtud samotný termín „barva“, převzatý z optiky: tři základní barvy při smíchání vytvářejí bílou.) Kvarky, pro které je hlavní barevná síla, tedy tvoří triplety. Ale kvarky, a ty se dělí na u-kvarky (z anglického up - top) a d-kvarky (z anglického down - bottom), mají také elektrický náboj rovný u-kvark a pro d-kvark. Dva u-kvark a jeden d-kvarky dávají elektrický náboj +1 a tvoří proton a jedna u-kvark a dva d-kvarky dávají nulový elektrický náboj a tvoří neutron.

Stabilní protony a neutrony, přitahované k sobě navzájem zbytkovými barevnými silami interakce mezi jejich kvarky, tvoří barevně neutrální atomové jádro. Ale jádra nesou kladný elektrický náboj a přitahováním záporných elektronů, které obíhají kolem jádra jako planety obíhající kolem Slunce, mají tendenci vytvářet neutrální atom. Elektrony na svých drahách jsou odstraňovány z jádra na vzdálenosti desetitisíckrát větší, než je poloměr jádra – důkaz, že elektrické síly, které je drží, jsou mnohem slabší než ty jaderné. Díky síle barevné interakce je 99,945 % hmotnosti atomu obsaženo v jeho jádru. Hmotnost u- A d-kvarky jsou asi 600krát větší než hmotnost elektronu. Proto jsou elektrony mnohem lehčí a mobilnější než jádra. Jejich pohyb ve hmotě je způsoben elektrickými jevy.

Existuje několik stovek přírodních druhů atomů (včetně izotopů), které se liší počtem neutronů a protonů v jádře a podle toho i počtem elektronů na svých drahách. Nejjednodušší je atom vodíku, který se skládá z jádra ve formě protonu a jediného elektronu, který se kolem něj točí. Veškerá „viditelná“ hmota v přírodě se skládá z atomů a částečně „rozložených“ atomů, které se nazývají ionty. Ionty jsou atomy, které poté, co ztratily (nebo získaly) několik elektronů, se staly nabitými částicemi. Hmota sestávající téměř výhradně z iontů se nazývá plazma. Hvězdy, které hoří v důsledku termonukleárních reakcí probíhajících v centrech, se skládají převážně z plazmatu, a protože hvězdy jsou nejběžnější formou hmoty ve vesmíru, můžeme říci, že celý vesmír se skládá převážně z plazmatu. Přesněji řečeno, hvězdy jsou převážně plně ionizovaný plynný vodík, tzn. směs jednotlivých protonů a elektronů, a proto se z ní skládá téměř celý viditelný vesmír.

To je viditelná záležitost. Ve Vesmíru je ale také neviditelná hmota. A existují částice, které působí jako nosiče síly. Existují antičástice a excitované stavy některých částic. To vše vede k zjevně nadměrnému množství „elementárních“ částic. V této hojnosti lze nalézt náznak skutečné, skutečné povahy elementárních částic a sil, které mezi nimi působí. Podle nejnovějších teorií mohou být částice v podstatě rozšířené geometrické objekty – „struny“ v desetirozměrném prostoru.

Neviditelný svět.

Ve vesmíru není jen viditelná hmota (ale také černé díry a „temná hmota“, jako jsou studené planety, které se stanou viditelnými, když jsou osvětleny). Existuje také skutečně neviditelná hmota, která každou vteřinu prostupuje nás všemi a celým Vesmírem. Jde o rychle se pohybující plyn částic jednoho typu – elektronových neutrin.

Elektronové neutrino je partnerem elektronu, ale nemá žádný elektrický náboj. Neutrina nesou pouze takzvaný slabý náboj. Jejich klidová hmotnost je se vší pravděpodobností nulová. Ale interagují s gravitačním polem, protože mají kinetickou energii E, což odpovídá efektivní hmotnosti m, podle Einsteinova vzorce E = mc 2 kde C- rychlost světla.

Klíčová role neutrina spočívá v tom, že přispívá k transformaci A-kvarky v d-kvarky, v jejichž důsledku se proton mění v neutron. Neutrina fungují jako "jehla karburátoru" pro hvězdné fúzní reakce, při kterých se čtyři protony (jadra vodíku) spojí a vytvoří jádro helia. Protože se ale jádro helia neskládá ze čtyř protonů, ale ze dvou protonů a dvou neutronů, je pro takovou jadernou fúzi nutné, aby dva A-kvarky se změnily na dva d-kvark. Intenzita přeměny určuje, jak rychle budou hvězdy hořet. A transformační proces je určen slabými náboji a slabými interakčními silami mezi částicemi. V čem A-kvark (elektrický náboj +2/3, slabý náboj +1/2), interagující s elektronem (elektrický náboj - 1, slabý náboj -1/2), tvoří d-kvark (elektrický náboj –1/3, slabý náboj –1/2) a elektronové neutrino (elektrický náboj 0, slabý náboj +1/2). Barevné náboje (nebo jen barvy) dvou kvarků se v tomto procesu ruší bez neutrina. Úlohou neutrina je odnést nekompenzovaný slabý náboj. Proto rychlost transformace závisí na tom, jak slabé jsou slabé síly. Kdyby byly slabší než jsou, hvězdy by vůbec nehořely. Kdyby byly silnější, hvězdy by už dávno vyhořely.

A co neutrina? Protože tyto částice interagují extrémně slabě s jinou hmotou, téměř okamžitě opouštějí hvězdy, ve kterých se zrodily. Všechny hvězdy září, vyzařují neutrina, a neutrina prosvítají našimi těly a celou Zemí ve dne i v noci. Takže putují vesmírem, dokud nevstoupí, možná, do nové interakce STAR).

Nositelé interakcí.

Co způsobuje síly působící mezi částicemi na dálku? Moderní fyzika odpovídá: kvůli výměně jiných částic. Představte si dva rychlobruslaře, kteří si házejí míčem. Předáním hybnosti míči při vhození a přijetím hybnosti s přijatým míčem oba dostávají tlak ve směru od sebe. To může vysvětlit vznik odpudivých sil. Ale v kvantové mechanice, která uvažuje jevy v mikrosvětě, je povoleno neobvyklé natahování a delokalizace událostí, což vede ke zdánlivě nemožnému: jeden z bruslařů hází míček směrem z jiný, ale přesto ten Možná chytit tento míč. Není těžké si představit, že kdyby to bylo možné (a ve světě elementárních částic to možné je), vznikla by mezi bruslaři přitažlivost.

Částice, díky jejichž výměně interakční síly mezi čtyřmi „částicemi hmoty“ diskutovanými výše, se nazývají kalibrační částice. Každá ze čtyř interakcí – silná, elektromagnetická, slabá a gravitační – má svou vlastní sadu kalibračních částic. Nosnými částicemi silné interakce jsou gluony (je jich pouze osm). Foton je nositelem elektromagnetické interakce (je jen jeden a fotony vnímáme jako světlo). Nosnými částicemi slabé interakce jsou střední vektorové bosony (byly objeveny v letech 1983 a 1984 W + -, W- - bosony a neutrál Z-boson). Nosnou částicí gravitační interakce je stále hypotetický graviton (měl by být jen jeden). Všechny tyto částice, kromě fotonu a gravitonu, které mohou cestovat na nekonečně dlouhé vzdálenosti, existují pouze v procesu výměny mezi hmotnými částicemi. Fotony zaplňují vesmír světlem a gravitony zaplňují vesmír gravitačními vlnami (dosud spolehlivě nezjištěnými).

Říká se, že částice schopná emitovat kalibrační částice je obklopena odpovídajícím polem sil. Elektrony schopné emitovat fotony jsou tedy obklopeny elektrickými a magnetickými poli, stejně jako slabými a gravitačními poli. Kvarky jsou také obklopeny všemi těmito poli, ale také silným interakčním polem. Částice s barevným nábojem v poli barevných sil jsou ovlivněny barevnou silou. Totéž platí pro ostatní přírodní síly. Můžeme tedy říci, že svět se skládá z hmoty (částice materiálu) a pole (částice kalibru). Více o tom níže.

Antihmota.

Každá částice má antičástici, se kterou se částice může vzájemně anihilovat, tzn. „anihilovat“, což má za následek uvolnění energie. „Čistá“ energie sama o sobě však neexistuje; V důsledku anihilace se objevují nové částice (například fotony), které tuto energii odnášejí.

Ve většině případů má antičástice vlastnosti opačné než odpovídající částice: pokud se částice pod vlivem silných, slabých nebo elektromagnetických polí pohybuje doleva, pak se její antičástice posune doprava. Antičástice má zkrátka opačná znaménka všech nábojů (kromě hmotnostního náboje). Pokud je částice složená, například neutron, pak se její antičástice skládá ze složek s opačnými znaménky nábojů. Antielektron má tedy elektrický náboj +1, slabý náboj +1/2 a nazývá se pozitron. Antineutron se skládá z A-antikvarky s elektrickým nábojem –2/3 a d-antikvarky s elektrickým nábojem +1/3. Skutečné neutrální částice jsou jejich vlastní antičástice: antičástice fotonu je foton.

Podle moderních teoretických konceptů by každá částice existující v přírodě měla mít svou vlastní antičástici. A mnoho antičástic, včetně pozitronů a antineutronů, bylo skutečně získáno v laboratoři. Důsledky toho jsou nesmírně důležité a jsou základem veškeré experimentální fyziky částic. Podle teorie relativity jsou hmotnost a energie ekvivalentní a za určitých podmínek lze energii přeměnit na hmotnost. Protože náboj je zachován a náboj vakua (prázdného prostoru) je nulový, mohou se z vakua vynořit jakékoli páry částic a antičástic (s nulovým čistým nábojem), jako králíci z kouzelnického klobouku, pokud je dostatek energie vytvořit jejich hmotu.

Generace částic.

Experimenty s urychlovačem ukázaly, že kvartet hmotných částic se opakuje nejméně dvakrát při vyšších hodnotách hmotnosti. Ve druhé generaci zaujímá místo elektronu mion (s hmotností přibližně 200krát větší než hmotnost elektronu, ale se stejnými hodnotami všech ostatních nábojů), místo elektronového neutrina je přijatý mionem (který doprovází mion ve slabých interakcích stejně jako elektron je doprovázen elektronovým neutrinem), místo A-kvark zabírá S-kvark ( okouzlen), A d-kvark - s-kvark ( podivný). Ve třetí generaci se kvarteto skládá z tau leptonu, tau neutrina, t-kvark a b-kvark.

Hmotnost t- kvark je asi 500krát větší než hmotnost nejlehčího kvarku d-kvark. Experimentálně bylo zjištěno, že existují pouze tři typy lehkých neutrin. Čtvrtá generace částic tedy buď vůbec neexistuje, nebo jsou odpovídající neutrina velmi těžká. To je v souladu s kosmologickými údaji, podle kterých nemohou existovat více než čtyři typy světelných neutrin.

Při experimentech s vysokoenergetickými částicemi působí elektron, mion, tau lepton a odpovídající neutrina jako izolované částice. Nenesou barevný náboj a vstupují pouze do slabých a elektromagnetických interakcí. Souhrnně se nazývají leptony.

Tabulka 2. GENERACE ZÁKLADNÍCH ČÁSTIC
Částice	Klidová hmotnost, MeV/ S 2	Elektrický náboj	Barevný náboj	Slabý náboj
DRUHÁ GENERACE
S-kvark	1500	+2/3	Červená, zelená nebo modrá	+1/2
s-kvark	500	–1/3	Stejný	–1/2
Mionové neutrino		0	0	+1/2
Muon	106	0	0	–1/2
TŘETÍ GENERACE
t-kvark	30000–174000	+2/3	Červená, zelená nebo modrá	+1/2
b-kvark	4700	–1/3	Stejný	–1/2
Tau neutrino		0	0	+1/2
Tau	1777	–1	0	–1/2

Kvarky se pod vlivem barevných sil spojují do silně interagujících částic, které dominují většině vysokoenergetických fyzikálních experimentů. Takové částice se nazývají hadrony. Zahrnují dvě podtřídy: baryony(jako je proton a neutron), které se skládají ze tří kvarků a mezony, skládající se z kvarku a antikvarku. V roce 1947 byl v kosmickém záření objeven první mezon zvaný pion (neboli pí-mezon) a nějakou dobu se věřilo, že výměna těchto částic byla hlavní příčinou jaderných sil. Omega-minus hadrony, objevené v roce 1964 v Brookhaven National Laboratory (USA), a částice JPS ( J/y-meson), objevený současně v Brookhavenu a ve Stanford Linear Accelerator Center (také v USA) v roce 1974. Existenci částice omega minus předpověděl M. Gell-Mann ve svém tzv. S.U. 3 theory“ (jiný název je „osminásobná cesta“), ve které byla poprvé navržena možnost existence kvarků (a tento název jim byl dán). O deset let později, objev částice J/y potvrdil existenci S-kvark a nakonec přiměl všechny věřit jak v kvarkový model, tak v teorii, která spojovala elektromagnetické a slabé síly ( viz. níže).

Částice druhé a třetí generace nejsou o nic méně skutečné než první. Pravda, po svém vzniku se v miliontinách nebo miliardtinách sekundy rozpadají na obyčejné částice první generace: elektron, elektronová neutrina a také A- A d- kvarky. Otázka, proč je v přírodě několik generací částic, stále zůstává záhadou.

O různých generacích kvarků a leptonů se často mluví (což je samozřejmě poněkud výstřední) jako o různých „příchutích“ částic. Potřeba je vysvětlit se nazývá problém „chuť“.

BOSONY A FERMIONY, POLE A HMOTA

Jedním ze zásadních rozdílů mezi částicemi je rozdíl mezi bosony a fermiony. Všechny částice jsou rozděleny do těchto dvou hlavních tříd. Identické bosony se mohou překrývat nebo překrývat, ale identické fermiony nikoliv. Superpozice se vyskytuje (nebo nevyskytuje) v diskrétních energetických stavech, na které kvantová mechanika rozděluje přírodu. Tyto stavy jsou jako samostatné buňky, do kterých lze umístit částice. Do jedné buňky tedy můžete vložit tolik stejných bosonů, kolik chcete, ale pouze jeden fermion.

Jako příklad zvažte takové buňky nebo „stavy“ pro elektron obíhající kolem jádra atomu. Na rozdíl od planet Sluneční soustavy nemůže podle zákonů kvantové mechaniky elektron obíhat po žádné eliptické dráze; existuje pro něj pouze diskrétní řada povolených „stavů pohybu“. Soubory takových stavů, seskupené podle vzdálenosti od elektronu k jádru, se nazývají orbitaly. V prvním orbitalu jsou dva stavy s různým momentem hybnosti a tedy dvěma povolenými buňkami a ve vyšších orbitalech je osm a více buněk.

Protože elektron je fermion, každá buňka může obsahovat pouze jeden elektron. Z toho plynou velmi důležité důsledky - celá chemie, protože chemické vlastnosti látek jsou určeny interakcemi mezi odpovídajícími atomy. Pokud procházíte periodickou soustavou prvků od jednoho atomu k druhému v pořadí, kdy počet protonů v jádře narůstá o jedničku (podle toho se také zvýší počet elektronů), pak první dva elektrony obsadí první orbital, dalších osm bude umístěno ve druhém atd. Tato konzistentní změna v elektronové struktuře atomů od prvku k prvku určuje vzory v jejich chemických vlastnostech.

Pokud by elektrony byly bosony, pak by všechny elektrony v atomu mohly obsadit stejný orbital, odpovídající minimální energii. V tomto případě by vlastnosti veškeré hmoty ve Vesmíru byly úplně jiné a Vesmír v podobě, v jaké ji známe, by byl nemožný.

Všechny leptony – elektron, mion, tau lepton a jim odpovídající neutrina – jsou fermiony. Totéž lze říci o kvarcích. Všechny částice, které tvoří „hmotu“, hlavní výplň vesmíru, stejně jako neviditelná neutrina, jsou tedy fermiony. To je docela důležité: fermiony se nemohou spojovat, takže totéž platí pro předměty v hmotném světě.

Zároveň všechny „měřicí částice“, které se vyměňují mezi interagujícími hmotnými částicemi a které vytvářejí pole sil ( viz výše), jsou bosony, což je také velmi důležité. Takže například mnoho fotonů může být ve stejném stavu a tvoří magnetické pole kolem magnetu nebo elektrické pole kolem elektrického náboje. Díky tomu je možný i laser.

Roztočit.

Rozdíl mezi bosony a fermiony je spojen s další charakteristikou elementárních částic - roztočit. Všechny fundamentální částice mají překvapivě svůj vlastní moment hybnosti nebo, jednodušeji řečeno, rotují kolem své vlastní osy. Úhel impulsu je charakteristický pro rotační pohyb, stejně jako celkový impuls translačního pohybu. Při jakékoli interakci se zachovává moment hybnosti a moment hybnosti.

V mikrokosmu se kvantuje moment hybnosti, tzn. nabývá diskrétních hodnot. Ve vhodných jednotkách měření mají leptony a kvarky spin 1/2 a kalibrační částice mají spin 1 (kromě gravitonu, který zatím nebyl experimentálně pozorován, ale teoreticky by měl mít spin 2). Protože leptony a kvarky jsou fermiony a kalibrační částice jsou bosony, můžeme předpokládat, že „fermionita“ je spojena se spinem 1/2 a „bosonicita“ je spojena se spinem 1 (nebo 2). Experiment i teorie totiž potvrzují, že pokud má částice polocelý spin, pak je to fermion, a pokud má celočíselný spin, pak je to boson.

TEORIE A GEOMETRIE MĚŘIC

Ve všech případech vznikají síly v důsledku výměny bosonů mezi fermiony. Barevná síla interakce mezi dvěma kvarky (kvarky - fermiony) tedy vzniká v důsledku výměny gluonů. K podobné výměně dochází neustále v protonech, neutronech a atomových jádrech. Podobně fotony vyměňované mezi elektrony a kvarky vytvářejí elektrické přitažlivé síly, které drží elektrony v atomu, a střední vektorové bosony vyměňované mezi leptony a kvarky vytvářejí slabé síly zodpovědné za přeměnu protonů na neutrony při termonukleárních reakcích ve hvězdách.

Teorie této výměny je elegantní, jednoduchá a pravděpodobně správná. To se nazývá teorie měřidla. V současnosti však existují pouze nezávislé kalibrační teorie silných, slabých a elektromagnetických interakcí a podobná, i když poněkud odlišná, kalibrační teorie gravitace. Jedním z nejdůležitějších fyzikálních problémů je redukce těchto jednotlivých teorií na jedinou a zároveň jednoduchou teorii, ve které by se všechny staly různými aspekty jediné reality – jako tváře krystalu.

Tabulka 3. NĚKTERÉ HADRONY

Tabulka 3. NĚKTERÉ HADRONY
Částice	Symbol	Složení kvarku *	odpočinková mše, MeV/ S 2	Elektrický náboj
BARIONY
Proton	p	uud	938	+1
Neutron	n	udd	940	0
Omega mínus	W –	sss	1672	–1
MESONS
Pi-plus	p +	u	140	+1
Pi mínus	p –	du	140	–1
Fi	F	sє	1020	0
JP	J/y	cў	3100	0
Upsilon	Ў	b	9460	0
* Složení kvarku: u- horní; d- dolní; s- podivný; C– očarovaný; b- Krásná. Starožitnosti jsou označeny čarou nad písmenem.

Nejjednodušší a nejstarší z kalibračních teorií je kalibrační teorie elektromagnetické interakce. V něm se náboj elektronu porovnává (kalibruje) s nábojem jiného od něj vzdáleného elektronu. Jak můžete srovnávat poplatky? Můžete například přiblížit druhý elektron k prvnímu a porovnat jejich interakční síly. Ale nezmění se náboj elektronu, když se přesune do jiného bodu v prostoru? Jediný způsob, jak to zkontrolovat, je poslat signál z blízkého elektronu do vzdáleného a zjistit, jak reaguje. Signálem je kalibrační částice – foton. Aby bylo možné otestovat náboj na vzdálených částicích, je potřeba foton.

Matematicky je tato teorie mimořádně přesná a krásná. Z výše popsaného „měřidla“ plyne celá kvantová elektrodynamika (kvantová teorie elektromagnetismu), stejně jako Maxwellova teorie elektromagnetického pole – jeden z největších vědeckých úspěchů 19. století.

Proč je tak jednoduchý princip tak plodný? Zjevně vyjadřuje určitou korelaci mezi různými částmi Vesmíru, což umožňuje ve Vesmíru provádět měření. Matematicky je pole interpretováno geometricky jako zakřivení nějakého myslitelného „vnitřního“ prostoru. Měření náboje je měřením celkového „vnitřního zakřivení“ kolem částice. Kalibrační teorie silné a slabé interakce se od elektromagnetické kalibrační teorie liší pouze vnitřní geometrickou „strukturou“ odpovídajícího náboje. Na otázku, kde přesně se tento vnitřní prostor nachází, hledají odpovědi multidimenzionální sjednocené teorie pole, které zde nejsou diskutovány.

Tabulka 4. ZÁKLADNÍ INTERAKCE
Interakce	Relativní intenzita ve vzdálenosti 10–13 cm	Akční rádius	Interakční nosič	Klidová hmotnost nosiče, MeV/ S 2	Roztočte nosič
Silný	1		Gluon	0	1
elektro- magnetický	0,01	Ґ	Foton	0	1
Slabý	10 –13		W +	80400	1
			W –	80400	1
			Z 0	91190	1
gravitace- národní	10 –38	Ґ	Graviton	0	2

Částicová fyzika ještě není dokončena. Stále není zdaleka jasné, zda jsou dostupná data dostatečná k plnému pochopení podstaty částic a sil, stejně jako skutečné podstaty a rozměru prostoru a času. Potřebujeme k tomu experimenty s energiemi 10 15 GeV, nebo postačí myšlenkové úsilí? Zatím žádná odpověď. Ale můžeme s jistotou říci, že konečný obrázek bude jednoduchý, elegantní a krásný. Je možné, že těch zásadních myšlenek nebude tolik: princip měřidla, prostory vyšších dimenzí, kolaps a expanze a především geometrie.

13.1. Koncept "elementárních částic"

V přesném významu termínu „elementární“ jsou primární nedělitelné nejjednodušší částice bez vnitřní struktury, které tvoří hmotu.

Do roku 1932 byly známy čtyři typy částic: elektrony, protony, neutrony a fotony. Tyto částice (s výjimkou fotonu) jsou skutečně složkami pozorovatelné hmoty.

Do roku 1956 již bylo objeveno asi 30 elementárních částic. Tak byly v rámci kosmického záření objeveny pozitrony (1932), miony (1936), p(pi) - mezony (1947), podivné částice K (ka) - mezony a hyperony. Následné objevy v této oblasti byly učiněny za pomoci velkých urychlovačů, které částicím udělují energie v řádu stovek a tisíců MeV. Tedy antiprotony (1955) a antineutrony (1956), těžké hyperony a rezonance (60. léta), „okouzlující“ a „milující“ částice (70. léta), t(tau) - lepton (1975), n(upsilon) - částice s hmotnost asi deseti (!) hmotností protonů, „krásné“ částice (1981), střední vektorové bosony (1983). Nyní je známo několik stovek částic a jejich počet stále roste.

Společnou vlastností všech těchto elementárních částic je, že se jedná o specifické formy existence hmoty, která není spojena do jader a atomů. Z tohoto důvodu termín „ subjaderné částice". Většina těchto částic nesplňuje přísnou definici elementarity, protože (podle moderního pojetí) jsou kompozitní systémy, to znamená, že mají vnitřní strukturu. V souladu se zavedenou praxí však zůstává termín „elementární částice“ zachován. Částice, které tvrdí, že jsou primárními prvky hmoty (například elektrony), se nazývají „ opravdu elementární".

13.1.1. Základní vlastnosti elementárních částic

Všechny elementární částice mají velmi malé hmotnosti: od 10 -22 (pro intermediární bosony) do ~ 10 -27 (pro elektrony). Nejlehčí částice jsou neutrina (předpokládá se, že jejich hmotnost je 10 tisíckrát menší než hmotnost elektronu). Velikost elementárních částic je také extrémně malá: od 10 -13 cm (u hadronů) do< 10 -16 см у электронов и мюонов.

Určují mikroskopické hmotnosti a velikosti kvantová specifičnost chování elementárních částic. Nejdůležitější kvantovou vlastností je schopnost narodit se a zničit (vyzařovat a absorbovat) při interakci s jinými částicemi.

Většina elementárních částic nestabilní: narozené v kosmickém záření nebo urychlovačích, žijí zlomek sekundy a poté podléhají rozkladu. Měřítkem stability částic je průměrná životnost t. Elektron, proton, foton a neutrino - absolutně stabilní částice(t®¥), v každém případě jejich rozpad nebyl experimentálně zjištěn. Neutron kvazistabilní(t=(898±16)s. Existují skupiny nestabilních částic s průměrnou životností řádově 10 -6, 10 -8, 10 -10, 10 -13, 10 -16, 10 -20 s. pokorně živé částice jsou rezonance: t~(10-22 ¸10-23)s.

Společnými charakteristikami elementárních částic jsou také spin, elektrický náboj q a vlastní magnetický moment. Spin je obvykle vyjádřen v jednotkách a nabývá pouze celočíselných nebo polovičních celočíselných hodnot. Určuje počet možných spinových stavů částice a také typ statistik, kterým tyto částice podléhají. Podle tohoto kritéria jsou všechny částice rozděleny na fermiony(částice s poloceločíselným spinem) a bosony(částice s celočíselným spinem). Elektrický náboj částice je celočíselným násobkem elementárního náboje |e| = 1,6 x 10-19 Cl. Pro známé elementární částice nabývá elektrický náboj v jednotkách e následujících hodnot: q = 0, ±1, ±2. Částice s zlomkovým nábojem - kvarky- nevyskytují se ve volném stavu (viz odstavec 5.3.2).

Vlastní magnetický moment charakterizuje interakci částice v klidu s vnějším magnetickým polem. Vektory a

paralelní nebo antiparalelní.

Kromě uvedených se elementární částice vyznačují také řadou kvantových charakteristik, které se nazývají „vnitřní“ (leptonový náboj, baryonový náboj, podivnost atd.).

13.1.2 Částice a antičástice

Téměř každá částice odpovídá antičástice- částice se stejnou hmotností, dobou života, spinem; jejich ostatní charakteristiky jsou stejné co do velikosti, ale opačného znaménka (elektrický náboj, magnetický moment, vnitřní kvantové charakteristiky). Některé částice (například foton) nemají žádná vnitřní kvantová čísla, a proto jsou totožné se svými antičásticemi - to je skutečné neutrální částice.

Závěr o existenci antičástic poprvé učinil P. Dirac (1930). Odvodil relativistickou kvantovou rovnici, která popisuje stav částice s polovičním celočíselným spinem. Pro volnou částici vede Diracova rovnice k relativistickému vztahu mezi hybností (p), energií (E) a hmotností (m) částice:

Pro elektron v klidu (p e = 0) jsou možné následující energetické hladiny: A , energetický rozsah „zakázané“.

V kvantové teorii pole je stav částice s negativní energií interpretován jako stav antičástice, která má pozitivní energii, ale opačný elektrický náboj. Všechny možné úrovně negativní energie jsou naplněny, ale nejsou pozorovatelné. Foton s energií je schopen přenést elektron ze stavu s negativní energií do stavu s pozitivní energií (viz obr. 5.1) - elektron se stává pozorovatelným.