Τα στοιχειώδη σωματίδια και τα κύρια χαρακτηριστικά τους. Σταθερά στοιχειώδη σωματίδια Άλλα υπάρχοντα και υποθετικά σωματίδια

1. Στοιχειώδη σωματίδια- πρόκειται για μικροαντικείμενα, οι διαστάσεις των οποίων δεν υπερβαίνουν το μέγεθος των ατομικών πυρήνων. Τα στοιχειώδη σωματίδια περιλαμβάνουν πρωτόνια, νετρόνια, ηλεκτρόνια, μεσόνια, νετρίνα, φωτόνια κ.λπ.

Η έκφραση στοιχειώδη σωματίδια δεν πρέπει να γίνει κατανοητή ως σωματίδια χωρίς δομή που δεν μπορούν να μετασχηματιστούν. Καθώς η επιστήμη αναπτύσσεται, το περιεχόμενο κάθε επιστημονικού όρου σταδιακά απομακρύνεται από την ετυμολογία του. Έτσι, το άτομο παρέμεινε αδιαίρετο στο μυαλό των ανθρώπων μέχρι την εμφάνισή του στις αρχές του 19ου αιώνα. χημικός ατομισμός Στη σύγχρονη επιστημονική γνώση, ένα άτομο είναι ένα πολύπλοκο δυναμικό σύστημα ικανό για ποικίλες αναδιατάξεις. Ομοίως, τα στοιχειώδη σωματίδια, καθώς ανακαλύπτονται οι νέες ιδιότητές τους, αποκαλύπτουν μια όλο και πιο περίπλοκη δομή.

Η πιο σημαντική ιδιότητα των στοιχειωδών σωματιδίων είναι η ικανότητά τους να γεννιούνται και να μετασχηματίζονται το ένα στο άλλο κατά τη διάρκεια των συγκρούσεων. Για να συμβούν τέτοιες διεργασίες, είναι απαραίτητο τα συγκρουόμενα σωματίδια να έχουν υψηλή ενέργεια. Επομένως, η σωματιδιακή φυσική ονομάζεται επίσης φυσική υψηλής ενέργειας.

Ανάλογα με τη διάρκεια ζωής τους, όλα τα στοιχειώδη σωματίδια χωρίζονται σε τρεις ομάδες: σταθερά, ασταθή και συντονισμούς.

Σταθερά σωματίδια υπάρχουν σε ελεύθερη κατάσταση για απεριόριστο χρόνο Υπάρχουν μόνο 11 τέτοια σωματίδια: πρωτόνιο p, ηλεκτρόνιο e, νετρίνο ηλεκτρονίου ν 0, νετρίνο μιονίου νμ, ταούν νετρίνο ντ, τα αντισωματίδια τους p, e, ν e, νμ, ντ , και συν φωτόνιο γ. Τα πειραματικά στοιχεία της αυθόρμητης διάσπασης αυτών των σωματιδίων είναι ακόμα άγνωστα.

Τα ασταθή σωματίδια έχουν μέση διάρκεια ζωής τ. ο οποίος είναι πολύ μεγάλος σε σύγκριση με τον χαρακτηριστικό πυρηνικό χρόνο πτήσης των 10 -23 s (ο χρόνος που χρειάζεται το φως για να ταξιδέψει σε όλη τη διάμετρο των πυρήνων). Για παράδειγμα, για ένα νετρόνιο τ = 16 min, για ένα μιόνιο τ = 10 -6 s, για ένα φορτισμένο πιόνιο τ = 10 -8 s, για τα υπερόνια και τα καόνια τ = 10 -4 s.

Οι συντονισμοί έχουν διάρκεια ζωής συγκρίσιμο με τον χρόνο πτήσης των 10 -23 s. Καταγράφονται με συντονισμούς στις καμπύλες των διατομών αντίδρασης έναντι της ενέργειας. Πολλοί συντονισμοί ερμηνεύονται ως διεγερμένες καταστάσεις νουκλεονίων και άλλων σωματιδίων.

2. Θεμελιώδεις αλληλεπιδράσεις. Η ποικιλία των αλληλεπιδράσεων που παρατηρούνται μεταξύ των στοιχειωδών σωματιδίων και στη φύση συνολικά ανάγεται σε 4 βασικούς τύπους: ισχυρή, ηλεκτρομαγνητική, ασθενής και βαρυτική. Η ισχυρή αλληλεπίδραση συγκρατεί τα νουκλεόνια στους ατομικούς πυρήνες και είναι εγγενής στα αδρόνια (πρωτόνια, νετρόνια, μεσόνια, υπερόνια, κ.λπ.). Οι ηλεκτρομαγνητικές αλληλεπιδράσεις είναι αυτές που εκδηλώνονται σε μακροεπίπεδο - ελαστικές, παχύρρευστες, μοριακές, χημικές κ.λπ. Οι αδύναμες αλληλεπιδράσεις προκαλούν β-διάσπαση των πυρήνων και, μαζί με τις ηλεκτρομαγνητικές δυνάμεις, ελέγχουν τη συμπεριφορά των πεπτονών - στοιχειωδών σωματιδίων με μισό ακέραιο σπιν που δεν συμμετέχουν σε ισχυρές αλληλεπιδράσεις. Η βαρυτική αλληλεπίδραση είναι εγγενής σε όλα τα υλικά αντικείμενα.

Συγκρίνετε θεμελιώδεις αλληλεπιδράσεις μεταξύ τους αλλά τις εντάσεις τους. Δεν υπάρχει σαφής ορισμός αυτής της έννοιας και καμία μέθοδος σύγκρισης εντάσεων. Επομένως, χρησιμοποιούνται συγκρίσεις που βασίζονται σε ένα σύνολο φαινομένων.

Για παράδειγμα, ο λόγος της δύναμης της βαρυτικής έλξης μεταξύ δύο πρωτονίων προς τη δύναμη της απώθησης του Κουλόμπ είναι G (m p m p /r 2) /(e 2 /4pe 0 r 2) = 4pe 0 G(m p 2 /e 2) = 10 -36. Αυτός ο αριθμός λαμβάνεται ως μέτρο του λόγου των βαρυτικών και ηλεκτρομαγνητικών αλληλεπιδράσεων.

Η αναλογία μεταξύ ισχυρών και ηλεκτρομαγνητικών αλληλεπιδράσεων, που προσδιορίζεται από τις διατομές και τις ενέργειες των πυρηνικών αντιδράσεων, υπολογίζεται ως 10 4: 1. Οι εντάσεις των ισχυρών και των ασθενών αλληλεπιδράσεων συγκρίνονται με τον ίδιο τρόπο.

Μαζί με την ένταση, ο χρόνος και η απόσταση αλληλεπίδρασης χρησιμοποιούνται επίσης ως μέτρο σύγκρισης αλληλεπίδρασης. Συνήθως, για να συγκρίνουμε χρόνους, παίρνουμε τους ρυθμούς των διεργασιών σε κινητικές ενέργειες συγκρουόμενων σωματιδίων E = 1 GeV. Σε τέτοιες ενέργειες, οι διεργασίες που προκαλούνται από ισχυρές αλληλεπιδράσεις λαμβάνουν χώρα κατά τη διάρκεια μιας πυρηνικής πτήσης 10 -23 s, οι διεργασίες που προκαλούνται από ηλεκτρομαγνητικές αλληλεπιδράσεις χρειάζονται περίπου 10 -19 s, οι ασθενείς αλληλεπιδράσεις χρειάζονται περίπου 10 -9 s και οι αλληλεπιδράσεις βαρύτητας περίπου 10 +16 s. .

Η μέση ελεύθερη διαδρομή ενός σωματιδίου σε μια ουσία συνήθως λαμβάνεται ως αποστάσεις για τη σύγκριση των αλληλεπιδράσεων. Τα ισχυρά αλληλεπιδρώντα σωματίδια με E = 1 GeV καθυστερούν από ένα στρώμα βαρέος μετάλλου πάχους έως 1 m. Ενώ ένα νετρίνο, ικανό να συμμετέχει μόνο σε ασθενή αλληλεπίδραση, με ενέργεια 100 φορές μικρότερη (E = 10 MeV) μπορεί να συγκρατηθεί με ένα στρώμα 10 9 km!

ΕΝΑ. Ισχυρή αλληλεπίδρασηόχι μόνο η πιο έντονη, αλλά και η πιο σύντομη δράση στη φύση. Σε αποστάσεις που ξεπερνούν τα 10 -15 m ο ρόλος του γίνεται αμελητέος. Ενώ διασφαλίζει τη σταθερότητα των πυρήνων, αυτή η αλληλεπίδραση δεν έχει ουσιαστικά καμία επίδραση στα ατομικά φαινόμενα. Η ισχυρή αλληλεπίδραση δεν είναι καθολική. Δεν είναι εγγενές σε όλα τα σωματίδια, αλλά μόνο στα αδρόνια -νουκλεόνια, μεσόνια, υπερόνια κ.λπ. Υπάρχουν σωματίδια -φωτόνια, ηλεκτρόνια, μιόνια, νετρίνα- που δεν υπόκεινται σε ισχυρή αλληλεπίδραση και δεν γεννιούνται εξαιτίας τους σε συγκρούσεις.

σι. Ηλεκτρομαγνητική αλληλεπίδρασηη ένταση είναι 4 τάξεις μεγέθους μικρότερη από την ισχυρή. Η κύρια περιοχή της εκδήλωσής του είναι αποστάσεις που κυμαίνονται από διάμετρο πυρήνα 10 -15 m και έως περίπου 1 m. Αυτό περιλαμβάνει τη δομή των ατόμων, μορίων, κρυστάλλων, χημικών αντιδράσεων, παραμορφώσεων, τριβής, φωτός, ραδιοκύματα και πολλά άλλα φυσικά φαινόμενα προσιτά στην ανθρώπινη αντίληψη .

Η ηλεκτρομαγνητική αλληλεπίδραση είναι ισχυρότερη για τα ηλεκτρικά φορτισμένα σωματίδια. Σε ουδέτερα σωματίδια με μη μηδενικό σπιν εκδηλώνεται πιο αδύναμο και μόνο λόγω του γεγονότος ότι τέτοια σωματίδια έχουν μαγνητική ροπή της τάξης του М=eћ/2m. Η ηλεκτρομαγνητική αλληλεπίδραση είναι ακόμη πιο αδύναμη στα ουδέτερα πιόνια π 0 και στα νετρίνα.

Μια εξαιρετικά σημαντική ιδιότητα της αλληλεπίδρασης ΗΜ είναι η παρουσία τόσο της απώθησης μεταξύ σωματιδίων με παρόμοιο φορτίο όσο και της έλξης μεταξύ των μη όμοιων φορτισμένων σωματιδίων. Εξαιτίας αυτού, οι αλληλεπιδράσεις ΗΜ μεταξύ ατόμων και οποιωνδήποτε άλλων αντικειμένων με μηδενικό καθαρό φορτίο έχουν σχετικά μικρή εμβέλεια, αν και οι δυνάμεις Coulomb μεταξύ φορτισμένων σωματιδίων είναι μεγάλης εμβέλειας.

ε. Αδύναμη αλληλεπίδρασηαμελητέα σε σύγκριση με τα ισχυρά και τα ηλεκτρομαγνητικά. Αλλά όσο μειώνονται οι αποστάσεις, αυξάνεται ραγδαία. Αν υποθέσουμε ότι η δυναμική ανάπτυξης παραμένει αρκετά βαθιά, τότε σε αποστάσεις της τάξης των 10 -20 m η ασθενής αλληλεπίδραση θα γίνει ίση με την ισχυρή. Όμως τέτοιες αποστάσεις δεν είναι ακόμη διαθέσιμες για πειραματική έρευνα.

Η ασθενής αλληλεπίδραση προκαλεί ορισμένες διαδικασίες αλληλομετατροπής σωματιδίων. Για παράδειγμα, ένα σωματίδιο σίγμα-συν-υπερόν, μόνο υπό την επίδραση της ασθενής αλληλεπίδρασης, διασπάται σε πρωτόνιο και ουδέτερο πιόνιο, Σ + => p + π 0. Λόγω της ασθενούς αλληλεπίδρασης, εμφανίζεται αποσύνθεση β. Σωματίδια όπως υπερόνια, καόνια, μιόνια θα ήταν σταθερά απουσία ασθενούς αλληλεπίδρασης.

δ. Βαρυτική αλληλεπίδρασηο πιο αδύναμος. Χαρακτηρίζεται όμως από δράση μεγάλης εμβέλειας, απόλυτη καθολικότητα (όλα τα σώματα βαραίνουν) και το ίδιο πρόσημο μεταξύ οποιουδήποτε ζεύγους σωματιδίων. Η τελευταία ιδιότητα οδηγεί στο γεγονός ότι οι βαρυτικές δυνάμεις αυξάνονται πάντα με την αύξηση της μάζας των σωμάτων. Επομένως, η βαρύτητα, παρά την ασήμαντη σχετική έντασή της, αποκτά καθοριστικό ρόλο στις αλληλεπιδράσεις των κοσμικών σωμάτων - πλανητών, αστέρων, γαλαξιών

Στον κόσμο των στοιχειωδών σωματιδίων, ο ρόλος της βαρύτητας είναι αμελητέος. Επομένως, στη φυσική του ατόμου, του πυρήνα και των στοιχειωδών σωματιδίων, η βαρυτική αλληλεπίδραση δεν λαμβάνεται υπόψη.

3. Χαρακτηριστικά στοιχειωδών σωματιδίων. Μέχρι τις αρχές της δεκαετίας του 50 του 20ου αιώνα, ενώ ο αριθμός των σωματιδίων που ανακαλύφθηκαν ήταν σχετικά μικρός, χρησιμοποιήθηκαν γενικές φυσικές ποσότητες για την περιγραφή των σωματιδίων - μάζα m, κινητική ενέργεια E, ορμή p και ένας κβαντικός αριθμός - spin s, που επέτρεψαν να κρίνετε το μέγεθος των σωματιδίων μηχανικών και μαγνητικών ροπών. Για ασταθή σωματίδια, ο μέσος χρόνος ζωής τ προστέθηκε εδώ.

Αλλά σταδιακά, στα μοτίβα γέννησης και αποσύνθεσης ορισμένων σωματιδίων, ήταν δυνατό να εντοπιστούν ορισμένα χαρακτηριστικά ειδικά για αυτά τα σωματίδια. Για να προσδιοριστούν αυτές οι ιδιότητες, έπρεπε να εισαχθούν νέοι κβαντικοί αριθμοί. Κάποια από αυτά ονομάστηκαν κατηγορίες.

Για παράδειγμα, αποδείχθηκε ότι κατά τη διάσπαση βαρέων σωματιδίων, για παράδειγμα, ενός νετρονίου, δεν συμβαίνει ποτέ να σχηματίζονται μόνο ελαφριά, για παράδειγμα, ηλεκτρόνια e - , e + και νετρίνα. Αντίθετα, όταν συγκρούονται ηλεκτρόνια και ποζιτρόνια, δεν μπορεί να ληφθεί νετρόνιο, αν και ικανοποιούνται οι νόμοι της διατήρησης της ενέργειας και της ορμής. Για να αντικατοπτρίσει αυτό το μοτίβο, εισήχθη το φορτίο βαρυονίου κβαντικού αριθμού Β. Άρχισαν να πιστεύουν ότι τέτοια βαριά σωματίδια - βαρυόνια έχουν Β = 1 και τα αντισωματίδια τους Β = -1. Για τα ελαφρά σωματίδια B = 0. Ως αποτέλεσμα, το ανακαλυφθέν σχέδιο πήρε τη μορφή του νόμου της διατήρησης του φορτίου του βαρυονίου.

Ομοίως, για τα ελαφρά σωματίδια, εισήχθησαν εμπειρικά κβαντικοί αριθμοί - φορτία λεπτονίων L - σημάδια απαγόρευσης ορισμένων μετασχηματισμών. Συμφωνήσαμε να υποθέσουμε ότι φορτίζει τα λεπτόνια L e = +1 για τα ηλεκτρόνια e - και τα νετρίνα ηλεκτρονίων ν e , L μ = + 1 για τα αρνητικά μιόνια μ - και τα μυονικά νετρίνα ν μ , L τ = +1 για τα αρνητικά ταόνια τ - και ταον νετρίνα v τ . Για τα αντίστοιχα αντισωματίδια L= -1. Όπως τα φορτία βαρυονίου, τα λεπτονικά φορτία διατηρούνται σε όλες τις αλληλεπιδράσεις.

Με την ανακάλυψη των υπερονίων που γεννήθηκαν σε ισχυρές αλληλεπιδράσεις, αποδείχθηκε ότι η διάρκεια ζωής τους δεν είναι ίση με τον χρόνο πτήσης των 10 -23 δευτερολέπτων, που είναι τυπικός για τα έντονα αλληλεπιδρώντα σωματίδια, αλλά 10 13 φορές μεγαλύτερη. Αυτό φαινόταν απροσδόκητο και παράξενο και μπορούσε να εξηγηθεί μόνο από το γεγονός ότι τα σωματίδια που γεννιούνται σε ισχυρές αλληλεπιδράσεις διασπώνται σε ασθενείς αλληλεπιδράσεις. Για να αντικατοπτριστεί αυτή η ιδιότητα των σωματιδίων, εισήχθη μια κβαντική αριθμητική παραξενιά S. Τα περίεργα σωματίδια έχουν S = + 1, τα αντισωματίδια τους έχουν S = - 1 και άλλα σωματίδια έχουν S = 0.

Το ηλεκτρικό φορτίο Q των μικροσωματιδίων εκφράζεται μέσω της αναλογίας του προς το θετικό στοιχειώδες φορτίο e +. Επομένως, το ηλεκτρικό φορτίο Q των σωματιδίων είναι επίσης ακέραιος κβαντικός αριθμός. Για ένα πρωτόνιο Q = + 1, για ένα ηλεκτρόνιο Q = -1, για ένα νετρόνιο, νετρίνο και άλλα ουδέτερα σωματίδια Q = 0.

Εκτός από τις ονομαζόμενες παραμέτρους, τα στοιχειώδη σωματίδια έχουν και άλλα χαρακτηριστικά που δεν λαμβάνονται υπόψη εδώ.

4. Νόμοι διατήρησης στη σωματιδιακή φυσικήμπορούν να χωριστούν σε τρεις ομάδες: γενικούς νόμους διατήρησης, ακριβείς νόμους διατήρησης των χρεώσεων και κατά προσέγγιση νόμους διατήρησης.

ΕΝΑ . Καθολικοί νόμοι διατήρησηςπραγματοποιούνται με ακρίβεια ανεξάρτητα από την κλίμακα των φαινομένων - στον μικρό-, τον μακρο- και τον μέγα-κόσμο. Αυτοί οι νόμοι απορρέουν από τη γεωμετρία του χωροχρόνου. Η ομοιογένεια του χρόνου οδηγεί στο νόμο της διατήρησης της ενέργειας, η ομοιογένεια του χώρου - στο νόμο της διατήρησης της ορμής, η ισοτροπία του χώρου - στο νόμο της διατήρησης της γωνιακής ορμής, η ισότητα του ISO - στον νόμο της διατήρησης του κέντρου αδράνεια. Εκτός από αυτούς τους 4 νόμους, αυτό περιλαμβάνει δύο ακόμη που σχετίζονται με τη συμμετρία χώρου - χρόνου σε σχέση με τις κατοπτρικές αντανακλάσεις των αξόνων συντεταγμένων. Από την κατοπτρική συμμετρία των αξόνων συντεταγμένων προκύπτει ότι οι συμμετρίες δεξιά-αριστερά του χώρου είναι ταυτόσημες (ο νόμος της διατήρησης της ισοτιμίας). Ο νόμος που σχετίζεται με την κατοπτρική συμμετρία του χρόνου μιλά για την ταυτότητα των φαινομένων στον μικρόκοσμο σε σχέση με την αλλαγή στο ζώδιο του χρόνου.

σι. Ακριβείς νόμοι διατήρησης των χρεώσεων. Σε κάθε φυσικό σύστημα εκχωρείται ένα ακέραιο φορτίο κάθε είδους. Κάθε χρέωση είναι προσθετική και διατηρείται. Υπάρχουν 5 τέτοια φορτία: ηλεκτρικό Q, βαρυόνιο Β, τρία λειγονικά φορτία - ηλεκτρόνιο L e, μιόνιο L μ τόνο L τ. Όλα τα φορτία είναι ακέραια και μπορούν να έχουν μηδενικές θετικές και αρνητικές τιμές.

Το ηλεκτρικό φορτίο έχει διπλή σημασία. Δεν αντιπροσωπεύει μόνο έναν κβαντικό αριθμό, αλλά είναι και η πηγή του πεδίου δύναμης. Τα βαρυόνια και τα λεπτονικά φορτία δεν είναι πηγές του πεδίου δύναμης. Για ένα σύνθετο σύστημα, το συνολικό φορτίο οποιουδήποτε τύπου είναι ίσο με το άθροισμα των αντίστοιχων φορτίων των στοιχειωδών σωματιδίων που περιλαμβάνονται στο σύστημα.

V. Κατά προσέγγιση νόμοι διατήρησηςεκπληρώνονται μόνο σε ορισμένους τύπους θεμελιωδών αλληλεπιδράσεων. Σχετίζονται με χαρακτηριστικά όπως το παράξενο του S κ.λπ.

Όλοι οι αναφερόμενοι νόμοι διατήρησης συνοψίζονται στον Πίνακα 26.2.

5. Σωματίδια και αντισωματίδιαέχουν την ίδια μάζα, αλλά όλα τα φορτία τους είναι αντίθετα Η επιλογή ενός ζεύγους σωματιδίων και αντισωματιδίων είναι αυθαίρετη. Για παράδειγμα, σε ένα ζεύγος ηλεκτρονίου + ποζιτρόνιο, συμφώνησαν να θεωρήσουν το ηλεκτρόνιο e ως σωματίδιο και το ποζιτρόνιο e + ως αντισωματίδιο. Φορτία ηλεκτρονίων Q =-1, B = 0, Le = +1, Lµ= 0, Lτ =0. Φορτία ποζιτρονίων Q = +1, V = 0, Le=-1, Lµ= 0, Lτ =0

Όλα τα φορτία του συστήματος σωματιδίων + αντισωματιδίων είναι ίσα με μηδέν. Τέτοια συστήματα, στα οποία όλα τα φορτία είναι ίσα με μηδέν, ονομάζονται πραγματικά ουδέτερα. Υπάρχουν αληθινά ουδέτερα και σωματίδια. Υπάρχουν δύο από αυτά: γ - κβαντικό (φωτόνιο) και η - μεσόνιο. Τα σωματίδια και τα αντισωματίδια είναι πανομοιότυπα εδώ.

6. Ταξινόμηση στοιχειωδών σωματιδίωνδεν είναι τελειωμένο ακόμη. Μία από τις ταξινομήσεις βασίζεται επί του παρόντος στη μέση διάρκεια ζωής τ, μάζα m, spin s, πέντε τύπους φορτίων, παράξενο S και άλλες παραμέτρους των σωματιδίων. Όλα τα σωματίδια χωρίζονται σε 4 κατηγορίες.

Η 1η τάξη σχηματίζεται από ένα σωματίδιο - ένα φωτόνιο. Ένα φωτόνιο έχει μηδενική μάζα ηρεμίας και όλα τα φορτία. Το φωτόνιο δεν υπόκειται σε ισχυρές αλληλεπιδράσεις. Το σπιν του είναι 1, που σημαίνει στατιστικά ότι είναι ένα μποζόνιο.

Η κλάση 2 σχηματίζεται από λεπτόνια. Αυτά είναι ελαφρά σωματίδια με μηδενικό φορτίο βαρυονίου. Κάθε σωματίδιο - φορητός υπολογιστής - έχει μία από τις φορτίσεις του lenton που δεν είναι ίση με το μηδέν. Τα λεπτόνια δεν υπόκεινται σε ισχυρές αλληλεπιδράσεις. Το σπιν όλων των λεπτονίων είναι 1/2, δηλαδή, σύμφωνα με στατιστικά, είναι φερμιόνια.

Η 3η τάξη σχηματίζεται από μεσόνια. Πρόκειται για σωματίδια με μηδενικά φορτία βαρυονίου και λεπτονίων που συμμετέχουν σε ισχυρές αλληλεπιδράσεις. Όλα τα μεσόνια έχουν ακέραιο σπιν, δηλαδή, σύμφωνα με στατιστικά στοιχεία, είναι μποζόνια.

Η 4η τάξη αποτελείται από βαρυόνια. Πρόκειται για βαριά σωματίδια με μη μηδενικό φορτίο βαρυονίου B ≠ O και με μηδενικά φορτία λεπτονίων, Le,Lμ,Lτ = 0. Έχουν μισό ακέραιο σπιν (φερμιόνια) και συμμετέχουν σε ισχυρές αλληλεπιδράσεις. Λόγω της ικανότητας των σωματιδίων της 3ης και 4ης τάξης να συμμετέχουν σε ισχυρές αλληλεπιδράσεις, ονομάζονται και αδρόνια.

Ο Πίνακας 26.3 δείχνει γνωστά σωματίδια - όχι συντονισμούς με τα κύρια χαρακτηριστικά τους. Δίνονται σωματίδια και αντισωματίδια. Τα αληθινά ουδέτερα σωματίδια, που δεν έχουν αντισωματίδια, τοποθετούνται στη μέση της στήλης. Τα ονόματα δίνονται μόνο για τα σωματίδια. Το αντίστοιχο αντισωματίδιο λαμβάνεται απλά προσθέτοντας το πρόθεμα «αντι» στο όνομα του Σωματιδίου. Για παράδειγμα, πρωτόνιο - αντιπρωτόνιο, νετρόνιο - αντινετρόνιο.

Το αντιηλεκτρόνιο e + έχει το ιστορικό όνομα ποζιτρόνιο. Σε σχέση με φορτισμένα ιόντα και καόνια, ο όρος «αντισωματίδιο» πρακτικά δεν χρησιμοποιείται. Διαφέρουν μόνο ως προς το Ηλεκτρικό φορτίο, επομένως μιλούν απλώς για θετικά ή αρνητικά πιόνια και καόνια.

Το ανώτερο πρόσημο του φορτίου αναφέρεται στο σωματίδιο, το κάτω πρόσημο στο αντισωματίδιο. Για παράδειγμα, για ένα ζεύγος ηλεκτρονίων - ποζιτρονίων Le = ± 1. Αυτό σημαίνει ότι το ηλεκτρόνιο έχει Le = + 1 και το ποζιτρόνιο έχει Le = -1.

Στον πίνακα χρησιμοποιούνται οι παρακάτω συμβολισμοί: Q - ηλεκτρικό φορτίο, φορτίο Β βαρυονίου Le, Lµ, Lτ - αντίστοιχα, ηλεκτρόνιο, μιόνιο, ταονικά λεπτοπικά φορτία, S - παράξενο, s - σπιν, τ - μέση διάρκεια ζωής.

Η υπόλοιπη μάζα m δίνεται σε μεγαηλεκτρονβολτ. Από τη σχετικιστική εξίσωση mc 2 =еU προκύπτει m=eU/c 2 . Ενέργεια σωματιδίου 1 MeV αντιστοιχεί σε μάζα m=eU/c 2 =1,6 *10 -19 /9*10 16 =17,71*10 -31 kg. Πρόκειται για δύο μάζες ηλεκτρονίων. Διαιρώντας με τη μάζα του ηλεκτρονίου m e = 9,11*10 -31 kg, προκύπτει m = 1,94 m e.

Η μάζα του ηλεκτρονίου, εκφρασμένη σε ενέργεια, είναι m e =0,511 MeV.

7. Μοντέλο κουάρκ αδρονίων. Τα αδρόνια είναι στοιχειώδη σωματίδια που συμμετέχουν σε ισχυρές αλληλεπιδράσεις. Αυτά είναι μεσόνια και βαρυόνια. Το 1964, οι Αμερικανοί Murray Gell-Mann και George Zweig υπέθεσαν ότι η δομή και οι ιδιότητες των αδρονίων θα μπορούσαν να γίνουν καλύτερα κατανοητές υποθέτοντας ότι τα αδρόνια αποτελούνται από πιο θεμελιώδη σωματίδια, τα οποία ο Gell-Mann ονόμασε κουάρκ. Η υπόθεση του κουάρκ αποδείχθηκε πολύ γόνιμη και είναι πλέον γενικά αποδεκτή.

Ο αριθμός των υποτιθέμενων κουάρκ αυξάνεται συνεχώς. Μέχρι σήμερα, 5 ποικιλίες (γεύσεις) κουάρκ έχουν μελετηθεί καλύτερα: κουάρκ u με μάζα m u = 5 MeV, κουάρκ d με μάζα m d = 7 MeV, κουάρκ s με ms = 150 MeV, κουάρκ c με mc = 1300 MeV και κουάρκ b με mb=5000 MeV. Κάθε κουάρκ έχει το δικό του αντικουάρκ.

Όλα τα κουάρκ που αναφέρονται έχουν το ίδιο σπιν 1/2 και το ίδιο φορτίο βαρυονίου Β = 1/3. Τα κουάρκ u, c έχουν κλασματικό θετικό φορτίο Q = + 2/3, τα κουάρκ d, s, b έχουν

κλασματικό αρνητικό φορτίο Q = - 1/3. Το κουάρκ s είναι φορέας παραξενιάς, το κουάρκ c είναι φορέας γοητείας και το κουάρκ b είναι φορέας ομορφιάς (Πίνακας 26.4).

Κάθε αδρόνιο μπορεί να αναπαρασταθεί ως συνδυασμός πολλών κουάρκ. Οι κβαντικοί αριθμοί Q, B, S των αδρονίων λαμβάνονται ως το άθροισμα των αντίστοιχων αριθμών των κουάρκ που αποτελούν το αδρόνιο. Εάν δύο πανομοιότυπα κουάρκ εισέλθουν σε ένα αδρόνιο, τα σπιν τους είναι αντίθετα.

Τα βαρυόνια έχουν μισό ακέραιο σπιν, επομένως μπορούν να αποτελούνται από περιττό αριθμό κουάρκ. Για παράδειγμα, ένα πρωτόνιο αποτελείται από τρία κουάρκ, p => uud. Ηλεκτρικό φορτίο πρωτονίου Q =+ 2/3+2/3 – 1/3 = 1, φορτίο βαρυονίου πρωτονίου B = 1/3+ 1/3 + 1/3 = 1, παραξενιά S = O, σπιν s = 1/2 – 1/2 +1/2=1/2.

Το νετρόνιο αποτελείται επίσης από τρία κουάρκ, 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. Ένας συνδυασμός τριών κουάρκ μπορεί να χρησιμοποιηθεί για να αναπαραστήσει τα ακόλουθα βαρυόνια: Λ 0 (uds), Σ + (uus), Σ 0 (uds), Σ - (dds),Ξ 0 (uss), Ξ - (dss), Ω - (sss) a°(uss). Στην τελευταία περίπτωση, οι περιστροφές όλων των κουάρκ κατευθύνονται προς την ίδια κατεύθυνση. Επομένως το Ω - - υπερόν έχει σπιν 3/2.

Από τα αντίστοιχα αντικουάρκ σχηματίζονται αντισωματίδια βαρυονίων.

Τα μεσόνια αποτελούνται από δύο κουάρκ και ένα αντικουάρκ. Για παράδειγμα, το θετικό πιόνιο είναι π + (ud). Το φορτίο του είναι Q = +2/3- (-1/3) = 1, B = 1/3-1/3= O, S = 0, σπιν 1/2 – 1/2= 0.

Το μοντέλο των κουάρκ υποθέτει ότι τα κουάρκ υπάρχουν μέσα στα αδρόνια, αλλά η εμπειρία δείχνει ότι δεν μπορούν να ξεφύγουν από τα αδρόνια. Αλλά τουλάχιστον σε εκείνες τις ενέργειες που είναι εφικτές με σύγχρονους επιταχυντές. Υπάρχει μεγάλη πιθανότητα τα κουάρκ να μην μπορούν να υπάρχουν καθόλου σε ελεύθερη κατάσταση.

Η σύγχρονη φυσική υψηλής ενέργειας πιστεύει ότι η αλληλεπίδραση μεταξύ των κουάρκ πραγματοποιείται μέσω ειδικών σωματιδίων - γκλουονίων. Η υπόλοιπη μάζα των γκλουονίων είναι μηδέν, το σπιν είναι ίσο με μονάδα. Είναι πιθανό να υπάρχουν περίπου δώδεκα διαφορετικοί τύποι γκλουονίων.

Αυτά τα τρία σωματίδια (όπως και άλλα που περιγράφονται παρακάτω) έλκονται και απωθούνται αμοιβαία ανάλογα με το δικό τους ταρίφα, από τα οποία υπάρχουν μόνο τέσσερις τύποι ανάλογα με τον αριθμό των θεμελιωδών δυνάμεων της φύσης. Τα φορτία μπορούν να ταξινομηθούν με φθίνουσα σειρά των αντίστοιχων δυνάμεων ως εξής: χρωματικό φορτίο (δυνάμεις αλληλεπίδρασης μεταξύ κουάρκ). ηλεκτρικό φορτίο (ηλεκτρικές και μαγνητικές δυνάμεις). ασθενές φορτίο (δυνάμεις σε ορισμένες ραδιενεργές διεργασίες). τέλος, μάζα (βαρυτική δύναμη ή βαρυτική αλληλεπίδραση). Η λέξη "χρώμα" εδώ δεν έχει καμία σχέση με το χρώμα του ορατού φωτός. είναι απλώς χαρακτηριστικό ενός ισχυρού φορτίου και των μεγαλύτερων δυνάμεων.

Ταρίφα σώζονται, δηλ. το φορτίο που εισέρχεται στο σύστημα είναι ίσο με το φορτίο που εξέρχεται από αυτό. Εάν το συνολικό ηλεκτρικό φορτίο ενός συγκεκριμένου αριθμού σωματιδίων πριν από την αλληλεπίδρασή τους είναι ίσο, ας πούμε, με 342 μονάδες, τότε μετά την αλληλεπίδραση, ανεξάρτητα από το αποτέλεσμά της, θα είναι ίσο με 342 μονάδες. Αυτό ισχύει και για άλλα φορτία: χρώμα (ισχυρό φορτίο αλληλεπίδρασης), ασθενή και μάζα (μάζα). Τα σωματίδια διαφέρουν ως προς τα φορτία τους: στην ουσία «είναι» αυτά τα φορτία. Οι χρεώσεις είναι σαν ένα «πιστοποιητικό» του δικαιώματος απάντησης στην κατάλληλη δύναμη. Έτσι, μόνο τα χρωματιστά σωματίδια επηρεάζονται από τις χρωματικές δυνάμεις, μόνο τα ηλεκτρικά φορτισμένα σωματίδια επηρεάζονται από τις ηλεκτρικές δυνάμεις κ.λπ. Οι ιδιότητες ενός σωματιδίου καθορίζονται από τη μεγαλύτερη δύναμη που ασκείται σε αυτό. Μόνο τα κουάρκ είναι φορείς όλων των φορτίων και, ως εκ τούτου, υπόκεινται στη δράση όλων των δυνάμεων, μεταξύ των οποίων η κυρίαρχη είναι το χρώμα. Τα ηλεκτρόνια έχουν όλα τα φορτία εκτός από το χρώμα και η κυρίαρχη δύναμη για αυτά είναι η ηλεκτρομαγνητική δύναμη.

Οι πιο σταθεροί στη φύση είναι, κατά κανόνα, ουδέτεροι συνδυασμοί σωματιδίων στους οποίους το φορτίο των σωματιδίων του ενός σημείου αντισταθμίζεται από το συνολικό φορτίο των σωματιδίων του άλλου σημείου. Αυτό αντιστοιχεί στην ελάχιστη ενέργεια ολόκληρου του συστήματος. (Με τον ίδιο τρόπο, δύο μαγνήτες ράβδων είναι διατεταγμένοι σε μια γραμμή, με τον βόρειο πόλο του ενός να κοιτάζει τον νότιο πόλο του άλλου, που αντιστοιχεί στην ελάχιστη ενέργεια του μαγνητικού πεδίου.) Η βαρύτητα αποτελεί εξαίρεση σε αυτόν τον κανόνα: αρνητική μάζα δεν υπάρχει. Δεν υπάρχουν σώματα που πέφτουν προς τα πάνω.

ΕΙΔΗ ΥΛΗΣ

Η συνηθισμένη ύλη σχηματίζεται από ηλεκτρόνια και κουάρκ, ομαδοποιημένα σε αντικείμενα που έχουν ουδέτερο χρώμα και στη συνέχεια σε ηλεκτρικό φορτίο. Η ισχύς του χρώματος εξουδετερώνεται, όπως θα συζητηθεί λεπτομερέστερα παρακάτω, όταν τα σωματίδια συνδυάζονται σε τρίδυμα. (Εξ ου και ο ίδιος ο όρος «χρώμα», προερχόμενος από την οπτική: τρία βασικά χρώματα όταν αναμειγνύονται παράγουν λευκό.) Έτσι, τα κουάρκ για τα οποία η ένταση του χρώματος είναι το κύριο σχηματίζουν τριπλέτες. Αλλά τα κουάρκ, και χωρίζονται σε u-κουάρκ (από τα αγγλικά πάνω - πάνω) και ρε-τα κουάρκ (από τα αγγλικά κάτω - κάτω), έχουν επίσης ηλεκτρικό φορτίο ίσο με u-κουάρκ και για ρε-κουάρκ. Δύο u-κουάρκ και ένα ρε-τα κουάρκ δίνουν ηλεκτρικό φορτίο +1 και σχηματίζουν ένα πρωτόνιο, και ένα u-κουάρκ και δύο ρε-τα κουάρκ δίνουν μηδενικό ηλεκτρικό φορτίο και σχηματίζουν νετρόνιο.

Σταθερά πρωτόνια και νετρόνια, που έλκονται μεταξύ τους από τις υπολειπόμενες χρωματικές δυνάμεις της αλληλεπίδρασης μεταξύ των συστατικών τους κουάρκ, σχηματίζουν έναν ουδέτερο ως προς το χρώμα ατομικό πυρήνα. Αλλά οι πυρήνες φέρουν ένα θετικό ηλεκτρικό φορτίο και, προσελκύοντας αρνητικά ηλεκτρόνια που περιφέρονται γύρω από τον πυρήνα όπως οι πλανήτες που περιστρέφονται γύρω από τον Ήλιο, τείνουν να σχηματίζουν ένα ουδέτερο άτομο. Τα ηλεκτρόνια στις τροχιές τους απομακρύνονται από τον πυρήνα σε αποστάσεις δεκάδες χιλιάδες φορές μεγαλύτερες από την ακτίνα του πυρήνα - απόδειξη ότι οι ηλεκτρικές δυνάμεις που τα συγκρατούν είναι πολύ πιο αδύναμες από τις πυρηνικές. Χάρη στη δύναμη της αλληλεπίδρασης χρωμάτων, το 99,945% της μάζας ενός ατόμου περιέχεται στον πυρήνα του. Βάρος u- Και ρε-Τα κουάρκ είναι περίπου 600 φορές η μάζα ενός ηλεκτρονίου. Επομένως, τα ηλεκτρόνια είναι πολύ ελαφρύτερα και πιο κινητά από τους πυρήνες. Η κίνησή τους στην ύλη προκαλείται από ηλεκτρικά φαινόμενα.

Υπάρχουν αρκετές εκατοντάδες φυσικές ποικιλίες ατόμων (συμπεριλαμβανομένων των ισοτόπων), που διαφέρουν στον αριθμό των νετρονίων και των πρωτονίων στον πυρήνα και, κατά συνέπεια, στον αριθμό των ηλεκτρονίων στις τροχιές τους. Το απλούστερο είναι το άτομο υδρογόνου, που αποτελείται από έναν πυρήνα με τη μορφή ενός πρωτονίου και ένα μόνο ηλεκτρόνιο που περιστρέφεται γύρω του. Όλη η «ορατή» ύλη στη φύση αποτελείται από άτομα και μερικώς «αποσυναρμολογημένα» άτομα, τα οποία ονομάζονται ιόντα. Τα ιόντα είναι άτομα που, έχοντας χάσει (ή αποκτήσει) αρκετά ηλεκτρόνια, έχουν γίνει φορτισμένα σωματίδια. Η ύλη που αποτελείται σχεδόν εξ ολοκλήρου από ιόντα ονομάζεται πλάσμα. Τα αστέρια που καίγονται λόγω θερμοπυρηνικών αντιδράσεων που συμβαίνουν στα κέντρα αποτελούνται κυρίως από πλάσμα, και δεδομένου ότι τα αστέρια είναι η πιο κοινή μορφή ύλης στο Σύμπαν, μπορούμε να πούμε ότι ολόκληρο το Σύμπαν αποτελείται κυρίως από πλάσμα. Πιο συγκεκριμένα, τα αστέρια είναι κατά κύριο λόγο πλήρως ιονισμένο αέριο υδρογόνο, δηλ. ένα μείγμα μεμονωμένων πρωτονίων και ηλεκτρονίων, και επομένως, σχεδόν ολόκληρο το ορατό Σύμπαν αποτελείται από αυτό.

Αυτό είναι ορατή ύλη. Υπάρχει όμως και αόρατη ύλη στο Σύμπαν. Και υπάρχουν σωματίδια που λειτουργούν ως φορείς δύναμης. Υπάρχουν αντισωματίδια και διεγερμένες καταστάσεις ορισμένων σωματιδίων. Όλα αυτά οδηγούν σε μια σαφώς υπερβολική αφθονία «στοιχειωδών» σωματιδίων. Σε αυτή την αφθονία μπορεί κανείς να βρει μια ένδειξη της πραγματικής, αληθινής φύσης των στοιχειωδών σωματιδίων και των δυνάμεων που δρουν μεταξύ τους. Σύμφωνα με τις πιο πρόσφατες θεωρίες, τα σωματίδια μπορεί να είναι ουσιαστικά εκτεταμένα γεωμετρικά αντικείμενα - «χορδές» σε δεκαδιάστατο χώρο.

Ο αόρατος κόσμος.

Δεν υπάρχει μόνο ορατή ύλη στο Σύμπαν (αλλά και μαύρες τρύπες και «σκοτεινή ύλη», όπως ψυχροί πλανήτες που γίνονται ορατοί όταν φωτίζονται). Υπάρχει επίσης πραγματικά αόρατη ύλη που διαπερνά όλους εμάς και ολόκληρο το Σύμπαν κάθε δευτερόλεπτο. Είναι ένα ταχέως κινούμενο αέριο σωματιδίων ενός τύπου - νετρίνα ηλεκτρονίων.

Ένα νετρίνο ηλεκτρονίων είναι εταίρος ενός ηλεκτρονίου, αλλά δεν έχει ηλεκτρικό φορτίο. Τα νετρίνα φέρουν μόνο ένα λεγόμενο ασθενές φορτίο. Η μάζα ηρεμίας τους είναι, κατά πάσα πιθανότητα, μηδέν. Αλλά αλληλεπιδρούν με το βαρυτικό πεδίο επειδή έχουν κινητική ενέργεια μι, που αντιστοιχεί στην αποτελεσματική μάζα Μ, σύμφωνα με τον τύπο του Αϊνστάιν μι = mc 2 όπου ντο- ταχύτητα του φωτός.

Ο βασικός ρόλος του νετρίνου είναι ότι συμβάλλει στον μετασχηματισμό Και-κουάρκ μέσα ρε-κουάρκ, με αποτέλεσμα ένα πρωτόνιο να μετατρέπεται σε νετρόνιο. Τα νετρίνα λειτουργούν ως η «βελόνα του καρμπυρατέρ» για τις αντιδράσεις αστρικής σύντηξης, στις οποίες τέσσερα πρωτόνια (πυρήνες υδρογόνου) συνδυάζονται για να σχηματίσουν έναν πυρήνα ηλίου. Επειδή όμως ο πυρήνας του ηλίου δεν αποτελείται από τέσσερα πρωτόνια, αλλά από δύο πρωτόνια και δύο νετρόνια, για μια τέτοια πυρηνική σύντηξη είναι απαραίτητο δύο Και- τα κουάρκ μετατράπηκαν σε δύο ρε-κουάρκ. Η ένταση του μετασχηματισμού καθορίζει πόσο γρήγορα θα καούν τα αστέρια. Και η διαδικασία μετασχηματισμού καθορίζεται από ασθενή φορτία και ασθενείς δυνάμεις αλληλεπίδρασης μεταξύ των σωματιδίων. Εν Και-κουάρκ (ηλεκτρικό φορτίο +2/3, ασθενές φορτίο +1/2), αλληλεπιδρώντας με ένα ηλεκτρόνιο (ηλεκτρικό φορτίο - 1, ασθενές φορτίο -1/2), σχηματίζει ρε-κουάρκ (ηλεκτρικό φορτίο –1/3, ασθενής φορτίο –1/2) και νετρίνο ηλεκτρονίων (ηλεκτρικό φορτίο 0, ασθενές φορτίο +1/2). Τα χρωματικά φορτία (ή απλώς τα χρώματα) των δύο κουάρκ ακυρώνονται σε αυτή τη διαδικασία χωρίς το νετρίνο. Ο ρόλος του νετρίνου είναι να απομακρύνει το μη αντισταθμισμένο ασθενές φορτίο. Επομένως, ο ρυθμός μετασχηματισμού εξαρτάται από το πόσο αδύναμες είναι οι ασθενείς δυνάμεις. Αν ήταν πιο αδύναμοι από ό,τι είναι, τα αστέρια δεν θα καίγονταν καθόλου. Αν ήταν πιο δυνατοί, τα αστέρια θα είχαν καεί εδώ και πολύ καιρό.

Τι γίνεται με τα νετρίνα; Επειδή αυτά τα σωματίδια αλληλεπιδρούν εξαιρετικά ασθενώς με άλλη ύλη, σχεδόν αμέσως εγκαταλείπουν τα αστέρια στα οποία γεννήθηκαν. Όλα τα αστέρια λάμπουν, εκπέμποντας νετρίνα και τα νετρίνα λάμπουν μέσα από το σώμα μας και ολόκληρη τη Γη μέρα και νύχτα. Έτσι περιπλανιούνται στο Σύμπαν μέχρι να εισέλθουν, ίσως, σε ένα νέο STAR αλληλεπίδρασης).

Φορείς αλληλεπιδράσεων.

Τι προκαλεί δυνάμεις που δρουν μεταξύ σωματιδίων σε απόσταση; Η σύγχρονη φυσική απαντά: λόγω της ανταλλαγής άλλων σωματιδίων. Φανταστείτε δύο σκέιτερ ταχύτητας να πετούν μια μπάλα τριγύρω. Προσδίδοντας ορμή στην μπάλα όταν εκτινάσσεται και λαμβάνοντας ορμή με τη ληφθείσα μπάλα, και οι δύο δέχονται μια ώθηση προς μια κατεύθυνση μακριά ο ένας από τον άλλο. Αυτό μπορεί να εξηγήσει την εμφάνιση απωστικών δυνάμεων. Αλλά στην κβαντική μηχανική, η οποία εξετάζει φαινόμενα στον μικρόκοσμο, επιτρέπονται ασυνήθιστα τεντώματα και μετατοπισμός των γεγονότων, κάτι που οδηγεί στο φαινομενικά αδύνατο: ένας από τους σκέιτερ ρίχνει τη μπάλα προς την κατεύθυνση απόδιαφορετικό, αλλά παρ' όλα αυτά Μπορείπιάσε αυτή την μπάλα. Δεν είναι δύσκολο να φανταστεί κανείς ότι αν αυτό ήταν δυνατό (και στον κόσμο των στοιχειωδών σωματιδίων είναι δυνατό), θα προέκυπτε έλξη μεταξύ των σκέιτερ.

Τα σωματίδια, λόγω της ανταλλαγής των οποίων οι δυνάμεις αλληλεπίδρασης μεταξύ των τεσσάρων «σωματιδίων ύλης» που συζητήθηκαν παραπάνω, ονομάζονται σωματίδια μετρητή. Κάθε μία από τις τέσσερις αλληλεπιδράσεις – ισχυρή, ηλεκτρομαγνητική, ασθενής και βαρυτική – έχει το δικό της σύνολο σωματιδίων μετρητή. Τα σωματίδια-φορείς της ισχυρής αλληλεπίδρασης είναι γκλουόνια (υπάρχουν μόνο οκτώ από αυτά). Ένα φωτόνιο είναι φορέας ηλεκτρομαγνητικής αλληλεπίδρασης (υπάρχει μόνο ένα και αντιλαμβανόμαστε τα φωτόνια ως φως). Τα σωματίδια φορείς της ασθενούς αλληλεπίδρασης είναι ενδιάμεσα διανυσματικά μποζόνια (ανακαλύφθηκαν το 1983 και το 1984 W + -, W- - μποζόνια και ουδέτερα Ζ-μποζόνιο). Το σωματίδιο φορέα της βαρυτικής αλληλεπίδρασης είναι το ακόμα υποθετικό βαρυτόνιο (θα πρέπει να υπάρχει μόνο ένα). Όλα αυτά τα σωματίδια, εκτός από το φωτόνιο και το βαριτόνιο, που μπορούν να διανύσουν άπειρες μεγάλες αποστάσεις, υπάρχουν μόνο στη διαδικασία ανταλλαγής μεταξύ υλικών σωματιδίων. Τα φωτόνια γεμίζουν το Σύμπαν με φως και τα γκραβιτόνια γεμίζουν το Σύμπαν με βαρυτικά κύματα (δεν έχουν ακόμη ανιχνευθεί αξιόπιστα).

Ένα σωματίδιο ικανό να εκπέμπει σωματίδια μετρητή λέγεται ότι περιβάλλεται από ένα αντίστοιχο πεδίο δυνάμεων. Έτσι, τα ηλεκτρόνια που είναι ικανά να εκπέμπουν φωτόνια περιβάλλονται από ηλεκτρικά και μαγνητικά πεδία, καθώς και από ασθενή και βαρυτικά πεδία. Τα κουάρκ περιβάλλονται επίσης από όλα αυτά τα πεδία, αλλά και από το ισχυρό πεδίο αλληλεπίδρασης. Τα σωματίδια με χρωματικό φορτίο στο πεδίο των χρωματικών δυνάμεων επηρεάζονται από τη χρωματική δύναμη. Το ίδιο ισχύει και για άλλες δυνάμεις της φύσης. Επομένως, μπορούμε να πούμε ότι ο κόσμος αποτελείται από ύλη (σωματίδια υλικού) και πεδίο (σωματίδια μετρητή). Περισσότερα για αυτό παρακάτω.

Αντιύλη.

Κάθε σωματίδιο έχει ένα αντισωματίδιο, με το οποίο το σωματίδιο μπορεί αμοιβαία να εκμηδενιστεί, δηλ. «εξουδετερώνουν», με αποτέλεσμα την απελευθέρωση ενέργειας. Ωστόσο, η «καθαρή» ενέργεια από μόνη της δεν υπάρχει. Ως αποτέλεσμα της εκμηδένισης, εμφανίζονται νέα σωματίδια (για παράδειγμα, φωτόνια) που παρασύρουν αυτήν την ενέργεια.

Στις περισσότερες περιπτώσεις, ένα αντισωματίδιο έχει ιδιότητες αντίθετες από το αντίστοιχο σωματίδιο: εάν ένα σωματίδιο κινηθεί προς τα αριστερά υπό την επίδραση ισχυρών, αδύναμων ή ηλεκτρομαγνητικών πεδίων, τότε το αντισωματίδιο του θα μετακινηθεί προς τα δεξιά. Εν ολίγοις, το αντισωματίδιο έχει αντίθετα σημάδια από όλα τα φορτία (εκτός από το φορτίο μάζας). Εάν ένα σωματίδιο είναι σύνθετο, όπως ένα νετρόνιο, τότε το αντισωματίδιο του αποτελείται από συστατικά με αντίθετα σημάδια φορτίων. Έτσι, ένα αντιηλεκτρόνιο έχει ηλεκτρικό φορτίο +1, ασθενές φορτίο +1/2 και ονομάζεται ποζιτρόνιο. Το αντινετρόνιο αποτελείται από Και-αντικουάρκ με ηλεκτρικό φορτίο –2/3 και ρε-αντικουάρκ με ηλεκτρικό φορτίο +1/3. Τα αληθινά ουδέτερα σωματίδια είναι τα δικά τους αντισωματίδια: το αντισωματίδιο ενός φωτονίου είναι ένα φωτόνιο.

Σύμφωνα με τις σύγχρονες θεωρητικές έννοιες, κάθε σωματίδιο που υπάρχει στη φύση πρέπει να έχει το δικό του αντισωματίδιο. Και πολλά αντισωματίδια, συμπεριλαμβανομένων των ποζιτρονίων και των αντινετρονίων, ελήφθησαν πράγματι στο εργαστήριο. Οι συνέπειες αυτού είναι εξαιρετικά σημαντικές και αποτελούν τη βάση όλης της πειραματικής σωματιδιακής φυσικής. Σύμφωνα με τη θεωρία της σχετικότητας, η μάζα και η ενέργεια είναι ισοδύναμες και υπό ορισμένες συνθήκες η ενέργεια μπορεί να μετατραπεί σε μάζα. Εφόσον το φορτίο διατηρείται και το φορτίο του κενού (κενός χώρος) είναι μηδέν, οποιαδήποτε ζεύγη σωματιδίων και αντισωματιδίων (με μηδενικό καθαρό φορτίο) μπορούν να αναδυθούν από το κενό, όπως τα κουνέλια από το καπέλο ενός μάγου, εφόσον η ενέργεια είναι επαρκής για δημιουργούν τη μάζα τους.

Γενιές σωματιδίων.

Τα πειράματα με επιταχυντές έχουν δείξει ότι το τετράγωνο των σωματιδίων υλικού επαναλαμβάνεται τουλάχιστον δύο φορές σε υψηλότερες τιμές μάζας. Στη δεύτερη γενιά, τη θέση του ηλεκτρονίου παίρνει το μιόνιο (με μάζα περίπου 200 φορές μεγαλύτερη από τη μάζα του ηλεκτρονίου, αλλά με τις ίδιες τιμές όλων των άλλων φορτίων), η θέση του νετρίνου ηλεκτρονίου είναι που λαμβάνεται από το μιόνιο (το οποίο συνοδεύει το μιόνιο σε ασθενείς αλληλεπιδράσεις με τον ίδιο τρόπο που το ηλεκτρόνιο συνοδεύεται από το νετρίνο ηλεκτρονίων), τοποθετήστε Και-Κουάρκ καταλαμβάνει Με-κουάρκ ( γοητευμένος), ΕΝΑ ρε-κουάρκ - μικρό-κουάρκ ( παράξενος). Στην τρίτη γενιά, το κουαρτέτο αποτελείται από ένα ταυλεπτόνιο, ένα ταυ νετρίνο, t-κουάρκ και σι-κουάρκ.

Βάρος t- ένα κουάρκ είναι περίπου 500 φορές η μάζα του ελαφρύτερου - ρε-κουάρκ. Έχει αποδειχθεί πειραματικά ότι υπάρχουν μόνο τρεις τύποι ελαφρών νετρίνων. Έτσι, η τέταρτη γενιά σωματιδίων είτε δεν υπάρχει καθόλου, είτε τα αντίστοιχα νετρίνα είναι πολύ βαριά. Αυτό είναι σύμφωνο με τα κοσμολογικά δεδομένα, σύμφωνα με τα οποία δεν μπορούν να υπάρχουν περισσότεροι από τέσσερις τύποι ελαφρών νετρίνων.

Σε πειράματα με σωματίδια υψηλής ενέργειας, το ηλεκτρόνιο, το μιόνιο, το ταυλεπτόνιο και τα αντίστοιχα νετρίνα δρουν ως απομονωμένα σωματίδια. Δεν φέρουν χρωματικό φορτίο και εισέρχονται μόνο σε ασθενείς και ηλεκτρομαγνητικές αλληλεπιδράσεις. Συλλογικά λέγονται λεπτόνια.

Πίνακας 2. ΓΕΝΕΙΣ ΘΕΜΕΛΙΩΔΩΝ ΣΩΜΑΤΙΔΙΩΝ
Σωματίδιο	Μάζα ηρεμίας, MeV/ Με 2	Ηλεκτρικό φορτίο	Χρώμα χρέωσης	Αδύναμη φόρτιση
ΔΕΥΤΕΡΗ ΓΕΝΙΑ
Με-κουάρκ	1500	+2/3	Κόκκινο, πράσινο ή μπλε	+1/2
μικρό-κουάρκ	500	–1/3	Ιδιο	–1/2
Μιονικό νετρίνο		0	0	+1/2
Muon	106	0	0	–1/2
ΤΡΙΤΗ ΓΕΝΙΑ
t-κουάρκ	30000–174000	+2/3	Κόκκινο, πράσινο ή μπλε	+1/2
σι-κουάρκ	4700	–1/3	Ιδιο	–1/2
Ταυ νετρίνο		0	0	+1/2
Tau	1777	–1	0	–1/2

Τα κουάρκ, υπό την επίδραση των χρωματικών δυνάμεων, συνδυάζονται σε σωματίδια ισχυρής αλληλεπίδρασης που κυριαρχούν στα περισσότερα πειράματα φυσικής υψηλής ενέργειας. Τέτοια σωματίδια ονομάζονται αδρόνια. Περιλαμβάνουν δύο υποκατηγορίες: βαρυόνια(όπως ένα πρωτόνιο και ένα νετρόνιο), τα οποία αποτελούνται από τρία κουάρκ, και μεσόνια, που αποτελείται από ένα κουάρκ και ένα αντικουάρκ. Το 1947, το πρώτο μεσόνιο, που ονομάζεται πιόν (ή πι-μεσόνιο), ανακαλύφθηκε στις κοσμικές ακτίνες και για κάποιο διάστημα πιστευόταν ότι η ανταλλαγή αυτών των σωματιδίων ήταν η κύρια αιτία των πυρηνικών δυνάμεων. Τα ωμέγα-μείον αδρόνια, που ανακαλύφθηκαν το 1964 στο Εθνικό Εργαστήριο Brookhaven (ΗΠΑ), και το σωματίδιο JPS ( J/y-meson), που ανακαλύφθηκε ταυτόχρονα στο Brookhaven και στο Stanford Linear Accelerator Center (επίσης στις ΗΠΑ) το 1974. Η ύπαρξη του σωματιδίου ωμέγα μείον είχε προβλεφθεί από τον M. Gell-Mann στο λεγόμενο « S.U. 3 θεωρία» (άλλο όνομα είναι το «οκταπλό μονοπάτι»), στο οποίο προτάθηκε για πρώτη φορά η πιθανότητα ύπαρξης κουάρκ (και αυτό το όνομα τους δόθηκε). Μια δεκαετία αργότερα, η ανακάλυψη του σωματιδίου J/yεπιβεβαίωσε την ύπαρξη Με-κουάρκ και τελικά έκανε όλους να πιστέψουν τόσο στο μοντέλο του κουάρκ όσο και στη θεωρία που ένωσε ηλεκτρομαγνητικές και αδύναμες δυνάμεις ( Δες παρακάτω).

Τα σωματίδια της δεύτερης και τρίτης γενιάς δεν είναι λιγότερο αληθινά από την πρώτη. Είναι αλήθεια ότι, έχοντας προκύψει, σε εκατομμυριοστά ή δισεκατομμυριοστά του δευτερολέπτου διασπώνται σε συνηθισμένα σωματίδια της πρώτης γενιάς: ηλεκτρόνιο, νετρίνο ηλεκτρονίων και επίσης Και- Και ρε-κουάρκ. Το ερώτημα γιατί υπάρχουν πολλές γενιές σωματιδίων στη φύση παραμένει ακόμα ένα μυστήριο.

Συχνά γίνεται λόγος για διαφορετικές γενιές κουάρκ και λεπτονίων (το οποίο, φυσικά, είναι κάπως εκκεντρικό) ως διαφορετικές «γεύσεις» σωματιδίων. Η ανάγκη να τους εξηγήσουμε ονομάζεται πρόβλημα «γεύσης».

ΜΠΟΖΟΝΙΑ ΚΑΙ ΦΕΡΜΙΟΝΙΑ, ΠΕΔΙΟ ΚΑΙ ΎΛΗ

Μία από τις θεμελιώδεις διαφορές μεταξύ των σωματιδίων είναι η διαφορά μεταξύ μποζονίων και φερμιονίων. Όλα τα σωματίδια χωρίζονται σε αυτές τις δύο κύριες κατηγορίες. Τα ίδια μποζόνια μπορούν να επικαλύπτονται ή να επικαλύπτονται, αλλά τα ίδια φερμιόνια δεν μπορούν. Η υπέρθεση εμφανίζεται (ή δεν συμβαίνει) στις διακριτές ενεργειακές καταστάσεις στις οποίες η κβαντική μηχανική διαιρεί τη φύση. Αυτές οι καταστάσεις είναι σαν ξεχωριστά κελιά στα οποία μπορούν να τοποθετηθούν σωματίδια. Έτσι, μπορείτε να βάλετε όσα πανομοιότυπα μποζόνια θέλετε σε ένα κελί, αλλά μόνο ένα φερμιόνιο.

Ως παράδειγμα, θεωρήστε τέτοια κύτταρα, ή «καταστάσεις», για ένα ηλεκτρόνιο που περιστρέφεται γύρω από τον πυρήνα ενός ατόμου. Σε αντίθεση με τους πλανήτες του Ηλιακού Συστήματος, σύμφωνα με τους νόμους της κβαντικής μηχανικής, ένα ηλεκτρόνιο δεν μπορεί να κυκλοφορήσει σε καμία ελλειπτική τροχιά· γιατί υπάρχει μόνο μια διακριτή σειρά επιτρεπόμενων «καταστάσεων κίνησης». Τα σύνολα τέτοιων καταστάσεων, ομαδοποιημένα ανάλογα με την απόσταση από το ηλεκτρόνιο στον πυρήνα, ονομάζονται τροχιακά. Στο πρώτο τροχιακό υπάρχουν δύο καταστάσεις με διαφορετική γωνιακή ορμή και, επομένως, δύο επιτρεπόμενα κύτταρα, και στα υψηλότερα τροχιακά υπάρχουν οκτώ ή περισσότερα κύτταρα.

Δεδομένου ότι το ηλεκτρόνιο είναι φερμιόνιο, κάθε κύτταρο μπορεί να περιέχει μόνο ένα ηλεκτρόνιο. Από αυτό προκύπτουν πολύ σημαντικές συνέπειες - όλη η χημεία, αφού οι χημικές ιδιότητες των ουσιών καθορίζονται από τις αλληλεπιδράσεις μεταξύ των αντίστοιχων ατόμων. Εάν περάσετε από το περιοδικό σύστημα στοιχείων από το ένα άτομο στο άλλο με τη σειρά αύξησης κατά ένα του αριθμού των πρωτονίων στον πυρήνα (ο αριθμός των ηλεκτρονίων θα αυξηθεί επίσης ανάλογα), τότε τα δύο πρώτα ηλεκτρόνια θα καταλάβουν το πρώτο τροχιακό, τα επόμενα οκτώ θα βρίσκονται στο δεύτερο κ.λπ. Αυτή η σταθερή αλλαγή στην ηλεκτρονική δομή των ατόμων από στοιχείο σε στοιχείο καθορίζει τα μοτίβα στις χημικές τους ιδιότητες.

Αν τα ηλεκτρόνια ήταν μποζόνια, τότε όλα τα ηλεκτρόνια σε ένα άτομο θα μπορούσαν να καταλαμβάνουν το ίδιο τροχιακό, που αντιστοιχεί στην ελάχιστη ενέργεια. Σε αυτή την περίπτωση, οι ιδιότητες όλης της ύλης στο Σύμπαν θα ήταν εντελώς διαφορετικές και το Σύμπαν με τη μορφή που γνωρίζουμε θα ήταν αδύνατο.

Όλα τα λεπτόνια -ηλεκτρόνιο, μιόνιο, ταυλεπτόνιο και τα αντίστοιχα νετρίνα τους- είναι φερμιόνια. Το ίδιο μπορεί να ειπωθεί για τα κουάρκ. Έτσι, όλα τα σωματίδια που σχηματίζουν την «ύλη», το κύριο πληρωτικό του Σύμπαντος, καθώς και τα αόρατα νετρίνα, είναι φερμιόνια. Αυτό είναι πολύ σημαντικό: τα φερμιόνια δεν μπορούν να συνδυαστούν, επομένως το ίδιο ισχύει και για αντικείμενα στον υλικό κόσμο.

Ταυτόχρονα, όλα τα «σωματίδια μετρητή» που ανταλλάσσονται μεταξύ αλληλεπιδρώντων υλικών σωματιδίων και τα οποία δημιουργούν ένα πεδίο δυνάμεων ( βλέπε παραπάνω), είναι μποζόνια, κάτι που είναι επίσης πολύ σημαντικό. Έτσι, για παράδειγμα, πολλά φωτόνια μπορεί να βρίσκονται στην ίδια κατάσταση, σχηματίζοντας ένα μαγνητικό πεδίο γύρω από έναν μαγνήτη ή ένα ηλεκτρικό πεδίο γύρω από ένα ηλεκτρικό φορτίο. Χάρη σε αυτό, είναι επίσης δυνατό το λέιζερ.

Γνέθω.

Η διαφορά μεταξύ μποζονίων και φερμιονίων συνδέεται με ένα άλλο χαρακτηριστικό των στοιχειωδών σωματιδίων - γνέθω. Παραδόξως, όλα τα θεμελιώδη σωματίδια έχουν τη δική τους γωνιακή ορμή ή, πιο απλά, περιστρέφονται γύρω από τον άξονά τους. Η γωνία ώθησης είναι χαρακτηριστικό της περιστροφικής κίνησης, όπως και η συνολική ώθηση της μεταφορικής κίνησης. Σε κάθε αλληλεπίδραση, η γωνιακή ορμή και ορμή διατηρούνται.

Στον μικρόκοσμο, η γωνιακή ορμή κβαντίζεται, δηλ. παίρνει διακριτές τιμές. Σε κατάλληλες μονάδες μέτρησης, τα λεπτόνια και τα κουάρκ έχουν σπιν 1/2 και τα σωματίδια μετρητή έχουν σπιν 1 (εκτός από το βαρυτόνιο, το οποίο δεν έχει ακόμη παρατηρηθεί πειραματικά, αλλά θεωρητικά θα έπρεπε να έχει σπιν 2). Δεδομένου ότι τα λεπτόνια και τα κουάρκ είναι φερμιόνια και τα σωματίδια του μετρητή είναι μποζόνια, μπορούμε να υποθέσουμε ότι η «φερμιονικότητα» σχετίζεται με το σπιν 1/2 και η «βοσονικότητα» με το σπιν 1 (ή 2). Πράγματι, τόσο το πείραμα όσο και η θεωρία επιβεβαιώνουν ότι αν ένα σωματίδιο έχει σπιν μισού ακέραιου, τότε είναι φερμιόνιο και αν έχει ακέραιο σπιν, τότε είναι μποζόνιο.

ΘΕΩΡΙΕΣ ΜΕΤΡΗΜΑΤΩΝ ΚΑΙ ΓΕΩΜΕΤΡΙΑ

Σε όλες τις περιπτώσεις, οι δυνάμεις προκύπτουν λόγω της ανταλλαγής μποζονίων μεταξύ φερμιονίων. Έτσι, η χρωματική δύναμη αλληλεπίδρασης μεταξύ δύο κουάρκ (κουάρκ - φερμιόνια) προκύπτει λόγω της ανταλλαγής γκλουονίων. Μια παρόμοια ανταλλαγή συμβαίνει συνεχώς σε πρωτόνια, νετρόνια και ατομικούς πυρήνες. Ομοίως, τα φωτόνια που ανταλλάσσονται μεταξύ ηλεκτρονίων και κουάρκ δημιουργούν τις ηλεκτρικές ελκτικές δυνάμεις που συγκρατούν τα ηλεκτρόνια στο άτομο και τα ενδιάμεσα διανυσματικά μποζόνια που ανταλλάσσονται μεταξύ λεπτονίων και κουάρκ δημιουργούν τις ασθενείς δυνάμεις που είναι υπεύθυνες για τη μετατροπή των πρωτονίων σε νετρόνια στις θερμοπυρηνικές αντιδράσεις στα αστέρια.

Η θεωρία πίσω από αυτή την ανταλλαγή είναι κομψή, απλή και πιθανώς σωστή. Ονομάζεται θεωρία μετρητή. Αλλά προς το παρόν υπάρχουν μόνο ανεξάρτητες θεωρίες μετρητών ισχυρών, αδύναμων και ηλεκτρομαγνητικών αλληλεπιδράσεων και μια παρόμοια, αν και κάπως διαφορετική, θεωρία μετρητή της βαρύτητας. Ένα από τα πιο σημαντικά φυσικά προβλήματα είναι η αναγωγή αυτών των μεμονωμένων θεωριών σε μια ενιαία και ταυτόχρονα απλή θεωρία, στην οποία όλες θα γίνονταν διαφορετικές όψεις μιας ενιαίας πραγματικότητας - όπως τα πρόσωπα ενός κρυστάλλου.

Πίνακας 3. ΜΕΡΙΚΑ ΑΔΡΟΝΙΑ

Πίνακας 3. ΜΕΡΙΚΑ ΑΔΡΟΝΙΑ
Σωματίδιο	Σύμβολο	Σύνθεση κουάρκ *	Μάζα ανάπαυσης, MeV/ Με 2	Ηλεκτρικό φορτίο
BARIONS
Πρωτόνιο	Π	uud	938	+1
Νετρόνιο	n	udd	940	0
Ωμέγα μείον	W -	σσ.σ	1672	–1
ΜΕΣΩΝΟΙ
Pi-plus	Π +	u	140	+1
Pi μείον	Π –	du	140	–1
Fi	φά	sє	1020	0
JP	J/y	cў	3100	0
Υψιλο	Ў	σι	9460	0
* Σύνθεση Κουάρκ: u- μπλουζα; ρε- πιο χαμηλα; μικρό- περίεργο? ντο– μαγεμένος σι- Πανεμορφη. Οι αντίκες υποδεικνύονται με μια γραμμή πάνω από το γράμμα.

Η απλούστερη και παλαιότερη από τις θεωρίες μετρητών είναι η θεωρία μετρητή της ηλεκτρομαγνητικής αλληλεπίδρασης. Σε αυτό, το φορτίο ενός ηλεκτρονίου συγκρίνεται (βαθμονομείται) με το φορτίο ενός άλλου ηλεκτρονίου που απέχει από αυτό. Πώς μπορείτε να συγκρίνετε τις χρεώσεις; Μπορείτε, για παράδειγμα, να φέρετε το δεύτερο ηλεκτρόνιο πιο κοντά στο πρώτο και να συγκρίνετε τις δυνάμεις αλληλεπίδρασής τους. Δεν αλλάζει όμως το φορτίο ενός ηλεκτρονίου όταν μετακινείται σε άλλο σημείο του χώρου; Ο μόνος τρόπος για έλεγχο είναι να στείλετε ένα σήμα από ένα κοντινό ηλεκτρόνιο σε ένα μακρινό και να δείτε πώς αντιδρά. Το σήμα είναι ένα σωματίδιο μετρητή - ένα φωτόνιο. Για να μπορέσουμε να ελέγξουμε το φορτίο σε μακρινά σωματίδια, χρειάζεται ένα φωτόνιο.

Μαθηματικά, αυτή η θεωρία είναι εξαιρετικά ακριβής και όμορφη. Από την «αρχή του μετρητή» που περιγράφεται παραπάνω ρέει όλη η κβαντική ηλεκτροδυναμική (κβαντική θεωρία του ηλεκτρομαγνητισμού), καθώς και η θεωρία του ηλεκτρομαγνητικού πεδίου του Maxwell - ένα από τα μεγαλύτερα επιστημονικά επιτεύγματα του 19ου αιώνα.

Γιατί μια τόσο απλή αρχή είναι τόσο γόνιμη; Προφανώς, εκφράζει μια ορισμένη συσχέτιση μεταξύ διαφορετικών τμημάτων του Σύμπαντος, επιτρέποντας να γίνονται μετρήσεις στο Σύμπαν. Με μαθηματικούς όρους, το πεδίο ερμηνεύεται γεωμετρικά ως η καμπυλότητα κάποιου νοητού «εσωτερικού» χώρου. Η μέτρηση του φορτίου είναι η μέτρηση της συνολικής «εσωτερικής καμπυλότητας» γύρω από το σωματίδιο. Οι θεωρίες μετρητών των ισχυρών και αδύναμων αλληλεπιδράσεων διαφέρουν από τη θεωρία του ηλεκτρομαγνητικού μετρητή μόνο στην εσωτερική γεωμετρική «δομή» του αντίστοιχου φορτίου. Το ερώτημα για το πού ακριβώς βρίσκεται αυτός ο εσωτερικός χώρος επιδιώκεται να απαντηθεί από πολυδιάστατες ενοποιημένες θεωρίες πεδίου, οι οποίες δεν συζητούνται εδώ.

Πίνακας 4. ΒΑΣΙΚΕΣ ΑΛΛΗΛΕΠΙΔΡΑΣΕΙΣ
ΑΛΛΗΛΕΠΙΔΡΑΣΗ	Σχετική ένταση σε απόσταση 10–13 cm	Ακτίνα δράσης	Φορέας αλληλεπίδρασης	Μάζα ηρεμίας φορέα, MeV/ Με 2	Περιστρέψτε τον φορέα
Ισχυρός	1		Gluon	0	1
Ηλεκτρο- μαγνητικός	0,01	Ґ	Φωτόνιο	0	1
Αδύναμος	10 –13		W +	80400	1
			W –	80400	1
			Ζ 0	91190	1
Gravita- εθνικές	10 –38	Ґ	Graviton	0	2

Η σωματιδιακή φυσική δεν έχει ακόμη ολοκληρωθεί. Δεν είναι ακόμη σαφές εάν τα διαθέσιμα δεδομένα είναι επαρκή για την πλήρη κατανόηση της φύσης των σωματιδίων και των δυνάμεων, καθώς και για την πραγματική φύση και διάσταση του χώρου και του χρόνου. Χρειαζόμαστε πειράματα με ενέργειες 10 15 GeV για αυτό ή θα είναι επαρκής η προσπάθεια της σκέψης; Καμία απάντηση ακόμα. Αλλά μπορούμε να πούμε με σιγουριά ότι η τελική εικόνα θα είναι απλή, κομψή και όμορφη. Είναι πιθανό να μην υπάρχουν τόσες πολλές θεμελιώδεις ιδέες: η αρχή του μετρητή, οι χώροι υψηλότερων διαστάσεων, η κατάρρευση και η επέκταση και, πάνω απ 'όλα, η γεωμετρία.

13.1. Η έννοια των «στοιχειωδών σωματιδίων»

Με την ακριβή έννοια του όρου «στοιχειώδη» είναι τα πρωτεύοντα αδιαίρετα απλούστερα σωματίδια χωρίς εσωτερική δομή που συνθέτουν την ύλη.

Μέχρι το 1932, τέσσερις τύποι σωματιδίων ήταν γνωστοί: ηλεκτρόνια, πρωτόνια, νετρόνια και φωτόνια. Αυτά τα σωματίδια (με εξαίρεση το φωτόνιο) είναι πράγματι συστατικά παρατηρήσιμης ύλης.

Μέχρι το 1956, είχαν ήδη ανακαλυφθεί περίπου 30 στοιχειώδη σωματίδια. Έτσι, ως μέρος της κοσμικής ακτινοβολίας, ανακαλύφθηκαν ποζιτρόνια (1932), μιόνια (1936), p(pi) - μεσόνια (1947), παράξενα σωματίδια Κ (κα) - μεσόνια και υπερόνια. Μεταγενέστερες ανακαλύψεις σε αυτήν την περιοχή έγιναν με τη βοήθεια μεγάλων επιταχυντών που μεταδίδουν ενέργειες της τάξης των εκατοντάδων και χιλιάδων MeV στα σωματίδια. Έτσι, αντιπρωτόνια (1955) και αντινετρόνια (1956), βαριά υπερόνια και συντονισμοί (δεκαετίες του '60), "γοητευμένα" και "υπέροχα" σωματίδια (δεκαετίες 70), t(tau) - λεπτόν (1975), n(upsilon) - ένα σωματίδιο με μια μάζα περίπου δέκα (!) μαζών πρωτονίων, «όμορφα» σωματίδια (1981), ενδιάμεσα διανυσματικά μποζόνια (1983). Αρκετές εκατοντάδες σωματίδια είναι πλέον γνωστά και ο αριθμός τους συνεχίζει να αυξάνεται.

Η κοινή ιδιότητα όλων αυτών των στοιχειωδών σωματιδίων είναι ότι είναι συγκεκριμένες μορφές ύπαρξης ύλης που δεν συνδέονται με πυρήνες και άτομα. Για το λόγο αυτό, ο όρος « υποπυρηνικά σωματίδια". Τα περισσότερα από αυτά τα σωματίδια δεν ικανοποιούν τον αυστηρό ορισμό της στοιχειότητας, αφού (σύμφωνα με τις σύγχρονες έννοιες) είναι σύνθετα συστήματα, δηλαδή έχουν εσωτερική δομή. Ωστόσο, σύμφωνα με την καθιερωμένη πρακτική, ο όρος «στοιχειώδη σωματίδια» διατηρείται. Τα σωματίδια που ισχυρίζονται ότι είναι τα πρωτεύοντα στοιχεία της ύλης (για παράδειγμα, ηλεκτρόνια) ονομάζονται « πραγματικά στοιχειώδες".

13.1.1. Βασικές ιδιότητες στοιχειωδών σωματιδίων

Όλα τα στοιχειώδη σωματίδια έχουν πολύ μικρές μάζες: από 10 -22 (για ενδιάμεσα μποζόνια) έως ~ 10 -27 (για ηλεκτρόνια). Τα ελαφρύτερα σωματίδια είναι τα νετρίνα (η μάζα τους θεωρείται ότι είναι 10 χιλιάδες φορές μικρότερη από τη μάζα ενός ηλεκτρονίου). Το μέγεθος των στοιχειωδών σωματιδίων είναι επίσης εξαιρετικά μικρό: από 10 -13 cm (για αδρόνια) έως< 10 -16 см у электронов и мюонов.

Οι μικροσκοπικές μάζες και μεγέθη καθορίζουν κβαντική ειδικότητασυμπεριφορά των στοιχειωδών σωματιδίων. Η πιο σημαντική κβαντική ιδιότητα είναι η ικανότητα να γεννιέται και να καταστρέφεται (εκπέμπεται και απορροφάται) όταν αλληλεπιδρά με άλλα σωματίδια.

Τα περισσότερα στοιχειώδη σωματίδια ασταθής: γεννιούνται σε κοσμικές ακτίνες ή επιταχυντές, ζουν για ένα κλάσμα του δευτερολέπτου και στη συνέχεια υφίστανται αποσύνθεση. Ένα μέτρο της σταθερότητας των σωματιδίων είναι η μέση διάρκεια ζωής t. Ηλεκτρόνιο, πρωτόνιο, φωτόνιο και νετρίνο - απολύτως σταθερά σωματίδια(t®¥), σε κάθε περίπτωση, η διάσπασή τους δεν έχει ανιχνευθεί πειραματικά. Νετρόνιο σχεδόν σταθερό(t=(898±16)s. Υπάρχουν ομάδες ασταθών σωματιδίων με μέσους χρόνους ζωής της τάξης των 10 -6, 10 -8, 10 -10, 10 -13, 10 -16, 10 -20 s. Οι περισσότερες Τα μειλίχια ζωντανά σωματίδια είναι συντονισμοί : t~(10 -22 ¸10 -23)s.

Κοινά χαρακτηριστικά των στοιχειωδών σωματιδίων είναι επίσης το σπιν, το ηλεκτρικό φορτίο q και η εγγενής μαγνητική ροπή. Το Spin εκφράζεται συνήθως σε μονάδες και παίρνει μόνο ακέραιες ή μισές τιμές. Καθορίζει τον αριθμό των πιθανών καταστάσεων σπιν ενός σωματιδίου, καθώς και τον τύπο στατιστικών στοιχείων στα οποία υπόκεινται αυτά τα σωματίδια. Σύμφωνα με αυτό το κριτήριο, όλα τα σωματίδια χωρίζονται σε φερμιόνια(σωματίδια με μισό ακέραιο σπιν) και μποζόνια(σωματίδια με ακέραιο σπιν). Το ηλεκτρικό φορτίο ενός σωματιδίου είναι ακέραιο πολλαπλάσιο του στοιχειώδους φορτίου |e| = 1,6 × 10 -19 Cl. Για γνωστά στοιχειώδη σωματίδια, το ηλεκτρικό φορτίο σε μονάδες του e λαμβάνει τις ακόλουθες τιμές: q = 0, ±1, ±2. Σωματίδια με κλασματικό φορτίο - κουάρκ- δεν εμφανίζονται σε ελεύθερη κατάσταση (βλ. ενότητα 5.3.2).

Η εγγενής μαγνητική ροπή χαρακτηρίζει την αλληλεπίδραση ενός σωματιδίου σε ηρεμία με ένα εξωτερικό μαγνητικό πεδίο. Διανύσματα και

παράλληλη ή αντιπαράλληλη.

Εκτός από αυτά που αναφέρονται, τα στοιχειώδη σωματίδια χαρακτηρίζονται επίσης από έναν αριθμό κβαντικών χαρακτηριστικών, που ονομάζονται «εσωτερικά» (φορτίο λεπτονίων, φορτίο βαρυονίου, παράξενο κ.λπ.).

13.1.2 Σωματίδια και αντισωματίδια

Σχεδόν κάθε σωματίδιο αντιστοιχεί αντισωματίδιο- ένα σωματίδιο με την ίδια μάζα, διάρκεια ζωής, σπιν. τα άλλα χαρακτηριστικά τους είναι ίσα σε μέγεθος, αλλά αντίθετα σε πρόσημο (ηλεκτρικό φορτίο, μαγνητική ροπή, εσωτερικά κβαντικά χαρακτηριστικά). Ορισμένα σωματίδια (για παράδειγμα, ένα φωτόνιο) δεν έχουν εσωτερικούς κβαντικούς αριθμούς και, ως εκ τούτου, είναι πανομοιότυπα με τα αντισωματίδια τους - αυτό είναι αληθινά ουδέτερα σωματίδια.

Το συμπέρασμα για την ύπαρξη αντισωματιδίων έγινε για πρώτη φορά από τον P. Dirac (1930). Εξήγαγε μια σχετικιστική κβαντική εξίσωση που περιγράφει την κατάσταση ενός σωματιδίου με μισό ακέραιο σπιν. Για ένα ελεύθερο σωματίδιο, η εξίσωση Dirac οδηγεί σε μια σχετικιστική σχέση μεταξύ της ορμής (p), της ενέργειας (E) και της μάζας (m) του σωματιδίου:

Για ένα ηλεκτρόνιο σε ηρεμία (p e =0), είναι δυνατά τα ακόλουθα επίπεδα ενέργειας: Και , ενεργειακό εύρος "απαγορευμένος".

Στην κβαντική θεωρία πεδίου, η κατάσταση ενός σωματιδίου με αρνητική ενέργεια ερμηνεύεται ως η κατάσταση ενός αντισωματιδίου, το οποίο έχει θετική ενέργεια αλλά αντίθετο ηλεκτρικό φορτίο. Όλα τα πιθανά επίπεδα αρνητικής ενέργειας είναι γεμάτα αλλά δεν είναι παρατηρήσιμα. Ένα φωτόνιο με ενέργεια είναι ικανό να μεταφέρει ένα ηλεκτρόνιο από μια κατάσταση με αρνητική ενέργεια σε μια κατάσταση με θετική ενέργεια (βλ. Εικ. 5.1) - το ηλεκτρόνιο γίνεται παρατηρήσιμο.