ذرات بنیادی و خصوصیات اصلی آنها ذرات بنیادی پایدار سایر ذرات موجود و فرضی

1. ذرات بنیادی- اینها ریز اشیاء هستند که ابعاد آنها از اندازه هسته اتم تجاوز نمی کند. ذرات بنیادی شامل پروتون، نوترون، الکترون، مزون، نوترینو، فوتون و غیره است.

عبارت ذرات بنیادی را نباید به عنوان ذرات بدون ساختار ناتوان از تبدیل درک کرد. با پیشرفت علم، محتوای هر اصطلاح علمی به تدریج از ریشه شناسی آن دور می شود. بنابراین، اتم تا زمان ظهورش در آغاز قرن نوزدهم در ذهن مردم تقسیم ناپذیر باقی ماند. اتمیسم شیمیایی: در دانش علمی مدرن، اتم یک سیستم دینامیکی پیچیده است که قادر به بازآرایی های مختلف است. به همین ترتیب، ذرات بنیادی، با کشف ویژگی‌های جدیدشان، ساختار پیچیده‌تری را آشکار می‌کنند.

مهمترین خاصیت ذرات بنیادی توانایی آنها برای تولد و تبدیل شدن به یکدیگر در هنگام برخورد است. برای وقوع چنین فرآیندهایی لازم است که ذرات در حال برخورد انرژی بالایی داشته باشند. بنابراین به فیزیک ذرات فیزیک پرانرژی نیز می گویند.

تمام ذرات بنیادی با توجه به طول عمرشان به سه گروه پایدار، ناپایدار و تشدید کننده تقسیم می شوند.

ذرات پایدار برای مدت نامحدودی در حالت آزاد وجود دارند. فقط 11 ذره از این قبیل وجود دارد: پروتون p، الکترون e، الکترون نوترینو ν 0، نوترینو میون νμ، نوترینو تاون ντ، پادذرات آنها p, e, ν e, νμ, ντ. و به علاوه فوتون γ. شواهد تجربی از فروپاشی خود به خودی این ذرات هنوز ناشناخته است.

ذرات ناپایدار طول عمر متوسط ​​τ دارند. که در مقایسه با زمان مشخصه پرواز هسته ای 10 تا 23 ثانیه (زمانی که طول می کشد تا نور در قطر هسته ها حرکت کند) بسیار بزرگ است. به عنوان مثال، برای یک نوترون τ = 16 دقیقه، برای یک میون τ = 10 -6 ثانیه، برای یک پیون باردار τ = 10 -8 ثانیه، برای هایپرون ها و کائون ها τ = 10-4 ثانیه.

طول عمر رزونانس ها با زمان پرواز 10 تا 23 ثانیه قابل مقایسه است. آنها توسط تشدید بر روی منحنی های مقطع واکنش در برابر انرژی ثبت می شوند. بسیاری از رزونانس ها به عنوان حالت های برانگیخته نوکلئون ها و سایر ذرات تفسیر می شوند.

2. تعاملات اساسی. انواع برهمکنش های مشاهده شده بین ذرات بنیادی و در کل طبیعت به 4 نوع اصلی خلاصه می شود: قوی، الکترومغناطیسی، ضعیف و گرانشی. برهمکنش قوی نوکلئون ها را در هسته اتم نگه می دارد و ذاتی هادرون ها (پروتون ها، نوترون ها، مزون ها، هایپرون ها و غیره) است. فعل و انفعالات الکترومغناطیسی آنهایی هستند که در سطح ماکرو خود را نشان می دهند - الاستیک، چسبناک، مولکولی، شیمیایی و غیره. برهمکنش های ضعیف باعث فروپاشی β هسته ها می شوند و همراه با نیروهای الکترومغناطیسی، رفتار پپتون ها - ذرات بنیادی با اسپین نیمه صحیح را کنترل می کنند. که در تعاملات قوی شرکت نمی کنند. فعل و انفعالات گرانشی در تمام اجسام مادی ذاتی است.

تعاملات اساسی را با یکدیگر مقایسه کنید اما شدت آنها. هیچ تعریف روشنی از این مفهوم و هیچ روشی برای مقایسه شدت وجود ندارد. بنابراین از مقایسه بر اساس مجموعه ای از پدیده ها استفاده می شود.

به عنوان مثال، نسبت نیروی جاذبه بین دو پروتون به نیروی دافعه کولن G (m p m p / r 2) /(e 2 / 4pe 0 r 2) = 4pe 0 G (m p 2 / e 2) = است. 10 -36. این عدد به عنوان معیاری از نسبت برهمکنش های گرانشی و الکترومغناطیسی گرفته می شود.

نسبت بین فعل و انفعالات قوی و الکترومغناطیسی که از سطح مقطع و انرژی واکنش‌های هسته‌ای تعیین می‌شود، 10 4: 1 تخمین زده می‌شود. شدت برهم‌کنش‌های قوی و ضعیف به همین ترتیب مقایسه می‌شود.

همراه با شدت، زمان و فاصله تعامل نیز به عنوان معیار مقایسه تعامل استفاده می شود. معمولاً برای مقایسه زمان‌ها، نرخ فرآیندها را در انرژی جنبشی ذرات در حال برخورد E = 1GeV می‌گیریم. در چنین انرژی هایی، فرآیندهای ناشی از فعل و انفعالات قوی در طول پرواز هسته ای 23-10 ثانیه، فرآیندهای ناشی از برهمکنش های الکترومغناطیسی حدود 10-19 ثانیه، برهمکنش های ضعیف حدود 10-9 ثانیه و برهمکنش های گرانشی حدود 10+16 ثانیه طول می کشد. س.

میانگین مسیر آزاد یک ذره در یک ماده معمولاً به عنوان فاصله برای مقایسه برهمکنش ها در نظر گرفته می شود. ذرات دارای برهمکنش قوی با E = 1GeV توسط لایه ای از فلز سنگین تا ضخامت 1 متر به تاخیر می افتند. یک لایه 10 9 کیلومتری!

آ. تعامل قوینه تنها شدیدترین، بلکه کوتاه‌ترین اثر در طبیعت. در فواصل بیش از 10-15 متر، نقش آن ناچیز می شود. این برهمکنش در حالی که پایداری هسته ها را تضمین می کند، عملاً هیچ تأثیری بر پدیده های اتمی ندارد. تعامل قوی جهانی نیست. این ذرات در همه ذرات ذاتی نیست، بلکه فقط در هادرون ها - نوکلئون ها، مزون ها، هایپرون ها، و غیره وجود دارد.

ب برهمکنش الکترومغناطیسیشدت 4 مرتبه قدر کمتر از قوی است. منطقه اصلی تجلی آن فواصل از قطر هسته 10-15 متر و تا حدود 1 متر است که شامل ساختار اتم ها، مولکول ها، کریستال ها، واکنش های شیمیایی، تغییر شکل ها، اصطکاک، نور، امواج رادیویی و بسیاری از پدیده های فیزیکی دیگر که برای درک انسان قابل دسترسی است.

برهمکنش الکترومغناطیسی برای ذرات باردار الکتریکی قوی ترین است. در ذرات خنثی با اسپین غیر صفر، خود را ضعیف‌تر نشان می‌دهد و تنها به این دلیل است که چنین ذرات دارای گشتاور مغناطیسی در حد М=eћ/2m هستند. برهمکنش الکترومغناطیسی در پیون های خنثی π 0 و در نوترینوها حتی ضعیف تر است.

یک ویژگی بسیار مهم برهمکنش EM وجود دافعه بین ذرات باردار مشابه و جاذبه بین ذرات باردار غیرمشابه است. به همین دلیل، برهمکنش‌های EM بین اتم‌ها و هر جسم دیگری با بار خالص صفر، برد نسبتاً کوتاهی دارند، اگرچه نیروهای کولن بین ذرات باردار دوربرد هستند.

ه - تعامل ضعیفدر مقایسه با قوی و الکترومغناطیسی ناچیز است. اما با کاهش فاصله، به سرعت افزایش می یابد. اگر فرض کنیم که پویایی رشد به اندازه کافی عمیق باقی بماند، در فواصل حدود 10-20 متر برهمکنش ضعیف برابر با قوی خواهد شد. اما چنین فاصله هایی هنوز برای تحقیقات تجربی در دسترس نیست.

برهمکنش ضعیف باعث برخی از فرآیندهای تبدیل ذرات می شود. به عنوان مثال، یک ذره سیگما به اضافه هایپرون، تنها تحت تأثیر برهمکنش ضعیف، به یک پروتون و یک پیون خنثی، Σ + => p + π 0 تجزیه می شود. به دلیل برهمکنش ضعیف، واپاشی β رخ می دهد. ذراتی مانند هایپرون، کائون، میون در غیاب برهمکنش ضعیف پایدار خواهند بود.

د) برهم کنش گرانشیضعیفترین. اما با عمل دوربرد، جهانی بودن مطلق (همه اجسام جاذبه دارند) و علامت یکسان بین هر جفت ذره مشخص می شود. ویژگی دوم منجر به این واقعیت می شود که نیروهای گرانشی همیشه با افزایش جرم اجسام افزایش می یابد. بنابراین، گرانش، با وجود شدت نسبی ناچیز، نقش تعیین کننده ای در تعامل اجسام کیهانی - سیارات، ستاره ها، کهکشان ها به دست می آورد.

در دنیای ذرات بنیادی، نقش گرانش ناچیز است. بنابراین در فیزیک اتم، هسته و ذرات بنیادی به برهمکنش گرانشی توجهی نمی شود.

3. ویژگی های ذرات بنیادی. تا اوایل دهه 50 قرن بیستم، در حالی که تعداد ذرات کشف شده نسبتاً کم بود، از کمیت های فیزیکی عمومی برای توصیف ذرات استفاده می شد - جرم m، انرژی جنبشی E، تکانه p و یک عدد کوانتومی - اسپین s، که این امکان را به وجود آورد که اندازه لنگرهای مکانیکی و مغناطیسی ذرات را قضاوت کنید. برای ذرات ناپایدار، میانگین طول عمر τ در اینجا اضافه شد.

اما به تدریج در الگوهای تولد و پوسیدگی ذرات خاص، می توان برخی از ویژگی های خاص این ذرات را شناسایی کرد. برای تعیین این ویژگی ها، اعداد کوانتومی جدیدی باید معرفی می شدند. برخی از آنها اتهام نامیده شدند.

به عنوان مثال، معلوم شد که در هنگام فروپاشی ذرات سنگین، به عنوان مثال، یک نوترون، هرگز اتفاق نمی افتد که فقط ذرات سبک تشکیل شوند، به عنوان مثال، الکترون های e - ، e + و نوترینوها. برعکس، وقتی الکترون ها و پوزیترون ها با هم برخورد می کنند، نمی توان یک نوترون به دست آورد، اگرچه قوانین بقای انرژی و تکانه رعایت می شوند. برای انعکاس این الگو، بار باریون اعداد کوانتومی B معرفی شد.آنها شروع به این باور کردند که چنین ذرات سنگینی - باریون ها B = 1 و پادذرات آنها B = -1 دارند. برای ذرات نور B = 0. در نتیجه، الگوی کشف شده شکل قانون بقای بار باریون را به خود گرفت.

به طور مشابه، برای ذرات سبک، اعداد کوانتومی به طور تجربی معرفی شدند - بارهای لپتون L - نشانه هایی از ممنوعیت برخی تبدیل ها. ما موافقت کردیم که فرض کنیم برای الکترون‌های e - و نوترینوهای الکترونی ν e، L μ = + 1 برای میون‌های منفی μ - و نوترینوهای مویونی νµ، L τ = +1 برای تاون‌های منفی τ - و تاون، بارهای لپتون L e = +1 است. نوترینوها v τ. برای ضد ذرات مربوطه L= -1. مانند بارهای باریون، بارهای لپتونیک در تمام فعل و انفعالات حفظ می شوند.

با کشف هایپرون هایی که در فعل و انفعالات قوی متولد می شوند، مشخص شد که طول عمر آنها برابر با زمان پرواز 10 تا 23 ثانیه نیست، که برای ذرات با تعامل قوی معمول است، اما 10 13 برابر بیشتر است. این غیر منتظره و عجیب به نظر می رسید و تنها با این واقعیت قابل توضیح است که ذرات متولد شده در برهمکنش های قوی در برهمکنش های ضعیف تجزیه می شوند. برای انعکاس این خاصیت ذرات، یک عدد کوانتومی عجیب و غریب S معرفی شد.

بار الکتریکی Q ریز ذرات از طریق نسبت آن به بار اولیه مثبت e + بیان می شود. بنابراین بار الکتریکی Q ذرات نیز یک عدد کوانتومی صحیح است. برای یک پروتون Q = + 1، برای یک الکترون Q = -1، برای یک نوترون، نوترینو و سایر ذرات خنثی Q = 0.

علاوه بر پارامترهای نام برده شده، ذرات بنیادی ویژگی های دیگری نیز دارند که در اینجا مورد توجه قرار نمی گیرند.

4. قوانین بقا در فیزیک ذراترا می توان به سه گروه تقسیم کرد: قوانین کلی حفاظت، قوانین دقیق حفاظت از اتهامات و قوانین حفاظتی تقریبی.

آ . قوانین جهانی حفاظتبدون توجه به مقیاس پدیده ها - در دنیای خرد، کلان و بزرگ، به دقت انجام می شوند. این قوانین از هندسه فضا-زمان ناشی می شوند. همگنی زمان به قانون بقای انرژی، همگنی فضا - به قانون بقای تکانه، همسانگردی فضا - به قانون بقای تکانه زاویه ای، برابری ISO - به قانون بقای مرکز می انجامد. اینرسی. علاوه بر این 4 قانون، این شامل دو قانون دیگر مربوط به تقارن فضا - زمان نسبت به انعکاس آینه ای محورهای مختصات است. از تقارن آینه ای محورهای مختصات به دست می آید که تقارن های راست به چپ فضا یکسان هستند (قانون بقای برابری). قانون مرتبط با تقارن آینه ای زمان از هویت پدیده ها در عالم صغیر با توجه به تغییر نشانه زمان صحبت می کند.

ب قوانین دقیق بقای بارها. به هر سیستم فیزیکی یک بار عدد صحیح از هر نوع نسبت داده می شود. هر شارژ افزودنی و حفظ شده است. 5 بار از این قبیل وجود دارد: Q الکتریکی، باریون B، سه بار لژیونیک - الکترون L e، میون L μ تن L τ. همه بارها اعداد صحیح هستند و می توانند مقادیر مثبت و منفی صفر داشته باشند.

بار الکتریکی معنایی دوگانه دارد. این نه تنها یک عدد کوانتومی را نشان می دهد، بلکه منبع میدان نیرو نیز می باشد. باریون و بارهای لپتونیک منابع میدان نیرو نیستند. برای یک سیستم پیچیده، بار کل هر نوع برابر با مجموع بارهای مربوط به ذرات بنیادی موجود در سیستم است.

V. قوانین تقریبی حفاظتفقط در انواع خاصی از تعاملات اساسی انجام می شود. آنها به ویژگی هایی مانند غریب بودن S و غیره مربوط می شوند.

تمام قوانین حفاظتی فهرست شده در جدول 26.2 خلاصه شده است.

5. ذرات و ضد ذراتجرم یکسانی دارند، اما همه بارهای آنها مخالف هستند. انتخاب یک جفت ذره و پادذره دلخواه است. به عنوان مثال، در یک جفت الکترون + پوزیترون، آنها موافقت کردند که الکترون e را یک ذره و پوزیترون e + را به عنوان یک پاد ذره در نظر بگیرند. بارهای الکترون Q =-1، B = 0، Le = +1، Lµ= 0، Lτ = 0. بارهای پوزیترون Q = +1، V = 0، Le=-1، Lµ= 0، Lτ = 0

تمام بارهای سیستم ذره + ضد ذره برابر با صفر است. چنین سیستم هایی که در آنها همه بارها برابر با صفر هستند، واقعاً خنثی نامیده می شوند. خنثی ها و ذرات واقعی وجود دارد. دو مورد از آنها وجود دارد: γ - کوانتومی (فوتون) و η - مزون. ذرات و ضد ذرات در اینجا یکسان هستند.

6. طبقه بندی ذرات بنیادیهنوز تمام نشده است. یکی از طبقه بندی ها در حال حاضر بر اساس میانگین طول عمر τ، جرم m، اسپین s، پنج نوع بار، غریب بودن S و سایر پارامترهای ذرات است. همه ذرات به 4 کلاس تقسیم می شوند.

کلاس 1 توسط یک ذره - یک فوتون تشکیل می شود. یک فوتون جرم سکون و همه بارها صفر دارد. فوتون در معرض فعل و انفعالات قوی نیست. اسپین آن 1 است، یعنی از نظر آماری یک بوزون است.

کلاس 2 توسط لپتون ها تشکیل می شود. اینها ذرات سبک با بار باریون صفر هستند. هر ذره - لپ تاپ - یکی از شارژهای لنتون خود را دارد که برابر با صفر نیست. لپتون ها در معرض فعل و انفعالات قوی نیستند. اسپین همه لپتون ها 1/2 است یعنی طبق آمار فرمیون هستند.

کلاس 3 توسط مزون ها تشکیل می شود. اینها ذرات با باریون و لپتون صفر هستند که در فعل و انفعالات قوی شرکت می کنند. همه مزون ها دارای یک اسپین عدد صحیح هستند، یعنی طبق آمار، آنها بوزون هستند.

کلاس چهارم از باریون ها تشکیل شده است. اینها ذرات سنگین با بار باریون غیر صفر B≠ O و با بار لپتون صفر، Le,Lµ,Lτ = 0 هستند. آنها یک اسپین نیمه صحیح (فرمیونها) دارند و در برهمکنشهای قوی شرکت می کنند. به دلیل توانایی ذرات کلاس 3 و 4 برای شرکت در فعل و انفعالات قوی، به آنها هادرون نیز می گویند.

جدول 26.3 ذرات شناخته شده را نشان می دهد - نه تشدید با ویژگی های اصلی آنها. ذرات و ضد ذرات داده شده است. ذرات خنثی واقعی که هیچ پادذره ای ندارند در وسط ستون قرار می گیرند. اسامی فقط برای ذرات ذکر شده است. پادذره مربوطه به سادگی با افزودن پیشوند "ضد" به نام ذره به دست می آید. به عنوان مثال، پروتون - آنتی پروتون، نوترون - ضد نوترون.

پادالکترون e + نام تاریخی پوزیترون دارد. در رابطه با پیون ها و کائون های باردار، اصطلاح "ضد ذره" عملا استفاده نمی شود. آنها فقط در بار الکتریکی با هم تفاوت دارند، بنابراین فقط در مورد پیون ها و کائون های مثبت یا منفی صحبت می کنند.

علامت بالای بار به ذره و علامت پایین به پاد ذره اشاره دارد. به عنوان مثال، برای یک جفت الکترون - پوزیترون Le = ± 1. این بدان معنی است که الکترون دارای Le = + 1، و پوزیترون دارای Le = -1 است.

از نمادهای زیر در جدول استفاده شده است: Q - بار الکتریکی، بار باریون B Le، Lµ، Lτ - به ترتیب، الکترون، میون، بارهای لپتوپی تائونی، S - غریبه، s - اسپین، τ - طول عمر متوسط.

جرم باقی مانده m بر حسب مگاالکترون ولت داده می شود. از معادله نسبیتی mc 2 =еU، m=eU/c 2 به دست می آید. انرژی ذره ای 1 MeV مربوط به جرم m=eU/c 2 =1.6 *10 -19 /9*10 16 =17.71*10 -31 کیلوگرم است. این حدود دو جرم الکترون است. با تقسیم بر جرم الکترون m e ​​= 9.11 * 10 -31 kg، m = 1.94 m e را بدست می آوریم.

جرم الکترون که بر حسب انرژی بیان می شود m e = 0.511 MeV است.

7. مدل کوارکی هادرون ها. هادرون ها ذرات بنیادی هستند که در فعل و انفعالات قوی شرکت می کنند. این مزون ها و باریون ها هستند. در سال 1964، موری ژل مان و جورج تسوایگ آمریکایی‌ها این فرضیه را مطرح کردند که ساختار و خواص هادرون‌ها را می‌توان با این فرض که هادرون‌ها از ذرات بنیادی‌تری تشکیل شده‌اند، که ژل مان آن‌ها را کوارک نامید، بهتر درک کرد. فرضیه کوارک بسیار پربار بود و اکنون به طور کلی پذیرفته شده است.

تعداد کوارک های فرضی به طور مداوم در حال افزایش است. تا به امروز، 5 نوع (طعم) کوارک ها به خوبی مورد مطالعه قرار گرفته اند: کوارک u با جرم m u = 5 MeV، کوارک d با جرم m d = 7 MeV، کوارک s با ms = 150 MeV، کوارک c با mc = 1300 MeV و کوارک b با mb=5000 مگا ولت. هر کوارک آنتی کوارک مخصوص به خود را دارد.

همه کوارک‌های فهرست شده دارای اسپین 1/2 یکسان و بار باریون B = 1/3 هستند. کوارک‌های u، c دارای بار مثبت کسری Q = + 2/3، کوارک‌های d، s، b هستند

بار منفی کسری Q = - 1/3. کوارک s حامل غرابت، کوارک c حامل جذابیت و کوارک b حامل زیبایی است (جدول 26.4).

هر هادرون را می توان به صورت ترکیبی از چندین کوارک نشان داد. اعداد کوانتومی Q، B، S هادرون ها از مجموع اعداد مربوط به کوارک های تشکیل دهنده هادرون به دست می آیند. اگر دو کوارک یکسان وارد یک هادرون شوند، اسپین آنها مخالف است.

باریون ها دارای اسپین نیمه صحیح هستند، بنابراین می توانند از تعداد فرد کوارک تشکیل شوند. به عنوان مثال، یک پروتون از سه کوارک تشکیل شده است، p => uud. بار الکتریکی یک پروتون Q =+ 2/3+2/3 – 1/3 = 1، بار باریون پروتون B = 1/3+ 1/3 + 1/3 = 1، غریب بودن S = O، اسپین s = 1/2 – 1/2 +1/2=1/2.

نوترون نیز از سه کوارک، n => udd تشکیل شده است. 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. ترکیبی از سه کوارک می تواند برای نشان دادن باریون های زیر استفاده شود: Λ 0 (uds)، Σ + (uus)، Σ 0 (uds)، Σ - (dds)،Ξ 0 (uss)، Ξ - (dss)، Ω - (sss) a°(uss). در حالت دوم، اسپین های همه کوارک ها در یک جهت هدایت می شوند. بنابراین Ω - - هایپرون دارای اسپین 3/2 است.

پادذرات باریون ها از آنتی کوارک های مربوطه تشکیل می شوند.

مزون ها از هر دو کوارک و یک آنتی کوارک تشکیل شده اند. برای مثال، پیون مثبت π + (ud) است. شارژ آن Q = +2/3- (-1/3) = 1، B = 1/3-1/3 = O، S = 0، اسپین 1/2 – 1/2= 0 است.

مدل کوارک فرض می کند که کوارک ها در داخل هادرون ها وجود دارند، اما تجربه نشان می دهد که آنها نمی توانند از هادرون ها فرار کنند. اما حداقل در انرژی هایی که با شتاب دهنده های مدرن قابل دستیابی هستند. احتمال زیادی وجود دارد که کوارک ها به هیچ وجه نمی توانند در حالت آزاد وجود داشته باشند.

فیزیک پر انرژی مدرن معتقد است که برهمکنش بین کوارک ها از طریق ذرات ویژه - گلوئون ها انجام می شود. جرم بقیه گلوئون ها صفر است، اسپین برابر با واحد است. ممکن است حدود ده ها نوع مختلف گلوئون وجود داشته باشد.

این سه ذره (و همچنین ذرات دیگری که در زیر توضیح داده شده است) به طور متقابل جذب و بر اساس آنها دفع می شوند اتهامات، که با توجه به تعداد نیروهای اساسی طبیعت فقط چهار نوع وجود دارد. بارها را می توان به ترتیب کاهشی نیروهای مربوطه به صورت زیر مرتب کرد: بار رنگی (نیروهای برهمکنش بین کوارک ها). بار الکتریکی (نیروهای الکتریکی و مغناطیسی)؛ بار ضعیف (نیروها در برخی فرآیندهای رادیواکتیو)؛ در نهایت جرم (نیروی گرانشی یا برهمکنش گرانشی). کلمه "رنگ" در اینجا هیچ ربطی به رنگ نور مرئی ندارد. این به سادگی مشخصه یک بار قوی و بزرگترین نیروها است.

اتهامات ذخیره می شوند، یعنی شارژ وارد شده به سیستم برابر با شارژ خروجی از آن است. اگر مجموع بار الکتریکی تعداد معینی از ذرات قبل از برهمکنش آنها، مثلاً 342 واحد باشد، پس از برهمکنش، صرف نظر از نتیجه آن، برابر با 342 واحد خواهد بود. این همچنین برای بارهای دیگر صدق می کند: رنگ (بار تعامل قوی)، ضعیف و جرم (جرم). ذرات در بارهای خود متفاوت هستند: در اصل، آنها این بارها هستند. اتهامات مانند "گواهی" حق پاسخگویی به نیروی مناسب است. بنابراین، فقط ذرات رنگی تحت تأثیر نیروهای رنگ قرار می گیرند، فقط ذرات باردار الکتریکی تحت تأثیر نیروهای الکتریکی و غیره قرار می گیرند. خواص یک ذره با بیشترین نیروی وارد بر آن مشخص می شود. فقط کوارک ها حامل همه بارها هستند و بنابراین تحت تأثیر همه نیروها قرار می گیرند که در میان آنها غالب رنگ است. الکترون ها همه بارها به جز رنگ دارند و نیروی غالب برای آنها نیروی الکترومغناطیسی است.

پایدارترین ها در طبیعت معمولاً ترکیبات خنثی ذرات هستند که در آنها بار ذرات یک علامت با بار کل ذرات علامت دیگر جبران می شود. این مربوط به حداقل انرژی کل سیستم است. (به همین ترتیب، دو آهنربای میله ای در یک خط قرار گرفته اند که قطب شمال یکی رو به قطب جنوب قطب دیگر است که با حداقل انرژی میدان مغناطیسی مطابقت دارد.) جاذبه از این قاعده مستثنی است: منفی. توده وجود ندارد هیچ جسمی وجود ندارد که به سمت بالا بیفتد.

انواع ماده

ماده معمولی از الکترون‌ها و کوارک‌ها تشکیل می‌شود که در اجسامی که رنگ خنثی و سپس بار الکتریکی دارند گروه‌بندی می‌شوند. قدرت رنگ خنثی می شود، همانطور که در زیر با جزئیات بیشتر مورد بحث قرار خواهد گرفت، زمانی که ذرات به صورت سه قلو ترکیب شوند. (از این رو خود اصطلاح "رنگ" که از اپتیک گرفته شده است: سه رنگ اصلی وقتی با هم مخلوط می شوند سفید تولید می کنند.) بنابراین، کوارک هایی که قدرت رنگ اصلی آنهاست، سه تایی را تشکیل می دهند. اما کوارک ها، و آنها به تقسیم می شوند تو-کوارک (از انگلیسی به بالا - بالا) و د-کوارک ها (از انگلیسی به پایین - پایین)، همچنین دارای بار الکتریکی برابر با تو-کوارک و برای د-کوارک دو تو-کوارک و یک د-کوارک ها بار الکتریکی +1 می دهند و یک پروتون و یک تشکیل می دهند تو-کوارک و دو د- کوارک ها بار الکتریکی صفر می دهند و یک نوترون تشکیل می دهند.

پروتون‌ها و نوترون‌های پایدار که توسط نیروهای رنگ باقی‌مانده برهم‌کنش بین کوارک‌های سازنده‌شان به یکدیگر جذب می‌شوند، یک هسته اتمی خنثی از رنگ را تشکیل می‌دهند. اما هسته ها حامل بار الکتریکی مثبت هستند و با جذب الکترون های منفی که به دور هسته می چرخند مانند سیاراتی که به دور خورشید می چرخند، تمایل به تشکیل اتم خنثی دارند. الکترون‌های موجود در مدارشان در فواصل ده‌ها هزار برابر بیشتر از شعاع هسته از هسته حذف می‌شوند - شواهدی که نشان می‌دهد نیروهای الکتریکی نگه‌دارنده آنها بسیار ضعیف‌تر از نیروهای هسته‌ای هستند. به لطف قدرت برهمکنش رنگ، 99.945 درصد از جرم یک اتم در هسته آن قرار دارد. وزن تو- و د- جرم کوارک ها حدود 600 برابر یک الکترون است. بنابراین، الکترون ها بسیار سبک تر و متحرک تر از هسته هستند. حرکت آنها در ماده ناشی از پدیده های الکتریکی است.

چندین صد نوع طبیعی اتم (از جمله ایزوتوپ ها) وجود دارد که از نظر تعداد نوترون ها و پروتون ها در هسته و بر این اساس در تعداد الکترون ها در مدار آنها متفاوت است. ساده ترین اتم هیدروژن است که از یک هسته به شکل پروتون و یک الکترون منفرد تشکیل شده است که به دور آن می چرخد. تمام مواد «مرئی» در طبیعت از اتم‌ها و اتم‌های تا حدی «تجزیه‌شده» تشکیل شده‌اند که یون نامیده می‌شوند. یون ها اتم هایی هستند که با از دست دادن (یا به دست آوردن) چندین الکترون، به ذرات باردار تبدیل شده اند. ماده ای که تقریباً به طور کامل از یون تشکیل شده باشد، پلاسما نامیده می شود. ستارگانی که در اثر واکنش‌های گرما هسته‌ای در مراکز می‌سوزند عمدتاً از پلاسما تشکیل شده‌اند و از آنجایی که ستارگان رایج‌ترین شکل ماده در کیهان هستند، می‌توان گفت که کل جهان عمدتاً از پلاسما تشکیل شده است. به طور دقیق تر، ستارگان عمدتاً گاز هیدروژن کاملاً یونیزه شده هستند، یعنی. مخلوطی از پروتون‌ها و الکترون‌ها، و بنابراین، تقریباً کل جهان مرئی از آن تشکیل شده است.

این ماده مرئی است. اما ماده نامرئی نیز در کیهان وجود دارد. و ذراتی هستند که به عنوان حامل نیرو عمل می کنند. در برخی از ذرات پادذرات و حالت های برانگیخته وجود دارد. همه اینها منجر به فراوانی بیش از حد ذرات "بنیادی" می شود. در این فراوانی می توان نشانه ای از ماهیت واقعی و واقعی ذرات بنیادی و نیروهایی که بین آنها اعمال می شود، یافت. طبق جدیدترین تئوری ها، ذرات ممکن است اساساً اجسام هندسی گسترده - "رشته ها" در فضای ده بعدی باشند.

دنیای نامرئی

نه تنها ماده قابل مشاهده در کیهان وجود دارد (بلکه سیاهچاله ها و "ماده تاریک" نیز وجود دارد، مانند سیارات سردی که هنگام روشن شدن قابل مشاهده می شوند. همچنین ماده واقعاً نامرئی وجود دارد که در هر ثانیه به همه ما و کل جهان نفوذ می کند. این یک گاز سریع متحرک از ذرات یک نوع - نوترینوهای الکترونی است.

نوترینوی الکترونی شریک یک الکترون است، اما بار الکتریکی ندارد. نوترینوها فقط یک بار به اصطلاح ضعیف را حمل می کنند. جرم استراحت آنها، به احتمال زیاد، صفر است. اما آنها با میدان گرانشی برهمکنش دارند زیرا انرژی جنبشی دارند E، که مربوط به جرم موثر است مترطبق فرمول اینشتین E = mc 2 کجا ج- سرعت نور.

نقش کلیدی نوترینو این است که به دگرگونی کمک می کند و-کوارک ها در د-کوارک ها که در نتیجه پروتون به نوترون تبدیل می شود. نوترینوها به عنوان "سوزن کاربراتور" برای واکنش های همجوشی ستاره ای عمل می کنند که در آن چهار پروتون (هسته هیدروژن) با هم ترکیب می شوند و یک هسته هلیوم را تشکیل می دهند. اما از آنجایی که هسته هلیوم از چهار پروتون تشکیل نشده، بلکه از دو پروتون و دو نوترون تشکیل شده است، برای چنین همجوشی هسته ای لازم است که دو و- کوارک ها به دو تبدیل شدند د-کوارک شدت دگرگونی تعیین می کند که ستاره ها با چه سرعتی بسوزند. و فرآیند تبدیل توسط بارهای ضعیف و نیروهای برهمکنش ضعیف بین ذرات تعیین می شود. که در آن وکوارک (بار الکتریکی +2/3، بار ضعیف +1/2)، برهمکنش با یک الکترون (بار الکتریکی - 1، بار ضعیف -1/2)، تشکیل می‌شود. دکوارک (بار الکتریکی -1/3، بار ضعیف -1/2) و نوترینوی الکترونی (بار الکتریکی 0، بار ضعیف +1/2). بارهای رنگی (یا فقط رنگ ها) دو کوارک در این فرآیند بدون نوترینو از بین می روند. نقش نوترینو دفع بار ضعیف جبران نشده است. بنابراین، سرعت تبدیل بستگی به میزان ضعیف بودن نیروهای ضعیف دارد. اگر ضعیف تر از آنچه هستند بودند، ستاره ها اصلا نمی سوختند. اگر آنها قوی تر بودند، ستاره ها مدت ها پیش می سوختند.

نوترینوها چطور؟ از آنجایی که این ذرات برهمکنش بسیار ضعیفی با مواد دیگر دارند، تقریباً بلافاصله ستاره هایی را که در آن متولد شده اند ترک می کنند. همه ستارگان می درخشند و نوترینو ساطع می کنند و نوترینوها در بدن ما و کل زمین شبانه روز می درخشند. بنابراین آنها در سراسر جهان پرسه می زنند تا زمانی که احتمالاً وارد یک ستاره تعامل جدید شوند).

حاملان فعل و انفعالات

چه چیزی باعث می شود که نیروهایی که بین ذرات در فاصله عمل می کنند؟ پاسخ فیزیک مدرن: به دلیل تبادل ذرات دیگر. دو اسکیت باز سرعتی را تصور کنید که یک توپ را به اطراف پرتاب می کنند. با دادن حرکت به توپ در هنگام پرتاب و دریافت تکانه با توپ دریافتی، هر دو فشاری را در جهتی دور از یکدیگر دریافت می کنند. این می تواند ظهور نیروهای دافعه را توضیح دهد. اما در مکانیک کوانتومی که پدیده‌های موجود در دنیای کوچک را در نظر می‌گیرد، کشش غیرمعمول و تغییر مکان رویدادها مجاز است که به ظاهر غیرممکن منجر می‌شود: یکی از اسکیت بازان توپ را به سمتی پرتاب می‌کند. از جانبمتفاوت است، اما با این وجود آن یکی شایداین توپ را بگیر تصور اینکه اگر این امکان وجود داشت (و در دنیای ذرات بنیادی امکان پذیر است) دشوار نیست، بین اسکیت بازان جاذبه ایجاد می شد.

ذراتی که به دلیل تبادل آنها نیروهای برهمکنش بین چهار "ذره ماده" مورد بحث در بالا، ذرات گیج نامیده می شوند. هر یک از چهار برهمکنش - قوی، الکترومغناطیسی، ضعیف و گرانشی - دارای مجموعه ای از ذرات سنج خاص خود است. ذرات حامل برهمکنش قوی گلوئون هستند (فقط هشت عدد از آنها وجود دارد). فوتون حامل برهمکنش الکترومغناطیسی است (تنها یکی وجود دارد و ما فوتون ها را به عنوان نور درک می کنیم). ذرات حامل برهمکنش ضعیف، بوزون های بردار میانی هستند (آنها در سال های 1983 و 1984 کشف شدند. دبلیو + -, دبلیو- بوزون ها و خنثی ز-بوزون). ذره حامل برهمکنش گرانشی همان گراویتون فرضی است (فقط باید یکی باشد). همه این ذرات، به جز فوتون و گراویتون، که می توانند بی نهایت مسافت طولانی را طی کنند، تنها در فرآیند تبادل بین ذرات ماده وجود دارند. فوتون‌ها جهان را با نور پر می‌کنند، و گراویتون‌ها جهان را با امواج گرانشی پر می‌کنند (هنوز به طور قابل اعتماد شناسایی نشده‌اند).

ذره ای که قادر به انتشار ذرات گیج است گفته می شود که توسط میدان نیروها احاطه شده است. بنابراین، الکترون هایی که قادر به گسیل فوتون هستند، توسط میدان های الکتریکی و مغناطیسی و همچنین میدان های ضعیف و گرانشی احاطه شده اند. کوارک ها نیز توسط همه این میدان ها احاطه شده اند، اما همچنین توسط میدان تعامل قوی. ذرات با بار رنگ در میدان نیروهای رنگ تحت تأثیر نیروی رنگ قرار می گیرند. همین امر در مورد سایر نیروهای طبیعت نیز صدق می کند. بنابراین می توان گفت که جهان از ماده (ذرات مادی) و میدان (ذرات گیج) تشکیل شده است. بیشتر در مورد این در زیر.

ضد ماده.

هر ذره دارای یک پاد ذره است که با آن ذره می تواند متقابلاً از بین برود، یعنی. "نابود"، و در نتیجه آزاد شدن انرژی. انرژی «خالص» به خودی خود وجود ندارد. در نتیجه نابودی، ذرات جدیدی (مثلاً فوتون ها) ظاهر می شوند که این انرژی را با خود می برند.

در بیشتر موارد، یک پادذره دارای خواصی بر خلاف ذره مربوطه است: اگر یک ذره تحت تأثیر میدان های قوی، ضعیف یا الکترومغناطیسی به سمت چپ حرکت کند، پادذره آن به سمت راست حرکت می کند. به طور خلاصه، پادذره دارای علائم مخالف همه بارها (به جز بار جرمی) است. اگر یک ذره مرکب باشد، مانند نوترون، پس پادذره آن از اجزایی با علائم بارهای مخالف تشکیل شده است. بنابراین، یک پادالکترون دارای بار الکتریکی +1، یک بار ضعیف +1/2 است و پوزیترون نامیده می شود. آنتی نوترون شامل وآنتی کوارک با بار الکتریکی -2/3 و دآنتی کوارک با بار الکتریکی +1/3. ذرات خنثی واقعی پادذرات خودشان هستند: پاد ذره فوتون فوتون است.

بر اساس مفاهیم نظری مدرن، هر ذره ای که در طبیعت وجود دارد باید ضد ذره خود را داشته باشد. و بسیاری از پادذرات، از جمله پوزیترون و ضد نوترون، واقعاً در آزمایشگاه به دست آمدند. پیامدهای این امر بسیار مهم است و زیربنای تمام فیزیک ذرات تجربی است. بر اساس نظریه نسبیت، جرم و انرژی معادل هستند و تحت شرایط خاصی می توان انرژی را به جرم تبدیل کرد. از آنجایی که بار حفظ می شود و بار خلاء (فضای خالی) صفر است، هر جفت ذره و پادذره (با بار خالص صفر) می توانند از خلاء خارج شوند، مانند خرگوش ها از کلاه شعبده باز، تا زمانی که انرژی کافی وجود داشته باشد. جرم آنها را ایجاد کند.

نسل های ذرات.

آزمایش‌های شتاب‌دهنده نشان داده‌اند که کوارتت ذرات ماده حداقل دو بار در مقادیر جرم بالاتر تکرار می‌شود. در نسل دوم، جای الکترون را میون می گیرد (با جرم تقریباً 200 برابر بیشتر از جرم الکترون، اما با مقادیر یکسان همه بارهای دیگر)، مکان الکترون نوترینو است. گرفته شده توسط میون (که با میون در برهمکنش های ضعیف به همان شکلی که الکترون با الکترون نوترینو همراه می شود) همراهی می کند. و-کوارک اشغال می کند با-کوارک ( افسون شده)، آ د-کوارک - س-کوارک ( عجیب). در نسل سوم، کوارتت متشکل از یک لپتون تاو، یک نوترینو تاو، تی-کوارک و ب-کوارک

وزن تی- جرم کوارک حدود 500 برابر سبک ترین کوارک است. د-کوارک به طور تجربی ثابت شده است که تنها سه نوع نوترینو سبک وجود دارد. بنابراین، نسل چهارم ذرات یا اصلا وجود ندارند، یا نوترینوهای مربوطه بسیار سنگین هستند. این با داده‌های کیهان‌شناسی مطابقت دارد که طبق آن‌ها بیش از چهار نوع نوترینو نوری نمی‌توانند وجود داشته باشند.

در آزمایشات با ذرات پرانرژی، الکترون، میون، لپتون تاو و نوترینوهای مربوطه به عنوان ذرات جدا شده عمل می کنند. آنها بار رنگی ندارند و فقط وارد فعل و انفعالات ضعیف و الکترومغناطیسی می شوند. در مجموع آنها نامیده می شوند لپتون ها.

جدول 2. نسل های ذرات بنیادی
ذره	جرم استراحت، MeV/ با 2	شارژ الکتریکی	شارژ رنگ	شارژ ضعیف
نسل دوم
با-کوارک	1500	+2/3	قرمز، سبز یا آبی	+1/2
س-کوارک	500	–1/3	یکسان	–1/2
میون نوترینو		0	0	+1/2
میون	106	0	0	–1/2
نسل سوم
تی-کوارک	30000–174000	+2/3	قرمز، سبز یا آبی	+1/2
ب-کوارک	4700	–1/3	یکسان	–1/2
نوترینو تاو		0	0	+1/2
تاو	1777	–1	0	–1/2

کوارک‌ها، تحت تأثیر نیروهای رنگ، به ذرات با تعامل قوی تبدیل می‌شوند که بر بیشتر آزمایش‌های فیزیک با انرژی بالا غالب هستند. چنین ذرات نامیده می شود هادرون ها. آنها شامل دو زیر کلاس هستند: باریون ها(مانند پروتون و نوترون) که از سه کوارک تشکیل شده اند و مزون ها، متشکل از یک کوارک و یک آنتی کوارک. در سال 1947 اولین مزون به نام پیون (یا پی مزون) در پرتوهای کیهانی کشف شد و تا مدتی اعتقاد بر این بود که تبادل این ذرات عامل اصلی نیروهای هسته ای است. هادرون های امگا منهای که در سال 1964 در آزمایشگاه ملی بروکهاون (ایالات متحده آمریکا) کشف شد و ذره JPS ( جی/yمزون)، به طور همزمان در بروکهاون و در مرکز شتاب دهنده خطی استنفورد (همچنین در ایالات متحده آمریکا) در سال 1974 کشف شد. وجود ذره امگا منهای توسط ام. S.U.نظریه 3» (نام دیگر «مسیر هشت گانه» است) که در آن ابتدا احتمال وجود کوارک ها مطرح شد (و این نام به آنها داده شد). یک دهه بعد، کشف این ذره جی/yوجود را تایید کرد با- کوارک و در نهایت باعث شد همه به مدل کوارک و نظریه ای که نیروهای الکترومغناطیسی و ضعیف را متحد می کند باور کنند. زیر را ببینید).

ذرات نسل دوم و سوم کمتر از اولی واقعی نیستند. درست است، پس از ظهور، در میلیونم یا میلیاردم ثانیه به ذرات معمولی نسل اول تجزیه می شوند: الکترون، نوترینوی الکترونی و همچنین و- و د-کوارک ها این سوال که چرا چندین نسل از ذرات در طبیعت وجود دارد هنوز یک راز باقی مانده است.

معمولاً از نسل‌های مختلف کوارک‌ها و لپتون‌ها (که البته تا حدودی عجیب و غریب است) به عنوان «طعم‌های» متفاوت ذرات صحبت می‌شود. نیاز به توضیح آنها مشکل "طعم" نامیده می شود.

بوزون ها و فرمیون ها، میدان و ماده

یکی از تفاوت های اساسی بین ذرات، تفاوت بین بوزون ها و فرمیون ها است. همه ذرات به این دو دسته اصلی تقسیم می شوند. بوزون های یکسان می توانند همپوشانی یا همپوشانی داشته باشند، اما فرمیون های یکسان نمی توانند. برهم نهی در حالت های انرژی گسسته ای که مکانیک کوانتومی طبیعت را به آنها تقسیم می کند رخ می دهد (یا رخ نمی دهد). این حالت ها مانند سلول های جداگانه ای هستند که می توان ذرات را در آنها قرار داد. بنابراین، می توانید هر تعداد بوزون یکسان را که دوست دارید در یک سلول قرار دهید، اما فقط یک فرمیون.

به عنوان مثال، چنین سلول‌ها یا «حالت‌هایی» را برای الکترونی در نظر بگیرید که به دور هسته یک اتم می‌چرخد. برخلاف سیارات منظومه شمسی، طبق قوانین مکانیک کوانتومی، یک الکترون نمی‌تواند در هیچ مداری بیضوی بچرخد، زیرا فقط یک سری مجزا از «حالت‌های حرکت» مجاز وجود دارد. مجموعه ای از این حالت ها که بر اساس فاصله الکترون تا هسته گروه بندی می شوند، نامیده می شوند اوربیتال ها. در اوربیتال اول دو حالت با تکانه زاویه ای متفاوت و بنابراین دو سلول مجاز وجود دارد و در مدارهای بالاتر هشت سلول یا بیشتر وجود دارد.

از آنجایی که الکترون یک فرمیون است، هر سلول فقط می تواند یک الکترون داشته باشد. عواقب بسیار مهمی از این نتیجه حاصل می شود - تمام شیمی، زیرا خواص شیمیایی مواد توسط برهمکنش بین اتم های مربوطه تعیین می شود. اگر سیستم تناوبی عناصر را از یک اتم به اتم دیگر به ترتیب افزایش یک عدد پروتون های هسته طی کنید (تعداد الکترون ها نیز بر این اساس افزایش می یابد)، آنگاه دو الکترون اول اوربیتال اول را اشغال خواهند کرد. هشت بعدی در دومی و غیره قرار خواهند گرفت. این تغییر مداوم در ساختار الکترونیکی اتم ها از عنصری به عنصر دیگر، الگوهای خواص شیمیایی آنها را تعیین می کند.

اگر الکترون‌ها بوزون باشند، تمام الکترون‌های یک اتم می‌توانند اوربیتال یکسانی را اشغال کنند که مربوط به حداقل انرژی است. در این صورت، خواص همه مواد در جهان کاملاً متفاوت خواهد بود و جهان به شکلی که ما می دانیم غیرممکن خواهد بود.

همه لپتون ها - الکترون، میون، تاو لپتون و نوترینوهای مربوط به آنها - فرمیون هستند. همین را می توان در مورد کوارک ها نیز گفت. بنابراین، تمام ذرات تشکیل دهنده "ماده"، پرکننده اصلی جهان، و همچنین نوترینوهای نامرئی، فرمیون هستند. این بسیار مهم است: فرمیون ها نمی توانند ترکیب شوند، بنابراین همین امر در مورد اشیاء در جهان مادی نیز صدق می کند.

در عین حال، تمام "ذرات سنج" که بین ذرات ماده در حال تعامل مبادله می شوند و میدانی از نیروها را ایجاد می کنند. بالا را ببینبوزون هستند که این نیز بسیار مهم است. بنابراین، برای مثال، بسیاری از فوتون‌ها می‌توانند در یک حالت باشند و یک میدان مغناطیسی در اطراف یک آهنربا یا یک میدان الکتریکی در اطراف یک بار الکتریکی تشکیل دهند. به لطف این امکان لیزر نیز وجود دارد.

چرخش.

تفاوت بین بوزون ها و فرمیون ها با یکی دیگر از ویژگی های ذرات بنیادی مرتبط است - چرخش. با کمال تعجب، تمام ذرات بنیادی تکانه زاویه ای خاص خود را دارند یا به بیان ساده تر، حول محور خود می چرخند. زاویه ضربه یکی از ویژگی های حرکت چرخشی است، درست مانند تکانه کل حرکت انتقالی. در هر برهمکنشی، تکانه و تکانه زاویه ای حفظ می شود.

در عالم کوچک، تکانه زاویه ای کوانتیزه می شود، یعنی. مقادیر گسسته می گیرد. در واحدهای اندازه گیری مناسب، لپتون ها و کوارک ها دارای اسپین 1/2 و ذرات گیج دارای اسپین 1 هستند (به جز گراویتون که هنوز به صورت تجربی مشاهده نشده است، اما از نظر تئوری باید دارای اسپین 2 باشد). از آنجایی که لپتون‌ها و کوارک‌ها فرمیون هستند و ذرات گیج بوزون هستند، می‌توان فرض کرد که «فرمیونیتی» با اسپین 1/2 و «بوزونیسیته» با اسپین 1 (یا 2) مرتبط است. در واقع، هم آزمایش و هم تئوری تأیید می‌کنند که اگر ذره‌ای دارای اسپین نیم صحیح باشد، فرمیون است و اگر اسپین عدد صحیح داشته باشد، بوزون است.

نظریه های سنج و هندسه

در همه موارد، نیروها به دلیل تبادل بوزون ها بین فرمیون ها ایجاد می شوند. بنابراین، نیروی رنگ تعامل بین دو کوارک (کوارک - فرمیون) به دلیل تبادل گلوئون ها ایجاد می شود. تبادل مشابهی دائماً در پروتون‌ها، نوترون‌ها و هسته‌های اتمی اتفاق می‌افتد. به طور مشابه، فوتون‌های مبادله شده بین الکترون‌ها و کوارک‌ها، نیروهای جاذبه الکتریکی را ایجاد می‌کنند که الکترون‌ها را در اتم نگه می‌دارند، و بوزون‌های بردار میانی که بین لپتون‌ها و کوارک‌ها رد و بدل می‌شوند، نیروهای ضعیفی را ایجاد می‌کنند که مسئول تبدیل پروتون‌ها به نوترون در واکنش‌های گرما هسته‌ای در ستاره‌ها هستند.

تئوری پشت این مبادله ظریف، ساده و احتمالا درست است. نامیده می شود نظریه گیج. اما در حال حاضر فقط تئوری‌های گیج مستقلی درباره برهمکنش‌های قوی، ضعیف و الکترومغناطیسی و یک نظریه مشابه، هرچند تا حدودی متفاوت، گرانش وجود دارد. یکی از مهمترین مشکلات فیزیکی، تبدیل این نظریه های فردی به یک نظریه واحد و در عین حال ساده است، که در آن همه آنها به جنبه های مختلف یک واقعیت واحد تبدیل می شوند - مانند چهره های یک بلور.

جدول 3. برخی از هادرون ها

جدول 3. برخی از هادرون ها
ذره	سمبل	ترکیب کوارک *	توده استراحت، MeV/ با 2	شارژ الکتریکی
باریون ها
پروتون	پ	uud	938	+1
نوترون	n	udd	940	0
امگا منهای	W -	sss	1672	–1
مزون ها
پی پلاس	پ +	تو	140	+1
پی منهای	پ –	دو	140	–1
فی	f	sє	1020	0
JP	جی/y	c	3100	0
آپسیلون	Ў	ب	9460	0
* ترکیب کوارک: تو- بالا؛ د- پایین تر؛ س- عجیب؛ ج- مسحور شده ب- زیبا. عتیقه ها با یک خط بالای حرف مشخص می شوند.

ساده ترین و قدیمی ترین نظریه گیج، نظریه گیج برهمکنش الکترومغناطیسی است. در آن، بار یک الکترون با بار الکترون دیگری که از آن فاصله دارد مقایسه (کالیبره) می شود. چگونه می توانید هزینه ها را مقایسه کنید؟ برای مثال می توانید الکترون دوم را به الکترون اول نزدیک کنید و نیروهای برهمکنش آنها را با هم مقایسه کنید. اما آیا بار یک الکترون با حرکت به نقطه دیگری از فضا تغییر نمی کند؟ تنها راه بررسی این است که یک سیگنال از یک الکترون نزدیک به یک الکترون دور ارسال کنید و ببینید که چگونه واکنش نشان می دهد. سیگنال یک ذره سنج - یک فوتون است. برای اینکه بتوان بار روی ذرات دوردست را آزمایش کرد، به یک فوتون نیاز است.

از نظر ریاضی، این نظریه فوق العاده دقیق و زیبا است. از "اصل سنج" که در بالا توضیح داده شد، تمام الکترودینامیک کوانتومی (نظریه کوانتومی الکترومغناطیس) و همچنین نظریه میدان الکترومغناطیسی ماکسول - یکی از بزرگترین دستاوردهای علمی قرن نوزدهم - سرچشمه می گیرد.

چرا یک اصل ساده اینقدر ثمربخش است؟ ظاهراً همبستگی خاصی را بین بخش‌های مختلف کیهان بیان می‌کند و امکان اندازه‌گیری در کیهان را فراهم می‌کند. در اصطلاح ریاضی، میدان از نظر هندسی به عنوان انحنای برخی از فضای "داخلی" قابل تصور تفسیر می شود. بار اندازه گیری، اندازه گیری کل "انحنای داخلی" در اطراف ذره است. تئوری های گیج برهمکنش های قوی و ضعیف با نظریه گیج الکترومغناطیسی تنها در "ساختار" هندسی داخلی بار مربوطه متفاوت است. این پرسش که این فضای داخلی دقیقاً کجاست، با نظریه‌های میدانی یکپارچه چند بعدی پاسخ داده می‌شود که در اینجا مورد بحث قرار نمی‌گیرد.

جدول 4. تعاملات اساسی
اثر متقابل	شدت نسبی در فاصله 10-13 سانتی متر	شعاع عمل	حامل تعامل	جرم استراحت حامل، MeV/ با 2	حامل را بچرخانید
قوی	1		گلوون	0	1
الکترو- مغناطیسی	0,01	Ґ	فوتون	0	1
ضعیف	10 –13		دبلیو +	80400	1
			دبلیو –	80400	1
			ز 0	91190	1
گراویتا- ملی	10 –38	Ґ	گراویتون	0	2

فیزیک ذرات هنوز کامل نشده است. هنوز روشن نیست که آیا داده های موجود برای درک کامل ماهیت ذرات و نیروها و همچنین ماهیت و بعد واقعی فضا و زمان کافی است یا خیر. آیا برای این کار به آزمایش هایی با انرژی های 10 15 گیگا ولت نیاز داریم یا تلاش فکر کافی خواهد بود؟ هنوز پاسخی داده نشده است. اما می توان با اطمینان گفت که تصویر نهایی ساده، ظریف و زیبا خواهد بود. این امکان وجود دارد که ایده های اساسی زیادی وجود نداشته باشد: اصل سنج، فضاهای با ابعاد بالاتر، فروپاشی و انبساط، و بالاتر از همه، هندسه.

13.1. مفهوم ذرات بنیادی

به معنای دقیق اصطلاح «بنیادی»، ساده‌ترین ذرات غیر قابل تقسیم اولیه بدون ساختار داخلی هستند که ماده را تشکیل می‌دهند.

تا سال 1932، چهار نوع ذره شناخته شد: الکترون، پروتون، نوترون و فوتون. این ذرات (به استثنای فوتون) در واقع اجزای تشکیل دهنده ماده قابل مشاهده هستند.

تا سال 1956، حدود 30 ذره بنیادی قبلاً کشف شده بود. بنابراین، به عنوان بخشی از تابش کیهانی، پوزیترون ها (1932)، میون ها (1936)، p(pi) - مزون ها (1947)، ذرات عجیب K (ka) - مزون ها و هایپرون ها کشف شدند. اکتشافات بعدی در این منطقه با کمک شتاب دهنده های بزرگی انجام شد که انرژی هایی در حد صدها و هزاران مگا الکترون ولت به ذرات می دهد. بنابراین، آنتی پروتون ها (1955) و ضد نوترون ها (1956)، هایپرون های سنگین و تشدید (دهه 60)، ذرات "جذاب" و "دوست داشتنی" (دهه 70)، t(tau) - لپتون (1975)، n(اپسیلون) - ذره ای با جرمی از حدود ده (!) جرم پروتون، ذرات "زیبا" (1981)، بوزون های بردار میانی (1983). اکنون چند صد ذره شناخته شده است و تعداد آنها همچنان در حال افزایش است.

ویژگی مشترک همه این ذرات بنیادی این است که آنها اشکال خاصی از وجود ماده هستند که به هسته و اتم مرتبط نیستند. به همین دلیل اصطلاح « ذرات زیر هسته ای". اکثر این ذرات تعریف دقیق ابتدایی بودن را برآورده نمی کنند، زیرا (طبق مفاهیم مدرن) سیستم های کامپوزیتیعنی ساختار درونی دارند. با این حال، مطابق با رویه ثابت، اصطلاح "ذرات بنیادی" حفظ می شود. ذراتی که ادعا می کنند عناصر اولیه ماده هستند (مثلاً الکترون ها) " واقعا ابتدایی".

13.1.1. خواص اساسی ذرات بنیادی

همه ذرات بنیادی جرم بسیار کوچکی دارند: از 10-22 (برای بوزون های میانی) تا ~ 10-27 (برای الکترون ها). سبک ترین ذرات نوترینوها هستند (جرم آن 10 هزار بار کمتر از جرم یک الکترون فرض می شود). اندازه ذرات بنیادی نیز بسیار کوچک است: از 10-13 سانتی متر (برای هادرون ها) تا< 10 -16 см у электронов и мюонов.

جرم ها و اندازه های میکروسکوپی تعیین می کند ویژگی کوانتومیرفتار ذرات بنیادی مهمترین ویژگی کوانتومی توانایی متولد شدن و از بین رفتن (گسیل و جذب) در هنگام تعامل با ذرات دیگر است.

اکثر ذرات بنیادی ناپایدار: متولد شده در پرتوهای کیهانی یا شتاب دهنده ها، کسری از ثانیه زندگی می کنند و سپس دچار پوسیدگی می شوند. معیار پایداری ذرات میانگین طول عمر t است. الکترون، پروتون، فوتون و نوترینو - ذرات کاملاً پایدار(t®¥)، در هر صورت، پوسیدگی آنها به طور تجربی شناسایی نشده است. نوترون شبه پایدار(t=(898±16)s. گروه‌هایی از ذرات ناپایدار با طول عمر متوسط ​​10-6، 10-8، 10-10، 10-13، 10-16، 10-20 ثانیه وجود دارد. بیشترین ذرات زنده متواضع رزونانس هستند: t~(10 -22 ¸10 -23)s.

ویژگی های مشترک ذرات بنیادی نیز اسپین، بار الکتریکی q و گشتاور مغناطیسی ذاتی است. اسپین معمولاً در واحد بیان می شود و فقط مقادیر صحیح یا نیمه صحیح را می گیرد. تعداد حالت‌های اسپین احتمالی یک ذره و همچنین نوع آماری که این ذرات در معرض آن هستند را تعیین می‌کند. با توجه به این معیار، تمام ذرات به تقسیم می شوند فرمیون ها(ذراتی با چرخش نیم عدد صحیح) و بوزون ها(ذراتی با اسپین عدد صحیح). بار الکتریکی یک ذره مضربی صحیح از بار اولیه |e| است = 1.6 × 10 -19 کلر. برای ذرات بنیادی شناخته شده، بار الکتریکی در واحد e مقادیر زیر را به خود می گیرد: q = 0، ± 1، ± 2. ذرات با بار کسری - کوارک ها- در حالت آزاد رخ ندهند (به بند 5.3.2 مراجعه کنید).

گشتاور مغناطیسی ذاتی برهمکنش یک ذره در حال سکون با یک میدان مغناطیسی خارجی را مشخص می کند. بردارها و

موازی یا ضد موازی

علاوه بر موارد ذکر شده، ذرات بنیادی با تعدادی ویژگی کوانتومی نیز مشخص می شوند که "داخلی" نامیده می شوند (بار لپتون، بار باریون، غریب بودن و غیره).

13.1.2 ذرات و ضد ذرات

تقریباً هر ذره مطابقت دارد ضد ذره- ذره ای با جرم، طول عمر، چرخش یکسان؛ سایر خصوصیات آنها از نظر قدر برابر هستند، اما از نظر علامت مخالف هستند (بار الکتریکی، گشتاور مغناطیسی، ویژگی های کوانتومی داخلی). برخی از ذرات (به عنوان مثال، یک فوتون) هیچ اعداد کوانتومی داخلی ندارند و بنابراین، با پادذرات خود یکسان هستند - این ذرات خنثی واقعی.

نتیجه گیری در مورد وجود پادذرات اولین بار توسط پی دیراک (1930) انجام شد. او یک معادله کوانتومی نسبیتی بدست آورد که وضعیت ذره ای با اسپین نیم صحیح را توصیف می کند. برای یک ذره آزاد، معادله دیراک منجر به یک رابطه نسبیتی بین تکانه (p)، انرژی (E) و جرم (m) ذره می شود:

برای یک الکترون در حالت سکون (p e = 0)، سطوح انرژی زیر ممکن است: و ، فاصله انرژی "ممنوع".

در نظریه میدان کوانتومی، حالت یک ذره با انرژی منفی به عنوان حالت یک پاد ذره که دارای انرژی مثبت اما بار الکتریکی مخالف است، تفسیر می شود. تمام سطوح انرژی منفی ممکن پر هستند اما قابل مشاهده نیستند. یک فوتون با انرژی قادر است یک الکترون را از حالتی با انرژی منفی به حالتی با انرژی مثبت منتقل کند (شکل 5.1 را ببینید) - الکترون قابل مشاهده می شود.