Partikel dasar dan ciri-ciri utamanya. Partikel elementer stabil Partikel lain yang sudah ada dan hipotetis

1. Partikel dasar- ini adalah objek mikro, yang ukurannya tidak melebihi ukuran inti atom. Partikel dasar termasuk proton, neutron, elektron, meson, neutrino, foton, dll.

Ungkapan partikel elementer tidak boleh dipahami sebagai partikel tak berstruktur yang tidak mampu bertransformasi. Seiring berkembangnya ilmu pengetahuan, isi istilah ilmiah apa pun secara bertahap menjauh dari etimologinya. Dengan demikian, atom tetap tidak dapat dipisahkan dalam pikiran manusia hingga kemunculannya pada awal abad ke-19. atomisme kimia Dalam pengetahuan ilmiah modern, atom adalah sistem dinamis kompleks yang mampu melakukan berbagai penataan ulang. Demikian pula, partikel elementer, ketika sifat-sifat barunya ditemukan, memperlihatkan struktur yang semakin kompleks.

Sifat terpenting partikel elementer adalah kemampuannya untuk dilahirkan dan diubah menjadi satu sama lain selama tumbukan. Agar proses seperti itu dapat terjadi, partikel-partikel yang bertabrakan harus memiliki energi yang tinggi. Oleh karena itu, fisika partikel disebut juga fisika energi tinggi.

Menurut masa hidupnya, semua partikel elementer dibagi menjadi tiga kelompok: stabil, tidak stabil, dan beresonansi.

Partikel stabil berada dalam keadaan bebas untuk waktu yang tidak terbatas.Hanya ada 11 partikel seperti itu: proton p, elektron e, elektron neutrino ν 0, muon neutrino νμ, taun neutrino ντ, antipartikelnya p, e, ν e, νμ, ντ , dan ditambah foton γ. Bukti eksperimental peluruhan spontan partikel-partikel ini masih belum diketahui.

Partikel yang tidak stabil mempunyai umur rata-rata τ. yang sangat besar dibandingkan dengan karakteristik waktu terbang nuklir yaitu 10 -23 detik (waktu yang dibutuhkan cahaya untuk melintasi diameter inti atom). Misalnya, untuk neutron τ = 16 menit, untuk muon τ = 10 -6 s, untuk pion bermuatan τ = 10 -8 s, untuk hiperon dan kaon τ = 10 -4 s.

Resonansi memiliki masa hidup yang sebanding dengan waktu terbang yaitu 10 -23 detik. Mereka dicatat oleh resonansi pada kurva penampang reaksi versus energi. Banyak resonansi yang ditafsirkan sebagai keadaan tereksitasi nukleon dan partikel lainnya.

2. Interaksi mendasar. Variasi interaksi yang diamati antara partikel elementer dan alam secara keseluruhan terbagi menjadi 4 jenis utama: kuat, elektromagnetik, lemah, dan gravitasi. Interaksi kuat menahan nukleon dalam inti atom dan melekat pada hadron (proton, neutron, meson, hiperon, dll). Interaksi elektromagnetik adalah interaksi yang memanifestasikan dirinya pada tingkat makro - elastis, kental, molekuler, kimia, dll. Interaksi yang lemah menyebabkan peluruhan β inti dan, bersama dengan gaya elektromagnetik, mengontrol perilaku pepton - partikel elementer dengan putaran setengah bilangan bulat yang tidak berpartisipasi dalam interaksi yang kuat. Interaksi gravitasi melekat pada semua benda material.

Bandingkan interaksi mendasar satu sama lain tetapi intensitasnya. Tidak ada definisi yang jelas mengenai konsep ini dan tidak ada metode untuk membandingkan intensitas. Oleh karena itu, digunakan perbandingan berdasarkan sekumpulan fenomena.

Misalnya, perbandingan gaya tarik gravitasi antara dua proton dengan gaya tolak Coulomb adalah G (m p m p /r 2) /(e 2 /4πε 0 r 2) = 4πε 0 G(m p 2 /e 2) = 10 -36. Angka ini diambil sebagai ukuran rasio interaksi gravitasi dan elektromagnetik.

Rasio antara interaksi kuat dan elektromagnetik, ditentukan dari penampang dan energi reaksi nuklir, diperkirakan 10 4:1. Intensitas interaksi kuat dan lemah dibandingkan dengan cara yang sama.

Selain intensitas, waktu dan jarak interaksi juga digunakan sebagai ukuran perbandingan interaksi. Biasanya, untuk membandingkan waktu, kita mengambil laju proses pada energi kinetik partikel yang bertabrakan E = 1 GeV. Pada energi seperti itu, proses yang disebabkan oleh interaksi kuat terjadi selama penerbangan nuklir 10 -23 detik, proses yang disebabkan oleh interaksi elektromagnetik memakan waktu sekitar 10 -19 detik, interaksi lemah membutuhkan waktu sekitar 10 -9 detik, dan interaksi gravitasi memakan waktu sekitar 10 +16 S. .

Jalur bebas rata-rata suatu partikel dalam suatu zat biasanya diambil sebagai jarak untuk membandingkan interaksi. Partikel yang berinteraksi kuat dengan E = 1 GeV ditahan oleh lapisan logam berat setebal 1 m, sedangkan neutrino, yang hanya mampu berpartisipasi dalam interaksi lemah, dengan energi 100 kali lebih kecil (E = 10 MeV) dapat ditahan oleh lapisan 10 9 km!

A. Interaksi yang kuat tidak hanya yang paling intens, tetapi juga yang sifatnya paling pendek. Pada jarak melebihi 10 -15 m, perannya menjadi diabaikan. Meskipun menjamin stabilitas inti, interaksi ini hampir tidak berpengaruh pada fenomena atom. Interaksi yang kuat tidak bersifat universal. Itu tidak melekat pada semua partikel, tetapi hanya pada hadron - nukleon, meson, hiperon, dll. Ada partikel - foton, elektron, muon, neutrino - yang tidak mengalami interaksi kuat dan tidak dilahirkan karena tumbukan.

B. Interaksi elektromagnetik intensitasnya 4 kali lipat lebih rendah dari kuat. Area utama manifestasinya adalah jarak mulai dari diameter inti 10 -15 m hingga sekitar 1 m, termasuk struktur atom, molekul, kristal, reaksi kimia, deformasi, gesekan, cahaya, gelombang radio dan banyak fenomena fisik lainnya yang dapat diakses oleh persepsi manusia.

Interaksi elektromagnetik paling kuat terjadi pada partikel bermuatan listrik. Pada partikel netral dengan putaran bukan nol, ia memanifestasikan dirinya lebih lemah dan hanya karena fakta bahwa partikel tersebut memiliki momen magnet orde М=eћ/2m. Interaksi elektromagnetik bahkan lebih lemah pada pion netral π 0 dan pada neutrino.

Sifat yang sangat penting dari interaksi EM adalah adanya tolakan antara partikel bermuatan sejenis dan tarik menarik antara partikel bermuatan berbeda. Oleh karena itu, interaksi EM antara atom dan benda lain dengan muatan bersih nol mempunyai jangkauan yang relatif pendek, meskipun gaya Coulomb antar partikel bermuatan mempunyai jangkauan yang jauh.

e.Interaksi yang lemah dapat diabaikan dibandingkan dengan yang kuat dan elektromagnetik. Namun seiring berkurangnya jarak, hal itu meningkat dengan cepat. Jika kita berasumsi bahwa dinamika pertumbuhan masih cukup dalam, maka pada jarak sekitar 10 -20 m interaksi lemah akan sama dengan interaksi kuat. Namun jarak tersebut belum tersedia untuk penelitian eksperimental.

Interaksi yang lemah menyebabkan beberapa proses interkonversi partikel. Misalnya, partikel sigma-plus-hiperon, hanya di bawah pengaruh interaksi lemah, meluruh menjadi proton dan pion netral, Σ + => p + π 0. Karena interaksi yang lemah, peluruhan β terjadi. Partikel seperti hiperon, kaon, muon akan stabil jika tidak ada interaksi lemah.

d.Interaksi gravitasi yang paling lemah. Namun ia dicirikan oleh aksi jarak jauh, universalitas absolut (semua benda tertarik) dan tanda yang sama antara pasangan partikel mana pun. Sifat terakhir mengarah pada fakta bahwa gaya gravitasi selalu meningkat seiring dengan bertambahnya massa benda. Oleh karena itu, gravitasi, meskipun intensitas relatifnya tidak signifikan, memperoleh peran yang menentukan dalam interaksi benda-benda kosmik - planet, bintang, galaksi.

Dalam dunia partikel elementer, peran gravitasi dapat diabaikan. Oleh karena itu, dalam fisika atom, inti dan partikel elementer, interaksi gravitasi tidak diperhitungkan.

3. Ciri-ciri partikel elementer. Hingga awal tahun 50-an abad ke-20, ketika jumlah partikel yang ditemukan relatif kecil, besaran fisika umum digunakan untuk mendeskripsikan partikel - massa m, energi kinetik E, momentum p, dan satu bilangan kuantum - putaran s, yang memungkinkan untuk menilai besarnya momen mekanik dan magnet partikel. Untuk partikel tidak stabil, umur rata-rata τ ditambahkan di sini.

Namun lambat laun, dalam pola kelahiran dan peluruhan partikel tertentu, beberapa ciri khusus partikel tersebut dapat diidentifikasi. Untuk menentukan sifat-sifat ini, bilangan kuantum baru harus diperkenalkan. Beberapa di antaranya disebut dakwaan.

Misalnya, selama peluruhan partikel berat, misalnya neutron, tidak pernah terjadi hanya partikel ringan yang terbentuk, misalnya elektron e - , e + dan neutrino. Sebaliknya, ketika elektron dan positron bertabrakan, neutron tidak dapat diperoleh, meskipun hukum kekekalan energi dan momentum terpenuhi. Untuk mencerminkan pola ini, bilangan kuantum muatan baryon diperkenalkan B. Mereka mulai percaya bahwa partikel berat tersebut - baryon memiliki B = 1, dan antipartikelnya B = -1. Untuk partikel cahaya B = 0. Hasilnya, pola yang ditemukan berupa hukum kekekalan muatan baryon.

Demikian pula, untuk partikel cahaya, bilangan kuantum diperkenalkan secara empiris - muatan lepton L - tanda larangan transformasi tertentu. Kita sepakat untuk mengasumsikan bahwa muatan lepton L e = +1 untuk elektron e - dan neutrino elektron ν e ,L µ = + 1 untuk muon negatif µ - dan neutrino muonik ν µ ,L τ = +1 untuk taon negatif τ - dan taon neutrino v τ . Untuk antipartikel yang bersesuaian L= -1. Seperti muatan baryon, muatan leptonik kekal dalam semua interaksi.

Dengan ditemukannya hiperon yang lahir dalam interaksi kuat, ternyata masa hidupnya tidak sama dengan waktu terbang 10 -23 detik, yang merupakan ciri khas partikel yang berinteraksi kuat, melainkan 10 13 kali lebih lama. Hal ini tampaknya tidak terduga dan aneh dan hanya dapat dijelaskan oleh fakta bahwa partikel yang lahir dalam interaksi kuat meluruh dalam interaksi lemah. Untuk mencerminkan sifat partikel ini, keanehan bilangan kuantum S diperkenalkan. Partikel aneh memiliki S = + 1, antipartikelnya memiliki S = - 1, dan partikel lain memiliki S = 0.

Muatan listrik Q mikropartikel dinyatakan melalui perbandingannya dengan muatan unsur positif e +. Oleh karena itu, muatan listrik Q partikel juga merupakan bilangan kuantum bilangan bulat. Untuk proton Q = + 1, untuk elektron Q = -1, untuk neutron, neutrino dan partikel netral lainnya Q = 0.

Selain parameter yang disebutkan, partikel elementer memiliki karakteristik lain yang tidak dipertimbangkan di sini.

4. Hukum kekekalan dalam fisika partikel dapat dibagi menjadi tiga kelompok: undang-undang konservasi umum, undang-undang konservasi yang tepat mengenai pungutan, dan perkiraan undang-undang konservasi.

A . Hukum konservasi universal dilakukan secara akurat terlepas dari skala fenomenanya - di dunia mikro, makro, dan mega. Hukum-hukum ini mengikuti geometri ruang-waktu. Homogenitas waktu mengarah pada hukum kekekalan energi, homogenitas ruang - ke hukum kekekalan momentum, isotropi ruang - ke hukum kekekalan momentum sudut, persamaan ISO - ke hukum kekekalan pusat kelembaman. Selain 4 hukum ini, ini mencakup dua hukum lagi yang terkait dengan simetri ruang - waktu relatif terhadap pantulan cermin dari sumbu koordinat. Dari simetri cermin sumbu koordinat maka kesimetrian kanan-kiri ruang adalah identik (hukum kekekalan paritas). Hukum yang terkait dengan simetri cermin waktu berbicara tentang identitas fenomena dalam mikrokosmos sehubungan dengan perubahan tanda waktu.

B. Hukum kekekalan pungutan yang pasti. Setiap sistem fisik diberi muatan bilangan bulat untuk setiap jenisnya. Setiap muatan bersifat aditif dan dilestarikan. Ada 5 muatan seperti itu: listrik Q, baryon B, tiga muatan leigonik - elektron L e, muon L µ ton L τ. Semua muatan adalah bilangan bulat dan dapat bernilai nol positif dan negatif.

Muatan listrik mempunyai arti ganda. Ini tidak hanya mewakili bilangan kuantum, tetapi juga merupakan sumber medan gaya. Muatan baryon dan leptonik bukanlah sumber medan gaya. Untuk sistem yang kompleks, muatan total jenis apa pun sama dengan jumlah muatan masing-masing partikel elementer yang termasuk dalam sistem.

V. Perkiraan hukum konservasi dipenuhi hanya dalam jenis interaksi fundamental tertentu. Mereka berhubungan dengan ciri-ciri seperti keanehan S, dll.

Semua undang-undang konservasi yang tercantum dirangkum dalam Tabel 26.2.

5. Partikel dan antipartikel mempunyai massa yang sama, tetapi semua muatannya berlawanan. Pemilihan pasangan partikel dan antipartikel bersifat arbitrer. Misalnya, pada pasangan elektron + positron, mereka sepakat untuk menganggap elektron e sebagai partikel, dan positron e + sebagai antipartikel. Muatan elektron Q =-1, B = 0, Le = +1, Lµ= 0, Lτ =0. Muatan positron Q = +1, V = 0, Le=-1, Lµ= 0, Lτ =0

Semua muatan sistem partikel + antipartikel sama dengan nol. Sistem yang semua muatannya sama dengan nol disebut benar-benar netral. Ada netral dan partikel sejati. Ada dua di antaranya: γ - kuantum (foton) dan η - meson. Partikel dan antipartikel identik di sini.

6. Klasifikasi partikel elementer belum selesai. Salah satu klasifikasi saat ini didasarkan pada rata-rata masa hidup τ, massa m, putaran s, lima jenis muatan, keanehan S, dan parameter partikel lainnya. Semua partikel dibagi menjadi 4 kelas.

Kelas 1 dibentuk oleh satu partikel - foton. Sebuah foton tidak memiliki massa diam dan semua muatan. Foton tidak mengalami interaksi yang kuat. Putarannya adalah 1, yang berarti secara statistik ia adalah boson.

Kelas 2 dibentuk oleh lepton. Ini adalah partikel ringan dengan muatan baryon nol. Setiap partikel - laptop - memiliki salah satu muatan lentonnya yang tidak sama dengan nol. Lepton tidak mengalami interaksi yang kuat. Putaran semua lepton adalah 1/2, menurut statistik, mereka adalah fermion.

Kelas 3 dibentuk oleh meson. Ini adalah partikel dengan muatan baryon dan lepton nol yang berpartisipasi dalam interaksi kuat. Semua meson memiliki putaran bilangan bulat, yaitu menurut statistik, mereka adalah boson.

Kelas 4 terdiri dari baryon. Ini adalah partikel berat dengan muatan baryon bukan nol B ≠ O dan muatan lepton nol, Le,Lµ,Lτ = 0. Mereka memiliki putaran setengah bilangan bulat (fermion) dan berpartisipasi dalam interaksi kuat. Karena kemampuan partikel kelas 3 dan 4 untuk berpartisipasi dalam interaksi kuat, mereka disebut juga hadron.

Tabel 26.3 menunjukkan partikel yang diketahui - bukan resonansi dengan karakteristik utamanya. Partikel dan antipartikel diberikan. Partikel netral sejati, yang tidak mempunyai antipartikel, ditempatkan di tengah kolom. Nama diberikan untuk partikel saja. Antipartikel yang sesuai diperoleh hanya dengan menambahkan awalan “anti” pada nama Partikel. Misalnya proton - antiproton, neutron - antineutron.

Antielektron e + memiliki nama historis positron. Sehubungan dengan pion dan kaon bermuatan, istilah “antipartikel” praktis tidak digunakan. Mereka hanya berbeda dalam muatan listriknya, oleh karena itu mereka hanya berbicara tentang pion dan kaon positif atau negatif.

Tanda atas muatan menunjukkan partikel, tanda bawah menunjukkan antipartikel. Misalnya untuk pasangan elektron - positron Le = ± 1. Artinya elektron memiliki Le = + 1, dan positron memiliki Le = -1.

Notasi berikut digunakan dalam tabel: Q - muatan listrik, B muatan baryon Le, Lµ, Lτ - masing-masing, elektron, muon, muatan leptopik taonik, S - keanehan, s - putaran, τ - umur rata-rata.

Massa sisanya m diberikan dalam megaelektronvolt. Dari persamaan relativistik mc 2 =еU berikut m=eU/c 2 . Energi partikel sebesar 1 MeV sama dengan massa m=eU/c 2 =1,6 *10 -19 /9*10 16 =17,71*10 -31 kg. Ini tentang dua massa elektron. Dibagi dengan massa elektron m e = 9,11*10 -31 kg, kita memperoleh m = 1,94 m e.

Massa elektron, dinyatakan dalam energi, adalah m e =0,511 MeV.

7. Model quark dari hadron. Hadron adalah partikel elementer yang berpartisipasi dalam interaksi kuat. Ini adalah meson dan baryon. Pada tahun 1964, orang Amerika Murray Gell-Mann dan George Zweig berhipotesis bahwa struktur dan sifat hadron dapat dipahami lebih baik dengan mengasumsikan bahwa hadron terdiri dari partikel yang lebih mendasar, yang disebut Gell-Mann sebagai quark. Hipotesis quark terbukti sangat bermanfaat dan sekarang diterima secara umum.

Jumlah quark yang diduga terus meningkat. Sampai saat ini, 5 jenis (rasa) quark telah dipelajari dengan paling baik: quark u dengan massa mu = 5 MeV, quark d dengan massa m d = 7 MeV, quark s dengan ms = 150 MeV, quark c dengan mc = 1300 MeV dan kuark b dengan mb=5000 MeV. Setiap quark memiliki antiquarknya sendiri.

Semua quark yang terdaftar memiliki spin 1/2 yang sama dan muatan baryon B = 1/3 yang sama. Quark u, c mempunyai muatan positif pecahan Q = + 2/3, quark d, s, b mempunyai

muatan negatif pecahan Q = - 1/3. Quark s adalah pembawa keanehan, quark c adalah pembawa pesona, dan quark b adalah pembawa keindahan (Tabel 26.4).

Setiap hadron dapat direpresentasikan sebagai kombinasi beberapa quark. Bilangan kuantum Q, B, S dari hadron diperoleh sebagai jumlah dari bilangan-bilangan quark yang membentuk hadron. Jika dua quark identik memasuki hadron, putarannya berlawanan.

Baryon memiliki putaran setengah bilangan bulat, sehingga dapat terdiri dari jumlah quark yang ganjil. Misalnya sebuah proton terdiri dari tiga quark, p => uud. Muatan listrik proton Q =+ 2/3+2/3 – 1/3 = 1, muatan baryon proton B = 1/3+ 1/3 + 1/3 = 1, keanehan S = O, spin s = 1/2 – 1/2 +1/2=1/2.

Neutron juga terdiri dari tiga quark, 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. Kombinasi tiga quark dapat digunakan untuk mewakili baryon berikut: Λ 0 (uds), Σ + (uus), Σ 0 (uds), Σ - (dds),Ξ 0 (uss), Ξ - (dss), Ω - (sss) a°(kita). Dalam kasus terakhir, putaran semua quark diarahkan ke arah yang sama. Oleh karena itu Ω - - hyperon mempunyai spin 3/2.

Antipartikel baryon terbentuk dari antiquark yang sesuai.

Meson terdiri dari dua quark dan satu antiquark. Misalnya pion positifnya adalah π + (ud). Muatannya Q = +2/3- (-1/3) = 1, B = 1/3-1/3= O, S = 0, putaran 1/2 – 1/2= 0.

Model quark mengasumsikan bahwa quark ada di dalam hadron, namun pengalaman menunjukkan bahwa quark tidak dapat lepas dari hadron. Namun setidaknya pada energi yang dapat dicapai dengan akselerator modern. Ada kemungkinan besar bahwa quark tidak dapat hidup dalam keadaan bebas sama sekali.

Fisika energi tinggi modern percaya bahwa interaksi antara quark dilakukan melalui partikel khusus - gluon. Massa sisa gluon adalah nol, putarannya sama dengan satu. Ada kemungkinan terdapat sekitar selusin jenis gluon yang berbeda.

Ketiga partikel ini (serta partikel lain yang dijelaskan di bawah) saling tarik menarik dan tolak menolak sesuai dengan sifat masing-masingnya biaya, yang mana hanya ada empat jenis menurut jumlah kekuatan fundamental alam. Muatan dapat disusun dalam urutan gaya-gaya yang bersesuaian menurun sebagai berikut: muatan warna (gaya interaksi antar quark); muatan listrik (gaya listrik dan magnet); muatan lemah (gaya dalam beberapa proses radioaktif); akhirnya, massa (gaya gravitasi, atau interaksi gravitasi). Kata "warna" di sini tidak ada hubungannya dengan warna cahaya tampak; itu hanyalah karakteristik muatan yang kuat dan gaya yang paling besar.

Biaya disimpan, yaitu. muatan yang masuk ke sistem sama dengan muatan yang keluar. Jika muatan listrik total sejumlah partikel sebelum interaksinya sama dengan, katakanlah, 342 satuan, maka setelah interaksi, apa pun hasilnya, akan sama dengan 342 satuan. Hal ini juga berlaku untuk muatan lain: warna (muatan interaksi kuat), lemah dan massa (massa). Partikel berbeda dalam muatannya: pada dasarnya, mereka “adalah” muatan ini. Tuduhan ibarat “sertifikat” hak untuk merespons kekuatan yang sesuai. Jadi, hanya partikel berwarna yang dipengaruhi oleh gaya warna, hanya partikel bermuatan listrik yang dipengaruhi oleh gaya listrik, dan seterusnya. Sifat suatu partikel ditentukan oleh gaya terbesar yang bekerja padanya. Hanya quark yang membawa semua muatan dan, oleh karena itu, tunduk pada aksi semua gaya, di antaranya yang dominan adalah warna. Elektron mempunyai semua muatan kecuali warna, dan gaya dominannya adalah gaya elektromagnetik.

Yang paling stabil di alam, sebagai suatu peraturan, adalah kombinasi partikel netral di mana muatan partikel bertanda satu dikompensasi oleh muatan total partikel bertanda lainnya. Ini sesuai dengan energi minimum seluruh sistem. (Dengan cara yang sama, dua magnet batang disusun dalam satu garis, dengan kutub utara salah satu magnet menghadap kutub selatan magnet lainnya, yang sesuai dengan energi minimum medan magnet.) Gravitasi merupakan pengecualian terhadap aturan ini: negatif massa tidak ada. Tidak ada tubuh yang jatuh ke atas.

JENIS MASALAH

Materi biasa terbentuk dari elektron dan quark, dikelompokkan menjadi benda-benda yang berwarna netral dan kemudian bermuatan listrik. Kekuatan warna dinetralkan, seperti yang akan dibahas lebih rinci di bawah, ketika partikel digabungkan menjadi kembar tiga. (Oleh karena itu istilah “warna” itu sendiri, diambil dari optik: tiga warna primer bila dicampur menghasilkan warna putih.) Jadi, quark yang kekuatan warnanya adalah yang utama akan membentuk kembar tiga. Tapi quark, dan mereka terbagi menjadi kamu-quarks (dari bahasa Inggris up - top) dan D-quark (dari bahasa Inggris down - bottom), juga memiliki muatan listrik sama dengan kamu-quark dan untuk D-kuark. Dua kamu-quark dan satu D-quark memberikan muatan listrik +1 dan membentuk proton, dan satu kamu-quark dan dua D-quark memberikan muatan listrik nol dan membentuk neutron.

Proton dan neutron yang stabil, tertarik satu sama lain oleh sisa gaya warna interaksi antara quark penyusunnya, membentuk inti atom yang warnanya netral. Namun inti atom membawa muatan listrik positif dan, dengan menarik elektron negatif yang mengorbit di sekitar inti seperti planet yang mengorbit Matahari, cenderung membentuk atom netral. Elektron dalam orbitnya dikeluarkan dari inti pada jarak puluhan ribu kali lebih besar dari jari-jari inti - bukti bahwa gaya listrik yang menahan elektron jauh lebih lemah daripada gaya listrik nuklir. Berkat kekuatan interaksi warna, 99,945% massa atom terkandung dalam intinya. Berat kamu- Dan D-quark berukuran sekitar 600 kali massa elektron. Oleh karena itu, elektron jauh lebih ringan dan lebih mobile dibandingkan inti atom. Pergerakan mereka dalam materi disebabkan oleh fenomena listrik.

Ada beberapa ratus jenis atom alami (termasuk isotop), berbeda dalam jumlah neutron dan proton dalam inti dan, karenanya, dalam jumlah elektron dalam orbitnya. Yang paling sederhana adalah atom hidrogen, terdiri dari inti berbentuk proton dan satu elektron yang berputar mengelilinginya. Semua materi yang “terlihat” di alam terdiri dari atom dan sebagian atom yang “terbongkar”, yang disebut ion. Ion adalah atom yang kehilangan (atau memperoleh) beberapa elektron, menjadi partikel bermuatan. Materi yang hampir seluruhnya terdiri dari ion disebut plasma. Bintang yang terbakar akibat reaksi termonuklir yang terjadi di pusatnya sebagian besar terdiri dari plasma, dan karena bintang adalah bentuk materi paling umum di Alam Semesta, kita dapat mengatakan bahwa seluruh Alam Semesta sebagian besar terdiri dari plasma. Lebih tepatnya, bintang-bintang sebagian besar terdiri dari gas hidrogen yang terionisasi penuh, yaitu. campuran proton dan elektron individu, dan oleh karena itu, hampir seluruh Alam Semesta yang terlihat terdiri darinya.

Ini adalah hal yang terlihat. Namun ada juga materi tak kasat mata di alam semesta. Dan ada partikel yang bertindak sebagai pembawa gaya. Ada antipartikel dan keadaan tereksitasi dari beberapa partikel. Semua ini jelas mengarah pada banyaknya partikel “dasar” yang berlebihan. Dalam kelimpahan ini kita dapat menemukan indikasi sifat sebenarnya dari partikel-partikel elementer dan gaya-gaya yang bekerja di antara partikel-partikel tersebut. Menurut teori terbaru, partikel pada dasarnya dapat berupa objek geometris yang diperluas – “string” dalam ruang sepuluh dimensi.

Dunia yang tidak terlihat.

Tidak hanya materi tampak yang ada di Alam Semesta (tetapi juga lubang hitam dan “materi gelap”, seperti planet dingin yang terlihat saat diterangi). Ada juga materi yang benar-benar tak kasat mata yang meresap ke dalam diri kita semua dan seluruh Alam Semesta setiap detiknya. Ini adalah gas partikel yang bergerak cepat dengan jenis yang sama - neutrino elektron.

Neutrino elektron adalah pasangan elektron, tetapi tidak memiliki muatan listrik. Neutrino hanya membawa muatan lemah. Massa istirahat mereka, kemungkinan besar, adalah nol. Namun mereka berinteraksi dengan medan gravitasi karena memiliki energi kinetik E, yang sesuai dengan massa efektif M, menurut rumus Einstein E = mc 2 dimana C- kecepatan cahaya.

Peran utama neutrino adalah berkontribusi terhadap transformasi Dan-quark masuk D-quark, akibatnya proton berubah menjadi neutron. Neutrino bertindak sebagai "jarum karburator" untuk reaksi fusi bintang, di mana empat proton (inti hidrogen) bergabung membentuk inti helium. Tetapi karena inti helium tidak terdiri dari empat proton, melainkan dua proton dan dua neutron, maka fusi nuklir semacam itu memerlukan dua proton. Dan-quark berubah menjadi dua D-kuark. Intensitas transformasi menentukan seberapa cepat bintang akan terbakar. Dan proses transformasi ditentukan oleh muatan lemah dan lemahnya gaya interaksi antar partikel. Di mana Dan-quark (muatan listrik +2/3, muatan lemah +1/2), berinteraksi dengan elektron (muatan listrik - 1, muatan lemah –1/2), terbentuk D-quark (muatan listrik –1/3, muatan lemah –1/2) dan elektron neutrino (muatan listrik 0, muatan lemah +1/2). Muatan warna (atau hanya warna) dari kedua quark akan hilang dalam proses ini tanpa neutrino. Peran neutrino adalah membawa muatan lemah yang tidak terkompensasi. Oleh karena itu, laju transformasi bergantung pada seberapa lemah gaya-gaya lemah tersebut. Jika mereka lebih lemah dari sebelumnya, bintang-bintang tidak akan terbakar sama sekali. Jika mereka lebih kuat, bintang-bintang pasti sudah lama terbakar.

Bagaimana dengan neutrino? Karena partikel-partikel ini berinteraksi sangat lemah dengan materi lain, mereka segera meninggalkan bintang tempat mereka dilahirkan. Semua bintang bersinar, memancarkan neutrino, dan neutrino bersinar melalui tubuh kita dan seluruh Bumi siang dan malam. Jadi mereka berkeliaran di alam semesta sampai mereka mungkin memasuki interaksi baru (BINTANG).

Pembawa interaksi.

Apa yang menyebabkan terjadinya gaya-gaya yang bekerja antar partikel pada jarak yang jauh? Jawaban fisika modern: karena adanya pertukaran partikel lain. Bayangkan dua speed skater sedang melempar bola. Dengan memberikan momentum pada bola saat dilempar dan menerima momentum dengan bola yang diterima, keduanya menerima dorongan dengan arah saling menjauhi. Hal ini dapat menjelaskan munculnya gaya tolak-menolak. Namun dalam mekanika kuantum, yang mempertimbangkan fenomena di dunia mikro, peregangan dan delokalisasi peristiwa yang tidak biasa diperbolehkan, yang mengarah pada hal yang tampaknya mustahil: salah satu skater melempar bola ke arah dari berbeda, tapi tetap saja itu Mungkin menangkap bola ini. Tidak sulit untuk membayangkan bahwa jika hal ini mungkin (dan di dunia partikel elementer hal ini mungkin terjadi), maka akan timbul daya tarik di antara para skater.

Partikel-partikel yang terjadi pertukaran gaya interaksi antara empat “partikel materi” yang dibahas di atas disebut partikel pengukur. Masing-masing dari empat interaksi – kuat, elektromagnetik, lemah, dan gravitasi – memiliki kumpulan partikel pengukurnya sendiri. Partikel pembawa interaksi kuat adalah gluon (hanya ada delapan). Foton adalah pembawa interaksi elektromagnetik (hanya ada satu, dan kita menganggap foton sebagai cahaya). Partikel pembawa interaksi lemah adalah boson vektor perantara (ditemukan pada tahun 1983 dan 1984 W + -, W- -boson dan netral Z-boson). Partikel pembawa interaksi gravitasi masih berupa graviton hipotetis (seharusnya hanya ada satu). Semua partikel ini, kecuali foton dan graviton, yang dapat menempuh jarak yang sangat jauh, hanya ada dalam proses pertukaran antar partikel material. Foton mengisi Alam Semesta dengan cahaya, dan graviton mengisi Alam Semesta dengan gelombang gravitasi (belum terdeteksi secara pasti).

Sebuah partikel yang mampu memancarkan partikel pengukur dikatakan dikelilingi oleh medan gaya yang sesuai. Dengan demikian, elektron yang mampu memancarkan foton dikelilingi oleh medan listrik dan magnet, serta medan lemah dan gravitasi. Quark juga dikelilingi oleh semua medan ini, namun juga oleh medan interaksi yang kuat. Partikel dengan muatan warna pada medan gaya warna dipengaruhi oleh gaya warna. Hal yang sama berlaku untuk kekuatan alam lainnya. Oleh karena itu, kita dapat mengatakan bahwa dunia terdiri dari materi (partikel material) dan medan (partikel pengukur). Lebih lanjut tentang ini di bawah.

Antimateri.

Setiap partikel memiliki antipartikel, yang dengannya partikel tersebut dapat saling memusnahkan, yaitu. "memusnahkan", menghasilkan pelepasan energi. Namun, energi “murni” itu sendiri tidak ada; Akibat pemusnahan, muncul partikel baru (misalnya foton) yang membawa energi ini.

Dalam kebanyakan kasus, antipartikel memiliki sifat yang berlawanan dengan partikel yang bersangkutan: jika sebuah partikel bergerak ke kiri di bawah pengaruh medan kuat, lemah, atau elektromagnetik, maka antipartikelnya akan bergerak ke kanan. Singkatnya, antipartikel memiliki tanda yang berlawanan untuk semua muatan (kecuali muatan massa). Jika suatu partikel bersifat komposit, misalnya neutron, maka antipartikelnya terdiri dari komponen-komponen yang tanda muatannya berlawanan. Jadi, antielektron mempunyai muatan listrik +1, muatan lemah +1/2 dan disebut positron. Antineutron terdiri dari Dan-antiquark dengan muatan listrik –2/3 dan D-antiquark dengan muatan listrik +1/3. Partikel netral sejati adalah antipartikelnya sendiri: antipartikel foton adalah foton.

Menurut konsep teoritis modern, setiap partikel yang ada di alam pasti memiliki antipartikelnya masing-masing. Dan banyak antipartikel, termasuk positron dan antineutron, memang diperoleh di laboratorium. Konsekuensi dari hal ini sangatlah penting dan mendasari semua eksperimen fisika partikel. Menurut teori relativitas, massa dan energi adalah setara, dan dalam kondisi tertentu energi dapat diubah menjadi massa. Karena muatan bersifat kekal, dan muatan di ruang hampa (ruang kosong) adalah nol, pasangan partikel dan antipartikel apa pun (dengan muatan bersih nol) dapat muncul dari ruang hampa, seperti kelinci dari topi pesulap, selama terdapat energi yang cukup untuk menciptakan massa mereka.

Generasi partikel.

Eksperimen akselerator menunjukkan bahwa kuartet partikel material diulangi setidaknya dua kali pada nilai massa yang lebih tinggi. Pada generasi kedua, tempat elektron diambil oleh muon (dengan massa kira-kira 200 kali lebih besar dari massa elektron, tetapi dengan nilai yang sama untuk semua muatan lainnya), tempat elektron neutrino adalah diambil oleh muon (yang menyertai muon dalam interaksi lemah dengan cara yang sama seperti elektron ditemani oleh elektron neutrino), tempat Dan-quark menempati Dengan-kuark ( terpesona), A D-kuark – S-kuark ( aneh). Pada generasi ketiga, kuartet terdiri dari tau lepton, tau neutrino, T-kuark dan B-kuark.

Berat T-sebuah quark berukuran sekitar 500 kali massa yang paling ringan – D-kuark. Secara eksperimental telah ditetapkan bahwa hanya ada tiga jenis neutrino ringan. Jadi, partikel generasi keempat tidak ada sama sekali, atau neutrino yang bersesuaian sangat berat. Hal ini konsisten dengan data kosmologis, yang menyatakan bahwa tidak lebih dari empat jenis neutrino cahaya dapat eksis.

Dalam percobaan dengan partikel berenergi tinggi, elektron, muon, tau lepton, dan neutrino yang bersesuaian bertindak sebagai partikel terisolasi. Mereka tidak membawa muatan warna dan hanya melakukan interaksi lemah dan elektromagnetik. Secara kolektif mereka disebut lepton.

Tabel 2. GENERASI PARTIKEL FUNDAMENTAL
Partikel	Massa istirahat, MeV/ Dengan 2	Muatan listrik	Biaya warna	Biaya lemah
GENERASI KEDUA
Dengan-kuark	1500	+2/3	Merah, hijau atau biru	+1/2
S-kuark	500	–1/3	Sama	–1/2
Muon neutrino		0	0	+1/2
Muon	106	0	0	–1/2
GENERASI KETIGA
T-kuark	30000–174000	+2/3	Merah, hijau atau biru	+1/2
B-kuark	4700	–1/3	Sama	–1/2
Tau neutrino		0	0	+1/2
Tau	1777	–1	0	–1/2

Quark, di bawah pengaruh gaya warna, bergabung menjadi partikel yang berinteraksi kuat yang mendominasi sebagian besar eksperimen fisika energi tinggi. Partikel seperti ini disebut hadron. Mereka mencakup dua subkelas: baryon(seperti proton dan neutron), yang terdiri dari tiga quark, dan meson, terdiri dari quark dan antiquark. Pada tahun 1947, meson pertama, yang disebut pion (atau pi-meson), ditemukan dalam sinar kosmik, dan selama beberapa waktu diyakini bahwa pertukaran partikel-partikel ini adalah penyebab utama gaya nuklir. Hadron omega-minus, ditemukan pada tahun 1964 di Brookhaven National Laboratory (AS), dan partikel JPS ( J/kamu-meson), ditemukan secara bersamaan di Brookhaven dan di Stanford Linear Accelerator Center (juga di AS) pada tahun 1974. Keberadaan partikel omega minus telah diprediksi oleh M. Gell-Mann dalam bukunya yang berjudul “ S.U. 3 teori" (nama lain adalah "jalur beruas delapan"), yang pertama kali mengemukakan kemungkinan keberadaan quark (dan nama ini diberikan kepada mereka). Satu dekade kemudian, ditemukannya partikel tersebut J/kamu mengkonfirmasi keberadaannya Dengan-quark dan akhirnya membuat semua orang percaya pada model quark dan teori yang menyatukan gaya elektromagnetik dan gaya lemah ( Lihat di bawah).

Partikel generasi kedua dan ketiga tidak kalah nyatanya dengan generasi pertama. Benar, setelah muncul, dalam sepersejuta atau sepersejuta detik mereka meluruh menjadi partikel biasa generasi pertama: elektron, elektron neutrino, dan juga Dan- Dan D-quark. Pertanyaan mengapa terdapat beberapa generasi partikel di alam masih menjadi misteri.

Generasi quark dan lepton yang berbeda sering disebut (yang tentu saja agak eksentrik) sebagai “rasa” partikel yang berbeda. Kebutuhan untuk menjelaskannya disebut masalah “rasa”.

BOSON DAN FERMION, BIDANG DAN MASALAH

Salah satu perbedaan mendasar antar partikel adalah perbedaan antara boson dan fermion. Semua partikel dibagi menjadi dua kelas utama ini. Boson yang identik bisa tumpang tindih atau tumpang tindih, tetapi fermion yang identik tidak bisa. Superposisi terjadi (atau tidak terjadi) dalam keadaan energi diskrit yang menjadi tempat mekanika kuantum membagi alam. Keadaan ini seperti sel terpisah dimana partikel dapat ditempatkan. Jadi, Anda dapat memasukkan boson identik sebanyak yang Anda suka ke dalam satu sel, tetapi hanya satu fermion.

Sebagai contoh, perhatikan sel, atau “keadaan”, untuk elektron yang mengorbit inti atom. Berbeda dengan planet-planet di Tata Surya, menurut hukum mekanika kuantum, elektron tidak dapat bersirkulasi dalam orbit elips mana pun; karena elektron hanya memiliki serangkaian “keadaan gerak” yang diperbolehkan. Himpunan keadaan seperti itu, yang dikelompokkan menurut jarak dari elektron ke inti, disebut orbital. Pada orbital pertama terdapat dua keadaan dengan momentum sudut berbeda dan oleh karena itu terdapat dua sel yang diperbolehkan, dan pada orbital yang lebih tinggi terdapat delapan sel atau lebih.

Karena elektron adalah fermion, setiap sel hanya dapat menampung satu elektron. Konsekuensi yang sangat penting mengikuti dari ini - semua kimia, karena sifat kimia suatu zat ditentukan oleh interaksi antara atom-atom yang bersesuaian. Jika kita menelusuri sistem periodik unsur dari satu atom ke atom lainnya dalam urutan bertambahnya jumlah proton dalam inti sebanyak satu (jumlah elektron juga akan bertambah), maka dua elektron pertama akan menempati orbital pertama, delapan berikutnya akan ditempatkan di yang kedua, dan seterusnya. Perubahan yang konsisten dalam struktur elektronik atom dari unsur ke unsur menentukan pola sifat kimianya.

Jika elektron adalah boson, maka semua elektron dalam atom dapat menempati orbital yang sama, sesuai dengan energi minimum. Dalam hal ini, sifat-sifat semua materi di Alam Semesta akan sangat berbeda, dan Alam Semesta dalam bentuk yang kita kenal tidak mungkin ada.

Semua lepton - elektron, muon, tau lepton, dan neutrino yang bersesuaian - adalah fermion. Hal yang sama dapat dikatakan tentang quark. Jadi, semua partikel yang membentuk “materi”, pengisi utama Alam Semesta, serta neutrino tak kasat mata, adalah fermion. Hal ini cukup penting: fermion tidak dapat bergabung, sehingga hal yang sama berlaku untuk benda-benda di dunia material.

Pada saat yang sama, semua “partikel pengukur” yang dipertukarkan antara partikel material yang berinteraksi dan menciptakan medan gaya ( Lihat di atas), adalah boson, yang juga sangat penting. Jadi, misalnya, banyak foton dapat berada dalam keadaan yang sama, membentuk medan magnet di sekitar magnet atau medan listrik di sekitar muatan listrik. Berkat ini, laser juga dimungkinkan.

Putaran.

Perbedaan antara boson dan fermion dikaitkan dengan karakteristik lain dari partikel elementer - putaran. Anehnya, semua partikel fundamental memiliki momentum sudutnya sendiri atau, lebih sederhananya, berputar pada porosnya sendiri. Sudut impuls merupakan ciri gerak rotasi, sama seperti impuls total pada gerak translasi. Dalam interaksi apa pun, momentum sudut dan momentum kekal.

Dalam mikrokosmos, momentum sudut dikuantisasi, mis. mengambil nilai diskrit. Dalam satuan pengukuran yang sesuai, lepton dan quark memiliki putaran 1/2, dan partikel pengukur memiliki putaran 1 (kecuali graviton, yang belum diamati secara eksperimental, tetapi secara teoritis seharusnya memiliki putaran 2). Karena lepton dan quark adalah fermion, dan partikel pengukur adalah boson, kita dapat berasumsi bahwa “fermionisitas” dikaitkan dengan putaran 1/2, dan “bosonisitas” dikaitkan dengan putaran 1 (atau 2). Memang benar, baik eksperimen maupun teori menegaskan bahwa jika sebuah partikel mempunyai putaran setengah bilangan bulat, maka ia adalah fermion, dan jika ia mempunyai putaran bilangan bulat, maka ia adalah boson.

TEORI GAUGE DAN GEOMETRI

Dalam semua kasus, gaya muncul karena pertukaran boson antar fermion. Dengan demikian, kekuatan warna interaksi antara dua quark (quark – fermion) muncul karena adanya pertukaran gluon. Pertukaran serupa terjadi terus-menerus pada proton, neutron, dan inti atom. Demikian pula, pertukaran foton antara elektron dan quark menciptakan gaya tarik menarik listrik yang menahan elektron di dalam atom, dan boson vektor perantara yang dipertukarkan antara lepton dan quark menciptakan gaya lemah yang bertanggung jawab untuk mengubah proton menjadi neutron dalam reaksi termonuklir di bintang.

Teori di balik pertukaran ini elegan, sederhana, dan mungkin benar. Itu disebut teori pengukur. Namun saat ini yang ada hanya teori pengukur independen mengenai interaksi kuat, lemah, dan elektromagnetik serta teori pengukur gravitasi yang serupa, meskipun agak berbeda. Salah satu masalah fisika yang paling penting adalah reduksi teori-teori individual ini menjadi satu teori tunggal dan sekaligus sederhana, di mana semuanya akan menjadi aspek-aspek berbeda dari satu realitas tunggal - seperti permukaan kristal.

Tabel 3. BEBERAPA HADRON

Tabel 3. BEBERAPA HADRON
Partikel	Simbol	Komposisi kuark *	Istirahat massal, SayaV/ Dengan 2	Muatan listrik
BARION
Proton	P	uud	938	+1
neutron	N	dd	940	0
Omega dikurangi	W –	sss	1672	–1
MESON
Pi-plus	P +	kamu	140	+1
minus pi	P –	du	140	–1
Fi	F	ya	1020	0
JP	J/y	cў	3100	0
Upsilon	Ў	B	9460	0
* Komposisi kuark: kamu- atas; D- lebih rendah; S- aneh; C– terpesona; B- Cantik. Barang antik ditandai dengan garis di atas huruf.

Teori pengukur yang paling sederhana dan tertua adalah teori pengukur interaksi elektromagnetik. Di dalamnya, muatan suatu elektron dibandingkan (dikalibrasi) dengan muatan elektron lain yang jauh darinya. Bagaimana cara membandingkan biaya? Misalnya, Anda dapat mendekatkan elektron kedua ke elektron pertama dan membandingkan gaya interaksinya. Tapi bukankah muatan elektron berubah ketika berpindah ke titik lain di ruang angkasa? Satu-satunya cara untuk memeriksanya adalah dengan mengirimkan sinyal dari elektron dekat ke elektron jauh dan melihat bagaimana reaksinya. Sinyalnya adalah partikel pengukur – foton. Untuk dapat menguji muatan pada partikel jauh diperlukan foton.

Secara matematis, teori ini sangat akurat dan indah. Dari "prinsip pengukur" yang dijelaskan di atas mengalir semua elektrodinamika kuantum (teori elektromagnetisme kuantum), serta teori medan elektromagnetik Maxwell - salah satu pencapaian ilmiah terbesar abad ke-19.

Mengapa prinsip sederhana ini begitu bermanfaat? Rupanya, ini mengungkapkan korelasi tertentu antara berbagai bagian Alam Semesta, sehingga memungkinkan pengukuran dilakukan di Alam Semesta. Dalam istilah matematika, medan diartikan secara geometris sebagai kelengkungan suatu ruang “internal” yang dapat dibayangkan. Mengukur muatan adalah mengukur total “kelengkungan internal” di sekitar partikel. Teori pengukur interaksi kuat dan lemah berbeda dari teori pengukur elektromagnetik hanya dalam “struktur” geometris internal muatan yang bersangkutan. Pertanyaan mengenai di mana tepatnya ruang internal ini berada dicari jawabannya melalui teori medan terpadu multidimensi, yang tidak dibahas di sini.

Tabel 4. INTERAKSI DASAR
Interaksi	Intensitas relatif pada jarak 10–13 cm	Radius aksi	Pembawa interaksi	Massa istirahat pembawa, MeV/ Dengan 2	Putar pembawanya
Kuat	1		Gluon	0	1
Elektro- bersifat magnetis	0,01	Ґ	Foton	0	1
Lemah	10 –13		W +	80400	1
			W –	80400	1
			Z 0	91190	1
gravitasi- nasional	10 –38	Ґ	Graviton	0	2

Fisika partikel belum lengkap. Masih belum jelas apakah data yang tersedia cukup untuk memahami sepenuhnya sifat partikel dan gaya, serta sifat dan dimensi ruang dan waktu yang sebenarnya. Apakah kita memerlukan eksperimen dengan energi 10 15 GeV untuk ini, atau apakah upaya berpikir saja sudah cukup? Belum ada jawaban. Namun kami dapat mengatakan dengan yakin bahwa gambar akhirnya akan sederhana, elegan, dan indah. Ada kemungkinan bahwa tidak akan ada banyak ide mendasar: prinsip ukuran, ruang dengan dimensi yang lebih tinggi, keruntuhan dan pemuaian, dan, yang terpenting, geometri.

13.1. Konsep “partikel elementer”

Dalam arti sebenarnya dari istilah “dasar” adalah partikel paling sederhana yang tidak dapat dibagi lagi tanpa struktur internal yang menyusun materi.

Pada tahun 1932, empat jenis partikel diketahui: elektron, proton, neutron, dan foton. Partikel-partikel ini (kecuali foton) memang merupakan unsur penyusun materi yang dapat diamati.

Pada tahun 1956, sekitar 30 partikel elementer telah ditemukan. Jadi, sebagai bagian dari radiasi kosmik, positron (1932), muon (1936), p(pi) - meson (1947), partikel aneh K(ka) - meson dan hiperon ditemukan. Penemuan selanjutnya di bidang ini dilakukan dengan bantuan akselerator besar yang memberikan energi ratusan dan ribuan MeV ke partikel. Jadi, antiproton (1955) dan antineutron (1956), hiperon berat dan resonansi (60an), partikel “terpesona” dan “indah” (70an), t(tau) - lepton (1975), n(upsilon) - partikel dengan massa sekitar sepuluh (!) massa proton, partikel “indah” (1981), boson vektor perantara (1983). Beberapa ratus partikel kini telah diketahui dan jumlahnya terus bertambah.

Sifat umum dari semua partikel elementer ini adalah bahwa mereka adalah bentuk keberadaan materi tertentu yang tidak terikat menjadi inti dan atom. Oleh karena itu istilah “ partikel subnuklir". Sebagian besar partikel ini tidak memenuhi definisi ketat tentang unsur dasar, karena (menurut konsep modern) memang demikian sistem komposit, yaitu, mereka memiliki struktur internal. Namun, sesuai dengan praktik yang berlaku, istilah “partikel elementer” tetap dipertahankan. Partikel yang mengaku sebagai unsur utama materi (misalnya elektron) disebut “ benar-benar dasar".

13.1.1. Sifat dasar partikel elementer

Semua partikel elementer memiliki massa yang sangat kecil: dari 10 -22 (untuk boson perantara) hingga ~10 -27 (untuk elektron). Partikel paling ringan adalah neutrino (massanya diasumsikan 10 ribu kali lebih kecil dari massa elektron). Ukuran partikel elementer juga sangat kecil: dari 10 -13 cm (untuk hadron) hingga< 10 -16 см у электронов и мюонов.

Massa dan ukuran mikroskopis menentukan kekhususan kuantum perilaku partikel elementer. Sifat kuantum yang paling penting adalah kemampuannya untuk dilahirkan dan dimusnahkan (dipancarkan dan diserap) ketika berinteraksi dengan partikel lain.

Partikel paling elementer tidak stabil: lahir dalam sinar kosmik atau akselerator, mereka hidup sepersekian detik dan kemudian mengalami peluruhan. Ukuran stabilitas partikel adalah rata-rata umur t. Elektron, proton, foton dan neutrino - partikel yang benar-benar stabil(t®¥), bagaimanapun, peluruhannya belum terdeteksi secara eksperimental. neutron kuasi-stabil(t=(898±16)s. Ada kelompok partikel tidak stabil dengan masa hidup rata-rata sekitar 10 -6, 10 -8, 10 -10, 10 -13, 10 -16, 10 -20 s. Yang paling banyak partikel hidup yang lemah lembut adalah resonansi : t~(10 -22 ¸10 -23)s.

Ciri-ciri umum partikel elementer juga adalah putaran, muatan listrik q dan momen magnet intrinsik. Putaran biasanya dinyatakan dalam satuan dan hanya mengambil nilai bilangan bulat atau setengah bilangan bulat. Ini menentukan jumlah kemungkinan keadaan putaran suatu partikel, serta jenis statistik yang dikenakan pada partikel tersebut. Menurut kriteria ini, semua partikel dibagi menjadi fermion(partikel dengan putaran setengah bilangan bulat) dan boson(partikel dengan putaran bilangan bulat). Muatan listrik suatu partikel adalah kelipatan bilangan bulat dari muatan dasar |e| = 1,6 × 10 -19 Kl. Untuk partikel elementer yang diketahui, muatan listrik dalam satuan e mempunyai nilai sebagai berikut: q = 0, ±1, ±2. Partikel dengan muatan pecahan - quark- tidak terjadi dalam keadaan bebas (lihat pasal 5.3.2).

Momen magnet intrinsik mencirikan interaksi partikel diam dengan medan magnet luar. Vektor dan

paralel atau antiparalel.

Selain yang disebutkan di atas, partikel elementer juga dicirikan oleh sejumlah karakteristik kuantum yang disebut “internal” (muatan lepton, muatan baryon, keanehan, dll.).

13.1.2 Partikel dan antipartikel

Hampir setiap partikel bersesuaian antipartikel- partikel dengan massa, masa hidup, putaran yang sama; karakteristik lainnya sama besarnya, tetapi berlawanan tanda (muatan listrik, momen magnet, karakteristik kuantum internal). Beberapa partikel (misalnya, foton) tidak memiliki bilangan kuantum internal dan, oleh karena itu, identik dengan antipartikelnya - inilah partikel netral sejati.

Kesimpulan tentang keberadaan antipartikel pertama kali dikemukakan oleh P. Dirac (1930). Dia menurunkan persamaan kuantum relativistik yang menggambarkan keadaan partikel dengan putaran setengah bilangan bulat. Untuk partikel bebas, persamaan Dirac menghasilkan hubungan relativistik antara momentum (p), energi (E) dan massa (m) partikel:

Untuk elektron yang diam (p e =0), tingkat energi berikut mungkin terjadi: Dan , interval energi "dilarang".

Dalam teori medan kuantum, keadaan partikel berenergi negatif diartikan sebagai keadaan antipartikel yang mempunyai energi positif tetapi muatan listriknya berlawanan. Semua kemungkinan tingkat energi negatif terisi tetapi tidak dapat diamati. Foton yang berenergi mampu memindahkan elektron dari keadaan berenergi negatif ke keadaan berenergi positif (lihat Gambar 5.1) - elektron menjadi dapat diamati.