기본 입자와 그 주요 특성. 안정한 기본 입자 기타 기존 입자 및 가상 입자

1. 소립자- 이것은 원자핵의 크기를 초과하지 않는 크기의 미세 물체입니다. 기본 입자에는 양성자, 중성자, 전자, 중간자, 중성미자, 광자 등이 포함됩니다.

소립자라는 표현은 구조가 없고 변형이 불가능한 입자로 이해되어서는 안 됩니다. 과학이 발전함에 따라 모든 과학 용어의 내용은 점차 어원에서 멀어집니다. 따라서 원자는 19세기 초 출현할 때까지 사람들의 마음 속에 분리될 수 없는 상태로 남아 있었습니다. 화학 원자론 현대 과학 지식에서 원자는 다양한 재배열이 가능한 복잡한 동적 시스템입니다. 마찬가지로, 기본 입자의 새로운 특성이 발견되면서 점점 더 복잡한 구조가 드러납니다.

소립자의 가장 중요한 특성은 충돌 중에 생성되고 서로 변형되는 능력입니다. 이러한 과정이 일어나려면 충돌하는 입자가 높은 에너지를 가져야 합니다. 따라서 입자물리학은 고에너지물리학이라고도 불린다.

수명에 따라 모든 기본 입자는 안정, 불안정, 공명의 세 그룹으로 나뉩니다.

안정한 입자는 무제한의 시간 동안 자유 상태로 존재합니다. 이러한 입자는 11개뿐입니다: 양성자 p, 전자 e, 전자 중성미자 ν 0, 뮤온 중성미자 νμ, taun 중성미자 ντ, 이들의 반입자 p, e, ν e, νμ, ντ , 그리고 광자 γ. 이들 입자의 자연 붕괴에 대한 실험적 증거는 아직 알려지지 않았습니다.

불안정한 입자의 평균 수명은 τ입니다. 이는 특징적인 핵 비행 시간인 10~23초(빛이 핵의 직경을 가로질러 이동하는 데 걸리는 시간)에 비해 매우 큽니다. 예를 들어, 중성자의 경우 τ = 16분, 뮤온의 경우 τ = 10 -6 s, 하전된 파이온의 경우 τ = 10 -8 s, 하이퍼론 및 카온의 경우 τ = 10 -4 s입니다.

공진의 수명은 10~23초의 비행 시간과 비슷합니다. 이는 반응 단면적 대 에너지 곡선의 공명에 의해 등록됩니다. 많은 공명은 핵자 및 기타 입자의 들뜬 상태로 해석됩니다.

2. 기본 상호작용. 기본 입자와 자연 전체에서 관찰되는 다양한 상호 작용은 강성, 전자기, 약, 중력의 4가지 주요 유형으로 요약됩니다. 강한 상호작용은 원자핵에 핵자를 보유하며 강입자(양성자, 중성자, 중간자, 하이퍼론 등)에 내재되어 있습니다. 전자기 상호작용은 탄성, 점성, 분자, 화학적 등 거시적 수준에서 나타나는 상호작용입니다. 약한 상호작용은 핵의 β-붕괴를 일으키고 전자기력과 함께 펩톤(반정수 스핀을 갖는 기본 입자)의 거동을 제어합니다. 강한 상호작용에 참여하지 않는 것. 중력 상호 작용은 모든 물질 개체에 내재되어 있습니다.

서로의 기본적인 상호작용을 비교하되 그 강도를 비교하십시오. 이 개념에 대한 명확한 정의는 없으며 강도를 비교하는 방법도 없습니다. 따라서 일련의 현상을 기반으로 한 비교가 사용됩니다.

예를 들어, 쿨롱 반발력에 대한 두 양성자 사이의 중력 인력의 비율은 G(m p m p /r 2) /(e 2 /4πε 0 r 2) = 4πε 0 G(m p 2 /e 2) = 10 -36. 이 숫자는 중력과 전자기 상호 작용의 비율을 측정하는 데 사용됩니다.

핵반응의 단면적과 에너지로 결정되는 강한 상호작용과 전자기적 상호작용의 비율은 10 4:1로 추정됩니다. 강한 상호작용과 약한 상호작용의 강도도 같은 방식으로 비교됩니다.

강도와 함께 상호 작용 시간과 거리도 상호 작용 비교의 척도로 사용됩니다. 일반적으로 시간을 비교하기 위해 충돌 입자 E = 1 GeV의 운동 에너지에서 프로세스 속도를 취합니다. 이러한 에너지에서 강한 상호작용으로 인한 과정은 10~23초의 핵 비행 중에 발생하고, 전자기 상호작용으로 인한 과정은 약 10~19초가 걸리며, 약한 상호작용은 약 10~9초가 걸리고, 중력 상호작용은 약 10~16초가 걸립니다. s. .

물질 내 입자의 평균 자유 경로는 일반적으로 상호 작용을 비교하기 위한 거리로 사용됩니다. E = 1 GeV의 강한 상호작용 입자는 최대 1m 두께의 중금속 층에 의해 지연되는 반면, 약한 상호작용에만 참여할 수 있는 중성미자는 100배 적은 에너지(E = 10 MeV)를 보유할 수 있습니다. 109km의 층!

ㅏ. 강력한 상호작용가장 강렬할 뿐만 아니라 본질적으로 가장 짧은 작용을 합니다. 10~15m를 초과하는 거리에서는 그 역할이 무시됩니다. 핵의 안정성을 보장하는 동시에 이러한 상호 작용은 원자 현상에 사실상 영향을 미치지 않습니다. 강력한 상호 작용은 보편적이지 않습니다. 그것은 모든 입자에 내재되어 있는 것이 아니라 강입자(핵자, 중간자, 하이퍼론 등)에만 내재되어 있습니다. 강한 상호 작용을 받지 않고 충돌로 인해 생성되지 않는 입자(광자, 전자, 뮤온, 중성미자)가 있습니다.

비. 전자기 상호 작용강도는 강함보다 4자리 정도 낮습니다. 그 발현의 주요 영역은 중심 직경 10-15m에서 최대 약 1m에 이르는 거리이며 여기에는 원자, 분자, 결정, 화학 반응, 변형, 마찰, 빛, 전파 및 인간의 인식에 접근할 수 있는 다른 많은 물리적 현상.

전자기 상호 작용은 전하를 띤 입자에서 가장 강력합니다. 0이 아닌 스핀을 갖는 중성 입자에서는 이러한 입자가 М=eћ/2m 정도의 자기 모멘트를 갖기 때문에 더 약하게 나타납니다. 전자기 상호작용은 중성 파이온 π 0과 중성미자에서는 더욱 약합니다.

EM 상호작용의 매우 중요한 특성은 같은 전하를 띤 입자 사이의 반발력과 다른 전하를 띤 입자 사이의 인력이 모두 존재한다는 것입니다. 이로 인해 원자와 순 전하가 0인 다른 물체 사이의 EM 상호 작용은 상대적으로 짧은 범위를 갖지만, 하전 입자 사이의 쿨롱 힘은 장거리입니다.

e.약한 상호작용강력하고 전자기적인 것에 비해 무시할 수 있습니다. 그러나 거리가 줄어들수록 급격히 증가합니다. 성장 역학이 충분히 깊게 유지된다고 가정하면 10-20m 정도의 거리에서 약한 상호 작용이 강한 상호 작용과 동일해집니다. 그러나 그러한 거리는 아직 실험 연구에 사용할 수 없습니다.

약한 상호 작용은 입자의 상호 변환 과정을 유발합니다. 예를 들어, 시그마 플러스 하이퍼론 입자는 약한 상호작용의 영향을 받아 양성자와 중성 파이온(Σ + => p + π 0)으로 붕괴됩니다. 약한 상호 작용으로 인해 β 붕괴가 발생합니다. 하이퍼론, 카온, 뮤온과 같은 입자는 약한 상호작용이 없으면 안정적입니다.

d. 중력 상호작용가장 약한. 그러나 그것은 장거리 작용, 절대적인 보편성(모든 물체는 중력) 및 모든 입자 쌍 사이의 동일한 기호가 특징입니다. 후자의 특성은 물체의 질량이 증가함에 따라 중력이 항상 증가한다는 사실로 이어집니다. 따라서 중력은 상대적 강도가 미미함에도 불구하고 행성, 별, 은하와 같은 우주체의 상호 작용에서 결정적인 역할을 얻습니다.

소립자의 세계에서는 중력의 역할이 미미합니다. 따라서 원자, 핵 및 소립자의 물리학에서는 중력 상호 작용이 고려되지 않습니다.

3. 소립자의 특성. 20세기 50년대 초반까지 발견된 입자의 수는 상대적으로 적었지만 입자를 설명하기 위해 일반적인 물리량(질량 m, 운동에너지 E, 운동량 p 및 하나의 양자수 스핀 s)을 사용하여 입자를 설명하는 것이 가능했습니다. 기계적 및 자기적 모멘트 입자의 크기를 판단합니다. 불안정한 입자의 경우 평균 수명 τ가 여기에 추가되었습니다.

그러나 점차적으로 특정 입자의 탄생과 붕괴 패턴에서 이러한 입자에 특정한 일부 특징을 식별하는 것이 가능해졌습니다. 이러한 특성을 지정하려면 새로운 양자수가 도입되어야 했습니다. 그 중 일부는 혐의라고 불렸습니다.

예를 들어, 중성자와 같은 무거운 입자가 붕괴되는 동안 전자 e-, e + 및 중성미자와 같은 가벼운 입자만 형성되는 일은 결코 발생하지 않는 것으로 나타났습니다. 반대로 전자와 양전자가 충돌하면 에너지 보존 법칙과 운동량 보존 법칙을 만족하더라도 중성자를 얻을 수 없습니다. 이 패턴을 반영하기 위해 양자수 중입자 전하 B가 도입되었으며, 그들은 그러한 무거운 입자(중입자)가 B = 1이고 반입자 B = -1이라고 믿기 시작했습니다. 가벼운 입자의 경우 B = 0. 결과적으로 발견된 패턴은 중입자 전하 보존 법칙의 형태를 취했습니다.

마찬가지로 가벼운 입자의 경우 양자수가 경험적으로 도입되었습니다. 렙톤 전하 L은 일부 변환을 금지하는 신호입니다. 우리는 렙톤이 전자 e -에 대해 L e = +1을 전하하고 음의 뮤온 µ -에 대해 전자 중성미자 ν e ,L µ = + 1을 전하하고 음의 taons τ - 및 taon에 대해 뮤온 중성미자 ν µ ,L τ = +1을 전하한다고 가정하는 데 동의했습니다. 중성미자 v τ . 해당 반입자의 경우 L= -1입니다. 중입자 전하와 마찬가지로 렙톤 전하는 모든 상호작용에서 보존됩니다.

강한 상호작용에서 태어난 하이퍼론의 발견으로 그들의 수명은 강하게 상호작용하는 입자의 일반적인 비행 시간인 10 -23초와 같지 않고 10 13배 더 길다는 것이 밝혀졌습니다. 이것은 예상치 못한 이상한 것처럼 보였고 강한 상호작용에서 태어난 입자가 약한 상호작용에서 붕괴된다는 사실로만 설명될 수 있었습니다. 이러한 입자의 특성을 반영하기 위해 양자수 기묘함 S가 도입되었는데, 이상한 입자는 S = + 1이고, 반입자는 S = - 1이며, 다른 입자는 S = 0입니다.

미세 입자의 전하 Q는 양의 기본 전하 e +에 대한 비율로 표현됩니다. 따라서 입자의 전하 Q도 정수 양자수이다. 양성자의 경우 Q = + 1, 전자의 경우 Q = -1, 중성자, 중성미자 및 기타 중성 입자의 경우 Q = 0입니다.

명명된 매개변수 외에도 기본 입자에는 여기에서 고려되지 않은 다른 특성이 있습니다.

4. 입자물리학의 보존법칙일반 보존 법칙, 전하의 정확한 보존 법칙, 대략적인 보존 법칙의 세 그룹으로 나눌 수 있습니다.

ㅏ . 보존의 보편적 법칙미시적, 거시적, 거대적 세계에서 현상의 규모에 관계없이 정확하게 수행됩니다. 이러한 법칙은 시공간의 기하학을 따릅니다. 시간의 균질성은 에너지 보존 법칙, 공간의 균질성 - 운동량 보존 법칙, 공간 등방성 - 각운동량 보존 법칙, ISO 평등 - 중심 보존 법칙으로 이어집니다. 관성. 이 4가지 법칙 외에도 좌표축의 거울 반사와 관련된 공간-시간의 대칭과 관련된 두 가지 법칙이 더 포함됩니다. 좌표축의 거울 대칭으로부터 공간의 좌우 대칭이 동일하다는 것이 나옵니다(패리티 보존 법칙). 시간의 거울 대칭과 관련된 법칙은 시간 표시의 변화와 관련하여 소우주 현상의 동일성을 말합니다.

비. 전하 보존의 정확한 법칙. 모든 물리적 시스템에는 각 종류의 정수 전하가 할당됩니다. 각 전하는 가산되고 보존됩니다. 전기 Q, 중입자 B, 3개의 라이곤 전하(전자 L e, 뮤온 L μ 톤 L τ) 등 5가지 전하가 있습니다. 모든 요금은 정수이며 양수 및 음수 값 0을 모두 가질 수 있습니다.

전기 요금에는 이중 의미가 있습니다. 이는 양자수를 나타낼 뿐만 아니라 역장의 원천이기도 합니다. 중입자와 렙토닉 전하는 역장의 원천이 아닙니다. 복잡한 시스템의 경우 모든 유형의 총 전하는 시스템에 포함된 기본 입자의 해당 전하의 합과 같습니다.

V. 대략적인 보존 법칙특정 유형의 기본 상호 작용에서만 충족됩니다. 이는 S의 이상한 점 등의 특성과 관련이 있습니다.

나열된 모든 보존 법칙은 표 26.2에 요약되어 있습니다.

5. 입자와 반입자질량은 같지만 전하가 모두 반대입니다. 입자와 반입자 쌍의 선택은 임의적입니다. 예를 들어, 전자 + 양전자 쌍에서 그들은 전자 e를 입자로, 양전자 e +를 반입자로 간주하는 데 동의했습니다. 전자 전하 Q =-1, B = 0, Le = +1, Lμ= 0, Lτ =0. 양전자 전하 Q = +1, V = 0, Le=-1, Lμ= 0, Lτ =0

입자 + 반입자 시스템의 모든 전하는 0과 같습니다. 모든 전하가 0인 이러한 시스템을 진정한 중립이라고 합니다. 진정한 중성자와 입자가 있습니다. 그 중 두 가지가 있습니다: γ - 양자(광자)와 eta - 중간자. 여기서 입자와 반입자는 동일합니다.

6. 소립자의 분류아직 완료되지 않았습니다. 분류 중 하나는 현재 평균 수명 τ, 질량 m, 스핀 s, 5가지 유형의 전하, 기묘함 S 및 기타 입자 매개변수를 기반으로 합니다. 모든 입자는 4가지 클래스로 나뉩니다.

첫 번째 클래스는 하나의 입자, 즉 광자로 구성됩니다. 광자는 정지 질량이 0이고 모든 전하가 있습니다. Photon은 강한 상호작용을 받지 않습니다. 스핀은 1이며 이는 통계적으로 보존임을 의미합니다.

클래스 2는 렙톤으로 구성됩니다. 이들은 바리온 전하가 0인 가벼운 입자입니다. 각 입자(노트북)에는 0이 아닌 렌톤 전하 중 하나가 있습니다. Lepton은 강한 상호작용을 받지 않습니다. 모든 렙톤의 스핀은 1/2입니다. 즉, 통계에 따르면 페르미온입니다.

3등급은 중간자로 구성됩니다. 이는 강한 상호작용에 참여하는 중입자 및 렙톤 전하가 없는 입자입니다. 모든 중간자는 정수 스핀을 가지고 있습니다. 즉, 통계에 따르면 중간자는 보존입니다.

4급은 중입자로 구성됩니다. 이들은 중입자 전하 B ≠ O가 0이 아니고 렙톤 전하가 0인 Le,Lμ,Lτ = 0인 무거운 입자입니다. 이들은 반정수 스핀(페르미온)을 가지며 강한 상호작용에 참여합니다. 3급 및 4급 입자가 강한 상호작용에 참여할 수 있는 능력으로 인해 강입자라고도 합니다.

표 26.3은 주요 특성과의 공명이 아닌 잘 알려진 입자를 보여줍니다. 입자와 반입자가 주어집니다. 반입자가 없는 진정한 중성 입자가 기둥 중앙에 배치됩니다. 이름은 입자에만 제공됩니다. 해당 반입자는 입자 이름에 접두사 "anti"를 추가하면 간단히 얻을 수 있습니다. 예를 들어 양성자 - 반양성자, 중성자 - 반중성자.

반전자 e+는 역사적으로 양전자라는 이름을 가지고 있습니다. 하전된 파이온 및 카온과 관련하여 "반입자"라는 용어는 실제로 사용되지 않습니다. 전하량만 다르므로 단순히 양극 또는 음극 파이온과 카온을 이야기합니다.

전하의 위쪽 기호는 입자를 나타내고 아래쪽 기호는 반입자를 나타냅니다. 예를 들어 전자-양전자 쌍의 경우 Le = ± 1입니다. 이는 전자의 Le = + 1, 양전자의 Le = -1을 의미합니다.

표에는 Q - 전하, B 중입자 전하 Le, Luμ, Lτ - 각각 전자, 뮤온, 타오닉 렙토픽 전하, S - 이상함, s - 스핀, τ - 평균 수명과 같은 표기법이 사용됩니다.

나머지 질량 m은 메가전자볼트 단위로 제공됩니다. 상대론적 방정식 mc 2 =еU로부터 m=eU/c 2 를 따릅니다. 1 MeV의 입자 에너지는 질량 m=eU/c 2 =1.6 *10 -19 /9*10 16 =17.71*10 -31 kg에 해당합니다. 이것은 약 2개의 전자 질량입니다. 전자의 질량 m e = 9.11*10 -31 kg으로 나누면 m = 1.94 m e가 됩니다.

에너지로 표현된 전자의 질량은 m e =0.511 MeV입니다.

7. 하드론의 쿼크 모델. 강입자는 강한 상호작용에 참여하는 기본 입자입니다. 이들은 중간자와 중입자입니다. 1964년에 미국인 머레이 겔만(Murray Gell-Mann)과 조지 츠바이그(George Zweig)는 강입자가 겔만(Gell-Mann)이 쿼크라고 부르는 보다 기본적인 입자로 구성되어 있다고 가정함으로써 강입자의 구조와 특성을 더 잘 이해할 수 있다는 가설을 세웠습니다. 쿼크 가설은 매우 유익한 것으로 밝혀졌으며 현재는 일반적으로 받아들여지고 있습니다.

추정되는 쿼크의 수는 지속적으로 증가하고 있습니다. 현재까지 5가지 종류의 쿼크가 가장 잘 연구되었습니다. 질량이 m u = 5 MeV인 쿼크 u, 질량이 m d = 7 MeV인 쿼크 d, ms = 150 MeV인 쿼크 s, mc = 1300 MeV인 쿼크 c 및 mb=5000 MeV인 쿼크 b. 각 쿼크에는 고유한 반쿼크가 있습니다.

나열된 모든 쿼크는 동일한 스핀 1/2과 동일한 중입자 전하 B = 1/3을 갖습니다. 쿼크 u, c는 부분 양전하 Q = + 2/3을 갖고, 쿼크 d, s, b는

분수 음전하 Q = - 1/3. 쿼크 s는 기묘함을 전달하고, 쿼크 c는 매력을 전달하며, 쿼크 b는 아름다움을 전달합니다(표 26.4).

각 하드론은 여러 쿼크의 조합으로 표현될 수 있습니다. 하드론의 양자수 Q, B, S는 하드론을 구성하는 쿼크 수의 합으로 구합니다. 두 개의 동일한 쿼크가 하드론에 들어가면 스핀이 반대입니다.

중입자 스핀은 반정수 스핀을 가지므로 홀수 개의 쿼크로 구성될 수 있습니다. 예를 들어, 양성자는 세 개의 쿼크로 구성됩니다(p => uud). 양성자의 전하량 Q =+ 2/3+2/3 – 1/3 = 1, 양성자의 중입자 전하 B = 1/3+ 1/3 + 1/3 = 1, 이상함 S = O, 스핀 s = 1/2 – 1/2 +1/2=1/2.

중성자는 또한 세 개의 쿼크로 구성됩니다(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. 세 가지 쿼크의 조합을 사용하여 다음 중입자를 나타낼 수 있습니다: Λ 0(uds), Σ +(uus), Σ 0(uds), Σ -(dds),Ξ 0(uss), Ξ -(dss), Ω - (sss) a°(uss). 후자의 경우 모든 쿼크의 스핀은 같은 방향으로 향합니다. 따라서 Ω - - 하이페론의 스핀은 3/2입니다.

중입자의 반입자는 상응하는 반쿼크로부터 형성됩니다.

중간자는 두 개의 쿼크와 하나의 반쿼크로 구성됩니다. 예를 들어 양의 파이온은 π + (ud)입니다. 전하는 Q = +2/3-(-1/3) = 1, B = 1/3-1/3= O, S = 0, 스핀 1/2 – 1/2= 0입니다.

쿼크 모델은 쿼크가 강입자 내부에 존재한다고 가정하지만, 경험에 따르면 강입자에서 벗어날 수는 없습니다. 그러나 적어도 현대 가속기로 달성 가능한 에너지는 있습니다. 쿼크는 자유 상태에서는 전혀 존재할 수 없을 확률이 높습니다.

현대 고에너지 물리학은 쿼크 간의 상호 작용이 특수 입자인 글루온을 통해 수행된다고 믿습니다. 글루온의 나머지 질량은 0이고 스핀은 1과 같습니다. 글루온에는 약 12가지 유형이 있을 수 있습니다.

이 세 가지 입자(및 아래에 설명된 다른 입자)는 다음과 같은 방식으로 서로 끌어당기고 반발합니다. 요금, 자연의 기본 힘의 수에 따라 네 가지 유형만 있습니다. 전하는 다음과 같이 해당 힘의 내림차순으로 배열될 수 있습니다: 색 전하(쿼크 사이의 상호 작용 힘); 전하(전기 및 자기력); 약한 전하(일부 방사성 과정의 힘); 마지막으로 질량(중력 또는 중력 상호 작용)입니다. 여기서 "색상"이라는 단어는 가시광선의 색상과는 아무런 관련이 없습니다. 그것은 단순히 강력한 돌격과 가장 큰 힘의 특징일 뿐입니다.

요금 저장되었습니다, 즉. 시스템에 들어오는 전하는 시스템에서 나가는 전하와 같습니다. 상호 작용 전 특정 수의 입자의 총 전하가 예를 들어 342 단위와 같으면 상호 작용 후에는 결과에 관계없이 342 단위와 같습니다. 이는 색상(강한 상호작용 전하), 약 및 질량(질량)과 같은 다른 전하에도 적용됩니다. 입자는 전하가 다릅니다. 본질적으로 입자는 전하입니다. 혐의는 적절한 무력에 대응할 권리가 있다는 '증명서'와 같습니다. 따라서 색상이 있는 입자만 색상력의 영향을 받고, 전기적으로 하전된 입자만 전기력의 영향을 받습니다. 입자의 성질은 입자에 작용하는 가장 큰 힘에 의해 결정됩니다. 쿼크만이 모든 전하를 운반하므로 모든 힘의 작용을 받으며 그 중 가장 지배적인 힘은 색입니다. 전자는 색을 제외한 모든 전하를 가지며, 전자의 지배적인 힘은 전자기력입니다.

본질적으로 가장 안정적인 것은 원칙적으로 한 기호의 입자 전하가 다른 기호의 입자의 총 전하로 보상되는 중성 입자 조합입니다. 이는 전체 시스템의 최소 에너지에 해당합니다. (같은 방식으로 두 개의 막대 자석이 일렬로 배열되어 하나의 북극이 다른 하나의 남극을 향하게 됩니다. 이는 자기장의 최소 에너지에 해당합니다.) 중력은 이 규칙에서 예외입니다. 음수 질량은 존재하지 않습니다. 위로 떨어지는 시체는 없습니다.

물질의 종류

일반 물질은 전자와 쿼크로 구성되며 색상이 중성인 물체와 전하를 띠는 물체로 분류됩니다. 아래에서 더 자세히 설명하겠지만, 입자가 삼중항으로 결합되면 색력이 중화됩니다. (따라서 "색상"이라는 용어 자체는 광학에서 따온 것입니다. 세 가지 기본 색상을 혼합하면 흰색이 생성됩니다.) 따라서 색상 강도가 주요한 쿼크는 삼중항을 형성합니다. 그러나 쿼크는 다음과 같이 나누어집니다. 유-쿼크(영어부터 위쪽까지) 및 디-쿼크(영어 아래에서 아래로)도 다음과 같은 전하를 가집니다. 유-쿼크와 디-쿼크. 둘 유-쿼크와 하나 디-쿼크는 +1의 전하를 주어 양성자를 형성하고, 유-쿼크와 2개 디-쿼크는 전하가 0이고 중성자를 형성합니다.

안정한 양성자와 중성자는 구성 쿼크 사이의 상호작용에 의한 잔여 색력에 의해 서로 끌어당겨 색중립 원자핵을 형성합니다. 그러나 핵은 양전하를 띠고 있으며, 태양 주위를 도는 행성처럼 핵 주위를 도는 음전자를 끌어당겨 중성 원자를 형성하는 경향이 있습니다. 궤도에 있는 전자는 핵 반경보다 수만 배 더 큰 거리에서 핵에서 제거됩니다. 이는 전자를 유지하는 전기력이 핵보다 훨씬 약하다는 증거입니다. 색상 상호 작용의 힘 덕분에 원자 질량의 99.945%가 핵에 포함되어 있습니다. 무게 유- 그리고 디-쿼크는 전자 질량의 약 600배입니다. 따라서 전자는 핵보다 훨씬 가볍고 이동성이 좋습니다. 물질의 움직임은 전기적 현상에 의해 발생합니다.

자연적으로는 수백 가지 종류의 원자(동위원소 포함)가 있으며, 핵의 중성자와 양성자의 수, 그에 따라 궤도의 전자 수가 다릅니다. 가장 간단한 것은 양성자 형태의 핵과 그 주위를 회전하는 단일 전자로 구성된 수소 원자입니다. 자연의 모든 "눈에 보이는" 물질은 원자와 부분적으로 "분해된" 원자(이온이라고 함)로 구성됩니다. 이온은 여러 전자를 잃거나 얻어서 하전 입자가 된 원자입니다. 거의 전부가 이온으로 구성된 물질을 플라즈마라고 합니다. 중심에서 일어나는 열핵반응으로 연소되는 별은 주로 플라즈마로 구성되어 있으며, 별은 우주에서 가장 흔한 물질 형태이므로 우주 전체가 주로 플라즈마로 구성되어 있다고 할 수 있다. 보다 정확하게는 별은 주로 완전히 이온화된 수소 가스입니다. 개별 양성자와 전자의 혼합물이므로 거의 전체 가시 우주가 그것으로 구성됩니다.

이것은 눈에 보이는 문제입니다. 하지만 우주에는 눈에 보이지 않는 물질도 있습니다. 그리고 힘 전달자 역할을 하는 입자도 있습니다. 일부 입자에는 반입자와 들뜬 상태가 있습니다. 이 모든 것이 "기본" 입자의 과잉 풍부로 이어집니다. 이 풍부함 속에서 우리는 기본 입자의 실제적이고 진정한 본질과 그 사이에 작용하는 힘에 대한 표시를 찾을 수 있습니다. 가장 최근 이론에 따르면, 입자는 본질적으로 확장된 기하학적 객체, 즉 10차원 공간의 "끈"일 수 있습니다.

보이지 않는 세계.

우주에는 눈에 보이는 물질뿐만 아니라 블랙홀과 조명을 받으면 눈에 보이는 차가운 행성과 같은 "암흑 물질"도 있습니다. 매 순간 우리 모두와 우주 전체에 스며드는 정말 보이지 않는 물질도 있습니다. 그것은 전자 중성미자라는 한 유형의 입자로 구성된 빠르게 움직이는 가스입니다.

전자 중성미자는 전자의 파트너이지만 전하가 없습니다. 중성미자는 소위 약한 전하만을 운반합니다. 그들의 나머지 질량은 아마도 0입니다. 그러나 그들은 운동 에너지를 가지고 있기 때문에 중력장과 상호 작용합니다. 이자형, 이는 유효 질량에 해당합니다. 중, 아인슈타인의 공식에 따르면 이자형 = MC 2 어디 씨- 빛의 속도.

중성미자의 핵심 역할은 변환에 기여하는 것입니다. 그리고-쿼크 디- 쿼크, 그 결과 양성자가 중성자로 변합니다. 중성미자는 4개의 양성자(수소 핵)가 결합하여 헬륨 핵을 형성하는 별 융합 반응을 위한 "기화기 바늘" 역할을 합니다. 그러나 헬륨의 핵은 4개의 양성자로 구성되어 있지 않고 2개의 양성자와 2개의 중성자로 구성되어 있으므로 핵융합을 위해서는 2개의 핵이 필요합니다. 그리고-쿼크가 2개로 변하다 디-쿼크. 변형의 강도에 따라 별이 얼마나 빨리 타는지 결정됩니다. 그리고 변환 과정은 약한 전하와 입자 간의 약한 상호 작용력에 의해 결정됩니다. 여기서 그리고-쿼크(전하 +2/3, 약전하 +1/2), 전자(전하 - 1, 약전하 -1/2)와 상호작용하여 형성 디-쿼크(전하 -1/3, 약한 전하 -1/2) 및 전자 중성미자(전하 0, 약한 전하 +1/2). 중성미자가 없으면 이 과정에서 두 쿼크의 색상 전하(또는 색상만)가 상쇄됩니다. 중성미자의 역할은 보상되지 않은 약한 전하를 운반하는 것입니다. 따라서 변환 속도는 약력이 얼마나 약한지에 따라 달라집니다. 만약 그들이 그들보다 약하다면, 별들은 전혀 타지 않을 것입니다. 만약 그들이 더 강했다면, 별들은 오래 전에 타버렸을 것입니다.

중성미자는 어떻습니까? 이 입자들은 다른 물질과 매우 약하게 상호 작용하기 때문에 거의 즉시 자신이 태어난 별을 떠납니다. 모든 별은 빛나고 중성미자를 방출하며 중성미자는 우리 몸과 지구 전체를 밤낮으로 빛납니다. 그래서 그들은 아마도 새로운 상호 작용(STAR)에 들어갈 때까지 우주를 돌아다닙니다.

상호작용의 전달자.

멀리 있는 입자들 사이에 힘이 작용하는 원인은 무엇입니까? 현대 물리학은 다음과 같이 대답합니다. 다른 입자의 교환 때문입니다. 두 명의 스피드 스케이터가 공을 던지는 것을 상상해 보세요. 던진 공에 탄력을 주고 받은 공으로 탄력을 받음으로써 두 사람은 서로 멀어지는 방향으로 밀어내는 힘을 받습니다. 이것은 반발력의 출현을 설명할 수 있습니다. 그러나 미시 세계의 현상을 고려하는 양자 역학에서는 사건의 비정상적인 스트레칭과 비국소화가 허용되어 겉으로는 불가능해 보이는 일이 발생합니다. 스케이터 중 한 명이 공을 해당 방향으로 던집니다. ~에서다르지만 그럼에도 불구하고 그것은 아마도이 공을 잡아라. 이것이 가능하다면(그리고 기본 입자의 세계에서는 가능하다면) 스케이터들 사이에 매력이 생길 것이라고 상상하는 것은 어렵지 않습니다.

위에서 논의된 4개의 "물질 입자" 사이의 상호작용 힘의 교환으로 인해 발생하는 입자를 게이지 입자라고 합니다. 강, 전자기, 약, 중력의 네 가지 상호작용 각각에는 고유한 게이지 입자 세트가 있습니다. 강한 상호작용의 운반체 입자는 글루온입니다(8개만 있음). 광자는 전자기 상호 작용의 전달자입니다(단 하나뿐이며 우리는 광자를 빛으로 인식합니다). 약한 상호작용의 캐리어 입자는 중간 벡터 보존입니다(1983년과 1984년에 발견됨). 여 + -, 여- - 보존과 중성 지-보손). 중력 상호작용의 운반체 입자는 여전히 가상의 중력자입니다(단 하나만 있어야 합니다). 무한히 먼 거리를 이동할 수 있는 광자와 중력자를 제외한 모든 입자는 물질 입자 간의 교환 과정에서만 존재합니다. 광자는 우주를 빛으로 채우고, 중력자는 중력파로 우주를 채웁니다(아직 확실하게 감지되지는 않음).

게이지 입자를 방출할 수 있는 입자는 해당 힘의 장으로 둘러싸여 있다고 합니다. 따라서 광자를 방출할 수 있는 전자는 전기장과 자기장뿐만 아니라 약장과 중력장으로 둘러싸여 있습니다. 쿼크는 또한 이러한 모든 장으로 둘러싸여 있지만 강력한 상호작용 장으로도 둘러싸여 있습니다. 색력 분야에서 색 전하를 갖는 입자는 색력의 영향을 받습니다. 자연의 다른 힘에도 동일하게 적용됩니다. 그러므로 세상은 물질(물질 입자)과 장(게이지 입자)으로 구성되어 있다고 말할 수 있습니다. 이에 대한 자세한 내용은 아래를 참조하세요.

반물질.

각 입자에는 입자가 서로 소멸될 수 있는 반입자가 있습니다. "절멸"하여 에너지가 방출됩니다. 그러나 "순수한" 에너지 자체는 존재하지 않습니다. 소멸의 결과로 이 에너지를 운반하는 새로운 입자(예: 광자)가 나타납니다.

대부분의 경우 반입자는 해당 입자와 반대되는 특성을 갖습니다. 입자가 강, 약 또는 전자기장의 영향을 받아 왼쪽으로 이동하면 반입자는 오른쪽으로 이동합니다. 간단히 말해서, 반입자는 모든 전하(질량 전하 제외)의 반대 신호를 갖습니다. 입자가 중성자와 같은 복합 입자인 경우, 그 반입자는 반대 전하 부호를 갖는 구성 요소로 구성됩니다. 따라서 반전자는 +1의 전하, +1/2의 약한 전하를 가지며 이를 양전자라고 합니다. 반중성자는 다음으로 구성된다. 그리고- 전하가 –2/3인 반쿼크 및 디- 전하가 +1/3인 반쿼크. 진정한 중성 입자는 그 자체의 반입자입니다. 광자의 반입자는 광자입니다.

현대 이론적 개념에 따르면 자연에 존재하는 각 입자는 자신의 반입자를 가져야 합니다. 그리고 양전자와 반중성자를 포함한 많은 반입자가 실제로 실험실에서 얻어졌습니다. 이것의 결과는 매우 중요하며 모든 실험적 입자 물리학의 기초가 됩니다. 상대성 이론에 따르면 질량과 에너지는 동일하며 특정 조건에서는 에너지가 질량으로 변환될 수 있습니다. 전하는 보존되고 진공(빈 공간)의 전하는 0이므로, 충분한 에너지가 있는 한 마술사의 모자에서 나온 토끼처럼 모든 입자 및 반입자 쌍(순전하 0)이 진공에서 나올 수 있습니다. 그들의 질량을 창조하십시오.

입자의 세대.

가속기 실험에서는 물질 입자 4개가 더 높은 질량 값에서 적어도 두 번 반복되는 것으로 나타났습니다. 2세대에서 전자의 자리는 뮤온(전자 질량보다 약 200배 더 큰 질량을 가지지만 다른 모든 전하의 값은 동일함)이 차지하며 전자 중성미자의 위치는 다음과 같습니다. 뮤온(전자가 전자 중성미자를 동반하는 것과 같은 방식으로 약한 상호작용에서 뮤온을 동반함)이 가져옵니다. 그리고-쿼크가 차지한다 와 함께-쿼크( 매료되다), ㅏ 디-쿼크 – 에스-쿼크( 이상한). 3세대에서는 4중주가 타우 렙톤, 타우 중성미자, 티-쿼크와 비-쿼크.

무게 티-쿼크의 질량은 가장 가벼운 것의 약 500배입니다. 디-쿼크. 가벼운 중성미자에는 세 가지 유형만 있다는 것이 실험적으로 입증되었습니다. 따라서 4세대 입자는 전혀 존재하지 않거나 해당 중성미자가 매우 무겁습니다. 이는 4가지 유형 이상의 가벼운 중성미자가 존재할 수 없다는 우주론적 데이터와 일치합니다.

고에너지 입자를 사용한 실험에서 전자, 뮤온, 타우 렙톤 및 이에 상응하는 중성미자는 고립된 입자로 작용합니다. 그들은 색 전하를 운반하지 않으며 약한 전자기 상호 작용만 시작합니다. 통칭해서 부르는데 렙톤.

표 2. 기본 입자의 세대
입자	정지질량, MeV/ 와 함께 2	전하	컬러 요금	약한 충전
2세대
와 함께-쿼크	1500	+2/3	빨간색, 녹색 또는 파란색	+1/2
에스-쿼크	500	–1/3	같은	–1/2
뮤온 중성미자		0	0	+1/2
무온	106	0	0	–1/2
3세대
티-쿼크	30000–174000	+2/3	빨간색, 녹색 또는 파란색	+1/2
비-쿼크	4700	–1/3	같은	–1/2
타우 중성미자		0	0	+1/2
타우	1777	–1	0	–1/2

쿼크는 색력의 영향을 받아 대부분의 고에너지 물리학 실험을 지배하는 강하게 상호 작용하는 입자로 결합됩니다. 이러한 입자를 호출합니다. 강입자. 여기에는 두 개의 하위 클래스가 포함됩니다. 중입자(양성자와 중성자 같은) 세 개의 쿼크로 구성된 중간자, 쿼크와 반쿼크로 구성됩니다. 1947년에 파이온(또는 파이 중간자)이라고 불리는 최초의 중간자가 우주선에서 발견되었으며, 한동안 이 입자들의 교환이 핵력의 주요 원인이라고 믿어졌습니다. 1964년 미국 브룩헤이븐 국립연구소에서 발견된 오메가-마이너스 강입자와 JPS 입자( 제이/와이-meson)은 1974년 Brookhaven과 Stanford Linear Accelerator Center(역시 미국)에서 동시에 발견되었습니다. 오메가 마이너스 입자의 존재는 M. Gell-Mann이 소위 " S.U. 3 이론"(또 다른 이름은 "8겹 경로")으로, 쿼크의 존재 가능성이 처음으로 제안되었습니다(그리고 이 이름이 그들에게 주어졌습니다). 10년 후, 입자 발견 제이/와이존재를 확인했다 와 함께-쿼크 그리고 마침내 모든 사람들이 쿼크 모델과 전자기력과 약력을 통합한 이론을 믿게 만들었습니다( 아래 참조).

2세대와 3세대 입자는 1세대만큼 실제적입니다. 사실, 발생하면 백만분의 일 또는 수십억 초 안에 전자, 전자 중성미자 및 또한 1세대의 일반 입자로 붕괴됩니다. 그리고- 그리고 디-쿼크. 자연에 왜 여러 세대의 입자가 존재하는지에 대한 질문은 여전히 ​​미스터리로 남아 있습니다.

서로 다른 세대의 쿼크와 렙톤은 종종 입자의 서로 다른 "맛"으로 언급됩니다(물론 다소 이상하지만). 이를 설명해야 할 필요성을 '맛' 문제라고 합니다.

보존과 페르미온, 장과 물질

입자의 근본적인 차이점 중 하나는 보존과 페르미온의 차이입니다. 모든 입자는 이 두 가지 주요 클래스로 나뉩니다. 동일한 보존은 겹치거나 겹칠 수 있지만 동일한 페르미온은 그럴 수 없습니다. 양자역학이 자연을 나누는 이산 에너지 상태에서는 중첩이 발생하거나 발생하지 않습니다. 이러한 상태는 입자를 배치할 수 있는 별도의 셀과 같습니다. 따라서 하나의 세포에 동일한 보존을 원하는 만큼 많이 넣을 수 있지만 페르미온은 하나만 넣을 수 있습니다.

예를 들어, 원자핵 주위를 도는 전자의 세포 또는 "상태"를 생각해 보십시오. 태양계의 행성과는 달리, 양자역학 법칙에 따르면 전자는 타원 궤도에서 순환할 수 없습니다. 왜냐하면 전자에는 허용된 "운동 상태"의 개별적인 계열만 있기 때문입니다. 전자에서 핵까지의 거리에 따라 그룹화된 이러한 상태 세트를 다음과 같이 부릅니다. 궤도. 첫 번째 궤도에는 각운동량이 다른 두 가지 상태가 있으므로 두 개의 허용 셀이 있고 더 높은 궤도에는 8개 이상의 셀이 있습니다.

전자는 페르미온이므로 각 세포에는 전자가 하나만 포함될 수 있습니다. 물질의 화학적 특성은 해당 원자 간의 상호 작용에 의해 결정되기 때문에 모든 화학에서 매우 중요한 결과가 따릅니다. 핵의 양성자 수를 1 씩 증가시키는 순서로 한 원자에서 다른 원자로 요소의 주기율표를 통과하면 (전자 수도 그에 따라 증가합니다) 처음 두 전자가 첫 번째 궤도를 차지합니다. 다음 8개는 두 번째 등에 위치합니다. 원소마다 원자 전자 구조의 일관된 변화가 화학적 성질의 패턴을 결정합니다.

전자가 보존이라면 원자의 모든 전자는 최소 에너지에 해당하는 동일한 궤도를 차지할 수 있습니다. 이 경우 우주의 모든 물질의 특성은 완전히 달라지며 우리가 알고 있는 형태의 우주는 불가능할 것입니다.

모든 렙톤(전자, 뮤온, 타우 렙톤 및 이에 상응하는 중성미자)은 페르미온입니다. 쿼크에 대해서도 마찬가지입니다. 따라서 우주의 주요 충전재인 "물질"을 형성하는 모든 입자와 눈에 보이지 않는 중성미자는 페르미온입니다. 이것은 매우 중요합니다. 페르미온은 결합할 수 없으므로 물질 세계의 물체에도 동일하게 적용됩니다.

동시에, 상호작용하는 물질 입자들 사이에서 교환되고 힘의 장을 생성하는 모든 "게이지 입자"( 위 참조)은 보존이며, 이는 또한 매우 중요합니다. 예를 들어, 많은 광자가 동일한 상태에 있을 수 있으며, 자석 주위에 자기장을 형성하거나 전하 주위에 전기장을 형성할 수 있습니다. 덕분에 레이저도 가능합니다.

회전.

보존과 페르미온의 차이는 기본 입자의 또 다른 특성과 관련이 있습니다. 회전. 놀랍게도 모든 기본 입자는 고유한 각운동량을 갖고 있거나 더 간단히 말하면 자체 축을 중심으로 회전합니다. 충격량의 각도는 병진 운동의 전체 충격량과 마찬가지로 회전 운동의 특성입니다. 모든 상호 작용에서 각운동량과 운동량은 보존됩니다.

소우주에서는 각운동량이 양자화됩니다. 이산적인 값을 취합니다. 적절한 측정 단위에서 렙톤과 쿼크는 1/2의 스핀을 가지며 게이지 입자는 1의 스핀을 갖습니다(아직 실험적으로 관찰되지는 않았지만 이론적으로는 2의 스핀을 가져야 하는 중력자를 제외). 렙톤과 쿼크는 페르미온이고 게이지 입자는 보존이기 때문에 "페르미온성"은 스핀 1/2과 연관되고 "보손성"은 스핀 1(또는 2)과 연관되어 있다고 가정할 수 있습니다. 실제로, 실험과 이론 모두 입자가 정수 반 스핀을 가지면 페르미온이고, 정수 스핀을 가지면 보존이라는 것을 확인시켜 줍니다.

게이지 이론과 기하학

모든 경우에 힘은 페르미온 사이의 보존 교환으로 인해 발생합니다. 따라서 두 쿼크(쿼크-페르미온) 사이의 상호 작용의 색력은 글루온 교환으로 인해 발생합니다. 양성자, 중성자 및 원자핵에서도 유사한 교환이 지속적으로 발생합니다. 마찬가지로, 전자와 쿼크 사이에 교환된 광자는 원자 내 전자를 보유하는 전기적 인력을 생성하고, 렙톤과 쿼크 사이에 교환된 중간 벡터 보손은 별의 열핵 반응에서 양성자를 중성자로 전환시키는 약력을 생성합니다.

이 교환의 배경이 되는 이론은 우아하고 단순하며 아마도 정확할 것입니다. 그것은이라고 게이지 이론. 그러나 현재는 강하고 약한 상호작용과 전자기 상호작용에 대한 독립적인 게이지 이론과 유사하지만 다소 다른 중력 게이지 이론만 존재합니다. 가장 중요한 물리적 문제 중 하나는 이러한 개별 이론을 단일하고 동시에 단순한 이론으로 축소하는 것입니다. 이 이론에서는 모두 수정의 표면처럼 단일 현실의 다양한 측면이 됩니다.

표 3. 일부 하드론

표 3. 일부 하드론
입자	상징	쿼크 구성 *	휴식 미사, MeV/ 와 함께 2	전하
바리온
양성자	피	uud	938	+1
중성자	N	어드	940	0
오메가 마이너스	승 -	쯧쯧	1672	–1
중간자
파이플러스	피 +	유	140	+1
파이 마이너스	피 –	뒤	140	–1
Fi	에프	쉿	1020	0
일본	제이/와이	ㄷ	3100	0
입실론	Ў	비	9460	0
* 쿼크 구성: 유- 맨 위; 디- 낮추다; 에스- 이상한; 씨– 매혹됨; 비- 아름다운. 골동품은 문자 위에 선으로 표시됩니다.

게이지 이론 중 가장 간단하고 가장 오래된 이론은 전자기 상호작용에 관한 게이지 이론입니다. 그 안에서 전자의 전하는 그것으로부터 멀리 떨어져 있는 다른 전자의 전하와 비교(보정)됩니다. 요금을 어떻게 비교할 수 있나요? 예를 들어, 두 번째 전자를 첫 번째 전자에 더 가깝게 가져와 상호 작용력을 비교할 수 있습니다. 하지만 전자가 우주의 다른 지점으로 이동할 때 전자의 전하가 변하지 않습니까? 확인하는 유일한 방법은 가까운 전자에서 멀리 있는 전자로 신호를 보내고 그것이 어떻게 반응하는지 확인하는 것입니다. 신호는 게이지 입자, 즉 광자입니다. 멀리 있는 입자의 전하를 테스트하려면 광자가 필요합니다.

수학적으로 이 이론은 매우 정확하고 아름답습니다. 위에 설명된 "게이지 원리"에서 모든 양자 전기역학(전자기학의 양자 이론)은 물론 19세기 가장 위대한 과학적 업적 중 하나인 맥스웰의 전자기장 이론이 탄생했습니다.

그토록 간단한 원리가 왜 그토록 유익한가? 분명히 이는 우주의 여러 부분 사이의 특정 상관 관계를 표현하여 우주에서 측정이 이루어질 수 있도록 합니다. 수학적 용어로, 필드는 기하학적으로 생각할 수 있는 "내부" 공간의 곡률로 해석됩니다. 전하를 측정하는 것은 입자 주변의 전체 "내부 곡률"을 측정하는 것입니다. 강하고 약한 상호작용에 대한 게이지 이론은 해당 전하의 내부 기하학적 "구조"에서만 전자기 게이지 이론과 다릅니다. 이 내부 공간이 정확히 어디에 있는지에 대한 질문은 여기에서 논의되지 않는 다차원 통합 장 이론에 의해 답을 찾고 있습니다.

표 4. 기본 상호 작용
상호 작용	10-13cm 거리에서의 상대 강도	행동 반경	상호작용 캐리어	캐리어 정지 질량, MeV/ 와 함께 2	캐리어를 돌리세요
강한	1		글루온	0	1
전기- 자기	0,01	Ґ	광자	0	1
약한	10 –13		여 +	80400	1
			여 –	80400	1
			지 0	91190	1
그라비타- 선택적	10 –38	Ґ	중력자	0	2

입자물리학은 아직 완성되지 않았습니다. 이용 가능한 데이터가 입자와 힘의 본질은 물론 공간과 시간의 진정한 본질과 차원을 완전히 이해하기에 충분한지 여부는 아직 확실하지 않습니다. 이를 위해 10 15 GeV의 에너지를 사용한 실험이 필요합니까, 아니면 생각의 노력이 충분할까요? 아직 답변이 없습니다. 하지만 최종 사진은 단순하고 우아하며 아름답다고 자신있게 말할 수 있습니다. 게이지 원리, 더 높은 차원의 공간, 붕괴와 확장, 그리고 무엇보다도 기하학과 같은 근본적인 아이디어가 그리 많지 않을 수도 있습니다.

13.1. "소립자"의 개념

"기본"이라는 용어의 정확한 의미는 물질을 구성하는 내부 구조가 없는 분할할 수 없는 가장 단순한 기본 입자입니다.

1932년에는 전자, 양성자, 중성자, 광자 등 네 가지 유형의 입자가 알려졌습니다. 광자를 제외한 이러한 입자는 실제로 관찰 가능한 물질의 구성 요소입니다.

1956년까지 약 30개의 기본 입자가 이미 발견되었습니다. 따라서 우주 방사선의 일부로 양전자(1932), 뮤온(1936), p(pi)-중간자(1947), 이상한 입자 K(ka)-중자 및 하이퍼론이 발견되었습니다. 이 분야의 후속 발견은 수백, 수천 MeV 정도의 에너지를 입자에 전달하는 대형 가속기의 도움으로 이루어졌습니다. 따라서 반양성자(1955) 및 반중성자(1956), 중하이퍼론 및 공명(60년대), "매력적인" 및 "사랑스러운" 입자(70년대), t(타우) - 렙톤( 1975), n(입실론) - 다음을 갖는 입자 약 10(!) 양성자 질량의 질량, "아름다운" 입자(1981), 중간 벡터 보존(1983). 현재 수백 개의 입자가 알려져 있으며 그 수는 계속 증가하고 있습니다.

이 모든 소립자의 공통된 성질은 핵과 원자와 결합되지 않은 물질의 특정 존재 형태라는 것입니다. 이러한 이유로 “ 아핵입자". 이러한 입자의 대부분은 (현대 개념에 따르면) 원소성의 엄격한 정의를 충족하지 않습니다. 복합 시스템즉, 내부 구조를 가지고 있습니다. 그러나 확립된 관행에 따라 "기본 입자"라는 용어는 유지됩니다. 물질의 기본 요소(예: 전자)라고 주장하는 입자를 " 정말 초등학생".

13.1.1. 소립자의 기본 성질

모든 기본 입자는 10 -22(중간 보존의 경우)에서 ~ 10 -27(전자의 경우)까지 매우 작은 질량을 갖습니다. 가장 가벼운 입자는 중성미자입니다(질량은 전자 질량의 10,000분의 1로 가정됩니다). 기본 입자의 크기도 10~13cm(강입자의 경우)에서 매우 작습니다.< 10 -16 см у электронов и мюонов.

미세한 질량과 크기가 결정합니다. 양자 특이성기본 입자의 거동. 가장 중요한 양자 특성은 다른 입자와 상호작용할 때 생성되고 파괴(방출 및 흡수)되는 능력입니다.

대부분의 기본 입자 불안정한: 우주선이나 가속기에서 태어나 1초도 안 되는 짧은 시간 동안 살다가 붕괴됩니다. 입자 안정성의 척도는 평균 수명 t입니다. 전자, 양성자, 광자 및 중성미자 - 절대적으로 안정한 입자(t®\), 어떤 경우에도 붕괴는 실험적으로 감지되지 않았습니다. 중성자 준안정(t=(898±16)s. 평균 수명이 10 -6, 10 -8, 10 -10, 10 -13, 10 -16, 10 -20 초 정도인 불안정한 입자 그룹이 있습니다. 온순한 살아있는 입자는 공명입니다: t~(10 -22 ¸10 -23)s.

소립자의 공통적인 특성으로는 스핀, 전하량, 고유자기모멘트 등이 있습니다. 스핀은 일반적으로 단위로 표현되며 정수 또는 반정수 값만 사용합니다. 이는 입자의 가능한 스핀 상태 수와 이러한 입자에 적용되는 통계 유형을 결정합니다. 이 기준에 따르면 모든 입자는 다음과 같이 나뉩니다. 페르미온(반정수 스핀을 갖는 입자) 및 보존(정수 스핀을 갖는 입자). 입자의 전하는 기본 전하 |e| = 1.6 × 10 -19 Cl. 알려진 기본 입자의 경우 e 단위의 전하는 q = 0, ±1, ±2 값을 갖습니다. 부분전하를 갖는 입자 - 쿼크- 자유 상태에서는 발생하지 않습니다(5.3.2절 참조).

고유 자기 모멘트는 정지 상태의 입자와 외부 자기장의 상호 작용을 나타냅니다. 벡터와

평행 또는 역평행.

나열된 것 외에도 기본 입자는 "내부"(렙톤 전하, 중입자 전하, 기묘함 등)라고 불리는 여러 가지 양자 특성을 특징으로 합니다.

13.1.2 입자와 반입자

거의 모든 입자가 해당됩니다. 반입자- 동일한 질량, 수명, 스핀을 갖는 입자; 다른 특성은 크기는 같지만 부호는 반대입니다(전하, 자기 모멘트, 내부 양자 특성). 일부 입자(예: 광자)에는 내부 양자수가 없으므로 반입자와 동일합니다. 진정한 중성 입자.

반입자의 존재에 대한 결론은 P. Dirac(1930)에 의해 처음으로 이루어졌습니다. 그는 반정수 스핀을 갖는 입자의 상태를 설명하는 상대론적 양자 방정식을 도출했습니다. 자유 입자의 경우 Dirac 방정식은 입자의 운동량(p), 에너지(E) 및 질량(m) 간의 상대론적 관계를 유도합니다.

정지 전자(p e =0)의 경우 다음과 같은 에너지 준위가 가능합니다. 그리고 , 에너지 범위 "금지".

양자장 이론에서는 음의 에너지를 갖는 입자의 상태는 양의 에너지를 갖지만 반대 전하를 갖는 반입자의 상태로 해석됩니다. 가능한 모든 음의 에너지 준위가 채워지지만 관찰할 수는 없습니다. 에너지를 가진 광자는 음의 에너지를 가진 상태에서 양의 에너지를 가진 상태로 전자를 전달할 수 있습니다(그림 5.1 참조). 전자는 관찰 가능해집니다.