Elementārdaļiņas un to galvenās īpašības. Stabilas elementārdaļiņas Citas esošās un hipotētiskās daļiņas

1. Elementārdaļiņas- tie ir mikroobjekti, kuru izmēri nepārsniedz atomu kodolu izmērus. Elementārās daļiņas ietver protonus, neitronus, elektronus, mezonus, neitrīno, fotonus utt.

Izteiciens elementārdaļiņas nav jāsaprot kā bezstruktūras daļiņas, kas nespēj pārveidoties. Zinātnei attīstoties, jebkura zinātniskā termina saturs pakāpeniski attālinās no tā etimoloģijas. Tādējādi atoms palika nedalāms cilvēku prātos līdz tā rašanās brīdim 19. gadsimta sākumā. ķīmiskais atomisms.Mūsdienu zinātnes atziņās atoms ir sarežģīta dinamiska sistēma, kas spēj daudzveidīgi pārkārtoties. Tāpat elementārdaļiņas, atklājot to jaunās īpašības, atklāj arvien sarežģītāku struktūru.

Svarīgākā elementārdaļiņu īpašība ir to spēja piedzimt un pārveidoties vienam par otru sadursmes laikā. Lai šādi procesi notiktu, ir nepieciešams, lai sadursmes daļiņām būtu liela enerģija. Tāpēc daļiņu fiziku sauc arī par augstas enerģijas fiziku.

Pēc dzīves ilguma visas elementārdaļiņas iedala trīs grupās: stabilās, nestabilās un rezonanses.

Stabilas daļiņas pastāv brīvā stāvoklī neierobežotu laiku.Tādas daļiņas ir tikai 11: protons p, elektrons e, elektronu neitrīno ν 0, mūona neitrīno νμ, taun neitrīno ντ, to antidaļiņas p, e, ν e, ντμ, ν , un plus fotons γ. Eksperimentālie pierādījumi par šo daļiņu spontānu sabrukšanu joprojām nav zināmi.

Nestabilām daļiņām ir vidējais kalpošanas laiks τ. kas ir ļoti liels, salīdzinot ar raksturīgo kodola lidojuma laiku 10 -23 s (laiks, kas nepieciešams gaismai, lai pārvietotos pa kodolu diametru). Piemēram, neitronam τ = 16 min, mionam τ = 10 -6 s, lādētam pionam τ = 10 -8 s, hiperoniem un kaoniem τ = 10 -4 s.

Rezonanses kalpošanas laiks ir salīdzināms ar lidojuma laiku 10-23 s. Tos reģistrē pēc rezonansēm reakcijas šķērsgriezumu līknēs pret enerģiju. Daudzas rezonanses tiek interpretētas kā nukleonu un citu daļiņu ierosinātie stāvokļi.

2. Fundamentālās mijiedarbības. Mijiedarbības daudzveidība, kas novērota starp elementārdaļiņām un dabā kopumā, ir 4 galvenie veidi: spēcīga, elektromagnētiska, vāja un gravitācijas. Spēcīga mijiedarbība satur nukleonus atomu kodolos un ir raksturīga hadroniem (protoniem, neitroniem, mezoniem, hiperoniem utt.). Elektromagnētiskā mijiedarbība ir tāda, kas izpaužas makro līmenī – elastīga, viskoza, molekulāra, ķīmiska u.c. Vāja mijiedarbība izraisa kodolu β-sabrukšanu un kopā ar elektromagnētiskajiem spēkiem kontrolē peptonu – elementārdaļiņu ar pusveselu griešanos. kas nepiedalās spēcīgā mijiedarbībā. Gravitācijas mijiedarbība ir raksturīga visiem materiālajiem objektiem.

Salīdziniet fundamentālās mijiedarbības savā starpā, izņemot to intensitāti. Šim jēdzienam nav viennozīmīgas definīcijas un intensitātes salīdzināšanas metodes. Tāpēc tiek izmantoti salīdzinājumi, kuru pamatā ir parādību kopums.

Piemēram, gravitācijas pievilkšanās spēka attiecība starp diviem protoniem un Kulona atgrūšanas spēku ir G (m p m p /r 2) /(e 2 /4πε 0 r 2) = 4πε 0 G(m p 2 /e 2) = 10 -36. Šo skaitli ņem kā gravitācijas un elektromagnētiskās mijiedarbības attiecības mēru.

Attiecība starp stipro un elektromagnētisko mijiedarbību, kas noteikta pēc kodolreakciju šķērsgriezumiem un enerģijām, tiek novērtēta kā 10 4: 1. Stiprās un vājās mijiedarbības intensitāti salīdzina vienādi.

Līdzās intensitātei mijiedarbības laiks un attālums tiek izmantoti arī kā mijiedarbības salīdzināšanas mērs. Parasti, lai salīdzinātu laikus, mēs ņemam procesu ātrumus pie sadursmes daļiņu kinētiskajām enerģijām E = 1 GeV. Pie šādām enerģijām spēcīgas mijiedarbības izraisīti procesi notiek kodollidojuma laikā 10 -23 s, elektromagnētiskās mijiedarbības izraisītie procesi notiek aptuveni 10 -19 s, vājās mijiedarbības notiek aptuveni 10 -9 s, bet gravitācijas mijiedarbības notiek apmēram 10 +16 s. s. .

Daļiņas vidējais brīvais ceļš vielā parasti tiek pieņemts kā attālumi mijiedarbības salīdzināšanai. Spēcīgi mijiedarbojošās daļiņas ar E = 1 GeV aizkavē līdz 1 m biezs smagā metāla slānis. Savukārt neitrīno, kas spēj piedalīties tikai vājā mijiedarbībā, ar 100 reižu mazāku enerģiju (E = 10 MeV) var noturēt slānis 10 9 km!

A. Spēcīga mijiedarbība ne tikai visintensīvākā, bet arī visīsākās darbības rakstura. Attālumos, kas pārsniedz 10 -15 m, tā loma kļūst niecīga. Nodrošinot kodolu stabilitāti, šī mijiedarbība praktiski neietekmē atomu parādības. Spēcīga mijiedarbība nav universāla. Tas nav raksturīgs visām daļiņām, bet tikai hadroniem - nukleoniem, mezoniem, hiperoniem utt. Ir daļiņas - fotoni, elektroni, mioni, neitrīno -, kas nav pakļauti spēcīgai mijiedarbībai un nedzimst tās dēļ sadursmēs.

b. Elektromagnētiskā mijiedarbība intensitāte ir par 4 kārtām zemāka nekā spēcīga. Galvenā tās izpausmes zona ir attālumi no 10-15 m līdz aptuveni 1 m. Tas ietver atomu, molekulu, kristālu struktūru, ķīmiskās reakcijas, deformācijas, berzi, gaismu, radioviļņus un daudzas citas fiziskas parādības, kas pieejamas cilvēka uztverei.

Elektromagnētiskā mijiedarbība ir spēcīgākā elektriski lādētām daļiņām. Neitrālajās daļiņās ar spinu, kas nav nulle, tas izpaužas vājāk un tikai tāpēc, ka šādām daļiņām ir magnētiskais moments М=eћ/2m. Elektromagnētiskā mijiedarbība ir vēl vājāka neitrālos pionos π 0 un neitrīnos.

Ļoti svarīga EM mijiedarbības īpašība ir gan atgrūšanās klātbūtne starp līdzīgi lādētām daļiņām, gan pievilcība starp atšķirīgi uzlādētām daļiņām. Sakarā ar to EM mijiedarbībai starp atomiem un citiem objektiem ar nulles neto lādiņu ir salīdzinoši neliels diapazons, lai gan Kulona spēki starp lādētām daļiņām ir liela diapazona.

e. Vāja mijiedarbība niecīgs salīdzinājumā ar spēcīgajiem un elektromagnētiskajiem. Bet, attālumiem samazinoties, tas strauji palielinās. Ja pieņemam, ka augšanas dinamika saglabājas pietiekami dziļa, tad 10-20 m attālumos vājā mijiedarbība kļūs vienāda ar spēcīgo. Taču šādi attālumi eksperimentālajiem pētījumiem vēl nav pieejami.

Vāja mijiedarbība izraisa dažus daļiņu savstarpējās konversijas procesus. Piemēram, sigma-plus-hiperona daļiņa tikai vājās mijiedarbības ietekmē sadalās protonā un neitrālā pionā, Σ + => p + π 0. Vājas mijiedarbības dēļ notiek β sabrukšana. Daļiņas, piemēram, hiperoni, kaoni, mioni, būtu stabilas, ja nebūtu vājas mijiedarbības.

d) gravitācijas mijiedarbība vājākais. Bet to raksturo tāla darbība, absolūta universālums (visi ķermeņi gravitējas) un viena un tā pati zīme starp jebkuru daļiņu pāri. Pēdējā īpašība noved pie tā, ka gravitācijas spēki vienmēr palielinās, palielinoties ķermeņu masai. Tāpēc gravitācija, neskatoties uz tās nenozīmīgo relatīvo intensitāti, iegūst izšķirošu lomu kosmisko ķermeņu - planētu, zvaigžņu, galaktiku mijiedarbībā.

Elementārdaļiņu pasaulē gravitācijas loma ir niecīga. Tāpēc atoma, kodola un elementārdaļiņu fizikā gravitācijas mijiedarbība netiek ņemta vērā.

3. Elementārdaļiņu raksturojums. Līdz 20. gadsimta 50. gadu sākumam, kamēr atklāto daļiņu skaits bija salīdzinoši neliels, daļiņu aprakstīšanai tika izmantoti vispārīgi fizikālie lielumi - masa m, kinētiskā enerģija E, impulss p un viens kvantu skaitlis - spins s, kas ļāva. spriest par mehānisko un magnētisko momentu daļiņu lielumu. Nestabilām daļiņām šeit tika pievienots vidējais kalpošanas laiks τ.

Bet pakāpeniski dažu daļiņu dzimšanas un sabrukšanas modeļos bija iespējams identificēt dažas šīm daļiņām raksturīgās iezīmes. Lai apzīmētu šīs īpašības, bija jāievieš jauni kvantu skaitļi. Dažas no tām tika sauktas par apsūdzībām.

Piemēram, izrādījās, ka smago daļiņu, piemēram, neitrona, sabrukšanas laikā nekad nenotiek tā, ka veidojas tikai vieglās, piemēram, elektroni e - , e + un neitrīni. Un otrādi, kad elektroni un pozitroni saduras, neitronu nevar iegūt, lai gan enerģijas un impulsa nezūdamības likumi ir izpildīti. Lai atspoguļotu šo modeli, tika ieviests kvantu skaitļa bariona lādiņš B. Viņi sāka uzskatīt, ka šādām smagajām daļiņām - barioniem ir B = 1, bet to antidaļiņām B = -1. Vieglajām daļiņām B = 0. Rezultātā atklātais modelis ieguva bariona lādiņa nezūdamības likuma formu.

Tāpat arī gaismas daļiņām empīriski tika ieviesti kvantu skaitļi - leptonu lādiņi L - dažu transformāciju aizlieguma pazīmes. Mēs vienojāmies pieņemt, ka leptonu lādiņi L e = +1 elektroniem e - un elektronu neitrīniem ν e , L µ = + 1 negatīviem mioniem µ - un mionu neitrīniem ν µ , L τ = +1 negatīviem taoniem τ - un taoniem neitrīno v τ . Attiecīgajām antidaļiņām L= -1. Tāpat kā barionu lādiņi, leptoniskie lādiņi tiek saglabāti visās mijiedarbībās.

Atklājot spēcīgās mijiedarbībās dzimušos hiperonus, izrādījās, ka to mūžs nav vienāds ar 10 -23 s lidojuma laiku, kas raksturīgs spēcīgi mijiedarbojošām daļiņām, bet gan 10 13 reizes ilgāks. Tas šķita negaidīts un dīvains, un to varēja izskaidrot tikai ar to, ka daļiņas, kas dzimušas spēcīgā mijiedarbībā, vājā mijiedarbībā sabrūk. Lai atspoguļotu šo daļiņu īpašību, tika ieviesta kvantu skaitļa dīvainība S. Dīvainajām daļiņām ir S = + 1, to antidaļiņām ir S = - 1, bet citām daļiņām ir S = 0.

Mikrodaļiņu elektrisko lādiņu Q izsaka ar tā attiecību pret pozitīvo elementāro lādiņu e +. Tāpēc daļiņu elektriskais lādiņš Q ir arī vesels kvantu skaitlis. Protonam Q = + 1, elektronam Q = -1, neitronam, neitrīnam un citām neitrālām daļiņām Q = 0.

Papildus nosauktajiem parametriem elementārdaļiņām ir arī citi raksturlielumi, kas šeit netiek ņemti vērā.

4. Daļiņu fizikas saglabāšanas likumi var iedalīt trīs grupās: vispārīgie saglabāšanas likumi, precīzi saglabāšanas likumi un aptuvenie saglabāšanas likumi.

A . Universālie saglabāšanas likumi tiek veiktas precīzi neatkarīgi no parādību mēroga - mikro, makro un mega pasaulē. Šie likumi izriet no telpas-laika ģeometrijas. Laika viendabīgums noved pie enerģijas nezūdamības likuma, telpas viendabīgums - pie impulsa nezūdamības likuma, telpas izotropija - pie leņķiskā impulsa nezūdamības likuma, ISO vienlīdzība - pie centra nezūdamības likuma. inerce. Papildus šiem 4 likumiem tas ietver vēl divus, kas saistīti ar telpas simetriju - laiku attiecībā pret koordinātu asu spoguļatspoguļojumiem. No koordinātu asu spoguļsimetrijas izriet, ka telpas labās un kreisās puses simetrijas ir identiskas (paritātes saglabāšanas likums). Likums, kas saistīts ar laika spoguļsimetriju, runā par parādību identitāti mikrokosmosā attiecībā uz laika zīmes izmaiņām.

b. Precīzi lādiņu saglabāšanas likumi. Jebkurai fiziskai sistēmai ir piešķirts katra veida vesels skaitļa lādiņš. Katrs lādiņš ir aditīvs un saglabāts. Ir 5 šādi lādiņi: elektriskais Q, barions B, trīs leigoniskie lādiņi - elektrons L e, mūons L µ ton L τ. Visi lādiņi ir veseli skaitļi, un tiem var būt gan pozitīvas, gan negatīvas nulles vērtības.

Elektriskajam lādiņam ir divējāda nozīme. Tas attēlo ne tikai kvantu skaitli, bet arī ir spēka lauka avots. Barionu un leptonu lādiņi nav spēka lauka avoti. Sarežģītai sistēmai jebkura veida kopējais lādiņš ir vienāds ar sistēmā iekļauto elementārdaļiņu atbilstošo lādiņu summu.

V. Aptuvenie saglabāšanas likumi tiek izpildīti tikai noteiktos fundamentālo mijiedarbību veidos. Tie attiecas uz tādām īpašībām kā S dīvainība utt.

Visi uzskaitītie dabas aizsardzības likumi ir apkopoti 26.2. tabulā.

5. Daļiņas un antidaļiņas ir vienāda masa, bet visi to lādiņi ir pretēji. Daļiņu un antidaļiņu pāra izvēle ir patvaļīga. Piemēram, pārī elektrons + pozitrons viņi vienojās uzskatīt elektronu e par daļiņu un pozitronu e + par antidaļiņu. Elektronu lādiņi Q =-1, B = 0, Le = +1, Lµ = 0, Lτ =0. Pozitronu lādiņi Q = +1, V = 0, Le = -1, Lµ = 0, Lτ = 0

Visi daļiņu + antidaļiņu sistēmas lādiņi ir vienādi ar nulli. Šādas sistēmas, kurās visi lādiņi ir vienādi ar nulli, sauc par patiesi neitrālām. Ir patiesi neitrāli un daļiņas. Ir divi no tiem: γ - kvants (fotons) un η - mezons. Daļiņas un antidaļiņas šeit ir identiskas.

6. Elementārdaļiņu klasifikācija vēl nav pabeigts. Viena no klasifikācijām šobrīd ir balstīta uz daļiņu vidējo kalpošanas laiku τ, masu m, spin s, piecu veidu lādiņiem, dīvainību S un citiem daļiņu parametriem. Visas daļiņas ir sadalītas 4 klasēs.

1. klasi veido viena daļiņa - fotons. Fotonam ir nulle miera masa un visi lādiņi. Fotons nav pakļauts spēcīgai mijiedarbībai. Tā spins ir 1, kas statistiski nozīmē, ka tas ir bozons.

2. klasi veido leptoni. Tās ir vieglas daļiņas ar nulles bariona lādiņu. Katrai daļiņai - klēpjdatoram - ir viens no tās lentona lādiņiem, kas nav vienāds ar nulli. Leptoni nav pakļauti spēcīgai mijiedarbībai. Visu leptonu spins ir 1/2, tas ir, saskaņā ar statistiku, tie ir fermioni.

3. klasi veido mezoni. Tās ir daļiņas ar nulles barionu un leptonu lādiņiem, kas piedalās spēcīgā mijiedarbībā. Visiem mezoniem ir vesels skaitļa spins, tas ir, saskaņā ar statistiku, tie ir bozoni.

4. klase sastāv no barioniem. Tās ir smagas daļiņas ar nulles bariona lādiņu B ≠ O un ar nulles leptona lādiņiem Le,Lµ,Lτ = 0. Tām ir pusvesela skaitļa spins (fermions) un tās piedalās spēcīgā mijiedarbībā. Tā kā 3. un 4. klases daļiņas spēj piedalīties spēcīgā mijiedarbībā, tās sauc arī par hadroniem.

26.3. tabulā ir parādītas labi zināmas daļiņas, nevis rezonanse ar to galvenajām īpašībām. Tiek dotas daļiņas un antidaļiņas. Patiesas neitrālas daļiņas, kurām nav antidaļiņu, ir novietotas kolonnas vidū. Nosaukumi ir doti tikai daļiņām. Attiecīgo antidaļiņu iegūst, vienkārši pievienojot daļiņas nosaukumam prefiksu “anti”. Piemēram, protons - antiprotons, neitrons - antineutrons.

Antielektronam e + ir vēsturiskais nosaukums pozitrons. Saistībā ar lādētiem pioniem un kaoniem termins “pretdaļiņa” praktiski netiek lietots. Tie atšķiras tikai ar elektrisko lādiņu, tāpēc viņi vienkārši runā par pozitīviem vai negatīviem pioniem un kaoniem.

Lādiņa augšējā zīme attiecas uz daļiņu, apakšējā zīme uz antidaļiņu. Piemēram, elektronu-pozitronu pārim Le = ± 1. Tas nozīmē, ka elektronam ir Le = + 1, bet pozitronam Le = -1.

Tabulā izmantoti šādi apzīmējumi: Q - elektriskais lādiņš, B bariona lādiņš Le, Lµ, Lτ - attiecīgi, elektronu, mionu, taonisko leptopisko lādiņu, S - dīvainība, s - spin, τ - vidējais kalpošanas laiks.

Atlikušo masu m norāda megaelektronvoltos. No relativistiskā vienādojuma mc 2 =еU izriet m=eU/c 2 . Daļiņu enerģija 1 MeV atbilst masai m=eU/c 2 =1,6 *10 -19 /9*10 16 =17,71*10 -31 kg. Tas ir aptuveni divas elektronu masas. Izdalot ar elektrona masu m e = 9,11*10 -31 kg, iegūstam m = 1,94 m e.

Elektrona masa, izteikta enerģijā, ir m e =0,511 MeV.

7. Hadronu kvarku modelis. Hadroni ir elementāras daļiņas, kas piedalās spēcīgā mijiedarbībā. Tie ir mezoni un barioni. 1964. gadā amerikāņi Marejs Gels-Mans un Džordžs Cveigs izvirzīja hipotēzi, ka hadronu struktūru un īpašības var labāk izprast, pieņemot, ka hadroni sastāv no fundamentālākām daļiņām, kuras Gell-Mann sauca par kvarkiem. Kvarka hipotēze izrādījās ļoti auglīga un tagad ir vispārpieņemta.

Iespējamo kvarku skaits nepārtraukti pieaug. Līdz šim vislabāk ir izpētītas 5 kvarku šķirnes (garšas): kvarks u ar masu m u = 5 MeV, kvarks d ar masu m d = 7 MeV, kvarks s ar ms = 150 MeV, kvarks c ar mc = 1300 MeV un kvarks b ar mb=5000 MeV. Katram kvarkam ir savs antikvarks.

Visiem uzskaitītajiem kvarkiem ir vienāds spin 1/2 un viens un tas pats bariona lādiņš B = 1/3. Kvarkiem u, c ir daļējs pozitīvs lādiņš Q = + 2/3, kvarkiem d, s, b ir

daļējā negatīvā lādiņa Q = - 1/3. Kvarks s ir dīvainības nesējs, kvarks c – šarma nesējs, kvarks b – skaistuma nesējs (26.4. tabula).

Katru hadronu var attēlot kā vairāku kvarku kombināciju. Hadronu kvantu skaitļus Q, B, S iegūst kā atbilstošo hadronu veidojošo kvarku skaitļu summu. Ja hadronā iekļūst divi identiski kvarki, to spini ir pretēji.

Barioniem ir pusvesela skaitļa rotācija, tāpēc tie var sastāvēt no nepāra kvarku skaita. Piemēram, protons sastāv no trim kvarkiem, p => uud. Protona elektriskais lādiņš Q =+ 2/3+2/3 – 1/3 = 1, protona bariona lādiņš B = 1/3+ 1/3 + 1/3 = 1, dīvainība S = O, spins s = 1/2 – 1/2 +1/2=1/2.

Neitrons sastāv arī no trim kvarkiem, 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. Trīs kvarku kombināciju var izmantot, lai attēlotu šādus barionus: Λ 0 (uds), Σ + (uus), Σ 0 (uds), Σ - (dds), Ξ 0 (uss), Ξ - (dss), Ω - (sss) a° (uss). Pēdējā gadījumā visu kvarku spini ir vērsti vienā virzienā. Tāpēc Ω - - hiperonam ir spin 3/2.

Barionu antidaļiņas veidojas no atbilstošajiem antikvarkiem.

Mezoni sastāv no jebkuriem diviem kvarkiem un antikvarka. Piemēram, pozitīvais pions ir π + (ud). Tā lādiņš ir Q = +2/3- (-1/3) = 1, B = 1/3-1/3 = O, S = 0, griešanās 1/2 - 1/2 = 0.

Kvarku modelī pieņemts, ka kvarki eksistē hadronos, taču pieredze liecina, ka tie nevar izbēgt no hadroniem. Bet vismaz pie tām enerģijām, kuras ir sasniedzamas ar mūsdienu akseleratoriem. Pastāv liela varbūtība, ka kvarki brīvā stāvoklī vispār nevar pastāvēt.

Mūsdienu augstas enerģijas fizika uzskata, ka mijiedarbība starp kvarkiem tiek veikta caur īpašām daļiņām - gluoniem. Pārējā gluonu masa ir nulle, spins ir vienāds ar vienotību. Iespējams, ka ir aptuveni ducis dažādu gluonu veidu.

Šīs trīs daļiņas (kā arī citas, kas aprakstītas zemāk) tiek savstarpēji piesaistītas un atbaidītas atbilstoši savām maksas, no kuriem ir tikai četri veidi pēc dabas pamatspēku skaita. Lādiņus var sakārtot atbilstošo spēku dilstošā secībā: krāsu lādiņš (kvarku mijiedarbības spēki); elektriskais lādiņš (elektriskie un magnētiskie spēki); vājš lādiņš (spēki dažos radioaktīvos procesos); visbeidzot, masa (gravitācijas spēks vai gravitācijas mijiedarbība). Vārdam "krāsa" šeit nav nekāda sakara ar redzamās gaismas krāsu; tā vienkārši ir spēcīga lādiņa un lielāko spēku īpašība.

Maksas tiek saglabāti, t.i. lādiņš, kas ienāk sistēmā, ir vienāds ar lādiņu, kas to atstāj. Ja noteikta skaita daļiņu kopējais elektriskais lādiņš pirms to mijiedarbības ir vienāds, teiksim, 342 vienības, tad pēc mijiedarbības neatkarīgi no tās rezultāta tas būs vienāds ar 342 vienībām. Tas attiecas arī uz citiem lādiņiem: krāsu (spēcīgs mijiedarbības lādiņš), vāju un masu (masu). Daļiņas atšķiras pēc lādiņiem: būtībā tās “ir” šīs lādiņas. Apsūdzības ir kā “sertifikāts” par tiesībām reaģēt uz attiecīgo spēku. Tādējādi krāsu spēki ietekmē tikai krāsainas daļiņas, elektriskie spēki ietekmē tikai elektriski lādētas daļiņas utt. Daļiņas īpašības nosaka lielākais spēks, kas uz to iedarbojas. Tikai kvarki ir visu lādiņu nesēji un tāpēc ir pakļauti visu spēku iedarbībai, starp kuriem dominējošais ir krāsa. Elektroniem ir visi lādiņi, izņemot krāsu, un tiem dominējošais spēks ir elektromagnētiskais spēks.

Dabā visstabilākās parasti ir neitrālas daļiņu kombinācijas, kurās vienas zīmes daļiņu lādiņš tiek kompensēts ar otras zīmes daļiņu kopējo lādiņu. Tas atbilst visas sistēmas minimālajai enerģijai. (Tādā pašā veidā divi stieņu magnēti ir izvietoti vienā līnijā, kur viena ziemeļpols ir vērsts pret otra dienvidu polu, kas atbilst magnētiskā lauka minimālajai enerģijai.) Gravitācija ir šī noteikuma izņēmums: negatīvs. masa neeksistē. Nav tādu ķermeņu, kas krīt uz augšu.

MATERIĀLU VEIDI

Parastā viela veidojas no elektroniem un kvarkiem, kas sagrupēti objektos, kuriem ir neitrāla krāsa un pēc tam elektriskā lādiņš. Krāsu spēks tiek neitralizēts, kā tas tiks sīkāk apspriests tālāk, kad daļiņas tiek apvienotas trīskāršos. (Līdz ar to arī pats termins “krāsa”, kas ņemts no optikas: trīs pamatkrāsas, jauktas, iegūst baltu.) Tādējādi kvarki, kuriem krāsu stiprums ir galvenais, veido tripletus. Bet kvarki, un tie ir sadalīti u-kvarki (no angļu valodas uz augšu - uz augšu) un d-kvarkiem (no angļu valodas uz leju - apakšā), ir arī elektriskais lādiņš, kas vienāds ar u-kvarks un par d- kvarks. Divas u-kvarks un viens d-kvarki dod elektrisko lādiņu +1 un veido protonu, un vienu u-kvarks un divi d-kvarki dod nulles elektrisko lādiņu un veido neitronu.

Stabili protoni un neitroni, kurus viens otru piesaista to veidojošo kvarku mijiedarbības atlikušie krāsu spēki, veido krāsai neitrālu atoma kodolu. Bet kodoliem ir pozitīvs elektriskais lādiņš un, piesaistot negatīvus elektronus, kas riņķo ap kodolu kā planētas, kas riņķo ap Sauli, mēdz veidot neitrālu atomu. Elektroni savās orbītās tiek izņemti no kodola attālumos, kas desmitiem tūkstošu reižu pārsniedz kodola rādiusu - tas liecina, ka elektriskie spēki, kas tos notur, ir daudz vājāki nekā kodoli. Pateicoties krāsu mijiedarbības spēkam, 99,945% atoma masas atrodas tā kodolā. Svars u- Un d-Kvarki ir aptuveni 600 reizes lielāki par elektrona masu. Tāpēc elektroni ir daudz vieglāki un kustīgāki nekā kodoli. To kustību vielā izraisa elektriskās parādības.

Ir vairāki simti dabisko atomu šķirņu (ieskaitot izotopus), kas atšķiras ar neitronu un protonu skaitu kodolā un attiecīgi ar elektronu skaitu to orbītā. Vienkāršākais ir ūdeņraža atoms, kas sastāv no kodola protona formā un viena elektrona, kas griežas ap to. Visa “redzamā” viela dabā sastāv no atomiem un daļēji “izjauktiem” atomiem, kurus sauc par joniem. Joni ir atomi, kas, zaudējot (vai ieguvuši) vairākus elektronus, ir kļuvuši par lādētām daļiņām. Vielu, kas gandrīz pilnībā sastāv no joniem, sauc par plazmu. Zvaigznes, kas deg centros notiekošo kodoltermisko reakciju dēļ, galvenokārt sastāv no plazmas, un, tā kā zvaigznes ir visizplatītākā matērijas forma Visumā, mēs varam teikt, ka viss Visums galvenokārt sastāv no plazmas. Precīzāk, zvaigznes pārsvarā ir pilnībā jonizēta ūdeņraža gāze, t.i. atsevišķu protonu un elektronu maisījums, un tāpēc no tā sastāv gandrīz viss redzamais Visums.

Šī ir redzama lieta. Bet Visumā ir arī neredzama matērija. Un ir daļiņas, kas darbojas kā spēka nesēji. Ir antidaļiņas un dažu daļiņu ierosinātie stāvokļi. Tas viss noved pie nepārprotami pārmērīga "elementārdaļiņu" daudzuma. Šajā pārpilnībā var atrast norādi par elementārdaļiņu patieso, patieso dabu un spēkiem, kas darbojas starp tām. Saskaņā ar jaunākajām teorijām daļiņas būtībā var būt paplašināti ģeometriski objekti - “stīgas” desmit dimensiju telpā.

Neredzamā pasaule.

Visumā ir ne tikai redzama matērija (bet arī melnie caurumi un “tumšā matērija”, piemēram, aukstās planētas, kas kļūst redzamas, kad tās tiek apgaismotas). Ir arī patiesi neredzama matērija, kas katru sekundi caurstrāvo mūs visus un visu Visumu. Tā ir viena veida daļiņu ātri kustīga gāze - elektronu neitrīno.

Elektronu neitrīno ir elektrona partneris, bet tam nav elektriskā lādiņa. Neitrīnos ir tikai tā sauktais vājais lādiņš. Viņu atpūtas masa, visticamāk, ir nulle. Bet tie mijiedarbojas ar gravitācijas lauku, jo tiem ir kinētiskā enerģija E, kas atbilst efektīvajai masai m, saskaņā ar Einšteina formulu E = mc 2 kur c- gaismas ātrums.

Neitrīno galvenā loma ir tā, ka tas veicina transformāciju Un- kvarki iekšā d-kvarki, kuru rezultātā protons pārvēršas par neitronu. Neitrīni darbojas kā "karburatora adata" zvaigžņu saplūšanas reakcijām, kurās četri protoni (ūdeņraža kodoli) apvienojas, veidojot hēlija kodolu. Bet, tā kā hēlija kodols nesastāv no četriem protoniem, bet gan no diviem protoniem un diviem neitroniem, šādai kodolsintēzei ir nepieciešams, lai divi Un-kvarki pārvērtās par diviem d- kvarks. Pārvērtības intensitāte nosaka, cik ātri zvaigznes sadegs. Un transformācijas procesu nosaka vāji lādiņi un vāji mijiedarbības spēki starp daļiņām. Kurā Un-kvarks (elektriskais lādiņš +2/3, vājš lādiņš +1/2), mijiedarbojoties ar elektronu (elektriskais lādiņš - 1, vājais lādiņš -1/2), veidojas d-kvarks (elektriskais lādiņš –1/3, vājais lādiņš –1/2) un elektronu neitrīno (elektriskais lādiņš 0, vājš lādiņš +1/2). Divu kvarku krāsu lādiņi (vai tikai krāsas) šajā procesā izzūd bez neitrīno. Neitrīno uzdevums ir aiznest nekompensētu vājo lādiņu. Tāpēc transformācijas ātrums ir atkarīgs no tā, cik vāji ir vājie spēki. Ja tās būtu vājākas par tām, zvaigznes nemaz nedegtu. Ja viņi būtu stiprāki, zvaigznes jau sen būtu izdegušas.

Kā ar neitrīniem? Tā kā šīs daļiņas ārkārtīgi vāji mijiedarbojas ar citām vielām, tās gandrīz nekavējoties atstāj zvaigznes, kurās tās ir dzimušas. Visas zvaigznes spīd, izstaro neitrīnus, un neitrīno spīd caur mūsu ķermeni un visu Zemi dienu un nakti. Tāpēc viņi klīst pa Visumu, līdz, iespējams, nonāk jaunā mijiedarbības ZVAIGZNE).

Mijiedarbības nesēji.

Kas izraisa spēkus, kas darbojas starp daļiņām no attāluma? Mūsdienu fizika atbild: citu daļiņu apmaiņas dēļ. Iedomājieties divus ātrslidotājus, kas met bumbiņu apkārt. Piešķirot impulsu bumbiņai metiena laikā un saņemot impulsu ar saņemto bumbu, abi saņem grūdienu virzienā prom viens no otra. Tas var izskaidrot atgrūšanas spēku rašanos. Bet kvantu mehānikā, kas aplūko parādības mikropasaulē, ir pieļaujama neparasta notikumu stiepšanās un delokalizācija, kas noved pie šķietami neiespējamā: viens no slidotājiem met bumbu virzienā. no atšķirīgs, bet tas tomēr Var būt noķer šo bumbu. Nav grūti iedomāties, ka, ja tas būtu iespējams (un elementārdaļiņu pasaulē tas ir iespējams), starp slidotājiem rastos pievilcība.

Daļiņas, kuru apmaiņas dēļ mijiedarbības spēki starp četrām iepriekš aplūkotajām “matērijas daļiņām”, sauc par mērdaļiņām. Katrai no četrām mijiedarbībām – spēcīgai, elektromagnētiskai, vājai un gravitācijas iedarbībai – ir savs gabarītdaļiņu kopums. Spēcīgās mijiedarbības nesējdaļiņas ir gluoni (to ir tikai astoņi). Fotons ir elektromagnētiskās mijiedarbības nesējs (ir tikai viens, un mēs fotonus uztveram kā gaismu). Vājas mijiedarbības nesējdaļiņas ir starpposma vektora bozoni (tie tika atklāti 1983. un 1984. gadā W + -, W-- bozoni un neitrāls Z-bozons). Gravitācijas mijiedarbības nesējdaļiņa ir joprojām hipotētiskais gravitons (tam vajadzētu būt tikai vienam). Visas šīs daļiņas, izņemot fotonu un gravitonu, kas var pārvietoties bezgalīgi lielos attālumos, pastāv tikai apmaiņas procesā starp materiāla daļiņām. Fotoni piepilda Visumu ar gaismu, un gravitoni piepilda Visumu ar gravitācijas viļņiem (vēl nav ticami atklāti).

Tiek uzskatīts, ka daļiņu, kas spēj emitēt gabarīta daļiņas, ieskauj atbilstošs spēku lauks. Tādējādi elektronus, kas spēj izstarot fotonus, ieskauj elektriskie un magnētiskie lauki, kā arī vāji un gravitācijas lauki. Kvarkus ieskauj arī visi šie lauki, bet arī spēcīgs mijiedarbības lauks. Daļiņas ar krāsas lādiņu krāsu spēku laukā ietekmē krāsas spēks. Tas pats attiecas uz citiem dabas spēkiem. Tāpēc mēs varam teikt, ka pasaule sastāv no matērijas (materiāla daļiņām) un lauka (gabarīta daļiņām). Vairāk par to zemāk.

Antimatērija.

Katrai daļiņai ir antidaļiņa, ar kuru daļiņa var savstarpēji anihilēties, t.i. "iznīcināt", kā rezultātā tiek atbrīvota enerģija. Tomēr “tīra” enerģija pati par sevi neeksistē; Iznīcināšanas rezultātā parādās jaunas daļiņas (piemēram, fotoni), kas aiznes šo enerģiju.

Vairumā gadījumu antidaļiņai ir īpašības, kas ir pretējas attiecīgajai daļiņai: ja daļiņa stipra, vāja vai elektromagnētiskā lauka ietekmē pārvietojas pa kreisi, tad tās antidaļiņa virzīsies pa labi. Īsāk sakot, antidaļiņai ir pretējas visu lādiņu pazīmes (izņemot masas lādiņu). Ja daļiņa ir salikta, piemēram, neitrons, tad tās antidaļiņa sastāv no komponentiem ar pretējām lādiņu pazīmēm. Tādējādi antielektronam ir elektriskais lādiņš +1, vājš lādiņš +1/2, un to sauc par pozitronu. Antineutrons sastāv no Un-antikvarki ar elektrisko lādiņu –2/3 un d-antikvarki ar elektrisko lādiņu +1/3. Īstas neitrālas daļiņas ir savas antidaļiņas: fotona antidaļiņa ir fotons.

Saskaņā ar mūsdienu teorētiskajām koncepcijām katrai dabā esošajai daļiņai vajadzētu būt savai antidaļiņai. Un daudzas antidaļiņas, tostarp pozitroni un antineitroni, patiešām tika iegūtas laboratorijā. Tā sekas ir ārkārtīgi svarīgas, un tās ir visas eksperimentālās daļiņu fizikas pamatā. Saskaņā ar relativitātes teoriju masa un enerģija ir līdzvērtīgas, un noteiktos apstākļos enerģiju var pārvērst masā. Tā kā lādiņš tiek saglabāts un vakuuma lādiņš (tukša vieta) ir nulle, no vakuuma var izcelties jebkuri daļiņu un antidaļiņu pāri (ar nulles neto lādiņu), kā truši no burvju cepures, ja vien pietiek enerģijas izveidot to masu.

Daļiņu paaudzes.

Eksperimenti ar paātrinātāju ir parādījuši, ka materiāla daļiņu kvartets tiek atkārtots vismaz divas reizes pie lielākām masas vērtībām. Otrajā paaudzē elektrona vietu ieņem mions (ar masu aptuveni 200 reižu lielāku par elektrona masu, bet ar vienādām visu pārējo lādiņu vērtībām), elektronu neitrīno vieta ir ko uzņem muons (kas pavada mionu vājās mijiedarbībās tāpat kā elektronu pavada elektronu neitrīno), novietojiet Un- kvarks aizņem Ar- kvarks ( apburts), A d- kvarks - s- kvarks ( dīvaini). Trešajā paaudzē kvartets sastāv no tau leptona, tau neitrīno, t-kvarks un b- kvarks.

Svars t-Kvarks ir apmēram 500 reizes lielāks par vieglākā masa d- kvarks. Eksperimentāli ir noskaidrots, ka ir tikai trīs veidu gaismas neitrīno. Tādējādi ceturtās paaudzes daļiņas vai nu vispār nepastāv, vai arī attiecīgie neitrīno ir ļoti smagi. Tas atbilst kosmoloģiskajiem datiem, saskaņā ar kuriem var pastāvēt ne vairāk kā četri gaismas neitrīno veidi.

Eksperimentos ar augstas enerģijas daļiņām elektrons, mions, tau leptons un attiecīgie neitrīno darbojas kā izolētas daļiņas. Viņiem nav krāsu lādiņa un tie nonāk tikai vājā un elektromagnētiskā mijiedarbībā. Kolektīvi tos sauc leptoni.

2. tabula. FUNDAMENTĀLO DAĻIŅU RAŽOŠANA
Daļiņa	Miera masa, MeV/ Ar 2	Elektriskais lādiņš	Krāsu lādiņš	Vāja uzlāde
OTRĀ PAAUDE
Ar- kvarks	1500	+2/3	Sarkans, zaļš vai zils	+1/2
s- kvarks	500	–1/3	Tas pats	–1/2
Muona neitrīno		0	0	+1/2
Muon	106	0	0	–1/2
TREŠĀ PAAUDE
t- kvarks	30000–174000	+2/3	Sarkans, zaļš vai zils	+1/2
b- kvarks	4700	–1/3	Tas pats	–1/2
Tau neitrīno		0	0	+1/2
Tau	1777	–1	0	–1/2

Kvarki krāsu spēku ietekmē apvienojas spēcīgi mijiedarbīgās daļiņās, kas dominē lielākajā daļā augstas enerģijas fizikas eksperimentu. Šādas daļiņas sauc hadroni. Tie ietver divas apakšklases: barioni(piemēram, protonu un neitronu), kas sastāv no trim kvarkiem un mezoni, kas sastāv no kvarka un antikvarka. 1947. gadā kosmiskajos staros tika atklāts pirmais mezons, ko sauca par pionu (vai pi-mezonu), un kādu laiku tika uzskatīts, ka šo daļiņu apmaiņa ir galvenais kodolspēku cēlonis. Omega-mīnus hadroni, kas tika atklāti 1964. gadā Brūkhavenas Nacionālajā laboratorijā (ASV), un JPS daļiņa ( Dž/y-mezons), kas tika atklāts vienlaikus Brūkhāvenā un Stenfordas Lineārā paātrinātāja centrā (arī ASV) 1974. gadā. Omega mīnus daļiņas esamību prognozēja M. Gell-Mann savā t.s. S.U. 3 teorija" (cits nosaukums ir "astoņkārtējais ceļš"), kurā pirmo reizi tika ierosināta kvarku pastāvēšanas iespēja (un šis nosaukums viņiem tika dots). Desmit gadus vēlāk tika atklāta daļiņa Dž/y apstiprināja esamību Ar-kvarks un beidzot lika ikvienam noticēt gan kvarka modelim, gan teorijai, kas apvienoja elektromagnētiskos un vājos spēkus ( Skatīt zemāk).

Otrās un trešās paaudzes daļiņas ir ne mazāk reālas kā pirmās. Tiesa, pēc rašanās sekundes miljondaļās vai miljarddaļās tās sadalās parastās pirmās paaudzes daļiņās: elektronos, elektronu neitrīnos un arī Un- Un d- kvarki. Jautājums par to, kāpēc dabā ir vairākas daļiņu paaudzes, joprojām ir noslēpums.

Par dažādām kvarku un leptonu paaudzēm bieži runā (kas, protams, ir nedaudz ekscentriski) kā par dažādām daļiņu “garšām”. Nepieciešamību tos izskaidrot sauc par “garšas” problēmu.

BOSONI UN FERMIONI, LAUKS UN MATĒRA

Viena no būtiskajām daļiņu atšķirībām ir atšķirība starp bozoniem un fermioniem. Visas daļiņas ir sadalītas šajās divās galvenajās klasēs. Identiski bozoni var pārklāties vai pārklāties, bet identiski fermioni nevar. Superpozīcija notiek (vai nenotiek) diskrētos enerģijas stāvokļos, kuros kvantu mehānika sadala dabu. Šie stāvokļi ir kā atsevišķas šūnas, kurās var ievietot daļiņas. Tātad vienā šūnā varat ievietot tik daudz identisku bozonu, cik vēlaties, bet tikai vienu fermionu.

Piemēram, apsveriet šādas šūnas vai “stāvokli” elektronam, kas riņķo ap atoma kodolu. Atšķirībā no Saules sistēmas planētām saskaņā ar kvantu mehānikas likumiem elektrons nevar cirkulēt nevienā eliptiskā orbītā, jo tam ir tikai atsevišķa atļauto “kustības stāvokļu” sērija. Tiek sauktas šādu stāvokļu kopas, kas sagrupētas pēc attāluma no elektrona līdz kodolam orbitāles. Pirmajā orbitālē ir divi stāvokļi ar atšķirīgu leņķisko impulsu un līdz ar to divas atļautās šūnas, bet augstākās orbitālēs ir astoņas vai vairāk šūnas.

Tā kā elektrons ir fermions, katra šūna var saturēt tikai vienu elektronu. No tā izriet ļoti svarīgas sekas – visa ķīmija, jo vielu ķīmiskās īpašības nosaka attiecīgo atomu mijiedarbība. Ja jūs ejat caur periodisko elementu sistēmu no viena atoma uz otru tādā secībā, kā protonu skaitu kodolā palielina par vienu (attiecīgi palielināsies arī elektronu skaits), tad pirmie divi elektroni aizņems pirmo orbitāli, nākamie astoņi atradīsies otrajā utt. Šīs konsekventās izmaiņas atomu elektroniskajā struktūrā no elementa uz elementu nosaka to ķīmisko īpašību modeļus.

Ja elektroni būtu bozoni, tad visi elektroni atomā varētu aizņemt vienu un to pašu orbitāli, kas atbilst minimālajai enerģijai. Šajā gadījumā visu matērijas īpašības Visumā būtu pilnīgi atšķirīgas, un Visums tādā formā, kādā mēs to zinām, būtu neiespējams.

Visi leptoni – elektrons, mions, tau leptons un tiem atbilstošie neitrīni – ir fermioni. To pašu var teikt par kvarkiem. Tādējādi visas daļiņas, kas veido “matēriju”, galveno Visuma pildvielu, kā arī neredzamie neitrīni ir fermioni. Tas ir diezgan nozīmīgi: fermioni nevar apvienoties, tāpēc tas pats attiecas uz materiālās pasaules objektiem.

Tajā pašā laikā visas “gabarīta daļiņas”, kas tiek apmainītas starp mijiedarbojošām materiāla daļiņām un kas rada spēku lauku ( Skatīt iepriekš), ir bozoni, kas arī ir ļoti svarīgi. Tā, piemēram, daudzi fotoni var būt vienā stāvoklī, veidojot magnētisko lauku ap magnētu vai elektrisko lauku ap elektrisko lādiņu. Pateicoties tam, ir iespējams arī lāzers.

Spin.

Atšķirība starp bozoniem un fermioniem ir saistīta ar citu elementārdaļiņu īpašību - spin. Pārsteidzoši, ka visām fundamentālajām daļiņām ir savs leņķiskais impulss vai, vienkāršāk sakot, tās griežas ap savu asi. Impulsa leņķis ir raksturīgs rotācijas kustībai, tāpat kā kopējais translācijas kustības impulss. Jebkurā mijiedarbībā tiek saglabāts leņķiskais impulss un impulss.

Mikrokosmosā leņķiskais impulss ir kvantēts, t.i. ņem diskrētas vērtības. Piemērotās mērvienībās leptonu un kvarku spins ir 1/2, bet gabarīta daļiņu spins ir 1 (izņemot gravitonu, kas vēl nav eksperimentāli novērots, bet teorētiski tam vajadzētu būt 2). Tā kā leptoni un kvarki ir fermioni, bet mērdaļiņas ir bozoni, mēs varam pieņemt, ka “fermionitāte” ir saistīta ar spin 1/2, bet “bozoniskums” ir saistīta ar spin 1 (vai 2). Patiešām, gan eksperiments, gan teorija apstiprina, ka, ja daļiņai ir pusvesels skaitļa spins, tad tā ir fermions, un, ja tai ir vesels skaitļa spins, tad tas ir bozons.

MĒRTĪBAS TEORIJAS UN ĢEOMETIJA

Visos gadījumos spēki rodas bozonu apmaiņas dēļ starp fermioniem. Tādējādi divu kvarku (kvarku - fermionu) mijiedarbības krāsu spēks rodas gluonu apmaiņas dēļ. Līdzīga apmaiņa pastāvīgi notiek protonos, neitronos un atomu kodolos. Līdzīgi fotoni, kas apmainīti starp elektroniem un kvarkiem, rada elektriskos pievilcības spēkus, kas notur elektronus atomā, un starpposma vektora bozoni, kas tiek apmainīti starp leptoniem un kvarkiem, rada vājos spēkus, kas atbild par protonu pārvēršanu neitronos termokodolreakcijās zvaigznēs.

Šīs apmaiņas teorija ir eleganta, vienkārša un, iespējams, pareiza. Tas tiek saukts mērinstrumentu teorija. Bet pašlaik ir tikai neatkarīgas spēcīgās, vājās un elektromagnētiskās mijiedarbības gabarītu teorijas un līdzīga, kaut arī nedaudz atšķirīga gravitācijas gabarīta teorija. Viena no svarīgākajām fiziskajām problēmām ir šo atsevišķo teoriju reducēšana vienotā un tajā pašā laikā vienkāršā teorijā, kurā tās visas kļūtu par vienas realitātes atšķirīgiem aspektiem – kā kristāla sejas.

3. tabula. DAŽI HADRONI

3. tabula. DAŽI HADRONI
Daļiņa	Simbols	Kvarka sastāvs *	Atpūtas masa, MeV/ Ar 2	Elektriskais lādiņš
BARIONI
Protons	lpp	uud	938	+1
Neitrons	n	udd	940	0
Omega mīnuss	W –	sss	1672	–1
MESONS
Pi-plus	lpp +	u	140	+1
Pī mīnuss	lpp –	du	140	–1
Fi	f	sє	1020	0
JP	Dž/g	cў	3100	0
Upsilon	Ў	b	9460	0
* Kvarka sastāvs: u- tops; d- zemāks; s- dīvaini; c– apburts; b- Skaists. Senlietas ir norādītas ar līniju virs burta.

Vienkāršākā un vecākā no mērinstrumentu teorijām ir elektromagnētiskās mijiedarbības mērinstrumentu teorija. Tajā elektrona lādiņš tiek salīdzināts (kalibrēts) ar cita elektrona lādiņu, kas atrodas tālu no tā. Kā jūs varat salīdzināt maksas? Jūs varat, piemēram, tuvināt otro elektronu pirmajam un salīdzināt to mijiedarbības spēkus. Bet vai elektrona lādiņš nemainās, kad tas pārvietojas uz citu telpas punktu? Vienīgais veids, kā pārbaudīt, ir nosūtīt signālu no tuvā elektrona uz tālu elektronu un redzēt, kā tas reaģē. Signāls ir mērdaļiņa – fotons. Lai varētu pārbaudīt attālu daļiņu lādiņu, ir nepieciešams fotons.

Matemātiski šī teorija ir ārkārtīgi precīza un skaista. No iepriekš aprakstītā “gabarīta principa” izriet visa kvantu elektrodinamika (elektromagnētisma kvantu teorija), kā arī Maksvela elektromagnētiskā lauka teorija – viens no lielākajiem 19. gadsimta zinātnes sasniegumiem.

Kāpēc tik vienkāršs princips ir tik auglīgs? Acīmredzot tas pauž noteiktu korelāciju starp dažādām Visuma daļām, ļaujot veikt mērījumus Visumā. Matemātiskā izteiksmē lauks tiek interpretēts ģeometriski kā kādas iedomājamas “iekšējās” telpas izliekums. Lādiņa mērīšana ir kopējā “iekšējā izliekuma” mērīšana ap daļiņu. Spēcīgās un vājās mijiedarbības mērinstrumentu teorijas atšķiras no elektromagnētiskā mērinstrumenta teorijas tikai ar attiecīgā lādiņa iekšējo ģeometrisko “struktūru”. Uz jautājumu, kur tieši atrodas šī iekšējā telpa, atbildi meklē daudzdimensionālās vienotā lauka teorijas, kuras šeit netiek aplūkotas.

4. tabula. FUNDAMENTĀLĀS MIJIEDARBĪBAS
Mijiedarbība	Relatīvā intensitāte 10–13 cm attālumā	Darbības rādiuss	Mijiedarbības nesējs	Nesēja miera masa, MeV/ Ar 2	Pagrieziet nesēju
Spēcīgs	1		Gluons	0	1
elektro- magnētisks	0,01	Ґ	Fotons	0	1
Vāja	10 –13		W +	80400	1
			W –	80400	1
			Z 0	91190	1
Gravita- nacionālo	10 –38	Ґ	Gravitons	0	2

Daļiņu fizika vēl nav pabeigta. Joprojām ne tuvu nav skaidrs, vai pieejamie dati ir pietiekami, lai pilnībā izprastu daļiņu un spēku būtību, kā arī telpas un laika patieso būtību un dimensiju. Vai šim nolūkam ir nepieciešami eksperimenti ar enerģijām 10 15 GeV, vai arī pietiks ar domāšanas piepūli? Vēl nav atbildes. Bet mēs varam ar pārliecību teikt, ka gala attēls būs vienkāršs, elegants un skaists. Iespējams, ka nebūs tik daudz fundamentālu ideju: gabarīta princips, augstākas dimensijas telpas, sabrukums un izplešanās, un, galvenais, ģeometrija.

13.1. Jēdziens "elementārdaļiņas"

Precīzā termina "elementāra" nozīmē ir primārās nedalāmās vienkāršākās daļiņas bez iekšējas struktūras, kas veido vielu.

Līdz 1932. gadam bija zināmi četru veidu daļiņas: elektroni, protoni, neitroni un fotoni. Šīs daļiņas (izņemot fotonu) patiešām ir novērojamas vielas sastāvdaļas.

Līdz 1956. gadam jau bija atklātas aptuveni 30 elementārdaļiņas. Tādējādi kosmiskā starojuma ietvaros tika atklāti pozitroni (1932), mioni (1936), p(pi) - mezoni (1947), dīvainas daļiņas K (ka) - mezoni un hiperoni. Turpmākie atklājumi šajā jomā tika veikti ar lielu paātrinātāju palīdzību, kas daļiņām piešķir enerģiju simtiem un tūkstošiem MeV. Tādējādi antiprotoni (1955) un antineitroni (1956), smagie hiperoni un rezonanses (60. gadi), “apburtas” un “jaukas” daļiņas (70. gadi), t(tau) - leptons (1975), n(upsilons) - daļiņa ar apmēram desmit (!) protonu masu masa, “skaistas” daļiņas (1981), starpposma vektora bozoni (1983). Tagad ir zināmi vairāki simti daļiņu, un to skaits turpina pieaugt.

Visu šo elementārdaļiņu kopīgā īpašība ir tāda, ka tās ir īpašas matērijas eksistences formas, kas nav saistītas ar kodoliem un atomiem. Šī iemesla dēļ termins " subnukleārās daļiņas". Lielākā daļa šo daļiņu neatbilst stingrai elementaritātes definīcijai, jo (saskaņā ar mūsdienu koncepcijām) tās ir saliktās sistēmas, tas ir, tiem ir iekšēja struktūra. Tomēr saskaņā ar iedibināto praksi termins “elementārdaļiņas” tiek saglabāts. Daļiņas, kas apgalvo, ka tās ir matērijas primārie elementi (piemēram, elektroni), sauc par " tiešām elementāri".

13.1.1. Elementārdaļiņu pamatīpašības

Visām elementārdaļiņām ir ļoti maza masa: no 10 -22 (starpposma bozoniem) līdz ~ 10 -27 (elektroniem). Vieglākās daļiņas ir neitrīno (tā masa tiek pieņemta 10 tūkstošus reižu mazāka par elektrona masu). Arī elementārdaļiņu izmērs ir ārkārtīgi mazs: no 10-13 cm (hadroniem) līdz< 10 -16 см у электронов и мюонов.

Mikroskopiskās masas un izmēri nosaka kvantu specifika elementārdaļiņu uzvedība. Vissvarīgākā kvantu īpašība ir spēja piedzimt un iznīcināt (izstarot un absorbēt), mijiedarbojoties ar citām daļiņām.

Lielākā daļa elementārdaļiņu nestabils: dzimuši kosmiskajos staros vai paātrinātājos, viņi dzīvo sekundes daļu un pēc tam iziet bojā. Daļiņu stabilitātes mērs ir vidējais kalpošanas laiks t. Elektroni, protoni, fotoni un neitrīno - absolūti stabilas daļiņas(t®¥), jebkurā gadījumā to sabrukšana nav eksperimentāli konstatēta. Neitrons gandrīz stabils(t=(898±16)s. Ir nestabilu daļiņu grupas ar vidējo kalpošanas laiku 10 -6, 10 -8, 10 -10, 10 -13, 10 -16, 10 -20 s. Visvairāk lēnprātīgas dzīvās daļiņas ir rezonanses: t~(10 -22 ¸10 -23)s.

Elementārdaļiņu kopīgās īpašības ir arī spin, elektriskais lādiņš q un iekšējais magnētiskais moments. Spin parasti tiek izteikts vienībās un ņem tikai veselu vai pusveselu skaitļu vērtības. Tas nosaka daļiņas iespējamo griešanās stāvokļu skaitu, kā arī statistikas veidu, kam šīs daļiņas ir pakļautas. Saskaņā ar šo kritēriju visas daļiņas ir sadalītas fermions(daļiņas ar pusvesela skaitļa spin) un bozoni(daļiņas ar veselu skaitļu griešanos). Daļiņas elektriskais lādiņš ir elementārā lādiņa |e| vesels skaitlis = 1,6 × 10 -19 Cl. Zināmām elementārdaļiņām elektriskā lādiņa e mērvienībās iegūst šādas vērtības: q = 0, ±1, ±2. Daļiņas ar frakcionētu lādiņu - kvarki- nenotiek brīvā stāvoklī (skatīt 5.3.2. punktu).

Iekšējais magnētiskais moments raksturo miera stāvoklī esošās daļiņas mijiedarbību ar ārējo magnētisko lauku. Vektori un

paralēli vai antiparalēli.

Papildus uzskaitītajām elementārdaļiņām ir raksturīgi arī vairāki kvantu raksturlielumi, ko sauc par "iekšējiem" (leptona lādiņš, bariona lādiņš, dīvainība utt.).

13.1.2. Daļiņas un antidaļiņas

Gandrīz katra daļiņa atbilst antidaļiņa- daļiņa ar vienādu masu, kalpošanas laiku, spinu; to pārējie raksturlielumi ir vienādi pēc lieluma, bet pretēji pēc zīmes (elektriskais lādiņš, magnētiskais moments, iekšējie kvantu raksturlielumi). Dažām daļiņām (piemēram, fotonam) nav iekšējo kvantu skaitļu, un tāpēc tās ir identiskas to antidaļiņām - tas ir patiesas neitrālas daļiņas.

Secinājumu par antidaļiņu esamību pirmais izdarīja P. Diraks (1930). Viņš atvasināja relativistisku kvantu vienādojumu, kas apraksta daļiņas stāvokli ar pusvesela skaitļa griešanos. Brīvai daļiņai Diraka vienādojums rada relativistiskas attiecības starp daļiņas impulsu (p), enerģiju (E) un masu (m):

Elektronam miera stāvoklī (p e =0) ir iespējami šādi enerģijas līmeņi: Un , enerģijas diapazons "aizliegts".

Kvantu lauka teorijā daļiņas ar negatīvu enerģiju stāvoklis tiek interpretēts kā antidaļiņas stāvoklis, kam ir pozitīva enerģija, bet pretējs elektriskais lādiņš. Visi iespējamie negatīvie enerģijas līmeņi ir piepildīti, bet nav novērojami. Fotons ar enerģiju spēj pārnest elektronu no stāvokļa ar negatīvu enerģiju stāvoklī ar pozitīvu enerģiju (skat. 5.1. att.) - elektrons kļūst novērojams.