Particulele elementare și principalele lor caracteristici. Particule elementare stabile Alte particule existente și ipotetice

1. Particule elementare- acestea sunt microobiecte ale căror dimensiuni nu depășesc dimensiunea nucleelor ​​atomice. Particulele elementare includ protoni, neutroni, electroni, mezoni, neutrini, fotoni etc.

Expresia particule elementare nu trebuie înțeleasă ca particule fără structură incapabile de transformare. Pe măsură ce știința se dezvoltă, conținutul oricărui termen științific se îndepărtează treptat de etimologia acestuia. Astfel, atomul a rămas indivizibil în mintea oamenilor până la apariția sa la începutul secolului al XIX-lea. atomismul chimic.În cunoștințele științifice moderne, un atom este un sistem dinamic complex capabil de diverse rearanjamente. De asemenea, particulele elementare, pe măsură ce noile lor proprietăți sunt descoperite, dezvăluie o structură din ce în ce mai complexă.

Cea mai importantă proprietate a particulelor elementare este capacitatea lor de a se naște și de a se transforma unele în altele în timpul coliziunilor. Pentru ca astfel de procese să aibă loc, este necesar ca particulele care se ciocnesc să aibă energie mare. Prin urmare, fizica particulelor este numită și fizica energiilor înalte.

În funcție de durata de viață, toate particulele elementare sunt împărțite în trei grupe: stabile, instabile și rezonanțe.

Particulele stabile există în stare liberă pentru un timp nelimitat.Există doar 11 astfel de particule: proton p, electron e, electron neutrin ν 0, muon neutrino νμ, taun neutrino ντ, antiparticulele lor p, e, ν e, νμ, ντ , și plus fotonul γ. Dovezile experimentale ale dezintegrarii spontane a acestor particule sunt încă necunoscute.

Particulele instabile au o durată de viață medie τ. care este foarte mare în comparație cu timpul de zbor nuclear caracteristic de 10 -23 s (timpul necesar luminii pentru a parcurge diametrul nucleelor). De exemplu, pentru un neutron τ = 16 min, pentru un muon τ = 10 -6 s, pentru un pion încărcat τ = 10 -8 s, pentru hiperoni și kaoni τ = 10 -4 s.

Rezonanțe au durate de viață comparabile cu timpul de zbor de 10 -23 s. Ele sunt înregistrate prin rezonanțe pe curbele secțiunilor transversale de reacție în funcție de energie. Multe rezonanțe sunt interpretate ca stări excitate ale nucleonilor și ale altor particule.

2. Interacțiuni fundamentale. Varietatea interacțiunilor observate între particulele elementare și în natură în ansamblu se rezumă la 4 tipuri principale: puternice, electromagnetice, slabe și gravitaționale. Interacțiunea puternică deține nucleonii în nucleele atomice și este inerentă hadronilor (protoni, neutroni, mezoni, hiperoni etc.). Interacțiunile electromagnetice sunt cele care se manifestă la nivel macro - elastice, vâscoase, moleculare, chimice etc. Interacțiunile slabe provoacă dezintegrarea β a nucleelor ​​și, împreună cu forțele electromagnetice, controlează comportamentul peptonelor - particule elementare cu spin semiîntreg. care nu participă la interacțiuni puternice. Interacțiunea gravitațională este inerentă tuturor obiectelor materiale.

Comparați interacțiunile fundamentale între ele, dar intensitățile lor. Nu există o definiție clară a acestui concept și nicio metodă de comparare a intensităților. Prin urmare, se folosesc comparații bazate pe un set de fenomene.

De exemplu, raportul dintre forța de atracție gravitațională dintre doi protoni și forța de repulsie coulombiană este G (m p m p /r 2) /(e 2 /4πε 0 r 2) = 4πε 0 G(m p 2 /e 2) = 10 -36. Acest număr este luat ca măsură a raportului dintre interacțiunile gravitaționale și electromagnetice.

Raportul dintre interacțiunile puternice și electromagnetice, determinat din secțiunile transversale și energiile reacțiilor nucleare, este estimat ca 10 4: 1. Intensitățile interacțiunilor puternice și slabe sunt comparate în același mod.

Alături de intensitate, timpul de interacțiune și distanța sunt, de asemenea, folosite ca măsură de comparație a interacțiunii. De obicei, pentru a compara timpii, luăm vitezele proceselor la energiile cinetice ale particulelor care se ciocnesc E = 1 GeV. La astfel de energii, procesele cauzate de interacțiuni puternice au loc în timpul unui zbor nuclear de 10 -23 s, procesele cauzate de interacțiuni electromagnetice durează aproximativ 10 -19 s, interacțiunile slabe durează aproximativ 10 -9 s, iar interacțiunile gravitaționale durează aproximativ 10 +16 s. s. .

Calea liberă medie a unei particule într-o substanță este de obicei luată ca distanțe pentru compararea interacțiunilor. Particulele care interacționează puternic cu E = 1 GeV sunt întârziate de un strat de metal greu de până la 1 m grosime. În timp ce un neutrin, capabil să participe doar la interacțiuni slabe, cu o energie de 100 de ori mai mică (E = 10 MeV) poate fi reținut prin un strat de 10 9 km!

A. Interacțiune puternică nu numai cea mai intensă, ci și cea mai scurtă acțiune din natură. La distante ce depasesc 10 -15 m rolul sau devine neglijabil. Deși asigură stabilitatea nucleelor, această interacțiune nu are practic niciun efect asupra fenomenelor atomice. Interacțiunea puternică nu este universală. Nu este inerentă tuturor particulelor, ci doar hadronilor - nucleoni, mezoni, hiperoni etc. Există particule - fotoni, electroni, muoni, neutrini - care nu sunt supuse unei interacțiuni puternice și nu se nasc datorită acesteia în ciocniri.

b. Interacțiune electromagnetică intensitatea este cu 4 ordine de mărime mai mică decât puternică. Zona principală a manifestării sale sunt distanțe care variază de la un diametru al miezului de 10 -15 m și până la aproximativ 1 m. Aceasta include structura atomilor, moleculelor, cristalelor, reacțiilor chimice, deformațiilor, frecării, luminii, undelor radio și multe alte fenomene fizice accesibile percepţiei umane .

Interacțiunea electromagnetică este cea mai puternică pentru particulele încărcate electric. La particulele neutre cu spin diferit de zero se manifestă mai slab și numai datorită faptului că astfel de particule au un moment magnetic de ordinul М=eћ/2m. Interacțiunea electromagnetică este și mai slabă la pionii neutri π 0 și la neutrini.

O proprietate extrem de importantă a interacțiunii EM este prezența atât a respingerii între particulele cu încărcare similară, cât și a atracției între particulele cu încărcare diferită. Datorită acestui fapt, interacțiunile EM dintre atomi și orice alte obiecte cu sarcină netă zero au o rază relativ scurtă, deși forțele Coulomb între particulele încărcate sunt cu rază lungă.

e. Interacțiune slabă neglijabile în comparație cu cele puternice și electromagnetice. Dar pe măsură ce distanțele scad, aceasta crește rapid. Dacă presupunem că dinamica creșterii rămâne suficient de profundă, atunci la distanțe de ordinul a 10 -20 m interacțiunea slabă va deveni egală cu cea puternică. Dar astfel de distanțe nu sunt încă disponibile pentru cercetări experimentale.

Interacțiunea slabă determină unele procese de interconversie a particulelor. De exemplu, o particulă sigma-plus-hiperon, numai sub influența interacțiunii slabe, se descompune într-un proton și un pion neutru, Σ + => p + π 0. Datorită interacțiunii slabe, are loc dezintegrarea β. Particulele precum hiperonii, kaonii, muonii ar fi stabile în absența unei interacțiuni slabe.

d. Interacțiune gravitațională cel mai slab. Dar se caracterizează prin acțiune pe distanță lungă, universalitate absolută (toate corpurile gravitează) și același semn între orice pereche de particule. Această ultimă proprietate conduce la faptul că forțele gravitaționale cresc întotdeauna odată cu creșterea masei corpurilor. Prin urmare, gravitația, în ciuda intensității sale relative nesemnificative, capătă un rol decisiv în interacțiunile corpurilor cosmice - planete, stele, galaxii.

În lumea particulelor elementare, rolul gravitației este neglijabil. Prin urmare, în fizica atomului, a nucleului și a particulelor elementare, interacțiunea gravitațională nu este luată în considerare.

3. Caracteristicile particulelor elementare. Până la începutul anilor '50 ai secolului XX, în timp ce numărul de particule descoperite era relativ mic, cantitățile fizice generale au fost folosite pentru a descrie particulele - masa m, energia cinetică E, impulsul p și un număr cuantic - spin s, ceea ce a făcut posibilă judecă mărimea particulelor de momente mecanice și magnetice. Pentru particulele instabile, aici a fost adăugată durata medie de viață τ.

Dar treptat, în modelele de naștere și dezintegrare a anumitor particule, a fost posibilă identificarea unor caracteristici specifice acestor particule. Pentru a desemna aceste proprietăți, a trebuit să fie introduse noi numere cuantice. Unele dintre ele au fost numite acuzații.

De exemplu, s-a dovedit că în timpul dezintegrarii particulelor grele, de exemplu, un neutron, nu se întâmplă niciodată să se formeze numai cele ușoare, de exemplu, electroni e - , e + și neutrini. În schimb, atunci când electronii și pozitronii se ciocnesc, nu se poate obține un neutron, deși legile conservării energiei și a impulsului sunt îndeplinite. Pentru a reflecta acest model, a fost introdusă sarcina barionică cu numărul cuantic B. Ei au început să creadă că astfel de particule grele - barionii au B = 1, iar antiparticulele lor B = -1. Pentru particulele ușoare B = 0. Ca rezultat, modelul descoperit a luat forma legii conservării sarcinii barionului.

În mod similar, pentru particulele luminoase, s-au introdus empiric numerele cuantice - încărcături de lepton L - semne ale interzicerii unor transformări. Am convenit să presupunem că sarcina leptonului L e = +1 pentru electronii e - și neutrinii electronici ν e ,L µ = + 1 pentru muonii negativi µ - și neutrinii muonici ν µ ,L τ = +1 pentru taonii negativi τ - și taon neutrini v τ . Pentru antiparticulele corespunzătoare L= -1. Asemenea sarcinilor barionice, sarcinile leptonice sunt conservate în toate interacțiunile.

Odată cu descoperirea hiperonilor născuți în interacțiuni puternice, s-a dovedit că durata lor de viață nu este egală cu timpul de zbor de 10 -23 s, care este tipic pentru particulele care interacționează puternic, ci de 10 13 ori mai lung. Acest lucru părea neașteptat și ciudat și putea fi explicat doar prin faptul că particulele născute în interacțiuni puternice se descompun în interacțiuni slabe. Pentru a reflecta această proprietate a particulelor, a fost introdusă o ciudățenie a numărului cuantic S. Particulele ciudate au S = + 1, antiparticulele lor au S = - 1, iar alte particule au S = 0.

Sarcina electrică Q a microparticulelor este exprimată prin raportul său la sarcina elementară pozitivă e +. Prin urmare, sarcina electrică Q a particulelor este, de asemenea, un număr cuantic întreg. Pentru un proton Q = + 1, pentru un electron Q = -1, pentru un neutron, neutrin și alte particule neutre Q = 0.

Pe lângă parametrii numiți, particulele elementare au alte caracteristici care nu sunt luate în considerare aici.

4. Legile de conservare în fizica particulelor pot fi împărțite în trei grupe: legile generale de conservare, legile de conservare exactă a sarcinilor și legile de conservare aproximative.

A . Legile universale de conservare sunt efectuate cu acuratețe, indiferent de amploarea fenomenelor - în micro-, macro- și mega-lume. Aceste legi decurg din geometria spațiu-timpului. Omogenitatea timpului duce la legea conservării energiei, omogenitatea spațiului - la legea conservării momentului, izotropia spațiului - la legea conservării momentului unghiular, egalitatea ISO - la legea conservării centrului inerţie. Pe lângă aceste 4 legi, acestea includ încă două legate de simetria spațiului - timp în raport cu reflexiile în oglindă ale axelor de coordonate. Din simetria în oglindă a axelor de coordonate rezultă că simetriile dreapta-stânga ale spațiului sunt identice (legea conservării parității). Legea asociată cu simetria în oglindă a timpului vorbește despre identitatea fenomenelor din microcosmos cu privire la schimbarea semnului timpului.

b. Legile exacte de conservare a sarcinilor. Oricarui sistem fizic i se atribuie o taxa intreaga de fiecare fel. Fiecare sarcină este aditivă și conservată. Există 5 astfel de sarcini: Q electric, barion B, trei sarcini leigonice - electron L e, muon L µton L τ. Toate sarcinile sunt întregi și pot avea atât valori pozitive, cât și negative de zero.

Sarcina electrică are un dublu sens. Acesta reprezintă nu numai un număr cuantic, ci este și sursa câmpului de forță. Sarcinile barionice și leptonice nu sunt surse ale câmpului de forță. Pentru un sistem complex, sarcina totală de orice tip este egală cu suma sarcinilor corespunzătoare ale particulelor elementare incluse în sistem.

V. Legile de conservare aproximative sunt îndeplinite numai în anumite tipuri de interacţiuni fundamentale. Ele se referă la caracteristici precum ciudățenia lui S etc.

Toate legile de conservare enumerate sunt rezumate în Tabelul 26.2.

5. Particule și antiparticule au aceeași masă, dar toate sarcinile lor sunt opuse Alegerea unei perechi de particule și antiparticule este arbitrară. De exemplu, într-o pereche electron + pozitron, ei au convenit să considere electronul e ca o particulă, iar pozitronul e + ca o antiparticulă. Sarcinile electronilor Q =-1, B = 0, Le = +1, Lµ= 0, Lτ =0. Sarcini de pozitroni Q = +1, V = 0, Le=-1, Lµ= 0, Lτ =0

Toate sarcinile sistemului particule + antiparticule sunt egale cu zero. Astfel de sisteme, în care toate sarcinile sunt egale cu zero, sunt numite cu adevărat neutre. Există neutre și particule adevărate. Există două dintre ele: γ - cuantică (foton) și η - mezon. Particulele și antiparticulele sunt identice aici.

6. Clasificarea particulelor elementare nu a fost finalizată încă. Una dintre clasificări se bazează în prezent pe durata medie de viață τ, masa m, spin s, cinci tipuri de sarcini, stranietatea S și alți parametri ai particulelor. Toate particulele sunt împărțite în 4 clase.

Clasa I este formată dintr-o particulă - un foton. Un foton are masa de repaus zero și toate sarcinile. Fotonul nu este supus unor interacțiuni puternice. Spinul său este 1, ceea ce înseamnă statistic că este un boson.

Clasa 2 este formată din leptoni. Acestea sunt particule ușoare cu sarcină barionică zero. Fiecare particulă - laptop - are una dintre sarcinile sale lenton care nu este egală cu zero. Leptonii nu sunt supuși unor interacțiuni puternice. Spinul tuturor leptonilor este 1/2, adică, conform statisticilor, ei sunt fermioni.

Clasa a III-a este formată din mezoni. Acestea sunt particule cu barion și lepton zero care participă la interacțiuni puternice. Toți mezonii au un spin întreg, adică, conform statisticilor, sunt bosoni.

Clasa a IV-a este formată din barioni. Acestea sunt particule grele cu o sarcină barionică diferită de zero B ≠ O și cu încărcătură leptonică zero, Le,Lµ,Lτ = 0. Au un spin semiîntreg (fermioni) și participă la interacțiuni puternice. Datorită capacității particulelor din clasele a 3-a și a 4-a de a participa la interacțiuni puternice, ele sunt numite și hadroni.

Tabelul 26.3 prezintă particule binecunoscute - nu rezonanțe cu principalele lor caracteristici. Sunt date particule și antiparticule. Particulele neutre adevărate, care nu au antiparticule, sunt plasate în mijlocul coloanei. Numele sunt date numai pentru particule. Antiparticula corespunzătoare se obține prin simpla adăugare a prefixului „anti” la numele Particulei. De exemplu, proton - antiproton, neutron - antineutron.

Antielectronul e + are denumirea istorică de pozitron. În legătură cu pionii și kaonii încărcați, termenul „antiparticulă” practic nu este folosit. Ele diferă doar în sarcina electrică, prin urmare, pur și simplu vorbesc despre pioni și kaoni pozitivi sau negativi.

Semnul superior al sarcinii se referă la particulă, semnul inferior la antiparticulă. De exemplu, pentru o pereche electron - pozitron Le = ± 1. Aceasta înseamnă că electronul are Le = + 1, iar pozitronul are Le = -1.

În tabel sunt utilizate următoarele notații: Q - sarcină electrică, B sarcină barionică Le, Lµ, Lτ - respectiv, electron, muon, sarcini leptopice taonice, S - stranietate, s - spin, τ - durata medie de viață.

Masa în repaus m este dată în megaelectronvolți. Din ecuația relativistă mc 2 =еU rezultă m=eU/c 2 . O energie a particulei de 1 MeV corespunde unei mase m=eU/c 2 =1,6 *10 -19 /9*10 16 =17,71*10 -31 kg. Este vorba despre două mase de electroni. Împărțind la masa electronului m e = 9,11*10 -31 kg, obținem m = 1,94 m e.

Masa electronului, exprimată în termeni de energie, este m e =0,511 MeV.

7. Modelul cuarc al hadronilor. Hadronii sunt particule elementare care participă la interacțiuni puternice. Aceștia sunt mezoni și barioni. În 1964, americanii Murray Gell-Mann și George Zweig au emis ipoteza că structura și proprietățile hadronilor ar putea fi mai bine înțelese presupunând că hadronii sunt alcătuiți din particule mai fundamentale, pe care Gell-Mann le-a numit quarci. Ipoteza cuarcului s-a dovedit a fi foarte fructuoasă și este acum general acceptată.

Numărul de quarci presupusi este în continuă creștere. Până în prezent, 5 soiuri (arome) de quarci au fost cel mai bine studiate: quark u cu masa m u = 5 MeV, quark d cu masa m d = 7 MeV, quark s cu ms = 150 MeV, quark c cu mc = 1300 MeV și quarc b cu mb=5000 MeV. Fiecare quarc are propriul său antiquarc.

Toți quarcii enumerați au același spin 1/2 și aceeași sarcină barionică B = 1/3. Cuarcii u, c au o sarcină pozitivă fracțională Q = + 2/3, cuarcii d, s, b au

sarcină negativă fracțională Q = - 1/3. Quarcul s este un purtător de ciudățenie, quarcul c este un purtător de farmec, iar quarcul b este un purtător de frumusețe (Tabelul 26.4).

Fiecare hadron poate fi reprezentat ca o combinație de mai mulți quarci. Numerele cuantice Q, B, S ale hadronilor sunt obținute ca sumă a numerelor corespunzătoare ale quarcilor care formează hadronul. Dacă doi quarci identici intră într-un hadron, rotațiile lor sunt opuse.

Barionii au spin pe jumătate întreg, deci pot consta dintr-un număr impar de quarci. De exemplu, un proton este format din trei quarci, p => uud. Sarcina electrică a unui proton Q =+ 2/3+2/3 – 1/3 = 1, sarcina barionică a unui proton B = 1/3+ 1/3 + 1/3 = 1, stranietatea S = O, spin s = 1/2 – 1/2 +1/2=1/2.

Neutronul este, de asemenea, format din trei quarci, 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. O combinație de trei quarci poate fi utilizată pentru a reprezenta următorii barioni: Λ 0 (uds), Σ + (uus), Σ 0 (uds), Σ - (dds), Ξ 0 (uss), Ξ - (dss), Ω - (sss) a°(uss). În acest din urmă caz, rotațiile tuturor quarcilor sunt direcționate în aceeași direcție. Prin urmare Ω - - hiperonul are spin 3/2.

Antiparticulele de barioni se formează din antiquarcii corespunzători.

Mesonii constau din oricare doi quarci și un antiquarc. De exemplu, pionul pozitiv este π + (ud). Sarcina sa este Q = +2/3- (-1/3) = 1, B = 1/3-1/3= O, S = 0, spin 1/2 – 1/2= 0.

Modelul de quarci presupune că quarcii există în interiorul hadronilor, dar experiența arată că aceștia nu pot scăpa din hadroni. Dar cel puțin la acele energii care sunt realizabile cu acceleratoarele moderne. Există o mare probabilitate ca quarcii să nu existe deloc în stare liberă.

Fizica modernă a energiei înalte consideră că interacțiunea dintre quarci se realizează prin particule speciale - gluoni. Masa în repaus a gluonilor este zero, spinul este egal cu unitatea. Este posibil să existe aproximativ o duzină de tipuri diferite de gluoni.

Aceste trei particule (precum și altele descrise mai jos) sunt reciproc atrase și respinse în funcție de acestea taxe, dintre care există doar patru tipuri în funcție de numărul forțelor fundamentale ale naturii. Sarcinile pot fi aranjate in ordinea descrescatoare a fortelor corespunzatoare astfel: sarcina de culoare (forte de interactiune intre quarci); sarcină electrică (forțe electrice și magnetice); sarcină slabă (forțe în unele procese radioactive); în cele din urmă, masa (forța gravitațională sau interacțiunea gravitațională). Cuvântul „culoare” de aici nu are nimic de-a face cu culoarea luminii vizibile; este pur și simplu o caracteristică a unei sarcini puternice și a celor mai mari forțe.

Taxe sunt salvati, adică taxa care intră în sistem este egală cu taxa care iese din acesta. Dacă sarcina electrică totală a unui anumit număr de particule înainte de interacțiunea lor este egală cu, să zicem, 342 de unități, atunci după interacțiune, indiferent de rezultatul acesteia, va fi egală cu 342 de unități. Acest lucru se aplică și altor sarcini: culoare (sarcină de interacțiune puternică), slabă și masă (masă). Particulele diferă în ceea ce privește încărcăturile lor: în esență, ele „sunt” aceste sarcini. Acuzațiile sunt ca un „certificat” al dreptului de a răspunde la forța corespunzătoare. Astfel, doar particulele colorate sunt afectate de forțele de culoare, doar particulele încărcate electric sunt afectate de forțele electrice etc. Proprietățile unei particule sunt determinate de cea mai mare forță care acționează asupra ei. Doar quarcii sunt purtători ai tuturor sarcinilor și, prin urmare, sunt supuși acțiunii tuturor forțelor, dintre care cea dominantă este culoarea. Electronii au toate sarcinile, cu excepția culorii, iar forța dominantă pentru ei este forța electromagnetică.

Cele mai stabile în natură sunt, de regulă, combinațiile neutre de particule în care sarcina particulelor de un semn este compensată de sarcina totală a particulelor de celălalt semn. Aceasta corespunde energiei minime a întregului sistem. (În același mod, doi magneți bară sunt aranjați în linie, cu polul nord al unuia îndreptat spre polul sud al celuilalt, ceea ce corespunde energiei minime a câmpului magnetic.) Gravitația este o excepție de la această regulă: negativă. masa nu exista. Nu există corpuri care să cadă în sus.

TIPURI DE MATERIE

Materia obișnuită este formată din electroni și quarci, grupate în obiecte care sunt neutre la culoare și apoi la sarcină electrică. Puterea culorii este neutralizată, așa cum va fi discutat mai detaliat mai jos, atunci când particulele sunt combinate în tripleți. (De aici și termenul „culoare” în sine, luat din optică: trei culori primare atunci când sunt amestecate produc alb.) Astfel, quarcurile pentru care puterea culorii este cea principală formează tripleți. Dar quarci și sunt împărțiți în u-quarci (din engleză sus - sus) și d-quarcii (din engleza in jos - jos), au si o sarcina electrica egala cu u-quarc și pentru d-quarc. Două u-quarc și unul d-cuarcii dau o sarcină electrică de +1 și formează un proton, iar unul u-quarc și doi d-cuarcii dau sarcina electrica zero si formeaza un neutron.

Protonii și neutronii stabili, atrași unul de celălalt de forțele de culoare reziduale ale interacțiunii dintre quarcii lor constituenți, formează un nucleu atomic neutru de culoare. Dar nucleele poartă o sarcină electrică pozitivă și, atrăgând electroni negativi care orbitează în jurul nucleului, precum planetele care orbitează în jurul Soarelui, tind să formeze un atom neutru. Electronii de pe orbitele lor sunt îndepărtați din nucleu la distanțe de zeci de mii de ori mai mari decât raza nucleului - dovadă că forțele electrice care îi țin sunt mult mai slabe decât cele nucleare. Datorită puterii interacțiunii culorilor, 99,945% din masa unui atom este conținută în nucleul său. Greutate u- Și d-cuarcii sunt de aproximativ 600 de ori masa unui electron. Prin urmare, electronii sunt mult mai ușori și mai mobili decât nucleele. Mișcarea lor în materie este cauzată de fenomene electrice.

Există câteva sute de soiuri naturale de atomi (inclusiv izotopi), care diferă în numărul de neutroni și protoni din nucleu și, în consecință, în numărul de electroni de pe orbitele lor. Cel mai simplu este atomul de hidrogen, format dintr-un nucleu sub forma unui proton si un singur electron care se roteste in jurul lui. Toată materia „vizibilă” din natură constă din atomi și atomi parțial „dezasamblați”, care se numesc ioni. Ionii sunt atomi care, după ce au pierdut (sau câștigat) câțiva electroni, au devenit particule încărcate. Materia constând aproape în întregime din ioni se numește plasmă. Stelele care ard din cauza reacțiilor termonucleare care au loc în centre constau în principal din plasmă, iar din moment ce stelele sunt cea mai comună formă de materie din Univers, putem spune că întregul Univers este format în principal din plasmă. Mai precis, stelele sunt predominant hidrogen gazos complet ionizat, adică. un amestec de protoni și electroni individuali și, prin urmare, aproape întregul Univers vizibil este format din el.

Aceasta este materie vizibilă. Dar există și materie invizibilă în Univers. Și există particule care acționează ca purtători de forță. Există antiparticule și stări excitate ale unor particule. Toate acestea conduc la o abundență în mod clar excesivă de particule „elementare”. În această abundență se poate găsi o indicație a naturii reale, adevărate a particulelor elementare și a forțelor care acționează între ele. Conform celor mai recente teorii, particulele pot fi în esență obiecte geometrice extinse - „șiruri” în spațiul zece-dimensional.

Lumea invizibilă.

Nu există doar materie vizibilă în Univers (ci și găuri negre și „materie întunecată”, cum ar fi planetele reci care devin vizibile atunci când sunt iluminate). Există, de asemenea, materie cu adevărat invizibilă care pătrunde pe noi toți și întregul Univers în fiecare secundă. Este un gaz cu mișcare rapidă de particule de un singur tip - neutrini electronici.

Un neutrin electronic este partenerul unui electron, dar nu are sarcină electrică. Neutrinii poartă doar o așa-numită sarcină slabă. Masa lor de repaus este, după toate probabilitățile, zero. Dar interacționează cu câmpul gravitațional pentru că au energie cinetică E, care corespunde masei efective m, conform formulei lui Einstein E = mc 2 unde c- viteza luminii.

Rolul cheie al neutrinului este că contribuie la transformare Și-cuarcuri în d-quarci, în urma cărora un proton se transformă în neutron. Neutrinii acționează ca „ac carburator” pentru reacțiile de fuziune stelare, în care patru protoni (nuclee de hidrogen) se combină pentru a forma un nucleu de heliu. Dar întrucât nucleul de heliu nu este format din patru protoni, ci din doi protoni și doi neutroni, pentru o astfel de fuziune nucleară este necesar ca două Și-quarcurile transformate în doi d-quarc. Intensitatea transformării determină cât de repede vor arde stelele. Și procesul de transformare este determinat de sarcini slabe și forțe de interacțiune slabe între particule. în care Și-quarc (sarcină electrică +2/3, sarcină slabă +1/2), interacționând cu un electron (sarcină electrică - 1, sarcină slabă –1/2), formează d-quarc (sarcină electrică –1/3, sarcină slabă –1/2) și neutrin electronic (sarcină electrică 0, sarcină slabă +1/2). Încărcările de culoare (sau doar culorile) celor doi quarci se anulează în acest proces fără neutrin. Rolul neutrinului este de a transporta sarcina slabă necompensată. Prin urmare, rata de transformare depinde de cât de slabe sunt forțele slabe. Dacă ar fi mai slabe decât sunt, stelele nu ar arde deloc. Dacă ar fi fost mai puternice, stelele s-ar fi ars de mult.

Dar neutrini? Deoarece aceste particule interacționează extrem de slab cu altă materie, ele părăsesc aproape imediat stelele în care s-au născut. Toate stelele strălucesc, emitând neutrini, iar neutrinii strălucesc prin corpurile noastre și pe întregul Pământ zi și noapte. Așa că rătăcesc în jurul Universului până când intră, poate, într-o nouă STAR de interacțiune).

Purtători de interacțiuni.

Ce cauzează forțele care acționează între particule la distanță? Răspunsurile fizicii moderne: datorită schimbului de alte particule. Imaginează-ți doi patinatori de viteză care aruncă o minge. Prin conferirea impulsului mingii atunci când este aruncată și primind impuls cu mingea primită, ambii primesc o împingere într-o direcție departe unul de celălalt. Acest lucru poate explica apariția forțelor de respingere. Dar în mecanica cuantică, care ia în considerare fenomenele din microlume, sunt permise întinderea și delocalizarea neobișnuite a evenimentelor, ceea ce duce la ceea ce pare imposibil: unul dintre patinatori aruncă mingea în direcție. din diferit, dar acela totuși Pot fi prinde mingea asta. Nu este greu de imaginat că, dacă acest lucru ar fi posibil (și în lumea particulelor elementare este posibil), ar apărea atracție între patinatori.

Particulele, datorită schimbului cărora forțele de interacțiune dintre cele patru „particule de materie” discutate mai sus, se numesc particule gauge. Fiecare dintre cele patru interacțiuni – puternică, electromagnetică, slabă și gravitațională – are propriul său set de particule gauge. Particulele purtătoare ale interacțiunii puternice sunt gluoni (sunt doar opt). Un foton este un purtător de interacțiune electromagnetică (există doar unul, iar noi percepem fotonii ca lumină). Particulele purtătoare ale interacțiunii slabe sunt bosoni vectori intermediari (au fost descoperiți în 1983 și 1984 W + -, W- - bozoni și neutri Z-bozon). Particula purtătoare a interacțiunii gravitaționale este gravitonul încă ipotetic (ar trebui să existe doar unul). Toate aceste particule, cu excepția fotonului și gravitonului, care pot călători pe distanțe infinit de lungi, există doar în procesul de schimb între particulele materiale. Fotonii umplu Universul cu lumină, iar gravitonii umplu Universul cu unde gravitaționale (nedetectate încă în mod fiabil).

Se spune că o particulă capabilă să emită particule de măsurare este înconjurată de un câmp de forțe corespunzător. Astfel, electronii capabili să emită fotoni sunt înconjurați de câmpuri electrice și magnetice, precum și de câmpuri slabe și gravitaționale. Cuarcii sunt, de asemenea, înconjurați de toate aceste câmpuri, dar și de câmpul de interacțiune puternic. Particulele cu încărcătură de culoare în câmpul forțelor de culoare sunt afectate de forța de culoare. Același lucru este valabil și pentru alte forțe ale naturii. Prin urmare, putem spune că lumea este formată din materie (particule materiale) și câmp (particule de măsurare). Mai multe despre asta mai jos.

Antimaterie.

Fiecare particulă are o antiparticulă, cu care particula se poate anihila reciproc, adică. „anihilați”, rezultând eliberarea de energie. Energia „pură” în sine, însă, nu există; Ca rezultat al anihilării, apar noi particule (de exemplu, fotoni) care transportă această energie.

În cele mai multe cazuri, o antiparticulă are proprietăți opuse particulei corespunzătoare: dacă o particulă se mișcă spre stânga sub influența câmpurilor puternice, slabe sau electromagnetice, atunci antiparticula ei se va deplasa spre dreapta. Pe scurt, antiparticula are semne opuse tuturor sarcinilor (cu excepția sarcinii de masă). Dacă o particulă este compozită, cum ar fi un neutron, atunci antiparticula ei constă din componente cu semne opuse de sarcină. Astfel, un antielectron are o sarcină electrică de +1, o sarcină slabă de +1/2 și se numește pozitron. Antineutronul este format din Și-antiquarci cu sarcina electrica –2/3 si d-antiquarci cu sarcina electrica +1/3. Adevăratele particule neutre sunt propriile lor antiparticule: antiparticula unui foton este un foton.

Conform conceptelor teoretice moderne, fiecare particulă existentă în natură ar trebui să aibă propria antiparticulă. Și multe antiparticule, inclusiv pozitroni și antineutroni, au fost într-adevăr obținute în laborator. Consecințele acestui lucru sunt extrem de importante și stau la baza întregii fizice experimentale a particulelor. Conform teoriei relativității, masa și energia sunt echivalente, iar în anumite condiții energia poate fi transformată în masă. Deoarece sarcina este conservată, iar sarcina vidului (spațiul gol) este zero, orice pereche de particule și antiparticule (cu sarcină netă zero) pot ieși din vid, ca iepurii din pălăria unui magician, atâta timp cât există suficientă energie pentru a creează masa lor.

Generații de particule.

Experimentele cu accelerație au arătat că cvartetul de particule de material se repetă de cel puțin două ori la valori de masă mai mari. În a doua generație, locul electronului este luat de muon (cu o masă de aproximativ 200 de ori mai mare decât masa electronului, dar cu aceleași valori ale tuturor celorlalte sarcini), locul neutrinului electronic este luat de muon (care însoțește muonul în interacțiuni slabe în același mod în care electronul este însoțit de neutrinul electronic), locul Și-cuarcul ocupă Cu-quarc ( Fermecat), A d-quarc - s-quarc ( ciudat). În a treia generație, cvartetul este format dintr-un lepton tau, un neutrin tau, t-quarc și b-quarc.

Greutate t-un quarc are de aproximativ 500 de ori masa celui mai ușor - d-quarc. S-a stabilit experimental că există doar trei tipuri de neutrini ușori. Astfel, a patra generație de particule fie nu există deloc, fie neutrinii corespunzători sunt foarte grei. Acest lucru este în concordanță cu datele cosmologice, conform cărora nu pot exista mai mult de patru tipuri de neutrini ușori.

În experimentele cu particule de înaltă energie, electronul, muonul, leptonul tau și neutrinii corespunzători acționează ca particule izolate. Ele nu poartă o sarcină de culoare și intră doar în interacțiuni slabe și electromagnetice. În mod colectiv, se numesc leptoni.

Tabelul 2. GENERAȚII DE PARTICULE FUNDAMENTALE
Particulă	Masa de repaus, MeV/ Cu 2	Incarcare electrica	Încărcare de culoare	Încărcare slabă
A DOUA GENERAȚIE
Cu-quarc	1500	+2/3	Roșu, verde sau albastru	+1/2
s-quarc	500	–1/3	La fel	–1/2
Neutrinul muon		0	0	+1/2
Muon	106	0	0	–1/2
A TREIA GENERATIE
t-quarc	30000–174000	+2/3	Roșu, verde sau albastru	+1/2
b-quarc	4700	–1/3	La fel	–1/2
Neutrinul Tau		0	0	+1/2
Tau	1777	–1	0	–1/2

Quarcii, sub influența forțelor de culoare, se combină în particule care interacționează puternic, care domină majoritatea experimentelor de fizică de înaltă energie. Astfel de particule sunt numite hadronii. Acestea includ două subclase: barionii(cum ar fi un proton și un neutron), care sunt formate din trei quarci și mezonii, format dintr-un cuarc și un antiquarc. În 1947, primul mezon, numit pion (sau pi-mezon), a fost descoperit în razele cosmice, iar de ceva timp s-a crezut că schimbul acestor particule a fost cauza principală a forțelor nucleare. Hadronii Omega-minus, descoperiți în 1964 la Brookhaven National Laboratory (SUA), și particula JPS ( J/y-meson), descoperit simultan la Brookhaven și la Centrul de accelerație liniară Stanford (tot în SUA) în 1974. Existența particulei omega minus a fost prezisă de M. Gell-Mann în așa-numitul său „ S.U. 3 teorie” (un alt nume este „calea de opt ori”), în care a fost sugerată mai întâi posibilitatea existenței quarcilor (și acest nume le-a fost dat). Un deceniu mai târziu, descoperirea particulei J/y a confirmat existența Cu-quark și, în cele din urmă, a făcut pe toată lumea să creadă atât în ​​modelul cuarcului, cât și în teoria care a unit forțele electromagnetice și cele slabe ( vezi mai jos).

Particulele din a doua și a treia generație nu sunt mai puțin reale decât prima. Adevărat, după ce au apărut, în milionimi sau miliardime de secundă, ele se descompun în particule obișnuite din prima generație: electroni, neutrini de electroni și, de asemenea, Și- Și d-quarci. Întrebarea de ce există mai multe generații de particule în natură rămâne încă un mister.

Se vorbește adesea despre diferite generații de quarci și leptoni (ceea ce, desigur, este oarecum excentric) ca fiind „arome” diferite de particule. Necesitatea de a le explica se numește problema „aromei”.

BOSONI ȘI FERMIONI, CÂMPUL ȘI MATERIA

Una dintre diferențele fundamentale dintre particule este diferența dintre bozoni și fermioni. Toate particulele sunt împărțite în aceste două clase principale. Bosonii identici se pot suprapune sau suprapune, dar fermionii identici nu pot. Suprapunerea apare (sau nu are loc) în stările de energie discrete în care mecanica cuantică împarte natura. Aceste stări sunt ca niște celule separate în care pot fi plasate particule. Deci, puteți pune cât de mulți bozoni identici doriți într-o celulă, dar doar un fermion.

Ca exemplu, luați în considerare astfel de celule sau „stări” pentru un electron care orbitează în jurul nucleului unui atom. Spre deosebire de planetele Sistemului Solar, conform legilor mecanicii cuantice, un electron nu poate circula pe nicio orbită eliptică; pentru el există doar o serie discretă de „stări de mișcare” permise. Se numesc seturi de astfel de stări, grupate în funcție de distanța de la electron la nucleu orbitali. În primul orbital există două stări cu moment unghiular diferit și, prin urmare, două celule permise, iar în orbitalii superiori sunt opt ​​sau mai multe celule.

Deoarece electronul este un fermion, fiecare celulă poate conține doar un electron. De aici rezultă consecințe foarte importante - toată chimia, deoarece proprietățile chimice ale substanțelor sunt determinate de interacțiunile dintre atomii corespunzători. Dacă treceți prin sistemul periodic de elemente de la un atom la altul în ordinea creșterii cu unu a numărului de protoni din nucleu (numărul de electroni va crește și el în consecință), atunci primii doi electroni vor ocupa primul orbital, urmatoarele opt vor fi situate in al doilea etc. Această schimbare consistentă în structura electronică a atomilor de la un element la altul determină tiparele proprietăților lor chimice.

Dacă electronii ar fi bosoni, atunci toți electronii dintr-un atom ar putea ocupa același orbital, corespunzător energiei minime. În acest caz, proprietățile întregii materie din Univers ar fi complet diferite, iar Universul în forma în care știm că ar fi imposibil.

Toți leptonii - electroni, muoni, leptoni tau și neutrinii lor corespunzători - sunt fermioni. Același lucru se poate spune despre quarci. Astfel, toate particulele care formează „materie”, principala umplutură a Universului, precum și neutrinii invizibili, sunt fermioni. Acest lucru este destul de semnificativ: fermionii nu se pot combina, așa că același lucru este valabil și pentru obiectele din lumea materială.

În același timp, toate „particulele de măsurare” care sunt schimbate între particulele de material care interacționează și care creează un câmp de forțe ( Vezi deasupra), sunt bosoni, ceea ce este de asemenea foarte important. Deci, de exemplu, mulți fotoni pot fi în aceeași stare, formând un câmp magnetic în jurul unui magnet sau un câmp electric în jurul unei sarcini electrice. Datorită acestui lucru, laserul este posibil.

A învârti.

Diferența dintre bozoni și fermioni este asociată cu o altă caracteristică a particulelor elementare - a învârti. În mod surprinzător, toate particulele fundamentale au propriul moment unghiular sau, mai simplu spus, se rotesc în jurul propriei axe. Unghiul de impuls este o caracteristică a mișcării de rotație, la fel ca și impulsul total al mișcării de translație. În orice interacțiune, momentul unghiular și momentul sunt conservate.

În microcosmos, momentul unghiular este cuantificat, adică. ia valori discrete. În unitățile de măsură adecvate, leptonii și quarcii au un spin de 1/2, iar particulele gauge au un spin de 1 (cu excepția gravitonului, care nu a fost încă observat experimental, dar teoretic ar trebui să aibă un spin de 2). Deoarece leptonii și quarcii sunt fermioni, iar particulele gauge sunt bosoni, putem presupune că „fermionicitatea” este asociată cu spin 1/2, iar „bosonicitatea” este asociată cu spin 1 (sau 2). Într-adevăr, atât experimentul, cât și teoria confirmă că, dacă o particulă are un spin pe jumătate întreg, atunci este un fermion, iar dacă are un spin întreg, atunci este un boson.

TEORII ȘI GEOMETRIE GAUGE

În toate cazurile, forțele apar din cauza schimbului de bosoni între fermioni. Astfel, forța de interacțiune a culorii dintre doi quarci (quarci - fermioni) apare din cauza schimbului de gluoni. Un schimb similar are loc constant în protoni, neutroni și nuclee atomice. În mod similar, fotonii schimbați între electroni și cuarci creează forțele electrice atractive care rețin electronii în atom, iar bosonii vectori intermediari schimbați între leptoni și cuarci creează forțele slabe responsabile de transformarea protonilor în neutroni în reacțiile termonucleare în stele.

Teoria din spatele acestui schimb este elegantă, simplă și probabil corectă. Se numeste teoria gauge. Dar în prezent există doar teorii gauge independente ale interacțiunilor puternice, slabe și electromagnetice și o teorie gauge similară, deși oarecum diferită, a gravitației. Una dintre cele mai importante probleme fizice este reducerea acestor teorii individuale într-o singură teorie și, în același timp, simplă, în care toate ar deveni aspecte diferite ale unei singure realități - ca fețele unui cristal.

Tabelul 3. UNELE HADRONI

Tabelul 3. UNELE HADRONI
Particulă	Simbol	Compoziția cuarcilor *	masa de odihna, MeV/ Cu 2	Incarcare electrica
BARIONI
Proton	p	uud	938	+1
Neutroni	n	udd	940	0
Omega minus	W –	sss	1672	–1
MESONS
Pi-plus	p +	u	140	+1
Pi minus	p –	du	140	–1
Fi	f	sє	1020	0
JP	J/y	cў	3100	0
Upsilon	Ў	b	9460	0
* Compoziția cuarcilor: u– de sus; d- inferior; s- ciudat; c– fermecat; b- Frumoasa. Antichitățile sunt indicate printr-o linie deasupra literei.

Cea mai simplă și mai veche dintre teoriile gauge este teoria gauge a interacțiunii electromagnetice. În ea, sarcina unui electron este comparată (calibrată) cu sarcina altui electron aflat la distanță de acesta. Cum poți compara taxele? Puteți, de exemplu, să apropiați al doilea electron de primul și să comparați forțele de interacțiune ale acestora. Dar încărcătura unui electron nu se schimbă atunci când se deplasează în alt punct din spațiu? Singura modalitate de a verifica este să trimiteți un semnal de la un electron apropiat la unul îndepărtat și să vedeți cum reacționează. Semnalul este o particulă gauge - un foton. Pentru a putea testa sarcina pe particule îndepărtate, este necesar un foton.

Din punct de vedere matematic, această teorie este extrem de precisă și frumoasă. Din „principiul gabaritului” descris mai sus curge toată electrodinamica cuantică (teoria cuantică a electromagnetismului), precum și teoria câmpului electromagnetic a lui Maxwell - una dintre cele mai mari realizări științifice ale secolului al XIX-lea.

De ce este un principiu atât de simplu atât de fructuos? Aparent, exprimă o anumită corelație între diferite părți ale Universului, permițând să se facă măsurători în Univers. În termeni matematici, câmpul este interpretat geometric ca curbura unui spațiu „intern” imaginabil. Măsurarea încărcăturii înseamnă măsurarea „curburii interne” totale în jurul particulei. Teoriile gauge ale interacțiunilor puternice și slabe diferă de teoria gauge electromagnetică numai în „structura” geometrică internă a sarcinii corespunzătoare. Întrebarea unde este exact acest spațiu intern este căutată să fie răspunsă prin teoriile câmpului unificat multidimensional, care nu sunt discutate aici.

Tabelul 4. INTERACȚIUNI FUNDAMENTALE
Interacţiune	Intensitate relativă la o distanță de 10–13 cm	Raza de acțiune	Purtător de interacțiune	Masa de repaus purtător, MeV/ Cu 2	Învârte purtătorul
Puternic	1		Gluon	0	1
electro- magnetic	0,01	Ґ	Foton	0	1
Slab	10 –13		W +	80400	1
			W –	80400	1
			Z 0	91190	1
Gravita- tional	10 –38	Ґ	Graviton	0	2

Fizica particulelor nu este încă completă. Este încă departe de a fi clar dacă datele disponibile sunt suficiente pentru a înțelege pe deplin natura particulelor și a forțelor, precum și adevărata natură și dimensiunea spațiului și a timpului. Avem nevoie de experimente cu energii de 10 15 GeV pentru asta, sau efortul de gândire va fi suficient? Niciun răspuns încă. Dar putem spune cu încredere că poza finală va fi simplă, elegantă și frumoasă. Este posibil să nu existe atât de multe idei fundamentale: principiul gabaritului, spații de dimensiuni mai mari, colaps și expansiune și, mai ales, geometrie.

13.1. Conceptul de „particule elementare”

În sensul precis al termenului „elementar” sunt particulele primare indivizibile, cele mai simple, fără structură internă, care alcătuiesc materia.

Până în 1932, erau cunoscute patru tipuri de particule: electroni, protoni, neutroni și fotoni. Aceste particule (cu excepția fotonului) sunt într-adevăr constituenți ai materiei observabile.

Până în 1956, au fost deja descoperite aproximativ 30 de particule elementare. Astfel, ca parte a radiației cosmice, au fost descoperite pozitroni (1932), muoni (1936), p(pi) - mezoni (1947), particule ciudate K (ka) - mezoni și hiperoni. Descoperirile ulterioare în acest domeniu au fost făcute cu ajutorul unor acceleratoare mari care transmit particulelor energii de ordinul a sutelor și mii de MeV. Astfel, antiprotoni (1955) și antineutroni (1956), hiperoni și rezonanțe grele (anii 60), particulele „fermecate” și „drăguțe” (anii 70), t(tau) - lepton (1975), n(upsilon) - o particulă cu o masă de aproximativ zece (!) mase de protoni, particule „frumoase” (1981), bosoni vectori intermediari (1983). Sunt cunoscute acum câteva sute de particule, iar numărul lor continuă să crească.

Proprietatea comună a tuturor acestor particule elementare este că sunt forme specifice de existență a materiei care nu este asociată cu nuclee și atomi. Din acest motiv, termenul „ particule subnucleare". Majoritatea acestor particule nu satisfac definiția strictă a elementarității, deoarece (conform conceptelor moderne) sunt sisteme compozite, adică au o structură internă. Cu toate acestea, în conformitate cu practica consacrată, termenul „particule elementare” este păstrat. Particulele care pretind a fi elementele primare ale materiei (de exemplu, electroni) se numesc „ cu adevărat elementar".

13.1.1. Proprietățile de bază ale particulelor elementare

Toate particulele elementare au mase foarte mici: de la 10 -22 (pentru bosonii intermediari) la ~ 10 -27 (pentru electroni). Cele mai ușoare particule sunt neutrinii (se presupune că masa sa este de 10 mii de ori mai mică decât masa unui electron). Dimensiunea particulelor elementare este, de asemenea, extrem de mică: de la 10 -13 cm (pentru hadroni) la< 10 -16 см у электронов и мюонов.

Masele și dimensiunile microscopice determină specificitatea cuantică comportamentul particulelor elementare. Cea mai importantă proprietate cuantică este capacitatea de a fi născut și distrus (emis și absorbit) atunci când interacționează cu alte particule.

Majoritatea particulelor elementare instabil: născuți în raze cosmice sau acceleratori, trăiesc o fracțiune de secundă și apoi suferă dezintegrare. O măsură a stabilității particulelor este durata medie de viață t. Electroni, protoni, fotoni și neutrini - particule absolut stabile(t®¥), în orice caz, degradarea lor nu a fost detectată experimental. Neutroni cvasi-stabil(t=(898±16)s. Există grupuri de particule instabile cu durate medii de viață de ordinul 10 -6, 10 -8, 10 -10, 10 -13, 10 -16, 10 -20 s. Cele mai particulele vii blânde sunt rezonanțe: t~(10 -22 ¸10 -23)s.

Caracteristicile comune ale particulelor elementare sunt, de asemenea, spinul, sarcina electrică q și momentul magnetic intrinsec. Spinul este de obicei exprimat în unități și ia doar valori întregi sau jumătate întregi. Determină numărul de stări posibile de spin ale unei particule, precum și tipul de statistici la care sunt supuse aceste particule. Conform acestui criteriu, toate particulele sunt împărțite în fermioni(particule cu spin semiîntreg) și bozoni(particule cu spin întreg). Sarcina electrică a unei particule este un multiplu întreg al sarcinii elementare |e| = 1,6 × 10 -19 Cl. Pentru particulele elementare cunoscute, sarcina electrică în unitățile lui e ia următoarele valori: q = 0, ±1, ±2. Particule cu sarcină fracționată - quarcuri- nu apar în stare liberă (vezi clauza 5.3.2).

Momentul magnetic intrinsec caracterizează interacțiunea unei particule în repaus cu un câmp magnetic extern. Vectori și

paralel sau antiparalel.

Pe lângă cele enumerate, particulele elementare sunt caracterizate și de o serie de caracteristici cuantice, numite „interne” (sarcină leptonică, sarcină barionică, ciudățenie etc.).

13.1.2 Particule și antiparticule

Aproape fiecare particulă corespunde antiparticulă- o particulă cu aceeași masă, viață, spin; celelalte caracteristici ale lor sunt egale ca mărime, dar semne opuse (sarcină electrică, moment magnetic, caracteristici cuantice interne). Unele particule (de exemplu, un foton) nu au numere cuantice interne și, prin urmare, sunt identice cu antiparticulele lor - aceasta este particule neutre adevărate.

Concluzia despre existența antiparticulelor a fost făcută pentru prima dată de P. Dirac (1930). El a derivat o ecuație cuantică relativistă care descrie starea unei particule cu spin semiîntreg. Pentru o particulă liberă, ecuația lui Dirac conduce la o relație relativistă între impulsul (p), energia (E) și masa (m) ale particulei:

Pentru un electron în repaus (p e =0), sunt posibile următoarele niveluri de energie: Și , interval de energie „interzis”.

În teoria câmpului cuantic, starea unei particule cu energie negativă este interpretată ca starea unei antiparticule, care are energie pozitivă, dar o sarcină electrică opusă. Toate nivelurile posibile de energie negativă sunt umplute, dar nu sunt observabile. Un foton cu energie este capabil să transfere un electron dintr-o stare cu energie negativă într-o stare cu energie pozitivă (vezi Fig. 5.1) - electronul devine observabil.