Grimcat elementare dhe karakteristikat e tyre kryesore. Grimcat elementare të qëndrueshme Grimca të tjera ekzistuese dhe hipotetike

1. Grimcat elementare- këto janë mikroobjekte, dimensionet e të cilave nuk e kalojnë madhësinë e bërthamave atomike. Grimcat elementare përfshijnë protonet, neutronet, elektronet, mesonet, neutrinot, fotonet, etj.

Shprehja grimca elementare nuk duhet kuptuar si grimca pa strukturë të paaftë për transformim. Me zhvillimin e shkencës, përmbajtja e çdo termi shkencor largohet gradualisht nga etimologjia e tij. Kështu, atomi mbeti i pandashëm në mendjet e njerëzve deri në shfaqjen e tij në fillim të shekullit të 19-të. atomizmi kimik Në njohuritë moderne shkencore, një atom është një sistem dinamik kompleks i aftë për rirregullime të ndryshme. Po kështu, grimcat elementare, ndërsa zbulohen vetitë e tyre të reja, zbulojnë një strukturë gjithnjë e më komplekse.

Vetia më e rëndësishme e grimcave elementare është aftësia e tyre për të lindur dhe shndërruar në njëra-tjetrën gjatë përplasjeve. Që të ndodhin procese të tilla, është e nevojshme që grimcat që përplasen të kenë energji të lartë. Prandaj, fizika e grimcave quhet edhe fizikë me energji të lartë.

Sipas jetëgjatësisë së tyre, të gjitha grimcat elementare ndahen në tre grupe: të qëndrueshme, të paqëndrueshme dhe rezonanca.

Grimcat e qëndrueshme ekzistojnë në gjendje të lirë për një kohë të pakufizuar. Janë vetëm 11 grimca të tilla: protoni p, elektroni e, neutrina e elektroneve ν 0, neutrina muonore νμ, neutrina taun ντ, antigrimcat e tyre p, e, ν e, νμ, ντ , dhe plus foton γ. Provat eksperimentale të prishjes spontane të këtyre grimcave janë ende të panjohura.

Grimcat e paqëndrueshme kanë një jetëgjatësi mesatare τ. e cila është shumë e madhe në krahasim me kohën karakteristike të fluturimit bërthamor prej 10 -23 s (koha që i duhet dritës për të udhëtuar nëpër diametrin e bërthamave). Për shembull, për një neutron τ = 16 min, për një muon τ = 10 -6 s, për një pion të ngarkuar τ = 10 -8 s, për hiperone dhe kaone τ = 10 -4 s.

Rezonancat kanë jetëgjatësi të krahasueshme me kohën e fluturimit prej 10 -23 s. Ato regjistrohen nga rezonanca në kthesat e seksioneve tërthore të reaksionit kundrejt energjisë. Shumë rezonanca interpretohen si gjendje të ngacmuara të nukleoneve dhe grimcave të tjera.

2. Ndërveprimet themelore. Shumëllojshmëria e ndërveprimeve të vërejtura midis grimcave elementare dhe në natyrë në tërësi zbret në 4 lloje kryesore: të forta, elektromagnetike, të dobëta dhe gravitacionale. Ndërveprimi i fortë mban nukleonet në bërthamat atomike dhe është i natyrshëm në hadronet (protonet, neutronet, mezonet, hiperonet, etj.). Ndërveprimet elektromagnetike janë ato që manifestohen në nivelin makro - elastike, viskoze, molekulare, kimike etj. Ndërveprimet e dobëta shkaktojnë β-prishje të bërthamave dhe, së bashku me forcat elektromagnetike, kontrollojnë sjelljen e peptoneve - grimcave elementare me rrotullim gjysmë të plotë. që nuk marrin pjesë në ndërveprime të forta. Ndërveprimi gravitacional është i natyrshëm në të gjitha objektet materiale.

Krahasoni ndërveprimet themelore me njëri-tjetrin, por me intensitetin e tyre. Nuk ka asnjë përkufizim të qartë të këtij koncepti dhe asnjë metodë për krahasimin e intensiteteve. Prandaj, përdoren krahasime të bazuara në një grup fenomenesh.

Për shembull, raporti i forcës së tërheqjes gravitacionale ndërmjet dy protoneve me forcën e zmbrapsjes së Kulombit është G (m p m p /r 2) /(e 2 /4pe 0 r 2) = 4pe 0 G(m p 2 /e 2) = 10 -36. Ky numër merret si masë e raportit të ndërveprimeve gravitacionale dhe elektromagnetike.

Raporti ndërmjet ndërveprimeve të forta dhe elektromagnetike, i përcaktuar nga prerjet tërthore dhe energjitë e reaksioneve bërthamore, vlerësohet si 10 4: 1. Intensiteti i bashkëveprimeve të forta dhe të dobëta krahasohen në të njëjtën mënyrë.

Së bashku me intensitetin, koha dhe distanca e ndërveprimit përdoren gjithashtu si një masë e krahasimit të ndërveprimit. Zakonisht, për të krahasuar kohët, marrim shpejtësitë e proceseve në energjitë kinetike të grimcave që përplasen E = 1 GeV. Në këto energji, proceset e shkaktuara nga ndërveprimet e forta zhvillohen gjatë një fluturimi bërthamor prej 10 -23 s, proceset e shkaktuara nga ndërveprimet elektromagnetike zgjasin rreth 10 -19 s, ndërveprimet e dobëta zgjasin rreth 10 -9 s dhe ndërveprimet gravitacionale zgjasin rreth 10 +16 s. s.

Rruga mesatare e lirë e një grimce në një substancë zakonisht merret si distanca për krahasimin e ndërveprimeve. Grimcat me ndërveprim të fortë me E = 1 GeV vonohen nga një shtresë metali të rëndë deri në 1 m të trashë. Ndërsa një neutrino, e aftë për të marrë pjesë vetëm në ndërveprim të dobët, me një energji 100 herë më pak (E = 10 MeV) mund të mbahet nga një shtresë prej 10 9 km!

A. Ndërveprim i fortë jo vetëm më intensive, por edhe me veprim më të shkurtër në natyrë. Në distanca mbi 10 -15 m, roli i tij bëhet i papërfillshëm. Ndërsa siguron stabilitetin e bërthamave, ky ndërveprim praktikisht nuk ka asnjë efekt në fenomenet atomike. Ndërveprimi i fortë nuk është universal. Nuk është e natyrshme në të gjitha grimcat, por vetëm në hadronet - nukleonet, mezonet, hiperonet, etj. Ka grimca - fotone, elektrone, muone, neutrino - që nuk i nënshtrohen ndërveprimit të fortë dhe nuk lindin për shkak të tij në përplasje.

b. Ndërveprimi elektromagnetik intensiteti është 4 rend magnitudë më i ulët se i forti. Zona kryesore e manifestimit të saj janë distancat që variojnë nga një diametër i bërthamës 10 -15 m dhe deri në afërsisht 1 m. Kjo përfshin strukturën e atomeve, molekulave, kristaleve, reaksioneve kimike, deformimeve, fërkimit, dritës, valëve të radios dhe shumë dukuri të tjera fizike të arritshme për perceptimin njerëzor.

Ndërveprimi elektromagnetik është më i fortë për grimcat e ngarkuara elektrike. Në grimcat neutrale me rrotullim jo zero ai shfaqet më i dobët dhe vetëm për faktin se grimcat e tilla kanë një moment magnetik të rendit M=eћ/2m. Ndërveprimi elektromagnetik është edhe më i dobët në pionet neutrale π 0 dhe në neutrinot.

Një veti jashtëzakonisht e rëndësishme e ndërveprimit EM është prania e zmbrapsjes midis grimcave me ngarkesë të ngjashme dhe e tërheqjes midis grimcave të ndryshme të ngarkuara. Për shkak të kësaj, ndërveprimet EM midis atomeve dhe çdo objekti tjetër me ngarkesë neto zero kanë një gamë relativisht të shkurtër, megjithëse forcat Kulomb midis grimcave të ngarkuara janë me rreze të gjatë.

e. Ndërveprim i dobët të papërfillshme në krahasim me ato të forta dhe elektromagnetike. Por ndërsa distancat zvogëlohen, ato rriten me shpejtësi. Nëse supozojmë se dinamika e rritjes mbetet mjaft e thellë, atëherë në distanca të rendit 10 -20 m ndërveprimi i dobët do të bëhet i barabartë me atë të fortë. Por distanca të tilla nuk janë ende të disponueshme për kërkime eksperimentale.

Ndërveprimi i dobët shkakton disa procese të ndërthurjes së grimcave. Për shembull, një grimcë sigma-plus-hiperon, vetëm nën ndikimin e ndërveprimit të dobët, zbërthehet në një proton dhe një pion neutral, Σ + => p + π 0. Për shkak të ndërveprimit të dobët, ndodh prishja β. Grimcat si hiperonet, kaonet, muonet do të ishin të qëndrueshme në mungesë të ndërveprimit të dobët.

d. Ndërveprimi gravitacional më i dobëti. Por karakterizohet nga veprimi me rreze të gjatë, universaliteti absolut (të gjithë trupat gravitojnë) dhe e njëjta shenjë midis çdo çifti grimcash. Vetia e fundit çon në faktin se forcat gravitacionale rriten gjithmonë me rritjen e masës së trupave. Prandaj, graviteti, megjithë intensitetin e tij të parëndësishëm relativ, merr një rol vendimtar në ndërveprimet e trupave kozmikë - planetët, yjet, galaktikat.

Në botën e grimcave elementare, roli i gravitetit është i papërfillshëm. Prandaj, në fizikën e atomit, bërthamës dhe grimcave elementare, bashkëveprimi gravitacional nuk merret parasysh.

3. Karakteristikat e grimcave elementare. Deri në fillim të viteve 50 të shekullit të 20-të, ndërsa numri i grimcave të zbuluara ishte relativisht i vogël, sasitë e përgjithshme fizike u përdorën për të përshkruar grimcat - masa m, energjia kinetike E, momenti p dhe një numër kuantik - spin s, gjë që bëri të mundur gjykoni madhësinë e grimcave të momenteve mekanike dhe magnetike. Për grimcat e paqëndrueshme, jetëgjatësia mesatare τ u shtua këtu.

Por gradualisht, në modelet e lindjes dhe kalbjes së grimcave të caktuara, ishte e mundur të identifikoheshin disa veçori specifike për këto grimca. Për të përcaktuar këto veti, duheshin futur numra të rinj kuantikë. Disa prej tyre u quajtën akuza.

Për shembull, doli që gjatë kalbjes së grimcave të rënda, për shembull, një neutron, nuk ndodh kurrë që të formohen vetëm ato të lehta, për shembull, elektronet e - , e + dhe neutrinot. Anasjelltas, kur elektronet dhe pozitronet përplasen, një neutron nuk mund të merret, megjithëse ligjet e ruajtjes së energjisë dhe momentit janë të kënaqura. Për të pasqyruar këtë model, u prezantua ngarkesa e barionit me numrin kuantik B. Ata filluan të besojnë se grimcat e tilla të rënda - barionet kanë B = 1, dhe antigrimcat e tyre B = -1. Për grimcat e lehta B = 0. Si rezultat, modeli i zbuluar mori formën e ligjit të ruajtjes së ngarkesës së barionit.

Në mënyrë të ngjashme, për grimcat e lehta, numrat kuantikë u prezantuan në mënyrë empirike - ngarkesat leptonike L - shenja të ndalimit të disa transformimeve. Ne ramë dakord të supozojmë se ngarkesat leptonike L e = +1 për elektronet e - dhe neutrinot e elektroneve ν e , L μ = + 1 për muonet negative μ - dhe neutrinot muonike ν μ , L τ = +1 për taonet negative τ - dhe taon neutrinos v τ. Për antigrimcat përkatëse L= -1. Ashtu si ngarkesat e barionit, ngarkesat leptonike ruhen në të gjitha ndërveprimet.

Me zbulimin e hiperoneve të lindur në ndërveprime të forta, rezultoi se jetëgjatësia e tyre nuk është e barabartë me kohën e fluturimit prej 10 -23 s, e cila është tipike për grimcat që ndërveprojnë fuqishëm, por 10 13 herë më e gjatë. Kjo dukej e papritur dhe e çuditshme dhe mund të shpjegohej vetëm me faktin se grimcat e lindura në ndërveprime të forta kalbet në ndërveprime të dobëta. Për të pasqyruar këtë veti të grimcave, u prezantua një çuditshmëri e numrit kuantik S. Grimcat e çuditshme kanë S = + 1, antigrimcat e tyre kanë S = - 1 dhe grimcat e tjera kanë S = 0.

Ngarkesa elektrike Q e mikrogrimcave shprehet përmes raportit të saj me ngarkesën elementare pozitive e +. Prandaj, ngarkesa elektrike Q e grimcave është gjithashtu një numër kuantik numër i plotë. Për një proton Q = + 1, për një elektron Q = -1, për një neutron, neutrino dhe grimca të tjera neutrale Q = 0.

Përveç parametrave të emërtuar, grimcat elementare kanë karakteristika të tjera që nuk merren parasysh këtu.

4. Ligjet e ruajtjes në fizikën e grimcave mund të ndahen në tre grupe: ligjet e përgjithshme të ruajtjes, ligjet e sakta të ruajtjes së ngarkesave dhe ligjet e përafërta të ruajtjes.

A . Ligjet universale të ruajtjes kryhen me saktësi pavarësisht nga shkalla e fenomeneve - në mikro-, makro- dhe mega-botën. Këto ligje rrjedhin nga gjeometria e hapësirë-kohës. Homogjeniteti i kohës çon në ligjin e ruajtjes së energjisë, homogjeniteti i hapësirës - në ligjin e ruajtjes së momentit, izotropia e hapësirës - në ligjin e ruajtjes së momentit këndor, barazia e ISO - në ligjin e ruajtjes së qendrës së inercia. Përveç këtyre 4 ligjeve, kjo përfshin dy të tjera që lidhen me simetrinë e hapësirës - kohës në lidhje me reflektimet e pasqyrës së boshteve koordinative. Nga simetria e pasqyrës së boshteve të koordinatave rezulton se simetritë djathtas-majtas të hapësirës janë identike (ligji i ruajtjes së barazisë). Ligji që lidhet me simetrinë e pasqyrës së kohës flet për identitetin e dukurive në mikrokozmos në lidhje me ndryshimin e shenjës së kohës.

b. Ligjet e sakta të ruajtjes së ngarkesave. Çdo sistemi fizik i caktohet një ngarkesë me numër të plotë të çdo lloji. Çdo ngarkesë është shtesë dhe e konservuar. Ekzistojnë 5 ngarkesa të tilla: Q elektrike, barion B, tre ngarkesa leigonike - elektron L e, muon L µ ton L τ. Të gjitha ngarkesat janë numër i plotë dhe mund të kenë vlera pozitive dhe negative zero.

Ngarkesa elektrike ka një kuptim të dyfishtë. Ai përfaqëson jo vetëm një numër kuantik, por është gjithashtu burimi i fushës së forcës. Ngarkesat barion dhe leptonik nuk janë burime të fushës së forcës. Për një sistem kompleks, ngarkesa totale e çdo lloji është e barabartë me shumën e ngarkesave përkatëse të grimcave elementare të përfshira në sistem.

V. Ligjet e përafërta të ruajtjes përmbushen vetëm në disa lloje të ndërveprimeve themelore. Ato lidhen me karakteristika të tilla si çuditshmëria e S, etj.

Të gjitha ligjet e listuara të ruajtjes janë përmbledhur në Tabelën 26.2.

5. Grimcat dhe antigrimcat kanë të njëjtën masë, por të gjitha ngarkesat e tyre janë të kundërta Zgjedhja e një çifti grimcash dhe antigrimcash është arbitrare. Për shembull, në një çift elektron + pozitron, ata ranë dakord të konsideronin elektronin e si një grimcë dhe pozitronin e + si një antigrimcë. Ngarkesat e elektroneve Q =-1, B = 0, Le = +1, Lµ= 0, Lτ =0. Ngarkesat e pozitronit Q = +1, V = 0, Le=-1, Lµ= 0, Lτ =0

Të gjitha ngarkesat e sistemit grimca + antigrimca janë të barabarta me zero. Sisteme të tilla, në të cilat të gjitha ngarkesat janë të barabarta me zero, quhen vërtet neutrale. Ka neutrale dhe grimca të vërteta. Janë dy prej tyre: γ - kuantike (foton) dhe η - mezon. Grimcat dhe antigrimcat janë identike këtu.

6. Klasifikimi i grimcave elementare ende i pa përfunduar. Një nga klasifikimet aktualisht bazohet në jetëgjatësinë mesatare τ, masën m, spin s, pesë lloje ngarkesash, çuditshmëri S dhe parametra të tjerë të grimcave. Të gjitha grimcat ndahen në 4 klasa.

Klasa e parë formohet nga një grimcë - një foton. Një foton ka zero masë pushimi dhe të gjitha ngarkesat. Fotoni nuk i nënshtrohet ndërveprimeve të forta. Spin-i i tij është 1, që do të thotë statistikisht se është një bozon.

Klasa 2 formohet nga leptonet. Këto janë grimca të lehta me ngarkesë barion zero. Çdo grimcë - laptop - ka një nga ngarkesat e saj lenton që nuk është e barabartë me zero. Leptonet nuk i nënshtrohen ndërveprimeve të forta. Rrotullimi i të gjithë leptoneve është 1/2, domethënë, sipas statistikave, ato janë fermione.

Klasa e tretë formohet nga mesonet. Këto janë grimca me ngarkesa zero barion dhe lepton që marrin pjesë në ndërveprime të forta. Të gjithë mezonët kanë një rrotullim me numër të plotë, domethënë, sipas statistikave, ato janë bozone.

Klasa e 4-të përbëhet nga barionet. Këto janë grimca të rënda me një ngarkesë barionike jo zero B ≠ O dhe me ngarkesa leptonike zero, Le,Lµ,Lτ = 0. Ato kanë një spin gjysmë të plotë (fermione) dhe marrin pjesë në ndërveprime të forta. Për shkak të aftësisë së grimcave të klasave 3 dhe 4 për të marrë pjesë në ndërveprime të forta, ato quhen edhe hadrone.

Tabela 26.3 tregon grimcat e njohura - jo rezonancat me karakteristikat e tyre kryesore. Jepen grimca dhe antigrimca. Grimcat e vërteta neutrale, të cilat nuk kanë antigrimca, vendosen në mes të kolonës. Emrat janë dhënë vetëm për grimcat. Antigrimca përkatëse fitohet thjesht duke shtuar prefiksin "anti" në emrin e grimcës. Për shembull, proton - antiproton, neutron - antineutron.

Antielektroni e + ka emrin historik positron. Në lidhje me pionët dhe kaonët e ngarkuar, termi "antigrimcë" praktikisht nuk përdoret. Ato ndryshojnë vetëm në ngarkesën elektrike, prandaj flasin thjesht për pione dhe kaone pozitive ose negative.

Shenja e sipërme e ngarkesës i referohet grimcës, shenja e poshtme te antigrimca. Për shembull, për një çift elektron - pozitron Le = ± 1. Kjo do të thotë se elektroni ka Le = + 1, dhe pozitroni ka Le = -1.

Në tabelë janë përdorur shënimet e mëposhtme: Q - ngarkesa elektrike, ngarkesa e barionit B Le, Lµ, Lτ - përkatësisht, elektron, muon, ngarkesat leptopike taonike, S - çuditshmëria, s - spin, τ - jetëgjatësia mesatare.

Masa e mbetur m jepet në megaelektronvolt. Nga ekuacioni relativist mc 2 =еU rrjedh m=eU/c 2 . Një energji grimce prej 1 MeV i përgjigjet një mase m=eU/c 2 =1,6 *10 -19 /9*10 16 =17,71*10 -31 kg. Bëhet fjalë për dy masa elektronike. Duke pjesëtuar me masën e elektronit m e = 9,11*10 -31 kg, fitojmë m = 1,94 m e.

Masa e elektronit, e shprehur në terma të energjisë, është m e =0,511 MeV.

7. Modeli kuark i hadroneve. Hadronet janë grimca elementare që marrin pjesë në ndërveprime të forta. Këto janë mesonet dhe barionet. Në vitin 1964, amerikanët Murray Gell-Mann dhe George Cweig hodhën hipotezën se struktura dhe vetitë e hadroneve mund të kuptoheshin më mirë duke supozuar se hadronet përbëheshin nga grimca më themelore, të cilat Gell-Mann i quajti kuarkë. Hipoteza e kuarkut doli të ishte shumë e frytshme dhe tani është e pranuar përgjithësisht.

Numri i kuarkeve të supozuar po rritet vazhdimisht. Deri më sot, 5 lloje (shije) kuarkesh janë studiuar më mirë: kuarku u me masë m u = 5 MeV, kuarku d me masë m d = 7 MeV, kuarku s me ms = 150 MeV, kuarku c me mc = 1300 MeV dhe kuarku b me mb=5000 MeV. Çdo kuark ka antikuarkun e vet.

Të gjithë kuarkët e listuar kanë të njëjtin rrotullim 1/2 dhe të njëjtën ngarkesë barion B = 1/3. Kuarkët u, c kanë një ngarkesë pozitive të pjesshme Q = + 2/3, kuarkët d, s, b kanë

ngarkesa negative e pjesshme Q = - 1/3. Kuarku s është bartës i çuditshmërisë, kuarku c është bartës i sharmit dhe kuarku b është bartës i bukurisë (Tabela 26.4).

Çdo hadron mund të përfaqësohet si një kombinim i disa kuarkeve. Numrat kuantikë Q, B, S të hadroneve fitohen si shuma e numrave përkatës të kuarkeve që përbëjnë hadronin. Nëse dy kuarkë identikë hyjnë në një hadron, rrotullimet e tyre janë të kundërta.

Barionët kanë rrotullim gjysmë të numrit të plotë, kështu që mund të përbëhen nga një numër tek kuarke. Për shembull, një proton përbëhet nga tre kuarke, p => uud. Ngarkesa elektrike e një protoni Q =+ 2/3+2/3 – 1/3 = 1, ngarkesa e barionit e një protoni B = 1/3+ 1/3 + 1/3 = 1, çuditshmëria S = O, spin s = 1/2 – 1/2 +1/2=1/2.

Neutroni gjithashtu përbëhet nga tre kuarke, 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. Një kombinim i tre kuarkeve mund të përdoret për të përfaqësuar barionet e mëposhtme: Λ 0 (uds), Σ + (uus), Σ 0 (uds), Σ - (dds),Ξ 0 (uss), Ξ - (dss), Ω - (sss) a°(uss). Në rastin e fundit, rrotullimet e të gjithë kuarkeve drejtohen në të njëjtin drejtim. Prandaj Ω - - hiperoni ka spin 3/2.

Antigrimcat e barioneve formohen nga antikuarkët përkatës.

Mezonët përbëhen nga çdo dy kuarkë dhe një antikuark. Për shembull, pioni pozitiv është π + (ud). Ngarkesa e tij është Q = +2/3- (-1/3) = 1, B = 1/3-1/3= O, S = 0, rrotullimi 1/2 – 1/2= 0.

Modeli i kuarkut supozon se kuarkët ekzistojnë brenda hadroneve, por përvoja tregon se ata nuk mund të shpëtojnë nga hadronet. Por të paktën në ato energji që janë të arritshme me përshpejtuesit modernë. Ekziston një probabilitet i lartë që kuarkët nuk mund të ekzistojnë fare në gjendje të lirë.

Fizika moderne me energji të lartë beson se ndërveprimi midis kuarkeve kryhet përmes grimcave speciale - gluoneve. Masa e mbetur e gluoneve është zero, rrotullimi është i barabartë me unitetin. Është e mundur që ka rreth një duzinë lloje të ndryshme gluonësh.

Këto tre grimca (si dhe të tjera të përshkruara më poshtë) tërhiqen dhe zmbrapsen reciprokisht sipas tyre akuzat, nga të cilat ekzistojnë vetëm katër lloje sipas numrit të forcave themelore të natyrës. Ngarkesat mund të renditen në rend zbritës të forcave përkatëse si më poshtë: ngarkesa me ngjyra (forcat e ndërveprimit ndërmjet kuarkeve); ngarkesa elektrike (forcat elektrike dhe magnetike); ngarkesë e dobët (forcat në disa procese radioaktive); së fundi, masa (forca gravitacionale, ose ndërveprimi gravitacional). Fjala "ngjyrë" këtu nuk ka të bëjë fare me ngjyrën e dritës së dukshme; është thjesht karakteristikë e një ngarkese të fortë dhe e forcave më të mëdha.

Akuzat janë të shpëtuar, d.m.th. ngarkesa që hyn në sistem është e barabartë me ngarkesën që del prej tij. Nëse ngarkesa totale elektrike e një numri të caktuar grimcash para bashkëveprimit të tyre është e barabartë me, të themi, 342 njësi, atëherë pas bashkëveprimit, pavarësisht nga rezultati i tij, do të jetë e barabartë me 342 njësi. Kjo vlen edhe për ngarkesat e tjera: ngjyra (ngarkesa e fortë ndërveprimi), e dobët dhe masa (masa). Grimcat ndryshojnë në ngarkesat e tyre: në thelb, ato "janë" këto ngarkesa. Akuzat janë si një "çertifikatë" e së drejtës për t'iu përgjigjur forcës së duhur. Kështu, vetëm grimcat me ngjyrë ndikohen nga forcat e ngjyrave, vetëm grimcat e ngarkuara elektrike ndikohen nga forcat elektrike, etj. Vetitë e një grimce përcaktohen nga forca më e madhe që vepron mbi të. Vetëm kuarkët janë bartës të të gjitha ngarkesave dhe, për rrjedhojë, i nënshtrohen veprimit të të gjitha forcave, ndër të cilat mbizotëruesja është ngjyra. Elektronet kanë të gjitha ngarkesat përveç ngjyrës, dhe forca mbizotëruese për to është forca elektromagnetike.

Më të qëndrueshmet në natyrë janë, si rregull, kombinimet neutrale të grimcave në të cilat ngarkesa e grimcave të një shenje kompensohet nga ngarkesa totale e grimcave të shenjës tjetër. Kjo korrespondon me energjinë minimale të të gjithë sistemit. (Në të njëjtën mënyrë, dy magnet me shirita janë të vendosur në një vijë, me polin verior të njërit përballë polit jugor të tjetrit, që korrespondon me energjinë minimale të fushës magnetike.) Graviteti është një përjashtim nga ky rregull: negative masa nuk ekziston. Nuk ka trupa që bien lart.

LLOJET E LËNDËS

Lënda e zakonshme formohet nga elektronet dhe kuarkët, të grupuar në objekte me ngjyrë neutrale dhe më pas në ngarkesë elektrike. Fuqia e ngjyrës neutralizohet, siç do të diskutohet më në detaje më poshtë, kur grimcat kombinohen në treshe. (Prandaj vetë termi "ngjyrë", marrë nga optika: tre ngjyra kryesore kur përzihen prodhojnë të bardhë.) Kështu, kuarkët për të cilët forca e ngjyrës është kryesore formojnë treshe. Por kuarke, dhe ata janë të ndarë në u-quarks (nga anglishtja lart - lart) dhe d-Kuarkët (nga anglishtja poshtë - poshtë), gjithashtu kanë një ngarkesë elektrike të barabartë me u-kuark dhe për d- kuark. Dy u-kuark dhe një d-Kuarkët japin një ngarkesë elektrike +1 dhe formojnë një proton dhe një u-kuark dhe dy d-Kuarkët japin ngarkesë elektrike zero dhe formojnë një neutron.

Protonet dhe neutronet e qëndrueshme, të tërhequr nga njëri-tjetri nga forcat e mbetura të ngjyrave të ndërveprimit midis kuarkeve të tyre përbërëse, formojnë një bërthamë atomike neutrale ndaj ngjyrave. Por bërthamat mbajnë një ngarkesë elektrike pozitive dhe, duke tërhequr elektrone negative që rrotullohen rreth bërthamës si planetët që rrotullohen rreth Diellit, priren të formojnë një atom neutral. Elektronet në orbitat e tyre hiqen nga bërthama në distanca dhjetëra mijëra herë më të mëdha se rrezja e bërthamës - dëshmi se forcat elektrike që i mbajnë ato janë shumë më të dobëta se ato bërthamore. Falë fuqisë së ndërveprimit të ngjyrave, 99,945% e masës së një atomi gjendet në bërthamën e tij. Pesha u- Dhe d-Kuarkët janë rreth 600 herë më shumë se masa e një elektroni. Prandaj, elektronet janë shumë më të lehta dhe më të lëvizshme se bërthamat. Lëvizja e tyre në materie shkaktohet nga fenomene elektrike.

Ekzistojnë disa qindra lloje natyrore të atomeve (përfshirë izotopet), që ndryshojnë në numrin e neutroneve dhe protoneve në bërthamë dhe, në përputhje me rrethanat, në numrin e elektroneve në orbitat e tyre. Më i thjeshti është atomi i hidrogjenit, i përbërë nga një bërthamë në formën e një protoni dhe një elektron të vetëm që rrotullohet rreth tij. E gjithë lënda "e dukshme" në natyrë përbëhet nga atome dhe atome pjesërisht "të çmontuara", të cilat quhen jone. Jonet janë atome që, pasi kanë humbur (ose fituar) disa elektrone, janë bërë grimca të ngarkuara. Lënda që përbëhet pothuajse tërësisht nga jone quhet plazma. Yjet që digjen për shkak të reaksioneve termonukleare që ndodhin në qendra përbëhen kryesisht nga plazma, dhe duke qenë se yjet janë forma më e zakonshme e materies në Univers, mund të themi se i gjithë Universi përbëhet kryesisht nga plazma. Më saktësisht, yjet janë kryesisht gaz hidrogjen i jonizuar plotësisht, d.m.th. një përzierje e protoneve dhe elektroneve individuale, dhe për këtë arsye, pothuajse i gjithë Universi i dukshëm përbëhet prej tij.

Kjo është një çështje e dukshme. Por ka edhe materie të padukshme në Univers. Dhe ka grimca që veprojnë si bartës të forcës. Ekzistojnë antigrimca dhe gjendje të ngacmuara të disa grimcave. E gjithë kjo çon në një bollëk qartësisht të tepruar të grimcave "elementare". Në këtë bollëk mund të gjesh një tregues të natyrës aktuale, të vërtetë të grimcave elementare dhe forcave që veprojnë ndërmjet tyre. Sipas teorive më të fundit, grimcat mund të jenë në thelb objekte gjeometrike të zgjeruara - "vargje" në hapësirën dhjetë-dimensionale.

Bota e padukshme.

Nuk ka vetëm materie të dukshme në Univers (por edhe vrima të zeza dhe "materie e errët", siç janë planetët e ftohtë që bëhen të dukshëm kur ndriçohen). Ekziston gjithashtu një lëndë vërtet e padukshme që përshkon të gjithë ne dhe gjithë universin çdo sekondë. Është një gaz me lëvizje të shpejtë grimcash të një lloji - neutrinot elektronike.

Një neutrino elektronike është partner i një elektroni, por nuk ka ngarkesë elektrike. Neutrinot mbajnë vetëm një të ashtuquajtur ngarkesë të dobët. Masa e tyre e pushimit është, sipas të gjitha gjasave, zero. Por ato ndërveprojnë me fushën gravitacionale sepse kanë energji kinetike E, që korrespondon me masën efektive m, sipas formulës së Ajnshtajnit E = mc 2 ku c- shpejtësia e dritës.

Roli kryesor i neutrinës është se ai kontribuon në transformimin Dhe- kuarke në d-kuarke, si rezultat i të cilave një proton shndërrohet në një neutron. Neutrinot veprojnë si "gjilpërë karburatori" për reaksionet e shkrirjes yjore, në të cilat katër protone (bërthamat e hidrogjenit) kombinohen për të formuar një bërthamë heliumi. Por meqenëse bërthama e heliumit nuk përbëhet nga katër protone, por nga dy protone dhe dy neutrone, për një shkrirje të tillë bërthamore është e nevojshme që dy Dhe-Kuarkët u kthyen në dy d- kuark. Intensiteti i transformimit përcakton se sa shpejt do të digjen yjet. Dhe procesi i transformimit përcaktohet nga ngarkesat e dobëta dhe forcat e dobëta të ndërveprimit midis grimcave. ku Dhe-kuark (ngarkesa elektrike +2/3, ngarkesa e dobët +1/2), duke bashkëvepruar me një elektron (ngarkesa elektrike - 1, ngarkesa e dobët –1/2), formon d-kuarku (ngarkesa elektrike –1/3, ngarkesa e dobët –1/2) dhe neutrinoja e elektroneve (ngarkesa elektrike 0, ngarkesa e dobët +1/2). Ngarkesat e ngjyrave (ose thjesht ngjyrat) e dy kuarkeve anulohen në këtë proces pa neutrinën. Roli i neutrinës është të largojë ngarkesën e dobët të pakompensuar. Prandaj, shkalla e transformimit varet nga sa të dobëta janë forcat e dobëta. Nëse do të ishin më të dobët se sa janë, yjet nuk do të digjen fare. Nëse do të ishin më të fortë, yjet do të ishin djegur shumë kohë më parë.

Po neutrinot? Për shkak se këto grimca ndërveprojnë jashtëzakonisht dobët me materiet e tjera, ato pothuajse menjëherë largohen nga yjet në të cilët kanë lindur. Të gjithë yjet shkëlqejnë, duke lëshuar neutrino, dhe neutrinot shkëlqejnë nëpër trupat tanë dhe gjithë Tokën ditë e natë. Kështu ata enden rreth Universit derisa të hyjnë, ndoshta, në një YLL të ri ndërveprim).

Bartësit e ndërveprimeve.

Çfarë i shkakton forcat që veprojnë ndërmjet grimcave në distancë? Përgjigjet e fizikës moderne: për shkak të shkëmbimit të grimcave të tjera. Imagjinoni dy patinatorë të shpejtësisë që hedhin një top përreth. Duke i dhënë vrull topit kur hidhet dhe duke marrë vrull me topin e marrë, të dy marrin një shtytje në një drejtim larg njëri-tjetrit. Kjo mund të shpjegojë shfaqjen e forcave repulsive. Por në mekanikën kuantike, e cila merr në konsideratë fenomenet në mikrobotë, lejohet shtrirja dhe delokalizimi i pazakontë i ngjarjeve, gjë që çon në të pamundurën në dukje: njëri nga patinatorët e hedh topin në drejtim. nga të ndryshme, por megjithatë atë Ndoshta kap këtë top. Nuk është e vështirë të imagjinohet se nëse kjo do të ishte e mundur (dhe në botën e grimcave elementare është e mundur), do të lindte tërheqje midis patinatorëve.

Grimcat, për shkak të shkëmbimit të të cilave forcat e ndërveprimit midis katër "grimcave të materies" të diskutuara më sipër, quhen grimca matës. Secili nga katër ndërveprimet – i fortë, elektromagnetik, i dobët dhe gravitacional – ka grupin e vet të grimcave matës. Grimcat bartëse të ndërveprimit të fortë janë gluonet (janë vetëm tetë prej tyre). Një foton është një bartës i ndërveprimit elektromagnetik (është vetëm një, dhe ne i perceptojmë fotonet si dritë). Grimcat bartëse të ndërveprimit të dobët janë bozone vektoriale të ndërmjetme (ato u zbuluan në 1983 dhe 1984 W + -, W- - bozone dhe neutrale Z-bozon). Grimca bartëse e ndërveprimit gravitacional është gravitoni ende hipotetik (duhet të jetë vetëm një). Të gjitha këto grimca, përveç fotonit dhe gravitonit, të cilët mund të udhëtojnë në distanca pafundësisht të gjata, ekzistojnë vetëm në procesin e shkëmbimit midis grimcave materiale. Fotonet mbushin Universin me dritë dhe gravitonët mbushin Universin me valë gravitacionale (ende nuk janë zbuluar në mënyrë të besueshme).

Një grimcë e aftë për të emetuar grimca matës thuhet se është e rrethuar nga një fushë përkatëse e forcave. Kështu, elektronet të afta për të emetuar fotone janë të rrethuar nga fusha elektrike dhe magnetike, si dhe nga fusha të dobëta dhe gravitacionale. Kuarkët janë gjithashtu të rrethuar nga të gjitha këto fusha, por edhe nga fusha e fortë e ndërveprimit. Grimcat me ngarkesë ngjyrash në fushën e forcave të ngjyrave ndikohen nga forca e ngjyrës. E njëjta gjë vlen edhe për forcat e tjera të natyrës. Prandaj, mund të themi se bota përbëhet nga materia (grimcat materiale) dhe fusha (grimcat matës). Më shumë rreth kësaj më poshtë.

Antimateria.

Çdo grimcë ka një antigrimcë, me të cilën grimca mund të asgjësohet reciprokisht, d.m.th. "asgjësoj", duke rezultuar në lirimin e energjisë. Megjithatë, energjia "e pastër" në vetvete nuk ekziston; Si rezultat i asgjësimit, shfaqen grimca të reja (për shembull, fotone) që e mbartin këtë energji.

Në shumicën e rasteve, një antigrimcë ka veti të kundërta me grimcën përkatëse: nëse një grimcë lëviz në të majtë nën ndikimin e fushave të forta, të dobëta ose elektromagnetike, atëherë antigrimca e saj do të lëvizë në të djathtë. Me pak fjalë, antigrimca ka shenja të kundërta të të gjitha ngarkesave (përveç ngarkesës në masë). Nëse një grimcë është e përbërë, siç është një neutron, atëherë antigrimca e saj përbëhet nga përbërës me shenja të kundërta ngarkesash. Kështu, një antielektron ka një ngarkesë elektrike +1, një ngarkesë të dobët +1/2 dhe quhet pozitron. Antineutron përbëhet nga Dhe-antikuarkë me ngarkesë elektrike –2/3 dhe d-antikuarkë me ngarkesë elektrike +1/3. Grimcat e vërteta neutrale janë antigrimcat e tyre: antigrimca e një fotoni është një foton.

Sipas koncepteve teorike moderne, çdo grimcë që ekziston në natyrë duhet të ketë antigrimcën e saj. Dhe shumë antigrimca, duke përfshirë pozitronet dhe antineutronet, u morën vërtet në laborator. Pasojat e kësaj janë jashtëzakonisht të rëndësishme dhe qëndrojnë në themel të gjithë fizikës eksperimentale të grimcave. Sipas teorisë së relativitetit, masa dhe energjia janë ekuivalente, dhe në kushte të caktuara energjia mund të shndërrohet në masë. Meqenëse ngarkesa ruhet dhe ngarkesa e vakumit (hapësira e zbrazët) është zero, çdo palë grimcash dhe antigrimcash (me ngarkesë neto zero) mund të dalin nga vakuumi, si lepujt nga kapelja e një magjistari, për sa kohë që ka energji të mjaftueshme për të. krijojnë masën e tyre.

Gjeneratat e grimcave.

Eksperimentet me përshpejtues kanë treguar se kuarteti i grimcave materiale përsëritet të paktën dy herë në vlera më të larta të masës. Në gjeneratën e dytë, vendin e elektronit e zë muoni (me një masë afërsisht 200 herë më të madhe se masa e elektronit, por me të njëjtat vlera të të gjitha ngarkesave të tjera), vendi i neutrinës së elektronit është marrë nga muoni (i cili shoqëron muonin në ndërveprime të dobëta në të njëjtën mënyrë si elektroni shoqërohet nga neutrina elektronike), Dhe-kuark zë Me- kuark ( i magjepsur), A d- kuark - s- kuark ( e çuditshme). Në gjeneratën e tretë, kuarteti përbëhet nga një tau lepton, një neutrino tau, t-kuark dhe b- kuark.

Pesha t-Një kuark është rreth 500 herë më i madh se masa më e lehtë - d- kuark. Është vërtetuar eksperimentalisht se ekzistojnë vetëm tre lloje të neutrinos të lehta. Kështu, gjenerata e katërt e grimcave ose nuk ekziston fare, ose neutrinot përkatëse janë shumë të rënda. Kjo është në përputhje me të dhënat kozmologjike, sipas të cilave nuk mund të ekzistojnë më shumë se katër lloje të neutrinos të lehta.

Në eksperimentet me grimca me energji të lartë, elektroni, muoni, tau leptoni dhe neutrinot përkatëse veprojnë si grimca të izoluara. Ata nuk mbajnë ngarkesë me ngjyra dhe hyjnë vetëm në ndërveprime të dobëta dhe elektromagnetike. Kolektivisht quhen leptonet.

Tabela 2. GJERIMET E GRIÇIMEVE THEMELORE
Grimca	Masa e pushimit, MeV/ Me 2	Ngarkesa elektrike	Ngarkesa me ngjyra	Ngarkesa e dobët
GJENERI I DYTË
Me- kuark	1500	+2/3	E kuqe, jeshile ose blu	+1/2
s- kuark	500	–1/3	Njësoj	–1/2
Neutrino muon		0	0	+1/2
Muon	106	0	0	–1/2
GJENERI I TRETË
t- kuark	30000–174000	+2/3	E kuqe, jeshile ose blu	+1/2
b- kuark	4700	–1/3	Njësoj	–1/2
Tau neutrino		0	0	+1/2
Tau	1777	–1	0	–1/2

Kuarkët, nën ndikimin e forcave të ngjyrave, kombinohen në grimca të forta ndërvepruese që dominojnë shumicën e eksperimenteve të fizikës me energji të lartë. Grimcat e tilla quhen hadronet. Ato përfshijnë dy nënklasa: barionet(të tilla si një proton dhe një neutron), të cilat përbëhen nga tre kuarke, dhe mezonet, i përbërë nga një kuark dhe një antikuark. Në vitin 1947, mezoni i parë, i quajtur pioni (ose pi-meson), u zbulua në rrezet kozmike dhe për disa kohë besohej se shkëmbimi i këtyre grimcave ishte shkaku kryesor i forcave bërthamore. Hadronet omega-minus, të zbuluara në vitin 1964 në Laboratorin Kombëtar Brookhaven (SHBA), dhe grimca JPS ( J/y-meson), i zbuluar njëkohësisht në Brookhaven dhe në Qendrën e Përshpejtuesit Linear Stanford (gjithashtu në SHBA) në vitin 1974. Ekzistenca e grimcës omega minus u parashikua nga M. Gell-Mann në të ashtuquajturën " S.U. 3 teori" (një emër tjetër është "rruga e tetëfishtë"), në të cilën fillimisht u sugjerua mundësia e ekzistencës së kuarkeve (dhe ky emër iu dha atyre). Një dekadë më vonë, zbulimi i grimcës J/y konfirmoi ekzistencën Me-kuark dhe më në fund i bëri të gjithë të besonin si në modelin e kuarkut ashtu edhe në teorinë që bashkonte forcat elektromagnetike dhe ato të dobëta ( Shikoni më poshtë).

Grimcat e gjeneratës së dytë dhe të tretë nuk janë më pak reale se e para. Vërtetë, pasi lindin, në të miliontat ose të miliardat e sekondës ato kalben në grimca të zakonshme të gjeneratës së parë: elektron, neutrinon elektronik dhe gjithashtu Dhe- Dhe d- kuarke. Pyetja se pse ka disa gjenerata të grimcave në natyrë mbetet ende një mister.

Për gjeneratat e ndryshme të kuarkeve dhe leptoneve shpesh flitet (që, natyrisht, është disi e çuditshme) si "shije" të ndryshme të grimcave. Nevoja për t'i shpjeguar ato quhet problemi i "shijes".

BOZONET DHE FERMIONET, FUSHA DHE MATERIA

Një nga ndryshimet themelore midis grimcave është ndryshimi midis bozoneve dhe fermioneve. Të gjitha grimcat ndahen në këto dy klasa kryesore. Bozonet identike mund të mbivendosen ose të mbivendosen, por fermionet identike nuk munden. Superpozicioni ndodh (ose nuk ndodh) në gjendjet diskrete të energjisë në të cilat mekanika kuantike e ndan natyrën. Këto gjendje janë si qeliza të veçanta në të cilat mund të vendosen grimcat. Pra, ju mund të vendosni sa më shumë bozone identike që dëshironi në një qelizë, por vetëm në një fermion.

Si shembull, merrni parasysh qelizat e tilla, ose "gjendjet" për një elektron që rrotullohet rreth bërthamës së një atomi. Ndryshe nga planetët e Sistemit Diellor, sipas ligjeve të mekanikës kuantike, një elektron nuk mund të qarkullojë në asnjë orbitë eliptike; për të ekziston vetëm një seri diskrete e "gjendjeve të lëvizjes" të lejuara. Komplet e gjendjeve të tilla, të grupuara sipas distancës nga elektroni në bërthamë, quhen orbitalet. Në orbitalën e parë ka dy gjendje me vrull të ndryshëm këndor dhe, për rrjedhojë, dy qeliza të lejuara, dhe në orbitalet më të larta ka tetë ose më shumë qeliza.

Meqenëse elektroni është një fermion, çdo qelizë mund të përmbajë vetëm një elektron. Nga kjo rrjedhin pasoja shumë të rëndësishme - e gjithë kimia, pasi vetitë kimike të substancave përcaktohen nga ndërveprimet midis atomeve përkatëse. Nëse kaloni nëpër sistemin periodik të elementeve nga një atom në tjetrin në rendin e rritjes me një të numrit të protoneve në bërthamë (numri i elektroneve gjithashtu do të rritet në përputhje me rrethanat), atëherë dy elektronet e para do të zënë orbitalën e parë, tetë të ardhshëm do të vendosen në të dytën, etj. Ky ndryshim i qëndrueshëm në strukturën elektronike të atomeve nga elementi në element përcakton modelet në vetitë e tyre kimike.

Nëse elektronet do të ishin bozone, atëherë të gjitha elektronet në një atom mund të zënë të njëjtën orbitale, që korrespondon me energjinë minimale. Në këtë rast, vetitë e të gjithë materies në Univers do të ishin krejtësisht të ndryshme, dhe Universi në formën në të cilën ne e dimë do të ishte i pamundur.

Të gjithë leptonet - elektroni, muoni, tau leptoni dhe neutrinot e tyre përkatëse - janë fermione. E njëjta gjë mund të thuhet për kuarkët. Kështu, të gjitha grimcat që formojnë "materien", mbushësi kryesor i Universit, si dhe neutrinot e padukshme, janë fermione. Kjo është mjaft domethënëse: fermionet nuk mund të kombinohen, kështu që e njëjta gjë vlen edhe për objektet në botën materiale.

Në të njëjtën kohë, të gjitha "grimcat matës" që shkëmbehen midis grimcave materiale ndërvepruese dhe që krijojnë një fushë forcash ( Shiko lart), janë bozone, që është gjithashtu shumë e rëndësishme. Kështu, për shembull, shumë fotone mund të jenë në të njëjtën gjendje, duke formuar një fushë magnetike rreth një magneti ose një fushë elektrike rreth një ngarkese elektrike. Falë kësaj, lazeri është gjithashtu i mundur.

Rrotullimi.

Dallimi midis bozoneve dhe fermioneve lidhet me një karakteristikë tjetër të grimcave elementare - rrotullim. Çuditërisht, të gjitha grimcat themelore kanë momentin e tyre këndor ose, thënë më thjesht, rrotullohen rreth boshtit të tyre. Këndi i impulsit është një karakteristikë e lëvizjes rrotulluese, ashtu si impulsi total i lëvizjes përkthimore. Në çdo ndërveprim, momenti këndor dhe momenti ruhen.

Në mikrokozmos, momenti këndor kuantizohet, d.m.th. merr vlera diskrete. Në njësitë e përshtatshme matëse, leptonet dhe kuarkët kanë një rrotullim 1/2, dhe grimcat matës kanë një rrotullim 1 (përveç gravitonit, i cili ende nuk është vëzhguar eksperimentalisht, por teorikisht duhet të ketë një rrotullim 2). Meqenëse leptonet dhe kuarkët janë fermione, dhe grimcat e matësve janë bozone, mund të supozojmë se "fermioniciteti" shoqërohet me spin 1/2 dhe "bosoniciteti" shoqërohet me spin 1 (ose 2). Në të vërtetë, si eksperimenti ashtu edhe teoria konfirmojnë se nëse një grimcë ka një spin gjysmë të plotë, atëherë ajo është një fermion, dhe nëse ka një spin numër të plotë, atëherë është një bozon.

TEORIET DHE GJEOMETRIA E GJENDESVE

Në të gjitha rastet, forcat lindin për shkak të shkëmbimit të bozoneve midis fermioneve. Kështu, forca e ngjyrave të bashkëveprimit midis dy kuarkeve (kuarkeve - fermioneve) lind për shkak të shkëmbimit të gluoneve. Një shkëmbim i ngjashëm ndodh vazhdimisht në protone, neutrone dhe bërthama atomike. Në mënyrë të ngjashme, fotonet e shkëmbyera midis elektroneve dhe kuarkeve krijojnë forcat tërheqëse elektrike që mbajnë elektronet në atom, dhe bozonet vektoriale të ndërmjetme të shkëmbyera midis leptoneve dhe kuarkeve krijojnë forcat e dobëta përgjegjëse për shndërrimin e protoneve në neutrone në reaksionet termonukleare në yje.

Teoria pas këtij shkëmbimi është elegante, e thjeshtë dhe ndoshta e saktë. Quhet teoria e matësve. Por aktualisht ekzistojnë vetëm teori të pavarura matës të ndërveprimeve të forta, të dobëta dhe elektromagnetike dhe një teori e ngjashme, edhe pse disi e ndryshme, e matësit të gravitetit. Një nga problemet më të rëndësishme fizike është zvogëlimi i këtyre teorive individuale në një teori të vetme dhe në të njëjtën kohë të thjeshtë, në të cilën të gjitha do të bëheshin aspekte të ndryshme të një realiteti të vetëm - si fytyrat e një kristali.

Tabela 3. DISA HADRONE

Tabela 3. DISA HADRONE
Grimca	Simboli	Përbërja e kuarkut *	Masa e pushimit, MeV/ Me 2	Ngarkesa elektrike
BARIONET
Protoni	fq	uud	938	+1
Neutron	n	udd	940	0
Omega minus	W -	sss	1672	–1
MESONET
Pi-plus	fq +	u	140	+1
Pi minus	fq –	du	140	–1
Fi	f	sє	1020	0
JP	J/y	cў	3100	0
Upsilon	Ў	b	9460	0
* Përbërja e kuarkut: u– krye; d- më e ulët; s- e çuditshme; c– i magjepsur; b- E bukur. Antiket tregohen me një vijë sipër shkronjës.

Më e thjeshta dhe më e vjetra nga teoritë e matësve është teoria e matësit të bashkëveprimit elektromagnetik. Në të, ngarkesa e një elektroni krahasohet (kalibrohet) me ngarkesën e një elektroni tjetër të largët prej tij. Si mund të krahasoni tarifat? Ju, për shembull, mund ta afroni elektronin e dytë me të parën dhe të krahasoni forcat e tyre të ndërveprimit. Por a nuk ndryshon ngarkesa e një elektroni kur ai lëviz në një pikë tjetër të hapësirës? Mënyra e vetme për të kontrolluar është të dërgoni një sinjal nga një elektron i afërt në një elektron të largët dhe të shihni se si reagon. Sinjali është një grimcë matës - një foton. Për të testuar ngarkesën në grimcat e largëta, nevojitet një foton.

Matematikisht, kjo teori është jashtëzakonisht e saktë dhe e bukur. Nga "parimi i matësit" të përshkruar më sipër rrjedh e gjithë elektrodinamika kuantike (teoria kuantike e elektromagnetizmit), si dhe teoria e fushës elektromagnetike e Maxwell - një nga arritjet më të mëdha shkencore të shekullit të 19-të.

Pse një parim kaq i thjeshtë është kaq i frytshëm? Me sa duket, ai shpreh një lidhje të caktuar midis pjesëve të ndryshme të Universit, duke lejuar që të bëhen matje në Univers. Në terma matematikorë, fusha interpretohet gjeometrikisht si lakimi i një hapësire të mundshme "të brendshme". Ngarkesa matëse është matja e "lakimit të brendshëm" total rreth grimcës. Teoritë e matësit të ndërveprimeve të forta dhe të dobëta ndryshojnë nga teoria e matësit elektromagnetik vetëm në "strukturën" e brendshme gjeometrike të ngarkesës përkatëse. Pyetjes se ku ndodhet saktësisht kjo hapësirë ​​e brendshme, kërkohet t'i përgjigjen teoritë e fushës të unifikuara shumëdimensionale, të cilat nuk diskutohen këtu.

Tabela 4. NDËRVEPRIMET THEMELORE
Ndërveprim	Intensiteti relativ në një distancë prej 10-13 cm	Rrezja e veprimit	Transportuesi i ndërveprimit	Masa e pushimit bartës, MeV/ Me 2	Rrotulloni bartësin
I forte	1		Gluon	0	1
elektro- magnetike	0,01	Ґ	Foton	0	1
I dobët	10 –13		W +	80400	1
			W –	80400	1
			Z 0	91190	1
Gravita- nacionale	10 –38	Ґ	Graviton	0	2

Fizika e grimcave nuk është ende e plotë. Nuk është ende e qartë nëse të dhënat e disponueshme janë të mjaftueshme për të kuptuar plotësisht natyrën e grimcave dhe forcave, si dhe natyrën dhe dimensionin e vërtetë të hapësirës dhe kohës. A kemi nevojë për eksperimente me energji 10 15 GeV për këtë, apo mundi i mendimit do të jetë i mjaftueshëm? Ende nuk ka përgjigje. Por mund të themi me besim se fotografia përfundimtare do të jetë e thjeshtë, elegante dhe e bukur. Është e mundur që nuk do të ketë kaq shumë ide themelore: parimi i matësit, hapësirat e dimensioneve më të larta, kolapsi dhe zgjerimi dhe, mbi të gjitha, gjeometria.

13.1. Koncepti i "grimcave elementare"

Në kuptimin e saktë të termit "elementar" janë grimcat kryesore të pandashme më të thjeshta pa strukturë të brendshme që përbëjnë materien.

Deri në vitin 1932, njiheshin katër lloje grimcash: elektronet, protonet, neutronet dhe fotonet. Këto grimca (me përjashtim të fotonit) janë me të vërtetë përbërës të materies së vëzhgueshme.

Deri në vitin 1956, rreth 30 grimca elementare ishin zbuluar tashmë. Kështu, si pjesë e rrezatimit kozmik, u zbuluan pozitronet (1932), muonet (1936), p(pi) - mezonet (1947), grimcat e çuditshme K (ka) - mezonet dhe hiperonet. Zbulimet e mëvonshme në këtë zonë u bënë me ndihmën e përshpejtuesve të mëdhenj që u japin grimcave energji të rendit të qindra e mijëra MeV. Kështu, antiprotonet (1955) dhe antineutronet (1956), hiperonet dhe rezonancat e rënda (vitet 60), grimcat "magjepsëse" dhe "të bukura" (vitet 70), t(tau) - lepton (1975), n(upsilon) - një grimcë me një masë prej rreth dhjetë (!) masa protonike, grimca "të bukura" (1981), bozone vektoriale të ndërmjetme (1983). Tani njihen disa qindra grimca dhe numri i tyre vazhdon të rritet.

Vetia e përbashkët e të gjitha këtyre grimcave elementare është se ato janë forma specifike të ekzistencës së materies që nuk shoqërohen në bërthama dhe atome. Për këtë arsye, termi " grimcat nënbërthamore". Shumica e këtyre grimcave nuk e plotësojnë përkufizimin e rreptë të elementaritetit, pasi (sipas koncepteve moderne) ato janë sisteme të përbëra, domethënë kanë një strukturë të brendshme. Sidoqoftë, në përputhje me praktikën e vendosur, termi "grimca elementare" ruhet. Grimcat që pretendojnë se janë elementët kryesorë të materies (për shembull, elektronet) quhen " vërtet elementare".

13.1.1. Vetitë themelore të grimcave elementare

Të gjitha grimcat elementare kanë masa shumë të vogla: nga 10 -22 (për bozonet e ndërmjetme) deri në ~ 10 -27 (për elektronet). Grimcat më të lehta janë neutrinot (masa e saj supozohet të jetë 10 mijë herë më e vogël se masa e një elektroni). Madhësia e grimcave elementare është gjithashtu jashtëzakonisht e vogël: nga 10 -13 cm (për hadronet) në< 10 -16 см у электронов и мюонов.

Masat dhe madhësitë mikroskopike përcaktojnë specifika kuantike sjellja e grimcave elementare. Vetia më e rëndësishme kuantike është aftësia për të lindur dhe shkatërruar (emetuar dhe absorbuar) kur ndërveprohet me grimcat e tjera.

Shumica e grimcave elementare e paqëndrueshme: lindur në rrezet kozmike ose përshpejtuesit, ata jetojnë për një pjesë të sekondës dhe më pas pësojnë kalbje. Një masë e qëndrueshmërisë së grimcave është jetëgjatësia mesatare t. Elektroni, protoni, fotoni dhe neutrinoja - grimca absolutisht të qëndrueshme(t®¥), në çdo rast, prishja e tyre nuk është zbuluar eksperimentalisht. Neutron pothuajse e qëndrueshme(t=(898±16)s. Ka grupe grimcash të paqëndrueshme me jetëgjatësi mesatare të rendit 10 -6, 10 -8, 10 -10, 10 -13, 10 -16, 10 -20 s. Grimcat e gjalla të buta janë rezonanca: t~(10 -22 ¸10 -23)s.

Karakteristikat e zakonshme të grimcave elementare janë gjithashtu spin, ngarkesa elektrike q dhe momenti magnetik i brendshëm. Spin zakonisht shprehet në njësi dhe merr vetëm vlera të plota ose gjysmë të plota. Ai përcakton numrin e gjendjeve të mundshme të rrotullimit të një grimce, si dhe llojin e statistikave të cilave u nënshtrohen këto grimca. Sipas këtij kriteri, të gjitha grimcat ndahen në fermionet(grimca me rrotullim gjysmë të plotë) dhe bozonet(grimca me rrotullim me numër të plotë). Ngarkesa elektrike e një grimce është një shumëfish i plotë i ngarkesës elementare |e| = 1,6 × 10 -19 Cl. Për grimcat elementare të njohura, ngarkesa elektrike në njësi e merr këto vlera: q = 0, ±1, ±2. Grimcat me ngarkesë të pjesshme - kuarket- nuk ndodhin në gjendje të lirë (shih pikën 5.3.2).

Momenti magnetik i brendshëm karakterizon bashkëveprimin e një grimce në qetësi me një fushë magnetike të jashtme. Vektorët dhe

paralele ose antiparalele.

Përveç atyre të listuara, grimcat elementare karakterizohen gjithashtu nga një sërë karakteristikash kuantike, të quajtura "të brendshme" (ngarkesa e leptonit, ngarkesa e barionit, çuditshmëria, etj.).

13.1.2 Grimcat dhe antigrimcat

Pothuajse çdo grimcë korrespondon antigrimcë- një grimcë me të njëjtën masë, jetëgjatësi, rrotullim; karakteristikat e tjera të tyre janë të barabarta në madhësi, por të kundërta në shenjë (ngarkesa elektrike, momenti magnetik, karakteristikat e brendshme kuantike). Disa grimca (për shembull, një foton) nuk kanë ndonjë numër kuantik të brendshëm dhe, për rrjedhojë, janë identike me antigrimcat e tyre - kjo është grimcat e vërteta neutrale.

Përfundimi për ekzistencën e antigrimcave u bë për herë të parë nga P. Dirac (1930). Ai nxori një ekuacion kuantik relativist që përshkruan gjendjen e një grimce me spin gjysmë të plotë. Për një grimcë të lirë, ekuacioni Dirak çon në një marrëdhënie relativiste midis momentit (p), energjisë (E) dhe masës (m) të grimcës:

Për një elektron në qetësi (p e =0), nivelet e mëposhtme të energjisë janë të mundshme: Dhe , diapazoni i energjisë "e ndaluar".

Në teorinë kuantike të fushës, gjendja e një grimce me energji negative interpretohet si gjendja e një antigrimce, e cila ka energji pozitive, por një ngarkesë elektrike të kundërt. Të gjitha nivelet e mundshme të energjisë negative janë të mbushura, por jo të vëzhgueshme. Një foton me energji është i aftë të transferojë një elektron nga një gjendje me energji negative në një gjendje me energji pozitive (shih Fig. 5.1) - elektroni bëhet i vëzhgueshëm.