อนุภาคมูลฐานและลักษณะสำคัญ อนุภาคมูลฐานเสถียร อนุภาคอื่นๆ ที่มีอยู่และอนุภาคสมมุติ
1. อนุภาคมูลฐาน- สิ่งเหล่านี้คือวัตถุขนาดเล็กซึ่งมีขนาดไม่เกินขนาดของนิวเคลียสของอะตอม อนุภาคมูลฐาน ได้แก่ โปรตอน นิวตรอน อิเล็กตรอน มีซอน นิวตริโน โฟตอน ฯลฯ
ไม่ควรเข้าใจการแสดงออกของอนุภาคมูลฐานว่าเป็นอนุภาคที่ไม่มีโครงสร้างซึ่งไม่สามารถเปลี่ยนแปลงได้ เมื่อวิทยาศาสตร์พัฒนาขึ้น เนื้อหาของคำศัพท์ทางวิทยาศาสตร์จะค่อยๆ เคลื่อนออกจากนิรุกติศาสตร์ ดังนั้นอะตอมจึงยังคงแบ่งแยกไม่ได้ในจิตใจของผู้คนจนกระทั่งมันเกิดขึ้นในช่วงต้นศตวรรษที่ 19 อะตอมเคมี ในความรู้ทางวิทยาศาสตร์สมัยใหม่อะตอมเป็นระบบไดนามิกที่ซับซ้อนซึ่งสามารถจัดเรียงใหม่ได้หลากหลาย ในทำนองเดียวกัน อนุภาคมูลฐานเมื่อมีการค้นพบคุณสมบัติใหม่ของพวกมัน จะเผยให้เห็นโครงสร้างที่ซับซ้อนมากขึ้นเรื่อยๆ
คุณสมบัติที่สำคัญที่สุดของอนุภาคมูลฐานคือความสามารถในการเกิดและเปลี่ยนรูปซึ่งกันและกันระหว่างการชนกัน เพื่อให้กระบวนการดังกล่าวเกิดขึ้น อนุภาคที่ชนกันจำเป็นต้องมีพลังงานสูง ดังนั้นฟิสิกส์ของอนุภาคจึงถูกเรียกว่าฟิสิกส์พลังงานสูง
ตามอายุการใช้งาน อนุภาคมูลฐานทั้งหมดจะถูกแบ่งออกเป็นสามกลุ่ม: เสถียร ไม่เสถียร และเสียงสะท้อน
อนุภาคเสถียรมีอยู่ในสถานะอิสระไม่จำกัดเวลา มีอนุภาคดังกล่าวเพียง 11 ชนิดเท่านั้น: โปรตอน p, อิเล็กตรอน e, อิเล็กตรอนนิวตริโน ν 0, มิวออนนิวตริโน νμ, เทาน์ นิวตริโน ντ, แอนติพาร์ติเคิลของพวกมัน p, e, ν e, νμ, ντ และบวกโฟตอน γ ยังไม่ทราบหลักฐานการทดลองการสลายตัวของอนุภาคเหล่านี้เอง
อนุภาคที่ไม่เสถียรจะมีอายุการใช้งานเฉลี่ย τ ซึ่งมีขนาดใหญ่มากเมื่อเทียบกับเวลาบินของนิวเคลียร์ลักษณะเฉพาะที่ 10 -23 วินาที (เวลาที่แสงใช้เดินทางผ่านเส้นผ่านศูนย์กลางของนิวเคลียส) ตัวอย่างเช่น สำหรับนิวตรอน τ = 16 นาที สำหรับมิวออน τ = 10 -6 s สำหรับไอออนที่มีประจุ τ = 10 -8 s สำหรับไฮเปอร์รอนและคาน τ = 10 -4 s
เสียงสะท้อนมีอายุการใช้งานเทียบได้กับเวลาบิน 10 -23 วินาที พวกมันถูกบันทึกโดยการสั่นพ้องบนเส้นโค้งของส่วนตัดขวางของปฏิกิริยาเทียบกับพลังงาน เสียงสะท้อนจำนวนมากถูกตีความว่าเป็นสภาวะตื่นเต้นของนิวคลีออนและอนุภาคอื่นๆ
2. ปฏิสัมพันธ์ขั้นพื้นฐาน. ปฏิสัมพันธ์ที่หลากหลายที่สังเกตได้ระหว่างอนุภาคมูลฐานและในธรรมชาติโดยรวมมี 4 ประเภทหลัก ได้แก่ แรง แม่เหล็กไฟฟ้า อ่อน และแรงโน้มถ่วง ปฏิกิริยาที่รุนแรงจะยึดนิวคลีออนไว้ในนิวเคลียสของอะตอมและมีอยู่ในแฮดรอน (โปรตอน นิวตรอน มีสัน ไฮเปอร์รอน ฯลฯ) ปฏิกิริยาทางแม่เหล็กไฟฟ้าเป็นสิ่งที่แสดงออกในระดับมหภาค - ยืดหยุ่น, หนืด, โมเลกุล, เคมี ฯลฯ ปฏิกิริยาที่อ่อนแอทำให้เกิดการสลายตัวของนิวเคลียส β และควบคุมพฤติกรรมของเปปโตนพร้อมกับแรงแม่เหล็กไฟฟ้า - อนุภาคมูลฐานที่มีการหมุนของจำนวนเต็มครึ่งจำนวน ที่ไม่มีส่วนร่วมในการโต้ตอบที่รุนแรง ปฏิสัมพันธ์ของแรงโน้มถ่วงมีอยู่ในวัตถุวัตถุทั้งหมด
เปรียบเทียบปฏิสัมพันธ์พื้นฐานระหว่างกันแต่มีความเข้มข้น ไม่มีคำจำกัดความที่ชัดเจนของแนวคิดนี้ และไม่มีวิธีการเปรียบเทียบความเข้ม ดังนั้นจึงใช้การเปรียบเทียบตามชุดของปรากฏการณ์
ตัวอย่างเช่น อัตราส่วนของแรงดึงดูดแรงโน้มถ่วงระหว่างโปรตอนสองตัวต่อแรงผลักคูลอมบ์คือ G (mp mp /r 2) /(e 2 /4πε 0 r 2) = 4πε 0 G(m p 2 /e 2) = 10 -36. ตัวเลขนี้ใช้เป็นการวัดอัตราส่วนระหว่างปฏิสัมพันธ์ระหว่างแรงโน้มถ่วงและแม่เหล็กไฟฟ้า
อัตราส่วนระหว่างปฏิกิริยาที่รุนแรงและแม่เหล็กไฟฟ้าซึ่งกำหนดจากหน้าตัดและพลังงานของปฏิกิริยานิวเคลียร์มีค่าประมาณ 10 4: 1 ความเข้มของปฏิกิริยาที่รุนแรงและอ่อนแอจะถูกเปรียบเทียบในลักษณะเดียวกัน
นอกจากความเข้มข้นแล้ว เวลาและระยะทางในการโต้ตอบยังใช้เป็นตัววัดการเปรียบเทียบการโต้ตอบอีกด้วย โดยปกติ เพื่อเปรียบเทียบเวลา เราใช้อัตราของกระบวนการที่พลังงานจลน์ของอนุภาคที่ชนกัน E = 1 GeV ที่พลังงานดังกล่าว กระบวนการที่เกิดจากปฏิกิริยาที่รุนแรงเกิดขึ้นระหว่างการบินด้วยนิวเคลียร์ 10 -23 วินาที กระบวนการที่เกิดจากปฏิกิริยาทางแม่เหล็กไฟฟ้าจะใช้เวลาประมาณ 10 -19 วินาที ปฏิกิริยาที่อ่อนแอจะใช้เวลาประมาณ 10 -9 วินาที และปฏิกิริยาแรงโน้มถ่วงจะใช้เวลาประมาณ 10 +16 ส. .
เส้นทางอิสระเฉลี่ยของอนุภาคในสารมักจะใช้เป็นระยะทางสำหรับการเปรียบเทียบอันตรกิริยา อนุภาคที่มีปฏิกิริยารุนแรงกับ E = 1 GeV จะถูกหน่วงโดยชั้นของโลหะหนักที่มีความหนาไม่เกิน 1 เมตร ในขณะที่นิวตริโนที่สามารถมีส่วนร่วมได้เฉพาะในปฏิกิริยาที่อ่อนแอเท่านั้นโดยมีพลังงานน้อยกว่า 100 เท่า (E = 10 MeV) สามารถรักษาไว้ได้โดย ชั้น 10 9 กม.!
ก. ปฏิสัมพันธ์ที่แข็งแกร่งไม่เพียงแต่รุนแรงที่สุดเท่านั้น แต่ยังเป็นการแสดงที่สั้นที่สุดในธรรมชาติด้วย ในระยะทางเกิน 10 -15 ม. บทบาทของมันจะไม่มีนัยสำคัญ ในขณะที่รับประกันความเสถียรของนิวเคลียส ปฏิกิริยานี้แทบไม่มีผลกระทบต่อปรากฏการณ์อะตอม การมีปฏิสัมพันธ์ที่รุนแรงนั้นไม่เป็นสากล มันไม่ได้มีอยู่ในอนุภาคทั้งหมด แต่เฉพาะในฮาดรอน - นิวคลีออน, มีซอน, ไฮเปอร์รอน ฯลฯ มีอนุภาค - โฟตอน, อิเล็กตรอน, มิวออน, นิวตริโน - ที่ไม่อยู่ภายใต้ปฏิสัมพันธ์ที่รุนแรงและไม่ได้เกิดจากการชนกัน
ข. ปฏิสัมพันธ์ทางแม่เหล็กไฟฟ้าความเข้มคือ 4 ลำดับความสำคัญต่ำกว่าความเข้ม พื้นที่หลักของการสำแดงคือระยะทางตั้งแต่เส้นผ่านศูนย์กลางแกนกลาง 10 -15 ม. และสูงถึงประมาณ 1 ม. ซึ่งรวมถึงโครงสร้างของอะตอม, โมเลกุล, ผลึก, ปฏิกิริยาเคมี, การเสียรูป, แรงเสียดทาน, แสง, คลื่นวิทยุและ ปรากฏการณ์ทางกายภาพอื่นๆ อีกมากมายที่มนุษย์รับรู้ได้
ปฏิกิริยาทางแม่เหล็กไฟฟ้านั้นรุนแรงที่สุดสำหรับอนุภาคที่มีประจุไฟฟ้า ในอนุภาคที่เป็นกลางซึ่งมีการหมุนไม่เป็นศูนย์ อนุภาคดังกล่าวจะอ่อนแอลงและเพียงเพราะว่าอนุภาคดังกล่าวมีโมเมนต์แม่เหล็กในลำดับ М=eћ/2m ปฏิกิริยาทางแม่เหล็กไฟฟ้าจะยิ่งอ่อนลงในไพออนที่เป็นกลาง π 0 และในนิวตริโน
คุณสมบัติที่สำคัญอย่างยิ่งของอันตรกิริยาของ EM คือการมีอยู่ของทั้งแรงผลักระหว่างอนุภาคที่มีประจุเหมือนกันและการดึงดูดระหว่างอนุภาคที่มีประจุต่างกัน ด้วยเหตุนี้ ปฏิกิริยาระหว่าง EM ระหว่างอะตอมกับวัตถุอื่นๆ ที่มีประจุสุทธิเป็นศูนย์จึงมีช่วงค่อนข้างสั้น แม้ว่าแรงคูลอมบ์ระหว่างอนุภาคมีประจุจะมีพิสัยยาวก็ตาม
จ. ปฏิสัมพันธ์ที่อ่อนแอเล็กน้อยเมื่อเทียบกับวัตถุที่แข็งแกร่งและแม่เหล็กไฟฟ้า แต่เมื่อระยะทางลดลงก็เพิ่มขึ้นอย่างรวดเร็ว หากเราสมมติว่าไดนามิกของการเติบโตยังคงลึกพอ ดังนั้นที่ระยะห่างประมาณ 10 -20 ม. ปฏิสัมพันธ์ที่อ่อนแอจะเท่ากับปฏิสัมพันธ์ที่แข็งแกร่ง แต่ระยะทางดังกล่าวยังไม่มีสำหรับการวิจัยเชิงทดลอง
ปฏิสัมพันธ์ที่อ่อนแอทำให้เกิดกระบวนการบางอย่างของการสับเปลี่ยนอนุภาค ตัวอย่างเช่น อนุภาคซิกมาบวกไฮเปอร์รอนจะสลายตัวเป็นโปรตอนและไพออนที่เป็นกลางภายใต้อิทธิพลของอันตรกิริยาที่อ่อนแอเท่านั้น Σ + => p + π 0 เนื่องจากปฏิสัมพันธ์ที่อ่อนแอ β การสลายตัวจึงเกิดขึ้น อนุภาค เช่น ไฮเปอร์รอน แคนออน มิวออนจะคงตัวหากไม่มีอันตรกิริยาที่อ่อนแอ
d. ปฏิสัมพันธ์แรงโน้มถ่วงอ่อนแอที่สุด แต่มีลักษณะเฉพาะคือการกระทำในระยะไกล ความครอบคลุมอย่างสมบูรณ์ (วัตถุทั้งหมดมีแรงโน้มถ่วง) และสัญญาณเดียวกันระหว่างอนุภาคคู่ใด ๆ คุณสมบัติหลังนำไปสู่ความจริงที่ว่าแรงโน้มถ่วงจะเพิ่มขึ้นเสมอเมื่อมีมวลวัตถุเพิ่มขึ้น ดังนั้นแรงโน้มถ่วงแม้จะมีความเข้มสัมพัทธ์เล็กน้อย แต่ก็มีบทบาทชี้ขาดในการโต้ตอบของร่างกายในจักรวาล - ดาวเคราะห์ดวงดาวกาแลคซี
ในโลกของอนุภาคมูลฐาน บทบาทของแรงโน้มถ่วงนั้นไม่มีนัยสำคัญ ดังนั้นในฟิสิกส์ของอะตอม นิวเคลียส และอนุภาคมูลฐาน จึงไม่คำนึงถึงปฏิสัมพันธ์ของแรงโน้มถ่วง
3. ลักษณะของอนุภาคมูลฐาน. จนถึงต้นทศวรรษที่ 50 ของศตวรรษที่ 20 แม้ว่าจำนวนอนุภาคที่ค้นพบจะค่อนข้างน้อย แต่ปริมาณทางกายภาพทั่วไปก็ถูกนำมาใช้เพื่ออธิบายอนุภาค ได้แก่ มวล m พลังงานจลน์ E โมเมนตัม p และเลขควอนตัมหนึ่งตัว - สปิน s ซึ่งทำให้สามารถ ตัดสินขนาดของอนุภาคโมเมนต์ทางกลและแม่เหล็ก สำหรับอนุภาคที่ไม่เสถียร จะมีการเพิ่มอายุการใช้งานเฉลี่ย τ ไว้ที่นี่
แต่ในรูปแบบของการเกิดและการสลายของอนุภาคบางชนิดทีละน้อย ก็เป็นไปได้ที่จะระบุลักษณะเฉพาะบางอย่างของอนุภาคเหล่านี้ได้ เพื่อกำหนดคุณสมบัติเหล่านี้ จำเป็นต้องแนะนำตัวเลขควอนตัมใหม่ บางคนถูกเรียกว่าข้อหา
ตัวอย่างเช่นปรากฎว่าในระหว่างการสลายตัวของอนุภาคหนักเช่นนิวตรอนมันไม่เคยเกิดขึ้นเลยที่มีเพียงอนุภาคแสงเท่านั้นที่ถูกสร้างขึ้นเช่นอิเล็กตรอน อี - , อี + และนิวตริโน ในทางกลับกัน เมื่ออิเล็กตรอนและโพซิตรอนชนกัน ก็จะไม่สามารถรับนิวตรอนได้ แม้ว่าจะเป็นไปตามกฎการอนุรักษ์พลังงานและโมเมนตัมก็ตาม เพื่อสะท้อนรูปแบบนี้ จึงได้มีการนำเลขควอนตัมประจุแบริออน B มาใช้ พวกเขาเริ่มเชื่อว่าอนุภาคหนักเช่นนี้ - แบริออนมี B = 1 และปฏิปักษ์ของพวกมัน B = -1 สำหรับอนุภาคแสง B = 0 เป็นผลให้รูปแบบที่ค้นพบอยู่ในรูปแบบของกฎการอนุรักษ์ประจุแบริออน
ในทำนองเดียวกัน สำหรับอนุภาคแสง ตัวเลขควอนตัมถูกนำมาใช้เชิงประจักษ์ - ประจุเลปตัน L - สัญญาณของการห้ามการแปลงบางอย่าง เราตกลงที่จะสันนิษฐานว่าประจุเลปตัน L e = +1 สำหรับอิเล็กตรอน e - และอิเล็กตรอนนิวทริโน ν e ,L µ = + 1 สำหรับมิวออนที่เป็นลบ µ - และนิวตริโนมิวออน ν µ ,L τ = +1 สำหรับเทาออนเชิงลบ τ - และเทาน นิวตริโน โวลต์ τ สำหรับปฏิปักษ์ที่สอดคล้องกัน L= -1 เช่นเดียวกับประจุแบริออน ประจุเลปโทนิกจะถูกสงวนไว้ในการโต้ตอบทั้งหมด
จากการค้นพบไฮเปอร์รอนที่เกิดในปฏิกิริยารุนแรง ปรากฎว่าอายุการใช้งานของพวกมันไม่เท่ากับเวลาบิน 10 -23 วินาที ซึ่งเป็นเรื่องปกติสำหรับอนุภาคที่มีปฏิกิริยาโต้ตอบอย่างรุนแรง แต่นานกว่า 10 13 เท่า สิ่งนี้ดูเหมือนไม่คาดคิดและแปลก และสามารถอธิบายได้ด้วยความจริงที่ว่าอนุภาคที่เกิดจากปฏิกิริยารุนแรงจะสลายตัวในปฏิกิริยาที่อ่อนแอ เพื่อสะท้อนคุณสมบัติของอนุภาคนี้ จึงได้นำความแปลกของเลขควอนตัม S มาใช้ อนุภาคแปลก ๆ มี S = + 1 ปฏิปักษ์ของพวกมันมี S = - 1 และอนุภาคอื่น ๆ มี S = 0
ประจุไฟฟ้า Q ของอนุภาคขนาดเล็กแสดงผ่านอัตราส่วนต่อประจุบวกเบื้องต้น e + ดังนั้นประจุไฟฟ้า Q ของอนุภาคจึงเป็นเลขควอนตัมจำนวนเต็มเช่นกัน สำหรับโปรตอน Q = + 1 สำหรับอิเล็กตรอน Q = -1 สำหรับนิวตรอน นิวตริโน และอนุภาคที่เป็นกลางอื่นๆ Q = 0
นอกจากพารามิเตอร์ที่ระบุชื่อแล้ว อนุภาคมูลฐานยังมีคุณลักษณะอื่นๆ ที่ไม่ได้พิจารณาในที่นี้
4. กฎการอนุรักษ์ในฟิสิกส์อนุภาคสามารถแบ่งออกได้เป็น 3 กลุ่ม คือ กฎหมายอนุรักษ์ทั่วไป กฎหมายอนุรักษ์ประจุที่แน่นอน และกฎหมายอนุรักษ์โดยประมาณ
ก . กฎสากลแห่งการอนุรักษ์ดำเนินการอย่างแม่นยำโดยไม่คำนึงถึงขนาดของปรากฏการณ์ - ในโลกขนาดจิ๋ว มาโคร และขนาดยักษ์ กฎเหล่านี้เป็นไปตามเรขาคณิตของอวกาศ-เวลา ความสม่ำเสมอของเวลานำไปสู่กฎการอนุรักษ์พลังงาน ความสม่ำเสมอของอวกาศ - กฎการอนุรักษ์โมเมนตัม ไอโซโทรปีของอวกาศ - กฎการอนุรักษ์โมเมนตัมเชิงมุม ความเท่าเทียมกันของ ISO - กฎการอนุรักษ์ศูนย์กลางของ ความเฉื่อย นอกเหนือจากกฎทั้ง 4 ข้อนี้แล้ว ยังรวมถึงอีกสองข้อที่เกี่ยวข้องกับความสมมาตรของอวกาศ - เวลาที่สัมพันธ์กับการสะท้อนของกระจกของแกนพิกัด จากสมมาตรกระจกของแกนพิกัด จะตามมาว่าสมมาตรทางขวา-ซ้ายของอวกาศเหมือนกัน (กฎการอนุรักษ์ความเท่าเทียมกัน) กฎที่เกี่ยวข้องกับความสมมาตรของกระจกแห่งเวลาพูดถึงเอกลักษณ์ของปรากฏการณ์ในพิภพเล็ก ๆ ที่เกี่ยวข้องกับการเปลี่ยนแปลงสัญลักษณ์ของเวลา
ข. กฎการอนุรักษ์ประจุที่แน่นอน. ระบบฟิสิคัลใดๆ จะได้รับการกำหนดให้มีประจุจำนวนเต็มแต่ละชนิด การเรียกเก็บเงินแต่ละครั้งเป็นการเพิ่มเติมและอนุรักษ์ไว้ มี 5 ประจุดังกล่าว: ไฟฟ้า Q, แบริออน B, ประจุไลโกนิกสามประจุ - อิเล็กตรอน L e, muon L µ ตัน L τ ค่าใช้จ่ายทั้งหมดเป็นจำนวนเต็มและสามารถมีค่าบวกและลบเป็นศูนย์ได้
ประจุไฟฟ้ามีความหมายสองเท่า มันไม่เพียงแต่แสดงถึงเลขควอนตัมเท่านั้น แต่ยังเป็นแหล่งกำเนิดของสนามแรงอีกด้วย ประจุแบริออนและเลปโทนิกไม่ใช่แหล่งกำเนิดของสนามพลัง สำหรับระบบที่ซับซ้อน ประจุรวมทุกประเภทจะเท่ากับผลรวมของประจุที่สอดคล้องกันของอนุภาคมูลฐานที่รวมอยู่ในระบบ
วี. กฎหมายอนุรักษ์โดยประมาณจะบรรลุผลได้เฉพาะในการโต้ตอบพื้นฐานบางประเภทเท่านั้น พวกเขาเกี่ยวข้องกับลักษณะเช่นความแปลกประหลาดของ S เป็นต้น
กฎหมายอนุรักษ์ที่ระบุไว้ทั้งหมดสรุปไว้ในตาราง 26.2
5. อนุภาคและปฏิภาคอนุภาคมีมวลเท่ากัน แต่ประจุทั้งหมดอยู่ตรงข้ามกัน การเลือกคู่ของอนุภาคและปฏิปักษ์นั้นขึ้นอยู่กับอำเภอใจ ตัวอย่างเช่น ในคู่อิเล็กตรอน + โพซิตรอน พวกเขาตกลงที่จะถือว่าอิเล็กตรอน e เป็นอนุภาค และโพซิตรอน e + เป็นปฏิปักษ์ ประจุอิเล็กตรอน Q =-1, B = 0, Le = +1, Lµ= 0, Lτ =0 ประจุโพซิตรอน Q = +1, V = 0, Le=-1, Lµ= 0, Lτ =0
ประจุทั้งหมดของระบบอนุภาค + ปฏิอนุภาคมีค่าเท่ากับศูนย์ ระบบดังกล่าวซึ่งประจุทั้งหมดมีค่าเท่ากับศูนย์ เรียกว่าเป็นกลางอย่างแท้จริง มีความเป็นกลางและอนุภาคที่แท้จริง มีสองอย่าง: γ - ควอนตัม (โฟตอน) และ η - มีซอน อนุภาคและปฏิปักษ์เหมือนกันที่นี่
6. การจำแนกประเภทของอนุภาคมูลฐานยังไม่เสร็จ. การจำแนกประเภทหนึ่งในปัจจุบันขึ้นอยู่กับอายุการใช้งานเฉลี่ย τ มวล m การหมุน s ประจุห้าประเภท ความแปลกประหลาด S และพารามิเตอร์อื่นๆ ของอนุภาค อนุภาคทั้งหมดแบ่งออกเป็น 4 คลาส
ชั้นที่ 1 ประกอบด้วยอนุภาคหนึ่งอนุภาค - โฟตอน โฟตอนมีมวลนิ่งและประจุทั้งหมดเป็นศูนย์ โฟตอนไม่อยู่ภายใต้ปฏิสัมพันธ์ที่รุนแรง การหมุนของมันคือ 1 ซึ่งตามสถิติแล้วมันคือโบซอน
ชั้นที่ 2 เกิดจากเลปตัน เหล่านี้เป็นอนุภาคแสงที่มีประจุแบริออนเป็นศูนย์ แต่ละอนุภาค - แล็ปท็อป - มีประจุเลนตันหนึ่งประจุที่ไม่เท่ากับศูนย์ Leptons ไม่ได้รับปฏิสัมพันธ์ที่รุนแรง การหมุนของเลปตันทั้งหมดคือ 1/2 ซึ่งตามสถิติแล้วพวกมันคือเฟอร์มิออน
ชั้นที่ 3 เกิดจากมีซอน เหล่านี้เป็นอนุภาคที่มีประจุแบริออนและเลปตันเป็นศูนย์ซึ่งมีส่วนร่วมในปฏิกิริยารุนแรง มีซอนทั้งหมดมีการหมุนเป็นจำนวนเต็ม กล่าวคือ ตามสถิติแล้ว พวกมันคือโบซอน
ชั้นที่ 4 ประกอบด้วยแบริออน อนุภาคเหล่านี้เป็นอนุภาคหนักที่มีประจุแบริออนไม่เป็นศูนย์ B ≠ O และมีประจุเลปตันเป็นศูนย์ Le,Lµ,Lτ = 0 พวกมันมีการหมุนแบบครึ่งจำนวนเต็ม (เฟอร์มิออน) และมีส่วนร่วมในการโต้ตอบที่รุนแรง เนื่องจากความสามารถของอนุภาคของคลาสที่ 3 และ 4 ในการมีส่วนร่วมในการโต้ตอบที่รุนแรง พวกมันจึงถูกเรียกว่าฮาดรอน
ตาราง 26.3 แสดงอนุภาคที่รู้จัก - ไม่ใช่เสียงสะท้อนที่มีคุณสมบัติหลัก ให้อนุภาคและปฏิปักษ์ อนุภาคที่เป็นกลางอย่างแท้จริงซึ่งไม่มีปฏิปักษ์จะถูกวางไว้ตรงกลางคอลัมน์ ชื่อมีไว้สำหรับอนุภาคเท่านั้น แอนติพาร์ติเคิลที่เกี่ยวข้องนั้นได้มาง่ายๆ โดยการเพิ่มคำนำหน้า "แอนติ" เข้ากับชื่อของอนุภาค ตัวอย่างเช่น โปรตอน - แอนติโปรตอน, นิวตรอน - แอนตินิวตรอน
แอนติอิเล็กตรอน e + มีชื่อทางประวัติศาสตร์ว่าโพซิตรอน ในส่วนที่เกี่ยวข้องกับประจุไพออนและคาน คำว่า "ปฏิปักษ์" ไม่ได้ถูกนำมาใช้จริง ต่างกันแค่ประจุไฟฟ้าเท่านั้น ดังนั้น พวกเขาจึงพูดถึงไพออนและคานที่เป็นบวกหรือลบ
เครื่องหมายด้านบนของประจุหมายถึงอนุภาค เครื่องหมายด้านล่างหมายถึงปฏิอนุภาค ตัวอย่างเช่น สำหรับคู่อิเล็กตรอน - โพซิตรอน Le = ± 1 ซึ่งหมายความว่าอิเล็กตรอนมี Le = + 1 และโพซิตรอนมี Le = -1
ตารางต่อไปนี้ใช้สัญลักษณ์ต่อไปนี้: Q - ประจุไฟฟ้า, B baryon ประจุ Le, Lµ, Lτ - ตามลำดับ, อิเล็กตรอน, muon, ประจุ leptopic taonic, S - ความแปลก, s - หมุน, τ - อายุการใช้งานเฉลี่ย
มวลที่เหลือ m มีหน่วยเป็นเมกะอิเล็กตรอนโวลต์ จากสมการสัมพัทธภาพ mc 2 =еU ตามหลัง m=eU/c 2 พลังงานอนุภาค 1 MeV สอดคล้องกับมวล m=eU/c 2 =1.6 *10 -19 /9*10 16 =17.71*10 -31 กก. นี่คือมวลอิเล็กตรอนประมาณสองก้อน หารด้วยมวลของอิเล็กตรอน m e = 9.11*10 -31 กก. เราจะได้ m = 1.94 m e
มวลของอิเล็กตรอนซึ่งแสดงในรูปของพลังงานคือ m e = 0.511 MeV
7. แบบจำลองควาร์กของแฮดรอน. แฮดรอนเป็นอนุภาคมูลฐานที่มีส่วนร่วมในปฏิกิริยาที่รุนแรง เหล่านี้คือมีซอนและแบริออน ในปี 1964 ชาวอเมริกัน เมอร์เรย์ เกลล์-มานน์ และจอร์จ ซไวก ตั้งสมมติฐานว่าโครงสร้างและคุณสมบัติของฮาดรอนสามารถเข้าใจได้ดีขึ้นโดยสมมติว่าฮาดรอนประกอบด้วยอนุภาคมูลฐานมากกว่า ซึ่งเกลล์-มานน์เรียกว่าควาร์ก สมมติฐานของควาร์กมีผลอย่างมากและปัจจุบันเป็นที่ยอมรับกันโดยทั่วไป
จำนวนควาร์กสมมุติเพิ่มขึ้นอย่างต่อเนื่อง จนถึงปัจจุบัน มีการศึกษาควาร์ก 5 สายพันธุ์ (รสชาติ) ที่ดีที่สุด: ควาร์ก u มีมวล m u = 5 MeV, ควาร์ก d มีมวล m d = 7 MeV, ควาร์ก s มี ms = 150 MeV, ควาร์ก c มี mc = 1300 MeV และ ควาร์ก b โดยมี mb=5,000 MeV ควาร์กแต่ละตัวมีแอนติควาร์กของตัวเอง
ควาร์กที่ระบุทั้งหมดมีสปินเท่ากัน 1/2 และมีประจุแบริออนเท่ากัน B = 1/3 ควาร์ก u, c มีประจุบวกเป็นเศษส่วน Q = + 2/3, ควาร์ก d, s, b มี
ประจุลบที่เป็นเศษส่วน Q = - 1/3 Quark s เป็นพาหะของความแปลกประหลาด Quark c เป็นพาหะของเสน่ห์ และควาร์ก b เป็นพาหะของความงาม (ตาราง 26.4)
ฮาดรอนแต่ละตัวสามารถแสดงเป็นผลรวมของควาร์กหลายตัวได้ จำนวนควอนตัม Q, B, S ของฮาดรอนจะได้มาจากผลรวมของจำนวนควาร์กที่สอดคล้องกันซึ่งประกอบกันเป็นฮาดรอน ถ้าควาร์กที่เหมือนกันสองตัวเข้าไปในฮาดรอน การหมุนของพวกมันจะตรงกันข้าม
แบริออนมีสปินเป็นครึ่งจำนวนเต็ม ดังนั้นพวกมันจึงสามารถประกอบด้วยควาร์กเป็นจำนวนคี่ได้ ตัวอย่างเช่น โปรตอนประกอบด้วยควาร์กสามตัว p => uud ประจุไฟฟ้าของโปรตอน Q =+ 2/3+2/3 – 1/3 = 1, ประจุแบริออนของโปรตอน B = 1/3+ 1/3 + 1/3 = 1, ความแปลกประหลาด S = O, การหมุน s = 1/2 – 1/2 +1/2=1/2
นิวตรอนยังประกอบด้วยควาร์กสามตัว n => udd ถาม =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. การรวมกันของสามควาร์กสามารถใช้แทนแบริออนต่อไปนี้: Λ 0 (uds), Σ + (uus), Σ 0 (uds), Σ - (dds),Ξ 0 (uss), Ξ - (dss), Ω - (sss) ถึง°(uss) ในกรณีหลังนี้ การหมุนของควาร์กทั้งหมดจะมีทิศทางไปในทิศทางเดียวกัน ดังนั้น Ω - - ไฮเปอร์รอนมีการหมุน 3/2
แอนติพาร์ติเคิลของแบริออนเกิดขึ้นจากแอนติควาร์กที่สอดคล้องกัน
มีซอนประกอบด้วยควาร์กสองตัวและแอนติควาร์ก ตัวอย่างเช่น ไพออนที่เป็นบวกคือ π + (ud) ประจุคือ Q = +2/3- (-1/3) = 1, B = 1/3-1/3= O, S = 0, หมุน 1/2 – 1/2= 0
แบบจำลองควาร์กสันนิษฐานว่าควาร์กมีอยู่ภายในแฮดรอน แต่ประสบการณ์แสดงให้เห็นว่าควาร์กไม่สามารถหนีจากฮาดรอนได้ แต่อย่างน้อยก็ในด้านพลังงานที่สามารถทำได้ด้วยเครื่องเร่งความเร็วสมัยใหม่ มีความเป็นไปได้สูงที่ควาร์กไม่สามารถดำรงอยู่ในสถานะอิสระได้เลย
ฟิสิกส์พลังงานสูงสมัยใหม่เชื่อว่าปฏิสัมพันธ์ระหว่างควาร์กนั้นเกิดขึ้นผ่านอนุภาคพิเศษ - กลูออน มวลที่เหลือของกลูออนเป็นศูนย์ การหมุนจะเท่ากับความสามัคคี เป็นไปได้ว่ากลูออนมีหลายประเภท
อนุภาคทั้งสามนี้ (เช่นเดียวกับอนุภาคอื่นๆ ที่อธิบายไว้ด้านล่าง) จะถูกดึงดูดและผลักไสซึ่งกันและกันตามอนุภาคเหล่านั้น ค่าธรรมเนียมซึ่งมีเพียงสี่ประเภทเท่านั้นตามจำนวนพลังพื้นฐานของธรรมชาติ ประจุสามารถจัดเรียงตามลำดับแรงที่สอดคล้องกันลดลงดังนี้ ประจุสี (แรงอันตรกิริยาระหว่างควาร์ก) ประจุไฟฟ้า (แรงไฟฟ้าและแม่เหล็ก); ประจุอ่อน (แรงในกระบวนการกัมมันตภาพรังสีบางชนิด); ในที่สุด มวล (แรงโน้มถ่วงหรือปฏิสัมพันธ์แรงโน้มถ่วง) คำว่า "สี" ในที่นี้ไม่เกี่ยวข้องกับสีของแสงที่ตามองเห็น มันเป็นเพียงลักษณะของประจุที่แข็งแกร่งและพลังที่ยิ่งใหญ่ที่สุด
ค่าธรรมเนียม ได้รับการบันทึกไว้, เช่น. ประจุที่เข้าระบบเท่ากับประจุที่ปล่อยออกมา หากประจุไฟฟ้ารวมของอนุภาคจำนวนหนึ่งก่อนปฏิสัมพันธ์ของพวกมันเท่ากับ 342 หน่วย ดังนั้นหลังจากการโต้ตอบโดยไม่คำนึงถึงผลลัพธ์ มันจะเท่ากับ 342 หน่วย นอกจากนี้ยังใช้กับประจุอื่นๆ ด้วย: สี (ประจุโต้ตอบรุนแรง) อ่อน และมวล (มวล) อนุภาคมีประจุต่างกัน โดยพื้นฐานแล้ว พวกมัน "คือ" ประจุเหล่านี้ ข้อกล่าวหาเปรียบเสมือน “หนังสือรับรอง” สิทธิในการตอบโต้กำลังที่เหมาะสม ดังนั้น เฉพาะอนุภาคสีเท่านั้นที่ได้รับผลกระทบจากแรงสี เฉพาะอนุภาคที่มีประจุไฟฟ้าเท่านั้นที่จะได้รับผลกระทบจากแรงไฟฟ้า เป็นต้น คุณสมบัติของอนุภาคถูกกำหนดโดยแรงที่ยิ่งใหญ่ที่สุดที่กระทำต่ออนุภาคนั้น มีเพียงควาร์กเท่านั้นที่เป็นพาหะของประจุทั้งหมด ดังนั้น จึงขึ้นอยู่กับการกระทำของแรงทั้งหมด โดยที่แรงที่โดดเด่นคือสี อิเล็กตรอนมีประจุทั้งหมดยกเว้นสี และแรงหลักสำหรับพวกมันคือแรงแม่เหล็กไฟฟ้า
ตามกฎแล้วธรรมชาติที่เสถียรที่สุดคือการรวมกันของอนุภาคที่เป็นกลางซึ่งประจุของอนุภาคของเครื่องหมายหนึ่งจะได้รับการชดเชยด้วยประจุรวมของอนุภาคของอีกเครื่องหมายหนึ่ง ซึ่งสอดคล้องกับพลังงานขั้นต่ำของทั้งระบบ (ในทำนองเดียวกัน แท่งแม่เหล็กสองแท่งจะจัดเรียงเป็นเส้นตรง โดยขั้วเหนือของแท่งหนึ่งหันไปทางขั้วใต้ของอีกแท่งหนึ่ง ซึ่งสอดคล้องกับพลังงานขั้นต่ำของสนามแม่เหล็ก) แรงโน้มถ่วงเป็นข้อยกเว้นสำหรับกฎนี้: ลบ ไม่มีมวล ไม่มีศพที่ล้มขึ้นไป
ประเภทของเรื่อง
สสารธรรมดาก่อตัวขึ้นจากอิเล็กตรอนและควาร์ก ซึ่งจัดกลุ่มเป็นวัตถุที่มีสีเป็นกลางแล้วจึงเกิดเป็นประจุไฟฟ้า พลังสีจะถูกทำให้เป็นกลาง ดังที่จะกล่าวถึงในรายละเอียดด้านล่าง เมื่ออนุภาครวมกันเป็นแฝดสาม (ดังนั้น คำว่า "สี" เองจึงนำมาจากทัศนศาสตร์: แม่สีสามสีเมื่อผสมกันจะทำให้เกิดสีขาว) ดังนั้น ควาร์กซึ่งมีความเข้มของสีเป็นหลักจึงก่อให้เกิดแฝดสาม แต่ควาร์กและพวกมันก็แบ่งออกเป็น ยู-ควาร์ก (จากภาษาอังกฤษขึ้น-บน) และ ง-ควาร์ก (จากภาษาอังกฤษ ลง-ล่าง) ยังมีประจุไฟฟ้าเท่ากับ ยู-ควาร์กและเพื่อ ง-ควาร์ก สอง ยู-ควาร์กและหนึ่ง ง-ควาร์กให้ประจุไฟฟ้า +1 ก่อตัวเป็นโปรตอน และอีก 1 อัน ยู-ควาร์กและสอง ง-ควาร์กให้ประจุไฟฟ้าเป็นศูนย์และก่อตัวเป็นนิวตรอน
โปรตอนและนิวตรอนที่เสถียรซึ่งดึงดูดซึ่งกันและกันด้วยแรงสีที่เหลือจากอันตรกิริยาระหว่างควาร์กที่เป็นส่วนประกอบของพวกมัน ก่อตัวเป็นนิวเคลียสของอะตอมที่มีสีเป็นกลาง แต่นิวเคลียสมีประจุไฟฟ้าเป็นบวก และดึงดูดอิเล็กตรอนเชิงลบที่โคจรรอบนิวเคลียสเหมือนกับดาวเคราะห์ที่โคจรรอบดวงอาทิตย์ มีแนวโน้มที่จะก่อตัวเป็นอะตอมที่เป็นกลาง อิเล็กตรอนในวงโคจรของพวกมันจะถูกกำจัดออกจากนิวเคลียสในระยะทางที่มากกว่ารัศมีของนิวเคลียสหลายหมื่นเท่า - หลักฐานที่แสดงว่าแรงไฟฟ้าที่ยึดพวกมันนั้นอ่อนแอกว่านิวเคลียร์มาก ด้วยพลังแห่งปฏิกิริยาระหว่างสี มวลอะตอมถึง 99.945% จึงมีอยู่ในนิวเคลียส น้ำหนัก ยู- และ ง-ควาร์กมีมวลประมาณ 600 เท่าของมวลอิเล็กตรอน ดังนั้นอิเล็กตรอนจึงเบากว่าและเคลื่อนที่ได้มากกว่านิวเคลียสมาก การเคลื่อนที่ของสสารเกิดจากปรากฏการณ์ทางไฟฟ้า
มีอะตอมตามธรรมชาติหลายร้อยชนิด (รวมถึงไอโซโทป) ต่างกันไปตามจำนวนนิวตรอนและโปรตอนในนิวเคลียส และตามจำนวนอิเล็กตรอนในวงโคจรของพวกมัน ที่ง่ายที่สุดคืออะตอมไฮโดรเจนซึ่งประกอบด้วยนิวเคลียสในรูปของโปรตอนและอิเล็กตรอนตัวเดียวที่หมุนรอบมัน สสารที่ "มองเห็น" ทั้งหมดในธรรมชาติประกอบด้วยอะตอมและอะตอมที่ "แยกส่วน" บางส่วนซึ่งเรียกว่าไอออน ไอออนคืออะตอมที่สูญเสีย (หรือได้รับ) อิเล็กตรอนไปหลายตัว และกลายเป็นอนุภาคที่มีประจุ สสารที่มีไอออนเกือบทั้งหมดเรียกว่าพลาสมา ดาวที่เผาไหม้เนื่องจากปฏิกิริยาเทอร์โมนิวเคลียร์ที่เกิดขึ้นในใจกลางประกอบด้วยพลาสมาเป็นส่วนใหญ่ และเนื่องจากดาวฤกษ์เป็นรูปแบบสสารที่พบได้บ่อยที่สุดในจักรวาล เราจึงสามารถพูดได้ว่าทั้งจักรวาลประกอบด้วยพลาสมาเป็นส่วนใหญ่ แม่นยำยิ่งขึ้น ดาวฤกษ์มีก๊าซไฮโดรเจนที่แตกตัวเป็นไอออนเต็มที่เป็นส่วนใหญ่ กล่าวคือ เป็นส่วนผสมของโปรตอนและอิเล็กตรอนแต่ละตัว ดังนั้นจักรวาลที่มองเห็นได้เกือบทั้งหมดจึงประกอบด้วยมัน
นี่เป็นเรื่องที่เห็นได้ แต่ก็มีสสารที่มองไม่เห็นในจักรวาลเช่นกัน และมีอนุภาคที่ทำหน้าที่เป็นตัวพาแรง มีปฏิปักษ์และสภาวะตื่นเต้นของอนุภาคบางชนิด ทั้งหมดนี้นำไปสู่อนุภาค "พื้นฐาน" ที่มากเกินไปอย่างเห็นได้ชัด ในความอุดมสมบูรณ์นี้ เราสามารถพบข้อบ่งชี้ถึงธรรมชาติที่แท้จริงของอนุภาคมูลฐานและแรงที่กระทำระหว่างอนุภาคเหล่านั้น ตามทฤษฎีล่าสุด อนุภาคอาจเป็นวัตถุทางเรขาคณิตที่ขยายออกไป ซึ่งก็คือ "สตริง" ในอวกาศสิบมิติ
โลกที่มองไม่เห็น
ไม่เพียงแต่มีสสารที่มองเห็นได้ในจักรวาลเท่านั้น (แต่ยังมีหลุมดำและ “สสารมืด” ด้วย เช่น ดาวเคราะห์เย็นที่มองเห็นได้เมื่อได้รับแสงสว่าง) นอกจากนี้ยังมีสสารที่มองไม่เห็นอย่างแท้จริงซึ่งแทรกซึมพวกเราทุกคนและทั่วทั้งจักรวาลทุกวินาที มันเป็นก๊าซที่เคลื่อนที่เร็วของอนุภาคประเภทหนึ่ง - อิเล็กตรอนนิวตริโน
อิเล็กตรอนนิวตริโนเป็นคู่ของอิเล็กตรอน แต่ไม่มีประจุไฟฟ้า นิวตริโนมีเพียงประจุที่เรียกว่าอ่อนเท่านั้น มวลที่เหลือของมันคือศูนย์ แต่พวกมันมีปฏิกิริยากับสนามโน้มถ่วงเพราะมันมีพลังงานจลน์ อีซึ่งสอดคล้องกับมวลประสิทธิผล มตามสูตรของไอน์สไตน์ อี = แมค 2 ที่ไหน ค- ความเร็วของแสง.
บทบาทสำคัญของนิวตริโนคือมีส่วนทำให้เกิดการเปลี่ยนแปลง และ-ควาร์กเข้า ง-ควาร์ก ซึ่งเป็นผลมาจากการที่โปรตอนกลายเป็นนิวตรอน นิวตริโนทำหน้าที่เป็น "เข็มคาร์บูเรเตอร์" สำหรับปฏิกิริยาฟิวชันของดาวฤกษ์ โดยโปรตอน (นิวเคลียสของไฮโดรเจน) สี่ตัวรวมกันเป็นนิวเคลียสฮีเลียม แต่เนื่องจากนิวเคลียสของฮีเลียมไม่ได้ประกอบด้วยโปรตอนสี่ตัว แต่มีโปรตอนสองตัวและนิวตรอนสองตัว สำหรับปฏิกิริยานิวเคลียร์ฟิวชันดังกล่าว จึงจำเป็นต้องมีสองโปรตอน และ-ควาร์กกลายเป็นสอง ง-ควาร์ก ความรุนแรงของการเปลี่ยนแปลงเป็นตัวกำหนดว่าดาวฤกษ์จะลุกไหม้ได้เร็วแค่ไหน และกระบวนการเปลี่ยนรูปถูกกำหนดโดยประจุอ่อนและแรงอันตรกิริยาอ่อนระหว่างอนุภาค โดยที่ และ-ควาร์ก (ประจุไฟฟ้า +2/3, ประจุอ่อน +1/2), ทำปฏิกิริยากับอิเล็กตรอน (ประจุไฟฟ้า - 1, ประจุอ่อน –1/2), ก่อตัว ง-ควาร์ก (ประจุไฟฟ้า –1/3, ประจุอ่อน –1/2) และอิเล็กตรอนนิวตริโน (ประจุไฟฟ้า 0, ประจุอ่อน +1/2) ประจุสี (หรือแค่สี) ของควาร์กทั้งสองจะหักล้างกันในกระบวนการนี้โดยไม่มีนิวตริโน บทบาทของนิวตริโนคือการนำประจุอ่อนที่ไม่ได้รับการชดเชยออกไป ดังนั้นอัตราการเปลี่ยนแปลงจึงขึ้นอยู่กับว่ากองกำลังที่อ่อนแอนั้นอ่อนแอเพียงใด หากพวกเขาอ่อนแอกว่าที่เป็นอยู่ ดวงดาวก็จะไม่เผาไหม้เลย หากพวกมันแข็งแกร่งขึ้น ดวงดาวคงจะมอดไหม้ไปนานแล้ว
แล้วนิวตริโนล่ะ? เนื่องจากอนุภาคเหล่านี้มีปฏิสัมพันธ์กับสสารอื่นน้อยมาก พวกมันจึงละทิ้งดาวฤกษ์ที่พวกมันเกิดเกือบจะในทันที ดวงดาวทุกดวงส่องแสงปล่อยนิวตริโนออกมา และนิวตริโนก็ส่องแสงไปทั่วร่างกายของเราและทั่วทั้งโลกทั้งกลางวันและกลางคืน ดังนั้นพวกเขาจึงเดินทางรอบจักรวาลจนกว่าพวกเขาจะเข้าสู่ STAR อันมีปฏิสัมพันธ์ใหม่)
ผู้ให้บริการของการมีปฏิสัมพันธ์
อะไรทำให้เกิดแรงที่กระทำระหว่างอนุภาคในระยะไกล? คำตอบทางฟิสิกส์สมัยใหม่: เนื่องจากการแลกเปลี่ยนอนุภาคอื่น ลองนึกภาพนักสเก็ตความเร็วสองคนขว้างลูกบอลไปรอบๆ โดยให้โมเมนตัมกับลูกบอลเมื่อโยนและรับโมเมนตัมกับลูกบอลที่ได้รับทั้งสองรับแรงผลักในทิศทางที่ห่างจากกัน สิ่งนี้สามารถอธิบายการเกิดขึ้นของพลังที่น่ารังเกียจได้ แต่ในกลศาสตร์ควอนตัมซึ่งพิจารณาปรากฏการณ์ในโลกใบเล็กอนุญาตให้มีการยืดและแยกส่วนที่ผิดปกติของเหตุการณ์ได้ซึ่งนำไปสู่สิ่งที่ดูเหมือนเป็นไปไม่ได้: นักสเก็ตคนหนึ่งขว้างลูกบอลไปในทิศทาง จากแตกต่างแต่อันนั้น อาจจะจับลูกบอลนี้ ไม่ใช่เรื่องยากที่จะจินตนาการว่าหากเป็นไปได้ (และในโลกของอนุภาคมูลฐานก็เป็นไปได้) แรงดึงดูดระหว่างนักเล่นสเก็ตก็จะเกิดขึ้น
อนุภาคเนื่องจากการแลกเปลี่ยนซึ่งแรงอันตรกิริยาระหว่าง "อนุภาคของสสาร" ทั้งสี่ที่กล่าวถึงข้างต้นเรียกว่าอนุภาคเกจ อันตรกิริยาทั้งสี่อัน ได้แก่ แรง แม่เหล็กไฟฟ้า อ่อน และแรงโน้มถ่วง มีชุดอนุภาคเกจของตัวเอง อนุภาคพาหะของปฏิกิริยารุนแรงคือกลูออน (มีเพียงแปดตัวเท่านั้น) โฟตอนเป็นพาหะของปฏิสัมพันธ์ทางแม่เหล็กไฟฟ้า (มีเพียงอันเดียวและเรารับรู้โฟตอนเป็นแสง) อนุภาคพาหะของปฏิกิริยาที่อ่อนแอคือโบซอนเวกเตอร์ระดับกลาง (ถูกค้นพบในปี 1983 และ 1984 ว + -, ว- -โบซอนและเป็นกลาง ซี-โบซอน) อนุภาคพาหะของปฏิกิริยาแรงโน้มถ่วงคือกราวิตอนสมมุติที่ยังคงอยู่ (ควรมีเพียงอันเดียว) อนุภาคทั้งหมดเหล่านี้ ยกเว้นโฟตอนและกราวิตอน ซึ่งสามารถเดินทางได้ในระยะทางไกลอย่างไม่สิ้นสุด จะมีอยู่เฉพาะในกระบวนการแลกเปลี่ยนระหว่างอนุภาคของวัสดุเท่านั้น โฟตอนทำให้จักรวาลเต็มไปด้วยแสง และกราวิตอนทำให้จักรวาลเต็มไปด้วยคลื่นความโน้มถ่วง (ยังไม่สามารถตรวจพบได้อย่างน่าเชื่อถือ)
กล่าวกันว่าอนุภาคที่สามารถปล่อยอนุภาคเกจออกมานั้นถูกล้อมรอบด้วยสนามแรงที่สอดคล้องกัน ดังนั้นอิเล็กตรอนที่สามารถปล่อยโฟตอนออกมาจึงถูกล้อมรอบด้วยสนามไฟฟ้าและสนามแม่เหล็ก เช่นเดียวกับสนามอ่อนและสนามโน้มถ่วง ควาร์กยังถูกล้อมรอบด้วยสนามเหล่านี้ทั้งหมด แต่ยังรวมถึงสนามปฏิสัมพันธ์ที่แข็งแกร่งด้วย อนุภาคที่มีประจุสีในสนามพลังสีจะได้รับผลกระทบจากแรงสี เช่นเดียวกับพลังแห่งธรรมชาติอื่นๆ ดังนั้นเราจึงสามารถพูดได้ว่าโลกประกอบด้วยสสาร (อนุภาควัสดุ) และสนาม (อนุภาคเกจ) ข้อมูลเพิ่มเติมเกี่ยวกับเรื่องนี้ด้านล่าง
ปฏิสสาร
แต่ละอนุภาคมีปฏิภาคซึ่งอนุภาคสามารถทำลายล้างร่วมกันได้เช่น “ทำลายล้าง” ส่งผลให้มีการปล่อยพลังงานออกมา อย่างไรก็ตามพลังงาน "บริสุทธิ์" ไม่มีอยู่ในตัวมันเอง ผลจากการทำลายล้าง อนุภาคใหม่ (เช่น โฟตอน) จะปรากฏขึ้นเพื่อดูดซับพลังงานนี้ไป
ในกรณีส่วนใหญ่ แอนติอนุภาคมีคุณสมบัติตรงข้ามกับอนุภาคที่เกี่ยวข้อง: หากอนุภาคเคลื่อนที่ไปทางซ้ายภายใต้อิทธิพลของสนามแม่เหล็กแรง สนามอ่อน หรือสนามแม่เหล็กไฟฟ้า ปฏิปักษ์ของมันจะเคลื่อนที่ไปทางขวา กล่าวโดยสรุป ปฏิอนุภาคมีสัญญาณตรงกันข้ามกับประจุทั้งหมด (ยกเว้นประจุมวล) หากอนุภาคประกอบด้วยองค์ประกอบต่างๆ เช่น นิวตรอน ปฏิปักษ์ของอนุภาคจะประกอบด้วยส่วนประกอบที่มีประจุตรงกันข้าม ดังนั้น แอนติอิเล็กตรอนจึงมีประจุไฟฟ้า +1 ซึ่งเป็นประจุอ่อนที่ +1/2 และเรียกว่าโพซิตรอน แอนตินิวตรอนประกอบด้วย และ-แอนติควาร์กที่มีประจุไฟฟ้า –2/3 และ ง-แอนติควาร์กที่มีประจุไฟฟ้า +1/3 อนุภาคที่เป็นกลางที่แท้จริงคือปฏิปักษ์ของพวกมันเอง โดยปฏิปักษ์ของโฟตอนก็คือโฟตอน
ตามแนวคิดทางทฤษฎีสมัยใหม่ แต่ละอนุภาคที่มีอยู่ในธรรมชาติควรมีปฏิปักษ์เป็นของตัวเอง และมีปฏิปักษ์หลายชนิด รวมทั้งโพซิตรอนและแอนตินิวตรอนในห้องปฏิบัติการ ผลที่ตามมาของสิ่งนี้มีความสำคัญอย่างยิ่งและเป็นรากฐานของฟิสิกส์อนุภาคเชิงทดลองทั้งหมด ตามทฤษฎีสัมพัทธภาพ มวลและพลังงานมีความเท่าเทียมกัน และภายใต้เงื่อนไขบางประการ พลังงานสามารถเปลี่ยนเป็นมวลได้ เนื่องจากประจุถูกสงวนไว้ และประจุของสุญญากาศ (พื้นที่ว่าง) เท่ากับศูนย์ คู่อนุภาคและปฏิอนุภาคใดๆ (ที่มีประจุสุทธิเป็นศูนย์) จึงสามารถออกมาจากสุญญากาศได้ เช่นเดียวกับกระต่ายที่ออกมาจากหมวกของนักมายากล ตราบใดที่ยังมีพลังงานเพียงพอที่จะทำให้ สร้างมวลของพวกเขา
รุ่นของอนุภาค
การทดลองด้วยเครื่องเร่งความเร็วแสดงให้เห็นว่าสี่อนุภาคของวัตถุถูกทำซ้ำอย่างน้อยสองครั้งที่ค่ามวลที่สูงกว่า ในรุ่นที่สอง มิวออนจะยึดตำแหน่งของอิเล็กตรอน (โดยมีมวลมากกว่ามวลของอิเล็กตรอนประมาณ 200 เท่า แต่ด้วยค่าเดียวกันของประจุอื่นทั้งหมด) ตำแหน่งของอิเล็กตรอนนิวตริโนคือ ถ่ายโดยมิวออน (ซึ่งมาพร้อมกับมิวออนในปฏิกิริยาที่อ่อนแอในลักษณะเดียวกับที่อิเล็กตรอนมาพร้อมกับอิเล็กตรอนนิวตริโน) วาง และ-ควาร์กครอบครอง กับ-ควาร์ก ( มีเสน่ห์) ก ง-ควาร์ก – ส-ควาร์ก ( แปลก). ในรุ่นที่สาม วงสี่ประกอบด้วยเทาว์เลปตัน เทานิวตริโน ที-ควาร์กและ ข-ควาร์ก
น้ำหนัก ที-ควาร์กมีมวลประมาณ 500 เท่าของมวลที่เบาที่สุด- ง-ควาร์ก มีการทดลองพบว่านิวตริโนเบามีเพียงสามประเภทเท่านั้น ดังนั้นอนุภาครุ่นที่สี่จึงไม่มีอยู่เลยหรือนิวตริโนที่เกี่ยวข้องนั้นหนักมาก ซึ่งสอดคล้องกับข้อมูลทางจักรวาลวิทยา โดยสามารถมีนิวตริโนเบาได้ไม่เกินสี่ประเภท
ในการทดลองกับอนุภาคพลังงานสูง อิเล็กตรอน มิวออน เทาเลปตัน และนิวตริโนที่เกี่ยวข้องจะทำหน้าที่เป็นอนุภาคที่แยกได้ พวกมันไม่มีประจุสีและเข้าสู่ปฏิกิริยาทางแม่เหล็กไฟฟ้าที่อ่อนเท่านั้น เรียกรวมกันว่า เลปตัน.
| ตารางที่ 2 การกำเนิดของอนุภาคพื้นฐาน | ||||
| อนุภาค | มวลที่เหลือ, MeV/ กับ 2 | ค่าไฟฟ้า | ค่าสี | การชาร์จที่อ่อนแอ |
| รุ่นที่สอง | ||||
| กับ-ควาร์ก | 1500 | +2/3 | แดงเขียวหรือน้ำเงิน | +1/2 |
| ส-ควาร์ก | 500 | –1/3 | เดียวกัน | –1/2 |
| มิวออนนิวทริโน | 0 | 0 | +1/2 | |
| มึน | 106 | 0 | 0 | –1/2 |
| รุ่นที่สาม | ||||
| ที-ควาร์ก | 30000–174000 | +2/3 | แดงเขียวหรือน้ำเงิน | +1/2 |
| ข-ควาร์ก | 4700 | –1/3 | เดียวกัน | –1/2 |
| เทานิวตริโน | 0 | 0 | +1/2 | |
| ตัว | 1777 | –1 | 0 | –1/2 |
ควาร์กภายใต้อิทธิพลของพลังสี รวมตัวกันเป็นอนุภาคที่มีปฏิสัมพันธ์อย่างรุนแรง ซึ่งครอบงำการทดลองทางฟิสิกส์พลังงานสูงส่วนใหญ่ อนุภาคดังกล่าวเรียกว่า ฮาดรอน. ประกอบด้วยสองคลาสย่อย: แบริออน(เช่นโปรตอนและนิวตรอน) ซึ่งประกอบด้วยควาร์ก 3 ตัว และ มีซอนประกอบด้วยควาร์กและแอนตีควาร์ก ในปี พ.ศ. 2490 มีการค้นพบก๊าซมีซอนชนิดแรกที่เรียกว่าไพออน (หรือไพเมซอน) ในรังสีคอสมิก และในบางครั้งเชื่อกันว่าการแลกเปลี่ยนของอนุภาคเหล่านี้เป็นสาเหตุหลักของกองกำลังนิวเคลียร์ ฮาดรอนโอเมก้าลบ ถูกค้นพบในปี พ.ศ. 2507 ที่ห้องปฏิบัติการแห่งชาติบรูกเฮเวน (สหรัฐอเมริกา) และอนุภาค JPS ( เจ/ย-meson) ค้นพบพร้อมกันที่ Brookhaven และที่ Stanford Linear Accelerator Center (ในสหรัฐอเมริกาเช่นกัน) ในปี 1974 M. Gell-Mann ทำนายการมีอยู่ของอนุภาคโอเมก้าลบด้วยสิ่งที่เรียกว่า “ ส.อ. 3 ทฤษฎี" (อีกชื่อหนึ่งคือ "เส้นทางแปดเท่า") ซึ่งเสนอแนะความเป็นไปได้ของการดำรงอยู่ของควาร์กเป็นครั้งแรก (และตั้งชื่อนี้ให้พวกเขา) ทศวรรษต่อมา การค้นพบอนุภาคดังกล่าว เจ/ยยืนยันการมีอยู่จริง กับ-ควาร์ก และในที่สุดก็ทำให้ทุกคนเชื่อทั้งแบบจำลองควาร์กและทฤษฎีที่รวมแรงแม่เหล็กไฟฟ้าและแรงอ่อนเข้าด้วยกัน ( ดูด้านล่าง).
อนุภาคของรุ่นที่สองและสามนั้นมีจริงไม่น้อยไปกว่ารุ่นแรก จริงอยู่ เมื่อเกิดขึ้นแล้ว ในล้านหรือหนึ่งในพันล้านวินาที พวกมันจะสลายตัวเป็นอนุภาคธรรมดาของรุ่นแรก: อิเล็กตรอน อิเล็กตรอนนิวตริโน และด้วย และ- และ ง-ควาร์ก คำถามที่ว่าทำไมจึงมีอนุภาคหลายชั่วอายุคนในธรรมชาติยังคงเป็นปริศนา
ควาร์กและเลปตันรุ่นต่างๆ มักถูกพูดถึง (ซึ่งแน่นอนว่าค่อนข้างแปลกประหลาด) ว่าเป็น "รสชาติ" ของอนุภาคที่แตกต่างกัน ความจำเป็นต้องอธิบายเรียกว่าปัญหา “รสชาติ”
โบซันและเฟอร์เมียน สนามและสสาร
ความแตกต่างพื้นฐานประการหนึ่งระหว่างอนุภาคคือความแตกต่างระหว่างโบซอนและเฟอร์มิออน อนุภาคทั้งหมดแบ่งออกเป็นสองชั้นหลักนี้ โบซอนที่เหมือนกันสามารถทับซ้อนกันหรือทับซ้อนกันได้ แต่เฟอร์มิออนที่เหมือนกันไม่สามารถทำได้ การซ้อนทับเกิดขึ้น (หรือไม่เกิดขึ้น) ในสถานะพลังงานที่ไม่ต่อเนื่องซึ่งกลศาสตร์ควอนตัมแบ่งธรรมชาติ สถานะเหล่านี้เปรียบเสมือนเซลล์ที่แยกจากกันซึ่งสามารถวางอนุภาคได้ ดังนั้น คุณสามารถใส่โบซอนที่เหมือนกันได้มากเท่าที่คุณต้องการลงในเซลล์เดียว แต่จะใส่เฟอร์มิออนเพียงเซลล์เดียวเท่านั้น
เพื่อเป็นตัวอย่าง ให้พิจารณาเซลล์ดังกล่าวหรือ "สถานะ" ของอิเล็กตรอนที่โคจรรอบนิวเคลียสของอะตอม ตามกฎของกลศาสตร์ควอนตัม ตามกฎของกลศาสตร์ควอนตัม ต่างจากดาวเคราะห์ในระบบสุริยะ อิเล็กตรอนไม่สามารถหมุนเวียนในวงโคจรทรงรีใดๆ ได้ เนื่องจากมีเพียง "สถานะการเคลื่อนที่" ที่อนุญาตเท่านั้น ชุดของสถานะดังกล่าวซึ่งจัดกลุ่มตามระยะห่างจากอิเล็กตรอนถึงนิวเคลียสเรียกว่า วงโคจร. ในวงโคจรแรกจะมีสถานะสองสถานะที่มีโมเมนตัมเชิงมุมต่างกัน ดังนั้น จึงอนุญาตให้มีเซลล์สองเซลล์ได้ และในวงโคจรที่สูงกว่าจะมีเซลล์แปดเซลล์หรือมากกว่านั้น
เนื่องจากอิเล็กตรอนเป็นเฟอร์เมียน แต่ละเซลล์จึงสามารถมีอิเล็กตรอนได้เพียงตัวเดียวเท่านั้น ผลที่ตามมาที่สำคัญมากตามมาจากนี้ - เคมีทั้งหมดเนื่องจากคุณสมบัติทางเคมีของสารถูกกำหนดโดยปฏิกิริยาระหว่างอะตอมที่เกี่ยวข้อง หากคุณผ่านระบบธาตุเป็นระยะจากอะตอมหนึ่งไปอีกอะตอมหนึ่งตามลำดับจำนวนโปรตอนในนิวเคลียสเพิ่มขึ้นทีละหนึ่ง (จำนวนอิเล็กตรอนก็จะเพิ่มขึ้นตามไปด้วย) จากนั้นอิเล็กตรอนสองตัวแรกจะครอบครองวงโคจรแรก แปดถัดไปจะอยู่ในวินาที ฯลฯ การเปลี่ยนแปลงอย่างสม่ำเสมอในโครงสร้างอิเล็กทรอนิกส์ของอะตอมจากองค์ประกอบหนึ่งไปยังอีกองค์ประกอบหนึ่งจะเป็นตัวกำหนดรูปแบบของคุณสมบัติทางเคมีของอะตอม
ถ้าอิเล็กตรอนเป็นโบซอน อิเล็กตรอนทั้งหมดในอะตอมก็สามารถอยู่ในวงโคจรเดียวกันได้ ซึ่งสอดคล้องกับพลังงานขั้นต่ำ ในกรณีนี้คุณสมบัติของสสารทั้งหมดในจักรวาลจะแตกต่างไปจากเดิมอย่างสิ้นเชิงและจักรวาลในรูปแบบที่เรารู้ว่ามันคงเป็นไปไม่ได้
เลปตอนทั้งหมด ได้แก่ อิเล็กตรอน มิวออน เทาเลปตัน และนิวตริโนที่เกี่ยวข้องกัน ล้วนเป็นเฟอร์มิออน เช่นเดียวกันอาจกล่าวได้เกี่ยวกับควาร์ก ดังนั้นอนุภาคทั้งหมดที่ก่อให้เกิด "สสาร" ซึ่งเป็นสารตัวเติมหลักของจักรวาลรวมถึงนิวตริโนที่มองไม่เห็นจึงเป็นเฟอร์มิออน สิ่งนี้ค่อนข้างสำคัญ: เฟอร์มิออนไม่สามารถรวมกันได้ ดังนั้นจึงใช้เช่นเดียวกันกับวัตถุในโลกวัตถุ
ในเวลาเดียวกัน "อนุภาคเกจ" ทั้งหมดที่แลกเปลี่ยนกันระหว่างอนุภาควัสดุที่มีปฏิสัมพันธ์และสร้างสนามพลัง ( ดูด้านบน) คือโบซอนซึ่งมีความสำคัญมากเช่นกัน ตัวอย่างเช่น โฟตอนจำนวนมากสามารถอยู่ในสถานะเดียวกัน โดยก่อตัวเป็นสนามแม่เหล็กรอบแม่เหล็กหรือสนามไฟฟ้ารอบประจุไฟฟ้า ด้วยเหตุนี้จึงสามารถทำเลเซอร์ได้
สปิน
ความแตกต่างระหว่างโบซอนและเฟอร์มิออนสัมพันธ์กับลักษณะอื่นของอนุภาคมูลฐาน - หมุน. น่าแปลกที่อนุภาคพื้นฐานทั้งหมดมีโมเมนตัมเชิงมุมของตัวเอง หรือพูดง่ายๆ ก็คือหมุนรอบแกนของมันเอง มุมของแรงกระตุ้นเป็นลักษณะของการเคลื่อนที่แบบหมุน เช่นเดียวกับแรงกระตุ้นรวมของการเคลื่อนที่ในการแปล ในปฏิกิริยาใดๆ โมเมนตัมเชิงมุมและโมเมนตัมจะถูกอนุรักษ์ไว้
ในพิภพเล็ก โมเมนตัมเชิงมุมจะถูกหาปริมาณ เช่น ใช้ค่าที่ไม่ต่อเนื่องกัน ในหน่วยการวัดที่เหมาะสม เลปตันและควาร์กมีการหมุน 1/2 และอนุภาคเกจมีการหมุน 1 (ยกเว้นกราวิตอนซึ่งยังไม่ได้ถูกสังเกตด้วยการทดลอง แต่ในทางทฤษฎีควรมีการหมุน 2) เนื่องจากเลปตันและควาร์กเป็นเฟอร์มิออน และอนุภาคเกจคือโบซอน เราจึงสามารถสรุปได้ว่า "เฟอร์ไมโอนิซิตี้" สัมพันธ์กับสปิน 1/2 และ "โบโซนิซิตี้" สัมพันธ์กับสปิน 1 (หรือ 2) แท้จริงแล้ว ทั้งการทดลองและทฤษฎียืนยันว่าหากอนุภาคมีการหมุนของจำนวนครึ่งจำนวนเต็ม มันก็จะเป็นเฟอร์มิออน และถ้ามันมีการหมุนของจำนวนเต็ม มันก็จะเป็นโบซอน
ทฤษฎีเกจและเรขาคณิต
ในทุกกรณี แรงเกิดขึ้นเนื่องจากการแลกเปลี่ยนโบซอนระหว่างเฟอร์มิออน ดังนั้นพลังสีของปฏิสัมพันธ์ระหว่างควาร์กสองตัว (ควาร์ก - เฟอร์มิออน) จึงเกิดขึ้นเนื่องจากการแลกเปลี่ยนกลูออน การแลกเปลี่ยนที่คล้ายกันเกิดขึ้นอย่างต่อเนื่องในโปรตอน นิวตรอน และนิวเคลียสของอะตอม ในทำนองเดียวกัน โฟตอนที่มีการแลกเปลี่ยนกันระหว่างอิเล็กตรอนและควาร์กจะสร้างแรงดึงดูดทางไฟฟ้าที่ยึดอิเล็กตรอนไว้ในอะตอม และโบซอนเวกเตอร์ตัวกลางที่แลกเปลี่ยนกันระหว่างเลปตันและควาร์กจะสร้างแรงอ่อนที่รับผิดชอบในการแปลงโปรตอนเป็นนิวตรอนในปฏิกิริยาเทอร์โมนิวเคลียร์ในดาวฤกษ์
ทฤษฎีที่อยู่เบื้องหลังการแลกเปลี่ยนนี้มีความสง่างาม เรียบง่าย และอาจถูกต้อง มันถูกเรียกว่า ทฤษฎีเกจ. แต่ในปัจจุบัน มีเพียงทฤษฎีเกจอิสระเกี่ยวกับปฏิกิริยาระหว่างแรง อ่อน และแม่เหล็กไฟฟ้า และทฤษฎีเกจแรงโน้มถ่วงที่คล้ายกัน แม้ว่าจะแตกต่างบ้างก็ตาม ปัญหาทางกายภาพที่สำคัญที่สุดประการหนึ่งคือการลดทอนทฤษฎีแต่ละทฤษฎีเหล่านี้ให้เป็นทฤษฎีเดียวและในเวลาเดียวกัน ซึ่งทฤษฎีเหล่านี้ทั้งหมดจะกลายเป็นแง่มุมที่แตกต่างกันของความเป็นจริงอันเดียว - เหมือนใบหน้าของคริสตัล
| ตารางที่ 3. HADRONS บางส่วน | ||||
| อนุภาค | เครื่องหมาย | องค์ประกอบของควาร์ก * | มวลที่เหลือ มีวี/ กับ 2 | ค่าไฟฟ้า |
| แบริออนส์ | ||||
| โปรตอน | พี | อุ๊ย | 938 | +1 |
| นิวตรอน | n | อุ๊ด | 940 | 0 |
| โอเมก้าลบ | ว – | เอสเอส | 1672 | –1 |
| มีซอนส์ | ||||
| Pi-บวก | พี + | ยู | 140 | +1 |
| ไพ ลบ | พี – | ดู่ | 140 | –1 |
| ฟิ | ฉ | ซ | 1020 | 0 |
| เจพี | เจ/ปี | คў | 3100 | 0 |
| อัพซิลอน | Ў | ข | 9460 | 0 |
| * องค์ประกอบของควาร์ก: ยู- สูงสุด; ง- ต่ำกว่า; ส- แปลก; ค– หลงเสน่ห์; ข- สวย. ของเก่าจะมีเส้นกำกับอยู่เหนือตัวอักษร | ||||
ทฤษฎีเกจที่ง่ายและเก่าแก่ที่สุดคือทฤษฎีเกจของปฏิกิริยาทางแม่เหล็กไฟฟ้า ในนั้นจะมีการเปรียบเทียบประจุของอิเล็กตรอน (ปรับเทียบ) กับประจุของอิเล็กตรอนตัวอื่นที่อยู่ห่างไกลจากมัน คุณจะเปรียบเทียบค่าใช้จ่ายได้อย่างไร? ตัวอย่างเช่น คุณสามารถนำอิเล็กตรอนตัวที่สองเข้ามาใกล้อิเล็กตรอนตัวแรกและเปรียบเทียบแรงอันตรกิริยาของพวกมันได้ แต่ประจุของอิเล็กตรอนไม่เปลี่ยนแปลงเมื่อมันเคลื่อนที่ไปยังจุดอื่นในอวกาศใช่หรือไม่ วิธีเดียวที่จะตรวจสอบได้คือการส่งสัญญาณจากอิเล็กตรอนใกล้ไปยังไกลและดูว่าอิเล็กตรอนมีปฏิกิริยาอย่างไร สัญญาณนั้นเป็นอนุภาคเกจ - โฟตอน เพื่อให้สามารถทดสอบประจุบนอนุภาคที่อยู่ห่างไกลได้ จำเป็นต้องมีโฟตอน
ในทางคณิตศาสตร์ทฤษฎีนี้มีความแม่นยำและสวยงามอย่างยิ่ง จาก "หลักการเกจ" ที่อธิบายไว้ข้างต้นกระแสพลศาสตร์ควอนตัมทั้งหมด (ทฤษฎีควอนตัมของแม่เหล็กไฟฟ้า) รวมถึงทฤษฎีสนามแม่เหล็กไฟฟ้าของแมกซ์เวลล์ - หนึ่งในความสำเร็จทางวิทยาศาสตร์ที่ยิ่งใหญ่ที่สุดของศตวรรษที่ 19
เหตุใดหลักการง่ายๆ เช่นนี้จึงเกิดผลมาก? เห็นได้ชัดว่าเป็นการแสดงออกถึงความสัมพันธ์บางอย่างระหว่างส่วนต่างๆ ของจักรวาล ทำให้สามารถวัดค่าในจักรวาลได้ ในแง่คณิตศาสตร์ สนามจะถูกตีความในเชิงเรขาคณิตว่าเป็นความโค้งของปริภูมิ "ภายใน" ที่เป็นไปได้ ประจุในการวัดคือการวัด "ความโค้งภายใน" ทั้งหมดรอบอนุภาค ทฤษฎีเกจของปฏิกิริยาระหว่างแรงและอ่อนนั้นแตกต่างจากทฤษฎีเกจแม่เหล็กไฟฟ้าใน "โครงสร้าง" เรขาคณิตภายในของประจุที่สอดคล้องกันเท่านั้น คำถามที่ว่าพื้นที่ภายในนี้หาคำตอบได้จากทฤษฎีสนามรวมหลายมิติซึ่งไม่ได้กล่าวถึงในที่นี้
| ตารางที่ 4. ปฏิสัมพันธ์พื้นฐาน | |||||
| ปฏิสัมพันธ์ | ความเข้มสัมพัทธ์ที่ระยะ 10–13 ซม | รัศมีของการกระทำ | ผู้ให้บริการโต้ตอบ | มวลนิ่งของผู้ขนส่ง, MeV/ กับ 2 | หมุนผู้ให้บริการ |
| แข็งแกร่ง | 1 | กลูออน | 0 | 1 | |
| ไฟฟ้า- แม่เหล็ก |
0,01 | Ґ | โฟตอน | 0 | 1 |
| อ่อนแอ | 10 –13 | ว + | 80400 | 1 | |
| ว – | 80400 | 1 | |||
| ซี 0 | 91190 | 1 | |||
| กราวิต้า- แห่งชาติ |
10 –38 | Ґ | กราวิตัน | 0 | 2 |
ฟิสิกส์ของอนุภาคยังไม่สมบูรณ์ ยังห่างไกลจากความชัดเจนว่าข้อมูลที่มีอยู่เพียงพอที่จะเข้าใจธรรมชาติของอนุภาคและแรง ตลอดจนธรรมชาติและมิติที่แท้จริงของอวกาศและเวลาอย่างแท้จริงหรือไม่ เราจำเป็นต้องมีการทดลองด้วยพลังงาน 10 15 GeV สำหรับสิ่งนี้ หรือความพยายามในการคิดจะเพียงพอหรือไม่? ยังไม่มีคำตอบ แต่เราสามารถพูดได้อย่างมั่นใจว่าภาพสุดท้ายจะเรียบง่าย สง่า และสวยงาม เป็นไปได้ว่าจะไม่มีแนวคิดพื้นฐานมากมาย เช่น หลักการเกจ ช่องว่างในมิติที่สูงกว่า การยุบตัวและการขยายตัว และเหนือสิ่งอื่นใดคือเรขาคณิต
13.1. แนวคิดเรื่อง “อนุภาคมูลฐาน”
ในความหมายที่ชัดเจนของคำว่า "ประถมศึกษา" คืออนุภาคที่ง่ายที่สุดหลักที่แบ่งแยกไม่ได้โดยไม่มีโครงสร้างภายในที่ประกอบเป็นสสาร
ในปี พ.ศ. 2475 มีการรู้จักอนุภาคสี่ประเภท ได้แก่ อิเล็กตรอน โปรตอน นิวตรอน และโฟตอน อนุภาคเหล่านี้ (ยกเว้นโฟตอน) เป็นส่วนประกอบของสสารที่สามารถสังเกตได้จริงๆ
ภายในปี 1956 มีการค้นพบอนุภาคมูลฐานประมาณ 30 ชนิด ดังนั้นในฐานะส่วนหนึ่งของรังสีคอสมิก โพซิตรอน (1932), มิวออน (1936), p(pi) - มีซอน (1947), อนุภาคแปลก ๆ K (ka) - มีซอนและไฮเปอร์รอนจึงถูกค้นพบ การค้นพบในเวลาต่อมาในบริเวณนี้เกิดขึ้นด้วยความช่วยเหลือของเครื่องเร่งอนุภาคขนาดใหญ่ที่ให้พลังงานระดับ MeV นับร้อยนับพันแก่อนุภาค ดังนั้นแอนติโปรตอน (1955) และแอนตินิวตรอน (1956), ไฮเปอร์รอนหนักและเสียงสะท้อน (60s), อนุภาคที่ "มีเสน่ห์" และ "น่ารัก" (70s), t(tau) - lepton ( 1975), n(upsilon) - อนุภาคที่มี มวลโปรตอนประมาณสิบ (!) อนุภาค "สวยงาม" (1981) โบซอนเวกเตอร์ระดับกลาง (1983) ขณะนี้ทราบอนุภาคหลายร้อยอนุภาคและจำนวนอนุภาคยังคงเพิ่มขึ้นอย่างต่อเนื่อง
คุณสมบัติทั่วไปของอนุภาคมูลฐานทั้งหมดนี้คือพวกมันเป็นรูปแบบเฉพาะของการดำรงอยู่ของสสารที่ไม่เกี่ยวข้องกับนิวเคลียสและอะตอม ด้วยเหตุนี้ คำว่า “ อนุภาคใต้นิวเคลียร์”. อนุภาคเหล่านี้ส่วนใหญ่ไม่เป็นไปตามคำจำกัดความที่เข้มงวดของธาตุเนื่องจาก (ตามแนวคิดสมัยใหม่) ระบบคอมโพสิตนั่นคือพวกเขามีโครงสร้างภายใน อย่างไรก็ตาม ตามแนวทางปฏิบัติที่กำหนดไว้ คำว่า "อนุภาคมูลฐาน" จะถูกคงไว้ อนุภาคที่อ้างว่าเป็นองค์ประกอบปฐมภูมิของสสาร (เช่น อิเล็กตรอน) เรียกว่า “ ประถมอย่างแท้จริง".
13.1.1. คุณสมบัติพื้นฐานของอนุภาคมูลฐาน
อนุภาคมูลฐานทั้งหมดมีมวลน้อยมาก: ตั้งแต่ 10 -22 (สำหรับโบซอนตัวกลาง) ถึง ~ 10 -27 (สำหรับอิเล็กตรอน) อนุภาคที่เบาที่สุดคือนิวตริโน (มวลของมันถือว่าน้อยกว่ามวลอิเล็กตรอน 10,000 เท่า) ขนาดของอนุภาคมูลฐานก็เล็กมากเช่นกัน: ตั้งแต่ 10 -13 ซม. (สำหรับแฮดรอน) ถึง< 10 -16 см у электронов и мюонов.
มวลและขนาดด้วยกล้องจุลทรรศน์เป็นตัวกำหนด ความจำเพาะของควอนตัมพฤติกรรมของอนุภาคมูลฐาน คุณสมบัติควอนตัมที่สำคัญที่สุดคือความสามารถในการเกิดและทำลาย (ปล่อยออกมาและดูดซึม) เมื่อทำปฏิกิริยากับอนุภาคอื่น
อนุภาคมูลฐานส่วนใหญ่ ไม่เสถียร: กำเนิดในรังสีคอสมิกหรือเครื่องเร่ง พวกมันมีชีวิตอยู่เสี้ยววินาทีแล้วสลายตัวไป การวัดความเสถียรของอนุภาคคืออายุการใช้งานเฉลี่ย t อิเล็กตรอน โปรตอน โฟตอน และนิวตริโน - อนุภาคที่เสถียรอย่างยิ่ง(t®¥) ไม่ว่าในกรณีใด ไม่มีการตรวจพบการสลายตัวของพวกมันในการทดลอง นิวตรอน เสมือนมีเสถียรภาพ(t=(898±16)s มีกลุ่มอนุภาคที่ไม่เสถียรมีอายุเฉลี่ยประมาณ 10 -6, 10 -8, 10 -10, 10 -13, 10 -16, 10 -20 s. มากที่สุด อนุภาคที่มีชีวิตอย่างอ่อนโยนคือการสั่นพ้อง : t~(10 -22 ธ10 -23)s
ลักษณะทั่วไปของอนุภาคมูลฐานก็คือการหมุน ประจุไฟฟ้า q และโมเมนต์แม่เหล็กภายใน สปินมักจะแสดงเป็นหน่วยและรับเฉพาะค่าจำนวนเต็มหรือครึ่งจำนวนเต็ม โดยจะกำหนดจำนวนสถานะการหมุนที่เป็นไปได้ของอนุภาค รวมถึงประเภทของสถิติที่อนุภาคเหล่านี้ต้องเผชิญ ตามเกณฑ์นี้อนุภาคทั้งหมดจะถูกแบ่งออกเป็น เฟอร์มิออน(อนุภาคที่มีการหมุนรอบครึ่งจำนวนเต็ม) และ โบซอน(อนุภาคที่มีจำนวนเต็มหมุน) ประจุไฟฟ้าของอนุภาคคือผลคูณจำนวนเต็มของประจุเบื้องต้น |e| = 1.6 × 10 -19 ซล. สำหรับอนุภาคมูลฐานที่ทราบ ประจุไฟฟ้าในหน่วยของ e จะใช้ค่าต่อไปนี้: q = 0, ±1, ±2 อนุภาคที่มีประจุเป็นเศษส่วน - ควาร์ก- ไม่เกิดขึ้นในสภาวะอิสระ (ดูข้อ 5.3.2)
โมเมนต์แม่เหล็กภายในแสดงลักษณะปฏิสัมพันธ์ของอนุภาคที่อยู่นิ่งกับสนามแม่เหล็กภายนอก เวกเตอร์และ
ขนานหรือตรงกันข้าม
นอกเหนือจากที่ระบุไว้ในรายการแล้ว อนุภาคมูลฐานยังมีคุณลักษณะพิเศษของควอนตัมอีกจำนวนหนึ่งที่เรียกว่า "ภายใน" (ประจุเลปตัน ประจุแบริออน ความแปลกประหลาด ฯลฯ)
13.1.2 อนุภาคและปฏิภาค
เกือบทุกอนุภาคสอดคล้องกัน ต่อต้านอนุภาค- อนุภาคที่มีมวล อายุการใช้งาน การหมุนเท่ากัน คุณลักษณะอื่นๆ มีขนาดเท่ากัน แต่ตรงกันข้ามในเครื่องหมาย (ประจุไฟฟ้า โมเมนต์แม่เหล็ก คุณลักษณะควอนตัมภายใน) อนุภาคบางชนิด (เช่น โฟตอน) ไม่มีเลขควอนตัมภายใน ดังนั้นจึงเหมือนกันกับปฏิภาคของพวกมัน - นี่คือ อนุภาคที่เป็นกลางอย่างแท้จริง.
ข้อสรุปเกี่ยวกับการมีอยู่ของปฏิภาคเกิดขึ้นครั้งแรกโดย P. Dirac (1930) เขาได้สมการควอนตัมสัมพัทธภาพซึ่งอธิบายสถานะของอนุภาคที่มีการหมุนรอบครึ่งจำนวนเต็ม สำหรับอนุภาคอิสระ สมการดิแรกจะนำไปสู่ความสัมพันธ์เชิงสัมพัทธภาพระหว่างโมเมนตัม (p) พลังงาน (E) และมวล (m) ของอนุภาค:
สำหรับอิเล็กตรอนที่อยู่นิ่ง (p e =0) ระดับพลังงานที่เป็นไปได้ต่อไปนี้: 
และ 
, ช่วงพลังงาน 
"ต้องห้าม"
ในทฤษฎีสนามควอนตัม สถานะของอนุภาคที่มีพลังงานเชิงลบจะถูกตีความว่าเป็นสถานะของปฏิอนุภาคซึ่งมีพลังงานบวก แต่มีประจุไฟฟ้าตรงกันข้าม ระดับพลังงานเชิงลบที่เป็นไปได้ทั้งหมดเต็มแล้วแต่ไม่สามารถสังเกตได้ โฟตอนที่มีพลังงานสามารถถ่ายโอนอิเล็กตรอนจากสถานะที่มีพลังงานเชิงลบไปยังสถานะที่มีพลังงานบวกได้ (ดูรูปที่ 5.1) - อิเล็กตรอนจะสังเกตได้
