Элементарные частицы все: ЭЛЕМЕНТАРНЫЕ ЧАСТИЦЫ • Большая российская энциклопедия

Содержание

ЭЛЕМЕНТАРНЫЕ ЧАСТИЦЫ • Большая российская энциклопедия

ЭЛЕМЕНТА́РНЫЕ ЧАСТИ́ЦЫ, первичные (неделимые) мельчайшие частицы, из которых состоит вся материя. Исторически к первым Э. ч. относили атомы, пока не была обнаружена их сложная структура: атом состоит из атомного ядра и вращающихся вокруг него электронов. Открытие структуры атомных ядер, построенных из двух частиц, протонов и нейтронов, собственно и стало рождением физики Э. ч. К Э. ч. стали относить протоны, нейтроны, электроны и позднее нейтрино. Вся наблюдаемая вокруг нас материя состоит из атомов, которые, в свою очередь, состоят из протонов, нейтронов и электронов, а нейтрино рождаются в процессе распада нейтрона. Некоторое время спустя было обнаружено, что кроме этих частиц существует ещё много других, которые, однако, имеют очень короткое время жизни и почти мгновенно распадаются.

На 2017 известно ок. 150 Э. ч., и число их возрастает.

В то же время в экспериментах на ускорителях было обнаружено, что подавляющее большинство этих частиц не истинно элементарные, а также являются составными. Дальнейшее развитие физики Э. ч. увенчалось созданием стандартной модели, в которой истинно элементарными и бесструктурными считаются 12 частиц (6 кварков и 6 лептонов) и кванты – переносчики трёх фундам. взаимодействий: фотон, калибровочные бозоны W и Z и глюон. Сюда же следует отнести и бозон Хиггса, играющий в стандартной модели важную роль и являющийся и Э. ч. материи, и переносчиком взаимодействия (см. Хиггса бозон).

Согласно совр. представлениям, Э. ч. описываются квантовой теорией. Их классификация основана на понятии квантовых чисел, к которым относятся заряды по отношению к разл. взаимодействиям, спин (собственный угловой момент), чётность по отношению к пространственным отражениям, барионное и лептонное числа и т. д. Все квантовые числа являются сохраняющимися величинами, связанными с группой симметрии. Стандартная модель основана на унитарной группе внутр. симметрии SU(3)×

SU(2)×U(1) и пространственной группе Пуанкаре. Частицы также классифицируются согласно тем взаимодействиям, в которых они принимают участие.

Элементарные частицы материи

Поколения элементарных частиц в стандартной модели.

Элементарные частицы материи разделяются на кварки и лептоны. Кварки участвуют в сильных, слабых и электромагнитных взаимодействиях. В сильных взаимодействиях кварки выступают в виде триплетов; соответствующее квантовое число, называемое цветом, принимает 3 значения. В слабых взаимодействиях

кварки выступают в виде дублетов; соответствующее квантовое число, называемое слабым изоспином, принимает 2 значения.

Электрич. заряд кварков дробный: для u-кварка из изоспинового дублета он равен +²/₃, для b-кварка –¹/₃ в единицах заряда электрона. Кварки имеют спин ¹/₂ и, следовательно, являются фермионами.

Лептоны участвуют в слабых и электромагнитных взаимодействиях. В слабых взаимодействиях лептоны, как и кварки, выступают в виде дублетов. Электрич. заряд лептонов целый, равный –1 у электрона и 0 у нейтрино. Лептоны также являются фермионами и имеют спин

1/₂.

Пока не до конца ясна природа легчайшего лептона – нейтрино. Для нейтрино, электрически нейтральной частицы, возможна ситуация, когда оно является античастицей самому себе. В этом случае его называют майорановским нейтрино. Но если это разные частицы, то тогда нейтрино является дираковской частицей. Неизвестно и абсолютное значение массы нейтрино, известны только разности масс между разл. сортами нейтрино, которые чрезвычайно малы.

Существуют 3 поколения кварков и лептонов (рис.). Частицы разных поколений имеют одинаковые квантовые числа и различаются только массами, каждое следующее поколение тяжелее предыдущего. Спектр масс кварков и лептонов в стандартной модели произвольный и простирается от долей эВ для нейтрино и нескольких МэВ для лёгких кварков до нескольких ГэВ для тяжёлых кварков и лептонов и сотни ГэВ для самой тяжёлой частицы – t-кварка. Спектр масс не предсказывается стандартной моделью и определяется из эксперим. данных. Массы всех кварков и лептонов возникают в результате их взаимодействия с полем Хиггса.

Кварки не наблюдаются в свободном состоянии. Их можно наблюдать только в связанных состояниях, называемых адронами, которые имеют целочисленный электрич. заряд и нейтральны по отношению к квантовому числу «цвет». Лептоны, наоборот, наблюдаются в свободном состоянии и также «бесцветны». В стандартной модели считается, что кварки не могут переходить в лептоны и наоборот, т. к. эти процессы привели бы к несохранению барионного и лептонного зарядов. Эти законы сохранения не следуют из общих принципов симметрии, но надёжно установлены экспериментально. Все кварки имеют барионный заряд, равный

1/₃, и лептонный заряд, равный нулю, а лептоны имеют лептонный заряд, равный 1, и нулевой барионный заряд.

Элементарные частицы – переносчики взаимодействий

Согласно квантовой теории, все взаимодействия Э. ч. осуществляются за счёт обмена квантами соответствующих полей. Переносчик сильного взаимодействия – глюон; он является октетом по отношению к цвету и не имеет ни изоспина, ни электрич. заряда. Как и кварк, глюон не наблюдается в свободном состоянии, а заперт внутри адронов. Переносчики слабых взаимодействий – промежуточные векторные W- и Z-бозоны. Они «бесцветны», являются триплетами по отношению к слабому изоспину, W-бозон имеет электрич. заряд ±1, Z-бозон нейтрален. Переносчик электромагнитного взаимодействия – фотон; он «бесцветен», не имеет изоспина и тоже нейтрален. Переносчики всех этих взаимодействий являются бозонами и имеют спин, равный 1. Они не несут ни барионного, ни лептонного заряда.

Последней частицей в этом ряду стоит бозон Хиггса. Он играет двоякую роль в стандартной модели: за счёт взаимодействия с классич. составляющей хиггсовского поля все частицы стандартной модели приобретают массу, а сам хиггсовский бозон является переносчиком ещё одного взаимодействия между кварками и лептонами, интенсивность которого пропорциональна массам частиц.

Он участвует также в слабых взаимодействиях и является дублетом по отношению к слабому изоспину. Электрич. заряд бозона Хиггса равен нулю, спин также нулевой.

Некоторые проблемы теории элементарных частиц

Согласно эксперим. данным по распадам Э. ч., а также с учётом данных по температурным флуктуациям микроволнового фонового излучения, число поколений Э. ч. равно трём. Теоретич. объяснения этого факта пока нет. Это означает, что поскольку все перечисленные выше частицы открыты экспериментально, то других, новых Э. ч. не существует. Однако возможно существование иных Э. ч., которые не описываются стандартной моделью и пока не обнаружены, т. к. они либо слишком тяжелы и не могут родиться на ускорителях частиц, либо слишком слабо взаимодействуют с известными частицами и поэтому пока не обнаружены. Примером служат гипотетич.

частицы, составляющие тёмную материю, которая проявляется за счёт своего гравитац. поля, но не зарегистрирована пока как индивидуальная частица.

К Э. ч. может быть отнесён также гравитон – квант гравитац. поля, но зарегистрировать его ещё труднее, поскольку в силу исключительной слабости гравитационного взаимодействия требуется средоточие огромных масс для получения сильной гравитации, что возможно лишь в окрестности чёрных дыр.

Кроме частиц, в природе существуют античастицы, составляющие антиматерию. Каждая частица имеет своего партнёра, античастицу, которая имеет те же самые свойства и ту же массу, что и обычная частица, но противоположные знаки всех зарядов. Существование античастиц следует из уравнений релятивистской квантовой теории поля, которая описывает все Э. ч. Ненаблюдаемость античастиц в окружающем нас мире, при том что они всегда рождаются на ускорителях в паре с обычными частицами, объясняется тем, что на ранних стадиях эволюции Вселенной был нарушен баланс между частицами и античастицами.

В результате частиц образовалось больше, чем античастиц, произошла их взаимная аннигиляция, и те частицы, которые остались, образуют совр. Вселенную.

Поскольку ни кварки, ни глюоны не наблюдаются в свободном состоянии, об их существовании известно косвенно, из экспериментов по рассеянию протонов и электронов. Эти эксперименты похожи на опыты Резерфорда, в которых было открыто атомное ядро, и демонстрируют, что внутри протонов и др. адронов находятся точечные составляющие, на которых и происходит рассеяние. Таким образом установлено, что адроны – составные частицы, образованные из кварков, а глюоны – «клей», который за счёт сильного взаимодействия не позволяет кваркам разлететься и делает адроны стабильными.

Кварковая модель адронов

Первоначально кварки были предложены для классификации адронов, но после опытов по рассеянию приобрели статус реальных частиц. Адроны, составленные из кварков, делятся на два больших класса: барионы (частицы с полуцелым спином) и мезоны (частицы с целым спином).

Барионы состоят из трёх кварков. Так, напр., протон состоит их двух u-кварков и одного d-кварка, причём цвета кварков составлены так, что протон «бесцветен», а спины разнонаправлены, так что суммарный спин оказывается равным ¹/₂. Электрич. заряд протона равен сумме зарядов кварков и равен +1. Нейтрон построен аналогичным образом и состоит из двух d-кварков и одного u-кварка. Существуют и барионы со спином ³/₂. Все барионы имеют барионный заряд, равный 1. Изначально кварковая модель основывалась на трёх кварках (u, d и s) и все барионы представляли собой разл. комбинации, составленные из этих кварков.

Мезоны состоят из кварка и антикварка и имеют барионный заряд, равный нулю. 0=u\overline u+d\overline d$. Черта над символом кварка обозначает антикварк. Спины кварков разнонаправлены, и полный спин π-мезона равен нулю. Существуют мезоны и со спином 1, когда спины составляющих их кварков однонаправлены.

Для систематизации адронных состояний использовали группу унитарной симметрии SU(3), где число 3 соответствовало числу кварков. Все имеющиеся барионы, составленные из трёх кварков, и мезоны, составленные из кварка и антикварка, прекрасно укладываются в представления этой группы, такие как октет, нонет или декуплет. Если бы частицы из мультиплетов имели одинаковые массы, то симметрия была бы точной. Из-за различия масс кварков она нарушается, однако это не приводит к разрушению мультиплетов, которые содержат все возможные частицы и правильно передают их квантовые числа. Такая классификация частиц на основе кварковой модели получила назв. восьмеричного пути в соответствии с простейшим мультиплетом. Ныне, когда известны 6 кварков, группа симметрии должна быть расширена до группы SU(6) и все имеющиеся адроны должны принадлежать к представлениям этой группы.

Все представленные выше адроны являются «бесцветными» комбинациями цветных кварков, но они не единственно возможны. Допустимы также адроны, составленные из четырёх, пяти и шести кварков и антикварков. Они получили название экзотич. адронов. Их также называют тетра-, пента- и секстакварками в зависимости от числа составляющих их кварков. Получено эксперим. подтверждение их существования. Возможно также существование адрона, образованного исключительно из глюонов. Он получил название глюбола, но пока ещё достоверно не идентифицирован.

Большинство Э. ч. нестабильны и распадаются на более лёгкие, если это не запрещено законами сохранения энергии, электрич. , цветного, барионного и лептонного зарядов. Стабильны фотон, электронное и мюонное нейтрино, электрон, протон и их античастицы. Остальные Э. ч. самопроизвольно распадаются за время от ок. 10³ с (для свободного нейтрона) до 10^–17–10^–24 (для адронов). В обобщениях стандартной модели при энергиях, заведомо недоступных ускорителям, возможен и распад протона, однако его время жизни больше 10³⁴ лет, что намного превышает время жизни Вселенной. Эксперим. подтверждения распада протона пока не получено.

Список элементарных частиц — Vladimir Gorunovich

Данная статья была написана Владимиром Горунович для сайта «Викизнание».

1 Систематизация по полевой теории элементарных частиц

Элементарные частицы: фрагмент спектра основных состояний.

Согласно полевой теории элементарных частиц число элементарных частиц бесконечно, поэтому можно говорить только об их части.

Рассмотрим элементарные частицы в порядке возрастания квантового числа L:

L=0 (спин = 1) – группировка фотона, имеется одна частица – фотон;
L=1/2 (спин = 1/2) – группировка лептонов, имеются 2 подгруппы (электрона и мюона) каждая по 4 частицы/античастицы. Все элементарные частицы данной группы открыты. Тау-лептон и его нейтрино является возбужденными состояниями мюона и мюонного нейтрино;
L=1 (спин = 0) – группировка мезонов, имеются 3 подгруппы (пи-мезона, К-мезона, эта мезона) каждая по три частицы/античастицы. Отсутствие нейтральной «античастицы» вызвано нулевой величиной спина. В данной группе пока не открыт заряженный эта мезон. Разделение К⁰-мезонов на К⁰_L и К⁰_S существует только в рамках квантовой теории;
L=3/2 (спин = 1/2) – группировка барионов, имеются 4 подгруппы (протона, лямбда-гиперона, сигма-гиперона, кси-гиперона) каждая по 4 частицы/античастицы. Общепринятая систематизация отнесла заряженный лямбда-гиперон к сигма гиперонам. Все элементарные частицы данной группы открыты;
L=2 (спин = 1) – группировка векторных мезонов, 5 подгрупп, каждая по 4 частицы/античастицы. В настоящий момент открыты следующие элементарные частицы: подгруппа D*-мезонов, W^±-мезоны(бозоны), Z⁰-мезон(бозон), J/ψ-мезон;
L=5/2 (спин = 3/2) – группировка тяжелых барионов, 6 подгрупп, каждая по 4 частицы/античастицы. В настоящий момент ни одна элементарная частица данной группы не открыта. Что касается омега-минус-гиперона — то он является возбужденным состоянием кси-гиперона;
L=3 (спин = 2) – группировка векторных мезонов, 7 подгрупп, каждая по 4 частицы/античастицы. В настоящий момент ни одна элементарная частица данной группы не открыта;
L=7/2 (спин = 5/2) – группировка тяжелых барионов, 8 подгрупп, каждая по 4 частицы/античастицы. В настоящий момент ни одна элементарная частица данной группы не открыта;
L=4 (спин = 3) – группировка векторных мезонов, 9 подгрупп, каждая по 4 частицы/античастицы. В настоящий момент ни одна элементарная частица данной группы не открыта;

и так до бесконечности с шагом 1/2.

Кроме того каждая элементарная частица с квантовым числом L>0 имеет бесконечное число возбужденных состояний. — Таковы реалии микромира. Понятное дело, что кварков, глюонов, бозона Хиггса и т.п. в природе нет — поэтому они до сих пор и небыли обнаружены.

2 Систематизация по квантовой теории поля

Взгляд на число элементарных частиц с точки зрения квантовой теории можно найти в стандартной модели, а также в статье кварки.

	Элементарные частицы (с точки зрения Стандартной модели)
Фермионы, в том числе гипотетические	Кварки: ∙ Верхний ∙ Нижний ∙ Странный ∙ Очарованный ∙ Прелестный ∙ Истинный Лептоны: ∙ Электрон ∙ Позитрон ∙ Мюон ∙ Тау-лептон ∙ Нейтрино
Калибровочные бозоны	∙ Фотоны ∙ W- и Z-бозоны (векторные мезоны)
До сих пор не обнаружены в природе	∙ Бозон Хиггса ∙ Кварки ∙ Глюоны ∙ Гравитон ∙ Другие гипотетические частицы

Здесь указаны не найденные в природе: кварки (под видом кварков нам всюду подсовывают их якобы следы), глюоны, гравитон, бозон Хиггса, но опущены мезоны и барионы, поскольку квантовая теория не считает данные элементарные частицы истинно элементарными. Кроме того часть векторных мезонов квантовая теория отнесла к элементарным частицам — это W- и Z-бозоны, а остальные векторные мезоны квантовая теория не считает элементарными частицами.

Квантовая теория систематизирует элементарные частицы по спину и дополнительно вводит свои квантовые числа (гиперзаряд, изотопический спин, странность, четность) существование которых в природе не доказано.

3 Список частиц и фундаментальные взаимодействия

Калибровочные бозоны в действительности являются обыкновенными элементарными частицами, поскольку передача взаимодействий посредством испускания виртуальных частиц противоречит закону сохранения энергии. Следовательно, калибровочных бозонов в природе нет. Это же относится к глюонам и другим гипотетическим переносчикам взаимодействий.

Элементарные частицы • Джеймс Трефил, энциклопедия «Двести законов мироздания»

На одном из сайтов «Звук. Звуковое оружие» один из физиков, его пароль rumorokarto-07-07-13. 01 написал, что «в опытах было установлено, что мозг может резонировать на определенных частотах. Кроме резонанса мозга как упругоинерционного тела выявилась возможность перекрестного эффекта резонанса инфразвука с частотой альфа и бета-волн, существующих в мозгу каждого человека…»
В опытах над чьими мозгами и откуда альфа и бета – волнам там резонировать – все это бред и обман для отвода глаз, обыкновенное членовредительство, облучение людей с разными целями- это облысение, сжигание волосяных покровов, сны в совокупности со звуковой волной и альфа, бета рентген волнами из лазер –луча-рентген луча- это сны, которые видят люди под внушением. То есть человек в теле носит звуковые волны – на tokamake идет круглоситочная трансляция – ночью люди видят сны, а днем они как роботы говорят и выполняют все что им внушают. Так людей и зомбируют. Люди носят в теле электромагнитные волны. Эти люди радиоуправляемые дистанционно, они в одну секунду могут превратиться в труппы — RU, а электричество не шутка и на этих волнах можно давать разное напряжение, а микроволнами перетягивают пальцы рук, стопы ног, аорту, делать спазмы внутренних органов и делать все это под диагнозы врачей. Физик с паролем rumorokarto-07-07 постеснялся написать о своих опытах с газами – это водород и плазма. Газ, который обжигает тело сверху и который вредит изнутри. Пузырьки газа в легких, в кишечнике, в желудке – это что? А газы – гелий, водород, плазма – все ионизированные – электрические. Плазму теперь принято называть электронным газом. Вот и представьте себя со звуковыми электромагнитными волнами в теле и Вас нашел рентген- лазер – луч, который видит вас насквозь. Лучом дадут напряжение на волне и вы труп. А что еще может сделать этот рентген – лазер – луч уже можно себе представить. Любой лазер – это электромагнит. Любые атомы газа проходят везде беспрепятственно – любая толщина стен, тела, батарей, земля, вода, воздух и т.д. Это и целенаправленные электромагнитные поля, в которых управляй чем и кем хочешь — вся бытовая техника и производственная, сам человек, которого шатает из стороны в сторону, от внушений и колебаний волнами в теле, ужас и боль и т.д. А еще этим газом наэлектризовывают частицы (атомы) любого вещества и струями, потоками переносят куда и кому захотят. Мы все слышим о воздушно – струйно – капельном методе – все это работает на земле. Эти газы они бесцветные и не имеют запаха, а их нам подают под разными запахами — это и бензин, и керосин, и пища, фекалии, моча, духи и т.д.
Струйные технологии – это и газы, и летящие в рот оксиды металлов – обжигающие кислые и соленые и другие наэлектризованные частицы. Я напишу о себе: однажды и по сегодняшний день у меня в голове появился транзисторный шум и моим пальцами на столе, ночью на одеяле начали писать хорошо выведенными русскими предложениями следующее: «Я твой Бог. Я хочу поисповедовать тебя. Я буду уничтожать всю твою семью поочереди. Я требую чтобы ты об этом никому не рассказывала, иначе я буду издеваться над твоими детьми у тебя на глазах. Ты должна беспрекословно подчиняться и научиться слушать меня, тогда ты не почувствуешь боли и умрешь легко и спокойно. Ты помнишь, как мы наказали твою знакомую Лиду Котову. Мы сожгли ей костный мозг в позвоночнике и она лежала пока не сдохла, причем солями высушили ей руки, ноги и голову. Я могу тебе показать много всяких Колек и инвалидов. Вспомни как мы сводили с ума твою знакомую Симанину Свету, мы ей постоянно делали всякие видения, а потом остановилось сердце, как и Скоковой Натальи, наводили ужасы, делали такие колебания волн, что она не могла спать и заставляли ее бежать из дома ночью и гулять.
В рот мне посыпались эти частицы солено-кислые, от газа в желудке пропал аппетит, сердце стучит, как бешенное от колебаний волн, по голове импульсивными ударами бьет электромагнитная волна и по позвоночнику струится электричество, а сверху газ, от которого высыхают ступни ног, кисти рук. На указательных пальцах язвочки, в которые сквозь бинты постоянно проникают атомы солено-кислые, ранки не зажигают. Доктора сделали рентген – диагностику уже дважды и дважды обнаружили кусочки проводниковых металлов. Лучом – магнитом поднимают волны в теле, за счет чего нарушается кровообращение во всех органах. От газа рассохся паркет, мебель, дает усадку постельное белье и одежда при стирке. На мобильном телефоне и электросчетчике большие суммы денег, зубы все повыбили, а бог пишет, что делает со всеми людьми так, чтобы люди без сожаления расставались с жизнью. Ночью открывает рты и вводит в рот что захочет, а также во влагалище и заднепроходное отверстие и пишет и спрашивает: « Ну как тебе, а я еще погазую». Тащит электромагнитом за копчик, чтобы быстро не ходила, а как больно, когда таскает за сухожилия и мышцы рук и ног. Полное всемогущество над всем на Земле. Шумеры (шум) звук знали и раньше, но не знали что газ ионизированный. Их за этой Токамакой работают трое: руководитель и двое его посвященных, иначе физически им было бы трудно вести трансляции круглосуточно. Пишут «нами все уже давно изучено, вот мы и управляем своей тайной властью, крутящие землю.
Парниковые эффекты в холодильных камерах(газ), оксиды – быстро портятся продукты, то списывают, то усыхают, суммы на электронных весах (не правильный вес), на мобильнике и по телефону не позвонить, когда захочешь сам. И рассказы про миллион способов умертвить человека. А волны везде: на любой высоте, и на любой глубине. Они называют себя серыми (сирыми) убивают как кур, через голову, гипофиз, позвоночник. Бог всевидящий, всеслышащий и всемогущий и он знает мою фамилию и адрес и что до приезда в Санкт-Петербург, ни я ни мои дети ничем никогда не болели. Я работаю в школе и каждые полгода прохожу медосмотры. Вот вам и гетероструктуры, струйные технологии, газодинамика, хаотическая и резонансная динамика спутников и спутниковых систем, «исследование рентгеновского излучения плазмы», «одномодовые и многомодовые лазеры», «газовые видения на небе, плачущие иконы и разная другая мистика в век мирного атома. В Интернете много жалоб на разные институты, энергии, но бог един для всех и живет вы Белом городе на белом престоле и «голос говорящий с небес» его и гипер – тон-ия и остановки сердца и легких и всесожжения духом святым (газом и электричеством и нет ему равных и носятся эти звуки и пугают и больших и маленьких. Где металл – там магниту делать нечего, а он и в структурах почти всего сущего.
Вот и Мои – сей, который водил дураков по пустыне. Стоят рассеиватели в Токамаке, есть радиотелеретронслятор, рентген – лазер – луч, волноводы, троидальная камера с магнитными стенками и катушкой. И все работает целенаправленно. Атомы без управления безвредны, все под управлением!
А Бог пишет, что кроме меня на него никто не жалуется, все ко всему привыкли, изменить ничего нельзя. Люди кричат от боли и умирают, умирают от рук зомби, от дорожно-транспортных происшествий, от пьянства, суицидов и т.д.
И неистово молятся, а они трое правят и никто ничего не может с ними сделать – так внушаемы люди, от этих круглосуточных и искусственно созданных забот, суеты и доверия. Вот уж где фашизм и настоящий ад.
Любой медицинский прибор, промышленный приборы, приборы Роспотребнадзора под управлением электромагнитного луча могут показывать все что захочет Бог.
Я написала этому Богу и просила прекратить нас сжигать атомами и оксидами. Подавала исковое заявление в Прокуратуру Санкт-Петербурга, Выборгский район, следственный отдел по Волховскому району. Из следственного отдела туда сходили, отписались актом проверки со слов самого Бога, а он себе не враг и на этом все закончилось. А Бог пишет «Ты не поверила, что внушения страшная сила, и что люди всего боятся, а я им в любое время внушу все, что захочу» А за что мне такие наказания от физика, лежать без движения, ведь он делает на мне все, что делает со мной физик rumorokarto-07-07-13.01. Бог пишет «А ты напиши на меня в Интернет» Я предупредила президента Медведева, что я напишу об этих сожжениях в Интернет, пусть люди знают о его величии, и величии Токамака за облаками.
Адреса убитых, родственники живы, можно проверить.
Город Новокубанск, Краснодарского края, Каплоново, ул. Цветочная д.2, Котова Лида (сожжение позвоночника)
Город Армавир, Краснодарского края, ул. Володарского д.16, кв. 25 Симанина Светлана (остановка сердца)
Поселок Пехинец, Ленинградской области, ул. Школьная д.23, Скокова Наташа и Сергей
Город Волхов, Ленинградская область, сжигают сухожилия рук и ног, чтобы человек лежал без движения.
Город Колпино, Ленинградской области, Астахова Александра, военный городок, остановка легких.

Ответить

Урок 29. элементарные частицы и их классификация — Физика — 11 класс

Физика, 11 класс

Урок 29. Элементарные частицы и их классификация

Перечень вопросов, рассматриваемых на уроке:

1) Элементарные частицы и их классификация;

2) ускорители элементарных частиц;

3) лептоны, адроны, кварки;

4) аннигиляция, античастицы;

5) глюоон.

Глоссарий по теме:

Элементарные частицы – это первичные, неразложимые далее частицы, из которых построена вся материя.

Спин – собственный момент импульса элементарной частицы.

Лептоны – фундаментальные частицы с полуцелым спином, не участвующие в сильном взаимодействии.

Адроны – элементарные частицы, участвующие в сильном, слабом и электромагнитном взаимодействии и имеющие внутреннюю структуру, в отличие от бесструктурных частиц (лептонов).

Стандартная модель – теория в физике элементарных частиц, описывающая электромагнитное, слабое и сильное взаимодействия всех элементарных частиц. Стандартная модель не включает в себя теорию гравитации.

Кварк – фундаментальная частица в Стандартной модели, обладающая электрическим зарядом, кратным e/3 () и не обнаруженная в свободном состоянии.

Основная и дополнительная литература по теме урока:

1. Мякишев Г.Я., Буховцев Б.Б., Чаругин В.М. Физика.11 класс. Учебник для общеобразовательных организаций М.: Просвещение, 2014. – С. 353 – 364.

2.Рымкевич А.П. Сборник задач по физике. 10-11 класс. -М.: Дрофа,2009. – С.155-162.

Основное содержание урока

Элементарные частицы — это первичные, неразложимые далее частицы, из которых построена вся материя. Элементарные частицы не остаются неизменными.

Все элементарные частицы способны превращаться друг в друга, и эти взаимные превращения — главный факт их существования.

Все частицы имеют двойников — античастицы. Например, по отношению к электрону античастицей является позитрон. Частица и античастица имеют одинаковые массы, а их заряды противоположны по знаку. При столкновении частицы с античастицей они исчезают (аннигилируют), превращаясь в другие частицы.

Кварки – более фундаментальные частицы, были обнаружены внутри протонов и нейтронов при наблюдении рассеяния электронов и нейтрино больших энергий на нуклонах.

Сильное взаимодействие кварков осуществляется при обмене глюонами.

Принцип Паули: в системе одинаковых фермионов любые два из них не могут одновременно находиться в одном и том же состоянии.

Фермионы – электрон, протон, нейтрон и электронное нейтрино.

Бозоны — фотон, π- мезон и ряд других частиц.

Разбор тренировочных заданий

1. Закончите утверждения, с клавиатуры впишите ответы в пустые клеточки. Если ответы верны, в кроссворде откроются слова.

Главный факт существования элементарных частиц – их взаимные ___________.
В результате электромагнитного взаимодействия из элементарных частиц образуются_______и _________.

Решение.

Т.к. взаимные превращения — главный факт существования элементарных частиц, то пропущенное слово – превращения;

В результате электромагнитного взаимодействия из элементарных частиц образуются молекулы и атомы.

Правильный ответ: превращения, молекулы и атомы.

2. С клавиатуры впишите численные значения ответов в пустые клеточки. Если ответы верны, в кроссворде откроются слова.

1) частицы с массами, превышающими массу нуклонов называются ________.

2) из скольких частиц состоит вся материя?

Решение: вспомнив классификацию элементарных частиц, установили, что частицы с массами, превышающими массу нуклонов называются гиперонами; и вся материя состоит из 24 элементарных частиц.

Ответ: гипероны; 24.

Элементарные частицы. Тайны природы, которые нам предстоит открыть — Нож

В конце XVIII — начале XIX века физики были твердо убеждены, что в их науке больше нечего исследовать и никаких прорывов в ней не предвидится. Однако прошло всего полвека, и в научных журналах стали появляться статьи, описывавшие необъяснимые результаты экспериментов. То Рентген откроет лучи, которые проникают через стекло и отклоняются в магнитном поле, то Беккерель засветит фотопластинку минералом урана… Эти явления заставили людей задуматься о том, что атомный мир намного сложнее, чем они думали.

Самой первой частицей, о которой узнали физики, стал электрон. Это понятие ввел еще в конце XIX века британский ученый Джордж Стоуни, чтобы описать перенос заряда в электрохимических процессах. А в 1897 году Джозеф Томсон, исследуя «катодные лучи», выяснил, что они состоят из частиц, обладающих также и волновыми свойствами.

Свойства волны и частицы во многом противоположны. Например, частица, ударяясь о препятствие, отскакивает, а волна может его огибать. Показателен в этом плане эксперимент Томаса Юнга, в котором ученый пропускал свет через две узкие щели. Казалось бы, если фотоны (еще одна элементарная частица, квант света) — это частицы, то они должны проходить через щель и оставлять на экране за ней две полосы. Но оказалось, что полос гораздо больше! Всё это легко объяснимо, если принять, что фотон — это волна, а волнам свойственно огибать препятствия (это явление называется дифракцией). Как рябь на воде огибает камень, так и электромагнитные волны могут «обходить» встречающиеся на их пути преграды.

Какие бывают элементарные частицы

После открытия электрона ученые ввели в картину мира фотон и остальные бозоны, дополнили список лептонов и открыли кварки.

С каждым витком развития науки люди стремились поделить вещество на мельчайшие части, чтобы понять, как оно устроено. Оказалось, что вся материя, которая нас окружает, похожа на матрешку с четырьмя оболочками:

то, что мы видим невооруженным глазом;
молекулярная структура;
атомная структура;
элементарный уровень.

Последняя «оболочка» была открыта не так давно и на данный момент считается самой маленькой. Она включает в себя все элементарные или фундаментальные частицы.

Да, их очень много — но так даже интереснее. Со времен открытия электрона ученые обнаружили огромное количество фундаментальных частиц и разделили их на две большие группы: фермионы (от фамилии итальянского физика Энрико Ферми) и бозоны (в честь индийского физика Сатьендры Нат Бозе).

Все частицы Стандартной модели, собранные в подобие системы Менделеева. Справа — бозоны, слева — фермионы

Элементарные частицы, в отличие от атомов, — это не всегда реально существующие объекты. Это, скорее, модели, созданные для описания разных видов взаимодействий и свойств материи.

Например, электромагнитное взаимодействие передается с помощью фотонов, ядро атома находится в стабильном состоянии благодаря мезонам — частицам, удерживающим протоны и нейтроны.

Физики выделяют разные виды взаимодействий (сильное, слабое, электромагнитное, гравитационное) и типы материи (атомы, антиматерия, темная материя, излучения). Чтобы изучить их свойства, нужно подробно описать их природу.

Во второй половине ХХ века группа ученых создала теорию под названием «Стандартная модель». Она помогла систематизировать большое количество открытых на тот момент элементарных частиц и соотнести каждую со своим видом материи или взаимодействия. Сейчас эта теория считается завершенной и включает 17 видов элементарных частиц, вместе описывающих 3 фундаментальных взаимодействия и некоторую часть известных видов материи. Однако Стандартная модель описывает далеко не всё. Например, в ее рамках нельзя описать силу гравитации, и ученые до сих пор ломают голову над тем, как бы ее объяснить.

Чтобы разобраться в мире элементарных частиц, мы расскажем обо всех 17 частицах Стандартной модели, разделив их на две большие группы: фермионы и бозоны.

I. Фермионы

В этот класс входят 12 обычных частиц и столько же античастиц. Они противоположны по заряду: например, античастица отрицательно заряженного электрона — это положительно заряженный позитрон.

Эти 12 частиц, в свою очередь, можно поделить на две группы по 6 штук: кварки и лептоны.

Как устроен атом

Атом состоит из ядра, в котором сосредоточено более 99 % его массы, и электронной оболочки, окружающей его, как облако. Электроны, составляющие внешнюю оболочку, — это элементарные частицы. Ядро же состоит из протонов и нейтронов (вместе они называются нуклонами). Протоны заряжены положительно, чтобы компенсировать отрицательный заряд электронов на внешней оболочке, а нейтроны, как следует из названия, вообще не имеют заряда и «склеивают» ядро, не давая ему распасться (как это происходит с радиоактивными элементами).

Долгое время протоны и нейтроны считались неделимыми, но они слишком большие для элементарных частиц. Позже ученые установили, что каждая из них состоит из трех кварков.

Кварки — любители ходить в парах

В отличие от электронов кварки не могут существовать в свободном состоянии и соединяются в пары. Эти пары называются мезонами — это частицы, которые перемещаются между протонами и нейтронами и удерживают ядро в стабильном состоянии. Три кварка образуют нуклоны — протон или нейтрон. Частицы, состоящие из четырех или пяти кварков, являются экзотическими и отчасти вызывают гравитационное взаимодействие между телами.

Лептоны — одиночки

Второй тип фермионов — лептоны, их свойства совершенно другие. Кварки не могут существовать поодиночке, а лептоны, наоборот, не могут соединяться (если это, конечно, не частица со своей античастицей: объединяясь, они исчезают, выделяя энергию).

Лептоны похожи на волков-одиночек, и самый влиятельный и могущественный среди них (прямо как волк с Уолл-стрит) — электрон, самый распространенный и наиболее изученный лептон.

Долгое время ученые не могли понять, в чем «сила» электрона. В конце концов они нашли этому одно разумное объяснение: электрон — это единственная стабильная заряженная частица из своего класса. Остальные 5 заряженных лептонов не существуют дольше 2 микросекунд: они либо распадаются на несколько более мелких частиц, либо, наоборот, соединяются в одну более крупную.

Нейтрино — неуловимые лептоны

Еще один вид лептонов — нейтрино, практически неуловимые частицы, которые движутся в космосе со скоростью света. Еще с середины ХХ века проводятся эксперименты, чтобы их поймать и изучить. Многое в этих «неуловимых» частицах уже исследовано, и ученые даже пытались создать коммуникацию с их помощью, но идея осталась лишь в планах. Нейтрино могут быть индикаторами различных процессов, происходящих в ядрах звезд. Например, в нашем Солнце протекает множество термоядерных реакций каждую секунду, и практически каждая такая реакция выделяет хотя бы одно нейтрино.

Нейтрино бывают нескольких видов: электронное, мюонное и тау-нейтрино. Все эти названия взяты не с потолка.

Каждое нейтрино соответствует своему лептону (электрону, мюону, тау-лептону), так как напоминает его по своим квантовым характеристикам. Разные виды этих частиц, двигаясь совместно, могут переходить друг в друга — это называется нейтринной осцилляцией.

Итак, фермионы бывают двух видов: кварки и лептоны. Первые могут существовать только группами, а вторые — только по отдельности. Первые входят в состав ядер атомов, вторые — в состав электронных оболочек этих атомов.

А теперь мы переходим ко второй, не менее интересной группе элементарных частиц — бозонам. Готовы спорить, что она у вас на слуху благодаря одному известному ее представителю.

II. Бозоны

Невольно возникает вопрос: а чем фермионы отличаются от бозонов? Всё дело в квантовой характеристике — спи́не. У фермионов он дробный: чтобы при повороте в пространстве частица стала симметричной себе, надо повернуть ее больше чем на один полный оборот. А у бозонов спин целый — то есть либо они одинаковы, как ни крути, либо для совмещения самих с собой в пространстве их нужно повернуть на 180 или 360 градусов.

Спин обуславливает обменное взаимодействие элементарных частиц, когда между двумя одинаково заряженными частицами может возникать связь (это свойство исчезает при переходе к большим системам). Если по законам классической механики два электрона должны отталкиваться, то квантовая механика «разрешает» им находиться относительно близко друг от друга — на одной орбитали.

Траектории движения элементарных частиц, образующихся в результате столкновения двух протонов

Бозоны, слава богу, не делятся ни на какие группы. В Стандартной модели их выделяют всего пять: фотон, W-бозон, Z-бозон, глюон и бозон Хиггса. С фотоном мы уже знакомы, его функция — переносить электромагнитное возбуждение (то есть свет разного диапазона длин волн). W- и Z-бозоны — это своего рода волшебные палочки. W-бозоны переносят электрический заряд, понижая или повышая его у выбранной цели, и могут превращать один вид кварков в другой. Z-бозоны помогают передавать импульс и спин от одной частицы к другой при их столкновении.

Выделяют 8 типов глюонов.

Глюоны напоминают кварки и фотоны одновременно: их никогда не видели в свободном состоянии, они не имеют заряда и в теории не обладают массой. Глюоны отвечают за передачу между кварками квантовой характеристики, называемой цветом (общее с теми цветами, которые мы видим, — только название).

Последний тип — бозоны Хиггса — очень странная вещь. Они существовали лишь теоретически, их долго не могли обнаружить, однако в 2012 году это удалось сделать с помощью Большого адронного коллайдера (БАК).

Бозон Хиггса обуславливает массы всех элементарных частиц. Его открытие завершило Стандартную модель.

Она описывает 3 вида взаимодействий: электромагнитное, сильное (между нуклонами в ядре атома) и слабое, но ее нельзя считать Теорией всего, так как она не описывает, например, гравитационное взаимодействие, темную материю и энергию. Так что у физики большое и светлое будущее.

Итак, бозоны переносят различные виды взаимодействий. Они имеют целочисленный спин и различаются между собой массой и свойствами. Существование всех этих частиц ученые уже доказали с помощью БАК.

Составные частицы

Фермионы и бозоны — это лишь основа всей физики элементарных частиц. Соединяясь, они образуют что-то вроде молекул. Это очень похоже на химическую реакцию: две элементарные частицы могут соединяться друг с другом, как и химические вещества.

Самый известный вид составных частиц — адроны. Их делят на два вида: барионы и мезоны. Барионы — это частицы, состоящие из кварков, в том числе протоны и нейтроны; мезоны переносят взаимодействие между нуклонами в ядрах атомов.

Физика элементарных частиц невероятно разнообразна. Кроме перечисленных основных классов выделяют также квазичастицы («почти»-частицы), которые формально не существуют: человек придумал их для описания различных природных процессов. Кроме того, есть много гипотетических частиц, существование которых экспериментально не подтверждено.

Сегодня мы знаем Вселенную едва ли на 0,1 %. С помощью физики мы пытаемся расширить границы познания и описать всё, что нам непонятно. Но каждый новый шаг вперед всё труднее: если пять лет назад вы были на острие прогресса и понимали всё, что происходит в вашей науке, то сегодня она вас озадачит своей сложностью и запутанностью.

Однако сложность добавляет физике прелесть и очарование, которое притягивает новые пытливые умы. С помощью них мы, быть может, скоро создадим Теорию всего и постигнем все тайны мироздания.

А потом природа преподнесет нам сюрприз, и окажется, что всё, что мы знали, — полная туфта.

4.9. Элементарные частицы

В настоящее время известно более сотни различных мезонов и других частиц со странными свойствами. Их массы лежат в пределах от 200 электронных масс до масс, в несколько раз превышающих массу протона. Существование всех этих новых частиц скоротечно, ни одна из них не живет дольше нескольких микросекунд, а многие частицы распадаются примерно через 10⁻²³ с после своего образования. Конечные продукты распадов этих частиц – обычные составные части вещества, т.е. протоны, электроны и фотоны, а также нейтрино.

Необходимо отметить, что позитроны и антипротоны в свободном состоянии устойчивы, но при взаимодействии с обычным веществом они аннигилируют.

Элементарными следует называть микрочастицы, относительно которых нет доказательств, что они являются составными. Это электроны, протоны, нейтроны и многие другие частицы. Впрочем, ситуация с определением элементарности усложнилась после того, как выяснилось, что многие из этих частиц имеют внутреннюю структуру.

Несмотря на последнее обстоятельство, за этими частицами сохранили название элементарных. И это в какой-то степени оправдано: во всех наблюдавшихся до сих пор явлениях каждая такая частица ведет себя как единое целое. Они могут рождаться и превращаться друг в друга, но не расщепляться на какие-то составляющие.

Поэтому теперь в ядерной физике под термином «элементарные частицы» понимается общее название для всех субатомных частиц, отличных от атомов и атомных ядер.

Итак, частицы, которые мы называем элементарными, ведут себя как единое целое и обладают способностью к рождению и взаимопревращению. Например, распад нейтрона:

₀n¹ → ₁p¹ + ₁e⁰ + ν_e,

Продукты распада нейтрона возникают только в самом этом процессе. До распада их не было совсем, и они не входили в состав нейтрона.

Для элементарных частиц весьма характерна их многочисленность. В настоящее время открыто несколько сотен частиц, подавляющее большинство которых нестабильно.

Источниками заряженных частиц высоких энергий являются в основном ускорители. Вместе с детекторами они позволяют исследовать процессы в которых образуются и взаимодействуют различные элементарные частицы. Вот почему физику элементарных частиц часто называют физикой высоких энергий.

Виды фундаментальных взаимодействий

Современной науке известны четыре типа фундаментальных взаимодействий: сильное, электромагнитное, слабое, гравитационное. Сильное взаимодействие осуществляется между нуклонами в атомных ядрах. Оно присуще также большому количеству элементарных частиц, так называемых адронов (протоны, нейтроны, гипероны, мезоны и др.). Электромагнитное взаимодействие осуществляется между электрическими зарядами. К электромагнитным взаимодействиям сводятся обычно воспринимаемые нами силы: химические, молекулярные, упругие, вязкие и др. Слабые взаимодействия вызывают β-распад радиоактивных ядер и вместе с электромагнитными силами присущи лептонам – элементарным частицам, не участвующим в сильных взаимодействиях и обладающих спином ½ (электрон, мюон, нейтрино и др.). Нейтральные лептоны не участвуют в электромагнитных взаимодействиях. Гравитационное взаимодействие присуще всем частицам.

Энергетика взаимодействий связана со временем их протекания. Для сравнения скоростей взаимодействий обычно берут частицы с одной и той же энергией например, принимают кинетическую энергию сталкивающихся частиц равной 1 ГэВ, характерную для физики элементарных частиц. При таких энергиях сильные взаимодействия осуществляются за времена порядка 10⁻²³ с, электромагнитные – 10⁻²⁰ с, слабые – 10⁻⁹ с.

Вид взаимодействия, присущий определенной частице, определяет и такой параметр, как длина её свободного пробега в веществе. Чем интенсивнее тип взаимодействия, тем меньше длина свободного пробега. Так нейтрино с энергией 10 МэВ может пройти слой железа толщиной 10⁹ км. Сильные и слабые взаимодействия являются короткодействующими. Радиус действия сильных взаимодействий имеет порядок 10⁻¹³ см (1 ферми), а слабых – 2·10⁻¹⁶ см. Электромагнитные силы являются дальнодействующими. Их интенсивность убывает обратно пропорционально квадрату расстояния между взаимодействующими частицами. Аналогичному закону подчиняются и гравитационные силы. Количественно соотношения интенсивности типов взаимодействий представлены в таблице 4.3.

Таблица 4.3. Интенсивность различных типов взаимодействия.

Тип взаимодействия	Объекты взаимодействия	Радиус действия	Интенсивность взаимодействия по отношению к сильному
Сильное	Адроны	10⁻¹³ см	1
Электромагнитное	Заряженные частицы	∞	10⁻³-10⁻²
Слабое	Все частицы	10⁻¹⁵ см	10⁻¹⁶-10⁻¹⁵
Гравитационное	Масса	∞	10⁻⁴⁰-10⁻³⁸

Остановимся более подробно на характеристике этих взаимодействий.

Сильные взаимодействия удерживают нуклоны в атомных ядрах, они же присущи большинству адронов (протон, нейтрон, гипероны, мезоны и др.). Эти взаимодействия короткодействующие: на расстояниях свыше 10⁻¹³ см они прекращаются, вследствие чего сильные взаимодействия не способны создавать структуры макроскопических размеров.
Электромагнитные взаимодействия осуществляются через электромагнитное поле. Они значительно слабее сильных взаимодействий, однако из-за дальнодействия электромагнитные силы во многих случаях оказываются главными. Именно эти силы вызывают разлет осколков, которые образуются при делении атомных ядер. Эти силы ответственны за все электрические и магнитные явления, наблюдаемые нами в различных формах их проявления: оптических, механических, тепловых, химических и т.д.
Слабые взаимодействия весьма малы по сравнению с сильными и электромагнитными. Слабые взаимодействия являются универсальными: они присутствуют во всех взаимодействиях.
Гравитационные взаимодействия самые слабые. Они универсальны. Но для элементарных частиц эти взаимодействия никакого значения не имеют, поэтому современная физика элементарных частиц – это физика без гравитации. В связи с этим в дальнейшем под фундаментальными мы будем понимать только сильные, электромагнитные и слабые взаимодействия.

Практически все элементарные частицы являются нестабильными (за исключением фотона, электрона и трех нейтрино). Время жизни таких частиц варьируется в пределах от 10⁻¹⁸ до 10⁻¹¹ с (у так называемых резонансов еще меньше). Но в некоторых случаях оно оказывается весьма продолжительным: например, среднее время жизни свободного нейтрона составляет 11.7 мин.

Систематика элементарных частиц

Бозоны и фермионы

Все частицы (включая и неэлементарные, и так называемые квазичастицы) подразделяют на бозоны и фермионы. Бозоны – это частицы с нулевым или целочисленным спином (фотон, мезоны и др.). Фермионы же – это частицы с полуцелым спином (электрон, мюон, таон, нейтрино, протон, нейтрон и др.).

Время жизни τ

Практически все элементарные частицы, как уже говорилось, являются нестабильными, распадаясь на другие частицы. По времени жизни различают стабильные, квазистабильные и т.н. резонансы. Резонансами называют частицы, распадающиеся за счет сильного взаимодействия с временем жизни ~10⁻²³ с. Нестабильные частицы с временем жизни, превышающим 10⁻²⁰ с, распадаются за счет электромагнитного или слабого взаимодействия. По сравнению с характерным ядерным временем (10⁻²³ с) время 10⁻²⁰ с следует считать большим. По этой причине их и называют квазистабильными. Стабильными частицами (τ → ∞) являются только фотон, электрон, протон и нейтрино.

Переносчики взаимодействия

Это особая группа элементарных частиц, в которую входят фотоны (переносчики электромагнитного взаимодействия), родственные им W- и Z-бозоны (переносчики слабого взаимодействия), так называемые глюоны (переносчики сильного взаимодействия) и гипотетические гравитоны.

Все остальные частицы подразделяют по характеру взаимодействий, в которых они участвуют, на лептоны и адроны.

Лептоны

Это частицы, не участвующие в сильных взаимодействиях и имеющие спин ½. К ним относятся электроны, мюоны, таоны и соответствующие им нейтрино. Лептоны принимают участие в слабых взаимодействиях. За исключением нейтрино, лептоны участвуют и в электромагнитных взаимодействиях.

Все лептоны можно отнести к истинно элементарным частицам, поскольку у них, в отличие от адронов, не обнаружена внутренняя структура.

Адроны

Так называют элементарные частицы, участвующие в сильных взаимодействиях. Как правило, они участвуют и в электромагнитном, и в слабом взаимодействиях. Эти частицы образуют самую многочисленную группу частиц (свыше 400). Адроны подразделяют на мезоны и барионы. Мезоны – это адроны с нулевым или целочисленным спином (т.е. бозоны). К ним относятся π-, K- и η-мезоны, а также множество мезонных резонансов, т.е. мезонов с временем жизни ~10⁻²³ с. Барионы – это адроны с полуцелым спином (т.е. фермионы) и массами, не меньшими массы протона. К ним относятся нуклоны (протоны и нейтроны), гипероны и множество барионных резонансов. За исключением протона, все барионы нестабильны. Нестабильные барионы с массами, большими массы протона, и большим временем жизни (сравнительно с ядерным ~10⁻²³ с) называют гиперонами. Это гипероны Λ, Σ, Ξ и Ω. Все гипероны имеют спин ½, за исключением Ω, спин которого ³/₂. За время τ ~10⁻¹⁹-10⁻¹⁰ с они распадаются на нуклоны и легкие частицы (π-мезоны, электроны, нейтрино, γ-кванты).

Сведем для наглядности основную систематику элементарных частиц в таблицу 4.4.

Таблица 4.4. Систематика элементарных частиц.

Фотоны	Лептоны	Адроны
		Мезоны	Барионы
			Нуклоны	Гипероны
γ	e, μ, τ, ν	π, K, η и резонансы	p, n	Λ, Σ, Ξ, Ω и резонансы

Античастицы

Частицы и античастицы

Существование античастиц является универсальным свойством элементарных частиц. Каждой частице соответствует своя античастица: например, электрону e⁻ – позитрон e⁺, протону p⁺ – антипротон p⁻, нейтрону n – антинейтрон и т.д. Позитрон и антипротон отличаются от электрона и протона прежде всего знаком электрического заряда. Антинейтрон отличается от нейтрона знаком магнитного момента.

В общем случае античастица отличается от частицы только знаками так называемых зарядов (электрического, барионного, лептонного, странности), с которыми связаны определенные законы сохранения.

Такие же характеристики как масса, спин, время жизни у них одинаковы.

В некоторых случаях античастица совпадает со своей частицей, т.е. все свойства частицы и античастицы одинаковы. Такие частицы называют истинно нейтральными. К ним относятся, например, фотон γ, π⁰-мезон и η⁰-мезон.

Понятия частицы и античастицы относительны. Электрон считают частицей, а позитрон – античастицей только потому, что во Вселенной преобладают именно электроны, а позитроны более экзотические частицы. Условившись считать электрон и протон частицами, далее с помощью законов сохранения можно однозначно установить, чем является каждая элементарная частица – частицей или античастицей.

Аннигиляция и рождение пар

При встрече электрона с позитроном происходит их аннигиляция, т.е. превращение их в γ-кванты, например так:

e⁻ + e⁺ → γ + γ.

Заметим, что один γ-квант при этом излучиться не может: в этом случае нарушался бы закон сохранения импульса. Это легко понять, если рассмотреть процесс в Ц-системе, где суммарный импульс электрона и позитрона равен нулю.

Существует процесс, обратный аннигиляции – рождение пар: γ-квант может породить пару e⁻e⁺. Для этого необходимо, чтобы энергия γ-кванта была не меньше собственной энергии пары 2·m_ec². Этот процесс может происходить только в поле атомного ядра, иначе нарушался бы закон сохранения импульса. В самом деле, в Ц-системе суммарный импульс образовавшейся пары был бы равен нулю, тогда как импульс породившего ее γ-кванта отличен от нуля. При наличии атомного ядра импульс γ-кванта будет восприниматься ядром без нарушения закона сохранения импульса.

Аннигилируют не только электрон с позитроном, но и любая другая частица со своей античастицей. Однако при аннигиляции тяжелых частиц и античастиц возникают преимущественно π-мезоны (доля γ-квантов весьма мала). Это обусловлено проявлением различных типов взаимодействий: аннигиляция электрона с позитроном вызывается электромагнитным взаимодействием, тогда как аннигиляция более тяжелых частиц – адронов – сильным взаимодействием.

Более подробную информацию можно скачать здесь (ресурс корпоративной сети ТПУ) или здесь (ресурс корпоративной сети ТПУ).

Некоторые проблемы эволюции Вселенной, нуклеосинтеза и космохронологии с точки зрения физики ядра и элементарных частиц, представлены в книге Ю.Э. Пенионжкевич «Ядерная Астрофизика». В этой работе проводится сравнение процессов, происходящих во Вселенной, с механизмами образования и распада ядер, а также их взаимодействия при высоких энергиях, еаны примеры, показывающие возможности методов ядерной физики в исследовании Вселенной.

Что такое элементарные частицы? | Живая наука

Элементарные частицы — самые маленькие из известных строительных блоков Вселенной. Считается, что они не имеют внутренней структуры, а это означает, что исследователи думают о них как о нульмерных точках, которые не занимают места. Электроны, вероятно, являются наиболее знакомыми элементарными частицами, но Стандартная модель физики, которая описывает взаимодействия частиц и почти все силы, признает всего 10 элементарных частиц.

Электроны и связанные с ними частицы

Электроны — это отрицательно заряженные компоненты атомов.Хотя они считаются нульмерными точечными частицами, электроны окружены облаком других виртуальных частиц, которые постоянно появляются и исчезают, которые, по сути, действуют как часть самого электрона. Некоторые теории предсказывают, что электрон имеет слегка положительный полюс и слегка отрицательный полюс, а это означает, что это облако виртуальных частиц должно быть немного асимметричным.

Если бы это было так, электроны могли бы вести себя иначе, чем их двойники из антивещества, позитроны, что потенциально объясняет многие загадки материи и антивещества.Но физики неоднократно измеряли форму электрона и находили, что он идеально круглый, насколько им известно, оставив их без ответов на головоломки антивещества.

У электрона есть два более тяжелых родственника: мюон и тау. Мюоны могут быть созданы, когда космические лучи высокой энергии из космоса попадают в верхнюю часть атмосферы Земли, создавая поток экзотических частиц. Тау еще реже и труднее производить, так как они более чем в 3400 раз тяжелее электронов.Нейтрино, электроны, мюоны и тау составляют категорию элементарных частиц, называемых лептонами.

Кварки и их причудливость

Кварки, из которых состоят протоны и нейтроны, являются еще одним типом элементарных частиц. Вместе с лептонами кварки составляют вещество, которое мы считаем материей.

Когда-то ученые считали атомы самыми маленькими объектами; это слово происходит от греческого «атомос», что означает «неделимый». Примерно на рубеже 20-го века было показано, что атомные ядра состоят из протонов и нейтронов.Затем, на протяжении 1950-х и 60-х годов, ускорители элементарных частиц продолжали обнаруживать множество экзотических субатомных частиц, таких как пионы и каоны.

В 1964 году физики Мюррей Гелл-Манн и Джордж Цвейг независимо друг от друга предложили модель, которая могла бы объяснить внутреннюю работу протонов, нейтронов и остальной части зоопарка частиц, согласно историческому отчету Национальной ускорительной лаборатории SLAC в Калифорнии. Внутри протонов и нейтронов находятся крошечные частицы, называемые кварками, которые бывают шести возможных типов или ароматов: верхний, нижний, странный, очаровательный, нижний и верхний.

Протоны состоят из двух верхних кварков и нижнего кварка, а нейтроны состоят из двух нижних и нижних кварков. Верхний и нижний кварки — самые легкие разновидности. Поскольку более массивные частицы имеют тенденцию распадаться на менее массивные, верхние и нижние кварки также являются наиболее распространенными во Вселенной; следовательно, протоны и нейтроны составляют большую часть известной нам материи.

К 1977 году физики выделили пять из шести кварков в лаборатории — верхний, нижний, странный, очаровательный и нижний — но только в 1995 году исследователи из Национальной ускорительной лаборатории Фермилаб в Иллинойсе обнаружили последний кварк, верхний предел. кварк.Его поиски были такими же интенсивными, как и более поздняя охота за бозоном Хиггса. Топ-кварк было так сложно произвести, потому что он примерно в 100 триллионов раз тяжелее, чем ап-кварки, а это означает, что для его производства в ускорителях частиц требовалось гораздо больше энергии.

Диаграмма показывает, как кварки обычно вписываются в наше понимание крошечных частиц. (Изображение предоставлено: udaix / Shutterstock)

Фундаментальные частицы природы

Затем есть четыре фундаментальных силы природы: электромагнетизм, гравитация, а также сильные и слабые ядерные взаимодействия.С каждым из них связана фундаментальная частица.

Фотоны — самые известные; они несут электромагнитную силу. Глюоны несут в себе сильное ядерное взаимодействие и находятся в кварках внутри протонов и нейтронов. Слабое взаимодействие, которое опосредует определенные ядерные реакции, переносится двумя фундаментальными частицами, W- и Z-бозонами. Согласно ЦЕРНу, нейтрино, которые чувствуют только слабую силу и гравитацию, взаимодействуют с этими бозонами, и поэтому физики смогли впервые предоставить доказательства их существования с помощью нейтрино.

Гравитация здесь аутсайдер. Он не включен в Стандартную модель, хотя физики подозревают, что с ним может быть связана фундаментальная частица, которую можно назвать гравитоном. Если гравитоны существуют, их можно было бы создать на Большом адронном коллайдере (LHC) в Женеве, Швейцария, но они быстро исчезли бы в дополнительных измерениях, оставив после себя пустую зону, где они были бы, согласно ЦЕРНу. Пока что БАК не обнаружил свидетельств наличия гравитонов или дополнительных измерений.

Моделирование, показывающее рождение бозона Хиггса при столкновении двух протонов на Большом адронном коллайдере. Бозон Хиггса быстро распадается на четыре мюона, которые представляют собой тип тяжелого электрона, который не поглощается детектором. Желтым цветом показаны треки мюонов. (Изображение предоставлено Лукасом Тейлором / CMS)

Неуловимый бозон Хиггса

Наконец, есть бозон Хиггса, король элементарных частиц, который отвечает за то, что все остальные частицы придают их массу.Охота на Хиггса была серьезным делом для ученых, стремившихся завершить свой каталог Стандартной модели. Когда в 2012 году Хиггса наконец заметили, физики обрадовались, но результаты также поставили их в затруднительное положение.

Хиггс выглядит примерно так, как и предполагалось, но ученые надеялись на большее. Стандартная модель известна как неполная; например, в нем отсутствует описание гравитации, и исследователи думали, что открытие Хиггса поможет указать на другие теории, которые могли бы заменить Стандартную модель.Но пока они оказались пустыми в этом поиске.

Дополнительные ресурсы :

элементарных частиц

Элементарные частицы :

Одна из первоочередных задач современной физики — ответить на вопрос «Что из чего состоит Вселенная? »Часто этот вопрос сводится к« Что такое материя? » и что их скрепляет? «Это продолжает линию расследования начат Демокрит, Далтон и Резерфорд.

Современная физика говорит о фундаментальных строительных блоках Природы, где фундаментальный берет на себя редукционистское значение простых и бесструктурный. Многие из частиц, которые мы обсуждали до сих пор, выглядят простые по своим свойствам. У всех электронов одно и то же характеристики (масса, заряд и т. д.), поэтому мы называем электрон фундаментальным потому что все они не уникальны.

Поиск происхождения материи означает понимание элементарных частиц. И с появление холизма, понимание элементарных частиц требует понимания не только их характеристик, но и того, как они взаимодействуют и относятся к другим частицам и силам Природы, область физики называется частица физика.

Изучение частиц — это тоже история передовых технологий, начинающаяся с поиск первичной составляющей. Более 200 субатомных частиц были обнаружены до сих пор, все обнаружены в сложных частицах ускорители. Однако большинство из них не являются фундаментальными, большинство из них состоит из других, более простых частиц. Например, Резерфорд показал что атом состоит из ядра и вращающихся электронов. Позже физики показали, что ядро состоит из нейтронов и протонов. Более поздняя работа показала, что протоны и нейтроны состоят из кварки.

Кварки и лептоны :

Два самых фундаментальных типа частиц — это кварки и лептоны. Кварки и лептоны разделен на 6 ароматов, соответствующих трем поколениям материи. Кварки (и антикварки) имеют электрические заряды в единицах 1/3 или 2/3. Лептоны имеют заряды в единицах 1 или 0.

Нормальные, повседневные дела относятся к первому поколению, поэтому мы можем сосредоточиться наше исследование верхних и нижних кварков, электронного нейтрино (часто называемого нейтрино) и электроны.Обратите внимание, что каждому кварку или лептону соответствует своя античастица. Например, есть верхний антикварк, антиэлектрон (называемый позитрон) и антинейтрино. Бозоны не имеют античастиц, так как они являются носителями силы (см. основные силы).

Основные силы :

На материю влияют силы или взаимодействия (термины сменные). Во Вселенной четыре фундаментальных силы:

гравитация (между частицами с массой).
электромагнитный (между частицами с зарядом / магнетизмом)
сильное ядерное взаимодействие (между кварками)
слабое ядерное взаимодействие (действует между нейтрино и электронами)

Первые два вам знакомы: гравитация — сила притяжения. между всей материей, электромагнитная сила описывает взаимодействие заряженные частицы и магнетизм.Свет (фотоны) объясняется взаимодействие электрического и магнитного полей.

Сильное взаимодействие связывает кварки в протоны, нейтроны и мезоны и удерживает ядра атома вместе, несмотря на отталкивающий электромагнитный сила между протонами. Слабая сила контролирует радиоактивный распад атомные ядра и реакции между лептонами (электронами и нейтрино).

Современная физика (называемая квантовой теорией поля) объясняет обмен энергия во взаимодействиях за счет использования носителей силы, называемых бозонами.В у дальнодействующих сил есть носители силы с нулевой массой, гравитон и фотон. Они работают в масштабах больше, чем Солнечная система. На короткие расстояния у сил есть очень массивные носители силы, W +, W- и Z для слабых сила, глюон для сильной силы. Они работают на весах размером атомных ядер.

Итак, хотя сильная сила имеет наибольшую силу, она также имеет самый короткий радиус действия.

Барионы и мезоны :

Кварки объединяются, чтобы сформировать основные строительные блоки материи, барионов и мезоны.Барионы состоят из трех кварков, образующих протоны и нейтроны. ядер атомов (а также антипротонов и антинейтронов). Мезоны, сделанные кварковых пар обычно находятся в космических лучах. Обратите внимание, что кварки все вместе дают заряды -1, 0 или +1.

Таким образом, наше текущее понимание структуры атома показано внизу атом содержит ядро, окруженное облаком отрицательно заряженные электроны. Ядро состоит из нейтральных нейтронов и положительно заряженные протоны.Противоположный заряд электрона и протон связывает атом вместе с помощью электромагнитных сил. Протоны и нейтроны состоят из верхних и нижних кварков, чьи дробные заряды (2/3 и -1/3) объединяются, чтобы произвести 0 или +1 заряд протон и нейтрон. Ядро связано ядерным сильная сила (которая преодолевает электромагнитное отталкивание одноименно заряженные протоны)

Color Charge :

Кварки в барионах и мезонах связаны друг с другом сильным взаимодействием в форма обмена глюонами.Очень похоже на то, как электромагнитная сила сила определяется количеством электрического заряда, сильная сила Прочность определяется новой величиной, называемой цветным зарядом.

Кварки бывают трех цветов: красного, синего и зеленого (на самом деле они не цветные, мы просто описываем их цветовой заряд в этих терминах). Итак, в отличие от электромагнитные заряды, которые бывают двух видов (положительный и отрицательный или северный и южный полюса), цветовой заряд в кварках бывает трех типов. И, что еще больше сбивает с толку, цветной заряд также имеет свои античастицы. природа.Итак, есть анти-красный, анти-синий и анти-зеленый.

Глюоны выполняют функцию переноса цвета, когда они взаимодействуют с кварки. Барионы и мезоны должны иметь такое сочетание цветов, чтобы результат белый. Например, красный, синий и зеленый составляют белый. Также красный и анти-красный сделать белым.

Конфайнмент кварка :

Не может быть свободных кварков, т.е. кварков самих по себе. Все кварки должны быть связанным с другим кварком или антикварком за счет обмена глюонами.Этот называется удержанием кварка. Обмен глюонами дает цвет силовое поле, относящееся к назначению цветного заряда кваркам, похож на электрический заряд.

Цветное силовое поле необычно тем, что разделение кварков делает силовое поле сильнее (в отличие от электромагнитных или гравитационных сил которые ослабевают с расстоянием). Нужна энергия, чтобы преодолеть цвет силовое поле. Эта энергия увеличивается до тех пор, пока не появится новый кварк или антикварк. (энергия равна массе, E = mc ²).

Два новых кварка образуются и связываются со старыми кварками, образуя два новых мезона. Таким образом, ни один из кварков никогда не был изолирован. Кварки всегда путешествуют парами или тройками.

Квантовая электродинамика :

Подполе физики, объясняющее взаимодействие заряженных частиц и свет называется квантовым электродинамика. Квантовая электродинамика (КЭД) расширяет квантовую теорию к силовым полям, начиная с электромагнитных полей.

В рамках КЭД заряженные частицы взаимодействуют путем обмена виртуальными фотоны, фотоны, которые не существуют вне взаимодействия и только служат переносчиками импульса / силы.

Обратите внимание на устранение действия на расстоянии, взаимодействие происходит из-за к прямому контакту фотонов.

В 1960-х годах формулировка КЭД привела к объединению теорий слабых и электромагнитных взаимодействий. Эта новая сила, называемая электрослабая, возникает при очень высоких температурах, например, в ранняя Вселенная и воспроизведена в ускорителях частиц. Объединение означает, что при этом слабые и электромагнитные силы становятся симметричными. точка, они ведут себя, как если бы они были одной силой.

Электрослабое объединение породило веру в то, что слабые, электромагнитные и сильные силы могут быть объединены в то, что называется Стандартная модель материи.

Квантовая хромодинамика :

Квантовый хромодинамика — это раздел физики, который описывает сильные или « цветная » сила, которая связывает кварки вместе с образованием барионов и мезонов, и приводит к сложной силе, которая связывает атомные ядра вместе.

Сильная сила преодолевает электромагнитные или гравитационные силы. только на очень близком расстоянии.Вне ядра эффект сильного силы не существует.

Действие на расстоянии :

Ньютоновская физика предполагает прямую связь между причиной и следствием. Электрические и магнитные силы создают дилемму для этой интерпретации, поскольку между двумя зарядами нет прямого контакта, скорее есть действие на расстоянии.

Для разрешения этой дилеммы было высказано предположение, что существует обмен переносчиков силы между заряженными частицами.Эти носители силы позже были отождествлены с частицами света (фотонами). Эти частицы служил для передачи импульса при контакте между заряженными частицами, очень похоже на столкновение автомобилей и грузовиков.

Однако эта попытка разрешить действие на расстоянии парадокс использует природу частиц для освещения при наблюдении за интерференцией узоры ясно показывают, что свет имеет волнообразную природу. Это было эта двойственная природа света, как частицы, так и волны (см. дуальность волна / частица), это привело к революции, известной как квантовая физика.

Теория всего :

Это оно? Являются ли кварки и лептоны фундаментальными строительными блоками? Ответ = возможно. Мы все еще пытаемся заполнить некоторые дыры в том, что известна как Стандартная модель.

Стандартная модель — это способ осмыслить множественность элементарные частицы и силы в рамках единой схемы. Стандарт Модель представляет собой комбинацию двух схем; электрослабая сила (объединение электромагнетизма и слабого взаимодействия) плюс квантовая хромодинамика.Хотя Стандартная модель принесла значительную количество порядка элементарных частиц и привело к важным По прогнозам, модель не лишена серьезных трудностей.

Например, Стандартная модель содержит большое количество произвольных константы. Хороший выбор констант приводит к точному совпадению с результаты экспериментов. Однако хорошая фундаментальная теория должна быть единой. где постоянные очевидны.

Стандартная модель не включает объединение всех сил и, следовательно, является неполным.Есть сильное ожидание, что существует грандиозный Единая теория поля (GUTS), которая придаст более глубокий смысл Стандартная модель и объясните недостающие элементы.

Супергравитация :

Даже GUTS неполон, потому что он не включает пространство-время и следовательно гравитация. Предполагается, что « Теория всего » (ТОЭ) соберет вместе все фундаментальные силы, материю и искривленную пространство-время под одной объединяющей картиной. Для космологии это будет единственная сила, которая контролировала Вселенную во время формирования.В текущий подход к поиску ОО состоит в том, чтобы попытаться раскрыть некоторую фундаментальную симметрию, возможно, симметрию симметрий. Должны быть предсказания из ОО, такие как существование Хиггса частица, источник массы во Вселенной.

Одним из примеров попытки сформулировать TOE является супергравитация, квантовая теория. который объединяет типы частиц с помощью десятимерного пространства-времени (см. диаграмму ниже). Пространство-время (конструкция 4D) была успешной в объясняя гравитацию.Что, если субатомный мир также является геометрическим? явление.

Многие другие измерения времени и пространства могут быть похоронены в квантовой уровень, выходящий за рамки нашего обычного опыта, оказывает влияние только на микроскопический мир элементарных частиц.

Вполне возможно, что под квантовой областью находится мир чистый хаос, без каких-либо фиксированных законов или симметрий. Одна вещь очевидно, что чем больше наши усилия доходят до области фундаментальных законы, тем более оторваны от опыта результаты.

Теория струн :

Еще одна недавняя попытка сформировать ОО — это М (мембрана) или струна. теория. Теория струн на самом деле является теорией высокого порядка, в которой другие модели такие как супергравитация и квантовая гравитация, появляются как приближения. Основа Предпосылка теории струн состоит в том, что субатомные сущности, такие как кварки и силы, являются на самом деле крошечные петли, струны и мембраны, которые ведут себя как частицы при высоких энергии.

Одна из проблем физики элементарных частиц — это ошеломляющее количество элементарные частицы (мюоны, пионы, мезоны и т. д.).Струнная теория решает эту проблему, предлагая небольшие петли, около 100 миллиардов в миллиарды раз меньше, чем протон, колеблются ниже субатомной уровень, и каждая мода вибрации представляет собой отдельный резонанс, который соответствует конкретной частице. Таким образом, если бы мы могли увеличить квантовую частицу мы увидим крошечную вибрирующую струну или петлю.

Фантастический аспект теории струн, который делает ее таким привлекательным кандидатом. для TOE заключается в том, что он не только объясняет природу квантовых частиц. но это также объясняет и пространство-время.Струны могут разбиться на более мелкие струны или объедините в более крупные струны. Этот сложный набор движения должны подчиняться непротиворечивым правилам и ограничениям, вызванным эти правила приводят к тем же отношениям, описываемым теорией относительности теория.

Еще один аспект теории струн, который отличается от других кандидатов в ОО: его высокая эстетическая красота. Теория струн — это геометрическая теория. которая, как и общая теория относительности, описывает объекты и взаимодействия через использование геометрии и не страдает от бесконечностей или того, что называется проблемы нормализации, такие как квантовая механика.Может быть невозможно проверить предсказания теории струн, поскольку для этого потребуется температура и энергии, подобные тем, что были в начале Вселенной. Таким образом, мы прибегают к оценке достоинств этой теории по ее элегантности и внутреннему согласованность, а не данные эксперимента.

Стандартная модель | ЦЕРН

Силы и частицы носителя

Во Вселенной действуют четыре фундаментальные силы: сильная, слабая, электромагнитная и гравитационная.Они работают в разных диапазонах и имеют разные сильные стороны. Гравитация самая слабая, но у нее бесконечный диапазон. Электромагнитная сила также имеет бесконечный диапазон, но она во много раз сильнее силы тяжести. Слабые и сильные взаимодействия эффективны только в очень коротком диапазоне и доминируют только на уровне субатомных частиц. Несмотря на свое название, слабая сила намного сильнее гравитации, но действительно самая слабая из трех других. Сильное взаимодействие, как следует из названия, является самым сильным из всех четырех фундаментальных взаимодействий.

Три фундаментальные силы возникают в результате обмена частицами-носителями силы, которые принадлежат к более широкой группе, называемой «бозонами». Частицы вещества передают дискретное количество энергии, обмениваясь бозонами друг с другом. Каждой фундаментальной силе соответствует свой собственный бозон — сильная сила переносится «глюоном», электромагнитная сила переносится «фотоном», а «W- и Z-бозоны» ответственны за слабую силу. Хотя это еще не найдено, «гравитон» должен быть соответствующей частицей гравитации, несущей силу.Стандартная модель включает электромагнитные, сильные и слабые взаимодействия и все их частицы-носители и хорошо объясняет, как эти силы действуют на все частицы материи. Однако самая известная сила в нашей повседневной жизни, гравитация, не является частью Стандартной модели, поскольку удобное включение гравитации в эту структуру оказалось сложной задачей. Квантовая теория, используемая для описания микромира, и общая теория относительности, используемая для описания макромира, трудно вписать в единую структуру.Никому не удалось сделать эти два математически совместимыми в контексте Стандартной модели. Но, к счастью для физики элементарных частиц, когда дело доходит до мельчайших масштабов частиц, эффект гравитации настолько слаб, что им можно пренебречь. Только когда материя находится в большом объеме, например, в масштабе человеческого тела или планет, преобладает влияние гравитации. Таким образом, Стандартная модель по-прежнему работает хорошо, несмотря на то, что она неохотно исключает одну из фундаментальных сил.

субатомных частиц | Определение, примеры и классы

Делимый атом

Посмотрите, как Джон Далтон построил свою атомную теорию на принципах, изложенных Генри Кавендишем и Джозефом-Луи Прустом

Джон Далтон и развитие атомной теории.

Encyclopædia Britannica, Inc. Посмотреть все видео к этой статье

Физическое изучение субатомных частиц стало возможным только в 20-м веке, с развитием все более сложных аппаратов для исследования материи в масштабах 10 ⁻¹⁵ метров и меньше (то есть на расстояниях, сопоставимых с диаметром протона или нейтрона). Тем не менее, основная философия предмета, ныне известного как физика элементарных частиц, восходит как минимум к 500 г. до н.э., когда греческий философ Левкипп и его ученик Демокрит выдвинули идею о том, что материя состоит из невидимых мелких неделимых частиц, которые они назвали атомами.Более 2000 лет идея атомов в значительной степени игнорировалась, в то время как преобладала противоположная точка зрения, согласно которой материя состоит из четырех элементов — земли, огня, воздуха и воды. Но к началу XIX века атомная теория вещества вернула себе популярность, чему способствовали, в частности, работы Джона Далтона, английского химика, исследования которого показали, что каждый химический элемент состоит из своего собственного уникального вида атома. Таким образом, атомы Дальтона по-прежнему являются атомами современной физики. К концу столетия, однако, начали появляться первые признаки того, что атомы не неделимы, как предполагали Левкипп и Демокрит, а вместо этого содержат более мелкие частицы.

В 1896 году французский физик Анри Беккерель открыл радиоактивность, а в следующем году Ж.Дж. Томсон, профессор физики Кембриджского университета в Англии, продемонстрировал существование крошечных частиц, намного меньших по массе, чем водород, самый легкий атом. Томсон открыл первую субатомную частицу — электрон. Шесть лет спустя Эрнест Резерфорд и Фредерик Содди, работающие в Университете Макгилла в Монреале, обнаружили, что радиоактивность возникает, когда атомы одного типа превращаются в атомы другого типа.Идея атомов как неизменных, неделимых объектов стала несостоятельной.

Получите подписку Britannica Premium и получите доступ к эксклюзивному контенту. Подпишитесь сейчас

Основная структура атома стала очевидной в 1911 году, когда Резерфорд показал, что большая часть массы атома сосредоточена в его центре, в крошечном ядре. Резерфорд предположил, что атом похож на миниатюрную солнечную систему с легкими отрицательно заряженными электронами, вращающимися вокруг плотного положительно заряженного ядра, точно так же, как планеты вращаются вокруг Солнца.Датский теоретик Нильс Бор усовершенствовал эту модель в 1913 году, включив новые идеи квантования, разработанные немецким физиком Максом Планком на рубеже веков. Планк предположил, что электромагнитное излучение, такое как свет, возникает в виде дискретных пучков или «квантов» энергии, ныне известных как фотоны. Бор постулировал, что электроны вращаются вокруг ядра по орбитам с фиксированным размером и энергией и что электрон может перепрыгивать с одной орбиты на другую, только испуская или поглощая определенные кванты энергии.Таким образом, включив квантование в свою теорию атома, Бор ввел один из основных элементов современной физики элементарных частиц и вызвал более широкое признание квантования для объяснения атомных и субатомных явлений.

Модель атома Резерфорда
Физик Эрнест Резерфорд представил атом как миниатюрную солнечную систему с электронами, вращающимися вокруг массивного ядра, и в основном как пустое пространство, причем ядро занимает лишь очень небольшую часть атома. Нейтрон не был открыт, когда Резерфорд предложил свою модель, в которой ядро состояло только из протонов.
Encyclopædia Britannica, Inc.
Размер
Субатомные частицы играют две жизненно важные роли в структуре материи. Они одновременно являются основными строительными блоками вселенной и строительным раствором, связывающим блоки. Хотя частицы, которые выполняют эти разные роли, относятся к двум различным типам, они имеют некоторые общие характеристики, главной из которых является размер.
Небольшой размер субатомных частиц, возможно, наиболее убедительно выражается не указанием их абсолютных единиц измерения, а путем сравнения их со сложными частицами, частью которых они являются.Например, размер атома обычно составляет 10 ^-10 метров в поперечнике, но почти весь размер атома — это незанятое «пустое» пространство, доступное электронам точечного заряда, окружающим ядро. Расстояние через ядро атома среднего размера составляет примерно 10 ⁻¹⁴ метров — всего ¹/_{10 000} диаметра атома. Ядро, в свою очередь, состоит из положительно заряженных протонов и электрически нейтральных нейтронов, вместе называемых нуклонами, а диаметр одного нуклона составляет около 10 ⁻¹⁵ метров, то есть около ¹/₁₀ ядра и ¹/_{100 000} атома.(Расстояние поперек нуклона, 10 ⁻¹⁵ метров, известно как ферми в честь итальянского физика Энрико Ферми, который проделал большую экспериментальную и теоретическую работу по изучению природы ядра и его содержимого.)
Размеры атомов, ядер и нуклонов измеряются путем выстрела пучка электронов в соответствующую мишень. Чем выше энергия электронов, тем дальше они проникают, прежде чем будут отклонены электрическими зарядами внутри атома. Например, луч с энергией в несколько сотен электрон-вольт (эВ) рассеивается от электронов в атоме-мишени.Затем можно изучить способ рассеяния пучка (рассеяние электронов), чтобы определить общее распределение атомных электронов.
При энергиях в несколько сотен мегаэлектронвольт (МэВ; 10 ⁶ эВ) электроны в пучке мало подвержены влиянию атомных электронов; вместо этого они проникают в атом и рассеиваются положительным ядром. Следовательно, если такой луч направлен на жидкий водород, атомы которого содержат только отдельные протоны в своих ядрах, картина рассеянных электронов показывает размер протона.При энергиях, превышающих гигаэлектронвольт (ГэВ; 10 ⁹ эВ), электроны проникают внутрь протонов и нейтронов, и их картины рассеяния обнаруживают внутреннюю структуру. Таким образом, протоны и нейтроны не более неделимы, чем атомы; действительно, они содержат еще более мелкие частицы, которые называются кварками.
Кварки настолько малы, насколько физики могут измерить или меньше их. В экспериментах при очень высоких энергиях, эквивалентных зондированию протонов в мишени с электронами, ускоренными почти до 50 000 ГэВ, кварки, кажется, ведут себя как точки в пространстве без измеримого размера; поэтому они должны быть меньше 10 ⁻¹⁸ метров или меньше ¹/_1,000 размера отдельных нуклонов, которые они образуют.Подобные эксперименты показывают, что электроны тоже меньше, чем можно измерить.
Объяснитель: что такое элементарные частицы?
Часто утверждают, что древние греки были первыми, кто идентифицировал объекты, которые не имеют размера, но могут создавать мир вокруг нас посредством своего взаимодействия. И поскольку мы можем наблюдать мир в мельчайших и мельчайших деталях через микроскопы с увеличивающейся мощностью, естественно задаться вопросом, из чего сделаны эти объекты.
Мы считаем, что нашли некоторые из этих объектов: субатомные частицы или элементарные частицы, которые, не имея размера, не могут иметь субструктуры.Сейчас мы пытаемся объяснить свойства этих частиц и работаем, чтобы показать, как их можно использовать для объяснения содержимого Вселенной.
Есть два типа фундаментальных частиц: частицы материи, некоторые из которых объединяются, чтобы произвести окружающий нас мир, и частицы силы, одна из которых, фотон, отвечает за электромагнитное излучение. Они классифицируются в стандартной модели физики элементарных частиц, которая теоретизирует, как взаимодействуют основные строительные блоки материи под действием фундаментальных сил.Частицы материи являются фермионами, а частицы силы — бозонами.
Частицы материи: кварки и лептоны
Материальные частицы делятся на две группы: кварки и лептоны — их шесть, у каждой есть соответствующий партнер.
лептонов делятся на три пары. В каждой паре есть элементарная частица с зарядом и одна без заряда, которая намного легче и ее чрезвычайно трудно обнаружить. Самая легкая из этих пар — электрон и электрон-нейтрино.
А потом еще немного. Джеймс Чайлдс, CC BY
Заряженный электрон отвечает за электрические токи. Его незаряженный партнер, известный как электронное нейтрино, в большом количестве вырабатывается на Солнце, и они настолько слабо взаимодействуют с окружающей средой, что беспрепятственно проходят через Землю. Миллион из них проходит через каждый квадратный сантиметр вашего тела каждую секунду, днем и ночью.
Электронные нейтрино образуются в невообразимых количествах при взрывах сверхновых, и именно эти частицы рассеивают элементы, образовавшиеся в результате ядерного сгорания, во Вселенной.Эти элементы включают углерод, из которого мы сделаны, кислород, которым мы дышим, и почти все остальное на Земле. Следовательно, несмотря на нежелание нейтрино взаимодействовать с другими элементарными частицами, они жизненно важны для нашего существования. Две другие пары нейтрино (называемые мюонным и мюонным нейтрино, тау- и тау-нейтрино) кажутся просто более тяжелыми версиями электрона.
Электронно-лучевая трубка с магнитными катушками Дж. Дж. Томсона 1897 года — использовалась для обнаружения электронов. Музей науки в Лондоне, CC BY-SA
Поскольку нормальная материя не содержит этих частиц, может показаться, что они являются ненужным усложнением.Однако в течение первых одной-десяти секунд Вселенной после Большого взрыва они сыграли решающую роль в установлении структуры Вселенной, в которой мы живем, известной как Эпоха Лептона.
Шесть кварков также разделены на три пары с причудливыми названиями: «верх» с «низом», «очарование» с «странным» и «верхний» с «низом» (ранее называвшиеся «правда» и «красота», хотя, к сожалению, измененный). Верхний и нижний кварки слипаются, образуя протоны и нейтроны, которые лежат в основе каждого атома.Опять же только самые легкие пары кварков встречаются в нормальной материи, пары очарование / странное и верхнее / нижнее, кажется, не играют никакой роли во Вселенной в том виде, в каком она существует сейчас, но, как и более тяжелые лептоны, играли роль в первые моменты ее существования. Вселенная и помогла создать ту, которая поддается нашему существованию.
Силовые частицы
В стандартной модели есть шесть частиц силы, которые создают взаимодействия между частицами материи. Они делятся на четыре основных силы: гравитационную, электромагнитную, сильную и слабую.
Фотон — это частица света, отвечающая за электрические и магнитные поля, создаваемые обменом фотонов от одного заряженного объекта к другому.
Глюон создает силу, отвечающую за удерживание кварков вместе с образованием протонов и нейтронов, а также за удерживание этих протонов и нейтронов вместе с образованием более тяжелых ядер.
Три частицы, названные «W плюс», «W минус» и «Z ноль», называемые промежуточными векторными бозонами, ответственны за процесс радиоактивного распада и за процессы на Солнце, которые заставляют его светиться.Считается, что частица шестой силы, гравитон, ответственна за гравитацию, но пока не наблюдалась.

Антиматерия: фантастическая реальность
Мы также знаем о существовании антиматерии. Это концепция, очень любимая писателями-фантастами, но она действительно существует. Частицы антивещества наблюдались часто. Например, позитрон (античастица электрона) используется в медицине для картирования наших внутренних органов с помощью позитронно-эмиссионной томографии (ПЭТ).Известно, что когда частица встречает свою античастицу, они оба аннигилируют друг друга, и возникает всплеск энергии. Для обнаружения этого используется ПЭТ-сканер.
У каждой из указанных выше частиц материи есть частица-партнер, которая имеет ту же массу, но противоположный электрический заряд, поэтому мы можем удвоить количество частиц материи (шесть кварков и шесть лептонов), чтобы получить окончательное число 24.
Мы даем кваркам материи число +1, а кваркам антивещества значение -1. Если мы сложим количество кварков материи плюс количество кварков антиматерии, мы получим чистое количество кварков во Вселенной, оно никогда не меняется.Если у нас достаточно энергии, мы можем создать любой из кварков материи, если в то же время мы создаем кварк антивещества. В первые моменты существования Вселенной эти частицы создавались непрерывно — теперь они создаются только при столкновении космических лучей с атмосферой планет и звезд.
Знаменитый бозон Хиггса
Есть последняя частица, которая завершает перекличку частиц в так называемой стандартной модели физики элементарных частиц, описанной до сих пор.Это Хиггс, предсказанный Питером Хиггсом 50 лет назад, и открытие которого в ЦЕРНе в 2012 году привело к присуждению Нобелевской премии Хиггсу и Франсуа Энглерту.
Бозон Хиггса — странная частица: это вторая по тяжести из частиц стандартной модели, и ее невозможно объяснить простым объяснением. Часто говорят, что это источник массы, что верно, но вводит в заблуждение. Он придает массу кваркам, а кварки составляют протоны и нейтроны, но только 2% массы протонов и нейтронов обеспечивается кварками, а остальная часть приходится на энергию глюонов.
На данный момент мы учли все частицы, требуемые стандартной моделью: шесть частиц силы, 24 частицы материи и одна частица Хиггса — всего 31 элементарная частица. Несмотря на то, что мы знаем о них, их свойства не были измерены достаточно хорошо, чтобы мы могли с уверенностью сказать, что эти частицы — все, что нужно для построения Вселенной, которую мы видим вокруг себя, и у нас, конечно же, нет всех ответов. Следующий запуск Большого адронного коллайдера позволит нам уточнить наши измерения некоторых из этих свойств, но есть кое-что еще.
Великий коллайдер. Редактор изображений, CC BY
Однако теория все еще неверна
Прекрасная теория, стандартная модель, проверялась и повторно проверялась на протяжении двух с лишним десятилетий; и мы еще не провели измерения, которое противоречит нашим прогнозам. Но мы знаем, что стандартная модель должна быть неправильной. Когда мы сталкиваемся с двумя фундаментальными частицами, возможен ряд исходов. Наша теория позволяет нам вычислить вероятность того, что любой конкретный результат может произойти, но при энергиях, превышающих которые мы до сих пор достигли, она предсказывает, что некоторые из этих результатов произойдут с вероятностью более 100% — явно нонсенс.
Физики-теоретики приложили много усилий, пытаясь построить теорию, которая дает разумные ответы при всех энергиях, давая при этом тот же ответ, что и стандартная модель, во всех обстоятельствах, в которых стандартная модель была проверена.
Самая распространенная модификация подразумевает наличие очень тяжелых неоткрытых частиц. Тот факт, что они тяжелые, означает, что для их производства потребуется много энергии. Свойства этих дополнительных частиц можно выбрать, чтобы убедиться, что полученная теория дает разумные ответы при всех энергиях, но они не влияют на измерения, которые так хорошо согласуются со стандартной моделью.
Число этих неоткрытых и пока еще невидимых частиц зависит от того, в какую теорию вы решите верить. Самый популярный класс этих теорий называется суперсимметричными теориями, и они подразумевают, что все частицы, которые мы видели, имеют гораздо более тяжелые аналоги. Однако, если они будут слишком тяжелыми, возникнут проблемы при энергиях, которые мы можем произвести до того, как эти частицы будут обнаружены. Но энергии, которые будут достигнуты в следующем запуске LHC, достаточно высоки, поэтому отсутствие новых частиц станет ударом по всем суперсимметричным теориям.
NOVA | Элегантная Вселенная | Элементарные частицы (без вспышки)
Вселенная может быть представлена несколькими частицами, включенными в таблицу, показанную на этой странице. * Было бы еще более удивительно, если бы эти 19 были сделаны из одного и того же элементарного компонента. Если теория суперструн окажется правда, так и будет. Согласно теории, каждый из «фундаментальные» частицы состоят из одинаковых струн, с той лишь разницей, что между струнами — их колебательные паттерны (см. Резонанс в Строки для получения дополнительной информации).
Стандартная модель плюс гравитация
С одной стороны, есть квантовая механика и стандартная модель, описывающая мир очень маленький. С другой стороны, есть общая теория относительности, который описывает гравитацию и мир очень большого. За одним исключением, все частицы, перечисленные в таблице, объясняются стандартной моделью. Исключение составляет гравитон, частица силы, стоящая за гравитацией.
Теоретики суперструн считают, что они на пути к разработке фреймворка который включает в себя как общую теорию относительности, так и квантовую механику.Если они преуспеют, они откроют теорию, которая решит величайшую проблему в физика — объединение законов природы.
Частицы
Гравитон
Гравитон — теоретический носитель силы тяжести. Гравитация, безусловно, самая слабая из четырех сил — намного слабее даже самой слабой силы. Причина гравитация может показаться значительной силой, поскольку она может только притягивать, а чем больше масса сосредоточена в области, тем сильнее гравитационная сила.С другой стороны, электромагнетизм — это сила отталкивания, а также сила притяжения. Его положительный и отрицательный заряды имеют тенденцию нейтрализовать друг друга. out, который нейтрализует общую силу.
Гравитон еще не наблюдался и не доказано иным образом. Тем не мение, скорость замедления вращения нейтронных звезд согласуется с расчеты, включающие излучение гравитонов.
Фотон
Фотон является переносчиком всего электромагнитного излучения, в том числе радиоизлучения. волны, свет, рентгеновские лучи и гамма-лучи.
Фотоны и связанное с ними электромагнитное поле также удерживают атомы вместе от притяжение между отрицательно заряженными электронами и положительно заряженными атомными ядра. Электромагнитная сила также отвечает за взаимодействие между атомами и молекулами — без этой силы ваш палец прошел бы через вашу компьютерную мышь (не говоря уже об атомах и молекулах, которые производят ваше тело больше не будет связано вместе).
Слабые калибровочные бозоны
W ⁺, W ^— и Z ⁰ — слабые калибровочные бозоны, носители слабой силы.
Слабое взаимодействие вызывает радиоактивный распад, вызывая пониженный кварк внутри нейтрон превратиться в ап-кварк. Это изменение превращает нейтрон в протон, высвобождая электрон в процессе. Слабая сила также может трансформировать протон в нейтрон.
Карло Руббиа, Симон Ван дер Меер и команда из 130 физиков открыл слабые калибровочные бозоны в 1983 году.
Глюон
Глюон, являющийся переносчиком сильной силы, работает на крошечных расстояниях — 10 ^-13 см или меньше.Сильная сила действует как клей, плотно связывая кварки объединяются в группы по три, чтобы образовать протоны и нейтроны и другие комбинации для образования других частиц.
Сильное взаимодействие также удерживает вместе протоны и нейтроны, которые составляют атомное ядро. Без сильного взаимодействия протоны удалялись бы от каждого другие из-за отталкивания, вызванного их подобными электрическими зарядами.
Косвенные свидетельства глюона были впервые обнаружены на Немецкой академии наук. Elektronen Synchrotron в Гамбурге, Германия, в 1979 году.
Бозон Хиггса
Физики элементарных частиц ожидали, что слабые калибровочные бозоны будут безмассовыми частицами. Вместо этого экспериментально было показано, что эти бозоны имеют значительную массу. Для объяснения этой массы был постулирован бозон Хиггса.
Согласно гипотезе, поле Хиггса тормозит слабые калибровочные бозоны, которые иначе двигались бы со скоростью света. Это замедление дает бозоны — эффективная масса. При достаточно высоких температурах эффекты Хиггса исчезают, позволяя слабым калибровочным бозонам перемещаться со скоростью света и стать безмассовым.
Бозон Хиггса, названный в честь человека, который постулировал его существование, Питер Хиггс объясняет, почему слабые калибровочные бозоны не являются безмассовыми частицами.
Семья 1 Лептоны и кварки
Электрон
Электрон — это отрицательно заряженная частица, которая окружает ядро атом. Из-за своего отрицательного электрического заряда электрон притягивается к положительно заряженные протоны в ядре атома, удерживая их связанными с ядро.Как электроны собираются в оболочках вокруг атома помогает определить химические характеристики этого атома.
Отрицательный заряд электрона также не дает атомам пройти через один другой — отталкивание, вызванное одноименными зарядами, разделяет атомы.
Электрон, открытый в 1897 году Дж. Дж. Томсоном, имеет различие быть первой обнаруженной субатомной частицей.
Электронное нейтрино
Нейтрино может преодолевать большие расстояния через материю без взаимодействуя с ним — проходит около 600 триллионов нейтрино от Солнца через ваше тело каждую секунду.Нейтрино виртуально стреляют сквозь Землю беспрепятственно, поэтому число, проходящее через вас, будет таким же, даже если оно ночь и солнце находится на другой стороне Земли. Причина в том, что они безмассовые или почти безмассовые и взаимодействуют только с материей через гравитацию и слабую силу.
В 1930 году Вольфганг Паули предсказал существование нейтрино. В Существование частицы было показано Клайдом Коуэном и Фредом Рейнсом в 1956 году.
Up кварк
Наименее массивный из шести кварков, верхний кварк комбинируется с нижним кварком. чтобы решить проблему, с которой мы сталкиваемся в повседневной жизни.
Хотя отдельные кварки никогда не наблюдались, есть косвенные доказательства это убеждает физиков в том, что они существуют.
В 1964 году Мюррей Гелл-Манн и Джордж Цвейг независимо друг от друга объявили теоретическое существование кварков.
Даун кварк
Нижние и верхние кварки составляют ´ протоны и нейтроны, которые образуют атомные ядра и, следовательно, они несут ответственность за подавляющую часть всей материи что мы переживаем и видим.
Два нижних кварка и верхний кварк составляют нейтрон (-1/3 + -1/3 + 2/3 = 0).Один нижний кварк и два верхних кварка составляют протон (-1/3 + 2/3 + 2/3 = 1).
Гипотеза кварков Мюррея Гелл-Манна и Джорджа Цвейга подтвердилась в 1968 году в Стэнфордском центре линейных ускорителей.
Семья 2 лептоны и кварки
Мюон
Как и электрон, мюон является заряженной частицей. В отличие от электрона, это более массивный и нестабильный; две трети всех мюонов распадаются на электрон, мюонное нейтрино и электронное антинейтрино в пределах двух микросекунды после их появления.
Мюон был следующей элементарной частицей, обнаруженной после открытий электрон, протон и нейтрон.
Джабез С. Стрит и Эдвард С. Стивенсон нашли доказательства существования мюона в 1937 г.
Мюонное нейтрино
Обнаруженное в 1961 году мюонное нейтрино оказалось другой частицей, чем электронное нейтрино.
Электронные нейтрино связаны с типом радиоактивного распада, который производит электрон вместе с нейтрино.Тип радиоактивного распада, который производит мюонные нейтрино, а также производит мюоны, которые являются элементарными частицами, которые похожи на электроны, но более массивны.
Заслуга в открытии мюонного нейтрино принадлежит Джеку. Штейнбергер, Мелвин Шварц и Леон Ледерман.
Очаровательный кварк
Очарованный кварк, похожий на верхний кварк, но более массивный, был четвертый кварк найден после открытий восходящего, нисходящего и странного кварки.
Очарованный кварк был косвенно открыт одновременно в 1974 г. Брукхейвенская национальная лаборатория и Стэнфордский линейный ускоритель Центр.
Странный кварк
Странный кварк получил свое название из-за его «странного» поведения. Когда это был впервые обнаружен, он прожил намного дольше, чем предполагалось.
Как и в случае с другими кварками, свидетельство существования странного кварка было косвенным — оно был обнаружен внутри более крупной частицы, которая содержала его вместе с верхним кварком и даун-кварк.
В 1947 году Джордж Рочестер и К.С. Батлер открыли частицу «V». (от космического луча), который, как позже было показано, связан со странным кварк.
Семья 3 лептонов и кварков
Тау
Тау-лептон идентичен электрону, за исключением того, что он в 3500 раз больше тяжелее и нестабильнее. Он существует менее одной триллионной секунды до того, как он распадается на другие частицы.
Тау-лептон был открыт в 1975 году Мартином Перлом и группой исследователей. 30 физиков в Стэнфордском позитронно-электронном асимметричном кольце.
Тау нейтрино
Совсем недавно обнаруженный международным коллаборацией физиков тау-нейтрино — самый массивный из трех типов нейтрино.Его существование было подтверждено, когда частица, которая могла быть только тау-нейтрино, попала в ядро атома и создал тау-лептон.
Первое прямое свидетельство существования тау-нейтрино было обнаружено в 2000 г. в Национальной ускорительной лаборатории Ферми в Иллинойсе.
Верхний кварк
Топ-кварк был шестым и последним обнаруженным кварком. Масса одиночный топ-кварк эквивалентен ядру атома золота, которое содержит 197 протонов и нейтронов.(Эти 197 протонов и нейтронов состоят из 591 верхний и нижний кварк!)
Топ-кварк был открыт в 1995 году в Национальном центре Ферми. Ускорительная лаборатория.
Нижний кварк
Нижний кварк был пятым обнаруженным кварком. Его открытие привело физиков к предсказывают, что будет шестой кварк (топ-кварк), который позже открыт в 1995 году.
Нижний кварк был открыт в 1976 году в Национальном университете Ферми. Ускорительная лаборатория.
Подробнее об этой таблице
Контекст
Здесь перечислены основные силы, материя и действия, которые выполняет каждая частица. обычно ассоциируется с.Исключение составляют фермионы, входящие в Семейство 2. и частицы семейства 3. Эти фермионы в основном обнаруживаются только в ускорители частиц.
Масса
Согласно теории суперструн, каждая элементарная частица состоит из крошечной основная струна. И поскольку масса и энергия эквивалентны (как описано Знаменитое уравнение Эйнштейна E = Mc ²) масса каждой «частицы» равна определяется энергией струны — чем выше энергия струны, тем больше масса частицы.Цифры, представленные здесь, даны в единицах измерения миллионы электрон-вольт (МэВ), когда частицы находятся в состоянии покоя.
Заряд
Заряд 1 означает, что частица имеет положительный электрический заряд, а заряд -1 указывает, что частица имеет отрицательный заряд, а заряд 0 означает, что частица не взаимодействует с электромагнитной силой. Кварки, которые имеют дробные заряды, могут объединяться в тройки, образуя протоны. и нейтроны, которые имеют заряды 1 и 0 соответственно.Кварки также могут объединяются попарно, чтобы создать частицы с зарядами +1, 0 или -1.
Spin
Эксперименты показывают, что каждая элементарная частица имеет собственный угловой импульс — или свойство, называемое вращением. Все фермионы имеют спин 1/2, а все бозоны имеют целое число спина. Согласно теории струн, каждая элементарная частица состоит из крошечной струны, и каждая струна имеет вращение. связанный с вибрацией струны.
Сила
Четыре силы, которые переносятся бозонами и действуют на разные расстояния, различаются по силе, причем сильная сила является самой сильной и самая слабая гравитация.Все представленные здесь цифры относятся к сильным сила (поэтому ее сила указана как «1») на расстоянии 10 ^-13 см. К фермионам прочность неприменима, потому что они не нести силы.
Диапазон
Некоторые частицы, несущие силу, такие как фотон и гравитон, имеют бесконечный диапазон, в то время как другие работают только на очень коротких расстояниях. Ценности показаны в сантиметрах. Диапазон не применим к фермионам, потому что они не бери силы.
Наблюдается?
С помощью таких инструментов, как ускорители частиц, физики могут заглянуть в глубь субатомного мира и проверить существование различных частицы. Иногда есть только косвенные доказательства наличия частиц, как случай со всеми типами кварков и глюоном.
Sparticles
В отличие от других данных, отображаемых в этом столбце, показанная здесь информация не показывать атрибуты элементарных частиц, а скорее «супер частицы »(sparticles), связанные с каждой частицей.Частицы альтернативные, возможно, более массивные версии элементарных частиц, предсказанные суперсимметрия. Физики еще не подтвердили существование этих частицы.
* В таблице перечислены 19 известных частиц (17 из которых экспериментально подтверждено, хотя некоторые из них косвенно). Дело и заставляет нас опыт, однако, может составлять примерно половину этого числа. Этот стол не содержит античастиц.
The Standard Model — The Physics Hypertextbook
Обсуждение
введение
Стандартная модель — это название, данное в 1970-х годах теории элементарных частиц и их взаимодействия.Он включил все, что было известно о субатомных частицах в то время, а также предсказал существование дополнительных частиц.
В Стандартной модели семнадцать именованных частиц, организованных в диаграмму, показанную ниже. Последними открытыми частицами были бозоны W и Z в 1983 г., топ-кварк в 1995 г., тау-нейтрино в 2000 г. и бозон Хиггса в 2012 г.
Частицы стандартной модели (нуклоны включены для сравнения) * Массы из группы данных по частицам ^† Протон и нейтрон — это адроны (состоящие из кварков), барионы (состоящие из трех кварков) и нуклоны (находящиеся в ядре), но они не являются стандартными модельными частицами ^‡ Бозон Хиггса — единственный известный скалярный бозон.
семья частица предсказано /
обнаружено спин
номер заряд
(д) цвет * масса *
(МэВ / c ²)
f
e
r
m
i
o
n
s q
u
a
r
k
s u вверх кварк 1964 1968 ½ + ⅔ + р, г, б 2.16
д кварк вниз 1964 1968 ½ −⅓− р, г, б 4,67
в очаровательный кварк 1970 1974 ½ + ⅔ + р, г, б 1,270
с странный кварк 1964 1968 ½ −⅓− р, г, б 93
т топ-кварк 1973 1995 ½ + ⅔ + р, г, б 172 760
б нижний кварк 1973 1977 ½ −⅓− р, г, б 4 180
l
e
p
t
o
n
s e электрон 1874 1897 ½ −1− нет 0.51099895
мкм мюон 0000 1936 ½ −1− нет 105.658375
τ тау 0000 1975 ½ −1− нет 1776,86
ν _e электронное нейтрино 1930 1956 ½ 0 нет <1.1 × 10 ⁻⁶
ν _мкм мюонное нейтрино s1940-е 1962 ½ 0 нет <0,19
ν _τ тау нейтрино s1970-е 2000 ½ 0 нет <18,2
† с. протон 1815 1917 ½ +1+ нет 938.272081
n нейтрон 1920 1932 ½ 0 нет 939.565413
b
o
s
o
n
s v
e
c
t
o
r г глюон 1962 1978 1 0 8 цветов 0
γ фотон 0000 1899 1 0 нет 0
Вт Вт бозон 1968 1983 1 ± 1 ± нет 80 379
Z Z-бозон 1968 1983 1 0 нет 91 187.6
‡ H бозон Хиггса 1964 2012 0 0 нет 125,100
семейств частиц
Фундаментальные частицы являются либо строительными блоками материи, называемыми фермионами , либо посредниками взаимодействий, называемыми бозонами . В Стандартной модели двенадцать именованных фермионов и пять именованных бозонов.
Фермионы подчиняются статистическому правилу, описанному Энрико Ферми (1901–1954) из Италии, Полем Дираком (1902–1984) из Англии и Вольфгангом Паули (1900–1958) из Австрии, названным принципом исключения . Проще говоря, фермионы не могут занимать одно и то же место в одно и то же время. (Более формально, никакие два фермиона не могут быть описаны одними и теми же квантовыми числами.) Лептоны и кварки являются фермионами, но также и вещи, сделанные из них, такие как протоны, нейтроны, атомы, молекулы, люди и стены. Это согласуется с нашими макроскопическими наблюдениями за материей в повседневной жизни.Люди не могут проходить сквозь стены, если стена не мешает.
Бозоны, напротив, без проблем занимают одно и то же место в одно и то же время. (Более формально два или более бозона могут быть описаны одними и теми же квантовыми числами.) Статистические правила, которым подчиняются бозоны, были впервые описаны Сатьендрой Бозе (1894–1974) из Индии и Альбертом Эйнштейном (1879–1955) из Германии. Глюоны, фотоны и W, Z и Хиггс — все это бозоны. Как частицы, составляющие свет и другие формы электромагнитного излучения, фотоны — это бозоны, с которыми мы имеем самый непосредственный опыт.В нашем повседневном опыте мы никогда не видим, как лучи света сталкиваются друг с другом. Фотоны подобны фантомам. Они проходят друг через друга без какого-либо эффекта.
Элементарные частицы имеют собственный угловой момент спина S . Прилагательное «внутреннее» означает врожденное или существенное для самой вещи. У элементарных частиц нет спина, потому что кто-то их вращает. Они просто вращаются — или, скорее, у них просто есть измеримая величина с теми же единицами, что и угловой момент.В современной физике элементарные частицы безликие — как математическая точка. Для того, чтобы что-то воспринималось как вращающееся, вращающемуся предмету потребуется что-то вроде «переда» и «спинки». Безликие точечные частицы не имеют ничего подобного. Физику элементарных частиц лучше всего описать математикой. Спин — это удобный ярлык для измеримого качества, а не для описания реальности.
Каждая элементарная частица связана с квантовым числом спина s (часто называемым числом спина или просто спином ), где s — любое целое число, кратное половине.Фермионы имеют полуцелые спиновые квантовые числа (½, 1½, 2½ и т. Д.), А бозоны имеют целые спиновые квантовые числа (0, 1, 2 и т. Д.). Между ними не может быть числа спинов. Спин — это квантованная величина.
Элементарные фермионы имеют спин 1/2. Частицы, состоящие из комбинаций фермионов, будут иметь общее вращение, представляющее собой комбинацию отдельных спинов. Барион, состоящий из трех кварков, будет объединяться с общим спином ½ или 1½, поскольку это единственные возможные неотрицательные комбинации ½ ± ½ ± ½.Это показывает, что все барионы (например, протоны и нейтроны) также являются фермионами. Точно так же мезон, состоящий из кварка и антикварка, будет объединяться с общим спином 0 или 1, поскольку это единственные возможные неотрицательные комбинации ½ ± ½. Это показывает, что все мезоны (например, пион остаточного сильного взаимодействия) также являются бозонами.
Силовые бозоны Стандартной модели (глюоны, фотоны и W и Z) имеют спин 1, поскольку они связаны с векторными полями.Бозон Хиггса соответствует скалярному полю, поэтому он имеет спин 0. Если частица гравитационного поля когда-либо будет обнаружена, она будет называться гравитоном и будет иметь спин 2, поскольку соответствует тензорному полю. Тензор — это математический объект, который сложнее вектора, который, в свою очередь, сложнее скаляра. Видите тенденцию? Скалярное поле с без направления получает частицу со спином 0 . Векторное поле с направлением получает частицу со спином 1 .Тензорное поле, которое растягивает и сжимает пространство в двух направлениях , получает частицу со спином 2 .
Все фундаментальные и составные частицы имеют спиновое квантовое число s (строчные буквы). Это связано со спиновым угловым моментом S (верхний регистр). Единица углового момента в системе СИ — это килограмм-метр в квадрате [кг · м ² / с] или, что то же самое, джоуль-секунда [Дж · с], что слишком велико для элементарных частиц.Вместо этого используется ℏ ( ч бар ), также известная как приведенная постоянная Планка (ℏ = ч / 2π). По причинам, выходящим за рамки этой книги, спиновое квантовое число s (которое является просто числом) и спиновый угловой момент S (который представляет собой число с единицей) численно не совпадают. Вместо этого они связаны неочевидным уравнением.
S = ⎡
⎣ с ⎛
⎝ с + 1 ⎞
⎠ ⎤ ^½
⎦ ℏ
Для частиц со спиновым квантовым числом 0 решением является разумный спиновый угловой момент 0.
S (0) = ⎡
⎣ 0 ⎛
⎝ 0 + 1 ⎞
⎠ ⎤ ^½
⎦ ℏ = 0 ℏ
Для более высоких спиновых квантовых чисел спиновый угловой момент увеличивается, но кроме этого, просто сказать нечего.
S (½) = ⎡
⎣ ¹ ₂ ⎛
⎝ ¹ ₂ + 1 ⎞
⎠ ⎤ ^½
⎦ ℏ = ^√3 ₂ ℏ
S (1) = ⎡
⎣ 1 ⎛
⎝ 1 + 1 ⎞
⎠ ⎤ ^½
⎦ ℏ = √2 ℏ
S (1½) = ⎡
⎣ ³ ₂ ⎛
⎝ ³ ₂ + 1 ⎞
⎠ ⎤ ^½
⎦ ℏ = ^√15 ₂ ℏ
S (2) = ⎡
⎣ 2 ⎛
⎝ 2 + 1 ⎞
⎠ ⎤ ^½
⎦ ℏ = √6 ℏ
Фермионов разделены на две группы по шесть: те, которые должен связать вместе, называются кварками , а те, которые может существовать независимо, называются лептонами .
Слово «кварк» первоначально появилось в единственной строке романа Поминки по Финнегану , написанного ирландским писателем Джеймсом Джойсом (1882–1941). Главный герой книги — мытарь по имени Хамфри Чимпден Эрвикер, которому снится, что он подает пиво пьяной чайке (без шуток). Вместо того, чтобы просить «три литра для мистера Марка», пьяная птица говорит: «три кварка для Muster Mark». Поскольку в теории до Стандартной модели было всего три кварка, название имело некоторый смысл.Полная Стандартная модель сегодня требует шести кварков. Это не сделало это слово менее забавным. Кварк! Шесть вкусов творога: вверх , вниз , странный , очаровательный , верхний и нижний . Названия ароматов по сути бессмысленны.
Известно, что
кварков связываются в триплеты и дублеты. Тройки называются барионами , термин, производный от греческого слова βαρύς ( varys ), означающего «тяжелый».Дублеты называются мезонами , термин, производный от греческого слова μέσος ( mesos ), означающего «средний». В совокупности барионы (тяжелые триплеты), мезоны (средние дублеты) и кварки (фундаментальные частицы) известны как адронов , от греческого слова αδρός ( adros ), означающего толстый, надежный, массивный или большой. Это название намекает на способность точечных кварков связываться вместе и образовывать частицы, которые в определенном смысле являются «толстыми».
Остальные шесть фермионов называются лептонами — название происходит от греческого слова λεπτός ( leptos ), означающего тонкий, нежный, легкий или маленький. Этим частицам не нужно связываться друг с другом, что в определенном смысле делает их «тонкими». Первоначально лептоны считались «легкими» частицами, а адроны — «тяжелыми» частицами, но открытие тау-лептона в 1975 году нарушило это правило. Тау (самый тяжелый лептон) почти вдвое массивнее протона (легчайшего адрона).
Барионы, обнаруженные в ядре (протон и нейтрон), называются нуклонами . Латинское слово, обозначающее ядро, — ядро . Нуклоны находятся в метафорическом «ядре» атома. Барионы, которые содержат хотя бы один странный кварк, но не содержат очаровательных, нижних или верхних кварков, называются гиперонами . Греческое слово для обозначения за пределами — υπέρ ( и ), которое превратилось в английский префикс hyper -. Гипероны — это частицы, которые в определенном смысле «выходят наружу».
нейтрино — важная подгруппа лептонов. Они бывают трех видов, названных в честь лептонов-партнеров. электрон , мюон и тау совпадают с электронным нейтрино , мюонным нейтрино и тау-нейтрино . Нейтрино имеют очень небольшую массу (даже для лептонов) и настолько слабо взаимодействуют с остальными частицами, что их чрезвычайно трудно обнаружить.Название — игра слов. Итальянское слово, обозначающее нейтрон ( нейтрон, ), звучит как слово нейтральный ( нейтрон ) с добавленным суффиксом (- one ) на конце. То есть для ушей итальянцев это звучит что-то вроде «большого нейтрального». Замените увеличивающий суффикс — на уменьшительным суффиксом — ino , и у вас получится «немного нейтральный», который хорошо описывает, что такое нейтрино — крошечная нейтральная частица. Ааааау, такая маленькая и нейтральная.
Фермионы принадлежат к одному из трех известных поколений от обычного (I), до экзотического (II), до очень экзотического (III). (Это прилагательные, которые я выбрал для описания поколений.) Поколение I частиц могут объединяться, образуя адроны с фактически бесконечной продолжительностью жизни (например, стабильные атомы, состоящие из электронов, протонов и нейтронов). Поколение II частиц всегда образуют нестабильные адроны. Самый долгоживущий адрон, содержащий кварк поколения II, — это лямбда-частица (состоящая из восходящего, нижнего и странного кварка).Его среднее время жизни составляет менее одной миллиардной доли секунды, что считается долгоживущим для нестабильного адрона. Поколение III частиц делятся по своему поведению. Нижний кварк не намного страннее, чем странный кварк, но верхний кварк настолько недолговечен, что не существует достаточно долго, чтобы что-либо делать. Он разваливается еще до того, как мир узнает о его существовании. Топ-кварки известны только по продуктам их распада.
взаимодействия частиц
Три из четырех фундаментальных факторов природы включены в Стандартную модель физики элементарных частиц — электромагнетизм, сильное взаимодействие и слабое взаимодействие.(Гравитация не включена в Стандартную модель.) Каждая сила действует между частицами из-за некоторого свойства этой частицы — заряда для электромагнетизма, цвета для сильного взаимодействия и аромата для слабого взаимодействия. Бозоны, связанные с каждой силой, называются калибровочными бозонами — фотон для электромагнетизма, глюоны для сильного взаимодействия и бозоны W и Z для слабого взаимодействия.
Заряд — это свойство материи, которое вызывает электрические и магнитные явления (известные под общим названием электромагнетизм ).Заряд квантуется, что означает, что он может существовать только в дискретных количествах с ограниченными значениями — кратными и долями элементарного заряда (e = 1,6 × 10 ⁻¹⁹ C). Частицы, которые существуют независимо (электрон, мюон и тау), несут кратные элементарного заряда (−1 e), в то время как кварки несут доли элементарного заряда (+ ⅔ e или −⅓ e). Кварки всегда связываются в группы, общий заряд которых является целым кратным элементарному заряду, поэтому никто никогда напрямую не измерял дробный заряд.Кроме того, поскольку притягиваются противоположные заряды, электроны стремятся связываться с протонами с образованием атомов, которые в целом являются нейтральными. Из-за этого мы обычно не замечаем электрическую природу материи.
Заряженные частицы взаимодействуют посредством обмена фотонов — носитель электромагнитной силы. Каждый раз, когда один электрон отталкивает другой или какой-либо электрон вращается вокруг ядра, за это отвечает фотон. Фотоны безмассовые, незаряженные и имеют неограниченный радиус действия. Математическая модель, используемая для описания взаимодействия заряженных частиц посредством обмена фотонами , известна как квантовая электродинамика (QED).
Кварки прилипают к другим кваркам, потому что они обладают характеристикой, известной как цвет (или цветовой заряд ). Кварки бывают одного из трех цветов: красного, зеленого и синего. Не позволяйте словам вводить вас в заблуждение. Кварки слишком малы, чтобы их можно было увидеть, и поэтому они никогда не могут иметь такое свойство восприятия, как цвет. Имена были выбраны по удобной аналогии. Цвета кварков в Стандартной модели сочетаются, как цвета света в человеческом зрении.
Красный свет плюс зеленый свет плюс синий свет кажется нам, людям, как «бесцветный» белый свет. Барион — это тройка из одного красного, одного зеленого и одного синего кварков. Соедините их, и вы получите частицу нейтрального цвета. Цвет плюс противоположный цвет также дает белый свет. Красный свет плюс голубой свет, например, для людей выглядит так же, как белый свет. Мезон — это дублет одноцветного кварка и одного антикварка антицветного цвета. Соедините их, и вы получите частицу нейтрального цвета.
В цвете есть что-то такое, что заставляет его спрятаться от чего-либо большего, чем ядро.Кварки не могут стоять отдельно друг от друга. Им просто нужно объединиться, и всегда делать это так, чтобы их цвет был скрыт от внешнего мира. Когда кварки собираются вместе, один цвет никогда не превосходит другой. Материя имеет нейтральный цвет вплоть до очень малых размеров.
Цветные частицы связаны вместе глюонами с соответствующим названием . Глюоны тоже окрашены, но более сложным образом, чем кварки. Шесть из восьми глюонов имеют два цвета, один — четыре, а другой — шесть.Глюоны склеивают кварки, но они также прилипают друг к другу. Одним из следствий этого является то, что они не могут дотянуться до ядра и сделать многое за его пределами.
Математическая модель, используемая для описания взаимодействия окрашенных частиц через обмен глюонами , известна как квантовая хромодинамика (КХД). Весь липкий беспорядок называется сильной силой или сильным взаимодействием , поскольку она приводит к силам в ядре, которые сильнее электромагнитной силы.Без сильного взаимодействия каждое ядро разнесло бы себя вдребезги.
Всего существует двенадцать названных элементарных фермионов. Разница между ними — одна из вкуса . Слово «аромат» используется здесь для обозначения «типа» и относится только к фермионам. Не позволяйте этому слову ввести вас в заблуждение. Субатомные частицы слишком малы, чтобы иметь какие-либо характеристики, которые можно было бы непосредственно наблюдать человеческими органами чувств.
Ароматизированные частицы слабо взаимодействуют посредством обмена W- или Z-бозонами — носителями слабого взаимодействия (также известных как промежуточных векторных бозонов ).Когда нейтрон распадается на протон, за это отвечает бозон W ^—. Математическая модель, используемая для описания взаимодействия ароматизированных частиц через обмен W и Z-бозонами , иногда известна как квантовая флавординамика (QFD), но это термин, который не используется работающими физиками частиц. При более высоких энергиях слабые и электромагнитные силы начинают выглядеть все более и более похожими. Математическая модель, описывающая эти взаимодействия вместе, известна как теория электрослабого взаимодействия (EWT).Это условное название теории слабого взаимодействия.
масса и тяжесть
Считается, что все фермионы имеют ненулевую массу покоя. Частицы поколения I менее массивны, чем частицы поколения II, которые менее массивны, чем частицы в поколении III. В пределах поколений кварки массивнее лептонов, а нейтрино менее массивны, чем другие лептоны. Бозоны делятся по массе. Глюоны и фотоны безмассовые. Бозоны W, Z и Хиггса массивны.
Масса — это энергия. Движущаяся частица более массивна, чем неподвижная частица, потому что у нее есть кинетическая энергия. По логике, неподвижная частица не должна иметь массы. Если бы мы могли остановить фотон (чего мы не можем), он бы ничего не весил. Кажется, наша логика работает. Если бы мы могли остановить электрон (что мы можем), он бы что-то весил. Наша логика сломана. Почему одни частицы что-то весят в состоянии покоя, а другие ничего не весят?
Масса — это энергия, и энергия бывает двух типов: кинетическая энергия (энергия движения) и потенциальная энергия (энергия расположения).Вклад кинетической энергии в массу невелик. Большая часть массы вокруг нас исходит из какой-то потенциальной энергии. Например, протон состоит из двух верхних кварков и нижнего кварка. Массы этих трех кварков не равны массе протона.
м _p ≠ 2 м _u +1 м _d
938,272 МэВ / c ² ≠ 2 (2.3 МэВ / c ²) + 1 (4,8 МэВ / c ²)
938,272 МэВ / c ² ≠ 9,4 МэВ / c ²
Масса деталей составляет всего 1% от массы целого. Остальные 99% приходятся на потенциальную энергию сильного взаимодействия, удерживающего протон. Частицы, являющиеся посредниками сильного взаимодействия, являются глюонами. Энергия взаимодействия этих более массовых частиц — это то, что дает протону большую часть его массы.
Так почему кварки имеют массу, а глюоны — нет? Или, как исторически задавался вопрос, почему бозоны W и Z имеют массу, а фотон — нет? Может быть, есть другой вид потенциальной энергии. Может быть, есть другое взаимодействие — взаимодействие, которое одни частицы ощущают, а другие нет. Если есть взаимодействие, есть частица — частица, которая придает массу другим частицам, когда они просто сидят и ничего не делают. Взаимодействие, придающее элементарным частицам массу, было предложено в 1964 году учеными в трех независимых местах.
Франсуа Энглер и Роберт Браут в L’Université Libre de Bruxelles в Бельгии
Питер Хиггс из Эдинбургского университета в Шотландии
Джеральд Гуральник, Карл Хаген и Том Киббл в Имперском колледже, Лондон
Его следует называть механизмом Энглерта-Браута-Хиггса-Гуральника-Хагена-Киббла, но это не так. По какой-то причине взаимодействие, которое придает массу элементарным частицам, называется механизмом Хиггса , а частица, которая опосредует взаимодействие, называется бозоном Хиггса , частица Хиггса или (редко) хиггсоном .
Предполагается, что все пространство заполнено полем Хиггса — фоновым морем виртуальных бозонов Хиггса, которые появляются и исчезают. Кварки, лептоны и W- и Z-бозоны, движущиеся в пространстве, взаимодействуют с этим полем, поэтому эти частицы имеют массу. Фотоны и глюоны не взаимодействуют с полем Хиггса, поэтому эти частицы не имеют массы. Даже сам бозон Хиггса взаимодействует с полем Хиггса. Придает себе массу! Бозон Хиггса отличается от других бозонов (глюонов, фотонов, W- и Z-бозонов) тем, что механизм Хиггса не приводит к чему-либо, напоминающему силу (например, сильные, электромагнитные и слабые взаимодействия).Поле Хиггса — это скалярное поле, а бозон Хиггса — частица с нулевым спином.
Гравитация — это сила между объектами, обусловленная их массой. Математическая модель, описывающая гравитацию на уровне частиц, иногда называется квантовой геометродинамикой (QGD), но чаще ее называют квантовой гравитацией . Стандартная модель физики элементарных частиц не включает гравитацию (и не может никогда), и в настоящее время не существует квантовой теории гравитации.Если бы он был, он должен был бы включать в себя частицу, вызывающую силу. Предлагаемое название этой частицы — гравитон . Общая теория относительности описывает гравитационных волн как распространяющееся тензорное возмущение, которое сдвигает пространство-время в двух чередующихся перпендикулярных направлениях. Это двумерное поведение заставляет физиков-теоретиков полагать, что гравитон имел бы спин два.
Есть надежда, что гравитация будет учтена в теории, выходящей за рамки Стандартной модели.В крайнем случае самоуверенности некоторые теоретики предполагают, что такая теория будет теорией всего . Учитывая историю науки (и жизни в целом), все, что претендует на то, чтобы быть окончательным представлением реальности (научное, экономическое, культурное или религиозное), безусловно, обречено на то, чтобы быть вытесненным чем-то большим и лучшим — или, по крайней мере, , что-то менее неправильное.
имен, имен, имен
Тема этой темы вроде «имена, имена, имена».
Группы частиц им. Физиков * Классические частицы (например, молекулы идеального газа) не являются частью Стандартной модели, но включены для сравнения.
группа статистика одноименный корень
фермионы ферми-
дирак Энрико Ферми
(1901–1954) Италия Поль Дирак
(1902–1984) Англия
бозоны bose-
эйнштейн Сатьендра Бозе
(1894–1974) Индия Альберт Эйнштейн
(1879–1955) Германия
классический
* частицы * максвелл-
болтцманн Джеймс Клерк Максвелл
(1831–1879) Шотландия Людвиг Больцманн
(1844–1906) Австрия
Хиггс
бозон хиггс
механизм Питер Хиггс
(1929–0000) Англия
Группы частиц с названиями греческого происхождения
группа греческий корень означает
адронов αδρός ( адрос ) толстый
лептонов λεπτός ( лептос ) тонкий
барионов βαρύς ( вариантов ) тяжелый
мезонов мкσος ( мес ) средний
гипероны υπέρ ( лет ) за
Группы частиц с названиями латинского происхождения
группа корень латыни означает
нуклонов ядро  ядро
Группы частиц с названиями различного происхождения
группа источник объяснение
нейтрино Энрико Ферми
(1901–1954)
Италия Итальянская уменьшенная форма нейтрона ( нейтрон ). нейтрон может быть переведен как «маленький нейтрон», чтобы противопоставить его нейтрону , который является «большим нейтральным».
кварков Мюррей Гелл-Манн
(1929–2019)
США Произвольное высказывание, позднее связанное с отрывком из Поминки по Финнегану — романа ирландского писателя-модерниста Джеймса Джойса. Это звучало как пьяная чайка, заказывающая «литры» пива.
теория групп
Для тех, кто любит причудливую математику, стандартная модель описывается с использованием обозначений теории групп как…
SU (3) × SU (2) × U (1)
, где калибровочная группа сильных взаимодействий…
SU (3)
, а калибровочная группа электрослабых взаимодействий…
SU (2) × U (1)
Примечания…
SU (3)
Специальная унитарная группа 3-го порядка
набор всех унитарных матриц 3 × 3 с единичным определителем
СУ (2)
Специальная унитарная группа 2-го порядка
набор всех унитарных матриц 2 × 2 с единичным определителем
, изоморфный группе кватернионов с модулем 1, { x ∈ ℍ: | x | = 1}
, диффеоморфный гиперсфере (3-сфере)
, гомоморфный группе вращений SO (3), множество всех вращений вокруг начала координат в обычном трехмерном евклидовом пространстве
У (1)
унитарная группа 1-го порядка
набор всех унитарных матриц 1 × 1
изоморфна круговой группе, мультипликативной группе комплексных чисел с модулем 1, T = { x ∈ ℂ: | x | = 1}
, изоморфная SO (2), специальная ортогональная группа второго порядка
лагранжиан
Что это? Лагранжиан стандартной модели.

Частицы стандартной модели (нуклоны включены для сравнения)
семья	частица	предсказано / обнаружено	спин номер	заряд (д)	цвет	* масса * (МэВ / c ²)
f e r m i o n s	q u a r k s	u	вверх кварк	1964	1968	½	+ ⅔ +	р, г, б	2.16
д	кварк вниз	1964	1968	½	−⅓−	р, г, б	4,67
в	очаровательный кварк	1970	1974	½	+ ⅔ +	р, г, б	1,270
с	странный кварк	1964	1968	½	−⅓−	р, г, б	93
т	топ-кварк	1973	1995	½	+ ⅔ +	р, г, б	172 760
б	нижний кварк	1973	1977	½	−⅓−	р, г, б	4 180
l e p t o n s	e	электрон	1874	1897	½	−1−	нет	0.51099895
мкм	мюон	0000	1936	½	−1−	нет	105.658375
τ	тау	0000	1975	½	−1−	нет	1776,86
ν _e	электронное нейтрино	1930	1956	½	0	нет	<1.1 × 10 ⁻⁶
ν _мкм	мюонное нейтрино	s1940-е	1962	½	0	нет	<0,19
ν _τ	тау нейтрино	s1970-е	2000	½	0	нет	<18,2
†	с.	протон	1815	1917	½	+1+	нет	938.272081
n	нейтрон	1920	1932	½	0	нет	939.565413
b o s o n s	v e c t o r	г	глюон	1962	1978	1	0	8 цветов	0
γ	фотон	0000	1899	1	0	нет	0
Вт	Вт бозон	1968	1983	1	± 1 ±	нет	80 379
Z	Z-бозон	1968	1983	1	0	нет	91 187.6
‡	H	бозон Хиггса	1964	2012	0	0	нет	125,100

Группы частиц им. Физиков
группа	статистика	одноименный корень
фермионы	ферми- дирак	Энрико Ферми (1901–1954) Италия	Поль Дирак (1902–1984) Англия
бозоны	bose- эйнштейн	Сатьендра Бозе (1894–1974) Индия	Альберт Эйнштейн (1879–1955) Германия
классический * частицы *	максвелл- болтцманн	Джеймс Клерк Максвелл (1831–1879) Шотландия	Людвиг Больцманн (1844–1906) Австрия
Хиггс бозон	хиггс механизм	Питер Хиггс (1929–0000) Англия

Группы частиц с названиями греческого происхождения
группа	греческий корень	означает
адронов	αδρός	( адрос )	толстый
лептонов	λεπτός	( лептос )	тонкий
барионов	βαρύς	( вариантов )	тяжелый
мезонов	мкσος	( мес )	средний
гипероны	υπέρ	( лет )	за

Группы частиц с названиями латинского происхождения
группа	корень латыни	означает
нуклонов	ядро	ядро

Группы частиц с названиями различного происхождения
группа	источник	объяснение
нейтрино	Энрико Ферми (1901–1954) Италия	Итальянская уменьшенная форма нейтрона ( нейтрон ). нейтрон может быть переведен как «маленький нейтрон», чтобы противопоставить его нейтрону , который является «большим нейтральным».
кварков	Мюррей Гелл-Манн (1929–2019) США	Произвольное высказывание, позднее связанное с отрывком из Поминки по Финнегану — романа ирландского писателя-модерниста Джеймса Джойса. Это звучало как пьяная чайка, заказывающая «литры» пива.

РубрикаРазное

S (½) =	⎡ ⎣	¹ ₂	⎛ ⎝	¹ ₂	+ 1	⎞ ⎠	⎤ ^½ ⎦	ℏ =	^√3 ₂	ℏ

S (1) =	⎡ ⎣	1	⎛ ⎝	1	+ 1	⎞ ⎠	⎤ ^½ ⎦	ℏ =	√2	ℏ

S (1½) =	⎡ ⎣	³ ₂	⎛ ⎝	³ ₂	+ 1	⎞ ⎠	⎤ ^½ ⎦	ℏ =	^√15 ₂	ℏ

S (2) =	⎡ ⎣	2	⎛ ⎝	2	+ 1	⎞ ⎠	⎤ ^½ ⎦	ℏ =	√6	ℏ

м _p	≠	2 м _u +1 м _d
938,272 МэВ / c ²	≠	2 (2.3 МэВ / c ²) + 1 (4,8 МэВ / c ²)
938,272 МэВ / c ²	≠	9,4 МэВ / c ²

Элементарные частицы все: ЭЛЕМЕНТАРНЫЕ ЧАСТИЦЫ • Большая российская энциклопедия

ЭЛЕМЕНТАРНЫЕ ЧАСТИЦЫ • Большая российская энциклопедия

Элементарные частицы материи

Элементарные частицы – переносчики взаимодействий

Некоторые проблемы теории элементарных частиц

Кварковая модель адронов

Список элементарных частиц — Vladimir Gorunovich

Оглавление

1 Систематизация по полевой теории элементарных частиц

2 Систематизация по квантовой теории поля

3 Список частиц и фундаментальные взаимодействия

Элементарные частицы • Джеймс Трефил, энциклопедия «Двести законов мироздания»

Урок 29. элементарные частицы и их классификация — Физика — 11 класс

Элементарные частицы. Тайны природы, которые нам предстоит открыть — Нож

4.9. Элементарные частицы

Популярное изложение — Кафедра №40 «Физика элементарных частиц» НИЯУ МИФИ

Что такое элементарные частицы? | Живая наука

Электроны и связанные с ними частицы

Кварки и их причудливость

Фундаментальные частицы природы

Неуловимый бозон Хиггса

элементарных частиц

Стандартная модель | ЦЕРН

Силы и частицы носителя

субатомных частиц | Определение, примеры и классы

Делимый атом

Размер

Объяснитель: что такое элементарные частицы?

Частицы материи: кварки и лептоны

Силовые частицы

Антиматерия: фантастическая реальность

Знаменитый бозон Хиггса

Однако теория все еще неверна

NOVA | Элегантная Вселенная | Элементарные частицы (без вспышки)

The Standard Model — The Physics Hypertextbook

Обсуждение

введение

семейств частиц

взаимодействия частиц

масса и тяжесть

имен, имен, имен

теория групп

лагранжиан

Добавить комментарий Отменить ответ