الجسيم الاسمي. معنى كلمة ب-جسيم من الناحية الطبية جسيم ب

لقد كانوا يحاولون العثور على بوزون هيغز منذ عقود ، لكن دون جدوى حتى الآن. وفي الوقت نفسه ، بدونها ، الأحكام الرئيسية النظرية الحديثةعوالم مصغرة معلقة في الهواء.

بدأت دراسة الجسيمات منذ وقت ليس ببعيد. في عام 1897 ، اكتشف جوزيف جون طومسون الإلكترون ، وبعد 20 عامًا أثبت إرنست رذرفورد أن نوى الهيدروجين هي جزء من نوى عناصر أخرى ، ثم أطلق عليها فيما بعد البروتونات. في ثلاثينيات القرن الماضي ، تم اكتشاف النيوترون والميون والبوزيترون وتوقع وجود النيوترينو. في الوقت نفسه ، بنى هيديكي يوكاوا نظرية القوى النووية التي تحملها جسيمات افتراضية أثقل مئات المرات من الإلكترون ، لكنها أخف بكثير من البروتون (الميزونات). في عام 1947 ، تم العثور على آثار تحلل باي ميزون (بيون) على لوحات فوتوغرافية معرضة للأشعة الكونية. في وقت لاحق ، تم اكتشاف ميزونات أخرى ، وبعضها أثقل ليس فقط من البروتون ، ولكن أيضًا من نواة الهيليوم. اكتشف الفيزيائيون أيضًا العديد من الباريونات ، وهي أقارب ثقيلة وبالتالي غير مستقرة للبروتون والنيوترون. ذات مرة ، كانت كل هذه الجسيمات تسمى بدائية ، لكن هذه المصطلحات عفا عليها الزمن منذ فترة طويلة. الآن فقط الجسيمات غير المركبة تعتبر أولية - الفرميونات (مع نصف مغزلي - اللبتونات والكواركات) والبوزونات (مع عدد صحيح سبين - ناقلات التفاعلات الأساسية).

الجسيمات الأولية للنموذج القياسي

تتكون مجموعة الفرميون (ذات الدوران نصف الصحيح) من لبتونات وكواركات لما يسمى ثلاثة أجيال. اللبتونات المشحونة هي الإلكترون ونظائرها الضخمة الميون وجسيم تاو (والجسيمات المضادة). لكل ليبتون شريك محايد في شخص واحد من ثلاثة أنواع من النيوترينو (أيضًا مع الجسيمات المضادة). عائلة البوزونات ، التي تدور حول 1 ، هي جسيمات تحمل تفاعلات بين الكواركات واللبتونات. بعضها لا يحتوي على كتلة وشحنة كهربائية - هذه هي الغلوونات ، التي توفر روابط بين كوارك في الميزونات والباريونات ، والفوتونات ، كمات المجال الكهرومغناطيسي. يتم توفير التفاعلات الضعيفة ، التي تتجلى في عمليات تحلل بيتا ، من خلال ثلاثي من الجسيمات الضخمة - اثنان مشحون والآخر محايد.

عادة لا ترتبط الأسماء الفردية للجسيمات الأولية والمركبة بأسماء علماء محددين. ومع ذلك ، منذ ما يقرب من 40 عامًا ، تم التنبؤ بجسيم أولي آخر ، والذي سمي على اسم شخص حي ، الفيزيائي الاسكتلندي بيتر هيغز. مثل ناقلات التفاعلات الأساسية ، لها عدد صحيح مغزلي وينتمي إلى فئة البوزونات. ومع ذلك ، فإن دورانها ليس 1 ، بل 0 ، وفي هذا الصدد ليس لها نظائر. لعقود من الزمان ، كانوا يبحثون عنه في أكبر المسرعات - تيفاترون الأمريكية ، التي تم إغلاقها العام الماضي ، ومصادم الهادرون الكبير ، الذي يعمل الآن ، تحت رقابة وسائل الإعلام العالمية. بعد كل شيء ، بوزون هيغز ضروري جدًا للنظرية الحديثة للعالم الدقيق - النموذج القياسي للجسيمات الأولية. إذا لم يتم العثور عليها ، فإن الأحكام الرئيسية لهذه النظرية ستعلق في الهواء.

تماثلات القياس

يمكن حساب بداية الطريق إلى بوزون هيغز من مقال قصير نُشر عام 1954 من قبل الفيزيائي الصيني يانغ زينينغ ، الذي انتقل إلى الولايات المتحدة ، وزميله في مختبر بروكهافن الوطني ، روبرت ميلز. في تلك السنوات ، اكتشف المجربون المزيد والمزيد من الجسيمات الجديدة ، والتي لا يمكن تفسير وفرتها بأي شكل من الأشكال. بحثًا عن أفكار واعدة ، قرر يانغ وميلز اختبار احتمالات التناظر المثير للاهتمام للغاية ، والذي يخضع للديناميكا الكهربية الكمية. بحلول ذلك الوقت ، أثبتت هذه النظرية قدرتها على إعطاء نتائج ممتازة بالاتفاق مع الخبرة. صحيح ، في سياق بعض العمليات الحسابية ، تظهر اللانهايات هناك ، ولكن يمكنك التخلص منها باستخدام إجراء رياضي يسمى إعادة التطبيع.

تم إدخال التناظر ، الذي أثار اهتمام يانغ وميلز ، إلى الفيزياء في عام 1918 من قبل عالم الرياضيات الألماني هيرمان ويل. أطلق عليه اسم مقياس ، وقد نجا هذا الاسم حتى يومنا هذا. في الديناميكا الكهربية الكمومية ، يتجلى تناظر المقاييس في حقيقة أن الدالة الموجية للإلكترون الحر ، والتي هي متجه بأجزاء حقيقية وخيالية ، يمكن تدويرها باستمرار عند كل نقطة في الزمكان (وهذا هو السبب في أن التناظر يسمى محلي ). تؤدي هذه العملية (في اللغة الرسمية - تغيير مرحلة الدالة الموجية) إلى حقيقة أن المواد المضافة تظهر في معادلة حركة الإلكترون ، والتي يجب تعويضها حتى تظل صالحة. للقيام بذلك ، تم تقديم مصطلح إضافي هناك يصف المجال الكهرومغناطيسي المتفاعل مع الإلكترون. كم هذا المجال هو فوتون ، جسيم عديم الكتلة مع وحدة دوران. وبالتالي ، فإن وجود الفوتونات (بالإضافة إلى ثبات شحنة الإلكترون) يتبع من مقياس التماثل المحلي لمعادلة الإلكترون الحر. يمكننا القول أن هذا التناظر يفرض أن الإلكترون يتفاعل مع المجال الكهرومغناطيسي. يصبح أي تحول في الطور فعلًا لمثل هذا التفاعل - على سبيل المثال ، انبعاث أو امتصاص فوتون.

تم اكتشاف العلاقة بين تناظر المقياس والكهرومغناطيسية في وقت مبكر من عشرينيات القرن الماضي ، لكنها لم تثير الكثير من الاهتمام. كان يانغ وميلز أول من استخدم هذا التناظر لبناء معادلات تصف جسيمات ذات طبيعة مختلفة عن الإلكترون. لقد تناولوا الباريونين "الأقدم" - البروتون والنيوترون. على الرغم من أن هذه الجسيمات ليست متطابقة ، إلا أنها تتصرف بشكل متماثل تقريبًا فيما يتعلق بالقوى النووية ولها نفس الكتلة تقريبًا. في عام 1932 ، أظهر Werner Heisenberg أن البروتون والنيوترون يمكن اعتبارهما رسميًا حالتين مختلفتين للجسيم نفسه. لوصفهم ، قدم عددًا كميًا جديدًا - الدوران النظيري. نظرًا لأن القوة القوية لا تميز بين البروتونات والنيوترونات ، فإنها تحافظ على الدوران النظيري الكلي ، تمامًا كما تحافظ القوة الكهرومغناطيسية على الشحنة الكهربائية.

تساءل يانغ وميلز عن تحويلات القياس المحلية التي تحافظ على تناظر متساوي الدوران. كان من الواضح أنها لا يمكن أن تتزامن مع التحولات المقياس للديناميكا الكهربائية الكمية ، فقط لأننا كنا نتحدث بالفعل عن جسيمين. حلل يونغ وميلز مجمل مثل هذه التحولات ووجدوا أنها تولد حقولًا يفترض أن تحمل الكميات التفاعلات بين البروتونات والنيوترونات. كانت هناك ثلاث كمات في هذه الحالة: اثنتان مشحونة (إيجابًا وسلبًا) وواحدة محايدة. كان لديهم كتلة صفرية ووحدة دوران (أي ، كانوا بوزونات متجهة) وسافروا بسرعة الضوء.

كانت نظرية الحقول B ، كما أطلق عليها المؤلفون المشاركون ، جميلة جدًا ، لكنها لم تصمد أمام اختبار التجربة. يمكن التعرف على بوزون B المحايد مع الفوتون ، لكن تم استبعاد نظرائه المشحونة. وفقًا لميكانيكا الكم ، يمكن فقط للجسيمات الافتراضية الضخمة بما يكفي أن تكون وسطاء في نقل القوى قصيرة المدى. لا يتجاوز نصف قطر القوى النووية 10-13 سم ، ومن الواضح أن بوزونات يانغ وميلز عديمة الكتلة لا يمكن أن تدعي أنها حاملات لها. بالإضافة إلى ذلك ، لم يكتشف المجربون أبدًا مثل هذه الجسيمات ، على الرغم من أنه من السهل اكتشاف البوزونات عديمة الكتلة المشحونة. أثبت يانغ وميلز أن تماثلات المقاييس المحلية "على الورق" يمكن أن تولد مجالات قوة ذات طبيعة غير كهرومغناطيسية ، لكن الواقع المادي لهذه الحقول كان مجرد تخمين.

الازدواجية الكهروضعيفة

تم اتخاذ الخطوة التالية نحو بوزون هيغز في عام 1957. بحلول ذلك الوقت ، افترض المنظرون (نفس يانغ ولي زونداو) ، وأثبت المجربون ، أن التكافؤ لا يتم حفظه في اضمحلال بيتا (بمعنى آخر ، يتم انتهاك تناظر المرآة). أثارت هذه النتيجة غير المتوقعة اهتمام العديد من الفيزيائيين ، ومن بينهم جوليان شوينجر ، أحد مؤسسي الديناميكا الكهربية الكمومية. افترض أن التفاعلات الضعيفة بين اللبتونات (لم يصل العلم بعد إلى الكواركات!) تحملها ثلاثة بوزونات متجهة - فوتون وزوج من الجسيمات المشحونة المشابهة لبوزونات ب. يتبع ذلك أن هذه التفاعلات تتم في شراكة مع القوى الكهرومغناطيسية. لم يتعامل شوينغر مع هذه المشكلة بعد الآن ، لكنه اقترحها على طالب الدراسات العليا شيلدون جلاشو.

امتد العمل أربع سنوات. بعد صف محاولات فاشلةقام جلاشو ببناء نموذج للتفاعلات الضعيفة والكهرومغناطيسية على أساس توحيد تناظرات القياس للمجال الكهرومغناطيسي ومجال يانغ آند ميلز. بالإضافة إلى الفوتون ، فقد تميزت بثلاثة بوزونات متجهية أخرى - اثنتان مشحونة وواحدة محايدة. ومع ذلك ، كان لهذه الجسيمات مرة أخرى كتلة صفرية ، مما تسبب في مشكلة. نصف قطر التفاعل الضعيف أصغر بمرتين من حجم التفاعل الضعيف ، ويتطلب بشكل أكبر وسطاء هائلون للغاية. بالإضافة إلى ذلك ، فإن وجود ناقل محايد يتطلب إمكانية انتقالات بيتا التي لا تغير الشحنة الكهربائية ، وفي ذلك الوقت لم تكن هذه التحولات معروفة. لهذا السبب ، بعد نشر نموذجه في أواخر عام 1961 ، فقد Glashow الاهتمام بتوحيد القوى الضعيفة والكهرومغناطيسية وانتقل إلى مواضيع أخرى.

اهتمت فرضية شوينغر أيضًا بالمنظر الباكستاني عبد السلام ، الذي بنى مع جون وارد نموذجًا مشابهًا لنموذج غلاشو. لقد واجه أيضًا انعدام الكتلة في البوزونات المقاسة وحتى توصل إلى طريقة للقضاء عليها. علم سلام أن كتلهم لا يمكن إدخالها "يدويًا" لأن النظرية أصبحت غير قابلة للمعيار ، لكنه كان يأمل في التغلب على هذه الصعوبة عن طريق كسر التناظر التلقائي ، بحيث لا يكون لحلول معادلات حركة البوزونات المقياس. التناظر المتأصل في المعادلات نفسها. بهذه المهمة ، كان مهتمًا بالأمريكي ستيفن واينبرغ.

لكن في عام 1961 ، أظهر الفيزيائي الإنجليزي جيفري غولدستون ذلك في النسبية نظريات الكميبدو أن كسر تناسق المجال التلقائي يؤدي حتمًا إلى توليد جزيئات عديمة الكتلة. حاول سلام ووينبرغ دحض نظرية غولدستون ، لكنهما عززاها فقط في عملهما. بدا اللغز غير قابل للحل ، وتحولوا إلى مجالات أخرى من الفيزياء.

هيغز وآخرين

جاءت المساعدة من المتخصصين في فيزياء المادة المكثفة. في عام 1961 ، لاحظ Yoichiro Nambu أنه عندما يدخل المعدن العادي في حالة فائقة التوصيل ، فإن التناظر السابق ينكسر تلقائيًا ، ولكن لا تظهر جزيئات عديمة الكتلة. بعد ذلك بعامين ، لاحظ فيليب أندرسون ، باستخدام نفس المثال ، أنه إذا كان المجال الكهرومغناطيسي لا يتوافق مع نظرية جولدستون ، فيمكن توقع نفس الشيء من حقول القياس الأخرى ذات التناظر المحلي. حتى أنه توقع أن بوزونات غولدستون وبوزونات حقل يانغ وميلز يمكن أن تلغي بعضهما البعض ، تاركين وراءهما جزيئات ضخمة.

تبين أن هذا التنبؤ نبوي. في عام 1964 ، تمت تبرئته من قبل فرانسوا إنجليرت وروجر بروت ، الفيزيائيين في جامعة بروكسل الحرة ، وبيتر هيغز ، وجيري غورالنيك ، وروبرت هاغن ، وتوماس كيبل في إمبريال كوليدج لندن. لم يُظهروا فقط أن شروط تطبيق نظرية غولدستون لم تتحقق في حقول يانغ ميلز ، ولكنهم وجدوا أيضًا طريقة لتوفير الإثارة لهذه الحقول بكتلة غير صفرية ، والتي تسمى الآن آلية هيغز.

تمت ملاحظة هذه الأعمال الرائعة وتقديرها بأي حال من الأحوال على الفور. في عام 1967 فقط بنى واينبرغ نموذجًا موحدًا للتفاعل الكهروضعيف ، حيث تكتسب كتلة البوزونات المتجهية الثلاثية بناءً على آلية هيغز ، وفعل سلام الشيء نفسه بعد عام. في عام 1971 ، أثبت الهولندي مارتينوس فيلتمان وجيرارد "تي هوفت" أن هذه النظرية تفسح المجال لإعادة التطبيع ، وبالتالي ، لها معنى فيزيائي واضح. وقفت بثبات على قدميها بعد عام 1973 ، عندما كانت في غرفة الفقاعة. جارجميل(CERN ، سويسرا) سجل المجربون ما يسمى بالتيارات المحايدة الضعيفة ، مما يشير إلى وجود بوزون متوسط ​​غير مشحون (تم إجراء التسجيل المباشر لجميع البوزونات المتجهية الثلاثة في CERN فقط في 1982-1983). حصل عليها كل من Glashow و Weinberg و Salam جوائز نوبلفي عام 1979 ، كان Veltman و "t Hooft - في عام 1999. هذه النظرية (ومعها بوزون هيغز) لفترة طويلة جزءًا لا يتجزأ من النموذج القياسي للجسيمات الأولية.

آلية هيغز

تعتمد آلية هيجز على الحقول العددية ذات الكميات غير الشوكية - بوزونات هيغز. يُعتقد أنها نشأت بعد لحظات من الانفجار العظيم وتملأ الكون بأكمله الآن. هذه الحقول لديها أقل طاقة بقيمة غير صفرية - هذه هي حالتها المستقرة.

غالبًا ما يُكتب أن الجسيمات الأولية تكتسب كتلة نتيجة الكبح بواسطة مجال هيغز ، لكن هذا تشبيه ميكانيكي مفرط. تتضمن النظرية الكهروضعيفة أربعة حقول هيجز (لكل منها كوانته الخاصة) وأربعة بوزونات متجهة - اثنان محايدان واثنان مشحونان ، وهما ليس لهما كتلة. ثلاثة بوزونات ، مشحونة وواحدة محايدة ، تمتص كل منها واحدة هيغز ونتيجة لذلك تكتسب الكتلة والقدرة على حمل قوى قصيرة المدى (يُشار إليها بالرموز W + و W - و Z 0). البوزون الأخير لا يمتص أي شيء ويبقى عديم الكتلة - إنه فوتون. هيغز "المأكولة" لا يمكن ملاحظتها (يسميها الفيزيائيون "أرواح") ، بينما يجب ملاحظة ابن عمهم الرابع عند الطاقات الكافية لولادته. بشكل عام ، هذه هي بالضبط العمليات التي تمكن أندرسون من التنبؤ بها.

جسيم بعيد المنال

تم إجراء أولى المحاولات الجادة للقبض على بوزون هيغز في مطلع القرنين العشرين والحادي والعشرين في مصادم الإلكترون-البوزيترون الكبير ( مصادم إلكترون بوزيترون كبير، LEP) في CERN. كانت هذه التجارب حقًا أغنية البجعة لمنشأة رائعة ، حيث تم تحديد كتل وأعمار البوزونات الثقيلة بدقة غير مسبوقة.

يتيح النموذج المعياري إمكانية التنبؤ بقنوات تكوين وانحلال بوزون هيغز ، لكنه لا يجعل من الممكن حساب كتلته (والتي ، بالمناسبة ، تنشأ من قدرتها على القوة الذاتية). وفقًا لمعظم التقديرات العامة ، يجب ألا تقل عن 8-10 جيجا إلكترون فولت وأكثر من 1000 جيجا إلكترون فولت. بحلول بداية الجلسات في LEP ، اعتقد معظم الفيزيائيين أن النطاق الأكثر احتمالية كان 100-250 GeV. رفعت تجارب LEP العتبة الأدنى إلى 114.4 GeV. يعتقد العديد من الخبراء ويعتقدون أنه إذا عمل هذا المُسرع لفترة أطول وزاد طاقة الحزم المتصادمة بنسبة عشرة بالمائة (وهو ما كان ممكنًا تقنيًا) ، كان من الممكن تسجيل بوزون هيغز. ومع ذلك ، لم ترغب قيادة المنظمة الأوروبية للأبحاث النووية (CERN) في تأخير إطلاق مصادم الهادرونات الكبير ، والذي كان من المقرر بناؤه في نفس النفق ، وفي نهاية عام 2000 تم إغلاق LEP.

قلم بوسون

استبعدت تجارب عديدة ، واحدة تلو الأخرى ، نطاقات الكتلة المحتملة لبوزون هيغز. تم تعيين الحد الأدنى عند مسرع LEP - 114.4 GeV. في Tevatron ، تم استبعاد الجماهير التي تجاوزت 150 GeV. في وقت لاحق ، تم تنقيح نطاقات الكتلة إلى 115-135 جيجا إلكترون فولت ، وتم تحويل الحد الأعلى إلى 130 جيجا إلكترون فولت في CERN في مصادم هادرون الكبير. لذا فإن بوزون هيجز للنموذج القياسي ، إذا كان موجودًا ، مقيد بحدود كتلة ضيقة إلى حد ما.

تم إجراء دورات البحث التالية في Tevatron (على كاشفات CDF و DZero) وفي LHC. كما أخبر ديمتري دينيسوف ، أحد قادة تعاون DZero ، رئيس الوزراء ، بدأ تيفاترون في جمع إحصاءات عن هيغز في عام 2007: "على الرغم من وجود طاقة كافية ، كانت هناك العديد من الصعوبات. اصطدام الإلكترونات والبوزيترونات هو "أنظف" طريقة للقبض على هيغز ، لأن هذه الجسيمات ليس لها بنية داخلية. على سبيل المثال ، أثناء إبادة زوج إلكترون-بوزيترون عالي الطاقة ، يولد بوزون Z 0 ، والذي ينبعث منها هيغز بدون أي خلفية (ومع ذلك ، في هذه الحالة ، من الممكن حدوث تفاعلات أكثر قذارة). من ناحية أخرى ، اصطدمنا بالبروتونات والبروتونات المضادة ، وهي جسيمات فضفاضة تتكون من كواركات وغلوونات. لهذا السبب المهمة الرئيسية- تسليط الضوء على ولادة هيغز على خلفية العديد من ردود الفعل المماثلة. توجد مشكلة مماثلة لفرق LHC ".

آثار الوحوش غير المرئية

هناك أربع طرق رئيسية (كما يقول الفيزيائيون ، القنوات) لولادة بوزون هيغز.

القناة الرئيسية هي اندماج الغلوونات (gg) في تصادم البروتونات والبروتونات المضادة ، والتي تتفاعل من خلال حلقات من كواركات القمة الثقيلة.
القناة الثانية هي اندماج البوزونات المتجهية الافتراضية WW أو ZZ (WZ) المنبعثة والممتصة بواسطة الكواركات.
القناة الثالثة لإنتاج بوزون هيغز هي ما يسمى بالإنتاج الترابطي (مع بوزون W أو Z). تسمى هذه العملية أحيانًا Higgsstrahlung(على غرار المصطلح الألماني bremsstrahlung- bremsstrahlung).
وأخيرًا ، الكوارك الرابع هو اندماج كوارك علوي وكوارك مضاد (إنتاج ترابطي مع كواركات قمة ، تي تي) من اثنين من أزواج الكوارك والكوارك المضادة التي تولدها الغلوونات.

يتابع ديمتري دينيسوف: "في ديسمبر 2011 ، وصلت رسائل جديدة من مصادم الهدرونات الكبير". - كانوا يبحثون عن تحلل هيغز أيضًا أعلى-الكوارك والكوارك المضاد الخاص به ، الذي يبيد ويتحول إلى زوج من كوانت جاما ، أو إلى بوزونين Z 0 ، يتحلل كل منهما إلى إلكترون وبوزيترون أو ميون ومضاد. تشير البيانات التي تم الحصول عليها إلى أن بوزون هيغز يسحب حوالي 124-126 جيجا إلكترون فولت ، لكن هذا لا يكفي للاستنتاجات النهائية. الآن يواصل كل من تعاوننا وعلماء الفيزياء في CERN تحليل نتائج التجارب. من الممكن أن نتوصل نحن وهم قريبًا إلى استنتاجات جديدة ، والتي سيتم تقديمها في 4 مارس في مؤتمر دولي في جبال الألب الإيطالية ، ولدي شعور بأنك لن تشعر بالملل هناك ".

بوزون هيغز ونهاية العالم

لذلك ، هذا العام يمكننا أن نتوقع إما اكتشاف بوزون هيغز للنموذج القياسي ، أو إلغائه ، إذا جاز التعبير. بالطبع ، سيخلق الخيار الثاني الحاجة إلى نماذج مادية جديدة ، ولكن يمكن أن يحدث نفس الشيء في الحالة الأولى! على أي حال ، يعتقد ذلك أحد أكثر الخبراء موثوقية في هذا المجال ، جون إليس ، الأستاذ في King's College London. في رأيه ، فإن اكتشاف بوزون هيغز "الخفيف" (ليس أكبر من 130 جيجا إلكترون فولت) سيخلق مشكلة غير سارة لعلم الكونيات. سيعني ذلك أن كوننا غير مستقر وفي يوم من الأيام (ربما حتى في أي لحظة) سوف ينتقل إلى حالة جديدة بطاقة أقل. ثم ستحدث نهاية العالم - في غاية المعنى الكاملهذه الكلمة. يبقى أن نأمل ألا يتم العثور على بوزون هيغز ، أو أن إيليس مخطئ ، أو أن الكون سيؤخر الانتحار قليلاً.

الباريونات (من الكلمة اليونانية "baris" - ثقيلة) هي جسيمات أولية ثقيلة ، تتفاعل بقوة مع الفرميونات ، وتتكون من ثلاثة كواركات. أكثر الباريونات استقرارًا هي البروتون والنيوترون. الباريونات الرئيسية هي: البروتون (UUD) ، البروتون المضاد ، النيوترون (ddu) ، antineutron ، lambda hyperion ، sigma hyperion ، xi hyperion ، omega hyperion.

اكتشف موظفو التعاون الدولي DZero في مختبر Fermi National Accelerator Laboratory ، وهو جزء من نظام مراكز الأبحاث الأمريكية ، جسيمًا أوليًا جديدًا ، وهو الباريون. الجسيم الملقب بـ "xi-bi-minus baryon" (Ξ-b) فريد بطريقته الخاصة. هذا ليس مجرد باريون آخر يحتوي على b-quark ، ولكنه الجسيم الأول الذي يحتوي على ثلاثة كواركات من ثلاث عائلات مختلفة - d-quark ، و s-quark ، و b-quark.

لديها أيضًا اسم آخر - "cascade-bi". تحمل الباريون شحنة سالبة وتبلغ كتلتها ستة أضعاف كتلة البروتون (كتلة الجسيم 5.774 ± 0.019 جيجا إلكترون فولت).

لتسجيل جسيم جديد ، كان على العلماء تحليل المسارات على مدى خمس سنوات من تشغيل المعجل. نتيجة لذلك ، تم العثور على 19 حدثًا يشير إلى تكوين باريون جديد.

في السابق ، كان العلماء قد حصلوا بالفعل على باريون يتكون من ثلاثة كواركات مختلفة - لامدا-ثنائي باريون ، يتكون من u- و d- و b- كوارك ، لكنه يحتوي على جيلين فقط من الكواركات (انظر الشكل الداخلي).

وهكذا ، لأول مرة في تاريخ فيزياء الطاقة العالية ، تم اكتشاف باريون يتكون من كواركات من ثلاثة أجيال أو عائلات. يتكون الشلال الثنائي من d-quark (الكوارك "down" الذي ينتمي إلى العائلة الأولى) ، و one s-quark (الكوارك "الغريب" ، والعائلة الثانية) و b-quark (الكوارك "charm") ، الأسرة الثالثة). هذا هو السبب في أن جسيم Ξ-b الجديد فريد حقًا.

ومن المثير للاهتمام ، أنه على الرغم من أن التعاون يقع في Fermilab ، الذي يحتوي على مسرع Tevatron قوي ، فقد تم الاكتشاف الحالي في أوروبا - في مصادم الإلكترون البوزيترون الكبير في CERN (LEP)

وهكذا ، يواصل العلماء بحثهم في "الطابق الثاني" من هرم الباريون ، واكتشاف الباريونات التي تحتوي على كوارك واحد "جميل" أو "سفلي" (ب).

لأول مرة مثل هذه الجسيمات تلقىأيضا فريق من Fermilab. في العام الماضي ، أعلن التعاون الدولي CDF ، الذي أجرى تجارب في مختبر Fermi National Accelerator التابع لوزارة الطاقة ، عن اكتشاف جسيمين أوليين جديدين ينتميان إلى فئة الباريون.

في التجارب ، اصطدم الفيزيائيون بالبروتونات بالبروتونات المضادة ، مما أدى إلى تسريعها في Tevatron ، أقوى معجل في الوقت الحالي.

يتم إجراء التجارب على هذا المعجل عندما تصطدم حزمة من البروتونات بطاقة 1 تيرا إلكترون فولت بحزمة تصادم من البروتونات المضادة لها نفس الطاقة. في تصادم مع مثل هذه الطاقة ، ظهر كوارك ب ، والذي تفاعل بعد ذلك مع كواركات البروتونات والبروتونات المضادة ، وشكل جسيمين جديدين.

سجلت التجربة 103 أحداثا مرتبطة بولادة موجبة الشحنة جسيمات u-u-b(Σ + ب) و 134 ولادة سالبة الشحنة جسيمات d-d-b(Σ-ب). لاكتشاف الكثير من الأحداث ، كان على العلماء تحليل مسارات 100 تريليون تصادم على مدى السنوات الخمس من عملية تيفاترون.

من حوالي 1000 ثانية (للنيوترون الحر) إلى جزء ضئيل من الثانية (من 10 -24 إلى 10 -22 ثانية للرنين).

تدرس فيزياء الجسيمات الأولية بنية وسلوك الجسيمات الأولية.

تخضع جميع الجسيمات الأولية لمبدأ الهوية (جميع الجسيمات الأولية من نفس النوع في الكون متطابقة تمامًا في جميع خصائصها) ومبدأ ثنائية الموجة الجسدية (كل جسيم أولي يتوافق مع موجة دي برولي).

تتمتع جميع الجسيمات الأولية بخاصية قابلية التحويل البيني ، والتي تنتج عن تفاعلاتها: قوية ، كهرومغناطيسية ، ضعيفة ، جاذبية. تتسبب تفاعلات الجسيمات في تحول الجسيمات ومجموعاتها إلى جسيمات أخرى ومجموعاتها ، إذا لم تكن هذه التحولات محظورة بموجب قوانين حفظ الطاقة ، والزخم ، والزخم الزاوي ، والشحنة الكهربائية ، وشحنة الباريون ، وما إلى ذلك.

الخصائص الرئيسية للجسيمات الأولية:العمر ، الكتلة ، الدوران ، الشحنة الكهربائية ، العزم المغناطيسي ، شحنة الباريون ، شحنة ليبتون ، الغرابة ، الدوران النظيري ، التكافؤ ، تكافؤ الشحنة ، G-parity ، CP-parity.

تصنيف

حسب وقت الحياة

• جسيمات أولية مستقرة - جسيمات لها عمر طويل لانهائي في حالة حرة (بروتون ، إلكترون ، نيوترينو ، فوتون وجسيماتها المضادة).
• الجسيمات الأولية غير المستقرة - الجسيمات تتحلل إلى جسيمات أخرى في حالة حرة في وقت محدود (جميع الجسيمات الأخرى).

بالوزن

تنقسم جميع الجسيمات الأولية إلى فئتين:

• جسيمات عديمة الكتلة - جسيمات ذات كتلة صفرية (فوتون ، غلوون).
• الجسيمات ذات الكتلة غير الصفرية (جميع الجسيمات الأخرى).

حجم الظهر

تنقسم جميع الجسيمات الأولية إلى فئتين:

حسب نوع التفاعل

تنقسم الجسيمات الأولية إلى المجموعات التالية:

الجسيمات المركبة

• الهادرونات هي جسيمات تشارك في جميع أنواع التفاعلات الأساسية. تتكون من كواركات وتنقسم بدورها إلى:
  • الميزونات - هادرونات ذات عدد صحيح ، أي كونها بوزونات ؛
  • الباريونات هي هادرونات ذات عدد مغزلي نصف صحيح ، أي الفرميونات. وتشمل هذه ، على وجه الخصوص ، الجسيمات التي تشكل نواة الذرة - البروتون والنيوترون.

الجسيمات الأساسية (غير الهيكلية)

• اللبتونات هي فرميونات تشبه جسيمات نقطية (أي أنها لا تتكون من أي شيء) حتى مقاييس تتراوح بين 10 و 18 مترًا ، ولا تشارك في تفاعلات قوية. تمت ملاحظة المشاركة في التفاعلات الكهرومغناطيسية بشكل تجريبي فقط بالنسبة للبتونات المشحونة (الإلكترونات ، الميونات ، تاو لبتونات) ولم يتم ملاحظتها بالنسبة للنيوترينوات. هناك 6 أنواع معروفة من اللبتونات.
• الكواركات عبارة عن جسيمات مشحونة كسورًا تشكل الهادرونات. لم يتم ملاحظتهم في الحالة الحرة (تم اقتراح آلية الحبس لشرح عدم وجود مثل هذه الملاحظات). مثل اللبتونات ، يتم تقسيمها إلى 6 أنواع وتعتبر غير هيكلية ، ومع ذلك ، على عكس اللبتونات ، فإنها تشارك في تفاعل قوي.
• قياس البوزونات - الجسيمات التي يتم من خلالها تبادل التفاعلات:
  • الفوتون - جسيم يحمل تفاعل كهرومغناطيسي ؛
  • ثمانية غلوونات ، وهي جسيمات تحمل القوة الشديدة ؛
  • ثلاثة بوزونات وسيطة متجهة دبليو + , دبليو- و ض 0 ، تحمل تفاعل ضعيف ؛
  • الجرافيتون هو جسيم افتراضي يحمل تفاعل الجاذبية. يعتبر وجود الجرافيتونات أمرًا محتملاً ، على الرغم من عدم إثباته تجريبيًا بعد بسبب ضعف تفاعل الجاذبية ؛ ومع ذلك ، لم يتم تضمين الجرافيتون في النموذج القياسي للجسيمات الأولية.

أحجام الجسيمات الأولية

على الرغم من التنوع الكبير للجسيمات الأولية ، إلا أن أحجامها تتناسب مع مجموعتين. تبلغ أبعاد الهادرونات (كل من الباريونات والميزونات) حوالي 10 - 15 مترًا ، وهي قريبة من متوسط ​​المسافة بين كواركاتها. تتوافق أحجام الجسيمات الأساسية غير الهيكلية - البوزونات المقاسة والكواركات واللبتونات - ضمن حدود الخطأ التجريبي مع حرفها النقطي (الحد الأعلى للقطر حوالي 10 18 م) ( انظر الشرح). إذا لم يتم العثور على الأحجام النهائية لهذه الجسيمات في تجارب أخرى ، فقد يشير ذلك إلى أن أحجام البوزونات والكواركات واللبتونات المقيسة قريبة من الطول الأساسي (والذي من المحتمل جدًا أن يكون طول بلانك يساوي 1.6 10 −35 م).

ومع ذلك ، تجدر الإشارة إلى أن حجم الجسيم الأولي هو مفهوم معقد نوعًا ما ، ولا يتوافق دائمًا مع المفاهيم الكلاسيكية. أولاً ، لا يسمح مبدأ عدم اليقين بتحديد موضع الجسيمات الفيزيائية بدقة. حزمة الموجة ، التي تمثل الجسيم كتراكب لحالات كمية محددة بدقة ، لها دائمًا أبعاد محدودة وبنية مكانية معينة ، ويمكن أن تكون أبعاد الحزمة مجهرية تمامًا - على سبيل المثال ، إلكترون في تجربة مع تداخل على شقين "يشعر" كلا الشقوق في مقياس التداخل مفصولة بمسافة ميكروسكوبية. ثانيًا ، يغير الجسيم المادي بنية الفراغ من حوله ، ويخلق "معطفًا من الفرو" من الجسيمات الافتراضية قصيرة المدى - أزواج الفرميون والمضادة للجراثيم (انظر الاستقطاب الفراغي) وحاملات البوزونات للتفاعلات. تعتمد الأبعاد المكانية لهذه المنطقة على شحنة القياس التي يمتلكها الجسيم وعلى كتل البوزونات الوسيطة (نصف قطر غلاف البوزونات الافتراضية الضخمة قريب من الطول الموجي لكومبتون ، والذي بدوره يتناسب عكسيًا مع طولها الموجي. كتلة). لذلك ، فإن نصف قطر الإلكترون من وجهة نظر النيوترينوات (فقط التفاعل الضعيف بينهما ممكن) يساوي تقريبًا الطول الموجي كومبتون للبوزونات W ، حوالي 3 × 10 −18 م ، وأبعاد منطقة يتم تحديد التفاعل القوي لهادرون من خلال الطول الموجي كومبتون لأخف الهادرونات ، بي ميسون (~ 10 −15 م) ، والذي يعمل هنا كحامل تفاعل.

قصة

في البداية ، كان مصطلح "جسيم أولي" يعني شيئًا أساسيًا تمامًا ، وهو اللبنة الأولى للمادة. ومع ذلك ، عندما تم اكتشاف المئات من الهادرونات ذات الخصائص المماثلة في الخمسينيات والستينيات من القرن الماضي ، أصبح من الواضح أن الهادرونات على الأقل لها درجات داخلية من الحرية ، أي أنها ليست ، بالمعنى الدقيق للكلمة ، ابتدائية. تم تأكيد هذا الشك لاحقًا عندما اتضح أن الهادرونات مكونة من الكواركات.

وهكذا ، فقد تحرك الفيزيائيون بشكل أعمق قليلاً في بنية المادة: تُعتبر الأجزاء النقطية الأساسية من المادة الآن اللبتونات والكواركات. بالنسبة لهم (مع البوزونات المقيسة) مصطلح " أساسيحبيبات".

تفترض نظرية الأوتار ، التي تم تطويرها بنشاط منذ منتصف الثمانينيات ، أن الجسيمات الأولية وتفاعلاتها هي عواقب أنواع مختلفةاهتزازات "الأوتار" الصغيرة بشكل خاص.

النموذج القياسي

يشتمل النموذج القياسي للجسيمات الأولية على 12 نكهة من الفرميونات ، والجسيمات المضادة المقابلة لها ، بالإضافة إلى البوزونات المقاسة (الفوتون ، الغلوونات ، دبليو- و ض-bosons) ، التي تحمل تفاعلات بين الجسيمات ، و Higgs boson المكتشف في عام 2012 ، وهو المسؤول عن وجود كتلة بالقصور الذاتي في الجسيمات. ومع ذلك ، يُنظر إلى النموذج القياسي إلى حد كبير على أنه نظرية مؤقتة وليس نظرية أساسية حقًا ، لأنه لا يتضمن الجاذبية ويحتوي على عشرات من المعلمات الحرة (كتل الجسيمات ، وما إلى ذلك) التي لا تتبع قيمها مباشرة من النظرية. ربما هناك جسيمات أولية لم يصفها النموذج القياسي - على سبيل المثال ، مثل الجرافيتون (جسيم يحمل افتراضيًا قوى الجاذبية) أو شركاء فائق التماثل للجسيمات العادية. في المجموع ، يصف النموذج 61 جسيمًا.

الفرميونات

تنقسم نكهات الفرميونات الـ 12 إلى 3 عائلات (أجيال) من 4 جزيئات لكل منها. ستة منهم كواركات. الستة الأخرى هي لبتونات ، ثلاثة منها نيوترينوات ، والثلاثة المتبقية تحمل وحدة شحنة سالبة: الإلكترون ، والميون ، والتاو ليبتون.

أجيال من الجسيمات

الجيل الاول	الجيل الثاني	الجيل الثالث
الإلكترون: هـ-	مون: μ −	تاو ليبتون: τ −
نيوترينو الإلكترون: v ه	نيوترينو ميون: ν μ	نيوترينو تاو: ν τ (displaystyle nu _ (tau))
u-quark ("top"): ش	ج-كوارك ("مسحور"): ج	تي كوارك ("صحيح"): ر
د-كوارك ("القاع"): د	s-quark ("غريب"): س	ب-كوارك ("ساحر"): ب

الجسيمات المضادة

هناك أيضًا 12 جسيمًا مضادًا فرميونيًا يتوافق مع الجسيمات الاثني عشر المذكورة أعلاه.

الجسيمات المضادة

الجيل الاول	الجيل الثاني	الجيل الثالث
البوزيترون: البريد +	ميون إيجابي: μ +	إيجابي تاو ليبتون: τ +
مضادات النوترينو الإلكترونية: ν ¯. (displaystyle (bar (nu)) _ (e))	Muon antineutrino: ν ¯ μ (displaystyle (bar (nu)) _ (mu))	تاو أنتينيوترينو: ν ¯ τ (displaystyle (bar (nu)) _ (tau))
ش-أنتيكوارك: u ¯ (displaystyle (bar (u)))	ج-أنتيكوارك: ج ¯ (displaystyle (bar (c)))	ر-أنتيكوارك: . t ¯ (displaystyle (bar (t)))
د-أنتيكوارك: د ¯ (displaystyle (bar (d)))	س-أنتيكوارك: ث ¯ (displaystyle (bar (s)))	ب-أنتيكوارك: ب ¯ (displaystyle (bar (b)))

جسيمات دون الذرية

لم يتم العثور على الكواركات والكواركات المضادة في حالة حرة - وهذا ما تفسره الظاهرة

أشعة ألفا (أ)- أيونات الهليوم موجبة الشحنة (He ++) ، تطير من النوى الذرية بسرعة 14000 - 20000 كم / ساعة. طاقة الجسيمات هي 4-9 ميغا إلكترون فولت. يتم ملاحظة الإشعاع ، كقاعدة عامة ، في العناصر المشعة الثقيلة والطبيعية في الغالب (الراديوم ، الثوريوم ، إلخ). يزداد نطاق الجسيم في الهواء مع زيادة طاقة الإشعاع.

فمثلا، جسيمات الثوريوم(Th232) ، بطاقة 3.9 V MeV ، تعمل 2.6 سم في الهواء ، وجزيئات a من الراديوم C بطاقة 7.68 MeV لها تشغيل 6.97 سم. الحد الأدنى لسمك الامتصاص المطلوب للامتصاص الكامل للجسيمات يسمى تشغيل هذه الجسيمات في مادة معينة. نطاقات جزيئات a في الماء والأنسجة هي 0.02-0.06 ملم.

الجسيماتتمتصه تمامًا بواسطة قطعة مناديل ورقية أو طبقة رقيقة من الألومنيوم. واحد من أهم الخصائصالإشعاع هو تأثير مؤين قوي. في طريق الحركة ، يشكل الجسيم في الغازات عددًا هائلاً من الأيونات. على سبيل المثال ، في الهواء عند ضغط 15 درجة و 750 مم ، ينتج جسيم واحد من 150.000 إلى 250.000 زوج من الأيونات ، اعتمادًا على طاقته.

على سبيل المثال ، تأين محدد في الهواء جسيمات من الرادون، بطاقة 5.49 ميغا إلكترون فولت ، هي 2500 زوج من الأيونات لكل مسار 1 مم. تزداد كثافة التأين في نهاية تشغيل الجسيمات α ، وبالتالي فإن الضرر الذي يلحق بالخلايا في نهاية التشغيل يكون أكبر مرتين تقريبًا مما كان عليه في بداية التشغيل.

الخصائص الفيزيائيةالجسيماتتحديد ملامح تأثيرها البيولوجي على الجسم وطرق الحماية من هذا النوع من الإشعاع. لا يعتبر التشعيع الخارجي بأشعة a خطيرًا ، حيث يكفي الابتعاد عن المصدر ببضعة (10-20) سنتيمترات أو تركيب شاشة بسيطة مصنوعة من الورق والنسيج والألمنيوم وغيرها من المواد الشائعة بحيث يكون الإشعاع يمتص تماما.

أعظم خطر الأشعةتمثل عندما تضرب وترسب داخل العناصر المشعة الباعثة. في هذه الحالات ، يتم تشعيع خلايا وأنسجة الجسم مباشرة بالأشعة.

بيتا (ب) - مصفوفات- تيار من الإلكترونات يقذف من النوى الذرية بسرعة تقارب 100،000-300،000 كم / ثانية. تتراوح الطاقة القصوى للجسيمات p من 0.01 إلى 10 MeV. شحنة الجسيم ب تساوي في الإشارة والحجم شحنة الإلكترون. تنتشر التحولات المشعة من النوع b-decay بين العناصر المشعة الطبيعية والاصطناعية.

أشعة بلديها قوة اختراق أكبر بكثير من الأشعة. اعتمادًا على طاقة الأشعة b ، يتراوح مداها في الهواء من أجزاء من المليمتر إلى عدة أمتار. وبالتالي ، فإن نطاق جسيمات ب التي تبلغ طاقتها 2-3 ميجا فولت في الهواء هو 10-15 مترًا ، وفي الماء والأنسجة يقاس بالمليمترات. على سبيل المثال ، يبلغ مدى جسيمات ب المنبعثة من الفوسفور المشع (P32) بطاقة قصوى تبلغ 1.7 ميغا إلكترون فولت في الأنسجة 8 مم.

ب- جسيم مع الطاقة، التي تساوي 1 MeV ، يمكن أن تشكل حوالي 30000 زوج من الأيونات في طريقها في الهواء. قدرة التأين للجسيمات ب أقل بعدة مرات من قدرة جسيمات أ لنفس الطاقة.

التعرض لأشعة بعلى الجسم يمكن أن يتجلى عن طريق التشعيع الخارجي والداخلي ، في حالة ابتلاع المواد الفعالة التي تنبعث منها جزيئات ب في الجسم. للحماية من الأشعة b أثناء التشعيع الخارجي ، من الضروري استخدام شاشات مصنوعة من مواد (زجاج ، ألمنيوم ، رصاص ، إلخ). يمكن تقليل شدة الإشعاع عن طريق زيادة المسافة من المصدر.

مما تتكون النوى؟ كيف تتماسك اجزاء النواة معا؟ لقد وجد أن هناك قوى هائلة الحجم ، والتي تحمل الأجزاء المكونة للنواة. عندما يتم إطلاق هذه القوى ، تكون الطاقة المنبعثة ضخمة مقارنة بالطاقة الكيميائية ، مثل مقارنة انفجار قنبلة ذرية بانفجار مادة تي إن تي. يفسر ذلك حقيقة أن الانفجار الذري ناتج عن تغيرات داخل النواة ، بينما أثناء انفجار مادة تي إن تي ، يتم إعادة ترتيب الإلكترونات الموجودة على الغلاف الخارجي للذرة فقط.

إذن ما هي القوى التي تربط النيوترونات والبروتونات معًا في النواة؟

يرتبط التفاعل الكهربائي بجسيم - فوتون. وبالمثل ، اقترح يوكاوا أن القوى الجاذبة بين البروتون والنيوترون لها نوع خاص من المجال ، وأن اهتزازات هذا المجال تتصرف مثل الجسيمات. هذا يعني أنه من الممكن ، بالإضافة إلى النيوترونات والبروتونات ، وجود بعض الجسيمات الأخرى في العالم. كان يوكاوا قادرًا على استنتاج خصائص هذه الجسيمات من الخصائص المعروفة بالفعل للقوى النووية. على سبيل المثال ، توقع أنه يجب أن يكون لها كتلة أكبر من الإلكترون بمقدار 200-300 مرة. ويا معجزة! - تم اكتشاف جسيم بهذه الكتلة للتو في الأشعة الكونية! ومع ذلك ، بعد ذلك بقليل اتضح أن هذا لم يكن نفس الجسيم على الإطلاق. أطلقوا عليه اسم muon أو muon.

ومع ذلك ، بعد ذلك بقليل ، في عام 1947 أو 1948 ، تم اكتشاف جسيم ، π-meson ، أو بيون ، الذي يلبي متطلبات يوكاوا. اتضح أنه من أجل الحصول على القوى النووية ، يجب إضافة بيون إلى البروتون والنيوترون. "رائع! - سوف تصرخ. - بمساعدة هذه النظرية ، سنقوم الآن ببناء ديناميات نووية كمومية ، وسوف تخدم البيونات الأغراض التي قدمها يوكاوا من أجلها ؛ دعونا نرى ما إذا كانت هذه النظرية تعمل ، وإذا كان الأمر كذلك ، فسنشرح كل شيء ". آمال عبثية! اتضح أن الحسابات في هذه النظرية معقدة للغاية لدرجة أنه لم ينجح أحد في القيام بها واستخراج أي نتائج من النظرية ، ولم يحالفه الحظ في مقارنتها بالتجربة. وهو مستمر منذ ما يقرب من 20 عامًا!

هناك شيء لا يلتزم بالنظرية. لا نعرف ما إذا كان هذا صحيحًا أم لا ؛ ومع ذلك ، فنحن نعلم بالفعل أن هناك شيئًا ما ينقصه ، وأن بعض المخالفات كامنة فيه. بينما كنا ندوس حول النظرية ، في محاولة لحساب النتائج ، اكتشف المجربون شيئًا ما خلال هذا الوقت. حسنًا ، نفس ميكرون ميزون أو ميون. وما زلنا لا نعرف ما هو جيد. مرة أخرى ، تم العثور على العديد من الجسيمات "الإضافية" في الأشعة الكونية. حتى الآن ، يوجد بالفعل أكثر من 30 منهم ، ولا يزال من الصعب فهم العلاقة بينهم ، وليس من الواضح ما الذي تريده الطبيعة منهم وأي منهم يعتمد على من. أمامنا ، كل هذه الجسيمات لا تظهر بعد كمظاهر مختلفة لنفس الجوهر ، وحقيقة أن هناك مجموعة من الجسيمات المتباينة ليست سوى انعكاس لوجود معلومات غير متماسكة بدون نظرية مقبولة. بعد النجاحات التي لا يمكن إنكارها للديناميكا الكهربية الكمية - مجموعة من المعلومات من الفيزياء النووية ، قصاصات من المعرفة ، شبه من ذوي الخبرة ، شبه نظرية. يُسألون ، على سبيل المثال ، عن طبيعة تفاعل البروتون مع النيوترون وينظرون إلى ما سيأتي منه ، دون أن يفهموا حقًا من أين تأتي هذه القوى. بخلاف ما تم وصفه ، لم يكن هناك تقدم ملموس.

ولكن العناصر الكيميائيةبعد كل شيء ، كان هناك الكثير أيضًا ، وفجأة أصبح من الممكن رؤية الاتصال الذي يعبر عنه الجدول الدوري لمندلييف. لنفترض أن البوتاسيوم والصوديوم - المواد المتشابهة في الخواص الكيميائية - في الجدول تندرج في عمود واحد. لذلك ، حاولنا بناء جدول مثل الجدول الدوري للجسيمات الجديدة. تم اقتراح أحد هذه الجداول بشكل مستقل من قبل Gell-Mann في الولايات المتحدة و Nishijima في اليابان. أساس تصنيفهم هو رقم جديد ، مثل الشحنة الكهربائية. يتم تخصيصه لكل جسيم ويسمى "غرابته" S. لا يتغير هذا الرقم (تمامًا مثل الشحنة الكهربائية) في التفاعلات التي تنتجها القوى النووية.

في الجدول. 2.2 يظهر جسيمات جديدة. لن نتحدث عنها بالتفصيل في الوقت الحالي. لكن الجدول يوضح على الأقل مدى ضآلة ما نعرفه. تحت رمز كل جسيم توجد كتلته ، معبرًا عنها بوحدات معينة تسمى ميغا إلكترون فولت ، أو MeV (1 MeV هو 1.782 * 10 -27 جي). لن ندخل في الأسباب التاريخية التي دفعت إلى إدخال هذه الوحدة. تكون الجسيمات أكثر كثافة في الجدول أعلاه. يوجد في أحد الأعمدة جسيمات لها نفس الشحنة الكهربائية ، محايدة - في المنتصف ، موجبة - جهة اليمين ، سلبية - إلى اليسار.

يتم تسطير الجسيمات بخط متصل ، "أصداء" - بالسكتات الدماغية. لا توجد جزيئات في الجدول على الإطلاق: لا يوجد فوتون وجرافيتون ، جسيمات مهمة جدًا بدون كتلة وشحنة (لا تقع ضمن مخطط تصنيف باريون-ميزون-ليبتون) ، ولا توجد بعض الرنينات الجديدة (φ ، f ، Y * ، إلخ.). يتم إعطاء الجسيمات المضادة للميزونات في الجدول ، وبالنسبة للجسيمات المضادة للبتونات والباريونات ، سيكون من الضروري تجميع جدول جديد مشابه لهذا الجدول ، ولكن يتم عكسه فقط فيما يتعلق بعمود الصفر. على الرغم من أن جميع الجسيمات ، باستثناء الإلكترون والنيوترينو والفوتون والجرافيتون والبروتون ، غير مستقرة ، فإن نواتج الاضمحلال الخاصة بها مكتوبة فقط من أجل الرنين. كما أن غرابة اللبتونات ليست مكتوبة ، لأن هذا المفهوم لا ينطبق عليها - فهي لا تتفاعل بقوة مع النوى.

تسمى الجسيمات التي تتحد مع النيوترون والبروتون بالباريونات. هذه "لامدا" كتلتها 1115.4 ميغا إلكترون فولت وثلاث "سيغما" أخرى ، تسمى سيجما ناقص ، سيجما صفر ، سيجما بلاس ، مع نفس الكتلة تقريبًا. تسمى مجموعات الجسيمات التي لها نفس الكتلة تقريبًا (الفرق بنسبة 1-2٪) مجموعات متعددة. جميع الجسيمات في متعدد لها نفس الغرابة. المضاعف الأول هو زوج (مزدوج) بروتون - نيوترون ، ثم يأتي المفرد (مفرد) لامدا ، ثم ثلاثي سيجما (ثلاثي) ، ومضاعف الحادي عشر ، وأوميغا ناقص. ابتداء من عام 1961 ، بدأ اكتشاف جسيمات ثقيلة جديدة. لكن هل هي جسيمات؟ لديهم فترة حياة قصيرة (تتحلل بمجرد تكوينها) بحيث لا يُعرف ما إذا كان سيتم تسميتها بجسيمات جديدة أو اعتبارها تفاعلًا "رنانًا" بين نواتج الاضمحلال ، على سبيل المثال ، Λ و عند بعض العناصر الثابتة طاقة.

للتفاعلات النووية ، بالإضافة إلى الباريونات ، هناك حاجة إلى جسيمات أخرى - الميزونات. هذه ، أولاً ، ثلاثة أنواع من البيونات (موجب ، صفر ، ناقص) ، تشكل ثلاثيًا جديدًا. تم العثور أيضًا على جسيمات جديدة - K-mesons (هذا هو K مزدوج+ و K 0 ). يحتوي كل جسيم على جسيم مضاد ، إلا إذا كان الجسيم هو الجسيم المضاد الخاص به ، على سبيل المثال π+ و π- هي الجسيمات المضادة لبعضها البعض ، π 0 هو الجسيم المضاد الخاص به. الجسيمات المضادة و K.- مع K + ، و K 0 مع K 0 ". بالإضافة إلى ذلك ، بعد عام 1961 بدأنا في اكتشاف ميزونات جديدة ، أو نوع من الميزونات ، والتي تتحلل على الفور تقريبًا. أحد هذه الفضول يسمى أوميغا ، ω ، كتلته 783 ، يتحول إلى ثلاثة بيونات ؛ هناك تكوين آخر يتم من خلاله الحصول على زوج من البيونات.

تمامًا كما سقطت بعض العناصر الأرضية النادرة من الجدول الدوري الناجح للغاية ، تسقط بعض الجسيمات من طاولتنا. هذه هي الجسيمات التي لا تتفاعل بقوة مع النوى ، وليس لها علاقة بالتفاعل النووي ، كما أنها لا تتفاعل بقوة مع بعضها البعض (يُفهم القوي على أنه نوع قوي من التفاعل يعطي طاقة ذرية). تسمى هذه الجسيمات اللبتونات. وتشمل هذه الإلكترون (جسيم خفيف جدًا كتلته 0.51 ميغا إلكترون فولت) والميون (كتلته 206 أضعاف كتلة الإلكترون). بقدر ما يمكننا الحكم من جميع التجارب ، يختلف الإلكترون والميون في الكتلة فقط. لا تختلف جميع خصائص الميون وتفاعلاته عن خواص الإلكترون - واحد فقط أثقل من الآخر. لماذا هو أثقل ، وماذا يفعل ، لا نعرف. بالإضافة إلى ذلك ، هناك أيضًا سوس محايد - نيوترينو ، كتلته صفر. علاوة على ذلك ، من المعروف الآن أن هناك نوعين من النيوترينوات: أحدهما مرتبط بالإلكترونات والآخر بالميونات.

أخيرًا ، هناك جسيمان آخران لا يتفاعلان أيضًا مع النوى. واحد نعرفه بالفعل هو الفوتون. وإذا كان لحقل الجاذبية أيضًا خواص ميكانيكا الكم (على الرغم من أن نظرية الجاذبية الكمومية لم يتم تطويرها بعد) ، فربما يوجد أيضًا جسيم جرافيتون بكتلة صفرية.

ما هي "كتلة الصفر"؟ إن الكتل التي قدمناها هي كتل الجسيمات في حالة سكون. إذا كانت كتلة الجسيم صفرًا ، فهذا يعني أنه لا يجرؤ على الراحة. الفوتون لا يقف ساكنًا أبدًا ، سرعته دائمًا 300000 كم / ثانية. سنظل نفهم نظرية النسبية ونحاول التعمق في معنى مفهوم الكتلة.

لقد صادفنا مجموعة كاملة من الجسيمات التي تبدو معًا وكأنها جزء أساسي جدًا من المادة. لحسن الحظ ، لا تختلف هذه الجسيمات كلها في تفاعلها عن بعضها البعض. على ما يبدو ، هناك أربعة أنواع فقط من التفاعلات بينهم. نسردها بترتيب تناقص القوة: القوى النووية ، التفاعلات الكهربائية ، (تفاعل انحلال والجاذبية. يتفاعل الفوتون مع جميع الجسيمات المشحونة بقوة تتميز ببعض الرقم الثابت 1/137. القانون المفصل لهذا الاتصال معروف - هذا هو الديناميكا الكهربية الكمومية. تتفاعل الجاذبية مع أي طاقة ، لكنها ضعيفة للغاية ، وأضعف بكثير من الكهرباء. وهذا القانون معروف. ثم هناك ما يسمى بالانحلال الضعيف: β-decay ، والذي بسببه يتحلل النيوترون ببطء شديد إلى بروتون وإلكترون ونيوترينو. هنا يتم توضيح القانون وما يسمى بالتفاعل القوي (رابطة الميزون مع الباريون) له قوة مساوية لواحد على هذا المقياس ، وقانونه غامض تمامًا ، على الرغم من أن بعض القواعد معروفة ، مثل حقيقة أن عدد الباريونات لا يتغير في أي تفاعل.

يجب اعتبار الوضع الذي تجد الفيزياء الحديثة نفسها فيه فظيعًا. أود أن ألخصها في هذه الكلمات: خارج الجوهر ، يبدو أننا نعرف كل شيء ؛ داخلها ، ميكانيكا الكم صالحة ، ولم يتم العثور على انتهاكات لمبادئها هناك.

المرحلة التي تعمل عليها كل معارفنا هي نسبية الزمكان. من الممكن أن ترتبط الجاذبية به أيضًا. نحن لا نعرف كيف بدأ الكون ، ولم نقم مطلقًا بتجارب لاختبار أفكارنا بدقة حول الزمكان على مسافات صغيرة ، نحن نعلم فقط أنه خارج هذه المسافات ، فإن وجهات نظرنا معصومة عن الخطأ. يمكن للمرء أيضًا أن يضيف أن قواعد اللعبة هي المبادئ ميكانيكا الكم؛ وبقدر ما نعلم ، فإنها تنطبق على الجسيمات الجديدة ليس أسوأ من الجزيئات القديمة. البحث عن منشأ القوى النووية يقودنا إلى جسيمات جديدة. لكن كل هذه الاكتشافات تسبب الارتباك فقط. ليس لدينا فهم كامل للعلاقات المتبادلة بينهما ، على الرغم من أننا رأينا بالفعل بعض الروابط اللافتة للنظر بينهما. نحن ، على ما يبدو ، نقترب تدريجياً من فهم عالم الجسيمات غير الذرية ، لكن من غير المعروف إلى أي مدى قطعنا هذا المسار.