ذره اسمی معنی کلمه b-particle در اصطلاح پزشکی A b particles

آنها ده ها سال است که در تلاش برای یافتن بوزون هیگز بوده اند، اما تاکنون موفق نشده اند. در همین حال، بدون آن، مقررات کلیدی نظریه مدرنکیهان های کوچک در هوا معلق هستند.

مطالعه ذرات نه چندان دور آغاز شد. در سال 1897 جوزف جان تامسون الکترون را کشف کرد و 20 سال بعد ارنست رادرفورد ثابت کرد که هسته های هیدروژن بخشی از هسته عناصر دیگر هستند و بعداً آنها را پروتون نامید. در دهه 1930، نوترون، میون و پوزیترون کشف شد و وجود نوترینوها پیش بینی شد. در همان زمان، هیدکی یوکاوا تئوری نیروهای هسته‌ای را ساخت که توسط ذرات فرضی صدها بار سنگین‌تر از الکترون، اما بسیار سبک‌تر از پروتون (مزون‌ها) حمل می‌شوند. در سال 1947، آثار فروپاشی پی مزون (پیون) بر روی صفحات عکاسی در معرض پرتوهای کیهانی یافت شد. بعدها مزون های دیگری کشف شد که برخی از آنها نه تنها از پروتون، بلکه از هسته هلیوم نیز سنگین تر بودند. فیزیکدانان همچنین باریون های زیادی را کشف کرده اند که خویشاوندان سنگین و در نتیجه ناپایدار پروتون و نوترون هستند. روزی روزگاری، همه این ذرات ابتدایی نامیده می شدند، اما چنین اصطلاحاتی مدت ها است که منسوخ شده است. امروزه فقط ذرات غیر مرکب ابتدایی در نظر گرفته می شوند - فرمیون ها (با نیم اسپین - لپتون ها و کوارک ها) و بوزون ها (با اسپین عدد صحیح - حامل برهم کنش های اساسی).

ذرات بنیادی مدل استاندارد

گروه فرمیون (با اسپین نیمه صحیح) از لپتون ها و کوارک های به اصطلاح سه نسل تشکیل شده است. لپتون های باردار الکترون و همتایان عظیم آن، ذرات میون و تاو (و پادذرات آنها) هستند. هر لپتون یک شریک خنثی به شکل یکی از سه نوع نوترینو (همچنین با پادذرات) دارد. خانواده بوزون های اسپین-1 ذراتی هستند که برهمکنش بین کوارک ها و لپتون ها را انجام می دهند. برخی از آنها جرم و بار الکتریکی ندارند - اینها گلوئون ها هستند که اتصالات اینترکوارکی را در مزون ها و باریون ها و فوتون ها، کوانتوم های میدان الکترومغناطیسی ایجاد می کنند. فعل و انفعالات ضعیف، که خود را در فرآیندهای فروپاشی بتا نشان می دهند، توسط سه ذره عظیم - دو باردار و یکی خنثی - ایجاد می شوند.

اسامی تکی ذرات بنیادی و مرکب معمولاً با نام دانشمندان خاصی همراه نیست. با این حال، تقریباً 40 سال پیش، ذره بنیادی دیگری پیش‌بینی شد که به نام یک فرد زنده، فیزیکدان اسکاتلندی پیتر هیگز نامگذاری شد. مانند حامل های برهمکنش های بنیادی، دارای اسپین عدد صحیح است و به کلاس بوزون ها تعلق دارد. با این حال، اسپین آن 1 نیست، بلکه 0 است و از این نظر آنالوگ ندارد. ده ها سال است که آنها به دنبال آن در بزرگترین شتاب دهنده ها هستند - Tevatron آمریکایی، که سال گذشته بسته شد و برخورد دهنده بزرگ هادرون، که اکنون زیر نظر رسانه های جهانی کار می کند. از این گذشته، بوزون هیگز برای نظریه مدرن جهان خرد - مدل استاندارد ذرات بنیادی - بسیار ضروری است. اگر نتوان آن را کشف کرد، اصول کلیدی این نظریه در هوا باقی خواهد ماند.

تقارن سنج

آغاز راه رسیدن به بوزون هیگز را می توان از مقاله کوتاهی که در سال 1954 توسط فیزیکدان چینی یانگ ژنینگ که به ایالات متحده نقل مکان کرد و همکارش در آزمایشگاه ملی بروکهاون، رابرت میلز، منتشر کرد، حساب کرد. در آن سال‌ها، آزمایش‌کنندگان روز به روز ذرات جدیدی را کشف کردند که فراوانی آن‌ها به هیچ وجه قابل توضیح نبود. در جستجوی ایده‌های امیدوارکننده، یانگ و میلز تصمیم گرفتند تا احتمالات یک تقارن بسیار جالب را که بر الکترودینامیک کوانتومی حاکم است، آزمایش کنند. در آن زمان، این نظریه توانایی خود را در تولید نتایجی که مطابقت بسیار خوبی با آزمایش داشت، ثابت کرده بود. درست است، در طول برخی از محاسبات، بی نهایت ها در آنجا ظاهر می شوند، اما می توان آنها را با استفاده از یک روش ریاضی به نام عادی سازی مجدد حذف کرد.

تقارن که به یانگ و میلز علاقه داشت، در سال 1918 توسط ریاضیدان آلمانی هرمان ویل وارد فیزیک شد. او آن را گیج نامید و این نام تا به امروز باقی مانده است. در الکترودینامیک کوانتومی، تقارن گیج خود را در این واقعیت نشان می دهد که تابع موج یک الکترون آزاد، که یک بردار با یک بخش واقعی و یک قسمت خیالی است، می تواند به طور پیوسته در هر نقطه از فضازمان بچرخد (به همین دلیل است که تقارن محلی نامیده می شود. ). این عملیات (به زبان رسمی - تغییر فاز تابع موج) منجر به این واقعیت می شود که در معادله حرکت الکترون مواد افزودنی ظاهر می شود که برای معتبر ماندن آن باید جبران شود. برای انجام این کار، یک اصطلاح اضافی در آنجا معرفی شده است که میدان الکترومغناطیسی در تعامل با الکترون را توصیف می کند. معلوم می شود که کوانتوم این میدان یک فوتون است، یک ذره بدون جرم با اسپین واحد. بنابراین، از تقارن سنج محلی معادله الکترون آزاد، وجود فوتون ها (و همچنین ثابت بودن بار الکترون) به دست می آید. می توان گفت که این تقارن به الکترون دستور می دهد تا با میدان الکترومغناطیسی تعامل کند. هر تغییر فاز تبدیل به عملی از چنین برهمکنشی می شود - به عنوان مثال، گسیل یا جذب یک فوتون.

ارتباط بین تقارن سنج و الکترومغناطیس در دهه 1920 شناسایی شد، اما توجه زیادی را به خود جلب نکرد. یانگ و میلز اولین کسانی بودند که سعی کردند از این تقارن برای ساختن معادلاتی استفاده کنند که ذرات طبیعتی غیر از الکترون را توصیف می کند. آنها دو "قدیمی ترین" باریون - پروتون و نوترون را مطالعه کردند. اگرچه این ذرات یکسان نیستند، اما با توجه به نیروهای هسته ای تقریباً یکسان عمل می کنند و جرم تقریباً یکسانی دارند. در سال 1932، ورنر هایزنبرگ نشان داد که پروتون و نوترون را می توان به طور رسمی حالت های متفاوتی از یک ذره در نظر گرفت. برای توصیف آنها، او یک عدد کوانتومی جدید را معرفی کرد - اسپین ایزوتوپی. از آنجایی که نیروی قوی بین پروتون ها و نوترون ها تفاوتی قائل نمی شود، اسپین ایزوتوپی کامل را حفظ می کند، همانطور که نیروی الکترومغناطیسی بار الکتریکی را حفظ می کند.

یانگ و میلز پرسیدند کدام تبدیل سنج محلی تقارن ایزوسپین را حفظ می کند. واضح بود که نمی‌توانستند با دگرگونی‌های گیج الکترودینامیک کوانتومی منطبق شوند - اگر فقط به این دلیل که ما در مورد دو ذره صحبت می‌کردیم. یانگ و میلز مجموعه‌ای از این تبدیل‌ها را تجزیه و تحلیل کردند و دریافتند که میدان‌هایی تولید می‌کنند که کوانتوم‌های آن احتمالاً برهمکنش‌های بین پروتون‌ها و نوترون‌ها را انتقال می‌دهند. در این مورد سه کوانتا وجود داشت: دو کوانتومی باردار (مثبت و منفی) و یکی خنثی. جرم و اسپین واحد صفر داشتند (یعنی بوزون های برداری بودند) و با سرعت نور حرکت می کردند.

تئوری B-fields، همانطور که نویسندگان مشترک آن را نامگذاری کردند، بسیار زیبا بود، اما در آزمون آزمایشی تاب نیاورد. بوزون خنثی B را می‌توان با فوتون شناسایی کرد، اما برادران باردار آن خارج از عمل باقی ماندند. با توجه به مکانیک کوانتومی، تنها ذرات مجازی با جرم کافی می توانند انتقال نیروهای کوتاه برد را واسطه کنند. شعاع نیروهای هسته ای از 10 تا 13 سانتی متر تجاوز نمی کند و بوزون های بدون جرم یانگ و میلز به وضوح نمی توانند ادعا کنند که حامل آنها هستند. علاوه بر این، آزمایشگران هرگز چنین ذرات را شناسایی نکرده اند، اگرچه در اصل بوزون های بدون جرم باردار به راحتی قابل تشخیص هستند. یانگ و میلز ثابت کردند که تقارن‌های گیج محلی «روی کاغذ» می‌تواند میدان‌های نیرویی با ماهیت غیرالکترومغناطیسی ایجاد کند، اما واقعیت فیزیکی این میدان‌ها صرفاً یک فرضیه بود.

دوگانگی ضعیف الکتریسیته

قدم بعدی به سمت بوزون هیگز در سال 1957 انجام شد. در آن زمان، نظریه پردازان (همان یانگ و لی زونگدائو) پیشنهاد کردند، و آزمایشگران ثابت کردند، که برابری در طول فروپاشی بتا حفظ نمی شود (به عبارت دیگر، تقارن آینه ای شکسته می شود). این نتیجه غیرمنتظره بسیاری از فیزیکدانان را به خود جلب کرد، از جمله جولیان شوینگر، یکی از خالقان الکترودینامیک کوانتومی. او فرض کرد که برهمکنش‌های ضعیف بین لپتون‌ها (علم هنوز به کوارک‌ها نرسیده بود!) توسط سه بوزون بردار - یک فوتون و یک جفت ذره باردار مشابه بوزون‌های B انجام می‌شود. نتیجه این شد که این فعل و انفعالات در مشارکت با نیروهای الکترومغناطیسی بود. شوینگر این مشکل را بیشتر دنبال نکرد، اما آن را به دانشجوی فارغ التحصیل خود شلدون گلاشو پیشنهاد داد.

کار چهار سال به طول انجامید. بعد از یک ردیف تلاش های ناموفقگلاشو مدلی از برهمکنش های ضعیف و الکترومغناطیسی را بر اساس یکسان سازی تقارن های گیج میدان الکترومغناطیسی و میدان های یانگ و میلز ساخت. علاوه بر فوتون، سه بوزون بردار دیگر در آن ظاهر شد - دو باردار و یک خنثی. با این حال، این ذرات دوباره جرم صفر داشتند که مشکل ایجاد کرد. برهم کنش ضعیف شعاع دو مرتبه ای کوچکتر از اندرکنش قوی دارد و از این گذشته به واسطه های بسیار عظیمی نیاز دارد. علاوه بر این، وجود یک حامل خنثی مستلزم امکان انتقال بتا بود که بار الکتریکی را تغییر نمی‌داد و در آن زمان چنین انتقال‌هایی مشخص نبود. به همین دلیل، گلاشو پس از انتشار مدل خود در اواخر سال 1961، علاقه خود را به متحد کردن نیروهای ضعیف و الکترومغناطیسی از دست داد و به سراغ موضوعات دیگر رفت.

فرضیه شوینگر همچنین عبد سلام، نظریه‌پرداز پاکستانی را مورد توجه قرار داد، که همراه با جان وارد، مدلی شبیه به مدل گلاشو ساختند. او همچنین با بی جرم بودن بوزون های گیج مواجه شد و حتی راهی برای حذف آن اندیشید. سلام می‌دانست که توده‌های آن‌ها را نمی‌توان «با دست» وارد کرد، زیرا این نظریه در حال تبدیل شدن به غیرقابل هنجار شدن بود، اما او امیدوار بود که با استفاده از شکستن تقارن خود به خود از این دشواری عبور کند تا حل معادلات حرکت بوزون وجود نداشته باشد. تقارن سنج که در خود معادلات ذاتی است. این وظیفه استیون واینبرگ آمریکایی را مورد توجه قرار داد.

اما در سال 1961، فیزیکدان انگلیسی جفری گلدستون نشان داد که در نسبیت نظریه های کوانتومیمیدانی، به نظر می رسد شکستن تقارن خود به خود به ناچار ذرات بدون جرم تولید می کند. سلام و واینبرگ سعی کردند قضیه گلدستون را رد کنند، اما فقط آن را در کار خود تقویت کردند. این رمز و راز غیر قابل حل به نظر می رسید و آنها به سایر حوزه های فیزیک رفتند.

هیگز و دیگران

از متخصصان فیزیک ماده متراکم کمک گرفت. در سال 1961، یوچیرو نامبو اشاره کرد که وقتی یک فلز معمولی به حالت ابررسانا تبدیل می شود، تقارن قبلی خود به خود شکسته می شود، اما هیچ ذره ای بدون جرم ظاهر نمی شود. دو سال بعد، فیلیپ اندرسون، با استفاده از همین مثال، خاطرنشان کرد که اگر میدان الکترومغناطیسی از قضیه گلدستون تبعیت نکند، می‌توان از سایر میدان‌های سنج با تقارن محلی نیز انتظار داشت. او حتی پیش‌بینی کرد که بوزون‌های گلدستون و بوزون‌های میدان یانگ و میلز می‌توانند به نحوی یکدیگر را خنثی کنند و ذرات عظیمی را پشت سر بگذارند.

این پیش بینی نبوی بود. در سال 1964، او توسط فیزیکدانان دانشگاه آزاد بروکسل، فرانسوا انگلرت و راجر برات، پیتر هیگز و کارمندان کالج امپریال لندن جری گوارنیک، رابرت هاگن و توماس کیبل تبرئه شد. آنها نه تنها نشان دادند که شرایط برای کاربرد قضیه گلدستون در میدان‌های یانگ-میلز برآورده نمی‌شود، بلکه راهی برای ارائه تحریکات این میدان‌ها با جرم غیرصفر پیدا کردند که اکنون مکانیسم هیگز نامیده می‌شود.

این آثار شگفت انگیز بلافاصله مورد توجه و قدردانی قرار نگرفتند. تا اینکه در سال 1967 واینبرگ یک مدل واحد از برهمکنش الکتروضعیف ساخت که در آن سه بوزون برداری بر اساس مکانیسم هیگز جرم می گیرند و یک سال بعد سلام نیز همین کار را انجام داد. در سال 1971، مارتینوس ولتمن و جرارد ت هوفت هلندی ثابت کردند که این نظریه قابل عادی سازی مجدد است و بنابراین معنای فیزیکی واضحی دارد. پس از سال 1973، زمانی که در یک محفظه حباب بود، محکم روی پای خود ایستاد. گارگامل(سرن، سوئیس)، آزمایش‌کنندگان جریان‌های خنثی ضعیفی را ثبت کردند که نشان‌دهنده وجود یک بوزون میانی بدون بار است (ثبت مستقیم هر سه بوزون بردار فقط در سال‌های 1982-1983 در سرن انجام شد). گلاشو، واینبرگ و سلام برای آن دریافت کردند جوایز نوبلدر 1979، Veltman و 't Hooft - در 1999. این نظریه (و همراه با آن بوزون هیگز) به مدت طولانی به بخشی جدایی ناپذیر از مدل استاندارد ذرات بنیادی تبدیل شده است.

مکانیسم هیگز

مکانیسم هیگز مبتنی بر میدان های اسکالر با کوانتوم های بدون چرخش - بوزون های هیگز است. اعتقاد بر این است که آنها لحظاتی پس از انفجار بزرگ بوجود آمده اند و اکنون کل جهان را پر کرده اند. چنین میدان هایی کمترین انرژی را در یک مقدار غیر صفر دارند - این حالت پایدار آنها است.

اغلب نوشته شده است که ذرات بنیادی در نتیجه ترمزگیری توسط میدان هیگز جرم به دست می آورند، اما این یک قیاس بسیار مکانیکی است. تئوری برهمکنش الکتروضعیف شامل چهار میدان هیگز (هر کدام کوانتومای خاص خود است) و چهار بوزون برداری - دو خنثی و دو باردار که خودشان جرم ندارند. سه بوزون، هر دو باردار و یکی خنثی، هر کدام یک هیگز را جذب می کنند و در نتیجه جرم و توانایی انتقال نیروهای کوتاه برد را به دست می آورند (آنها با نمادهای W +، W - و Z 0 نشان داده می شوند). آخرین بوزون چیزی را جذب نمی کند و بدون جرم باقی می ماند - این یک فوتون است. هیگزهای "خورده شده" قابل مشاهده نیستند (فیزیکدانان آنها را "ارواح" می نامند)، در حالی که برادر چهارم آنها باید با انرژی کافی برای تولدش مشاهده شود. به طور کلی، اینها دقیقاً همان فرآیندهایی هستند که اندرسون موفق به پیش بینی آنها شده است.

ذره گریزان

اولین تلاش های جدی برای گرفتن بوزون هیگز در اواخر قرن بیستم و بیست و یکم در برخورد دهنده بزرگ الکترون-پوزیترون انجام شد. برخورد دهنده بزرگ الکترون-پوزیترون، LEP) در سرن. این آزمایش‌ها واقعاً به آواز قو این نصب قابل توجه تبدیل شد، که در آن جرم و طول عمر بوزون‌های برداری سنگین با دقت بی‌سابقه‌ای تعیین شد.

مدل استاندارد پیش‌بینی کانال‌های تولید و فروپاشی بوزون هیگز را ممکن می‌سازد، اما محاسبه جرم آن را ممکن نمی‌کند (که اتفاقاً از توانایی آن در تعامل با خود ناشی می‌شود). طبق کلی ترین تخمین ها نباید کمتر از 8-10 گیگا ولت و بیشتر از 1000 گیگا ولت باشد. با شروع جلسات LEP، اکثر فیزیکدانان بر این باور بودند که محتمل ترین محدوده 100-250 GeV است. آزمایش های LEP آستانه پایین تر را به 114.4 گیگا الکترون ولت افزایش داد. بسیاری از کارشناسان معتقد بودند و هنوز هم معتقدند که اگر این شتاب دهنده بیشتر کار می کرد و انرژی پرتوهای برخوردی را ده درصد افزایش می داد (که از نظر فنی امکان پذیر بود)، بوزون هیگز شناسایی می شد. با این حال، مدیریت سرن نمی‌خواست راه‌اندازی برخورددهنده بزرگ هادرونی را که قرار بود در همان تونل ساخته شود، به تاخیر بیاندازد و در پایان سال 2000 LEP بسته شد.

مرجان بوزون

آزمایش‌های متعدد، یکی پس از دیگری، محدوده جرم احتمالی بوزون هیگز را رد کردند. در شتاب دهنده LEP، آستانه پایین 114.4 گیگا ولت تعیین شد. در Tevatron، جرم بیش از 150 GeV حذف شد. بعداً، محدوده جرم تا بازه 115-135 گیگا ولت اصلاح شد و در سرن در برخورد دهنده بزرگ هادرون، حد بالایی به 130 گیگا ولت تغییر یافت. بنابراین، بوزون هیگز مدل استاندارد، اگر وجود داشته باشد، به مرزهای جرم نسبتاً باریک محدود می شود.

چرخه های جستجوی زیر در Tevatron (در آشکارسازهای CDF و DZero) و در LHC انجام شد. همانطور که دیمیتری دنیسوف، یکی از رهبران همکاری DZero به PM گفت، Tevatron در سال 2007 شروع به جمع آوری آمار در مورد هیگز کرد: "اگرچه انرژی کافی وجود داشت، اما مشکلات زیادی وجود داشت. برخورد الکترون ها و پوزیترون ها "تمیزترین" راه برای گرفتن هیگز است، زیرا این ذرات ساختار داخلی ندارند. به عنوان مثال، در حین نابودی یک جفت الکترون-پوزیترون پر انرژی، یک بوزون Z 0 متولد می شود که هیگز را بدون هیچ زمینه ای ساطع می کند (البته در این مورد، حتی واکنش های کثیف تری نیز امکان پذیر است). ما با پروتون ها و پادپروتون ها برخورد کردیم، ذرات سست متشکل از کوارک ها و گلوئون ها. بنابراین وظیفه اصلی- تولد هیگز را در پس زمینه بسیاری از واکنش های مشابه برجسته کنید. تیم های LHC نیز مشکل مشابهی دارند."

آثاری از جانوران نادیده

چهار راه اصلی (همانطور که فیزیکدانان می گویند، کانال) برای تولد بوزون هیگز وجود دارد.

کانال اصلی ادغام گلوئون‌ها (gg) در برخورد پروتون‌ها و پادپروتون‌ها است که از طریق حلقه‌های کوارک‌های سنگین بالا برهم کنش می‌کنند.
کانال دوم ادغام بوزون های برداری مجازی WW یا ZZ (WZ) است که توسط کوارک ها گسیل و جذب می شوند.
سومین کانال تولید بوزون هیگز، به اصطلاح تولید انجمنی (همراه با بوزون W یا Z) است. این فرآیند گاهی اوقات نامیده می شود Higgstrahlung(در قیاس با اصطلاح آلمانی bremstrahlung- bremsstrahlung).
و در نهایت، چهارمین ادغام یک کوارک بالا و یک آنتی کوارک (آفرینش انجمنی همراه با کوارک های برتر، tt) از دو جفت کوارک-آنتی کوارک بالا است که توسط گلوئون ها ایجاد شده اند.

دیمیتری دنیسوف ادامه می دهد: "در دسامبر 2011، پیام های جدیدی از LHC رسید." - آنها به دنبال فروپاشی هیگز یا توسط بالا-کوارک و آنتی کوارک آن که نابود می شوند و به یک جفت کوانتا گاما یا دو بوزون Z 0 تبدیل می شوند که هر کدام به یک الکترون و یک پوزیترون یا یک میون و یک آنتی میون تجزیه می شوند. داده های به دست آمده نشان می دهد که بوزون هیگز در حدود 124-126 گیگا الکترون ولت می کشد، اما این برای نتیجه گیری قطعی کافی نیست. اکنون هم همکاری های ما و هم فیزیکدانان در سرن به تجزیه و تحلیل نتایج آزمایش ها ادامه می دهند. این امکان وجود دارد که ما و آنها به زودی به نتایج جدیدی برسیم که در 4 مارس در یک کنفرانس بین المللی در کوه های آلپ ایتالیا ارائه خواهد شد و من احساس می کنم در آنجا خسته نخواهیم شد.

بوزون هیگز و پایان جهان

بنابراین، امسال می‌توان انتظار کشف بوزون هیگز مدل استاندارد یا به اصطلاح لغو آن را داشت. البته گزینه دوم نیاز به مدل های فیزیکی جدید را ایجاد خواهد کرد، اما در مورد اول هم این اتفاق می تواند بیفتد! در هر صورت، این همان چیزی است که یکی از معتبرترین کارشناسان در این زمینه، استاد دانشگاه کینگز کالج لندن، جان الیس، فکر می کند. به نظر او، کشف بوزون هیگز "نور" (با جرم بیشتر از 130 گیگا ولت) مشکل ناخوشایندی برای کیهان شناسی ایجاد خواهد کرد. این بدان معناست که جهان ما ناپایدار است و روزی (شاید حتی در هر لحظه) با انرژی کمتر به حالتی جدید تبدیل خواهد شد. سپس پایان جهان اتفاق خواهد افتاد - در همان زمان معنی کاملاین کلمه. ما فقط می توانیم امیدوار باشیم که یا بوزون هیگز پیدا نشود یا الیس در اشتباه باشد یا کیهان کمی خودکشی را به تاخیر بیندازد.

باریون ها (از یونانی "baris" - سنگین) ذرات بنیادی سنگین هستند که فرمیون ها در تعامل قوی هستند و از سه کوارک تشکیل شده اند. پایدارترین باریون ها پروتون و نوترون هستند. باریون های اصلی عبارتند از: پروتون (uud)، آنتی پروتون، نوترون (ddu)، آنتی نوترون، هیپریون لامبدا، هیپریون سیگما، هیپریون xi، هیپریون امگا.

کارمندان همکاری بین المللی DZero در آزمایشگاه شتاب دهنده ملی فرمی، که بخشی از مراکز تحقیقاتی ایالات متحده است، یک ذره اولیه باریون را کشف کردند. این ذره که "xi-bi-minus baryon" (Ξ-b) نامیده می شود، در نوع خود منحصر به فرد است. این فقط یک باریون دیگر حاوی یک کوارک b نیست، بلکه اولین ذره حاوی سه کوارک از سه خانواده مختلف - کوارک d، کوارک s و کوارک b است.

همچنین نام دیگری دارد - "Cascade-bi". باریون حامل بار منفی است و جرمی تقریباً شش برابر بیشتر از پروتون دارد (جرم ذرات 019/0 ± 774/5 گیگا الکترون ولت).

برای ثبت یک ذره جدید، دانشمندان مجبور شدند مسیرهای پنج سال کارکرد شتاب دهنده را تجزیه و تحلیل کنند. در نتیجه، امکان شناسایی 19 رویداد وجود داشت که نشان دهنده تشکیل یک باریون جدید بود.

پیش از این، دانشمندان باریونی متشکل از سه کوارک مختلف - یک باریون لامبدا بی، متشکل از کوارک‌های u-، d- و b- را به دست آورده بودند، اما فقط دو نسل از کوارک‌ها را شامل می‌شود.

بنابراین، برای اولین بار در تاریخ فیزیک پرانرژی، باریونی متشکل از کوارک های سه نسل یا خانواده کشف شد. دو آبشار از یک کوارک d (کوارک "پایین"، متعلق به خانواده اول)، یک کوارک s (کوارک "عجیب"، خانواده دوم) و یک کوارک b (کوارک "زیبا" تشکیل شده است. خانواده سوم). به همین دلیل است که ذره جدید Ξ-b واقعا منحصر به فرد است.

جالب توجه است، اگرچه این همکاری در Fermilab است که دارای یک شتاب دهنده قدرتمند Tevatron است، کشف فعلی در اروپا - در برخورد دهنده بزرگ الکترون-پوزیترون در CERN (LEP) انجام شد.

بنابراین، دانشمندان به جستجوی خود در "طبقه دوم" هرم باریون ادامه می دهند و باریون هایی را کشف می کنند که حاوی یک کوارک "گرانبها" یا "پایین" (b) هستند.

برای اولین بار چنین ذرات اخذ شدههمچنین تیمی از فرمیلب. سال گذشته، همکاری بین المللی CDF، که آزمایش هایی را در آزمایشگاه شتاب دهنده ملی فرمی وزارت انرژی ایالات متحده انجام می دهد، از کشف دو ذره بنیادی جدید متعلق به کلاس باریون ها خبر داد که این ذرات Σ+b و Σ-b نام داشتند.

در آزمایش‌ها، فیزیکدان‌ها پروتون‌ها را با پادپروتون‌ها برخورد کردند و آنها را در شتاب‌دهنده Tevatron، قوی‌ترین تا به امروز، شتاب دادند.

در این شتاب‌دهنده، آزمایش‌هایی بر روی برخورد پرتوی از پروتون‌ها با انرژی 1 TeV با پرتوی ضدپروتون‌هایی با همان انرژی انجام می‌شود. هنگام برخورد با چنین انرژی، یک کوارک b ظاهر شد، که سپس، در تعامل با کوارک های پروتون و ضد پروتون، دو ذره جدید را تشکیل داد.

این آزمایش 103 رویداد مرتبط با تولد بار مثبت را ثبت کرد ذرات u-u-b(Σ+b) و 134 تولد با بار منفی ذرات d-d-b(Σ-b). برای شناسایی چنین تعدادی از رویدادها، دانشمندان مجبور شدند ردهای حاصل از 100 تریلیون برخورد را در طول پنج سال عملیات Tevatron تجزیه و تحلیل کنند.

از حدود 1000 ثانیه (برای یک نوترون آزاد) تا کسری ناچیز از ثانیه (از 10-24 تا 10-22 ثانیه برای رزونانس ها).

ساختار و رفتار ذرات بنیادی توسط فیزیک ذرات مطالعه می شود.

همه ذرات بنیادی تابع اصل هویت هستند (همه ذرات بنیادی از یک نوع در جهان در تمام ویژگی های خود کاملاً یکسان هستند) و اصل دوگانگی ذره-موج (هر ذره بنیادی مطابق با یک موج دو بروگلی است).

همه ذرات بنیادی دارای خاصیت تبدیل پذیری هستند که نتیجه برهم کنش آنها است: قوی، الکترومغناطیسی، ضعیف، گرانشی. فعل و انفعالات ذرات باعث تبدیل ذرات و مجموعه آنها به ذرات دیگر و مجموعه آنها می شود، در صورتی که چنین تبدیلی توسط قوانین بقای انرژی، تکانه، تکانه زاویه ای، بار الکتریکی، بار باریون و غیره منع نشده باشد.

ویژگی های اصلی ذرات بنیادی:طول عمر، جرم، اسپین، بار الکتریکی، گشتاور مغناطیسی، بار باریون، بار لپتون، غریب بودن، اسپین ایزوتوپی، برابری، برابری بار، برابری G، برابری CP.

طبقه بندی

با طول عمر

• ذرات بنیادی پایدار ذراتی هستند که در حالت آزاد (پروتون، الکترون، نوترینو، فوتون و پادذرات آنها) عمر بی نهایت طولانی دارند.
• ذرات بنیادی ناپایدار ذراتی هستند که در یک زمان محدود در حالت آزاد به ذرات دیگر تجزیه می شوند (همه ذرات دیگر).

با وزن

تمام ذرات بنیادی به دو دسته تقسیم می شوند:

• ذرات بدون جرم ذراتی با جرم صفر (فوتون، گلوئون) هستند.
• ذرات با جرم غیر صفر (همه ذرات دیگر).

توسط بزرگترین پشت

تمام ذرات بنیادی به دو دسته تقسیم می شوند:

بر اساس نوع تعامل

ذرات اولیه به گروه های زیر تقسیم می شوند:

ذرات مرکب

• هادرون ها ذراتی هستند که در انواع برهمکنش های بنیادی شرکت می کنند. آنها از کوارک ها تشکیل شده اند و به نوبه خود به موارد زیر تقسیم می شوند:
  • مزون ها هادرون با اسپین عدد صحیح هستند، یعنی بوزون هستند.
  • باریون ها هادرون هایی با اسپین نیمه صحیح یعنی فرمیون ها هستند. اینها، به ویژه، شامل ذرات تشکیل دهنده هسته یک اتم - پروتون و نوترون هستند.

ذرات بنیادی (بدون ساختار).

• لپتون‌ها فرمیون‌هایی هستند که شکل ذرات نقطه‌ای دارند (یعنی از هیچ چیز تشکیل نمی‌شوند) تا مقیاس‌های 10 تا 18 متر. آنها در برهمکنش‌های قوی شرکت نمی‌کنند. مشارکت در فعل و انفعالات الکترومغناطیسی تنها برای لپتون‌های باردار (الکترون‌ها، میون‌ها، لپتون‌های تاو) به صورت تجربی مشاهده شد و برای نوترینوها مشاهده نشد. 6 نوع لپتون شناخته شده است.
• کوارک ها ذرات باردار کسری هستند که بخشی از هادرون ها هستند. آنها در حالت آزاد مشاهده نشدند (یک مکانیسم حبس برای توضیح عدم وجود چنین مشاهداتی پیشنهاد شده است). آنها مانند لپتون ها به 6 نوع تقسیم می شوند و بدون ساختار در نظر گرفته می شوند، اما بر خلاف لپتون ها در فعل و انفعالات قوی شرکت می کنند.
• بوزون های گیج ذراتی هستند که از طریق تبادل آنها برهمکنش ها انجام می شود:
  • فوتون ذره ای است که حامل برهمکنش الکترومغناطیسی است.
  • هشت گلوئون - ذراتی که نیروی قوی را حمل می کنند.
  • سه بوزون بردار میانی دبلیو + , دبلیو- و ز 0، که تعامل ضعیف را تحمل می کند.
  • گراویتون یک ذره فرضی است که حامل نیروی گرانش است. وجود گراویتون ها، اگرچه به دلیل ضعف برهم کنش گرانشی هنوز به طور تجربی ثابت نشده است، کاملاً محتمل در نظر گرفته می شود. با این حال، گراویتون در مدل استاندارد ذرات بنیادی گنجانده نشده است.

اندازه ذرات بنیادی

با وجود تنوع گسترده ذرات بنیادی، اندازه آنها در دو گروه قرار می گیرد. اندازه هادرون ها (هر دو باریون و مزون) حدود 10-15 متر است که نزدیک به میانگین فاصله بین کوارک های موجود در آنها است. اندازه ذرات بنیادی و بدون ساختار - بوزون‌های گیج، کوارک‌ها و لپتون‌ها - در خطای آزمایشی با ماهیت نقطه‌ای آنها مطابقت دارد (حد بالای قطر حدود 10-18 متر است) توضیح را ببینید). اگر در آزمایش‌های بعدی اندازه‌های نهایی این ذرات کشف نشود، ممکن است نشان دهد که اندازه بوزون‌های گیج، کوارک‌ها و لپتون‌ها نزدیک به طول اصلی هستند (که به احتمال زیاد طول پلانک برابر با 1.6 10 است. -35 متر).

البته باید توجه داشت که اندازه یک ذره بنیادی یک مفهوم نسبتاً پیچیده است که همیشه با مفاهیم کلاسیک سازگار نیست. اولاً، اصل عدم قطعیت به فرد اجازه نمی‌دهد تا یک ذره فیزیکی را دقیقاً محلی‌سازی کند. یک بسته موج، که یک ذره را به عنوان برهم نهی از حالات کوانتومی دقیقاً موضعی نشان می دهد، همیشه دارای ابعاد محدود و ساختار فضایی مشخصی است و ابعاد بسته می تواند کاملاً ماکروسکوپیک باشد - برای مثال، یک الکترون در آزمایشی با تداخل روی دو. شکاف ها هر دو شکاف تداخل سنج را که با فاصله ماکروسکوپی از هم جدا شده اند، احساس می کند. ثانیاً، یک ذره فیزیکی ساختار خلاء را در اطراف خود تغییر می‌دهد و یک "پوشش" از ذرات مجازی کوتاه‌مدت ایجاد می‌کند - جفت‌های فرمیون-آنتی‌فرمیون (به قطبش خلاء مراجعه کنید) و بوزون‌هایی که برهم‌کنش‌ها را حمل می‌کنند. ابعاد فضایی این ناحیه به بارهای اندازه گیری ذره و به جرم بوزون های میانی بستگی دارد (شعاع پوسته بوزون های مجازی عظیم نزدیک به طول موج کامپتون آنها است که به نوبه خود با آنها نسبت معکوس دارد. جرم). بنابراین، شعاع یک الکترون از دیدگاه نوترینوها (فقط برهمکنش ضعیف بین آنها امکان پذیر است) تقریباً برابر است با طول موج کامپتون بوزون های W، ~3 × 10-18 متر، و ابعاد ناحیه برهمکنش قوی هادرون توسط طول موج کامپتون سبک ترین هادرون، پی-مزون (~10-15 متر) تعیین می شود که در اینجا به عنوان حامل برهمکنش عمل می کند.

داستان

در ابتدا، اصطلاح "ذره بنیادی" به معنای چیزی کاملاً ابتدایی، اولین آجر ماده بود. با این حال، هنگامی که صدها هادرون با خواص مشابه در دهه های 1950 و 1960 کشف شد، مشخص شد که هادرون ها حداقل دارای درجات آزادی درونی هستند، یعنی به معنای دقیق کلمه ابتدایی نیستند. این ظن بعداً زمانی تأیید شد که معلوم شد هادرون ها از کوارک ها تشکیل شده اند.

بنابراین، فیزیکدانان کمی عمیق‌تر به ساختار ماده رفته‌اند: لپتون‌ها و کوارک‌ها اکنون ابتدایی‌ترین و نقطه‌مانندترین بخش‌های ماده در نظر گرفته می‌شوند. برای آنها (همراه با بوزون های گیج) اصطلاح " اساسیذرات".

در نظریه ریسمان که از اواسط دهه 1980 به طور فعال توسعه یافته است، فرض بر این است که ذرات بنیادی و تعاملات آنها پیامدهایی هستند. انواع مختلفارتعاشات "رشته های" به خصوص کوچک.

مدل استاندارد

مدل استاندارد ذرات بنیادی شامل 12 طعم فرمیون، پادذرات مربوط به آنها و همچنین بوزون های گیج (فوتون ها، گلوئون ها، دبلیو- و زبوزون ها) که حامل برهمکنش بین ذرات هستند و بوزون هیگز که در سال 2012 کشف شد و مسئول وجود جرم اینرسی در ذرات است. با این حال، مدل استاندارد تا حد زیادی به عنوان یک نظریه موقت و نه یک نظریه واقعاً بنیادی در نظر گرفته می شود، زیرا گرانش را شامل نمی شود و شامل چندین ده پارامتر آزاد (جرم ذرات و غیره) است که مقادیر آنها مستقیماً از آن ناشی نمی شود. نظریه. شاید ذرات بنیادی وجود داشته باشند که توسط مدل استاندارد توصیف نشده اند - برای مثال، مانند گراویتون (ذره ای که به طور فرضی نیروهای گرانشی را حمل می کند) یا شرکای فوق متقارن ذرات معمولی. در مجموع، مدل 61 ذره را توصیف می کند.

فرمیون ها

12 طعم فرمیون ها به 3 خانواده (نسل) از 4 ذره تقسیم می شوند. شش تای آنها کوارک هستند. شش مورد دیگر لپتون هستند که سه تای آنها نوترینو هستند و سه مورد باقیمانده حامل بار منفی واحد هستند: الکترون، میون و لپتون تاو.

نسل های ذرات

نسل اول	نسل دوم	نسل سوم
الکترون: e-	میون: μ −	تاو لپتون: τ −
نوترینوی الکترونی: ν e	نوترینوی میون: ν μ	نوترینو تاو: ν τ (\displaystyle \nu _(\tau ))
u-quark ("بالا"): تو	سی کوارک ("جذاب"): ج	تی کوارک ("درست"): تی
d-quark ("پایین"): د	اس کوارک ("عجیب"): س	b-quark ("دوست داشتنی"): ب

ضد ذرات

همچنین 12 پادذره فرمیونی مربوط به دوازده ذره فوق وجود دارد.

ضد ذرات

نسل اول	نسل دوم	نسل سوم
پوزیترون: e+	میون مثبت: μ +	تاو لپتون مثبت: τ +
آنتی نوترینو الکترونی: ν ¯ e (\displaystyle (\bar (\nu ))_(e))	آنتی نوترینو میون: ν ¯ μ (\displaystyle (\bar (\nu ))_(\mu ))	آنتی نوترینو تاو: ν ¯ τ (\displaystyle (\bar (\nu ))_(\tau ))
تو-عتیقه: u ¯ (\displaystyle (\bar (u)))	ج-عتیقه: c ¯ (\displaystyle (\bar (c)))	تی-عتیقه: t ¯ (\displaystyle (\bar (t)))
د-عتیقه: d ¯ (\displaystyle (\bar (d)))	س-عتیقه: s ¯ (\displaystyle (\bar (s)))	ب-عتیقه: b ¯ (\displaystyle (\bar (b)))

کوارک ها

کوارک ها و آنتی کوارک ها هرگز در حالت آزاد کشف نشده اند - این توسط پدیده توضیح داده شده است

پرتوهای آلفا (a)- یون های هلیوم با بار مثبت (He++) که با سرعت 14000 تا 20000 کیلومتر در ساعت از هسته اتم پرواز می کنند. انرژی ذرات 4-9 مگا ولت است. تابش α معمولاً از عناصر رادیواکتیو سنگین و عمدتاً طبیعی (رادیوم، توریم و غیره) مشاهده می شود. دامنه یک ذره آلفا در هوا با افزایش انرژی تابش آلفا افزایش می یابد.

مثلا، الف - ذرات توریم(Th232) با انرژی 3.9 مگا الکترون ولت، 2.6 سانتی متر در هوا حرکت می کند و ذرات a از رادیوم C با انرژی 7.68 مگا ولت دارای برد 6.97 سانتی متر می باشد. حداقل ضخامت جاذب مورد نیاز برای جذب کامل ذرات محدوده این ذرات در یک ماده معین نامیده می شود. محدوده ذرات آلفا در آب و پارچه 0.02-0.06 میلی متر است.

a-ذراتبه طور کامل توسط یک تکه دستمال کاغذی یا یک لایه نازک آلومینیوم جذب می شوند. یکی از مهمترین خواصتابش α اثر یونیزه کننده قوی دارد. در طول مسیر حرکت، یک ذره آلفا در گازها تعداد زیادی یون را تشکیل می دهد. به عنوان مثال، در هوا با فشار 15 درجه و 750 میلی متر، یک ذره آلفا بسته به انرژی خود، 150000-250000 جفت یون تولید می کند.

به عنوان مثال، یونیزاسیون خاص در هوا ذرات a از رادونبا داشتن انرژی 5.49 مگا ولت، 2500 جفت یون در هر 1 میلی متر مسیر است. چگالی یونیزاسیون در انتهای مسیر ذرات α افزایش می‌یابد، بنابراین آسیب سلول‌ها در انتهای مسیر تقریباً ۲ برابر بیشتر از ابتدای مسیر است.

مشخصات فیزیکی a-ذراتتعیین ویژگی های تأثیر بیولوژیکی آنها بر بدن و روش های محافظت در برابر این نوع پرتوها. تابش خارجی با پرتوهای a خطری ایجاد نمی کند، زیرا کافی است چند (10-20) سانتی متر از منبع فاصله بگیرید یا یک صفحه ساده از کاغذ، پارچه، آلومینیوم و سایر مواد معمولی نصب کنید تا تشعشع شود. کاملا جذب می شود.

بهترین خطر اشعه aنشان دهنده زمانی است که بلعیده می شود و در داخل عناصر رادیواکتیو ساطع می شود. در این موارد تابش مستقیم سلول ها و بافت های بدن با اشعه a رخ می دهد.

پرتوهای بتا (ب).- جریانی از الکترون که از هسته اتم با سرعت تقریباً 100000-300000 کیلومتر بر ثانیه پرتاب می شود. حداکثر انرژی ذرات p از 0.01 تا 10 MeV است. بار یک ذره b از نظر علامت و قدر با بار یک الکترون برابر است. تبدیلات رادیواکتیو مانند b-decay در بین عناصر رادیواکتیو طبیعی و مصنوعی گسترده است.

پرتوهای bقدرت نفوذ به طور قابل توجهی در مقایسه با پرتوهای a دارند. بسته به انرژی پرتوهای b، دامنه آنها در هوا از کسری از میلی متر تا چند متر متغیر است. بدین ترتیب محدوده ذرات b با انرژی 2-3 MeV در هوا 15-10 متر و در آب و پارچه بر حسب میلی متر اندازه گیری می شود. به عنوان مثال، محدوده ذرات b منتشر شده از فسفر رادیواکتیو (P32) با حداکثر انرژی 1.7 مگا الکترون ولت در بافت 8 میلی متر است.

b-ذره با انرژیبرابر با 1 مگا ولت، می تواند حدود 30000 جفت یون را در طول مسیر خود در هوا تشکیل دهد. توانایی یونیزاسیون ذرات b چندین برابر کمتر از ذرات a با همان انرژی است.

قرار گرفتن در معرض اشعه bاگر مواد فعالی که ذرات b ساطع می کنند وارد بدن شوند، می تواند هم در هنگام تابش خارجی و هم در تابش داخلی خود را نشان دهد. برای محافظت در برابر پرتوهای b در هنگام تابش خارجی، استفاده از صفحه های ساخته شده از مواد (شیشه، آلومینیوم، سرب و غیره) ضروری است. شدت تابش را می توان با افزایش فاصله از منبع کاهش داد.

هسته ها از چه چیزی ساخته شده اند؟ چه چیزی اجزای هسته را کنار هم نگه می دارد؟ کشف شد که نیروهایی با قدر عظیم وجود دارند که اجزای تشکیل دهنده هسته را در کنار هم نگه می دارند. وقتی این نیروها آزاد می شوند، انرژی آزاد شده در مقایسه با انرژی شیمیایی بسیار زیاد است، مانند مقایسه انفجار یک بمب اتمی با انفجار TNT است. این با این واقعیت توضیح داده می شود که یک انفجار اتمی در اثر تغییرات درون هسته ایجاد می شود، در حالی که در طول انفجار TNT فقط الکترون های موجود در لایه بیرونی اتم دوباره مرتب می شوند.

بنابراین نیروهایی که نوترون ها و پروتون ها را در هسته کنار هم نگه می دارند چیست؟

برهمکنش الکتریکی با یک ذره - یک فوتون مرتبط است. به طور مشابه، یوکاوا پیشنهاد کرد که نیروهای جاذبه بین پروتون و نوترون دارای نوع خاصی از میدان هستند و ارتعاشات این میدان مانند ذرات عمل می کنند. این بدان معناست که ممکن است علاوه بر نوترون و پروتون، ذرات دیگری نیز در جهان وجود داشته باشد. یوکاوا توانست خواص این ذرات را از ویژگی های شناخته شده نیروهای هسته ای استنباط کند. به عنوان مثال، او پیش بینی کرد که جرم آنها باید 200-300 برابر بیشتر از الکترون باشد. اوه، یک معجزه! - ذره ای با چنین جرمی در پرتوهای کیهانی کشف شد! با این حال، کمی بعد معلوم شد که این اصلا همان ذره نیست. آنها آن را μ-مزون یا میون نامیدند.

و با این حال، کمی بعد، در سال 1947 یا 1948، ذره ای - یک π-مزون یا پیون - کشف شد که نیازهای یوکاوا را برآورده می کرد. معلوم می شود که برای به دست آوردن نیروهای هسته ای باید یک پایون به پروتون و نوترون اضافه شود. "عالی! - با کمک این نظریه، ما اکنون دینامیک هسته ای کوانتومی را می سازیم و پیون ها به اهدافی که یوکاوا آنها را معرفی کرده است، عمل خواهند کرد. بیایید ببینیم که آیا این نظریه کار می کند یا خیر، و اگر چنین است، همه چیز را توضیح خواهیم داد. امیدهای بیهوده! معلوم شد که محاسبات در این نظریه به قدری پیچیده است که هیچ کس هنوز موفق به انجام آن نشده است و هیچ نتیجه ای از این نظریه استخراج نکرده است؛ هیچ کس آنقدر خوش شانس نبوده که آن را با آزمایش مقایسه کند. و این تقریبا 20 سال است که ادامه دارد!

چیزی با تئوری کار نمی کند. ما نمی دانیم که آیا این درست است یا نه. با این حال، ما از قبل می دانیم که چیزی در او کم است، که برخی از بی نظمی ها در او پنهان شده است. در حالی که ما در حال بررسی این نظریه بودیم و سعی می‌کردیم عواقب آن را محاسبه کنیم، آزمایش‌کنندگان در این مدت چیزی را کشف کردند. خوب، همان μ-مزون، یا میون. و ما هنوز نمی دانیم برای چه چیزی خوب است. باز هم، بسیاری از ذرات "اضافی" در پرتوهای کیهانی یافت شدند. امروزه بیش از 30 مورد از آنها وجود دارد، اما ارتباط بین آنها هنوز به سختی قابل درک است و مشخص نیست که طبیعت از آنها چه می خواهد و کدام یک به چه کسی بستگی دارد. همه این ذرات هنوز به عنوان مظاهر مختلف یک ذات به ما ظاهر نمی شوند و این واقعیت که دسته ای از ذرات نامتجانس وجود دارد، تنها بازتابی از حضور اطلاعات نامنسجم بدون یک نظریه قابل تحمل است. پس از موفقیت های غیرقابل انکار الکترودینامیک کوانتومی - مجموعه ای از اطلاعات از فیزیک هسته ای، تکه های دانش، نیمه تجربی، نیمه نظری. آنها مثلاً ماهیت برهمکنش بین یک پروتون و یک نوترون را می پرسند و می بینند که چه چیزی از آن خارج می شود، بدون اینکه در واقع بفهمند این نیروها از کجا می آیند. هیچ موفقیت قابل توجهی فراتر از آنچه شرح داده شد وجود نداشت.

ولی عناصر شیمیاییاز این گذشته ، تعداد زیادی نیز وجود داشتند ، و ناگهان می توان ارتباط بین آنها را که توسط جدول تناوبی مندلیف بیان شده است مشاهده کرد. فرض کنید پتاسیم و سدیم - موادی با خواص شیمیایی مشابه - در یک ستون در جدول قرار دارند. بنابراین، سعی کردیم جدولی مانند جدول تناوبی برای ذرات جدید بسازیم. یک جدول مشابه به طور مستقل توسط Gell-Mann در ایالات متحده و Nishijima در ژاپن پیشنهاد شد. اساس طبقه بندی آنها یک عدد جدید است، مانند بار الکتریکی. این عدد به هر ذره نسبت داده می شود و "غریب بودن" آن S نامیده می شود. این عدد (درست مانند بار الکتریکی) در واکنش های تولید شده توسط نیروهای هسته ای تغییر نمی کند.

روی میز 2.2 ذرات جدید را نشان می دهد. ما در حال حاضر در مورد آنها با جزئیات صحبت نمی کنیم. اما جدول حداقل نشان می دهد که ما هنوز چقدر کم می دانیم. زیر نماد هر ذره جرم آن است که در واحدهای خاصی به نام مگاالکترون ولت یا MeV بیان می شود (1 مگا الکترون ولت برابر با 10*1.782 است. -27 جی). ما به دلایل تاریخی که باعث معرفی این واحد شده است نمی پردازیم. ذرات سنگین تر در بالاترین جدول فهرست شده اند. در یک ستون ذراتی از همان بار الکتریکی وجود دارد، ذرات خنثی در وسط، ذرات مثبت در سمت راست، ذرات منفی در سمت چپ قرار دارند.

زیر ذرات با یک خط ثابت، "رزونانس" با خط تیره خط کشیده شده است. برخی از ذرات اصلاً در جدول نیستند: هیچ فوتون و گراویتون وجود ندارد، ذرات بسیار مهم با جرم و بار صفر (آنها در طرح طبقه بندی باریون-مزون-لپتون قرار نمی گیرند)، همچنین برخی از جدیدترین رزونانس ها وجود ندارد. (φ، f، Y* و غیره .). پادذرات مزون‌ها در جدول آورده شده‌اند، اما برای پادذرات لپتون‌ها و باریون‌ها لازم است جدول جدیدی شبیه به این جدول تهیه شود، اما فقط نسبت به ستون صفر منعکس شده باشد. اگرچه همه ذرات به جز الکترون، نوترینو، فوتون، گراویتون و پروتون ناپایدار هستند، محصولات فروپاشی آنها فقط برای تشدید نوشته شده است. عجیب بودن لپتون ها نیز نوشته نشده است، زیرا این مفهوم برای آنها قابل اجرا نیست - آنها به شدت با هسته ها تعامل ندارند.

ذراتی که در کنار نوترون و پروتون قرار دارند، باریون نامیده می شوند. این یک "لامبدا" با جرم 1115.4 مگا الکترون ولت و سه "سیگما" دیگر است که سیگما-منهای، سیگما-صفر، سیگما- پلاس نامیده می شوند، با جرم تقریباً یکسان. به گروه هایی از ذرات با جرم تقریباً یکسان (تفاوت 1-2٪) چندگانه می گویند. همه ذرات موجود در یک چندگانه، غریبگی یکسانی دارند. اولین چندگانه یک جفت (دوگانه) پروتون - نوترون است، سپس یک لامبدا منفرد (تک)، سپس یک سیگما سه گانه، دوگانه xi و امگا منهای منفرد وجود دارد. با شروع سال 1961، ذرات سنگین جدید شروع به کشف کردند. اما آیا آنها ذرات هستند؟ آنها به قدری کوتاه زندگی می کنند (به محض ظهور تجزیه می شوند) که معلوم نیست آنها را ذرات جدید بنامیم یا آنها را به عنوان یک برهمکنش «رزونانسی» بین محصولات فروپاشی آنها، مثلاً Λ و π در مقداری انرژی ثابت در نظر بگیریم.

برای فعل و انفعالات هسته ای، علاوه بر باریون ها، ذرات دیگری نیز مورد نیاز است - مزون ها. اینها اولاً سه نوع گل صد تومانی (به علاوه، صفر و منهای) هستند که یک سه قلو جدید را تشکیل می دهند. ذرات جدیدی نیز پیدا شده اند - مزون K (این یک دوتایی K است+ و K 0 ). هر ذره ای یک پادذره دارد، مگر اینکه آن ذره پادذره خودش باشد، مثلا π+ و π - - ضد ذرات یکدیگر، a π 0 -ضد ذره خودش ضد ذرات و K- با K + و K 0 با K 0 `. علاوه بر این، پس از سال 1961، ما شروع به کشف مزون‌های جدید یا مزون‌های مرتب کردیم که تقریباً فوراً تجزیه می‌شوند. یکی از این کنجکاوی ها امگا، ω نام دارد، جرم آن 783 است، به سه پیون تبدیل می شود. سازند دیگری وجود دارد که از آن یک جفت گل صد تومانی به دست می آید.

همانطور که برخی از خاک های کمیاب از جدول تناوبی بسیار موفق خارج شدند، به همان ترتیب برخی از ذرات از جدول ما خارج شدند. اینها ذراتی هستند که به شدت با هسته‌ها برهمکنش نمی‌کنند، هیچ ربطی به برهمکنش هسته‌ای ندارند و به شدت با یکدیگر برهم‌کنش نمی‌کنند (منظور از قوی، نوع قدرتمندی از برهمکنش است که انرژی اتمی می‌دهد). این ذرات لپتون نامیده می شوند. اینها شامل الکترون (ذره بسیار سبک با جرم 0.51 مگا الکترون ولت) و میون (با جرم 206 برابر جرم الکترون) است. تا آنجایی که می‌توانیم از روی همه آزمایش‌ها قضاوت کنیم، الکترون و میون فقط از نظر جرم با هم تفاوت دارند. تمام خواص میون، تمام برهم کنش های آن با خواص الکترون تفاوتی ندارد - فقط یکی از دیگری سنگین تر است. چرا سنگین تر است، چه فایده ای خواهد داشت، ما نمی دانیم. علاوه بر آنها، یک کنه خنثی نیز وجود دارد - یک نوترینو، با جرم صفر. علاوه بر این، اکنون مشخص شده است که دو نوع نوترینو وجود دارد: برخی مرتبط با الکترون ها و برخی دیگر با میون ها.

و در نهایت، دو ذره دیگر نیز وجود دارد که با هسته ها برهمکنش ندارند. ما قبلاً یکی را می شناسیم - این یک فوتون است. و اگر میدان گرانشی خواص مکانیکی کوانتومی نیز داشته باشد (اگرچه نظریه کوانتومی گرانش هنوز توسعه نیافته است)، پس شاید یک ذره گراویتون با جرم صفر وجود داشته باشد.

جرم صفر چیست؟ توده هایی که ذکر کردیم، توده های ذرات در حال سکون هستند. اگر جرم یک ذره صفر باشد، به این معنی است که جرات استراحت ندارد. فوتون هرگز ثابت نمی ماند، سرعت آن همیشه 300000 کیلومتر بر ثانیه است. ما همچنین نظریه نسبیت را درک خواهیم کرد و سعی خواهیم کرد عمیق تر در معنای مفهوم جرم کاوش کنیم.

بنابراین، ما با یک سیستم کامل از ذرات روبرو شده ایم که ظاهراً با هم، بخش بسیار اساسی ماده هستند. خوشبختانه این ذرات همه از نظر برهمکنش با یکدیگر متفاوت نیستند. ظاهراً فقط چهار نوع تعامل بین آنها وجود دارد. اجازه دهید آنها را به ترتیب کاهش قدرت فهرست کنیم: نیروهای هسته ای، فعل و انفعالات الکتریکی، (برهمکنش واپاشی β و گرانش. یک فوتون با تمام ذرات باردار با نیرویی که با عدد ثابت 1/137 مشخص می شود، برهم کنش می کند. قانون تفصیلی این اتصال عبارت است از شناخته شده - این الکترودینامیک کوانتومی است. گرانش با تمام انرژی برهمکنش می کند، اما بسیار ضعیف، بسیار ضعیف تر از الکتریسیته. و این قانون شناخته شده است. سپس به اصطلاح واپاشی ضعیف وجود دارد: واپاشی β، که به دلیل آن، نوترون بسیار آهسته تجزیه می شود. به یک پروتون، الکترون و نوترینو تبدیل می شود. در اینجا قانون فقط تا حدی روشن می شود. و به اصطلاح برهم کنش قوی (اتصال مزون با باریون) قدرتی در این مقیاس برابر با وحدت دارد و قانون آن کاملاً مبهم است. اگرچه برخی از قوانین شناخته شده است، مانند این که تعداد باریون ها در هیچ واکنشی تغییر نمی کند.

وضعیتی که فیزیک مدرن در آن قرار دارد را باید وخیم دانست. من آن را در این کلمات خلاصه می کنم: به نظر می رسد خارج از هسته ما همه چیز را می دانیم. مکانیک کوانتومی در داخل آن معتبر است و هیچ نقضی از اصول آن در آنجا مشاهده نشده است.

مرحله ای که تمام دانش ما در آن عمل می کند، فضا-زمان نسبیتی است. این امکان وجود دارد که جاذبه نیز با آن مرتبط باشد. ما نمی دانیم که جهان چگونه آغاز شد، و ما هرگز آزمایش هایی برای آزمایش دقیق ایده های خود در مورد فضا-زمان در فواصل کوتاه انجام نداده ایم، فقط می دانیم که فراتر از این فاصله ها دیدگاه های ما خطاناپذیر است. همچنین می توان اضافه کرد که قوانین بازی اصولی هستند مکانیک کوانتومی; و تا آنجا که ما می دانیم، آنها برای ذرات جدید بدتر از ذرات قدیمی نیستند. جستجوی منشا نیروهای هسته ای ما را به ذرات جدید هدایت می کند. اما همه این اکتشافات فقط باعث سردرگمی می شوند. ما درک کاملی از روابط متقابل آنها نداریم، اگرچه قبلاً ارتباطات چشمگیری بین آنها دیده ایم. ظاهراً ما به تدریج به درک دنیای ذرات زیراتمی نزدیک می شویم، اما معلوم نیست چقدر در این مسیر رفته ایم.