Podrum i podrum
nazivna čestica. Značenje riječi b-čestica u medicinskim terminima A b čestice

nazivna čestica. Značenje riječi b-čestica u medicinskim terminima A b čestice

Desetljećima pokušavaju pronaći Higgsov bozon, ali za sada bez uspjeha. U međuvremenu, bez njega, ključne odredbe moderna teorija mikrokozmosi vise u zraku.

Proučavanje čestica počelo je ne tako davno. Godine 1897. Joseph John Thomson otkrio je elektron, a 20 godina kasnije Ernest Rutherford dokazao je da su jezgre vodika dio jezgri drugih elemenata, te ih kasnije nazvao protonima. Tridesetih godina prošlog stoljeća otkriveni su neutron, mion i pozitron te je predviđeno postojanje neutrina. Hideki Yukawa je u isto vrijeme izgradio teoriju nuklearnih sila nošenih hipotetskim česticama stotinama puta težim od elektrona, ali puno lakšim od protona (mezoni). Godine 1947. pronađeni su tragovi raspada pi mezona (pion) na fotografskim pločama izloženim kozmičkim zrakama. Kasnije su otkriveni i drugi mezoni, a neki od njih su teži ne samo od protona, već i od jezgre helija. Fizičari su također otkrili mnoge barione, teške i stoga nestabilne rođake protona i neutrona. Nekoć su se sve te čestice nazivale elementarnim, no takva je terminologija odavno zastarjela. Sada se elementarnim smatraju samo nekompozitne čestice - fermioni (s polovičnim spinom - leptoni i kvarkovi) i bozoni (s cijelim spinom - nositelji fundamentalnih interakcija).

Elementarne čestice standardnog modela

Fermionsku skupinu (s polucijelim spinom) čine leptoni i kvarkovi tzv. tri generacije. Nabijeni leptoni su elektron i njegovi masivni parnjaci mion i tau čestica (i njihove antičestice). Svaki lepton ima neutralnog partnera u osobi jedne od tri vrste neutrina (također s antičesticama). Obitelj bozona, čiji je spin 1, su čestice koje prenose interakcije između kvarkova i leptona. Neki od njih nemaju masu i električni naboj - to su gluoni, koji stvaraju međukvark veze u mezonima i barionima, te fotoni, kvanti elektromagnetskog polja. Slabe interakcije, koje se očituju u procesima beta raspada, osigurava trio masivnih čestica - dvije nabijene i jedna neutralna.

Pojedinačna imena elementarnih i složenih čestica obično se ne povezuju s imenima određenih znanstvenika. No, prije gotovo 40 godina predviđena je još jedna elementarna čestica koja je dobila ime po živućoj osobi, škotskom fizičaru Peteru Higgsu. Kao i nositelji fundamentalnih interakcija, ima cjelobrojni spin i pripada klasi bozona. Međutim, njegov spin nije 1, već 0, iu tom pogledu nema analoga. Desetljećima ga traže na najvećim akceleratorima - prošle godine zatvorenom američkom Tevatronu i Velikom hadronskom sudaraču koji sada radi, pod lupom svjetskih medija. Uostalom, Higgsov bozon je prijeko potreban za modernu teoriju mikrosvijeta - Standardni model elementarnih čestica. Ako se ne može pronaći, ključne odredbe ove teorije ostat će u zraku.

Mjerne simetrije

Početak puta do Higgsovog bozona može se računati iz kratkog članka koji su 1954. godine objavili kineski fizičar Yang Zhenning, koji se preselio u Sjedinjene Države, i njegov kolega iz Nacionalnog laboratorija Brookhaven, Robert Mills. Tih su godina eksperimentatori otkrivali sve više i više novih čestica čije se obilje nije moglo nikako objasniti. U potrazi za obećavajućim idejama, Yang i Mills odlučili su testirati mogućnosti vrlo zanimljive simetrije, koja je podložna kvantnoj elektrodinamici. Do tada je ova teorija dokazala svoju sposobnost davanja izvrsnih rezultata u skladu s iskustvom. Istina, tijekom nekih proračuna tamo se pojavljuju beskonačnosti, ali možete ih se riješiti matematičkim postupkom koji se zove renormalizacija.

Simetriju, koja je zanimala Yanga i Millsa, u fiziku je 1918. uveo njemački matematičar Hermann Weyl. Nazvao ga je mjerač, a taj se naziv održao do danas. U kvantnoj elektrodinamici mjerna simetrija se očituje u činjenici da se valna funkcija slobodnog elektrona, koji je vektor sa stvarnim i imaginarnim dijelovima, može kontinuirano rotirati u svakoj točki prostor-vremena (zbog čega se simetrija naziva lokalnom ). Ova operacija (u formalnom jeziku - promjena faze valne funkcije) dovodi do toga da se u jednadžbi gibanja elektrona pojavljuju aditivi koji se moraju kompenzirati da bi ostala važeća. Da bi se to postiglo, ondje se uvodi dodatni izraz koji opisuje elektromagnetsko polje u interakciji s elektronom. Kvant ovog polja je foton, čestica bez mase s jediničnim spinom. Dakle, postojanje fotona (kao i konstantnost naboja elektrona) slijedi iz lokalne baždarne simetrije jednadžbe slobodnog elektrona. Možemo reći da ova simetrija diktira interakciju elektrona s elektromagnetskim poljem. Svaki fazni pomak postaje čin takve interakcije - na primjer, emisija ili apsorpcija fotona.

Odnos između mjerne simetrije i elektromagnetizma otkriven je još 1920-ih, ali nije pobudio veći interes. Yang i Mills prvi su upotrijebili ovu simetriju za konstruiranje jednadžbi koje opisuju čestice drugačije prirode od elektrona. Uzeli su dva "najstarija" bariona - proton i neutron. Iako te čestice nisu identične, one se u odnosu na nuklearne sile ponašaju gotovo identično i imaju gotovo istu masu. Godine 1932. Werner Heisenberg pokazao je da se proton i neutron formalno mogu smatrati različitim stanjima iste čestice. Kako bi ih opisao, uveo je novi kvantni broj - izotopski spin. Budući da jaka sila ne razlikuje protone od neutrona, ona čuva ukupni izotopski spin, baš kao što elektromagnetska sila čuva električni naboj.

Yang i Mills su se pitali koje lokalne mjerne transformacije čuvaju izospinsku simetriju. Bilo je jasno da se ne mogu podudarati s mjernim transformacijama kvantne elektrodinamike, barem zato što smo već govorili o dvije čestice. Young i Mills analizirali su ukupnost takvih transformacija i otkrili da one stvaraju polja čiji kvanti navodno prenose interakcije između protona i neutrona. U ovom slučaju postojala su tri kvanta: dva nabijena (pozitivno i negativno) i jedan neutralan. Imali su nultu masu i jedinični spin (to jest, bili su vektorski bozoni) i putovali su brzinom svjetlosti.

Teorija B-polja, kako su ih nazvali koautori, bila je vrlo lijepa, ali nije izdržala test iskustva. Neutralni B-bozon mogao se poistovjetiti s fotonom, ali njegovi nabijeni parnjaci su izostavljeni. Prema kvantnoj mehanici, samo dovoljno masivne virtualne čestice mogu biti posrednici u prijenosu sila kratkog dometa. Radijus nuklearnih sila ne prelazi 10-13 cm, a bezmaseni bozoni Yang i Mills očito ne mogu tvrditi da su njihovi nositelji. Osim toga, eksperimentatori nikada nisu detektirali takve čestice, iako je u načelu nabijene bozone bez mase lako detektirati. Yang i Mills dokazali su da lokalne mjerne simetrije "na papiru" mogu generirati polja sile neelektromagnetske prirode, ali fizička stvarnost tih polja bila je čista pretpostavka.

Elektroslaba dualnost

Sljedeći korak prema Higgsovom bozonu učinjen je 1957. godine. Do tada su teoretičari (isti Yang i Li Zundao) pretpostavili, a eksperimentatori dokazali, da paritet nije očuvan u beta raspadima (drugim riječima, zrcalna simetrija je narušena). Ovaj neočekivani rezultat zainteresirao je mnoge fizičare, među kojima je bio i Julian Schwinger, jedan od utemeljitelja kvantne elektrodinamike. Pretpostavio je da slabe interakcije između leptona (znanost još nije stigla do kvarkova!) nose tri vektorska bozona - foton i par nabijenih čestica sličnih B-bozonima. Iz toga slijedi da su te interakcije u partnerstvu s elektromagnetskim silama. Schwinger se više nije bavio ovim problemom, već ga je predložio svom postdiplomcu Sheldonu Glashowu.

Rad je trajao četiri godine. Nakon niza neuspjeli pokušaji Glashow je izgradio model slabih i elektromagnetskih interakcija temeljen na ujedinjenju mjernih simetrija elektromagnetskog polja i Yangovog i Millsovog polja. Osim fotona, sadržavala su još tri vektorska bozona - dva nabijena i jedan neutralni. Međutim, te su čestice ponovno imale nultu masu, što je stvorilo problem. Radijus slabe interakcije dva je reda veličine manji od polumjera jake, a tim više zahtijeva vrlo masivne posrednike. Osim toga, prisutnost neutralnog nositelja zahtijevala je mogućnost beta prijelaza koji ne mijenjaju električni naboj, au to vrijeme takvi prijelazi nisu bili poznati. Zbog toga je, nakon što je krajem 1961. objavio svoj model, Glashow izgubio interes za objedinjavanje slabih i elektromagnetskih sila i prebacio se na druge teme.

Schwingerova hipoteza zainteresirala je i pakistanskog teoretičara Abdusa Salama, koji je zajedno s Johnom Wardom izgradio model sličan Glashowovu. Također se susreo s bezmasovnošću mjernih bozona i čak je smislio način da to eliminira. Salam je znao da se njihove mase ne mogu unijeti "ručno" jer je teorija postala nenormirana, ali se nadao da će tu poteškoću zaobići spontanim kršenjem simetrije, tako da rješenja jednadžbi gibanja bozona nemaju mjeru simetrija svojstvena samim jednadžbama. Tim je zadatkom zainteresirao Amerikanca Stevena Weinberga.

Ali 1961. engleski fizičar Geoffrey Goldstone pokazao je da je u relativističkoj kvantne teorijeČini se da spontano kršenje simetrije polja neizbježno stvara čestice bez mase. Salam i Weinberg pokušali su opovrgnuti Goldstoneov teorem, ali su ga samo ojačali u vlastitom radu. Zagonetka je izgledala nerješiva, pa su se okrenuli drugim područjima fizike.

Higgsa i drugih

U pomoć su došli stručnjaci za fiziku kondenzirane tvari. Godine 1961. Yoichiro Nambu primijetio je da kada normalan metal prijeđe u supravodljivo stanje, prijašnja simetrija se spontano prekida, ali se ne pojavljuju čestice bez mase. Dvije godine kasnije, Philip Anderson, koristeći isti primjer, primijetio je da ako se elektromagnetsko polje ne pokorava Goldstoneovom teoremu, onda se isto može očekivati od drugih mjernih polja s lokalnom simetrijom. Čak je predvidio da bi se Goldstoneovi bozoni i bozoni Yangovog i Millsovog polja mogli nekako poništiti, ostavljajući iza sebe masivne čestice.

Ovo predviđanje pokazalo se proročanskim. Godine 1964. oslobodili su ga François Englert i Roger Broat, fizičari sa Slobodnog sveučilišta u Bruxellesu, Peter Higgs i Jerry Guralnik, Robert Hagen i Thomas Kibble s Imperial Collegea u Londonu. Ne samo da su pokazali da uvjeti za primjenjivost Goldstoneovog teorema nisu ispunjeni u Yang-Millsovim poljima, već su također pronašli način da osiguraju pobude tih polja s masom različitom od nule, što se sada naziva Higgsov mehanizam.

Ovi prekrasni radovi nisu bili odmah zapaženi i cijenjeni. Weinberg je tek 1967. izgradio jedinstveni model elektroslabe interakcije, u kojoj trio vektorskih bozona dobiva masu na temelju Higgsovog mehanizma, a Salam je učinio isto godinu dana kasnije. Godine 1971. Nizozemci Martinus Veltman i Gerard "t Hooft dokazali su da je ova teorija podložna renormalizaciji i stoga ima jasno fizičko značenje. Čvrsto je stala na noge nakon 1973., kada je u komori s mjehurićima Gargamela(CERN, Švicarska) eksperimentatori su registrirali takozvane slabe neutralne struje, što ukazuje na postojanje nenabijenog intermedijarnog bozona (izravna registracija sva tri vektorska bozona provedena je u CERN-u tek 1982.-1983.). Dobili su je Glashow, Weinberg i Salam Nobelove nagrade 1979., Veltman i "t Hooft - 1999. Ova teorija (a s njom i Higgsov bozon) dugo je bila sastavni dio Standardnog modela elementarnih čestica.

Higgsov mehanizam

Higgsov mehanizam temelji se na skalarnim poljima s kvantima bez spina – Higgsovim bozonima. Vjeruje se da su nastali nekoliko trenutaka nakon Velikog praska i sada ispunjavaju cijeli Svemir. Takva polja imaju najnižu energiju pri vrijednosti različitoj od nule - to je njihovo stabilno stanje.

Često se piše da elementarne čestice dobivaju masu kao rezultat kočenja Higgsovim poljem, ali to je pretjerano mehanistička analogija. Elektroslaba teorija uključuje četiri Higgsova polja (svako sa svojim kvantima) i četiri vektorska bozona - dva neutralna i dva nabijena, koji sami nemaju masu. Tri bozona, oba nabijena i jedan neutralni, apsorbiraju po jedan Higgs i kao rezultat toga dobivaju masu i sposobnost prijenosa sila kratkog dometa (označeni su simbolima W +, W - i Z 0). Posljednji bozon ne apsorbira ništa i ostaje bez mase – to je foton. "Pojedeni" Higgsi su neopažljivi (fizičari ih nazivaju "duhovima"), dok njihovog četvrtog rođaka treba promatrati na energijama dovoljnim za njegovo rođenje. Općenito, upravo su to procesi koje je Anderson uspio predvidjeti.

neuhvatljiva čestica

Prvi ozbiljniji pokušaji hvatanja Higgsovog bozona učinjeni su na prijelazu iz 20. u 21. stoljeće na Velikom elektron-pozitronskom sudaraču ( Veliki sudarač elektrona i pozitrona, LEP) u CERN-u. Ovi eksperimenti su doista bili labuđi pjev izvanredne ustanove, na kojoj su mase i životni vijek teških vektorskih bozona određeni s neviđenom točnošću.

Standardni model omogućuje predviđanje kanala stvaranja i raspada Higgsovog bozona, ali ne omogućuje izračunavanje njegove mase (koja, usput rečeno, proizlazi iz njegove sposobnosti samoforsiranja). Prema najopćenitijim procjenama, ne bi smio biti manji od 8-10 GeV i veći od 1000 GeV. Do početka sesija u LEP-u, većina fizičara je vjerovala da je najvjerojatniji raspon 100-250 GeV. LEP eksperimenti podigli su donji prag na 114,4 GeV. Mnogi su stručnjaci vjerovali i smatraju da je ovaj akcelerator radio dulje i povećao energiju sudarajućih zraka za deset posto (što je tehnički moguće) da bi Higgsov bozon mogao biti registriran. No vodstvo CERN-a nije željelo odgoditi pokretanje Velikog hadronskog sudarača koji je trebao biti izgrađen u istom tunelu, a krajem 2000. LEP je zatvoren.

Bozon olovka

Brojni eksperimenti, jedan za drugim, odbacili su moguće raspone masa Higgsovog bozona. Donji prag postavljen je na LEP akceleratoru - 114,4 GeV. Na Tevatronu su isključene mase veće od 150 GeV. Kasnije su rasponi masa pročišćeni na 115-135 GeV, a gornja granica je pomaknuta na 130 GeV u CERN-u na Velikom hadronskom sudaraču. Dakle, Higgsov bozon Standardnog modela, ako postoji, zatvoren je u prilično uskim granicama mase.

Sljedeći ciklusi pretraživanja provedeni su na Tevatronu (na detektorima CDF i DZero) i na LHC-u. Kao što je Dmitry Denisov, jedan od voditelja suradnje DZero, rekao za PM, Tevatron je počeo prikupljati statistiku o Higgsu 2007.: “Iako je bilo dovoljno energije, bilo je mnogo poteškoća. Sudar elektrona i pozitrona je "najčišći" način za hvatanje Higgsa, jer te čestice nemaju unutarnju strukturu. Na primjer, tijekom anihilacije visokoenergetskog para elektron-pozitron rađa se Z 0 -bozon koji emitira Higgs bez ikakve pozadine (no u ovom slučaju moguće su i prljavije reakcije). Mi smo, s druge strane, sudarali protone i antiprotone, labave čestice koje se sastoje od kvarkova i gluona. Tako glavni zadatak- istaknuti rođenje Higgsa u pozadini mnogih sličnih reakcija. Sličan problem postoji i za LHC timove.”

Tragovi neviđenih zvijeri

Postoje četiri glavna načina (kako fizičari kažu, kanala) za rođenje Higgsovog bozona.

Glavni kanal je fuzija gluona (gg) u sudaru protona i antiprotona, koji međusobno djeluju kroz petlje teških top kvarkova.
Drugi kanal je fuzija virtualnih vektorskih bozona WW ili ZZ(WZ) koje emitiraju i apsorbiraju kvarkovi.
Treći kanal za proizvodnju Higgsovog bozona je takozvana asocijativna proizvodnja (zajedno s W ili Z bozonom). Taj se proces ponekad naziva Higgszrahlung(slično njemačkom izrazu kočno zračenje- kočno zračenje).
I konačno, četvrti je fuzija top kvarka i antikvarka (asocijativna proizvodnja zajedno s top kvarkovima, tt) iz dva para top kvark-antikvark generirana gluonima.

"U prosincu 2011. stigle su nove poruke s LHC-a", nastavlja Dmitry Denisov. - Tražili su Higgsove raspade ili na vrh-kvark i njegov antikvark, koji anihiliraju i prelaze u par gama kvanta, ili u dva Z 0 -bozona, od kojih se svaki raspada na elektron i pozitron ili mion i antimion. Dobiveni podaci sugeriraju da Higgsov bozon povlači oko 124-126 GeV, ali to nije dovoljno za konačne zaključke. Sada i naši suradnici i fizičari u CERN-u nastavljaju analizirati rezultate eksperimenata. Moguće je da ćemo i oni i mi uskoro doći do novih zaključaka koji će biti prezentirani 4. ožujka na međunarodnoj konferenciji u talijanskim Alpama, a slutim da vam tamo neće biti dosadno.”

Higgsov bozon i kraj svijeta

Dakle, ove godine možemo očekivati ili otkriće Higgsovog bozona Standardnog modela ili njegovo, da tako kažem, otkazivanje. Naravno, druga opcija će stvoriti potrebu za novim fizičkim modelima, ali isto se može dogoditi iu prvom slučaju! U svakom slučaju, tako misli jedan od najautoritativnijih stručnjaka u ovom području, John Ellis, profesor na King's College London. Po njegovom mišljenju, otkriće "lakog" (ne masivnijeg od 130 GeV) Higgsovog bozona stvorit će neugodan problem za kozmologiju. To će značiti da je naš Svemir nestabilan i da će jednog dana (možda čak i svakog trenutka) prijeći u novo stanje s manje energije. Tada će se dogoditi smak svijeta – u samom puni smisao ovaj svijet. Ostaje se nadati da ili Higgsov bozon neće biti pronađen, ili je Ellis u zabludi, ili će Svemir malo odgoditi samoubojstvo.

Barioni (od grčkog "baris" - težak) su teške elementarne čestice, snažno međusobno djelujući fermioni, koji se sastoje od tri kvarka. Najstabilniji barioni su proton i neutron. Glavni barioni su: proton (uud), antiproton, neutron (ddu), antineutron, lambda hiperion, sigma hiperion, xi hiperion, omega hiperion.

Djelatnici međunarodne kolaboracije DZero u Fermi National Accelerator Laboratory, koji je dio sustava američkih istraživačkih centara, otkrili su novu elementarnu česticu, barion. Čestica, nazvana "xi-bi-minus barion" (Ξ-b), jedinstvena je na svoj način. Ovo nije samo još jedan barion koji sadrži b-kvark, već prva čestica koja sadrži tri kvarka iz tri različite obitelji - d-kvark, s-kvark i b-kvark.

Ima i drugo ime - "kaskada-bi". Barion nosi negativan naboj i otprilike je šest puta masivniji od protona (masa čestice 5,774±0,019 GeV).

Kako bi registrirali novu česticu, znanstvenici su morali analizirati tragove tijekom pet godina rada akceleratora. Kao rezultat toga, pronađeno je 19 događaja koji su ukazivali na stvaranje novog bariona.

Ranije su znanstvenici već dobili barion koji se sastoji od tri različita kvarka - lambda-bi barion koji se sastoji od u-, d- i b- kvarka, ali sadrži samo dvije generacije kvarkova (vidi umetak).

Tako je po prvi put u povijesti fizike visokih energija otkriven barion koji se sastoji od kvarkova triju generacija ili obitelji. Bi-kaskada se sastoji od jednog d-kvarka ("donji" kvark koji pripada prvoj obitelji), jednog s-kvarka ("čudni" kvark, druga obitelj) i jednog b-kvarka ("charm" kvark, treća obitelj). Zato je nova Ξ-b čestica doista jedinstvena.

Zanimljivo, iako se suradnja temelji na Fermilabu, koji ima moćni akcelerator Tevatron, sadašnje otkriće je napravljeno u Europi - na Velikom elektronsko-pozitronskom sudaraču u CERN-u (LEP).

Stoga znanstvenici nastavljaju svoju potragu na “drugom katu” barionske piramide, otkrivajući barione koji sadrže jedan “prekrasni” ili “donji” kvark (b).

Po prvi put takve čestice primljeno također tim iz Fermilaba. Prošle je godine CDF International Collaboration, koji je provodio eksperimente u Fermijevom nacionalnom akceleratorskom laboratoriju Ministarstva energetike, objavio otkriće dviju novih elementarnih čestica koje pripadaju klasi bariona. Čestice su nazvane Σ + b i Σ-b.

U eksperimentima su fizičari sudarali protone s antiprotonima, ubrzavajući ih na Tevatronu, trenutno najsnažnijem akceleratoru.

Na ovom akceleratoru izvode se pokusi kada se snop protona s energijom od 1 TeV sudari sa snopom antiprotona iste energije. U sudaru s takvom energijom pojavio se b-kvark, koji je potom u interakciji s kvarkovima protona i antiprotona formirao dvije nove čestice.

Eksperimentom su registrirana 103 događaja povezana s rađanjem pozitivno nabijenih u-u-b čestice(Σ+b) i 134 rođenja negativno nabijenih d-d-b čestice(Σ-b). Kako bi otkrili toliko događaja, znanstvenici su morali analizirati tragove od 100 trilijuna sudara tijekom pet godina rada Tevatrona.

Od približno 1000 sekundi (za slobodni neutron) do zanemarivog djelića sekunde (od 10 −24 do 10 −22 s za rezonancije).

Građu i ponašanje elementarnih čestica proučava fizika elementarnih čestica.

Sve elementarne čestice poštuju načelo istovjetnosti (sve elementarne čestice iste vrste u Svemiru potpuno su identične po svim svojim svojstvima) i načelo korpuskularno-valnog dualizma (svaka elementarna čestica odgovara de Broglieovom valu).

Sve elementarne čestice imaju svojstvo interkonvertibilnosti, što je posljedica njihovih međudjelovanja: jakih, elektromagnetskih, slabih, gravitacijskih. Interakcije čestica uzrokuju transformaciju čestica i njihovih nakupina u druge čestice i njihove nakupine, ako takve transformacije nisu zabranjene zakonima održanja energije, količine gibanja, kutne količine gibanja, električnog naboja, barionskog naboja itd.

Glavne karakteristike elementarnih čestica: vijek trajanja , masa , spin , električni naboj , magnetski moment , barionski naboj , leptonski naboj , neobičnost , izotopski spin , paritet , paritet naboja , G-paritet , CP-paritet .

Klasifikacija

Po životnom vremenu

Stabilne elementarne čestice – čestice koje imaju beskonačno dug životni vijek u slobodnom stanju (proton, elektron, neutrino, foton i njihove antičestice).
Nestabilne elementarne čestice - čestice koje se raspadaju na druge čestice u slobodnom stanju u konačnom vremenu (sve ostale čestice).

Po težini

Sve elementarne čestice dijele se u dvije klase:

Bezmasene čestice – čestice mase nula (foton, gluon).
Čestice mase različite od nule (sve ostale čestice).

Veličina leđa

Sve elementarne čestice dijele se u dvije klase:

Po vrsti interakcije

Elementarne čestice dijelimo u sljedeće skupine:

Kompozitne čestice

Hadroni su čestice uključene u sve vrste temeljnih interakcija. Sastoje se od kvarkova i dalje se dijele na:
- mezoni - hadroni s cijelim spinom, odnosno bozoni;
- barioni su hadroni s polucijelim spinom, tj. fermioni. To uključuje, posebice, čestice koje čine jezgru atoma - proton i neutron.

Fundamentalne (bezstrukturne) čestice

Leptoni su fermioni koji izgledaju kao točkaste čestice (to jest, ne sastoje se ni od čega) do mjerila reda veličine 10 −18 m. Ne sudjeluju u jakim interakcijama. Sudjelovanje u elektromagnetskim interakcijama eksperimentalno je uočeno samo za nabijene leptone (elektrone, mione, tau leptone) i nije uočeno za neutrine. Poznato je 6 vrsta leptona.
Kvarkovi su djelomično nabijene čestice koje čine hadrone. Nisu primijećeni u slobodnom stanju (predložen je mehanizam zatvaranja kako bi se objasnio nedostatak takvih opažanja). Poput leptona, podijeljeni su u 6 vrsta i smatraju se bezstrukturnim, međutim, za razliku od leptona, sudjeluju u snažnoj interakciji.
Mjerni bozoni - čestice čijom se razmjenom ostvaruju interakcije:
- foton - čestica koja nosi elektromagnetsko međudjelovanje;
- osam gluona, čestica koje nose jaku silu;
- tri posredna vektorska bozona W + , W− i Z 0, nosi slabu interakciju;
- graviton je hipotetska čestica koja nosi gravitacijsku interakciju. Postojanje gravitona, iako još nije eksperimentalno dokazano zbog slabosti gravitacijske interakcije, smatra se sasvim vjerojatnim; međutim, graviton nije uključen u standardni model elementarnih čestica.

Veličine elementarnih čestica

Unatoč velikoj raznolikosti elementarnih čestica, njihove veličine se mogu podijeliti u dvije skupine. Dimenzije hadrona (i bariona i mezona) su oko 10 −15 m, što je blizu prosječne udaljenosti između njihovih kvarkova. Veličine temeljnih čestica bez strukture - kalibracijskih bozona, kvarkova i leptona - unutar granica eksperimentalne pogreške su u skladu s njihovim točkastim karakterom (gornja granica promjera je oko 10 −18 m) ( vidi objašnjenje). Ako se konačne veličine ovih čestica ne pronađu u daljnjim eksperimentima, onda to može značiti da su veličine mjernih bozona, kvarkova i leptona blizu osnovne duljine (koja bi vrlo vjerojatno mogla biti Planckova duljina jednaka 1,6 10 −35 m) .

Međutim, treba napomenuti da je veličina elementarne čestice prilično složen koncept, koji nije uvijek u skladu s klasičnim konceptima. Prvo, načelo nesigurnosti ne dopušta striktno lokaliziranje fizičke čestice. Valni paket, koji predstavlja česticu kao superpoziciju točno lokaliziranih kvantnih stanja, uvijek ima konačne dimenzije i određenu prostornu strukturu, a dimenzije paketa mogu biti prilično makroskopske - npr. elektron u eksperimentu s interferencijom na dva proreza "osjeća" oba proreza interferometra odvojena makroskopskom udaljenosti . Drugo, fizička čestica mijenja strukturu vakuuma oko sebe, stvarajući "krzneni kaput" od kratkotrajnih virtualnih čestica - parova fermion-antifermion (vidi Polarizacija vakuuma) i bozona-nositelja interakcija. Prostorne dimenzije ovog područja ovise o mjernom naboju koji čestica posjeduje i o masama međubozona (polumjer ljuske masivnih virtualnih bozona je blizu njihove Comptonove valne duljine, koja je pak obrnuto proporcionalna njihovoj masa). Dakle, radijus elektrona sa stajališta neutrina (moguća je samo slaba interakcija među njima) približno je jednak Comptonovoj valnoj duljini W-bozona, ~3 × 10 −18 m, a dimenzije područja jake interakcije hadrona određene su Comptonovom valnom duljinom najlakšeg od hadrona, pi-mezona (~10 −15 m ), koji ovdje djeluje kao prijenosnik interakcije.

Povijest

U početku je izraz "elementarna čestica" označavao nešto apsolutno elementarno, prvu ciglu materije. Međutim, kada su 1950-ih i 1960-ih otkrivene stotine hadrona sličnih svojstava, postalo je jasno da barem hadroni imaju unutarnje stupnjeve slobode, odnosno da nisu, u strogom smislu riječi, elementarni. Ta je sumnja kasnije potvrđena kada se pokazalo da su hadroni sastavljeni od kvarkova.

Tako su fizičari zašli malo dublje u strukturu materije: najelementarniji, točkasti dijelovi materije sada se smatraju leptonima i kvarkovima. Za njih (zajedno s baždarnim bozonima) izraz " temeljničestice".

Teorija struna, koja se aktivno razvija od sredine 1980-ih, pretpostavlja da su elementarne čestice i njihove interakcije posljedice razne vrste vibracije posebno malih "žica".

standardni model

Standardni model elementarnih čestica uključuje 12 okusa fermiona, njihove odgovarajuće antičestice, kao i mjerne bozone (foton, gluoni, W- i Z-bozoni), koji prenose interakcije među česticama, te Higgsov bozon otkriven 2012. godine, koji je odgovoran za prisutnost inercijske mase u česticama. Međutim, Standardni model se uglavnom smatra privremenom teorijom, a ne istinski temeljnom, budući da ne uključuje gravitaciju i sadrži nekoliko desetaka slobodnih parametara (mase čestica, itd.) čije vrijednosti ne slijede izravno iz teorije. Možda postoje elementarne čestice koje nisu opisane standardnim modelom - na primjer, kao što je graviton (čestica koja hipotetski nosi gravitacijske sile) ili supersimetrični partneri običnih čestica. Ukupno, model opisuje 61 česticu.

Fermioni

12 okusa fermiona podijeljeno je u 3 obitelji (generacije) od po 4 čestice. Šest od njih su kvarkovi. Ostalih šest su leptoni, od kojih su tri neutrina, a preostala tri nose jedinični negativni naboj: elektron, mion i tau lepton.

Generacije čestica

Prva generacija	Druga generacija	treća generacija
Elektron: e-	mion: μ −	Tau lepton: τ −
Elektronski neutrino: v e	mionski neutrino: ν μ	Tau neutrino: ν τ (\displaystyle \nu _(\tau ))
u-kvark ("vrh"): u	c-kvark ("začaran"): c	t-kvark ("istina"): t
d-kvark ("dno"): d	s-kvark ("čudno"): s	b-kvark ("šarmantan"): b

antičestice

Postoji i 12 fermionskih antičestica koje odgovaraju gornjih dvanaest čestica.

antičestice

Prva generacija	Druga generacija	treća generacija
pozitron: e +	Pozitivni mion: μ +	Pozitivni tau lepton: τ +
Elektronski antineutrino: ν ¯ e (\displaystyle (\bar (\nu ))_(e))	Mionski antineutrino: ν ¯ μ (\displaystyle (\bar (\nu ))_(\mu ))	Tau antineutrino: ν ¯ τ (\displaystyle (\bar (\nu ))_(\tau ))
u-antikvark: u ¯ (\displaystyle (\bar (u)))	c-antikvark: c ¯ (\displaystyle (\bar (c)))	t-antikvark: t ¯ (\displaystyle (\bar(t)))
d-antikvark: d ¯ (\displaystyle (\bar (d)))	s-antikvark: s ¯ (\displaystyle (\bar (s)))	b-antikvark: b ¯ (\displaystyle (\bar (b)))

Kvarkovi

Kvarkovi i antikvarkovi nikada nisu pronađeni u slobodnom stanju - to se objašnjava fenomenom

Alfa(a) zrake- pozitivno nabijeni ioni helija (He ++), koji lete iz atomskih jezgri brzinom od 14.000-20.000 km / h. Energija čestice je 4-9 MeV. a-zračenje se opaža, u pravilu, u teškim i pretežno prirodnim radioaktivnim elementima (radij, torij, itd.). Domet a-čestice u zraku raste s porastom energije a-zračenja.

Na primjer, a-čestice torija(Th232) s energijom 3,9 V MeV jure 2,6 cm u zraku, a a-čestice radija C s energijom 7,68 MeV jure 6,97 cm Minimalna debljina apsorbera potrebna za potpunu apsorpciju čestica naziva se pokrenuti te čestice u danoj tvari. Rasponi a-čestica u vodi i tkivu su 0,02-0,06 mm.

a-čestice potpuno apsorbira komad svilenog papira ili tankog sloja aluminija. Jedan od najvažnija svojstva a-zračenje ima jak ionizirajući učinak. Na putu gibanja a-čestica u plinovima stvara ogroman broj iona. Na primjer, u zraku pri 15° i tlaku od 750 mm jedna a-čestica proizvede 150.000-250.000 parova iona, ovisno o svojoj energiji.

Na primjer, specifična ionizacija u zraku a-čestice iz radona, s energijom od 5,49 MeV, je 2500 parova iona po 1 mm staze. Gustoća ionizacije na kraju ciklusa α-čestica raste, pa je oštećenje stanica na kraju ciklusa otprilike 2 puta veće nego na početku ciklusa.

Fizička svojstva a-čestice odrediti značajke njihovog biološkog djelovanja na tijelo i metode zaštite od ove vrste zračenja. Vanjsko ozračivanje a-zrakama nije opasno, jer je dovoljno odmaknuti se od izvora za nekoliko (10-20) centimetara ili postaviti jednostavan zaslon od papira, tkanine, aluminija i drugih uobičajenih materijala kako bi se zračenje smanjilo. potpuno apsorbiran.

najveća opasnost a-zrake predstavljaju kada se pogode i talože unutar radioaktivnih a-emitirajućih elemenata. U tim slučajevima, stanice i tkiva tijela su izravno ozračeni a-zrakama.

Beta(b)-zrake- struja elektrona izbačenih iz atomskih jezgri brzinom od približno 100.000-300.000 km/s. Maksimalna energija p-čestica je u rasponu od 0,01 do 10 MeV. Naboj b-čestice jednak je predznakom i veličinom naboju elektrona. Radioaktivne transformacije tipa b-raspada raširene su među prirodnim i umjetnim radioaktivnim elementima.

b-zrake imaju mnogo veću moć prodora od a-zraka. Ovisno o energiji b-zraka, njihov domet u zraku kreće se od djelića milimetra do nekoliko metara. Tako je domet b-čestica energije 2-3 MeV u zraku 10-15 m, a u vodi i tkivu mjeri se u milimetrima. Na primjer, domet b-čestica koje emitira radioaktivni fosfor (P32) s maksimalnom energijom od 1,7 MeV u tkivu je 8 mm.

b-čestica s energijom, jednak 1 MeV, može formirati oko 30 000 parova iona na svom putu u zraku. Ionizacijska sposobnost b-čestica nekoliko je puta manja od sposobnosti a-čestica iste energije.

Izlaganje b-zrakama na tijelu može se manifestirati i vanjskim i unutarnjim zračenjem, u slučaju gutanja aktivnih tvari koje emitiraju b-čestice u tijelo. Za zaštitu od b-zraka pri vanjskom zračenju potrebno je koristiti zaslone od materijala (staklo, aluminij, olovo itd.). Intenzitet zračenja može se smanjiti povećanjem udaljenosti od izvora.

Od čega su građene jezgre? Kako se dijelovi jezgre drže zajedno? Utvrđeno je da postoje sile goleme veličine, koje drže sastavne dijelove jezgre. Kada se te sile oslobode, oslobođena energija je ogromna u usporedbi s kemijskom energijom, to je kao da uspoređujemo eksploziju atomske bombe s eksplozijom TNT-a. To se objašnjava činjenicom da je atomska eksplozija uzrokovana promjenama unutar jezgre, dok se tijekom eksplozije TNT-a preslaguju samo elektroni na vanjskoj ljusci atoma.

Dakle, koje su sile koje drže neutrone i protone zajedno u jezgri?

Električna interakcija povezana je s česticom - fotonom. Slično, Yukawa je predložio da privlačne sile između protona i neutrona imaju posebnu vrstu polja, te da se oscilacije tog polja ponašaju kao čestice. To znači da je moguće da, osim neutrona i protona, na svijetu postoje još neke čestice. Yukawa je iz već poznatih karakteristika nuklearnih sila uspio izvesti svojstva tih čestica. Na primjer, predvidio je da bi trebali imati masu 200-300 puta veću od mase elektrona. I, o, čudo, čestica takve mase upravo je otkrivena u kozmičkim zrakama! Međutim, nešto kasnije pokazalo se da to uopće nije ista čestica. Nazvali su ga mion ili mion.

Pa ipak, nešto kasnije, 1947. ili 1948., otkrivena je čestica, π-mezon ili pion, koja je zadovoljila Yukawine zahtjeve. Ispada da se za dobivanje nuklearnih sila protonu i neutronu mora dodati pion. „Predivno! - uzviknut ćete - Uz pomoć ove teorije sada ćemo izgraditi kvantnu nuklearnu dinamiku, a pioni će služiti u svrhe za koje ih je Yukawa uveo; Da vidimo funkcionira li ova teorija i ako jest, sve ćemo objasniti." Uzaludne nade! Pokazalo se da su proračuni u toj teoriji toliko komplicirani da ih još nitko nije uspio napraviti i iz teorije izvući bilo kakve posljedice, nitko nije imao sreće usporediti je s eksperimentom. I to traje već skoro 20 godina!

Nešto ne štima s teorijom; ne znamo je li istina ili nije; međutim, već znamo da u njemu nešto nedostaje, da se u njemu kriju neke nepravilnosti. Dok smo mi gazili oko teorije, pokušavajući izračunati posljedice, eksperimentatori su za to vrijeme nešto otkrili. Pa, isti μ-mezon, ili mion. I još uvijek ne znamo za što je to dobro. Opet, mnoge "ekstra" čestice pronađene su u kozmičkim zrakama. Do danas ih ima već preko 30, a povezanost između njih još je teško dokučiti i nije jasno što priroda želi od njih i tko od njih o kome ovisi. Pred nama se sve te čestice još ne pojavljuju kao različite manifestacije iste esencije, a činjenica da postoji hrpa raznorodnih čestica samo je odraz prisutnosti nekoherentnih informacija bez podnošljive teorije. Nakon neporecivih uspjeha kvantne elektrodinamike - neki skup informacija iz nuklearne fizike, komadići znanja, poluiskustveni, poluteorijski. Zamoljeni su, recimo, prirodom interakcije protona s neutronom i gledaju što će iz toga proizaći, a da zapravo ne razumiju odakle te sile. Osim onoga što je opisano, nije bilo značajnijeg napretka.

Ali kemijski elementi uostalom, bilo ih je i mnogo, i iznenada je među njima bilo moguće vidjeti vezu izraženu Mendeljejevim periodnim sustavom. Recimo da su kalij i natrij - tvari slične kemijskim svojstvima - u tablici pali u jedan stupac. Dakle, pokušali smo izgraditi tablicu poput periodnog sustava za nove čestice. Jednu takvu tablicu neovisno su predložili Gell-Mann u SAD-u i Nishijima u Japanu. Osnova njihove klasifikacije je novi broj, poput električnog naboja. Dodijeljen je svakoj čestici i naziva se njezina "čudnost" S. Taj se broj ne mijenja (baš kao i električni naboj) u reakcijama koje proizvode nuklearne sile.

U tablici. 2.2 prikazuje nove čestice. O njima za sada nećemo detaljnije. Ali tablica barem pokazuje koliko malo još znamo. Ispod simbola svake čestice je njena masa, izražena u određenim jedinicama koje se nazivaju megaelektronvolti ili MeV (1 MeV je 1,782 * 10 -27 G). Nećemo ulaziti u povijesne razloge koji su natjerali uvođenje ove jedinice. Čestice su masivnije u gornjoj tablici. U jednom stupcu su čestice istog električnog naboja, neutralne - u sredini, pozitivne - desno, negativne - lijevo.

Čestice su podvučene punom linijom, "rezonancije" - potezima. U tablici uopće nema čestica: nema fotona i gravitona, vrlo važnih čestica s nultom masom i nabojem (ne spadaju u klasifikacijsku shemu barion-mezon-lepton), a nema ni nekih novih rezonancija (φ , f, Y *, itd. .). U tablici su dane antičestice mezona, a za antičestice leptona i bariona bilo bi potrebno sastaviti novu tablicu sličnu ovoj, ali samo preslikanu u odnosu na nulti stupac. Iako su sve čestice, osim elektrona, neutrina, fotona, gravitona i protona, nestabilne, njihovi produkti raspada zapisani su samo za rezonancije. Čudnost leptona također nije napisana, jer ovaj koncept nije primjenjiv na njih - oni ne djeluju snažno s jezgrama.

Čestice koje su zajedno s neutronom i protonom nazivaju se barioni. Ovo je "lambda" s masom od 1115,4 MeV i tri druge "sigme", nazvane sigma-minus, sigma-nula, sigma-plus, s gotovo istim masama. Skupine čestica gotovo iste mase (razlika od 1-2%) nazivaju se multipleti. Sve čestice u multipletu imaju istu neobičnost. Prvi multiplet je par (dublet) proton – neutron, zatim dolazi singlet (singl) lambda, zatim triplet (triple) sigma, dublet xi i singlet omega-minus. Počevši od 1961. počele su se otkrivati nove teške čestice. Ali jesu li one čestice? Imaju tako kratak životni vijek (raspadaju se čim se formiraju) da se ne zna treba li ih zvati novim česticama ili ih smatrati "rezonantnom" interakcijom između njihovih produkata raspada, recimo, Λ i π na nekoj fiksnoj energije.

Za nuklearne interakcije, osim bariona, potrebne su i druge čestice – mezoni. To su, prvo, tri vrste piona (plus, nula i minus), koji tvore novi triplet. Pronađene su i nove čestice - K-mezoni (ovo je dublet K+ i K 0 ). Svaka čestica ima antičesticu, osim ako je čestica slučajno vlastita antičestica, recimo π+ i π- su jedna drugoj antičestice, a π 0 je vlastita antičestica. Antičestice i K- s K +, a K 0 s K 0 `. Osim toga, nakon 1961. počeli smo otkrivati nove mezone, ili neku vrstu mezona, koji se raspadaju gotovo trenutno. Jedan takav kuriozitet zove se omega, ω, masa mu je 783, pretvara se u tri piona; postoji još jedna formacija iz koje se dobiva par piona.

Kao što su neke rijetke zemlje ispale iz vrlo uspješnog periodnog sustava, tako neke čestice ispadaju iz naše tablice. To su čestice koje nemaju snažnu interakciju s jezgrama, nemaju nikakve veze s nuklearnom interakcijom, a također nemaju snažnu interakciju jedna s drugom (jaka se razumijeva kao snažna vrsta interakcije koja daje atomsku energiju). Te se čestice nazivaju leptoni; tu spadaju elektron (vrlo lagana čestica s masom od 0,51 MeV) i mion (s masom 206 puta većom od mase elektrona). Koliko možemo suditi iz svih eksperimenata, elektron i mion se razlikuju samo u masi. Sva svojstva miona, sve njegove interakcije ne razlikuju se od svojstava elektrona – samo je jedno teže od drugog. Zašto je teži, kakvu korist čini, ne znamo. Osim njih, postoji i neutralna grinja - neutrino, s masom nula. Štoviše, sada je poznato da postoje dvije vrste neutrina: jedan povezan s elektronima, a drugi s mionima.

Konačno, postoje još dvije čestice koje također ne stupaju u interakciju s jezgrama. Jedan koji već znamo je foton; a ako gravitacijsko polje također ima kvantno mehanička svojstva (iako kvantna teorija gravitacije još nije razvijena), onda, možda, postoji i čestica gravitona s nultom masom.

Što je "masa nula"? Mase koje smo dali su mase čestica u mirovanju. Ako čestica ima masu nula, to znači da se ne usuđuje mirovati. Foton nikada ne miruje, njegova brzina je uvijek 300 000 km/s. Još ćemo razumjeti teoriju relativnosti i pokušati dublje proniknuti u značenje pojma mase.

Dakle, naišli smo na cijeli niz čestica koje zajedno izgledaju vrlo temeljni dio materije. Srećom, ne razlikuju se sve te čestice u svojoj interakciji jedna od druge. Naizgled, postoje samo četiri vrste interakcija među njima. Navodimo ih redoslijedom padajuće jakosti: nuklearne sile, električne interakcije, (interakcija β-raspada i gravitacija. Foton međudjeluje sa svim nabijenim česticama silom koju karakterizira neki konstantni broj 1/137. Detaljan zakon ove veze je poznat - ovo je kvantna elektrodinamika. Gravitacija interagira sa bilo kojom energijom, ali izuzetno slabo, puno slabije od elektriciteta. I taj zakon je poznat. Zatim postoje tzv. slabi raspadi: β-raspad, zbog kojeg se neutron dosta sporo raspada na proton, elektron i neutrino. Ovdje je zakon pojašnjen. I takozvana snažna interakcija (veza mezona s barionom) ima silu jednaku jedan na ovoj ljestvici, a njezin je zakon potpuno nejasan, iako neki pravila su poznata, poput činjenice da se broj bariona ne mijenja ni u jednoj reakciji.

Situacija u kojoj se nalazi moderna fizika mora se smatrati strašnom. Sažeo bih to ovim riječima: izvan jezgre, čini se da znamo sve; unutar njega vrijedi kvantna mehanika, tamo nisu pronađena kršenja njezinih načela.

Pozornica na kojoj djeluje sve naše znanje je relativistički prostor-vrijeme; moguće je da je s njim povezana i gravitacija. Ne znamo kako je Svemir nastao i nikada nismo postavljali eksperimente da točno testiramo naše ideje o prostor-vremenu na malim udaljenostima, samo znamo da su izvan tih udaljenosti naši pogledi nepogrešivi. Moglo bi se dodati i da su pravila igre principi kvantna mehanika; i, koliko znamo, one se ne odnose na nove čestice ništa gore nego na stare. Potraga za porijeklom nuklearnih sila vodi nas do novih čestica; ali sva ta otkrića izazivaju samo zabunu. Nemamo potpuno razumijevanje njihovih međusobnih odnosa, iako smo već vidjeli neke upečatljive veze među njima. Mi se, očito, postupno približavamo razumijevanju svijeta izvanatomskih čestica, ali nije poznato koliko smo daleko otišli na tom putu.