公称粒子。 医学用語での b 粒子の意味 a b 粒子

彼らは何十年もヒッグス粒子を見つけようとしてきましたが、今のところ成功していません。 一方、それがなければ、重要な規定 現代理論小宇宙が宙に浮いている。

素粒子の研究が始まったのはそれほど前のことではありません。 1897 年にジョセフ ジョン トムソンが電子を発見し、20 年後にアーネスト ラザフォードが水素原子核が他の元素の原子核の一部であることを証明し、後にそれらを陽子と呼びました。 1930年代、中性子、ミューオン、陽電子が発見され、ニュートリノの存在が予言されました。 同時に、湯川秀樹は、電子より何百倍も重く、陽子（メソン）よりもはるかに軽い仮想粒子によって運ばれる核力の理論を構築しました。 1947年、宇宙線にさらされた写真乾板にパイ中間子（パイ中間子）の崩壊の痕跡が発見されました。 その後、他の中間子が発見され、陽子だけでなくヘリウム原子核より重いものもある。 物理学者はまた、多くのバリオンを発見しました。これは、陽子と中性子の重い、したがって不安定な親戚です。 むかしむかし、これらすべての粒子は素粒子と呼ばれていましたが、そのような用語は時代遅れになっています。 現在、非複合粒子のみが素粒子と見なされます - フェルミオン (半スピン - レプトンとクォーク) とボソン (整数スピン - 基本的な相互作用のキャリア)。

標準模型の素粒子

半整数スピンを持つフェルミ粒子群は、いわゆる 3 世代のレプトンとクォークで構成されています。 荷電レプトンは、電子とその巨大な対応物であるミュー粒子とタウ粒子 (およびそれらの反粒子) です。 各レプトンには、3 種類のニュートリノのうちの 1 つ (反粒子も含む) に直面する中立のパートナーがいます。 スピンが 1 のボソンのファミリーは、クォークとレプトンの間の相互作用を運ぶ粒子です。 それらのいくつかは質量と電荷を持っていません-これらはグルオンであり、メソンとバリオンのクォーク間結合、および電磁界の量子である光子を提供します。 ベータ崩壊の過程で現れる弱い相互作用は、荷電した 2 つと中性の 1 つの 3 つの巨大な粒子によって提供されます。

素粒子や複合粒子の個々の名前は、通常、特定の科学者の名前に関連付けられていません。 しかし、ほぼ 40 年前に別の素粒子が予測されました。その名前は、生きている人物、スコットランドの物理学者ピーター ヒッグスにちなんで名付けられました。 基本的な相互作用のキャリアのように、それは整数のスピンを持ち、ボソンのクラスに属します。 ただし、そのスピンは 1 ではなく 0 であり、この点で類似物はありません。 何十年もの間、彼らは最大の加速器でそれを探してきました - 昨年閉鎖されたアメリカのテバトロンと、世界のメディアの精査の下で現在機能しているラージ ハドロン コライダーです。 結局のところ、ヒッグス粒子は、ミクロ世界の現代理論 - 素粒子の標準モデル - にとって非常に必要です。 それが見つからない場合、この理論の重要な規定は宙に浮いたままになります。

ゲージの対称性

ヒッグス粒子への道のりの始まりは、1954 年に米国に移住した中国の物理学者ヤン・ジェンニングとブルックヘブン国立研究所の同僚であるロバート・ミルズによって発表された短い記事から数えることができます。 当時、実験者はますます多くの新しい粒子を発見しましたが、その量はまったく説明できませんでした。 有望なアイデアを求めて、Yang と Mills は、量子電気力学の影響を受ける非常に興味深い対称性の可能性をテストすることにしました。 その時までに、この理論は、経験と一致して優れた結果をもたらす能力を証明していました. 確かに、いくつかの計算の過程で無限大がそこに現れますが、繰り込みと呼ばれる数学的手順を使用してそれらを取り除くことができます。

ヤンとミルズが興味を持った対称性は、1918 年にドイツの数学者ヘルマン ワイルによって物理学に導入されました。 彼はそれをゲージと呼び、この名前は今日まで生き残っています。 量子電気力学では、ゲージ対称性は、実部と虚部を持つベクトルである自由電子の波動関数が、時空の各点で連続的に回転できるという事実に現れます (これが、対称性がローカルと呼ばれる理由です)。 ）。 この操作（正式な言葉で言えば、波動関数の位相を変更する）は、電子の運動方程式に加法が現れるという事実につながります。これは、有効なままにするために補償する必要があります。 これを行うために、電子と相互作用する電磁界を表す追加の用語がそこに導入されます。 この場の量子は、単位スピンを持つ質量のない粒子である光子です。 したがって、光子の存在 (および電子電荷の不変性) は、自由電子方程式の局所的なゲージ対称性に従います。 この対称性は、電子が電磁場と相互作用することを規定していると言えます。 あらゆる位相シフトは、このような相互作用の行為になります。たとえば、光子の放出または吸収です。

ゲージ対称性と電磁気学との関係は 1920 年代に発見されましたが、あまり関心を集めませんでした。 ヤンとミルズは、この対称性を利用して、電子とは異なる性質の粒子を記述する方程式を構築した最初の人物です。 彼らは、陽子と中性子という 2 つの「最も古い」バリオンを取り上げました。 これらの粒子は同一ではありませんが、核力に関してはほぼ同じように振る舞い、ほぼ同じ質量を持ちます。 1932 年、ウェルナー ハイゼンベルクは、陽子と中性子が正式には同じ粒子の異なる状態と見なすことができることを示しました。 それらを説明するために、彼は新しい量子数、同位体スピンを導入しました。 強い力は陽子と中性子を区別しないため、電磁力が電荷を保存するのと同様に、全同位体スピンを保存します。

Yang と Mills は、どの局所ゲージ変換がアイソスピン対称性を維持するのか疑問に思いました。 すでに2つの粒子について話しているという理由だけで、それらが量子電気力学のゲージ変換と一致しないことは明らかでした. ヤングとミルズは、そのような変換の全体を分析し、陽子と中性子の間の相互作用を運ぶと思われる量子場を生成することを発見しました。 この場合、3 つの量子がありました。2 つの電荷 (正と負) と 1 つの中性です。 それらは質量も単位スピンもゼロで (つまり、ベクトル ボソンでした)、光速で移動しました。

共著者が吹き替えた B フィールドの理論は非常に美しいものでしたが、経験の試練には耐えられませんでした。 中性Bボソンは光子で識別できましたが、その荷電した対応物は除外されました。 量子力学によれば、十分な質量を持つ仮想粒子だけが短距離力の伝達の仲介者になることができます。 核力の半径は 10 ～ 13 cm を超えず、質量のないヤン ボソンとミルズ ボソンは明らかにそれらのキャリアであるとは言えません。 さらに、実験者はそのような粒子を検出したことがありませんが、原理的に荷電質量ゼロ ボソンは検出が容易です。 ヤンとミルズは、「紙の上で」局所的なゲージ対称性が非電磁気的性質の力場を生成できることを証明したが、これらの場の物理的現実は純粋な推測に過ぎなかった.

電弱双対性

ヒッグス粒子に向けた次のステップは、1957 年に行われました。 その時までに、理論家 (Yang と Li Zundao と同じ) は、パリティがベータ崩壊で保存されていない (つまり、ミラー対称性が破られている) と仮定し、実験者はそれを証明しました。 この予想外の結果は、量子電気力学の創始者の 1 人である Julian Schwinger を含む多くの物理学者の関心を引きました。 彼は、レプトン間の弱い相互作用 (科学はまだクォークに到達していませんでした!) は、3 つのベクトル ボソン (光子と、B ボソンに似た荷電粒子のペア) によって運ばれるという仮説を立てました。 これらの相互作用は、電磁力と協力しているという結果になりました。 シュウィンガーはもはやこの問題に取り組まなかったが、大学院生のシェルドン・グラショーに提案した。

作業は 4 年間に及びました。 列の後 失敗した試みグラショーは、電磁場とヤン場とミルズ場のゲージ対称性の統一に基づいて、弱い電磁相互作用のモデルを構築しました。 光子に加えて、さらに 3 つのベクトル ボソン (荷電ボソン 2 つと中性ボソン 1 つ) が特徴でした。 しかし、これらの粒子は再び質量がゼロになり、問題が生じました。 弱い相互作用の半径は、強い相互作用の半径よりも 2 桁小さく、さらに非常に大きなメディエーターが必要です。 さらに、中性キャリアの存在には、電荷を変化させないベータ遷移の可能性が必要であり、そのような遷移は当時知られていませんでした。 このため、1961 年後半に彼のモデルを発表した後、グラショーは弱い力と電磁気力を統合することへの関心を失い、他の話題に切り替えました。

シュウィンガーの仮説は、パキスタンの理論家アブドゥス・サラムも興味を持ち、彼はジョン・ウォードと共に、グラショーの仮説と同様のモデルを構築した. 彼はまた、ゲージボソンの質量ゼロに遭遇し、それを排除する方法さえ思いついた. サラムは、理論がノルム化できなくなったため、それらの質量を「手で」入力できないことを知っていましたが、ボソンの運動方程式の解がゲージを持たないように、自発的な対称性の破れによってこの困難を回避したいと考えていました。方程式自体に固有の対称性。 この仕事で、彼はアメリカ人のスティーブン・ワインバーグに興味を持った。

しかし1961年、英国の物理学者ジェフリー・ゴールドストーンは相対論的にそれを示した。 量子論場の自発的な対称性の破れは、必然的に質量のない粒子を生成するようです。 Salam と Weinberg は Goldstone の定理を反証しようとしましたが、彼ら自身の仕事でそれを強化しただけでした。 なぞなぞは解決できないように見えたので、彼らは物理学の他の分野に目を向けました。

ヒッグスとその他

凝縮物質物理学の専門家からの助けがありました。 1961年、南部陽一郎は、通常の金属が超伝導状態になると、以前の対称性は自発的に破られるが、質量のない粒子は現れないことに注目しました。 2年後、フィリップ・アンダーソンは同じ例を用いて、電磁場がゴールドストーンの定理に従わない場合、局所対称性を持つ他のゲージ場からも同じことが期待できると指摘した. 彼は、ゴールドストーン ボソンとヤン フィールド ボソンとミルズ フィールド ボソンが何らかの形で互いに打ち消し合い、大量の粒子を残す可能性があるとさえ予測しました。

この予測は予言的であることが判明しました。 1964年、フランソワ・エングラートとロジャー・ブロート、ブリュッセル自由大学の物理学者、ピーター・ヒッグス、インペリアル・カレッジ・ロンドンのジェリー・グラルニク、ロバート・ハーゲン、トーマス・キブルによって無罪となった。 彼らは、ゴールドストーンの定理の適用条件がヤン・ミルズ場では満たされないことを示しただけでなく、これらの場の励起に非ゼロ質量を与える方法も発見しました。これは現在ヒッグス機構と呼ばれています。

これらの素晴らしい作品は、すぐに注目され、高く評価されたわけではありません。 Weinberg が電弱相互作用の統一モデルを構築したのは 1967 年のことでした。このモデルでは、3 つのベクトル ボソンが Higgs 機構に基づいて質量を獲得し、Salam もその 1 年後に同じことを行いました。 1971 年、オランダのマルティヌス ヴェルトマンとジェラルド "ト ホーフトは、この理論が繰り込みに適していること、したがって明確な物理的意味があることを証明しました。 ガーガメル（CERN、スイス）実験者は、いわゆる弱い中性電流を記録しました。これは、帯電していない中間ボソンの存在を示しています（3つのベクトルボソンすべての直接登録は、CERNで1982〜1983年にのみ行われました）。 グラショー、ワインバーグ、サラムは彼女のためにそれを手に入れました ノーベル賞 1979 年に Veltman と "t Hooft - 1999 年。

ヒッグス機構

ヒッグス機構は、スピンのない量子 (ヒッグス粒子) を持つスカラー場に基づいています。 それらはビッグバンの直後に発生し、現在は宇宙全体を満たしていると考えられています。 このようなフィールドは、ゼロ以外の値で最も低いエネルギーを持ちます。これが安定状態です。

素粒子はヒッグス場のブレーキングによって質量を獲得するとよく言われますが、これは機械論的すぎるアナロジーです。 電弱理論には、4 つのヒッグス場 (それぞれ独自の量子を持つ) と 4 つのベクトル ボソン (中性ボソン 2 つと荷電ボソン 2 つ) が含まれますが、これらには質量がありません。 荷電ボソンと中性ボソンの両方の 3 つのボソンは、それぞれ 1 つのヒッグスを吸収し、その結果、質量と短距離力を運ぶ能力を獲得します (記号 W + 、W - 、および Z 0 で示されます)。 最後のボソンは何も吸収せず、質量がないままです - それは光子です。 「食べられた」ヒッグスは観察できません (物理学者はそれらを「スピリット」と呼んでいます)。 一般に、これらはまさにアンダーソンが予測したプロセスです。

とらえどころのない粒子

ヒッグス粒子を捉えようとする最初の本格的な試みは、20 世紀と 21 世紀の変わり目に大型電子陽電子衝突型加速器 ( 大型電子陽電子コライダー、LEP) CERN で。 これらの実験は、重いベクトルボソンの質量と寿命が前例のない正確さで決定された、まさに注目に値する施設の白鳥の歌でした。

標準モデルは、ヒッグス粒子の生成と崩壊の経路を予測することを可能にしますが、その質量を計算することはできません (ちなみに、これは自己強制力から生じます)。 最も一般的な見積もりによれば、8 ～ 10 GeV 未満ではなく、1000 GeV を超える必要があります。 LEP でのセッションの開始までに、ほとんどの物理学者は、最も可能性の高い範囲は 100 ～ 250 GeV であると信じていました。 LEP 実験では、下限しきい値が 114.4 GeV に引き上げられました。 多くの専門家は、この加速器がより長く機能し、衝突するビームのエネルギーを 10% 増加させた場合 (技術的には可能でした)、ヒッグス粒子が登録された可能性があると信じていました。 しかし、CERN の指導部は、同じトンネル内に建設される予定だった大型ハドロン衝突型加速器の打ち上げを遅らせたくなかったため、2000 年末に LEP は閉鎖されました。

ボソンペン

数多くの実験が次々と行われ、ヒッグス粒子の可能な質量範囲が除外されました。 下限しきい値は、LEP 加速器 - 114.4 GeV に設定されました。 テバトロンでは、150 GeV を超える質量は除外されました。 その後、質量範囲は 115 ～ 135 GeV に洗練され、上限は大型ハドロン衝突型加速器の CERN で 130 GeV にシフトされました。 そのため、標準モデルのヒッグス ボソンが存在する場合は、かなり狭い質量範囲に固定されます。


次の検索サイクルは、テバトロン (CDF および DZero 検出器) と LHC で実行されました。 DZero コラボレーションのリーダーの 1 人である Dmitry Denisov が PM に語ったように、Tevatron は 2007 年にヒッグスに関する統計の収集を開始しました。 電子と陽電子の衝突は、これらの粒子が内部構造を持たないため、ヒッグスをキャッチする「最もクリーンな」方法です。 たとえば、高エネルギーの電子陽電子対が消滅すると、Z 0 ボソンが生まれ、バックグラウンドなしでヒッグス粒子を放出します (ただし、この場合、さらに汚れた反応が発生する可能性があります)。 一方、私たちは陽子と反陽子、つまりクォークとグルオンからなる緩い粒子を衝突させました。 となることによって 主な仕事- 多くの同様の反応を背景に、ヒッグスの誕生を際立たせます。 LHCチームにも同様の問題が存在します。」

見えない獣の痕跡

ヒッグス粒子の誕生には主に 4 つの方法 (物理学者が言うようにチャネル) があります。

主なチャネルは、陽子と反陽子の衝突におけるグルオン (gg) の融合であり、重いトップ クォークのループを介して相互作用します。
2 番目のチャネルは、クォークによって放出および吸収される仮想ベクトル ボソン WW または ZZ(WZ) の融合です。
ヒッグス粒子生成の 3 番目のチャネルは、いわゆる連想生成 (W または Z ボソンと共に) です。 このプロセスは時々呼ばれます ヒグスシュトラールング（ドイツ語の用語に似ています 制動放射-制動放射)。
最後に、4 つ目は、グルオンによって生成された 2 つのトップ クォークと反クォークのペアからのトップ クォークと反クォークの融合 (トップ クォークとの連想生成、tt) です。


「2011 年 12 月に、LHC から新しいメッセージが届きました」と Dmitry Denisov は続けます。 - 彼らはヒッグス崩壊を探していました 上-クォークとその反クォークは対消滅してガンマ量子のペア、またはそれぞれ電子と陽電子、またはミューオンと反ミューオンに崩壊する 2 つの Z 0 ボソンになります。 得られたデータは、ヒッグス ボソンが約 124 ～ 126 GeV を引っ張ることを示唆していますが、これは最終的な結論には不十分です。 現在、私たちの共同研究者と CERN の物理学者は、実験結果の分析を続けています。 私たちと彼らはすぐに新しい結論に達する可能性があり、それは 3 月 4 日にイタリア アルプスで開催される国際会議で発表されます。

ヒッグス粒子と世界の終わり

したがって、今年は標準模型のヒッグス粒子の発見、いわばその廃止のいずれかが期待できます。 もちろん、2 番目のオプションでは新しい物理モデルが必要になりますが、最初のケースでも同じことが起こります。 いずれにせよ、この分野で最も権威のある専門家の 1 人であるキングス カレッジ ロンドンのジョン エリス教授はそう考えています。 彼の意見では、「軽い」(質量が 130 GeV 以下の) ヒッグス粒子の発見は、宇宙論にとって不快な問題を引き起こすでしょう。 それは、私たちの宇宙が不安定であり、いつの日か (おそらくいつでも) より少ないエネルギーで新しい状態に移行することを意味します. その後、世界の終わりが起こります-まさに 完全な意味この単語。 ヒッグス粒子が見つからないか、エリスが間違っているか、宇宙が自殺を少し遅らせることが期待されています。

バリオン (ギリシャ語の "baris" から - 重い) は重い素粒子であり、強く相互作用するフェルミオンであり、3 つのクォークで構成されています。 最も安定なバリオンは陽子と中性子です。 主なバリオンは、陽子 (uud)、反陽子、中性子 (ddu)、反中性子、ラムダ ハイペリオン、シグマ ハイペリオン、xi ハイペリオン、オメガ ハイペリオンです。

米国の研究センターのシステムの一部であるフェルミ国立加速器研究所のDZero国際協力の従業員は、新しい素粒子、バリオンを発見しました。 「xi-bi-minus baryon」（Ξ-b）と呼ばれる粒子は、独自の方法でユニークです。 これは b クォークを含む別のバリオンではなく、3 つの異なるファミリー (d クォーク、s クォーク、b クォーク) の 3 つのクォークを含む最初の粒子です。

別名「カスケード美」。 バリオンは負の電荷を帯びており、陽子の約 6 倍の質量があります (粒子質量 5.774±0.019 GeV)。

新しい粒子を登録するために、科学者は 5 年間の加速器操作の軌跡を分析しなければなりませんでした。 その結果、新しいバリオンの形成を示す 19 のイベントが見つかりました。

これまで、科学者たちは 3 つの異なるクォークから成るバリオン (u-、d-、b- クォークから成るラムダ バイ バリオン) を既に取得していましたが、これには 2 世代のクォークしか含まれていません (挿入図を参照)。

このように、高エネルギー物理学の歴史の中で初めて、3世代またはファミリーのクォークからなるバリオンが発見されました。 バイカスケードは、1 つの d クォーク (最初のファミリーに属する「ダウン」クォーク)、1 つの s クォーク (「ストレンジ」クォーク、2 番目のファミリー) および 1 つの b クォーク (「チャーム」クォーク、第三の家族）。 それが、新しい Ξ-b 粒子が真にユニークである理由です。

興味深いことに、協力は強力なテバトロン加速器を持つフェルミ研究所に基づいていますが、現在の発見はヨーロッパで行われました - CERN (LEP) の大型電子陽電子衝突型加速器で。

したがって、科学者はバリオン ピラミッドの「2 階」で調査を続け、1 つの「美しい」または「ボトム」クォークを含むバリオンを発見します (b)。

こんな粒子初めて 受け取ったフェルミラボのチームも。 昨年、エネルギー省のフェルミ国立加速器研究所で実験を行っている CDF 国際共同研究は、バリオン クラスに属する 2 つの新しい素粒子の発見を発表しました。

実験では、物理学者は陽子を反陽子と衝突させ、現時点で最も強力な加速器であるテバトロンで加速しました。

この加速器では、1 TeV のエネルギーを持つ陽子のビームが、同じエネルギーの反陽子の衝突ビームと衝突するときに実験が行われます。 そのようなエネルギーとの衝突で、bクォークが現れ、陽子と反陽子のクォークと相互作用して、2つの新しい粒子を形成しました。

実験では、正電荷の誕生に関連する 103 のイベントが記録されました。 u-u-b 粒子(Σ+b) と負に帯電した 134 の誕生 d-d-b 粒子(Σ-b)。 非常に多くのイベントを検出するために、科学者はテバトロンの運用の 5 年間で 100 兆回の衝突の軌跡を分析する必要がありました。

約 1000 秒 (自由中性子の場合) からごくわずかな 1 秒 (共鳴の場合は 10 -24 から 10 -22 秒) まで。

素粒子の構造や振る舞いは、素粒子物理学によって研究されています。

すべての素粒子は、同一性の原理 (宇宙の同じタイプのすべての素粒子は、そのすべての性質において完全に同一である) と粒子波二元論の原理 (各素粒子はド・ブロイ波に対応する) に従います。

すべての素粒子は、相互作用の結果である相互変換の特性を持っています: 強い、電磁気的、弱い、重力。 粒子相互作用は、エネルギー、運動量、角運動量、電荷、バリオン電荷などの保存則によってそのような変換が禁止されていない場合、粒子とその凝集体の他の粒子とその凝集体への変換を引き起こします。

素粒子の主な特徴:寿命、質量、スピン、電荷、磁気モーメント、バリオン電荷、レプトン電荷、ストレンジネス、同位体スピン、パリティ、電荷パリティ、G-パリティ、CP-パリティ。

分類

寿命別

  • 安定な素粒子 - 自由状態で無限に長い寿命を持つ粒子 (陽子、電子、ニュートリノ、光子およびそれらの反粒子)。
  • 不安定な素粒子 - 有限時間内に自由な状態で他の粒子に崩壊する粒子 (他のすべての粒子)。

重量で

すべての素粒子は 2 つのクラスに分けられます。

  • 質量のない粒子 - 質量がゼロの粒子 (光子、グルオン)。
  • 質量がゼロでない粒子 (その他すべての粒子)。

背中の大きさ

すべての素粒子は 2 つのクラスに分けられます。

インタラクションの種類別

素粒子は次のグループに分類されます。

複合粒子

  • ハドロンは、あらゆる種類の基本的な相互作用に関与する粒子です。 それらはクォークで構成され、次のように細分されます。
    • mesons - 整数スピンを持つハドロン、つまりボソンです。
    • バリオンは半整数スピンを持つハドロン、つまりフェルミオンです。 これらには、特に、原子核を構成する粒子、つまり陽子と中性子が含まれます。

基本的な (構造のない) 粒子

  • レプトンは、10 −18 m オーダーのスケールまでは点粒子のように見える (つまり、何も構成されていない) フェルミ粒子であり、強い相互作用には関与しません。 電磁相互作用への関与は、荷電レプトン (電子、ミューオン、タウ レプトン) に対してのみ実験的に観測されており、ニュートリノでは観測されていません。 レプトンは6種類知られています。
  • クォークは、ハドロンを構成する部分荷電粒子です。 それらは自由状態では観察されませんでした（そのような観察がないことを説明するために、閉じ込めのメカニズムが提案されました）。 レプトンと同様に 6 つのタイプに分類され、構造を持たないと考えられていますが、レプトンとは異なり、強い相互作用に関与しています。
  • ゲージ ボソン - 相互作用が実行される交換による粒子:
    • 光子 - 電磁相互作用を運ぶ粒子。
    • 8つのグルーオン、強い力を運ぶ粒子。
    • 3 つの中間ベクトル ボソン W + , W−および Z 0、弱い相互作用を運ぶ。
    • グラビトン - 重力相互作用を運ぶ仮想粒子。 重力子の存在は、重力相互作用が弱いためにまだ実験的に証明されていませんが、非常に可能性が高いと考えられています。 ただし、重力子は素粒子の標準モデルには含まれていません。

素粒子の大きさ

素粒子は多種多様ですが、そのサイズは 2 つのグループに分類されます。 ハドロン (バリオンとメソンの両方) の寸法は約 10 -15 m で、クォーク間の平均距離に近いです。 基本的な構造のない粒子 - ゲージボソン、クォーク、レプトン - のサイズは、実験誤差の範囲内で、それらのポイント特性と一致しています (直径の上限は約 10 -18 m です) ( 説明を見る）。 これらの粒子の最終的なサイズがさらなる実験で見つからない場合、これはゲージ ボソン、クォーク、およびレプトンのサイズが基本長に近いことを示している可能性があります (プランク長が 1.6 10 に等しい可能性が非常に高い可能性があります)。 −35 m) .

ただし、素粒子のサイズはかなり複雑な概念であり、常に古典的な概念と一致しているわけではないことに注意してください。 第一に、不確実性原理では、物理粒子を厳密に局在化することはできません。 粒子を正確に局在化された量子状態の重ね合わせとして表す波束は、常に有限の次元と特定の空間構造を持ち、束の次元は非常に巨視的である可能性があります。両方の干渉計スリットは、巨視的な距離で分離されています。 第二に、物理粒子はそれ自体の周りの真空の構造を変化させ、短期間の仮想粒子 - フェルミオン - 反フェルミオンペア (真空分極を参照) とボソン - 相互作用のキャリア - の「毛皮のコート」を作成します。 この領域の空間的寸法は、粒子が持つゲージ電荷と中間ボソンの質量に依存します (重い仮想ボソンのシェルの半径はコンプトン波長に近く、コンプトン波長はコンプトン波長に反比例します)。質量）。 したがって、ニュートリノの観点からの電子の半径 (それらの間の弱い相互作用のみが可能です) は、W ボソンのコンプトン波長、約 3 × 10 -18 m にほぼ等しく、領域の寸法はハドロンの強い相互作用は、ハドロンの中で最も軽いパイメソン (~10 -15 m ) のコンプトン波長によって決定され、ここでは相互作用キャリアとして機能します。

話

当初、「素粒子」という用語は、物質の最初の塊である絶対的な素粒子を意味していました。 しかし、1950 年代と 1960 年代に同様の性質を持つ何百ものハドロンが発見されたとき、少なくともハドロンは内部自由度を持っていることが明らかになりました。 この疑惑は、ハドロンがクォークで構成されていることが判明したときに確認されました。

したがって、物理学者は物質の構造をもう少し深く掘り下げました。物質の最も基本的な点の部分は、レプトンとクォークと見なされるようになりました。 それらのために（ゲージボソンと一緒に）用語 " 基本的粒子」。

1980 年代半ばから活発に開発されてきた弦理論は、素粒子とその相互作用が次の結果であると仮定しています。 いろいろな種類特に小さな「弦」の振動。

標準モデル

素粒子の標準モデルには、12 種類のフェルミオン、対応する反粒子、およびゲージ ボソン (光子、グルオン、 W- と Z粒子間の相互作用を運ぶヒッグス粒子) と、2012 年に発見された粒子の慣性質量の存在を担うヒッグス粒子です。 ただし、標準モデルは、重力を含まず、理論から直接値が導かれない数十の自由パラメーター (粒子質量など) を含むため、真に基本的な理論ではなく、一時的な理論と見なされています。 おそらく、標準モデルで記述されていない素粒子が存在する可能性があります。たとえば、グラビトン (仮想的に重力を運ぶ粒子) や通常の粒子の超対称パートナーなどです。 合計で、モデルは 61 個の粒子を記述します。

フェルミオン

12 種類のフェルミオンは、それぞれ 4 つの粒子からなる 3 つのファミリー (世代) に分けられます。 そのうち6つはクォークです。 残りの 6 つはレプトンで、そのうち 3 つはニュートリノで、残りの 3 つは電子、ミューオン、タウ レプトンの単位負電荷を持っています。

粒子の世代
初代 第2世代 第三世代
電子： e- ミュオン： μ − タウレプトン: τ −
電子ニュートリノ: ベ ミューニュートリノ: ν μ タウニュートリノ: ν τ (\displaystyle \nu _(\tau ))
u-クォーク (「トップ」): あなた c-クォーク (「エンチャント」): c t-クォーク (「真」): t
d-クォーク (「下」): d s-クォーク (「奇妙な」): s b-クォーク (「チャーミング」): b

反粒子

上記の12個の粒子に対応する12個のフェルミオン反粒子もあります。

反粒子
初代 第2世代 第三世代
陽電子： e + 正ミュオン： μ + 正のタウレプトン: τ +
電子反ニュートリノ: ν¯ e (\displaystyle (\bar (\nu ))_(e)) 反ミューニュートリノ: ν¯ μ (\displaystyle (\bar (\nu ))_(\mu )) タウ反ニュートリノ: ν¯ τ (\displaystyle (\bar (\nu ))_(\tau ))
あなた-反クォーク: u ¯ (\displaystyle (\bar (u))) c-反クォーク: c ¯ (\displaystyle (\bar (c))) t-反クォーク: t ¯ (\displaystyle (\bar(t)))
d-反クォーク: d ¯ (\displaystyle (\bar (d))) s-反クォーク: s ¯ (\displaystyle (\bar (s))) b-反クォーク: b ¯ (\displaystyle (\bar (b)))

クォーク

クォークと反クォークが自由状態で発見されたことはありません - これは現象によって説明されます

アルファ線- 原子核から 14,000 ～ 20,000 km / h の速度で飛び出す正電荷のヘリウム イオン (He ++)。 粒子エネルギーは 4 ～ 9 MeV です。 a-放射線は、原則として、重く、主に天然の放射性元素（ラジウム、トリウムなど）で観察されます。 空気中のα線の飛程は、α線のエネルギーの増加とともに増加します。

例えば、 トリウムのα粒子(Th232) は 3.9 MeV のエネルギーを持ち、空気中で 2.6 cm の長さを持ち、7.68 MeV のエネルギーを持つラジウム C の α-粒子は 6.97 cm の長さを持ちます.粒子の完全な吸収に必要な最小の吸収体の厚さは、これらの粒子を特定の物質で実行します。 水および組織中のα粒子の範囲は0.02～0.06 mmです。

a粒子ティッシュペーパーまたはアルミニウムの薄い層に完全に吸収されます。 の一つ 最も重要なプロパティα線は強力な電離効果です。 移動の途中で、ガス中のα粒子は膨大な数のイオンを形成します。 たとえば、15°、750 mm の圧力の空気中で、1 つの a 粒子は、そのエネルギーに応じて 150,000 ～ 250,000 対のイオンを生成します。

たとえば、空気中の特定のイオン化 ラドンからのα粒子は、5.49 MeV のエネルギーを持ち、1 mm の経路あたり 2500 対のイオンです。 α粒子ラン終了時のイオン化密度が増加するため、ラン終了時の細胞へのダメージはラン開始時の約2倍になります。

物理的特性 a粒子身体への生物学的影響の特徴と、この種の放射線に対する保護方法を決定します。 A線への外部被ばくは危険ではありません。放射線が完全に遮断されるように、線源から数（10〜20）センチメートル離れた場所に移動するか、紙、布、アルミニウム、およびその他の一般的な材料で作られた簡単なスクリーンを設置するだけで十分です。吸収された。

最大 危険な光線は、放射性 a 放出元素の内部に衝突して沈着した場合を表します。 これらの場合、体の細胞や組織に直接α線が照射されます。

ベータ(b)線- 約 100,000 ～ 300,000 km/s の速度で原子核から放出される電子の流れ。 p 粒子の最大エネルギーは 0.01 から 10 MeV の範囲です。 b 粒子の電荷は、符号と大きさが電子の電荷と同じです。 b 崩壊型の放射性変換は、天然および人工の放射性元素に広く見られます。

b線 A線よりもはるかに高い透過力があります。 b 線のエネルギーに応じて、空気中の範囲は数分の 1 ミリから数メートルの範囲になります。 したがって、空気中のエネルギーが 2 ～ 3 MeV の b 粒子の範囲は 10 ～ 15 m であり、水中および組織内ではミリメートル単位で測定されます。 たとえば、放射性リン (P32) によって放出される最大エネルギー 1.7 MeV の b 粒子の組織内の飛程は 8 mm です。

エネルギーを持つb粒子、1 MeV に等しい、空気中の途中で約 30,000 対のイオンを形成できます。 b 粒子のイオン化能力は、同じエネルギーの a 粒子のイオン化能力の数分の 1 です。

B線への曝露体内にb粒子を放出する活性物質を摂取した場合、体に外部照射と内部照射の両方で現れる可能性があります。 外部照射中のb線から保護するには、材料（ガラス、アルミニウム、鉛など）で作られたスクリーンを使用する必要があります。 放射強度は、放射源からの距離を長くすることで減らすことができます。

原子核は何からできている？ 核の部分はどのように一緒に保持されていますか? 核の構成部分を保持する巨大な大きさの力があることがわかった. これらの力が解放されるとき、解放されるエネルギーは化学エネルギーに比べて巨大で、原子爆弾の爆発を TNT の爆発と比較するようなものです。 これは、原子爆発が核内部の変化によって引き起こされるという事実によって説明されますが、TNT の爆発中は、原子の外殻の電子のみが再配置されます。

では、核内で中性子と陽子を一緒に保持する力は何ですか?

電気的相互作用は、粒子 (光子) に関連付けられています。 同様に、湯川は、陽子と中性子の間の引力が特別な種類の場を持ち、この場の振動が粒子のように振る舞うことを示唆しました。 これは、中性子と陽子に加えて、世界には他の粒子が存在する可能性があることを意味します。 湯川は、すでに知られている核力の特性から、これらの粒子の特性を推測することができました。 たとえば、彼は電子の 200 ～ 300 倍の質量を持つはずだと予測しました。 そして、ああ、奇跡です! - 宇宙線でこのような質量を持つ粒子が発見されました! しかし、少し後に、これはまったく同じ粒子ではないことが判明しました。 彼らはそれをミューオン、またはミューオンと呼んだ。

しかし、少し後の 1947 年か 1948 年に、湯川の要求を満たすパイ中間子粒子、またはパイ中間子が発見されました。 核力を得るには、陽子と中性子にパイ中間子を追加する必要があることがわかりました。 "素晴らしい！ - あなたは叫ぶでしょう. - この理論の助けを借りて、私たちは量子核ダイナミクスを構築し、パイ中間子は湯川がそれらを導入した目的に役立ちます。 この理論が機能するかどうか見てみましょう。そうであれば、すべてを説明します。」 無駄な希望！ この理論の計算は非常に複雑であるため、誰も計算を実行して理論から結果を引き出すことができず、運が良ければ実験と比較することができませんでした。 そして、それはほぼ20年間続いています！

何かが理論に固執しません。 それが真実かどうかはわかりません。 しかし、そこには何かが欠けていること、不規則性が潜んでいることはすでにわかっています。 私たちが理論を踏みにじり、結果を計算しようとしている間、実験者はこの間に何かを発見しました. ええと、同じμ-中間子、またはミューオンです。 そして、それが何に役立つのかはまだわかっていません。 繰り返しますが、宇宙線には多くの「余分な」粒子が見つかりました。 現在までに、それらの数はすでに 30 を超えていますが、それらの間の関連性を把握することは依然として困難であり、自然がそれらに何を望んでいて、どれが誰に依存しているかは明確ではありません。 私たちの前では、これらすべての粒子はまだ同じ本質の異なる現れとして現れていません。そして、バラバラな粒子の束があるという事実は、許容できる理論のない一貫性のない情報の存在を反映しているだけです。 量子電気力学の否定できない成功の後-核物理学からの情報のセット、知識の断片、半経験的、半理論的。 彼らは、例えば、陽子と中性子の相互作用の性質について尋ねられ、これらの力がどこから来るのかを本当に理解することなく、それから何が起こるかを調べます. 説明されていることを超えて、目立った進歩はありません。


しかし 化学元素結局のところ、多くのものもあり、それらの間に突然、メンデレーエフの周期表によって表される接続を見ることができました. 表の中のカリウムとナトリウム - 化学的性質が似ている物質 - が1つの列に収まったとしましょう。 そこで、新しい粒子の周期表のような表を作成しようとしました。 そのような表の 1 つが、米国の Gell-Mann と日本の西島によって独自に提案されました。 それらの分類の基礎は、電荷のような新しい数です。 それは各粒子に割り当てられ、その「ストレンジネス」S と呼ばれます。この数は、核力によって生成される反応では (電荷のように) 変化しません。

表で。 2.2 は新しい粒子を示しています。 ここでは、それらについて詳しく説明しません。 しかし、この表は、少なくとも私たちがまだ知っていることがいかに少ないかを示しています。 各粒子の記号の下にはその質量があり、メガ電子ボルトまたは MeV (1 MeV は 1.782 * 10 です) と呼ばれる特定の単位で表されます。 -27 G）。 このユニットの導入を余儀なくされた歴史的な理由については触れません。 粒子は、上の表の方が質量が大きいです。 1つの列には、同じ電荷の粒子があり、中性 - 中央、正 - 右、負 - 左です。

粒子には実線「共鳴」で下線が引かれています - ストローク付き。 表には粒子はまったくありません。光子と重力子はなく、質量と電荷がゼロの非常に重要な粒子 (バリオン-中間子-レプトン分類スキームには分類されません) はなく、いくつかの新しい共鳴 (φ 、f、Y * など)。 メソンの反粒子は表に示されています。レプトンとバリオンの反粒子については、この表と同様の新しい表を作成する必要がありますが、ゼロ列に関してのみ反映されています。 電子、ニュートリノ、光子、重力子、陽子を除くすべての粒子は不安定ですが、それらの崩壊生成物は共鳴についてのみ書かれています。 この概念はレプトンには適用されないため、レプトンの奇妙さも書かれていません-それらは核と強く相互作用しません。

中性子と陽子が一緒になった粒子はバリオンと呼ばれます。 これは、1115.4 MeV の質量を持つ「ラムダ」と、ほぼ同じ質量を持つシグマ マイナス、シグマ ゼロ、シグマ プラスと呼ばれる他の 3 つの「シグマ」です。 ほぼ同じ質量 (1 ～ 2% の差) の粒子のグループは、マルチプレットと呼ばれます。 マルチプレット内のすべての粒子は、同じストレンジネスを持ちます。 最初のマルチプレットはペア (ダブレット) 陽子 - 中性子で、次にシングレット (シングル) ラムダ、次にトリプレット (トリプレット) シグマ、ダブレット xi、シングレット オメガマイナスが続きます。 1961年から、新しい重粒子が発見され始めました。 しかし、それらは粒子ですか？ それらの寿命は非常に短い (発生するとすぐに崩壊する) ため、それらを新しい粒子と呼ぶのか、それとも崩壊生成物、たとえば Λ と π の間の "共鳴" 相互作用と見なすのかは不明です。エネルギー。

核相互作用には、バリオンに加えて、他の粒子、つまり中間子が必要です。 これらは、まず、新しいトリプレットを形成する 3 種類のパイ中間子 (プラス、ゼロ、マイナス) です。 新しい粒子も発見されました-K中間子（これはダブレットKです+ と K 0 ）。 すべての粒子は反粒子を持っています。+ と π- はお互いの反粒子、a π 0 自身の反粒子です。 反粒子とK- K + の場合、K 0 の場合は K 0 `。 さらに、1961 年以降、ほぼ瞬時に崩壊する新しい中間子、またはある種の中間子が発見され始めました。 そのような好奇心の1つはオメガ、ωと呼ばれ、その質量は783で、3つのパイオンに変わります。 一対のピオンが得られる別のフォーメーションがあります。

いくつかの希土類が非常に成功した周期表から脱落したように、一部の粒子は私たちの周期表から脱落しました. これらは、原子核と強く相互作用せず、原子核相互作用とは関係なく、互いに強く相互作用しない粒子です (強いとは、原子エネルギーを与える強力なタイプの相互作用として理解されています)。 これらの粒子はレプトンと呼ばれます。 これらには、電子 (質量が 0.51 MeV の非常に軽い粒子) とミューオン (質量が電子の 206 倍) が含まれます。 すべての実験から判断できる限り、電子とミューオンの違いは質量のみです。 ミュー粒子のすべての性質、そのすべての相互作用は、電子の性質と何ら変わりはありません - 一方だけが他方よりも重いのです。 なぜ重いのか、どんな効果があるのか​​はわかりません。 それらに加えて、中性のダニ、つまり質量がゼロのニュートリノもあります。 また、ニュートリノには電子系とミューオン系の2種類があることがわかってきました。

最後に、原子核と相互作用しない粒子がさらに 2 つあります。 私たちがすでに知っているのは光子です。 そして、重力場にも量子力学的特性がある場合 (重力の量子理論はまだ開発されていませんが)、おそらく、質量がゼロの重力子粒子も存在します。

「質量ゼロ」とは？ 私たちが与えた質量は、静止している粒子の質量です。 粒子の質量がゼロの場合、それはあえて静止しないことを意味します。 光子は静止することはなく、その速度は常に 300,000 km/秒です。 引き続き相対性理論を理解し、質量の概念の意味をより深く掘り下げようとします。

このように、物質の非常に基本的な部分と思われる一連の粒子に出くわしました。 幸いなことに、これらの粒子の相互作用がすべて異なるわけではありません。 どうやら、それらの間には4種類の相互作用しかありません。 それらを強さの降順でリストします: 核力、電気的相互作用、(β-崩壊相互作用、および重力。光子は、定数 1/137 によって特徴付けられる力ですべての荷電粒子と相互作用します。この接続の詳細な法則は知られています。 - これは量子電気力学です. 重力はあらゆるエネルギーと相互作用しますが、非常に弱く、電気よりもはるかに弱いです. そしてこの法則は知られています. そして、いわゆる弱い崩壊があります: β崩壊, これにより、中性子は非常にゆっくりと崩壊します陽子、電子、ニュートリノ. ここで法則が明らかになり、いわゆる強い相互作用 (メソンとバリオンの結合) は、このスケールでは 1 に等しい力を持ち、その法則は完全に曖昧です.どの反応でもバリオンの数は変わらないなどの法則が知られています。

現代物理学が置かれている状況は、恐ろしいものと考えなければなりません。 私はそれを次の言葉で要約します。コアの外では、私たちはすべてを知っているようです。 その内部では、量子力学が有効であり、その原則の違反はそこでは見つかりませんでした。

私たちのすべての知識が作用する段階は、相対論的時空です。 重力もそれに関連している可能性があります。 宇宙がどのように始まったのかはわかりませんし、時空についての私たちの考えを短い距離で正確にテストするための実験を設定したこともありません。これらの距離の外では、私たちの見解が間違いないことを知っているだけです. ゲームのルールが原則であると付け加えることもできます 量子力学; そして、私たちが知る限り、それらは新しい粒子に適用され、古い粒子よりも悪くはありません. 核力の起源を探ると、新しい粒子にたどり着きます。 しかし、これらの発見はすべて混乱を招くだけです。 それらの相互関係を完全に理解しているわけではありませんが、それらの間にはいくつかの顕著な関連性がすでに見られます. どうやら、私たちは原子を超えた粒子の世界の理解に徐々に近づいているようですが、この道をどこまで進んだかはわかりません。