지하실 및 지하실
공칭 입자. 의학 용어로 b-입자라는 단어의 의미 A b 입자

공칭 입자. 의학 용어로 b-입자라는 단어의 의미 A b 입자

그들은 수십 년 동안 Higgs 입자를 찾으려고 노력했지만 지금까지 성공하지 못했습니다. 한편, 그것 없이는 핵심 조항 현대 이론소우주는 공중에 매달려 있습니다.

입자에 대한 연구는 얼마 전에 시작되었습니다. 1897년에 Joseph John Thomson이 전자를 발견했고, 20년 후 Ernest Rutherford는 수소 핵이 다른 원소의 핵의 일부임을 증명하고 나중에 이를 양성자라고 불렀습니다. 1930년대에는 중성자, 뮤온, 양전자가 발견되었고 중성미자의 존재가 예측되었다. 동시에 유카와 히데키는 전자보다 수백 배 무겁지만 양성자(중간자)보다 훨씬 가벼운 가상의 입자가 운반하는 핵력 이론을 세웠습니다. 1947년 우주선에 노출된 사진 건판에서 파이 중간자(파이온) 붕괴의 흔적이 발견되었습니다. 나중에 다른 중간자가 발견되었고 그 중 일부는 양성자뿐만 아니라 헬륨 핵보다 무겁습니다. 물리학자들은 또한 양성자와 중성자의 무겁고 따라서 불안정한 친척인 많은 바리온을 발견했습니다. 옛날 옛적에 이러한 모든 입자는 기본이라고 불렸지만 그러한 용어는 오랫동안 구식이었습니다. 이제 비 복합 입자 만이 기본으로 간주됩니다-페르미온 (반 스핀-경입자 및 쿼크 포함) 및 보손 (정수 스핀 포함-기본 상호 작용 캐리어).

표준모형의 소립자

페르미온 그룹(반정수 스핀 포함)은 소위 3세대 경입자 및 쿼크로 구성됩니다. 전하를 띤 경입자는 전자이며 뮤온과 타우 입자(및 그 반입자)와 같은 거대한 대응물입니다. 각 렙톤은 세 가지 유형의 중성미자 중 하나(역시 반입자 포함)의 중립 파트너를 가지고 있습니다. 스핀이 1인 보손 계열은 쿼크와 경입자 사이의 상호 작용을 수행하는 입자입니다. 그들 중 일부는 질량과 전하를 가지고 있지 않습니다. 이들은 중간자 및 바리온에 인터쿼크 결합을 제공하는 글루온과 전자기장의 양자인 광자입니다. 베타 붕괴 과정에서 나타나는 약한 상호 작용은 3개의 거대한 입자(2개는 전하를, 1개는 중성)에 의해 제공됩니다.

기본 및 복합 입자의 개별 이름은 일반적으로 특정 과학자의 이름과 연결되지 않습니다. 그러나 거의 40년 전에 스코틀랜드의 물리학자 피터 힉스(Peter Higgs)라는 살아있는 사람의 이름을 딴 또 다른 기본 입자가 예측되었습니다. 근본적인 상호 작용의 캐리어와 마찬가지로 정수 스핀을 가지며 보손 클래스에 속합니다. 그러나 그 스핀은 1이 아니라 0이며, 이와 관련하여 유사점이 없습니다. 수십 년 동안 그들은 가장 큰 가속기 인 작년에 폐쇄 된 American Tevatron과 현재 작동중인 Large Hadron Collider에서 세계 언론의 감시하에 그것을 찾고 있습니다. 결국 Higgs boson은 소립자의 표준 모델 인 마이크로 세계의 현대 이론에 매우 필요합니다. 그것을 찾을 수 없다면, 이 이론의 핵심 조항은 공중에 매달릴 것입니다.

게이지 대칭

힉스 보손으로 가는 길의 시작은 미국으로 이주한 중국의 물리학자 양 젠닝(Yang Zhenning)과 그의 동료인 브룩헤이븐 국립 연구소(Brookhaven National Laboratory)의 로버트 밀스(Robert Mills)가 1954년에 발표한 짧은 기사에서 찾을 수 있습니다. 그 해에 실험자들은 점점 더 많은 새로운 입자를 발견했으며 그 양은 어떤 식으로도 설명할 수 없었습니다. 유망한 아이디어를 찾기 위해 Yang과 Mills는 양자 전기 역학의 영향을 받는 매우 흥미로운 대칭의 가능성을 테스트하기로 결정했습니다. 그때까지 이 이론은 경험과 일치하는 탁월한 결과를 제공하는 능력을 입증했습니다. 사실, 일부 계산 과정에서 무한대가 나타나지만 재정규화라는 수학적 절차를 사용하여 무한대를 제거할 수 있습니다.

Yang과 Mills가 관심을 가졌던 대칭은 1918년 독일 수학자 Hermann Weyl에 의해 물리학에 소개되었습니다. 그는 그것을 게이지라고 불렀고 이 이름은 오늘날까지 살아 남았습니다. 양자전기역학에서 게이지 대칭은 실수부와 허수부를 가진 벡터인 자유전자의 파동함수가 시공간의 각 지점에서 연속적으로 회전할 수 있다는 사실에서 나타난다. ). 이 작업(공식 언어에서 - 파동 함수의 위상 변경)은 전자의 운동 방정식에 첨가제가 나타나며 유효하게 유지하기 위해 보상되어야 한다는 사실로 이어집니다. 이를 위해 전자와 상호 작용하는 전자기장을 설명하는 추가 용어가 도입되었습니다. 이 장의 양자는 단위 스핀을 가진 질량이 없는 입자인 광자입니다. 따라서 광자의 존재(및 전자 전하의 불변성)는 자유 전자 방정식의 국부 게이지 대칭에서 따릅니다. 우리는 이 대칭이 전자가 전자기장과 상호 작용한다고 말할 수 있습니다. 모든 위상 이동은 그러한 상호 작용의 작용이 됩니다. 예를 들어, 광자의 방출 또는 흡수입니다.

게이지 대칭과 전자기 사이의 관계는 일찍이 1920년대에 발견되었지만 많은 관심을 불러일으키지 않았습니다. Yang과 Mills는 전자와 다른 특성을 가진 입자를 설명하는 방정식을 구성하기 위해 이 대칭을 처음으로 사용했습니다. 그들은 양성자와 중성자라는 두 개의 "가장 오래된" 바리온을 차지했습니다. 이 입자들은 동일하지 않지만 핵력과 관련하여 거의 동일하게 행동하고 거의 동일한 질량을 갖습니다. 1932년에 Werner Heisenberg는 양성자와 중성자가 공식적으로 동일한 입자의 다른 상태로 간주될 수 있음을 보여주었습니다. 이를 설명하기 위해 그는 동위원소 스핀이라는 새로운 양자수를 도입했습니다. 강력은 양성자와 중성자를 구별하지 않기 때문에 전자기력이 전하를 보존하는 것처럼 전체 동위원소 스핀을 보존합니다.

Yang과 Mills는 어떤 로컬 게이지 변환이 isospin 대칭을 유지하는지 궁금해했습니다. 우리가 이미 두 입자에 대해 이야기하고 있었기 때문에 양자 전기역학의 게이지 변환과 일치할 수 없다는 것이 분명했습니다. Young과 Mills는 그러한 변환의 총체성을 분석하여 양자가 양성자와 중성자 사이의 상호 작용을 수행하는 것으로 추정되는 필드를 생성한다는 것을 발견했습니다. 이 경우에는 3개의 퀀텀이 있습니다. 2개는 전하(양과 음)이고 1개는 중성입니다. 그들은 질량이 0이고 단위 스핀(즉, 벡터 보손)을 가지고 있었고 빛의 속도로 여행했습니다.

공동 저자가 명명 한 B 필드 이론은 매우 아름다웠지만 경험의 시험을 견디지 못했습니다. 중성의 B-보손은 광자와 동일시될 수 있지만, 하전된 대응물은 생략되었다. 양자 역학에 따르면 충분히 무거운 가상 입자만이 단거리 힘의 전달에서 중재자가 될 수 있습니다. 핵력의 반경은 10-13cm를 초과하지 않으며 질량이 없는 Yang 및 Mills 보존은 분명히 운반자라고 주장할 수 없습니다. 또한, 원칙적으로 하전된 질량이 없는 보손은 쉽게 감지할 수 있지만 실험자들은 그러한 입자를 감지한 적이 없습니다. Yang과 Mills는 "종이 위의" 로컬 게이지 대칭이 비전자기 특성의 역장을 생성할 수 있음을 증명했지만 이러한 필드의 물리적 현실은 순수한 추측이었습니다.

전자약 이중성

힉스 입자를 향한 다음 단계는 1957년에 이루어졌습니다. 그때까지 이론가들(동일한 Yang과 Li Zundao)은 베타 붕괴에서 패리티가 보존되지 않는다고 가정했고 실험자들은 증명했습니다(즉, 거울 대칭이 위반됨). 이 예상치 못한 결과는 양자 전기 역학의 창시자 중 한 명인 Julian Schwinger를 포함한 많은 물리학자들의 관심을 끌었습니다. 그는 경입자(과학은 아직 쿼크에 이르지 못했습니다!) 사이의 약한 상호작용이 3개의 벡터 보존(광자 및 B-보존과 유사한 한 쌍의 하전 입자)에 의해 운반된다는 가설을 세웠습니다. 이러한 상호 작용은 전자기력과 협력 관계에 있습니다. Schwinger는 더 이상 이 문제를 다루지 않고 대학원생인 Sheldon Glashow에게 제안했습니다.

작업 기간은 4년이었습니다. 행 후 실패한 시도 Glashow는 전자기장과 Yang 및 Mills 필드의 게이지 대칭 통합을 기반으로 약력 및 전자기 상호 작용의 모델을 구축했습니다. 광자 외에도 3개의 벡터 보손(2개는 전하를 띤 보손, 1개는 중성 보손)이 더 있습니다. 그러나 이러한 입자는 다시 질량이 0이 되어 문제가 발생했습니다. 약한 상호 작용의 반경은 강한 상호 작용보다 두 자릿수 더 작으며 훨씬 더 큰 중재자가 필요합니다. 또한 중성 캐리어의 존재는 전하를 변화시키지 않는 베타 전이의 가능성을 필요로 했으며, 그 당시에는 그러한 전이가 알려지지 않았습니다. 이 때문에 1961년 후반에 자신의 모델을 발표한 후 Glashow는 약력과 전자기력을 통합하는 데 관심을 잃고 다른 주제로 전환했습니다.

Schwinger의 가설은 또한 John Ward와 함께 Glashow와 유사한 모델을 구축한 파키스탄 이론가 Abdus Salam의 관심을 끌었습니다. 그는 또한 게이지 보손의 무질량성을 발견했고 이를 제거하는 방법까지 고안했습니다. Salam은 이론이 비정상적이 되었기 때문에 질량을 "손으로" 입력할 수 없다는 것을 알고 있었지만 자발적인 대칭 깨짐으로 이 어려움을 해결하여 보존의 운동 방정식에 대한 해가 게이지를 가지지 않기를 바랐습니다. 방정식 자체에 내재된 대칭. 이 작업으로 그는 American Steven Weinberg에 관심을 가졌습니다.

그러나 1961년 영국의 물리학자 제프리 골드스톤은 상대론적 양자 이론필드 자발적인 대칭 깨짐은 필연적으로 질량이 없는 입자를 생성하는 것으로 보입니다. Salam과 Weinberg는 Goldstone의 정리가 틀렸다는 것을 증명하려고 했지만, 그들 자신의 작업에서 그것을 강화했을 뿐입니다. 수수께끼는 풀리지 않는 것처럼 보였고, 그들은 물리학의 다른 영역으로 눈을 돌렸습니다.

힉스 등

응집 물질 물리학 전문가의 도움을 받았습니다. 1961년 난부 요이치로(Yoichiro Nambu)는 일반 금속이 초전도 상태가 되면 전자의 대칭성이 저절로 깨지지만 질량이 없는 입자는 나타나지 않는다는 사실을 발견했습니다. 2년 후 필립 앤더슨은 같은 예를 사용하여 전자기장이 골드스톤 정리를 따르지 않으면 국부 대칭을 가진 다른 게이지 필드에서도 같은 결과가 예상될 수 있다고 언급했습니다. 그는 심지어 Goldstone bosons과 Yang and Mills field bosons가 어떻게든 서로를 상쇄하여 거대한 입자를 남길 수 있다고 예측했습니다.

이 예측은 예언적인 것으로 판명되었습니다. 1964년 브뤼셀 자유 대학의 물리학자인 François Englert와 Roger Broat, Imperial College London의 Peter Higgs, Jerry Guralnik, Robert Hagen, Thomas Kibble에 의해 무죄 판결을 받았습니다. 그들은 Goldstone 정리의 적용 가능성에 대한 조건이 Yang-Mills 필드에서 충족되지 않는다는 것을 보여주었을 뿐만 아니라, 현재 Higgs 메커니즘이라고 하는 0이 아닌 질량으로 이러한 필드의 들뜸을 제공하는 방법도 찾았습니다.

이 멋진 작품들은 결코 즉시 눈에 띄고 평가되지 않았습니다. 1967년에 Weinberg는 힉스 메커니즘을 기반으로 벡터 보손의 트리오가 질량을 얻고 Salam이 1년 후에 동일한 작업을 수행하는 전자약력 상호작용의 통합 모델을 구축했습니다. 1971년 네덜란드의 Martinus Veltman과 Gerard "t Hooft는 이 이론이 재정규화에 적합하므로 명확한 물리적 의미가 있음을 증명했습니다. 그녀는 거품 상자에 있을 때 1973년 이후 굳건히 서 있었습니다. 가가멜(스위스 CERN) 실험자들은 소위 약한 중성 전류를 등록했는데, 이는 충전되지 않은 중간 보손의 존재를 나타냅니다(모든 세 벡터 보손의 직접 등록은 1982-1983년에만 CERN에서 수행되었습니다). Glashow, Weinberg 및 Salam이 그녀를 위해 얻었습니다. 노벨상 1979년, Veltman 및 "t Hooft - 1999년. 이 이론(및 Higgs boson과 함께)은 오랫동안 기본 입자의 표준 모델의 필수적인 부분이었습니다.

힉스 메커니즘

힉스 메커니즘은 스핀리스 양자 - 힉스 보손이 있는 스칼라 필드를 기반으로 합니다. 그들은 빅뱅 직후에 생겨났으며 이제 전체 우주를 채우고 있다고 믿어집니다. 이러한 필드는 0이 아닌 값에서 가장 낮은 에너지를 갖습니다. 이것이 안정적인 상태입니다.

흔히 소립자가 힉스장에 의한 제동의 결과로 질량을 얻는다고 기록되어 있지만, 이는 지나친 기계론적 유추입니다. 전기약 이론은 4개의 힉스 필드(각각 고유한 양자를 가짐)와 4개의 벡터 보손(2개는 중성 및 2개는 질량이 없는 전하를 띤)을 포함합니다. 전하를 띤 보손 3개와 중성 보손 1개는 각각 힉스 1개를 흡수하고 결과적으로 질량과 단거리 힘을 전달할 수 있는 능력을 얻습니다(W + , W - 및 Z 0 기호로 표시됨). 마지막 보손은 아무것도 흡수하지 않고 질량이 없는 상태로 남아 있습니다. 그것은 광자입니다. "먹은" 힉스는 관찰할 수 없는 반면(물리학자들은 그들을 "정령"이라고 부름), 그들의 네 번째 사촌은 탄생하기에 충분한 에너지에서 관찰되어야 합니다. 일반적으로 이것은 Anderson이 예측할 수 있었던 프로세스입니다.

애매한 입자

힉스 입자를 포착하기 위한 최초의 진지한 시도는 20세기와 21세기의 전환기에 대형 전자-양전자 충돌기(Large Electron-Positron Collider)에서 이루어졌습니다. 대형 전자-양전자 충돌기, LEP) CERN에서. 이 실험은 헤비 벡터 보손의 질량과 수명을 유례없이 정확하게 결정한 놀라운 시설의 진정한 백조의 노래였습니다.

표준 모델을 사용하면 힉스 보손의 생성 및 붕괴 채널을 예측할 수 있지만 질량을 계산할 수는 없습니다. 가장 일반적인 추정치에 따르면 8–10 GeV 이상 1000 GeV 이상이어야 합니다. LEP 세션이 시작될 때까지 대부분의 물리학자들은 가장 가능성이 높은 범위가 100–250 GeV라고 믿었습니다. LEP 실험은 하한 임계값을 114.4 GeV로 높였습니다. 많은 전문가들은 이 가속기가 더 오래 작동하고 충돌 빔의 에너지를 10%(기술적으로 가능함) 증가시켰다면 Higgs boson이 등록되었을 수 있다고 믿었고 믿고 있습니다. 그러나 CERN 지도부는 같은 터널에 건설될 대형 강입자 가속기의 발사를 연기하고 싶지 않았고 2000년 말에 LEP가 폐쇄되었습니다.

보손 펜

수많은 실험이 차례대로 힉스 입자의 가능한 질량 범위를 배제했습니다. 낮은 임계값은 LEP 가속기(114.4 GeV)에서 설정되었습니다. Tevatron에서는 150 GeV를 초과하는 질량이 배제되었습니다. 나중에 질량 범위는 115–135 GeV로 세분화되었고, 상한은 Large Hadron Collider의 CERN에서 130 GeV로 이동되었습니다. 따라서 표준 모델의 Higgs boson이 존재한다면 상당히 좁은 질량 범위에 고정됩니다.

다음 검색 주기는 Tevatron(CDF 및 DZero 감지기에서)과 LHC에서 수행되었습니다. DZero 협업의 리더 중 한 명인 Dmitry Denisov가 PM에게 말했듯이 Tevatron은 2007년에 Higgs에 대한 통계를 수집하기 시작했습니다. “충분한 에너지가 있었지만 많은 어려움이 있었습니다. 전자와 양전자의 충돌은 힉스를 포착하는 "가장 깨끗한" 방법입니다. 이러한 입자에는 내부 구조가 없기 때문입니다. 예를 들어, 고에너지 전자-양전자 쌍이 소멸하는 동안 배경 없이 힉스를 방출하는 Z 0 -보손이 생성됩니다(그러나 이 경우 더 더러운 반응이 가능함). 반면에 우리는 쿼크와 글루온으로 구성된 느슨한 입자인 양성자와 반양성자를 충돌시켰습니다. 하도록 하다 주된 임무-많은 유사한 반응을 배경으로 Higgs의 탄생을 강조합니다. LHC 팀에도 비슷한 문제가 있습니다.”

보이지 않는 짐승의 흔적

Higgs boson의 탄생에는 네 가지 주요 방법(물리학자들이 말하는 채널)이 있습니다.

주요 채널은 무거운 톱 쿼크의 루프를 통해 상호 작용하는 양성자와 반양성자의 충돌에서 글루온(gg)의 융합입니다.
두 번째 채널은 쿼크에 의해 방출되고 흡수되는 가상 벡터 보손 WW 또는 ZZ(WZ)의 융합입니다.
힉스 보손 생성의 세 번째 채널은 소위 연관 생성(W 또는 Z 보손과 함께)입니다. 이 프로세스는 때때로 호출됩니다. Higgsstrahlung(독일어와 비슷하다. 제동복사- 제동복사).
그리고 마지막으로 네 번째는 글루온에 의해 생성된 두 개의 탑 쿼크-반쿼크 쌍에서 탑 쿼크와 반쿼크(탑 쿼크와 함께 연합 생산, tt)의 융합입니다.

"2011년 12월에 LHC에서 새로운 메시지가 왔습니다." 드미트리 데니소프가 계속 말했습니다. - 그들은 힉스 붕괴를 찾고 있었습니다. 맨 위-쿼크와 그 반쿼크는 소멸하여 한 쌍의 감마 퀀타 또는 두 개의 Z 0 -보손으로 바뀌며 각각은 전자와 양전자 또는 뮤온과 반뮤온으로 붕괴됩니다. 얻은 데이터는 Higgs boson이 약 124–126 GeV를 끌어당긴다는 것을 시사하지만 최종 결론을 내리기에는 충분하지 않습니다. 이제 CERN의 공동 작업과 물리학자 모두 계속해서 실험 결과를 분석하고 있습니다. 우리와 그들이 곧 새로운 결론에 도달할 가능성이 있으며 3월 4일 이탈리아 알프스에서 열리는 국제 회의에서 발표될 예정입니다.

힉스 입자와 세상의 종말

따라서 올해 우리는 표준 모델의 Higgs boson 발견 또는 취소를 기대할 수 있습니다. 물론 두 번째 옵션은 새로운 물리적 모델이 필요하지만 첫 번째 경우에도 마찬가지입니다! 어쨌든 이 분야에서 가장 권위 있는 전문가 중 한 명인 King's College London의 John Ellis 교수는 그렇게 생각합니다. 그의 의견으로는 "빛"(130 GeV보다 크지 않은) Higgs boson의 발견은 우주론에 불쾌한 문제를 일으킬 것입니다. 그것은 우리 우주가 불안정하고 언젠가(어쩌면 어느 순간이라도) 에너지가 적은 새로운 상태로 이동할 것임을 의미할 것입니다. 그러면 세상의 종말이 일어날 것입니다. 완전한 의미이 단어. Higgs boson이 발견되지 않거나 Ellis가 착각하거나 우주가 자살을 약간 지연시킬 것이라는 희망이 남아 있습니다.

Baryons (그리스어 "baris"-heavy에서 유래)는 3 개의 쿼크로 구성된 강력한 상호 작용을하는 무거운 기본 입자입니다. 가장 안정적인 바리온은 양성자와 중성자입니다. 주요 바리온은 다음과 같습니다.

미국 연구 센터 시스템의 일부인 Fermi National Accelerator Laboratory의 DZero 국제 협력 직원이 새로운 기본 입자인 바리온을 발견했습니다. "xi-bi-minus baryon"(Ξ-b)이라고 불리는 입자는 나름대로 독특합니다. 이것은 b-쿼크를 포함하는 또 다른 바리온이 아니라 d-쿼크, s-쿼크 및 b-쿼크의 세 가지 다른 계열의 세 쿼크를 포함하는 첫 번째 입자입니다.

그녀는 또한 "cascade-bi"라는 또 다른 이름을 가지고 있습니다. 중입자는 음전하를 띠며 양성자보다 약 6배 무겁습니다(입자 질량 5.774±0.019 GeV).

새로운 입자를 등록하기 위해 과학자들은 5년 동안의 가속기 작동 궤적을 분석해야 했습니다. 그 결과, 새로운 바리온의 형성을 나타내는 19개의 이벤트가 발견되었습니다.

이전에 과학자들은 u-쿼크, d-쿼크 및 b-쿼크로 구성된 람다-비 바리온의 세 가지 다른 쿼크로 구성된 바리온을 이미 얻었지만 여기에는 2세대 쿼크만 포함되어 있습니다(삽입 참조).

따라서 고에너지 물리학 역사상 처음으로 3세대 또는 가족의 쿼크로 구성된 바리온이 발견되었습니다. 이중 캐스케이드는 하나의 d-쿼크(첫 번째 패밀리에 속하는 "다운" 쿼크), 하나의 s-쿼크("이상한" 쿼크, 두 번째 패밀리) 및 하나의 b-쿼크("매력" 쿼크, 세 번째 가족). 이것이 새로운 Ξ-b 입자가 정말 독특한 이유입니다.

흥미롭게도 협업은 강력한 Tevatron 가속기를 보유한 Fermilab에 기반을 두고 있지만 현재 발견은 유럽 CERN(LEP)의 Large Electron-Positron Collider에서 이루어졌습니다.

따라서 과학자들은 바리온 피라미드의 "2층"에서 탐색을 계속하여 하나의 "아름다운" 또는 "바닥" 쿼크를 포함하는 바리온을 발견합니다(b).

처음으로 이러한 입자 받았다또한 Fermilab의 팀입니다. 지난해 미국 에너지부의 페르미 국립가속기연구소에서 실험을 진행한 CDF 국제협력단은 바리온급에 속하는 2개의 새로운 기본 입자를 발견했다고 발표했는데, 이 입자의 이름은 Σ+b와 Σ-b이다.

실험에서 물리학자들은 양성자와 반양성자를 충돌시켜 당시 가장 강력한 가속기인 테바트론에서 가속시켰다.

실험은 1 TeV의 에너지를 가진 양성자 빔이 동일한 에너지의 충돌하는 반양성자 빔과 충돌할 때 이 가속기에서 수행됩니다. 그러한 에너지와의 충돌에서 b-쿼크가 나타나 양성자와 반양성자의 쿼크와 상호 작용하여 두 개의 새로운 입자를 형성했습니다.

실험은 양전하를 띤 물질의 탄생과 관련된 103가지 사건을 등록했습니다. u-u-b 입자(Σ+b) 및 134번의 음전하 출생 d-d-b 입자(Σ-b). 이렇게 많은 사건을 탐지하기 위해 과학자들은 Tevatron의 작동 5년 동안 100조 건의 충돌 흔적을 분석해야 했습니다.

약 1000초(자유 중성자의 경우)에서 무시할 수 있는 초(공진의 경우 10-24초에서 10-22초)까지.

소립자의 구조와 거동은 소립자 물리학에서 연구합니다.

모든 소립자는 동일성의 원리(우주에서 동일한 유형의 모든 소립자는 모든 특성이 완전히 동일함)와 미립자 파동 이원론(각 소립자는 드브로이 파동에 해당함)의 원리를 따릅니다.

모든 기본 입자는 강하고, 전자기적이며, 약하고, 중력적인 상호 작용의 결과인 상호 변환성 속성을 가지고 있습니다. 입자 상호 작용은 에너지, 운동량, 각 운동량, 전하, 바리온 전하 등의 보존 법칙에 의해 그러한 변환이 금지되지 않는 경우 입자와 그 집합체를 다른 입자와 그 집합체로 변형시킵니다.

기본 입자의 주요 특성:수명 , 질량 , 스핀 , 전하 , 자기 모멘트 , 바리온 전하 , 렙톤 전하 , 기묘함 , 동위원소 스핀 , 패리티 , 전하 패리티 , G-패리티 , CP 패리티 .

소립자의 크기

매우 다양한 기본 입자에도 불구하고 그 크기는 두 그룹으로 나뉩니다. 강입자(바리온과 중간자 모두)의 크기는 약 10-15m로 쿼크 사이의 평균 거리에 가깝습니다. 기본적이고 구조가 없는 입자(게이지 보손, 쿼크 및 경입자)의 크기는 실험 오차 범위 내에서 점 특성과 일치합니다(직경의 상한은 약 10-18m)( 설명 참조). 이러한 입자의 최종 크기가 추가 실험에서 발견되지 않으면 게이지 보손, 쿼크 및 경입자의 크기가 기본 길이에 가깝다는 것을 나타낼 수 있습니다(플랑크 길이는 1.6 × 10 -35m) .

그러나 기본 입자의 크기는 다소 복잡한 개념이며 고전적 개념과 항상 일치하지는 않는다는 점에 유의해야 합니다. 첫째, 불확정성 원리는 물리적 입자를 엄격하게 국소화하는 것을 허용하지 않습니다. 정확하게 국소화된 양자 상태의 중첩으로 입자를 나타내는 웨이브 패킷은 항상 유한한 차원과 특정 공간 구조를 가지며 패킷 차원은 매우 거시적일 수 있습니다. 두 간섭계 슬릿은 거시적 거리로 분리됩니다. 둘째, 물리적 입자는 주변의 진공 구조를 변경하여 단기 가상 입자의 "모피 코트"를 만듭니다. 이 영역의 공간적 크기는 입자가 보유한 게이지 전하와 중간 보손의 질량에 따라 달라집니다(거대한 가상 보손 껍질의 반경은 콤프턴 파장에 가깝습니다. 대량의). 따라서 중성미자의 관점에서 볼 때 전자의 반지름(그들 사이의 약한 상호 작용만 가능)은 대략 W-보손의 Compton 파장, ~3 × 10 -18 m 및 영역의 크기와 같습니다. 하드론의 강한 상호작용은 가장 가벼운 하드론인 파이 중간자(~10-15m)의 Compton 파장에 의해 결정되며, 여기에서 상호작용 캐리어로 작용합니다.

이야기

처음에 "기본 입자"라는 용어는 물질의 첫 번째 벽돌인 절대적으로 기본적인 것을 의미했습니다. 그러나 1950년대와 1960년대에 비슷한 성질을 가진 수백 개의 하드론이 발견되었을 때 적어도 하드론은 내부 자유도를 가지고 있다는 것이 분명해졌습니다. 이 의심은 나중에 하드론이 쿼크로 구성되었다는 것이 밝혀졌을 때 확인되었습니다.

따라서 물리학자들은 물질의 구조를 조금 더 깊이 파고들었습니다. 물질의 가장 기본적인 점 부분은 이제 경입자와 쿼크로 간주됩니다. 그들에게 (게이지 보손과 함께) 용어 " 근본적인입자".

1980년대 중반부터 활발히 발전해 온 끈 이론은 기본 입자와 그 상호 작용이 다음과 같은 결과라고 가정합니다. 다양한 종류특히 작은 "현"의 진동.

표준 모델

기본 입자의 표준 모델에는 12가지 종류의 페르미온, 해당 반입자 및 게이지 보손(광자, 글루온, 여- 그리고 지-보손), 입자 사이의 상호 작용을 전달하는 입자 및 2012년에 발견된 힉스 입자는 입자 내 관성 질량의 존재를 담당합니다. 그러나 표준 모델은 중력을 포함하지 않고 이론에서 직접 값을 따르지 않는 수십 개의 자유 매개변수(입자 질량 등)를 포함하기 때문에 진정한 근본적인 이론이라기보다는 임시 이론으로 간주되는 경우가 많습니다. 아마도 중력자(중력을 가상으로 전달하는 입자) 또는 일반 입자의 초대칭 파트너와 같이 표준 모델에 의해 설명되지 않는 기본 입자가 있을 수 있습니다. 전체적으로 이 모델은 61개의 입자를 설명합니다.

페르미온

12가지 종류의 페르미온은 각각 4개의 입자로 구성된 3개의 계열(세대)로 나뉩니다. 그 중 6개는 쿼크입니다. 나머지 6개는 경입자이고 그 중 3개는 중성미자이고 나머지 3개는 전자, 뮤온, 타우 경입자 등 단위 음전하를 띤다.

입자의 세대

첫 세대	2세대	3세대
전자: 이자형-	뮤온: μ −	타우 렙톤: τ −
전자 중성미자: 브이	뮤온 중성미자: ν μ	타우 중성미자: ν τ (\디스플레이스타일 \nu _(\tau ))
u-쿼크("상단"): 유	c-쿼크 ("마법에 걸린"): 씨	t-쿼크("참"): 티
d-쿼크("바닥"): 디	s-쿼크 ("이상한"): 에스	b-쿼크 ("매력적인"): 비

반입자

또한 위의 12개 입자에 해당하는 12개의 페르미온성 반입자가 있습니다.

반입자

첫 세대	2세대	3세대
양전자: 전자 +	포지티브 뮤온: μ +	포지티브 타우 렙톤: τ +
전자 반중성미자: ν ¯ e (\displaystyle (\bar (\nu ))_(e))	뮤온 반뉴트리노: ν ¯ μ (\displaystyle (\bar (\nu ))_(\mu ))	타우 반중성미자: ν ¯ τ (\displaystyle (\bar (\nu ))_(\tau ))
유-반쿼크: u ¯ (\displaystyle (\bar (u)))	씨-반쿼크: c ¯ (\displaystyle (\bar (c)))	티-반쿼크: t ¯ (\displaystyle (\bar(t)))
디-반쿼크: d ¯ (\displaystyle (\bar (d)))	에스-반쿼크: s ¯ (\displaystyle (\bar (s)))	비-반쿼크: b ¯ (\displaystyle (\bar (b)))

쿼크

쿼크와 반쿼크는 자유 상태에서 발견된 적이 없습니다. 이것은 현상으로 설명됩니다.

알파(a)선- 14,000-20,000km / h의 속도로 원자핵에서 날아가는 양전하 헬륨 이온 (He ++). 입자 에너지는 4-9 MeV입니다. a-방사선은 일반적으로 무겁고 주로 천연 방사성 원소(라듐, 토륨 등)에서 관찰됩니다. 공기 중 a-입자의 범위는 a-방사 에너지가 증가함에 따라 증가합니다.

예를 들어, 토륨의 a-입자 3.9V MeV의 에너지를 갖는 (Th232)는 공기 중에서 2.6cm, 7.68MeV의 에너지를 갖는 라듐 C의 a-입자는 6.97cm의 실행을 갖는다 입자의 완전한 흡수에 필요한 최소 흡수체 두께는 주어진 물질에서 이러한 입자를 실행합니다. 물과 조직에서 a-입자의 범위는 0.02-0.06 mm입니다.

a-입자티슈 페이퍼 조각이나 얇은 알루미늄 층에 의해 완전히 흡수됩니다. 중 하나 가장 중요한 속성 a-방사선은 강한 이온화 효과입니다. 운동하는 동안 가스의 α 입자는 엄청난 수의 이온을 형성합니다. 예를 들어, 15° 및 750mm 압력의 공기 중에서 하나의 a-입자는 에너지에 따라 150,000-250,000쌍의 이온을 생성합니다.

예를 들어, 공기 중 특정 이온화 라돈의 a-입자 5.49 MeV의 에너지를 갖는 는 1mm 경로당 2500쌍의 이온입니다. α 입자 실행이 끝날 때 이온화 밀도가 증가하므로 실행이 끝날 때 세포에 대한 손상은 실행 시작 시보다 약 2배 더 큽니다.

물리적 특성 a-입자신체에 대한 생물학적 영향의 특징과 이러한 유형의 방사선에 대한 보호 방법을 결정합니다. a-선에 의한 외부 조사는 위험하지 않습니다. 방사선원에서 몇 (10-20) 센티미터 정도 떨어져서 이동하거나 종이, 천, 알루미늄 및 기타 일반 재료로 만든 간단한 스크린을 설치하여 방사선이 완전히 흡수되었습니다.

가장 큰 위험 광선방사성 a 방출 요소 내부에 부딪혀 퇴적된 때를 나타냅니다. 이 경우 신체의 세포와 조직에 직접 a-선을 조사합니다.

베타(b)선- 약 100,000-300,000km/s의 속도로 원자핵에서 방출되는 전자의 흐름. p-입자의 최대 에너지 범위는 0.01~10 MeV입니다. b-입자의 전하는 전자의 전하와 부호 및 크기가 같습니다. b-붕괴 유형의 방사성 변환은 자연 및 인공 방사성 원소 사이에 널리 퍼져 있습니다.

B-레이 a-ray보다 훨씬 더 강력한 관통력을 가지고 있습니다. B-레이의 에너지에 따라 대기 범위는 밀리미터에서 수 미터에 이릅니다. 따라서 공기 중에서 2-3MeV의 에너지를 갖는 b-입자의 범위는 10-15m이고 물과 조직에서는 밀리미터 단위로 측정됩니다. 예를 들어, 조직에서 최대 에너지가 1.7MeV인 방사성 인(P32)에 의해 방출되는 b-입자의 범위는 8mm입니다.

에너지를 가진 b-입자, 1 MeV와 같으며 공기 중에 약 30,000 쌍의 이온을 형성할 수 있습니다. b 입자의 이온화 능력은 같은 에너지의 a 입자보다 몇 배나 적습니다.

B-레이 노출 b-입자를 체내로 방출하는 활성 물질을 섭취한 경우 외부 및 내부 조사로 신체에 나타날 수 있습니다. 외부 조사 시 b-선으로부터 보호하기 위해 재질(유리, 알루미늄, 납 등)로 만든 스크린을 사용해야 합니다. 방사선 강도는 소스로부터의 거리를 늘려서 줄일 수 있습니다.

핵은 무엇으로 구성되어 있습니까? 핵의 각 부분은 어떻게 결합되어 있습니까? 핵의 구성 요소를 유지하는 엄청난 크기의 힘이 있음이 밝혀졌습니다. 이러한 힘이 방출될 때 방출되는 에너지는 화학 에너지에 비해 엄청납니다. 원자 폭탄의 폭발과 TNT의 폭발을 비교하는 것과 같습니다. 이것은 원자 폭발이 핵 내부의 변화에 의해 일어나는 반면, TNT의 폭발 동안 원자의 외부 껍질에 있는 전자만이 재배열된다는 사실에 의해 설명됩니다.

그렇다면 핵에서 중성자와 양성자를 함께 유지하는 힘은 무엇입니까?

전기적 상호 작용은 입자(광자)와 관련이 있습니다. 유사하게, 유카와는 양성자와 중성자 사이의 인력이 특별한 종류의 필드를 가지며 이 필드의 진동이 입자처럼 거동한다고 제안했습니다. 이것은 중성자와 양성자 외에도 세계에 다른 입자가 있을 수 있음을 의미합니다. Yukawa는 이미 알려진 핵력의 특성에서 이러한 입자의 특성을 추론할 수 있었습니다. 예를 들어, 그는 전자보다 200-300배 더 큰 질량을 가져야 한다고 예측했습니다. 그리고, 오, 기적이군요!-이런 질량을 가진 입자가 방금 우주선에서 발견되었습니다! 그러나 조금 후에 이것은 전혀 같은 입자가 아니라는 것이 밝혀졌습니다. 그들은 그것을 뮤온 또는 뮤온이라고 불렀습니다.

그러나 조금 뒤인 1947년 또는 1948년에 유카와의 요구 사항을 충족하는 π-중간자 또는 파이온이라는 입자가 발견되었습니다. 핵력을 얻으려면 양성자와 중성자에 파이온을 더해야 한다는 것이 밝혀졌다. "아주 멋진! -당신은 외칠 것입니다.-이 이론의 도움으로 우리는 이제 양자 핵 역학을 구축하고 파이온은 Yukawa가 소개한 목적을 수행할 것입니다. 이 이론이 효과가 있는지 보자. 그렇다면 모든 것을 설명하겠다." 헛된 희망! 이 이론의 계산은 너무 복잡해서 아무도 아직 그것을 수행하고 이론에서 결과를 추출하지 못했고 아무도 그것을 실험과 비교할 운이 없었습니다. 그리고 그것은 거의 20년 동안 계속되었습니다!

이론에 맞지 않는 것이 있습니다. 우리는 그것이 사실인지 아닌지 모릅니다. 그러나 우리는 이미 그 안에 무언가 부족하고 어떤 불규칙성이 도사리고 있다는 것을 알고 있습니다. 우리가 이론을 짓밟고 결과를 계산하려고 노력하는 동안 실험자들은 이 시간 동안 무언가를 발견했습니다. 음, 같은 μ-meson 또는 muon입니다. 그리고 우리는 여전히 그것이 무엇에 좋은지 모릅니다. 다시 말하지만, 우주선에서 많은 "여분의" 입자가 발견되었습니다. 지금까지 이미 30 개가 넘었고 그들 사이의 연결은 여전히 파악하기 어렵고 자연이 그들에게 원하는 것이 무엇이며 어느 것이 누구에게 달려 있는지 명확하지 않습니다. 우리 앞에는 이 모든 입자가 아직 동일한 본질의 다른 표현으로 나타나지 않으며, 이질적인 입자의 무리가 있다는 사실은 허용 가능한 이론 없이 일관성 없는 정보의 존재를 반영한 것일 뿐입니다. 양자 전기역학의 부인할 수 없는 성공 이후 - 핵물리학의 일부 정보 세트, 지식의 스크랩, 반경험, 반이론. 예를 들어, 그들은 양성자와 중성자의 상호 작용의 본질에 대해 질문을 받고 이러한 힘이 어디에서 오는지 실제로 이해하지 못한 채 무엇이 올지 살펴 봅니다. 설명된 것 외에는 큰 진전이 없었습니다.

하지만 화학 원소결국, 또한 많았고 갑자기 그들 사이에 Mendeleev의 주기율표로 표현되는 연결을 볼 수있었습니다. 화학적 성질이 유사한 물질 인 칼륨과 나트륨이 테이블에서 하나의 열에 빠졌다고 가정 해 봅시다. 그래서 우리는 새로운 입자에 대해 주기율표와 같은 표를 만들어 보았습니다. 이러한 테이블 중 하나는 미국의 Gell-Mann과 일본의 Nishijima가 독립적으로 제안했습니다. 분류의 기초는 전하와 같은 새로운 숫자입니다. 그것은 각 입자에 할당되며 "이상함" S라고 불립니다. 이 숫자는 핵력에 의해 생성된 반응에서 변하지 않습니다(전하와 마찬가지로).

테이블에서. 2.2는 새로운 입자를 보여줍니다. 지금은 자세히 이야기하지 않겠습니다. 그러나 표는 적어도 우리가 아직 아는 것이 얼마나 적은지를 보여줍니다. 각 입자의 기호 아래에는 메가전자볼트 또는 MeV(1MeV는 1.782 * 10 -27 G). 우리는 이 부대를 도입하게 된 역사적 이유에 대해서는 다루지 않을 것입니다. 입자는 위의 표에서 더 큽니다. 한 열에는 동일한 전하의 입자가 있으며 중성 - 가운데, 양수 - 오른쪽, 음수 - 왼쪽입니다.

입자는 "공명"이라는 실선으로 밑줄이 그어져 있습니다. 표에는 입자가 전혀 없습니다. 광자와 중력자, 질량과 전하가 0인 매우 중요한 입자(바리온-중간자-렙톤 분류 체계에 속하지 않음)가 없으며 새로운 공명도 없습니다(φ , f, Y * 등.). 중간자의 반입자는 표에 나와 있으며 경입자 및 바리온의 반입자의 경우 이와 유사한 새 표를 컴파일해야 하지만 0 열에 대해서만 미러링됩니다. 전자, 중성미자, 광자, 중력자, 양성자를 제외한 모든 입자는 불안정하지만 이들의 붕괴 생성물은 공명에 대해서만 기록됩니다. 이 개념은 그들에게 적용되지 않기 때문에 경입자의 기이함도 기록되지 않았습니다. 그들은 핵과 강하게 상호 작용하지 않습니다.

중성자 및 양성자와 함께 있는 입자를 바리온이라고 합니다. 이것은 질량이 1115.4 MeV인 "람다"와 거의 동일한 질량을 가진 sigma-minus, sigma-zero, sigma-plus라고 하는 세 개의 다른 "시그마"입니다. 거의 같은 질량(1~2% 차이)의 입자 그룹을 다중선이라고 합니다. 다중선의 모든 입자는 동일한 기이함을 갖습니다. 첫 번째 다중선은 쌍(더블렛) 양성자-중성자이고, 다음으로 싱글렛(싱글) 람다가 오고, 그 다음에는 트리플렛(트리플) 시그마, 더블렛 xi 및 싱글렛 오메가-마이너스가 옵니다. 1961년부터 새로운 중입자가 발견되기 시작했습니다. 그러나 그것들은 입자입니까? 그것들은 수명이 너무 짧아서(형성되자마자 붕괴됨) 새로운 입자라고 부를지 아니면 붕괴 생성물 사이의 "공명" 상호작용으로 간주할지 알 수 없습니다. 에너지.

핵 상호 작용의 경우 바리온 외에도 중간자라는 다른 입자가 필요합니다. 이들은 먼저 새로운 삼중 항을 형성하는 세 가지 종류의 파이온 (플러스, 제로 및 마이너스)입니다. 새로운 입자도 발견되었습니다.+ 및 케이 0 ). 입자가 자신의 반입자가 아닌 한 모든 입자에는 반입자가 있습니다.+ 및 π- 서로의 반입자, π 0 자체 반입자입니다. 반입자 및 K- K + , K 0 과 K 0 `. 게다가 1961년 이후 우리는 거의 즉각적으로 붕괴하는 새로운 중간자, 즉 일종의 중간자를 발견하기 시작했습니다. 그러한 호기심 중 하나는 오메가, ω라고 불리며 질량은 783이며 세 개의 파이온으로 변합니다. 한 쌍의 파이온을 얻는 또 다른 형성이 있습니다.

일부 희토류가 매우 성공적인 주기율표에서 빠진 것처럼 일부 입자는 우리 테이블에서 떨어집니다. 이들은 핵과 강하게 상호 작용하지 않고 핵 상호 작용과 관련이 없으며 서로 강하게 상호 작용하지 않는 입자입니다 (강한 것은 원자 에너지를 제공하는 강력한 유형의 상호 작용으로 이해됩니다). 이러한 입자를 경입자라고 합니다. 여기에는 전자(0.51 MeV의 질량을 가진 매우 가벼운 입자)와 뮤온(전자의 206배 질량을 가진)이 포함됩니다. 모든 실험에서 판단할 수 있는 한 전자와 뮤온은 질량만 다릅니다. 뮤온의 모든 속성, 모든 상호 작용은 전자의 속성과 다르지 않습니다. 하나만이 다른 것보다 무겁습니다. 왜 더 무겁고, 어떤 좋은 점이 있는지, 우리는 모릅니다. 그 외에도 질량이 0 인 중성미자 인 중성 진드기도 있습니다. 게다가 이제 두 종류의 중성미자가 있다는 것이 알려져 있습니다. 하나는 전자와 관련이 있고 다른 하나는 뮤온과 관련이 있습니다.

마지막으로 핵과 상호 작용하지 않는 입자가 두 개 더 있습니다. 우리가 이미 알고 있는 것은 광자입니다. 그리고 만약 중력장이 양자 역학적 특성을 가지고 있다면 (중력의 양자 이론은 아직 개발되지 않았지만) 아마도 질량이 0인 중력자 입자도 있을 것입니다.

"질량 제로"란 무엇입니까? 우리가 준 질량은 정지해 있는 입자의 질량입니다. 입자의 질량이 0이면 감히 쉬지 않는다는 의미입니다. 광자는 절대 가만히 있지 않으며 속도는 항상 초당 300,000km입니다. 우리는 여전히 상대성 이론을 이해하고 질량 개념의 의미를 더 깊이 탐구하려고 노력할 것입니다.

그래서 우리는 물질의 매우 근본적인 부분인 것처럼 보이는 입자들의 전체 배열을 발견했습니다. 다행스럽게도 이러한 입자는 상호 작용이 서로 다르지 않습니다. 분명히 그들 사이에는 네 가지 유형의 상호 작용만 있습니다. 강도가 감소하는 순서대로 나열합니다: 핵력, 전기적 상호 작용, (β-붕괴 상호 작용 및 중력. 광자는 상수 1/137로 특징지어지는 힘으로 모든 하전 입자와 상호 작용합니다. 이 연결의 자세한 법칙은 알려져 있습니다. -이것은 양자 전기 역학입니다.중력은 모든 에너지와 상호 작용하지만 매우 약하고 전기보다 훨씬 약합니다.이 법칙은 알려져 있습니다.그런 다음 소위 약한 붕괴가 있습니다. β-붕괴로 인해 중성자가 매우 천천히 붕괴됩니다. 양성자, 전자 및 중성미자 여기에서 법칙이 명확해집니다 그리고 소위 강한 상호작용(중입자와 바리온의 결합)은 이 척도에서 1과 같은 힘을 가지며 그 법칙은 완전히 모호합니다. 어떤 반응에서도 중입자의 수가 변하지 않는다는 사실과 같은 규칙이 알려져 있습니다.

현대 물리학이 처한 상황은 끔찍한 것으로 간주되어야 합니다. 핵심을 벗어나면 우리는 모든 것을 알고 있는 것 같습니다. 그 안에는 양자 역학이 유효하며 그 원칙에 대한 위반은 발견되지 않았습니다.

우리의 모든 지식이 작동하는 무대는 상대론적 시공간입니다. 중력도 이와 연관되어 있을 수 있습니다. 우리는 우주가 어떻게 시작되었는지 알지 못하며 작은 거리에서 시공간에 대한 우리의 생각을 정확하게 테스트하기 위한 실험을 설정한 적이 없습니다. 우리는 이 거리 밖에서 우리의 견해가 오류가 없다는 것만 알고 있습니다. 게임의 규칙은 원칙이라고 덧붙일 수 있습니다. 양자 역학; 그리고 우리가 아는 한, 그것들은 이전 입자보다 나쁘지 않은 새 입자에 적용됩니다. 핵력의 기원에 대한 탐구는 우리를 새로운 입자로 이끈다. 그러나 이러한 모든 발견은 혼란을 야기할 뿐입니다. 우리는 이미 그들 사이의 몇 가지 놀라운 연결을 보았지만 그들의 상호 관계를 완전히 이해하지 못했습니다. 분명히 우리는 원자 너머의 입자 세계에 대한 이해에 점차 접근하고 있지만이 길을 얼마나 멀리 왔는지는 알 수 없습니다.

공칭 입자. 의학 용어로 b-입자라는 단어의 의미 A b 입자

표준모형의 소립자

게이지 대칭

전자약 이중성

힉스 등

힉스 메커니즘

애매한 입자

보손 펜

보이지 않는 짐승의 흔적

힉스 입자와 세상의 종말

분류

수명별

무게로

등의 사이즈

상호 작용 유형별

복합 입자

기본(구조가 없는) 입자

소립자의 크기

이야기

표준 모델

페르미온

반입자

쿼크