Partícula nominal. O significado da palavra partícula b em termos médicos Partículas A b

Eles vêm tentando encontrar o bóson de Higgs há décadas, mas até agora sem sucesso. Entretanto, sem ele, as principais disposições teoria moderna microcosmos pairam no ar.

O estudo das partículas começou não faz muito tempo. Em 1897, Joseph John Thomson descobriu o elétron e, 20 anos depois, Ernest Rutherford provou que os núcleos de hidrogênio fazem parte dos núcleos de outros elementos, e mais tarde os chamou de prótons. Na década de 1930, o nêutron, o múon e o pósitron foram descobertos e a existência de neutrinos foi prevista. Ao mesmo tempo, Hideki Yukawa construiu uma teoria de forças nucleares transportadas por partículas hipotéticas centenas de vezes mais pesadas que um elétron, mas muito mais leves que um próton (mésons). Em 1947, vestígios de decaimentos de mésons pi (píons) foram encontrados em placas fotográficas expostas a raios cósmicos. Mais tarde, outros mésons foram descobertos, alguns deles mais pesados ​​não só que o próton, mas também o núcleo do hélio. Os físicos também descobriram muitos bárions, parentes pesados ​​e, portanto, instáveis ​​do próton e do nêutron. Antigamente, todas essas partículas eram chamadas de elementares, mas essa terminologia está desatualizada há muito tempo. Hoje em dia, apenas partículas não compostas são consideradas elementares - férmions (com meio spin - léptons e quarks) e bósons (com spin inteiro - portadores de interações fundamentais).

Partículas elementares do Modelo Padrão

O grupo férmion (com spin meio inteiro) consiste em léptons e quarks das chamadas três gerações. Os léptons carregados são o elétron e suas contrapartes massivas, as partículas múon e tau (e suas antipartículas). Cada leptão tem um parceiro neutro na forma de um dos três tipos de neutrinos (também com antipartículas). A família de bósons de spin-1 são partículas que carregam interações entre quarks e léptons. Alguns deles não têm massa nem carga elétrica - são os glúons, que fornecem conexões interquarks em mésons e bárions, e fótons, quanta do campo eletromagnético. Interações fracas, que se manifestam em processos de decaimento beta, são fornecidas por um trio de partículas massivas - duas carregadas e uma neutra.

Os nomes individuais de partículas elementares e compostas geralmente não estão associados aos nomes de cientistas específicos. No entanto, há quase 40 anos, foi prevista outra partícula elementar, que recebeu o nome de uma pessoa viva, o físico escocês Peter Higgs. Assim como os portadores de interações fundamentais, possui spin inteiro e pertence à classe dos bósons. No entanto, seu spin não é 1, mas 0, e nesse aspecto não possui análogos. Há décadas eles o procuram nos maiores aceleradores - o americano Tevatron, que foi fechado no ano passado, e o Large Hadron Collider, que agora funciona sob a atenção da mídia mundial. Afinal, o bóson de Higgs é muito necessário para a teoria moderna do micromundo - o Modelo Padrão de partículas elementares. Se não puder ser descoberto, os princípios fundamentais desta teoria permanecerão no ar.

Simetrias de calibre

O início do caminho para o bóson de Higgs pode ser contado a partir de um breve artigo publicado em 1954 pelo físico chinês Yang Zhenning, que se mudou para os Estados Unidos, e seu colega do Laboratório Nacional de Brookhaven, Robert Mills. Naqueles anos, os experimentadores descobriram cada vez mais novas partículas, cuja abundância não podia ser explicada de forma alguma. Em busca de ideias promissoras, Young e Mills decidiram testar as possibilidades de uma simetria muito interessante que rege a eletrodinâmica quântica. Naquela época, essa teoria havia provado sua capacidade de produzir resultados que estavam em excelente concordância com os experimentos. É verdade que no decorrer de alguns cálculos aparecem infinitos, mas podem ser eliminados por meio de um procedimento matemático chamado renormalização.

A simetria, que interessou a Yang e Mills, foi introduzida na física em 1918 pelo matemático alemão Hermann Weyl. Ele o chamou de medidor, e esse nome sobreviveu até hoje. Na eletrodinâmica quântica, a simetria de calibre se manifesta no fato de que a função de onda de um elétron livre, que é um vetor com uma parte real e uma parte imaginária, pode ser girada continuamente em cada ponto do espaço-tempo (é por isso que a simetria é chamada de local). ). Esta operação (em linguagem formal - mudança de fase da função de onda) faz com que apareçam aditivos na equação de movimento do elétron, que devem ser compensados ​​​​para que ela permaneça válida. Para fazer isso, é introduzido um termo adicional que descreve o campo eletromagnético interagindo com o elétron. O quantum deste campo acaba sendo um fóton, uma partícula sem massa com spin unitário. Assim, da simetria de calibre local da equação do elétron livre, segue-se a existência de fótons (bem como a constância da carga do elétron). Podemos dizer que esta simetria instrui o elétron a interagir com o campo eletromagnético. Qualquer mudança de fase torna-se um ato dessa interação - por exemplo, a emissão ou absorção de um fóton.

A conexão entre a simetria de calibre e o eletromagnetismo foi identificada na década de 1920, mas não atraiu muito interesse. Young e Mills foram os primeiros a tentar usar essa simetria para construir equações que descrevem partículas de natureza diferente do elétron. Eles estudaram os dois bárions “mais antigos” – o próton e o nêutron. Embora estas partículas não sejam idênticas, no que diz respeito às forças nucleares elas se comportam de forma quase idêntica e têm quase a mesma massa. Em 1932, Werner Heisenberg mostrou que o próton e o nêutron podem ser formalmente considerados estados diferentes da mesma partícula. Para descrevê-los, ele introduziu um novo número quântico - spin isotópico. Como a força forte não diferencia prótons e nêutrons, ela preserva o spin isotópico completo, assim como a força eletromagnética preserva a carga elétrica.

Young e Mills perguntaram quais transformações de calibre locais preservam a simetria isospin. Estava claro que elas não poderiam coincidir com as transformações de calibre da eletrodinâmica quântica - até porque estávamos falando de duas partículas. Young e Mills analisaram um conjunto de tais transformações e descobriram que elas geram campos cujos quanta presumivelmente transferem interações entre prótons e nêutrons. Neste caso havia três quanta: dois carregados (positiva e negativamente) e um neutro. Eles tinham massa zero e spin unitário (ou seja, eram bósons vetoriais) e se moviam à velocidade da luz.

A teoria dos campos B, como os coautores os apelidaram, era muito bonita, mas não resistiu ao teste do experimento. O bóson B neutro pôde ser identificado com o fóton, mas seus irmãos carregados permaneceram fora de ação. De acordo com a mecânica quântica, apenas partículas virtuais suficientemente massivas podem mediar a transferência de forças de curto alcance. O raio das forças nucleares não excede 10-13 cm, e os bósons sem massa de Yang e Mills claramente não poderiam reivindicar ser seus portadores. Além disso, os experimentadores nunca detectaram tais partículas, embora, em princípio, bósons sem massa carregados sejam fáceis de detectar. Young e Mills provaram que simetrias de medida locais “no papel” poderiam gerar campos de força de natureza não eletromagnética, mas a realidade física desses campos era puramente uma hipótese.

Dualidade eletrofraca

O próximo passo em direção ao bóson de Higgs foi dado em 1957. Naquela época, os teóricos (os mesmos Yang e Li Zongdao) sugeriram, e os experimentadores provaram, que a paridade não é conservada durante os decaimentos beta (em outras palavras, a simetria do espelho é quebrada). Este resultado inesperado interessou a muitos físicos, entre os quais Julian Schwinger, um dos criadores da eletrodinâmica quântica. Ele levantou a hipótese de que as interações fracas entre os léptons (a ciência ainda não havia alcançado os quarks!) são transportadas por três bósons vetoriais - um fóton e um par de partículas carregadas semelhantes aos bósons B. Concluiu-se que essas interações estavam em parceria com forças eletromagnéticas. Schwinger não prosseguiu com esse problema, mas sugeriu-o ao seu aluno de graduação, Sheldon Glashow.

A obra durou quatro anos. Depois de uma briga tentativas malsucedidas Glashow construiu um modelo das interações fracas e eletromagnéticas baseado na unificação das simetrias de calibre do campo eletromagnético e dos campos de Yang e Mills. Além do fóton, apareceram mais três bósons vetoriais - dois carregados e um neutro. No entanto, estas partículas tinham novamente massa zero, o que criou um problema. A interação fraca tem um raio duas ordens de magnitude menor que a interação forte e, ainda mais, requer intermediários muito massivos. Além disso, a presença de uma portadora neutra exigia a possibilidade de transições beta que não alterassem a carga elétrica, e naquela época tais transições não eram conhecidas. Por conta disso, após publicar seu modelo no final de 1961, Glashow perdeu o interesse em unificar as forças fracas e eletromagnéticas e passou para outros temas.

A hipótese de Schwinger também interessou ao teórico paquistanês Abdus Salam, que, junto com John Ward, construiu um modelo semelhante ao modelo de Glashow. Ele também encontrou a falta de massa dos bósons de calibre e até descobriu uma maneira de eliminá-la. Salam sabia que suas massas não poderiam ser inseridas “manualmente”, já que a teoria estava se tornando não normalizável, mas ele esperava contornar essa dificuldade usando a quebra espontânea de simetria, para que as soluções para as equações do movimento dos bósons não tivessem a simetria de calibre inerente às próprias equações. Esta tarefa interessou ao americano Steven Weinberg.

Mas em 1961, o físico inglês Geoffrey Goldstone mostrou que em condições relativísticas teorias quânticas campo, a quebra espontânea de simetria parece gerar inevitavelmente partículas sem massa. Salam e Weinberg tentaram refutar o teorema de Goldstone, mas apenas o reforçaram em seu próprio trabalho. O mistério parecia intransponível e eles passaram para outras áreas da física.

Higgs e outros

A ajuda veio de especialistas em física da matéria condensada. Em 1961, Yoichiro Nambu observou que quando um metal normal transita para um estado supercondutor, a simetria anterior é quebrada espontaneamente, mas nenhuma partícula sem massa aparece. Dois anos depois, Philip Anderson, usando o mesmo exemplo, observou que se o campo eletromagnético não obedece ao teorema de Goldstone, então o mesmo pode ser esperado de outros campos de calibre com simetria local. Ele até previu que os bósons de Goldstone e os bósons de campo de Yang e Mills poderiam de alguma forma se cancelar, deixando para trás partículas massivas.

Esta previsão revelou-se profética. Em 1964, ele foi absolvido pelos físicos da Universidade Livre de Bruxelas François Englert e Roger Braut, Peter Higgs e pelos funcionários do Imperial College London Jerry Guralnik, Robert Hagen e Thomas Kibble. Eles não apenas mostraram que as condições para a aplicabilidade do teorema de Goldstone não são atendidas nos campos de Yang-Mills, mas também encontraram uma maneira de fornecer massa diferente de zero às excitações desses campos, que agora é chamado de mecanismo de Higgs.

Essas obras maravilhosas não foram imediatamente notadas e apreciadas. Somente em 1967 Weinberg construiu um modelo unificado de interação eletrofraca, no qual um trio de bósons vetoriais ganha massa com base no mecanismo de Higgs, e um ano depois Salam fez o mesmo. Em 1971, os holandeses Martinus Veltman e Gerard 't Hooft provaram que esta teoria é renormalizável e, portanto, tem um significado físico claro. Ela se manteve firme depois de 1973, quando em uma câmara de bolhas Gargamela(CERN, Suíça), os experimentadores registraram as chamadas correntes neutras fracas, indicando a existência de um bóson intermediário sem carga (o registro direto de todos os três bósons vetoriais foi realizado no CERN apenas em 1982-1983). Glashow, Weinberg e Salam receberam por isso prémios Nobel em 1979, Veltman e 't Hooft - em 1999. Esta teoria (e com ela o bóson de Higgs) há muito se tornou parte integrante do Modelo Padrão de partículas elementares.

Mecanismo de Higgs

O mecanismo de Higgs é baseado em campos escalares com quanta sem spin - bósons de Higgs. Acredita-se que tenham surgido momentos após o Big Bang e agora preenchem todo o Universo. Esses campos têm a energia mais baixa em um valor diferente de zero - este é o seu estado estável.

Costuma-se escrever que as partículas elementares adquirem massa como resultado da frenagem pelo campo de Higgs, mas esta é uma analogia muito mecanicista. A teoria da interação eletrofraca envolve quatro campos de Higgs (cada um com seus próprios quanta) e quatro bósons vetoriais - dois neutros e dois carregados, que não têm massa. Três bósons, ambos carregados e um neutro, absorvem um Higgs cada e, como resultado, adquirem massa e a capacidade de transferir forças de curto alcance (são denotados pelos símbolos W +, W – e Z 0). O último bóson não absorve nada e permanece sem massa – é um fóton. Os Higgs “comidos” são inobserváveis ​​(os físicos os chamam de “fantasmas”), enquanto seu quarto irmão deveria ser observado com energias suficientes para seu nascimento. Em geral, esses são exatamente os processos que Anderson conseguiu prever.

Partícula indescritível

As primeiras tentativas sérias de capturar o bóson de Higgs foram feitas na virada dos séculos 20 e 21 no Grande Colisor de Elétrons-Positrons ( Grande Colisor Elétron-Positron, LEP) no CERN. Estas experiências tornaram-se verdadeiramente o canto do cisne desta notável instalação, na qual as massas e os tempos de vida dos bósons vectoriais pesados ​​foram determinados com uma precisão sem precedentes.

O modelo padrão permite prever os canais de produção e decaimento do bóson de Higgs, mas não permite calcular sua massa (que, aliás, decorre de sua capacidade de autointeração). De acordo com as estimativas mais gerais, não deve ser inferior a 8–10 GeV e superior a 1000 GeV. No início das sessões do LEP, a maioria dos físicos acreditava que o intervalo mais provável era de 100–250 GeV. Os experimentos LEP aumentaram o limite inferior para 114,4 GeV. Muitos especialistas acreditavam e ainda acreditam que se esse acelerador tivesse funcionado por mais tempo e aumentado a energia dos feixes em colisão em dez por cento (o que era tecnicamente possível), o bóson de Higgs teria sido detectado. No entanto, a gestão do CERN não quis atrasar o lançamento do Large Hadron Collider, que seria construído no mesmo túnel, e no final de 2000 o LEP foi encerrado.

Curral de bósons

Numerosos experimentos, um após o outro, descartaram possíveis faixas de massa para o bóson de Higgs. No acelerador LEP, o limite inferior foi definido em 114,4 GeV. No Tevatron, foram excluídas massas superiores a 150 GeV. Mais tarde, as faixas de massa foram refinadas para o intervalo de 115–135 GeV, e no CERN, no Large Hadron Collider, o limite superior foi alterado para 130 GeV. Portanto, o bóson de Higgs do Modelo Padrão, se existir, está confinado a limites de massa bastante estreitos.


Os seguintes ciclos de busca foram realizados no Tevatron (nos detectores CDF e DZero) e no LHC. Como disse à PM Dmitry Denisov, um dos líderes da colaboração DZero, a Tevatron começou a coletar estatísticas sobre o Higgs em 2007: “Embora houvesse energia suficiente, houve muitas dificuldades. A colisão de elétrons e pósitrons é a forma “mais limpa” de capturar Higgs, porque essas partículas não possuem estrutura interna. Por exemplo, durante a aniquilação de um par elétron-pósitron de alta energia, nasce um bóson Z 0, que emite um Higgs sem qualquer fundo (no entanto, neste caso, reações ainda mais sujas são possíveis). Colidimos prótons e antiprótons, partículas soltas compostas de quarks e glúons. Então a tarefa principal- destacar o nascimento do Higgs no contexto de muitas reações semelhantes. As equipes do LHC têm um problema semelhante.”

Vestígios de feras invisíveis

Existem quatro formas principais (como dizem os físicos, canais) de nascimento do bóson de Higgs.

O canal principal é a fusão de glúons (gg) na colisão de prótons e antiprótons, que interagem através de loops de quarks top pesados.
O segundo canal é a fusão dos bósons vetoriais virtuais WW ou ZZ (WZ), emitidos e absorvidos pelos quarks.
O terceiro canal de produção do bóson de Higgs é a chamada produção associativa (juntamente com o bóson W ou Z). Este processo às vezes é chamado Higgstrahlung(por analogia com o termo alemão Bremstrahlung- Bremsstrahlung).
E finalmente, a quarta é a fusão de um quark top e um antiquark (criação associativa junto com quarks top, tt) a partir de dois pares quark top-antiquark gerados por glúons.


“Em dezembro de 2011, chegaram novas mensagens do LHC”, continua Dmitry Denisov. - Eles procuraram por decaimentos de Higgs por principal-quark e seu antiquark, que se aniquilam e se transformam em um par de gama quanta, ou em dois bósons Z 0, cada um dos quais decai em um elétron e um pósitron ou um múon e um antimúon. Os dados obtidos sugerem que o bóson de Higgs está puxando cerca de 124–126 GeV, mas isso não é suficiente para tirar conclusões definitivas. Agora, tanto as nossas colaborações como os físicos do CERN continuam a analisar os resultados das experiências. É possível que nós e eles cheguemos em breve a novas conclusões, que serão apresentadas no dia 4 de março numa conferência internacional nos Alpes italianos, e tenho a sensação de que não ficaremos entediados lá.”

O bóson de Higgs e o fim do mundo

Assim, este ano podemos esperar ou a descoberta do bóson de Higgs do Modelo Padrão, ou o seu, por assim dizer, cancelamento. É claro que a segunda opção criará a necessidade de novos modelos físicos, mas isso também pode acontecer no primeiro caso! Em todo caso, é o que pensa um dos especialistas mais respeitados na área, o professor do King's College London John Ellis. Na sua opinião, a descoberta de um bóson de Higgs “leve” (não mais massivo que 130 GeV) criará um problema desagradável para a cosmologia. Isso significará que nosso Universo é instável e algum dia (talvez a qualquer momento) fará a transição para um novo estado com menos energia. Então o fim do mundo acontecerá - no próprio significado completo esta palavra. Só podemos esperar que o bóson de Higgs não seja encontrado, ou que Ellis esteja enganado, ou que o Universo adie um pouco o suicídio.

Bárions (do grego “baris” - pesados) são partículas elementares pesadas, férmions de forte interação, consistindo de três quarks. Os bárions mais estáveis ​​são o próton e o nêutron. Os principais bárions incluem: próton (uud), antipróton, nêutron (ddu), antinêutron, hiperion lambda, hiperion sigma, hiperion xi, hiperion ômega.

Funcionários da colaboração internacional DZero no Fermi National Accelerator Laboratory, que faz parte dos centros de pesquisa dos EUA, descobriram uma nova partícula bárion elementar. A partícula, chamada “xi-bi-menos bárion” (Ξ-b), é única à sua maneira. Este não é apenas mais um bárion contendo um quark b, mas a primeira partícula contendo três quarks de três famílias diferentes - o quark d, o quark s e o quark b.

Também tem outro nome - “cascade-bi”. O bárion carrega carga negativa e tem massa aproximadamente seis vezes maior que o próton (massa da partícula 5,774±0,019 GeV).

Para registrar uma nova partícula, os cientistas tiveram que analisar rastros ao longo de cinco anos de operação do acelerador. Com isso, foi possível detectar 19 eventos que indicavam a formação de um novo bárion.

Anteriormente, os cientistas já haviam obtido um bárion composto por três quarks diferentes - um bárion lambda-bi, composto por um quark u-, d- e b-, mas contém apenas duas gerações de quarks (ver inserção).

Assim, pela primeira vez na história da física de altas energias, foi descoberto um bárion constituído por quarks de três gerações ou famílias. A bi-cascata consiste em um quark d (um quark "down", pertencente à primeira família), um quark s (um quark "estranho", a segunda família) e um quark b (um quark "bonito", a terceira família). É por isso que a nova partícula Ξ-b é verdadeiramente única.

Curiosamente, embora a colaboração seja baseada no Fermilab, que possui um poderoso acelerador Tevatron, a descoberta atual foi feita na Europa – no Grande Colisor de Elétrons-Positrons do CERN (LEP).

Assim, os cientistas continuam a sua pesquisa no “segundo andar” da pirâmide bariónica, descobrindo bárions contendo um quark “precioso” ou “inferior” (b).

Pela primeira vez tais partículas recebido também uma equipe do Fermilab. No ano passado, a Colaboração Internacional CDF, que conduz experimentos no Laboratório Nacional de Aceleradores Fermi do Departamento de Energia dos EUA, anunciou a descoberta de duas novas partículas elementares pertencentes à classe dos bárions. As partículas foram denominadas Σ+b e Σ-b.

Em experimentos, os físicos colidiram prótons com antiprótons, acelerando-os no acelerador Tevatron, o mais poderoso até hoje.

Neste acelerador são realizados experimentos de colisão de um feixe de prótons com energia de 1 TeV com um contra-feixe de antiprótons de mesma energia. Ao colidir com tal energia, apareceu um quark b, que então, interagindo com quarks de prótons e antiprótons, formou duas novas partículas.

O experimento registrou 103 eventos associados ao nascimento de cargas positivas partículas u-u-b(Σ+b) e 134 nascimentos de cargas negativas partículas ddb(Σ-b). Para detectar um número tão grande de eventos, os cientistas tiveram que analisar rastros de 100 trilhões de colisões ao longo de cinco anos de operação do Tevatron.

De aproximadamente 1000 segundos (para um nêutron livre) a uma fração insignificante de segundo (de 10 −24 a 10 −22 s para ressonâncias).

A estrutura e o comportamento das partículas elementares são estudados pela física de partículas.

Todas as partículas elementares estão sujeitas ao princípio da identidade (todas as partículas elementares do mesmo tipo no Universo são completamente idênticas em todas as suas propriedades) e ao princípio do dualismo partícula-onda (cada partícula elementar corresponde a uma onda de De Broglie).

Todas as partículas elementares possuem a propriedade de interconversibilidade, que é consequência de suas interações: forte, eletromagnética, fraca, gravitacional. As interações de partículas causam transformações de partículas e suas coleções em outras partículas e suas coleções, se tais transformações não forem proibidas pelas leis de conservação de energia, momento, momento angular, carga elétrica, carga bariônica, etc.

Principais características das partículas elementares: tempo de vida, massa, spin, carga elétrica, momento magnético, carga bariônica, carga leptônica, estranheza, spin isotópico, paridade, paridade de carga, paridade G, paridade CP.

Classificação

Por toda a vida

  • Partículas elementares estáveis ​​são partículas que têm uma vida útil infinitamente longa no estado livre (próton, elétron, neutrino, fóton e suas antipartículas).
  • Partículas elementares instáveis ​​são partículas que decaem em outras partículas em estado livre em um tempo finito (todas as outras partículas).

Por peso

Todas as partículas elementares são divididas em duas classes:

  • Partículas sem massa são partículas com massa zero (fóton, glúon).
  • Partículas com massa diferente de zero (todas as outras partículas).

Pela maior parte de trás

Todas as partículas elementares são divididas em duas classes:

Por tipo de interação

As partículas elementares são divididas nos seguintes grupos:

Partículas compostas

  • Hádrons são partículas que participam de todos os tipos de interações fundamentais. Eles consistem em quarks e são divididos, por sua vez, em:
    • os mésons são hádrons com spin inteiro, ou seja, são bósons;
    • bárions são hádrons com spin meio inteiro, ou seja, férmions. Estes, em particular, incluem as partículas que constituem o núcleo de um átomo - próton e nêutron.

Partículas fundamentais (sem estrutura)

  • Os léptons são férmions que têm a forma de partículas pontuais (ou seja, não consistem em nada) até escalas da ordem de 10 a 18 m. Eles não participam de interações fortes. A participação em interações eletromagnéticas foi observada experimentalmente apenas para léptons carregados (elétrons, múons, léptons tau) e não foi observada para neutrinos. Existem 6 tipos conhecidos de léptons.
  • Quarks são partículas com carga fracionada que fazem parte dos hádrons. Não foram observados no estado livre (foi proposto um mecanismo de confinamento para explicar a ausência de tais observações). Assim como os léptons, eles são divididos em 6 tipos e são considerados sem estrutura, porém, diferentemente dos léptons, participam de interações fortes.
  • Bósons de calibre são partículas através das quais as interações são realizadas:
    • o fóton é uma partícula que carrega interação eletromagnética;
    • oito glúons – partículas que carregam a força forte;
    • três bósons vetoriais intermediários C + , C- e Z 0, que tolera interação fraca;
    • gráviton é uma partícula hipotética que carrega a força gravitacional. A existência de grávitons, embora ainda não comprovada experimentalmente devido à fragilidade da interação gravitacional, é considerada bastante provável; entretanto, o gráviton não está incluído no Modelo Padrão de partículas elementares.

Tamanhos de partículas elementares

Apesar da grande variedade de partículas elementares, seus tamanhos se enquadram em dois grupos. Os tamanhos dos hádrons (bárions e mésons) são de cerca de 10-15 m, o que está próximo da distância média entre os quarks neles incluídos. Os tamanhos das partículas fundamentais sem estrutura - bósons de calibre, quarks e léptons - dentro do erro experimental são consistentes com sua natureza pontual (o limite superior do diâmetro é de cerca de 10 −18 m) ( veja a explicação). Se em experiências posteriores os tamanhos finais destas partículas não forem descobertos, então isto pode indicar que os tamanhos dos bósons de calibre, quarks e léptons estão próximos do comprimento fundamental (que muito provavelmente pode acabar sendo o comprimento de Planck igual a 1,6 10 −35m).

Deve-se notar, entretanto, que o tamanho de uma partícula elementar é um conceito bastante complexo que nem sempre é consistente com os conceitos clássicos. Em primeiro lugar, o princípio da incerteza não permite localizar estritamente uma partícula física. Um pacote de ondas, que representa uma partícula como uma superposição de estados quânticos precisamente localizados, sempre tem dimensões finitas e uma certa estrutura espacial, e as dimensões do pacote podem ser bastante macroscópicas - por exemplo, um elétron em um experimento com interferência em dois fendas “sente” ambas as fendas do interferômetro, separadas por uma distância macroscópica. Em segundo lugar, uma partícula física altera a estrutura do vácuo ao seu redor, criando uma “capa” de partículas virtuais de curto prazo - pares férmion-antiférmion (ver Polarização do vácuo) e bósons que carregam interações. As dimensões espaciais desta região dependem das cargas manométricas possuídas pela partícula e das massas dos bósons intermediários (o raio da casca dos bósons virtuais massivos é próximo ao seu comprimento de onda Compton, que, por sua vez, é inversamente proporcional ao seu massa). Assim, o raio de um elétron do ponto de vista dos neutrinos (apenas uma interação fraca é possível entre eles) é aproximadamente igual ao comprimento de onda Compton dos bósons W, ~3 × 10 −18 m, e as dimensões da região de A forte interação do hádron é determinada pelo comprimento de onda Compton do mais leve dos hádrons, o méson pi (~10 -15 m), atuando aqui como um portador de interação.

História

Inicialmente, o termo “partícula elementar” significava algo absolutamente elementar, o primeiro tijolo de matéria. Porém, quando centenas de hádrons com propriedades semelhantes foram descobertos nas décadas de 1950 e 1960, ficou claro que os hádrons pelo menos possuem graus de liberdade internos, ou seja, não são elementares no sentido estrito da palavra. Esta suspeita foi posteriormente confirmada quando se descobriu que os hádrons consistem em quarks.

Assim, os físicos se aprofundaram um pouco mais na estrutura da matéria: os léptons e os quarks são agora considerados as partes mais elementares e pontuais da matéria. Para eles (juntamente com os bósons de calibre) o termo “ fundamental partículas".

Na teoria das cordas, que tem sido ativamente desenvolvida desde meados da década de 1980, assume-se que as partículas elementares e as suas interações são consequências. Vários tipos vibrações de “cordas” especialmente pequenas.

Modelo padrão

O Modelo Padrão de partículas elementares inclui 12 sabores de férmions, suas antipartículas correspondentes, bem como bósons de calibre (fótons, glúons, C- E Z-bósons), que carregam interações entre partículas, e o bóson de Higgs, descoberto em 2012, que é responsável pela presença de massa inercial nas partículas. No entanto, o Modelo Padrão é amplamente visto como uma teoria temporária e não verdadeiramente fundamental, uma vez que não inclui a gravidade e contém várias dezenas de parâmetros livres (massas de partículas, etc.), cujos valores não decorrem diretamente de a teoria. Talvez existam partículas elementares que não são descritas pelo Modelo Padrão - por exemplo, como o gráviton (uma partícula que hipoteticamente carrega forças gravitacionais) ou parceiros supersimétricos de partículas comuns. No total, o modelo descreve 61 partículas.

Férmions

Os 12 sabores dos férmions são divididos em 3 famílias (gerações) de 4 partículas cada. Seis deles são quarks. Os outros seis são léptons, três dos quais são neutrinos, e os três restantes carregam uma carga negativa unitária: o elétron, o múon e o tau lépton.

Gerações de partículas
Primeira geração Segunda geração Terceira geração
Elétron: e- Múon: μ − Tau lépton: τ −
Neutrino de elétron: você Neutrino de múon: ν μ Neutrino tau: ν τ (\displaystyle \nu _(\tau ))
u-quark (“para cima”): você c-quark (“encantado”): c t-quark (“verdadeiro”): t
d-quark (“para baixo”): d s-quark (“estranho”): é b-quark (“adorável”): b

Antipartículas

Existem também 12 antipartículas fermiônicas correspondentes às doze partículas acima.

Antipartículas
Primeira geração Segunda geração Terceira geração
pósitron: e+ Múon positivo: μ + Tau lépton positivo: τ +
Antineutrino de elétrons: ν ¯ e (\displaystyle (\bar (\nu ))_(e)) Antineutrino de múon: ν ¯ μ (\displaystyle (\bar (\nu ))_(\mu )) Antineutrino Tau: ν ¯ τ (\displaystyle (\bar (\nu ))_(\tau ))
você-Antiguidade: você ¯ (\ displaystyle (\ barra (u))) c-Antiguidade: c ¯ (\displaystyle (\bar (c))) t-Antiguidade: t ¯ (\ displaystyle (\ bar (t)))
d-Antiguidade: d ¯ (\displaystyle (\bar (d))) é-Antiguidade: s ¯ (\ displaystyle (\ barra (s))) b-Antiguidade: b ¯ (\ displaystyle (\ barra (b)))

Quarks

Quarks e antiquarks nunca foram descobertos em estado livre - isso é explicado pelo fenômeno

Raios alfa (a)- íons de hélio carregados positivamente (He++), voando para fora dos núcleos atômicos a uma velocidade de 14.000-20.000 km/h. A energia da partícula é de 4-9 MeV. A radiação α é observada, via de regra, a partir de elementos radioativos pesados ​​​​e predominantemente naturais (rádio, tório, etc.). O alcance de uma partícula alfa no ar aumenta com o aumento da energia da radiação alfa.

Por exemplo, partículas a de tório(Th232), com energia de 3,9 MeV, viaja 2,6 cm no ar, e partículas a de rádio C com energia de 7,68 MeV têm alcance de 6,97 cm. A espessura mínima do absorvedor necessária para a absorção completa das partículas é chamado de intervalo dessas partículas em uma determinada substância. Os intervalos de partículas alfa na água e nos tecidos são de 0,02 a 0,06 mm.

partículas a são completamente absorvidos por um pedaço de papel de seda ou por uma fina camada de alumínio. Um de as propriedades mais importantes A radiação α tem um forte efeito ionizante. Ao longo do caminho do movimento, uma partícula alfa nos gases forma um grande número de íons. Por exemplo, no ar a 15° e 750 mm de pressão, uma partícula alfa produz 150.000-250.000 pares de íons, dependendo de sua energia.

Por exemplo, ionização específica no ar partículas a do radônio, com uma energia de 5,49 MeV, é de 2.500 pares de íons por 1 mm de caminho. A densidade de ionização no final do caminho das partículas α aumenta, de modo que o dano às células no final do caminho é aproximadamente 2 vezes maior do que no início do caminho.

Propriedades físicas partículas a determinar as características de seu efeito biológico no corpo e métodos de proteção contra esse tipo de radiação. A irradiação externa com raios A não representa perigo, pois basta afastar-se alguns (10-20) centímetros da fonte ou instalar uma simples tela de papel, tecido, alumínio e outros materiais comuns para que a radiação é completamente absorvido.

O melhor perigo dos raios A representam quando ingeridos e depositados dentro de elementos radioativos emissores de a. Nestes casos, ocorre a irradiação direta das células e tecidos do corpo com raios A.

Raios beta (b)- um fluxo de elétrons ejetados dos núcleos atômicos a uma velocidade de aproximadamente 100.000-300.000 km/s. A energia máxima das partículas p varia de 0,01 a 10 MeV. A carga de uma partícula b é igual em sinal e magnitude à carga de um elétron. As transformações radioativas, como o decaimento b, são comuns entre os elementos radioativos naturais e artificiais.

raios B têm um poder de penetração significativamente maior em comparação com os raios A. Dependendo da energia dos raios B, seu alcance no ar varia de frações de milímetro a vários metros. Assim, o alcance das partículas B com energia de 2-3 MeV no ar é de 10-15 m, e na água e nos tecidos é medido em milímetros. Por exemplo, a faixa de partículas b emitidas pelo fósforo radioativo (P32) com energia máxima de 1,7 MeV no tecido é de 8 mm.

partícula b com energia, igual a 1 MeV, pode formar cerca de 30.000 pares de íons ao longo de seu caminho no ar. A capacidade ionizante das partículas b é várias vezes menor do que a das partículas a com a mesma energia.

Exposição a raios B no corpo pode se manifestar tanto durante a irradiação externa quanto interna, se substâncias ativas que emitem partículas b entrarem no corpo. Para proteção contra raios B durante irradiação externa, é necessário utilizar telas feitas de materiais (vidro, alumínio, chumbo, etc.). A intensidade da radiação pode ser reduzida aumentando a distância da fonte.

De que são feitos os grãos? O que mantém as partes do núcleo unidas? Foi descoberto que existem forças de enorme magnitude que mantêm unidas as partes constituintes do núcleo. Quando essas forças são liberadas, a energia liberada é enorme comparada à energia química, é como comparar a explosão de uma bomba atômica com a explosão de TNT. Isto é explicado pelo fato de que uma explosão atômica é causada por mudanças dentro do núcleo, enquanto durante uma explosão de TNT apenas os elétrons na camada externa do átomo são reorganizados.

Então, quais são as forças que mantêm nêutrons e prótons juntos no núcleo?

A interação elétrica está associada a uma partícula - um fóton. Da mesma forma, Yukawa propôs que as forças de atração entre um próton e um nêutron têm um tipo especial de campo, e as vibrações desse campo se comportam como partículas. Isso significa que é possível que, além de nêutrons e prótons, existam algumas outras partículas no mundo. Yukawa conseguiu deduzir as propriedades dessas partículas a partir das características já conhecidas das forças nucleares. Por exemplo, ele previu que eles deveriam ter uma massa 200-300 vezes maior que a do elétron. Oh, um milagre! - uma partícula com essa massa foi descoberta em raios cósmicos! No entanto, um pouco mais tarde descobriu-se que esta não era a mesma partícula. Eles o chamaram de méson μ, ou múon.

E, no entanto, um pouco mais tarde, em 1947 ou 1948, foi descoberta uma partícula - um méson π, ou píon - que satisfez os requisitos de Yukawa. Acontece que para obter forças nucleares, um píon deve ser adicionado ao próton e ao nêutron. "Maravilhoso! - você exclama. - Com a ajuda desta teoria, construiremos agora a dinâmica nuclear quântica, e os píons servirão aos propósitos para os quais Yukawa os introduziu; Vamos ver se essa teoria funciona e, em caso afirmativo, explicaremos tudo.” Vãs esperanças! Descobriu-se que os cálculos nesta teoria são tão complexos que ninguém ainda conseguiu fazê-los e tirar quaisquer consequências da teoria; ninguém teve a sorte de compará-la com a experiência. E isso vem acontecendo há quase 20 anos!

Algo não funciona com a teoria; não sabemos se é verdade ou não; porém, já sabemos que falta alguma coisa nela, que nela estão escondidas algumas irregularidades. Enquanto caminhávamos pela teoria, tentando calcular as consequências, os experimentadores descobriram algo durante esse período. Bem, o mesmo μ-meson, ou múon. E ainda não sabemos para que serve. Novamente, muitas partículas “extras” foram encontradas nos raios cósmicos. Hoje já são mais de 30, mas a ligação entre eles ainda é difícil de compreender e não está claro o que a natureza quer deles e qual deles depende de quem. Todas essas partículas ainda não nos aparecem como manifestações diferentes da mesma essência, e o fato de haver um monte de partículas díspares é apenas um reflexo da presença de informações incoerentes sem uma teoria tolerável. Após os sucessos inegáveis ​​​​da eletrodinâmica quântica - algum conjunto de informações da física nuclear, fragmentos de conhecimento, meio experimental, meio teórico. Eles perguntam, digamos, a natureza da interação entre um próton e um nêutron e vêem o que resulta disso, sem realmente compreender de onde vêm essas forças. Não houve sucessos significativos além dos descritos.


Mas elementos químicos afinal, também eram muitos, e de repente foi possível perceber a ligação entre eles, expressa pela tabela periódica de Mendeleev. Digamos que o potássio e o sódio – substâncias com propriedades químicas semelhantes – estejam na mesma coluna da tabela. Então, tentamos construir uma tabela como a tabela periódica para novas partículas. Uma tabela semelhante foi proposta independentemente por Gell-Mann nos EUA e Nishijima no Japão. A base de sua classificação é um novo número, como uma carga elétrica. É atribuído a cada partícula e é chamado de “estranheza” S. Este número não muda (assim como a carga elétrica) nas reações produzidas por forças nucleares.

Na tabela 2.2 mostra novas partículas. Não falaremos sobre eles em detalhes por enquanto. Mas a tabela pelo menos mostra o quão pouco ainda sabemos. Abaixo do símbolo de cada partícula está sua massa, expressa em certas unidades chamadas megaelétron-volts, ou MeV (1 MeV é 1,782 * 10 -27 G). Não entraremos nas razões históricas que obrigaram à introdução desta unidade. Partículas mais massivas estão listadas no topo da tabela. Em uma coluna existem partículas da mesma carga elétrica, as neutras ficam no meio, as positivas ficam à direita, as negativas ficam à esquerda.

As partículas são sublinhadas com uma linha sólida, “ressonâncias” com traços. Algumas partículas não estão na tabela: não existem fótons e grávitons, partículas muito importantes com massa e carga zero (elas não se enquadram no esquema de classificação bárion-méson-lépton), também não existem algumas das ressonâncias mais recentes (φ, f, Y*, etc.). As antipartículas de mésons são dadas na tabela, mas para as antipartículas de léptons e bárions seria necessário compilar uma nova tabela, semelhante a esta, mas apenas espelhada em relação à coluna zero. Embora todas as partículas, exceto o elétron, neutrino, fóton, gráviton e próton, sejam instáveis, seus produtos de decaimento são registrados apenas para ressonâncias. A estranheza dos léptons também não está registrada, pois esse conceito não se aplica a eles - eles não interagem fortemente com os núcleos.

As partículas que ficam juntas com o nêutron e o próton são chamadas de bárions. Trata-se de um “lambda” com massa de 1115,4 MeV e três outros “sigmas”, chamados sigma-menos, sigma-zero, sigma-plus, com quase as mesmas massas. Grupos de partículas com quase a mesma massa (diferença de 1-2%) são chamados de multipletos. Todas as partículas de um multipleto têm a mesma estranheza. O primeiro multipleto é um par (dupleto) próton - nêutron, depois há um singleto (único) lambda, depois um tripleto (três) sigma, dupleto xi e singleto ômega-menos. A partir de 1961, novas partículas pesadas começaram a ser descobertas. Mas serão partículas? Eles vivem tão pouco (decaem assim que surgem) que não se sabe se devemos chamá-los de novas partículas ou considerá-los como uma interação “ressonante” entre seus produtos de decaimento, digamos, Λ e π em alguma energia fixa.

Para interações nucleares, além dos bárions, são necessárias outras partículas - mésons. São, em primeiro lugar, três variedades de peônias (mais, zero e menos), formando um novo trio. Novas partículas também foram encontradas - mésons K (este é um dupleto K+ e K 0 ). Cada partícula tem uma antipartícula, a menos que a partícula seja sua própria antipartícula, digamos π+ e π - - antipartículas uma da outra, a π 0 -sua própria antipartícula. Antipartículas e K- com K + e K 0 com K 0 `. Além disso, depois de 1961, começamos a descobrir novos mésons, ou mésons de classificação, que decaem quase instantaneamente. Uma dessas curiosidades se chama ômega, ω, sua massa é 783, se transforma em três píons; Existe outra formação da qual se obtém um par de peônias.

Assim como algumas terras raras caíram da bem-sucedida tabela periódica, da mesma forma algumas partículas caíram da nossa tabela. Estas são as partículas que não interagem fortemente com os núcleos, não têm nada a ver com a interação nuclear e não interagem fortemente entre si (por forte entende-se um tipo poderoso de interação que fornece energia atômica). Essas partículas são chamadas de léptons; estes incluem o elétron (uma partícula muito leve com massa de 0,51 MeV) e o múon (com massa 206 vezes a massa do elétron). Pelo que podemos julgar por todos os experimentos, o elétron e o múon diferem apenas em massa. Todas as propriedades do múon, todas as suas interações não são diferentes das propriedades do elétron - apenas uma é mais pesada que a outra. Por que é mais pesado, que benefícios terá, não sabemos. Além deles, existe também um ácaro neutro – um neutrino, de massa zero. Além disso, sabe-se agora que existem dois tipos de neutrinos: alguns associados a eletrões e outros associados a muões.

E, finalmente, existem mais duas partículas que também não interagem com os núcleos. Já conhecemos um - este é um fóton; e se o campo gravitacional também tiver propriedades da mecânica quântica (embora a teoria quântica da gravidade ainda não tenha sido desenvolvida), então talvez exista uma partícula de gráviton com massa zero.

O que é “massa zero”? As massas que citamos são as massas das partículas em repouso. Se uma partícula tem massa zero, isso significa que ela não ousa descansar. O fóton nunca fica parado; sua velocidade é sempre de 300.000 km/s. Também compreenderemos a teoria da relatividade e tentaremos nos aprofundar no significado do conceito de massa.

Então, encontramos todo um sistema de partículas, que juntas, aparentemente, são uma parte fundamental da matéria. Felizmente, essas partículas não são todas diferentes em suas interações umas com as outras. Aparentemente, existem apenas quatro tipos de interações entre eles. Vamos listá-los em ordem decrescente de força: forças nucleares, interações elétricas, (interação de decaimento β e gravidade. Um fóton interage com todas as partículas carregadas com uma força caracterizada por algum número constante 1/137. A lei detalhada desta conexão é conhecido - isso é eletrodinâmica quântica. A gravidade interage com toda a energia, mas de forma extremamente fraca, muito mais fraca que a eletricidade. E essa lei é conhecida. Depois, há os chamados decaimentos fracos: decaimento β, devido ao qual o nêutron decai muito lentamente em um próton, um elétron e um neutrino. Aqui a lei é esclarecida apenas parcialmente.E a chamada interação forte (a conexão de um méson com um bárion) tem uma força nesta escala igual à unidade, e sua lei é completamente obscura, embora algumas regras sejam conhecidas, como o fato de o número de bárions não mudar em nenhuma reação.

A situação em que se encontra a física moderna deve ser considerada terrível. Eu resumiria nestas palavras: fora do núcleo parecemos saber tudo; A mecânica quântica é válida dentro dela; nenhuma violação de seus princípios foi encontrada ali.

O palco em que opera todo o nosso conhecimento é o espaço-tempo relativista; É possível que a gravidade também esteja associada a ela. Não sabemos como o Universo começou, e nunca realizámos experiências para testar com precisão as nossas ideias sobre o espaço-tempo em distâncias curtas, só sabemos que para além destas distâncias as nossas visões são infalíveis. Poderíamos também acrescentar que as regras do jogo são princípios mecânica quântica; e, tanto quanto sabemos, aplicam-se às partículas novas da mesma forma que às antigas. A busca pela origem das forças nucleares nos leva a novas partículas; mas todas essas descobertas apenas causam confusão. Não temos uma compreensão completa das suas relações mútuas, embora já tenhamos visto algumas ligações notáveis ​​entre eles. Aparentemente, estamos gradualmente nos aproximando de uma compreensão do mundo das partículas subatômicas, mas não se sabe até onde avançamos nesse caminho.