particulă nominală. Înțelesul cuvântului b-particle în termeni medicali A b particle

Au încercat să găsească bosonul Higgs de zeci de ani, dar până acum fără succes. Între timp, fără ea, prevederile cheie teoria modernă microcosmos atârnă în aer.

Studiul particulelor a început nu cu mult timp în urmă. În 1897, Joseph John Thomson a descoperit electronul, iar 20 de ani mai târziu Ernest Rutherford a dovedit că nucleele de hidrogen fac parte din nucleele altor elemente, iar mai târziu le-a numit protoni. În anii 1930, neutronul, muonul și pozitronul au fost descoperite și a fost prezisă existența neutrinului. În același timp, Hideki Yukawa a construit o teorie a forțelor nucleare purtate de particule ipotetice de sute de ori mai grele decât un electron, dar mult mai ușoare decât un proton (mezoni). În 1947 au fost găsite urme de descompunere a mezonului pi (pion) pe plăci fotografice expuse la razele cosmice. Ulterior, au fost descoperiți și alți mezoni, iar unii dintre ei sunt mai grei decât protonul, ci și nucleul de heliu. Fizicienii au descoperit, de asemenea, mulți barioni, rude grele și, prin urmare, instabile ale protonului și neutronului. Pe vremuri, toate aceste particule erau numite elementare, dar o astfel de terminologie a fost demult depășită. Acum doar particulele necompozite sunt considerate elementare - fermioni (cu jumătate de spin - leptoni și quarci) și bosoni (cu spin întreg - purtători de interacțiuni fundamentale).

Particule elementare ale modelului standard

Grupul fermionilor (cu spin semiîntreg) este format din leptoni și quarci din așa-numitele trei generații. Leptonii încărcați sunt electronul și omologii săi masivi, muonul și particula tau (și antiparticulele lor). Fiecare lepton are un partener neutru în persoana uneia dintre cele trei varietăți de neutrini (tot cu antiparticule). Familia bosonilor, al căror spin este 1, sunt particule care poartă interacțiuni între quarci și leptoni. Unii dintre ei nu au masă și sarcină electrică - aceștia sunt gluoni, care asigură legături interquark în mezoni și barioni, și fotoni, cuante ale câmpului electromagnetic. Interacțiunile slabe, manifestate în procesele de dezintegrare beta, sunt asigurate de un trio de particule masive - două încărcate și una neutră.

Denumirile individuale ale particulelor elementare și compuse nu sunt de obicei asociate cu numele unor oameni de știință specifici. Cu toate acestea, acum aproape 40 de ani, a fost prezisă o altă particulă elementară, care a fost numită după o persoană vie, fizicianul scoțian Peter Higgs. La fel ca purtătorii interacțiunilor fundamentale, are un spin întreg și aparține clasei bosonilor. Cu toate acestea, spinul său nu este 1, ci 0 și, în acest sens, nu are analogi. De zeci de ani, îl caută la cele mai mari acceleratoare - Tevatronul american, care a fost închis anul trecut, și Large Hadron Collider, care funcționează acum, sub controlul presei mondiale. La urma urmei, bosonul Higgs este foarte necesar pentru teoria modernă a microlumii - Modelul standard al particulelor elementare. Dacă nu poate fi găsit, prevederile cheie ale acestei teorii vor atârna în aer.

Simetrii de gabarit

Începutul căii către bosonul Higgs poate fi numărat dintr-un scurt articol publicat în 1954 de către fizicianul chinez Yang Zhenning, care s-a mutat în Statele Unite, și colegul său de la Laboratorul Național Brookhaven, Robert Mills. În acei ani, experimentatorii au descoperit tot mai multe particule noi, a căror abundență nu putea fi explicată în niciun fel. În căutarea unor idei promițătoare, Yang și Mills au decis să testeze posibilitățile unei simetrii foarte interesante, care este supusă electrodinamicii cuantice. Până atunci, această teorie și-a dovedit capacitatea de a da rezultate excelente în acord cu experiența. Adevărat, în cursul unor calcule apar infinite acolo, dar poți scăpa de ele folosind o procedură matematică numită renormalizare.

Simetria, care i-a interesat pe Yang și Mills, a fost introdusă în fizică în 1918 de către matematicianul german Hermann Weyl. El l-a numit un indicator, iar acest nume a supraviețuit până în zilele noastre. În electrodinamica cuantică, simetria gauge se manifestă prin faptul că funcția de undă a unui electron liber, care este un vector cu părți reale și imaginare, poate fi rotită continuu în fiecare punct din spațiu-timp (de aceea simetria se numește locală). ). Această operație (în limbajul formal - schimbarea fazei funcției de undă) duce la faptul că în ecuația de mișcare a electronului apar aditivi, care trebuie compensați pentru ca acesta să rămână valabil. Pentru a face acest lucru, acolo este introdus un termen suplimentar, care descrie câmpul electromagnetic care interacționează cu electronul. Cuantumul acestui câmp este un foton, o particulă fără masă cu un spin unitar. Astfel, existența fotonilor (precum și constanța sarcinii electronilor) rezultă din simetria locală gauge a ecuației electronilor liberi. Putem spune că această simetrie dictează că electronul interacționează cu câmpul electromagnetic. Orice schimbare de fază devine un act al unei astfel de interacțiuni - de exemplu, emisia sau absorbția unui foton.

Relația dintre simetria gauge și electromagnetism a fost descoperită încă din anii 1920, dar nu a trezit prea mult interes. Yang și Mills au fost primii care au folosit această simetrie pentru a construi ecuații care descriu particule de altă natură decât electronul. Ei au preluat cei doi „mai vechi” barioni - protonul și neutronul. Deși aceste particule nu sunt identice, în raport cu forțele nucleare ele se comportă aproape identic și au aproape aceeași masă. În 1932, Werner Heisenberg a arătat că protonul și neutronul pot fi considerate formal stări diferite ale aceleiași particule. Pentru a le descrie, el a introdus un nou număr cuantic - spinul izotopic. Deoarece forța puternică nu distinge între protoni și neutroni, ea conservă spinul izotopic total, la fel cum forța electromagnetică conservă sarcina electrică.

Yang și Mills s-au întrebat care transformări locale de gabarit păstrează simetria isospin. Era clar că nu puteau coincide cu transformările gauge ale electrodinamicii cuantice, fie doar pentru că deja vorbim despre două particule. Young și Mills au analizat totalitatea acestor transformări și au descoperit că ele generează câmpuri ale căror cuante se presupune că poartă interacțiunile dintre protoni și neutroni. Au fost trei cuante în acest caz: două încărcate (pozitiv și negativ) și una neutră. Aveau masa zero și spin unitar (adică erau bosoni vectoriali) și călătoreau cu viteza luminii.

Teoria câmpurilor B, așa cum le-au numit coautorii, a fost foarte frumoasă, dar nu a rezistat testului experienței. Bosonul B neutru a putut fi identificat cu fotonul, dar omologii săi încărcați au fost lăsați afară. Potrivit mecanicii cuantice, doar particulele virtuale suficient de masive pot fi mediatoare în transferul forțelor cu rază scurtă de acțiune. Raza forțelor nucleare nu depășește 10–13 cm, iar bosonii fără masă Yang și Mills în mod clar nu ar putea pretinde că sunt purtătorii lor. În plus, experimentatorii nu au detectat niciodată astfel de particule, deși, în principiu, bosonii încărcați fără masă sunt ușor de detectat. Yang și Mills au dovedit că simetriile locale de gabarit „pe hârtie” ar putea genera câmpuri de forță de natură non-electromagnetică, dar realitatea fizică a acestor câmpuri a fost o presupunere pură.

Dualitate electroslabă

Următorul pas către bosonul Higgs a fost făcut în 1957. În acel moment, teoreticienii (același Yang și Li Zundao) au presupus, iar experimentatorii au demonstrat, că paritatea nu este conservată în dezintegrarea beta (cu alte cuvinte, simetria oglinzii este încălcată). Acest rezultat neașteptat a interesat mulți fizicieni, printre care s-a numărat și Julian Schwinger, unul dintre fondatorii electrodinamicii cuantice. El a emis ipoteza că interacțiunile slabe dintre leptoni (știința nu ajunsese încă la quarci!) sunt purtate de trei bosoni vectoriali - un foton și o pereche de particule încărcate similare cu bosonii B. A rezultat că aceste interacțiuni sunt în parteneriat cu forțele electromagnetice. Schwinger nu s-a mai ocupat de această problemă, dar i-a sugerat-o studentului său absolvent Sheldon Glashow.

Lucrarea a durat patru ani. După un rând încercări eșuate Glashow a construit un model al interacțiunilor slabe și electromagnetice bazat pe unificarea simetriilor gauge ale câmpului electromagnetic și câmpurile Yang și Mills. În plus față de foton, prezenta încă trei bosoni vectoriali - doi încărcați și unul neutru. Cu toate acestea, aceste particule aveau din nou masa zero, ceea ce a creat o problemă. Raza unei interacțiuni slabe este cu două ordine de mărime mai mică decât cea a uneia puternice și cu atât mai mult necesită mediatori foarte masivi. În plus, prezența unui purtător neutru a necesitat posibilitatea unor tranziții beta care nu modifică sarcina electrică, iar la acel moment astfel de tranziții nu erau cunoscute. Din această cauză, după ce și-a publicat modelul la sfârșitul anului 1961, Glashow și-a pierdut interesul pentru unificarea forțelor slabe și electromagnetice și a trecut la alte subiecte.

Ipoteza lui Schwinger l-a interesat și pe teoreticianul pakistanez Abdus Salam, care, împreună cu John Ward, a construit un model asemănător cu cel al lui Glashow. El a întâlnit, de asemenea, lipsa de masă a bosonilor gauge și chiar a găsit o modalitate de a o elimina. Salam știa că masele lor nu pot fi introduse „cu mâna” pe măsură ce teoria devenea nenormabilă, dar spera să ocolească această dificultate prin ruperea spontană a simetriei, astfel încât soluțiile la ecuațiile de mișcare a bosonilor să nu aibă ecartamentul. simetria inerentă ecuațiilor în sine. Cu această sarcină, l-a interesat pe americanul Steven Weinberg.

Dar în 1961, fizicianul englez Geoffrey Goldstone a arătat asta în relativism teorii cuantice ruperea spontană a simetriei câmpului pare să genereze inevitabil particule fără masă. Salam și Weinberg au încercat să infirme teorema lui Goldstone, dar au consolidat-o doar în propria lor lucrare. Ghicitoarea părea de nerezolvat și s-au îndreptat către alte domenii ale fizicii.

Higgs și alții

Ajutorul a venit de la specialiști în fizica materiei condensate. În 1961, Yoichiro Nambu a remarcat că atunci când un metal normal intră într-o stare supraconductivă, prima simetrie este ruptă spontan, dar nu apar particule fără masă. Doi ani mai târziu, Philip Anderson, folosind același exemplu, a remarcat că, dacă câmpul electromagnetic nu se supune teoremei Goldstone, atunci același lucru poate fi de așteptat de la alte câmpuri gauge cu simetrie locală. El a prezis chiar că bosonii Goldstone și bosonii câmpului Yang și Mills s-ar putea anula cumva unul pe altul, lăsând în urmă particule masive.

Această predicție s-a dovedit a fi profetică. În 1964, a fost achitat de François Englert și Roger Broat, fizicieni de la Universitatea Liberă din Bruxelles, Peter Higgs și Jerry Guralnik, Robert Hagen și Thomas Kibble de la Imperial College London. Nu numai că au arătat că condițiile de aplicabilitate a teoremei Goldstone nu sunt îndeplinite în câmpurile Yang–Mills, dar au găsit și o modalitate de a furniza excitații acestor câmpuri cu o masă diferită de zero, care se numește acum mecanismul Higgs.

Aceste lucrări minunate au fost observate și apreciate în niciun caz imediat. Abia în 1967, Weinberg a construit un model unificat al interacțiunii electroslabe, în care trioul de bozoni vectori câștigă masă pe baza mecanismului Higgs, iar Salam a făcut același lucru un an mai târziu. În 1971, olandezii Martinus Veltman și Gerard "t Hooft au demonstrat că această teorie se pretează la renormalizare și, prin urmare, are o semnificație fizică clară. Ea a stat ferm pe picioare după 1973, când se afla într-o cameră cu bule. Gargamelle(CERN, Elveția) experimentatorii au înregistrat așa-numiții curenți neutri slabi, indicând existența unui boson intermediar neîncărcat (înregistrarea directă a tuturor celor trei bosoni vectori a fost efectuată la CERN abia în 1982–1983). Glashow, Weinberg și Salam au primit-o pentru ea Premiile Nobelîn 1979, Veltman și "t Hooft - în 1999. Această teorie (și odată cu ea bosonul Higgs) a fost multă vreme parte integrantă a modelului standard al particulelor elementare.

Mecanismul Higgs

Mecanismul Higgs se bazează pe câmpuri scalare cu cuante fără spin - bosonii Higgs. Se crede că au apărut la câteva momente după Big Bang și acum umplu întregul Univers. Astfel de câmpuri au cea mai mică energie la o valoare diferită de zero - aceasta este starea lor stabilă.

Se scrie adesea că particulele elementare dobândesc masă ca urmare a frânării de către câmpul Higgs, dar aceasta este o analogie prea mecanicistă. Teoria electroslabă implică patru câmpuri Higgs (fiecare cu cuante proprii) și patru bosoni vectoriali - doi neutri și doi încărcați, care ei înșiși nu au masă. Trei bosoni, ambii încărcați și unul neutru, absorb fiecare câte un Higgs și, ca urmare, dobândesc masă și capacitatea de a transporta forțe cu rază scurtă de acțiune (sunt notați prin simbolurile W + , W - și Z 0). Ultimul boson nu absoarbe nimic și rămâne fără masă - este un foton. Higg-urile „mâncate” sunt inobservabile (fizicienii le numesc „spirite”), în timp ce vărul lor al patrulea ar trebui observat la energii suficiente pentru nașterea lui. În general, acestea sunt exact procesele pe care Anderson a reușit să le prezică.

particulă evazivă

Primele încercări serioase de a prinde bosonul Higgs au fost făcute la începutul secolelor 20 și 21, la marele coliziune electron-pozitron ( Ciocnizor mare electron-pozitron, LEP) la CERN. Aceste experimente au fost cu adevărat cântecul lebedei al unei instalații remarcabile, pe care masele și durata de viață a bosonilor vectori grei au fost determinate cu o acuratețe fără precedent.

Modelul standard face posibilă prezicerea canalelor de creare și dezintegrare a bosonului Higgs, dar nu face posibilă calcularea masei acestuia (care, apropo, rezultă din capacitatea sa de a se autoforța). Conform celor mai generale estimări, acesta nu ar trebui să fie mai mic de 8–10 GeV și mai mult de 1000 GeV. Până la începutul sesiunilor de la LEP, majoritatea fizicienilor credeau că intervalul cel mai probabil a fost 100-250 GeV. Experimentele LEP au ridicat pragul inferior la 114,4 GeV. Mulți experți au crezut și cred că dacă acest accelerator ar fi funcționat mai mult și ar fi crescut energia fasciculelor care se ciocnesc cu zece procente (ceea ce era posibil din punct de vedere tehnic), bosonul Higgs ar fi putut fi înregistrat. Cu toate acestea, conducerea CERN nu a vrut să amâne lansarea Large Hadron Collider, care urma să fie construit în același tunel, iar la sfârșitul anului 2000 LEP a fost închis.

stilou boson

Numeroase experimente, unul după altul, au exclus posibilele intervale de masă ale bosonului Higgs. Pragul inferior a fost stabilit la acceleratorul LEP - 114,4 GeV. La Tevatron, au fost excluse masele care depășesc 150 GeV. Mai târziu, intervalele de masă au fost rafinate la 115-135 GeV, iar limita superioară a fost deplasată la 130 GeV la CERN la Large Hadron Collider. Deci bosonul Higgs al modelului standard, dacă există, este blocat în limite de masă destul de înguste.


Următoarele cicluri de căutare au fost efectuate la Tevatron (pe detectoarele CDF și DZero) și la LHC. După cum a spus Dmitri Denisov, unul dintre liderii colaborării DZero, premierului, Tevatron a început să colecteze statistici despre Higgs în 2007: „Deși a existat suficientă energie, au fost multe dificultăți. Ciocnirea electronilor și pozitronilor este cea mai „curată” modalitate de a prinde Higgs, deoarece aceste particule nu au o structură internă. De exemplu, în timpul anihilării unei perechi electron-pozitron de înaltă energie, se naște un boson Z 0, care emite Higgs fără niciun fundal (totuși, în acest caz, sunt posibile reacții și mai murdare). Noi, pe de altă parte, ne-am ciocnit cu protoni și antiprotoni, particule libere formate din quarci și gluoni. Astfel încât sarcina principală- evidențiați nașterea lui Higg pe fondul multor reacții similare. O problemă similară există pentru echipele LHC.”

Urme de fiare nevăzute

Există patru căi principale (așa cum spun fizicienii, canale) de naștere a bosonului Higgs.

Canalul principal este fuziunea gluonilor (gg) în ciocnirea protonilor și antiprotonilor, care interacționează prin bucle de quarci de top grei.
Al doilea canal este fuziunea bosonilor vectoriali virtuali WW sau ZZ(WZ) emisi si absorbiti de quarci.
Al treilea canal pentru producerea bosonului Higgs este așa-numita producție asociativă (împreună cu bosonul W sau Z). Acest proces este uneori numit Higgsstrahlung(asemănător cu termenul german bremsstrahlung- bremsstrahlung).
Și, în sfârșit, al patrulea este fuziunea unui cuarc de top și a unui antiquarc (producție asociativă împreună cu cuarcii de top, tt) din două perechi de cuarc de top-antiquarc generate de gluoni.


„În decembrie 2011, au venit noi mesaje de la LHC”, continuă Dmitri Denisov. - Au fost în căutarea cariilor Higgs fie pe top-cuarcul și antiquarcul său, care se anihilează și se transformă într-o pereche de cuante gamma, sau în doi bozoni Z 0, fiecare dintre care se descompun într-un electron și un pozitron sau un muon și un antimuon. Datele obținute sugerează că bosonul Higgs trage aproximativ 124–126 GeV, dar acest lucru nu este suficient pentru concluziile finale. Acum, atât colaborările noastre, cât și fizicienii de la CERN continuă să analizeze rezultatele experimentelor. Este posibil ca noi și ei să ajungem în curând la noi concluzii, care vor fi prezentate pe 4 martie la o conferință internațională din Alpii italieni și am un presentiment că nu vă veți plictisi acolo.”

Bosonul Higgs și sfârșitul lumii

Deci, anul acesta ne putem aștepta fie la descoperirea bosonului Higgs al Modelului Standard, fie la anularea lui, ca să spunem așa. Desigur, a doua opțiune va crea o nevoie de noi modele fizice, dar același lucru se poate întâmpla în primul caz! În orice caz, unul dintre cei mai autorizați experți în acest domeniu, John Ellis, profesor la King's College din Londra, crede că așa. În opinia sa, descoperirea unui boson Higgs „luminos” (nu mai mare de 130 GeV) va crea o problemă neplăcută pentru cosmologie. Va însemna că Universul nostru este instabil și într-o zi (poate chiar în orice moment) se va muta într-o nouă stare cu mai puțină energie. Atunci se va întâmpla sfârșitul lumii - chiar în cele din urmă sens deplin acest cuvânt. Rămâne de sperat că fie bosonul Higgs nu va fi găsit, fie Ellis se înșeală, fie că Universul va întârzia puțin sinuciderea.

Barionii (din grecescul "baris" - grele) sunt particule elementare grele, fermioni care interacționează puternic, constând din trei quarci. Cei mai stabili barioni sunt protonul și neutronul. Principalii barioni sunt: ​​proton (uud), antiproton, neutron (ddu), antineutron, hiperion lambda, hiperion sigma, hiperion xi, hiperion omega.

Angajații colaborării internaționale DZero de la Fermi National Accelerator Laboratory, care face parte din sistemul centrelor de cercetare din SUA, au descoperit o nouă particulă elementară, barionul. Particula, denumită „barion xi-bi-minus” (Ξ-b), este unică în felul său. Acesta nu este doar un alt barion care conține un cuarc b, ci prima particulă care conține trei cuarci din trei familii diferite - un cuarc d, un cuarc s și un cuarc b.

Mai are și un alt nume - „cascade-bi”. Un barion poartă o sarcină negativă și este de aproximativ șase ori mai mare decât un proton (masa particulelor 5,774±0,019 GeV).

Pentru a înregistra o nouă particulă, oamenii de știință au trebuit să analizeze urmele pe parcursul a cinci ani de funcționare a acceleratorului. Ca urmare, au fost găsite 19 evenimente care au indicat formarea unui nou barion.

Anterior, oamenii de știință au obținut deja un barion format din trei quarci diferiți - un barion lambda-bi, constând dintr-un quarc u-, d- și b-, dar conține doar două generații de quarci (vezi insertul).

Astfel, pentru prima dată în istoria fizicii energiilor înalte, a fost descoperit un barion format din quarci de trei generații sau familii. Bi-cascada constă dintr-un cuarc d (cuarcul „jos” aparținând primei familii), un cuarc s (cuarcul „ciudat”, a doua familie) și un cuarc b (cuarcul „farmec”, a treia familie). De aceea, noua particulă Ξ-b este cu adevărat unică.

Interesant, deși colaborarea se bazează la Fermilab, care are un accelerator Tevatron puternic, descoperirea actuală a fost făcută în Europa - la Large Electron-Positron Collider de la CERN (LEP)

Astfel, oamenii de știință își continuă căutarea la „etajul doi” al piramidei barionice, descoperind barioni care conțin un quarc „frumos” sau „de jos” (b).

Pentru prima dată astfel de particule primit tot o echipa de la Fermilab. Anul trecut, CDF International Collaboration, care desfășoară experimente la Laboratorul Național Accelerator Fermi al Departamentului de Energie, a anunțat descoperirea a două noi particule elementare aparținând clasei barionilor, numite Σ + b și Σ-b.

În experimente, fizicienii au ciocnit protonii cu antiprotonii, accelerându-i la Tevatron, cel mai puternic accelerator din acest moment.

Experimentele sunt efectuate la acest accelerator atunci când un fascicul de protoni cu o energie de 1 TeV se ciocnește cu un fascicul de antiprotoni de aceeași energie. Într-o coliziune cu o astfel de energie, a apărut un b-quark, care apoi, interacționând cu quarcii de protoni și antiprotoni, a format două noi particule.

Experimentul a înregistrat 103 evenimente asociate cu nașterea încărcată pozitiv particule u-u-b(Σ+b) și 134 de nașteri de încărcate negativ particule d-d-b(Σ-b). Pentru a detecta atât de multe evenimente, oamenii de știință au fost nevoiți să analizeze urmele a 100 de trilioane de coliziuni în cei cinci ani de funcționare a Tevatronului.

De la aproximativ 1000 de secunde (pentru un neutron liber) la o fracțiune neglijabilă de secundă (de la 10 −24 la 10 −22 s pentru rezonanțe).

Structura și comportamentul particulelor elementare este studiată de fizica particulelor elementare.

Toate particulele elementare se supun principiului identității (toate particulele elementare de același tip din Univers sunt complet identice în toate proprietățile lor) și principiului dualismului undelor corpusculare (fiecărei particule elementare îi corespunde o undă de Broglie).

Toate particulele elementare au proprietatea de interconvertibilitate, care este o consecință a interacțiunilor lor: puternice, electromagnetice, slabe, gravitaționale. Interacțiunile particulelor determină transformarea particulelor și a agregatelor lor în alte particule și agregate ale acestora, dacă astfel de transformări nu sunt interzise de legile conservării energiei, momentului, momentului unghiular, sarcină electrică, sarcină barionică etc.

Principalele caracteristici ale particulelor elementare: durata de viață , masă , spin , sarcină electrică , moment magnetic , sarcină barionică , sarcină leptonică , stranietate , spin izotopic , paritate , paritate sarcină , paritate G , paritate CP .

Clasificare

Pe timpul vieții

  • Particule elementare stabile - particule care au o durată de viață infinit de lungă în stare liberă (protoni, electroni, neutrini, fotoni și antiparticulele lor).
  • Particule elementare instabile - particule care se descompun în alte particule în stare liberă într-un timp finit (toate celelalte particule).

După greutate

Toate particulele elementare sunt împărțite în două clase:

  • Particule fără masă - particule cu masă zero (foton, gluon).
  • Particule cu masă diferită de zero (toate celelalte particule).

Dimensiunea spatelui

Toate particulele elementare sunt împărțite în două clase:

După tipul de interacțiune

Particulele elementare sunt împărțite în următoarele grupe:

Particule compozite

  • Hadronii sunt particule implicate în tot felul de interacțiuni fundamentale. Sunt formați din quarci și se împart, la rândul lor, în:
    • mezoni - hadroni cu spin întreg, adică bozoni;
    • barionii sunt hadroni cu spin semiîntreg, adică fermioni. Acestea includ, în special, particulele care alcătuiesc nucleul atomului - protoni și neutroni.

Particule fundamentale (fără structură).

  • Leptonii sunt fermioni care arată ca particule punctiforme (adică nu constau din nimic) până la scale de ordinul 10 -18 m. Ei nu participă la interacțiuni puternice. Participarea la interacțiuni electromagnetice a fost observată experimental numai pentru leptoni încărcați (electroni, muoni, leptoni tau) și nu a fost observată pentru neutrini. Sunt cunoscute 6 tipuri de leptoni.
  • Quarcii sunt particule încărcate fracțional care formează hadronii. Ele nu au fost observate în stare liberă (mecanismul de izolare a fost propus pentru a explica absența unor astfel de observații). La fel ca leptonii, ei sunt împărțiți în 6 tipuri și sunt considerați fără structură, cu toate acestea, spre deosebire de leptoni, ei participă la o interacțiune puternică.
  • Bosoni Gauge - particule prin schimbul cărora se realizează interacțiuni:
    • foton - o particulă care poartă interacțiune electromagnetică;
    • opt gluoni, particule care poartă forța puternică;
    • trei bosoni vectori intermediari W + , W− și Z 0, purtând interacțiune slabă;
    • gravitonul este o particulă ipotetică care poartă interacțiunea gravitațională. Existența gravitonilor, deși nu este încă demonstrată experimental din cauza slăbiciunii interacțiunii gravitaționale, este considerată destul de probabilă; cu toate acestea, gravitonul nu este inclus în modelul standard al particulelor elementare.

Dimensiunile particulelor elementare

În ciuda varietății mari de particule elementare, dimensiunile lor se potrivesc în două grupuri. Dimensiunile hadronilor (atât barionii, cât și mezonii) sunt de aproximativ 10 -15 m, ceea ce este aproape de distanța medie dintre quarcii lor. Dimensiunile particulelor fundamentale, fără structură - bosoni gauge, quarci și leptoni - în limitele erorii experimentale sunt în concordanță cu caracterul punctual al acestora (limita superioară a diametrului este de aproximativ 10-18 m) ( vezi explicatia). Dacă dimensiunile finale ale acestor particule nu sunt găsite în experimente ulterioare, atunci acest lucru poate indica faptul că dimensiunile bosonilor gauge, quarcilor și leptonilor sunt aproape de lungimea fundamentală (care se poate dovedi a fi lungimea Planck egală cu 1,6 10). −35 m) .

Trebuie remarcat, totuși, că dimensiunea unei particule elementare este un concept destul de complex, nu întotdeauna în concordanță cu conceptele clasice. În primul rând, principiul incertitudinii nu permite localizarea strictă a unei particule fizice. Pachetul de undă, reprezentând o particulă ca o suprapunere a stărilor cuantice precis localizate, are întotdeauna dimensiuni finite și o anumită structură spațială, iar dimensiunile pachetului pot fi destul de macroscopice - de exemplu, un electron într-un experiment cu interferență pe două fante „se simte” ambele fante de interferometru separate printr-o distanta macroscopica . În al doilea rând, o particulă fizică schimbă structura vidului în jurul ei, creând o „blană” de particule virtuale pe termen scurt - perechi fermion-antifermion (vezi Polarizarea vidului) și bozoni-purtători de interacțiuni. Dimensiunile spațiale ale acestei regiuni depind de sarcinile gauge pe care le posedă particula și de masele bosonilor intermediari (raza învelișului bosonilor virtuali masivi este apropiată de lungimea de undă a acestora Compton, care, la rândul său, este invers proporțională cu lor. masa). Deci, raza unui electron din punctul de vedere al neutrinilor (este posibilă doar o interacțiune slabă între ei) este aproximativ egală cu lungimea de undă Compton a bosonilor W, ~3 × 10 -18 m, și cu dimensiunile regiunii de interacțiunea puternică a unui hadron este determinată de lungimea de undă Compton a celui mai ușor dintre hadroni, pi-mezonul (~10 -15 m ), care acționează aici ca un purtător de interacțiune.

Poveste

Inițial, termenul „particulă elementară” însemna ceva absolut elementar, prima cărămidă de materie. Cu toate acestea, când în anii 1950 și 1960 au fost descoperiți sute de hadroni cu proprietăți similare, a devenit clar că cel puțin hadronii au grade interne de libertate, adică nu sunt, în sensul strict al cuvântului, elementare. Această suspiciune a fost confirmată ulterior când s-a dovedit că hadronii erau formați din quarci.

Astfel, fizicienii au intrat puțin mai adânc în structura materiei: cele mai elementare părți punctiforme ale materiei sunt acum considerate leptoni și quarci. Pentru ei (împreună cu bosonii gauge) termenul " fundamental particule”.

Teoria corzilor, care a fost dezvoltată activ de la mijlocul anilor 1980, presupune că particulele elementare și interacțiunile lor sunt consecințele diferite feluri vibraţiile unor „corzi” deosebit de mici.

model standard

Modelul standard al particulelor elementare include 12 arome de fermioni, antiparticulele lor corespunzătoare, precum și bosoni gauge (fotoni, gluoni, W- și Z-bosonii), care poartă interacțiuni între particule, și bosonul Higgs descoperit în 2012, care este responsabil pentru prezența masei inerțiale în particule. Cu toate acestea, modelul standard este în mare măsură privit ca o teorie temporară, mai degrabă decât una cu adevărat fundamentală, deoarece nu include gravitația și conține câteva zeci de parametri liberi (masa particulelor etc.) ale căror valori nu rezultă direct din teorie. Poate că există particule elementare care nu sunt descrise de modelul standard - de exemplu, cum ar fi gravitonul (o particulă care poartă ipotetic forțe gravitaționale) sau parteneri supersimetrici ai particulelor obișnuite. În total, modelul descrie 61 de particule.

Fermionii

Cele 12 arome de fermioni sunt împărțite în 3 familii (generații) a câte 4 particule fiecare. Șase dintre ele sunt quarci. Ceilalți șase sunt leptoni, dintre care trei sunt neutrini, iar restul de trei poartă o sarcină negativă unitară: electronul, muonul și leptonul tau.

Generații de particule
Prima generatie A doua generație a treia generatie
Electron: e- Muon: μ − Tau lepton: τ −
Neutrini electronici: v e Neutrinul muon: ν μ Neutrinul Tau: ν τ (\displaystyle \nu _(\tau ))
u-quark ("sus"): u c-quark („fermecat”): c t-quark ("adevărat"): t
d-quark ("de jos"): d s-quark ("ciudat"): s b-quark („fermecător”): b

antiparticule

Există, de asemenea, 12 antiparticule fermionice care corespund celor douăsprezece particule de mai sus.

antiparticule
Prima generatie A doua generație a treia generatie
Pozitron: e + Muon pozitiv: μ + Lepton tau pozitiv: τ +
Antineutrino electronic: ν ¯ e (\displaystyle (\bar (\nu ))_(e)) Antineutrino muon: ν ¯ μ (\displaystyle (\bar (\nu ))_(\mu )) Tau antineutrino: ν ¯ τ (\displaystyle (\bar (\nu ))_(\tau ))
u-antiquarc: u ¯ (\displaystyle (\bar(u))) c-antiquarc: c ¯ (\displaystyle (\bar (c))) t-antiquarc: t ¯ (\displaystyle (\bar(t)))
d-antiquarc: d ¯ (\displaystyle (\bar (d))) s-antiquarc: s ¯ (\displaystyle (\bar (s))) b-antiquarc: b ¯ (\displaystyle (\bar (b)))

Quarci

Cuarcii și antiquarcii nu au fost niciodată găsiți în stare liberă - acest lucru se explică prin fenomen

Raze alfa(a).- ioni de heliu încărcați pozitiv (He ++), care zboară din nucleele atomice cu o viteză de 14.000-20.000 km/h. Energia particulelor este de 4-9 MeV. radiaţia a se observă, de regulă, în elementele radioactive grele şi predominant naturale (radiu, toriu etc.). Intervalul unei particule a în aer crește odată cu creșterea energiei radiației a.

De exemplu, a-particule de toriu(Th232), având o energie de 3,9 V MeV, rulează 2,6 cm în aer, iar particulele a de radiu C cu o energie de 7,68 MeV au o lungime de 6,97 cm. Grosimea minimă a absorbantului necesară pentru absorbția completă a particulelor se numește rulează aceste particule într-o substanță dată. Intervalele particulelor a din apă și țesut sunt 0,02-0,06 mm.

a-particule absorbit complet de o bucată de hârtie absorbantă sau de un strat subțire de aluminiu. Unul dintre cele mai importante proprietăți radiația a este un efect ionizant puternic. Pe calea mișcării, o particulă a din gaze formează un număr mare de ioni. De exemplu, în aer la 15° și 750 mm de presiune, o particulă a produce 150.000-250.000 de perechi de ioni, în funcție de energia sa.

De exemplu, ionizarea specifică în aer particule a din radon, având o energie de 5,49 MeV, este de 2500 de perechi de ioni pe cale de 1 mm. Densitatea de ionizare la sfârșitul rulării cu particule α crește, astfel încât deteriorarea celulelor la sfârșitul rulării este de aproximativ 2 ori mai mare decât la începutul rulării.

Proprietăți fizice a-particule determinați caracteristicile efectului lor biologic asupra organismului și metodele de protecție împotriva acestui tip de radiații. Iradierea externă cu raze A nu este periculoasă, deoarece este suficient să vă îndepărtați de sursă cu câțiva (10-20) centimetri sau să instalați un ecran simplu din hârtie, țesătură, aluminiu și alte materiale comune, astfel încât radiația să fie complet absorbit.

cel mai bun raze A de pericol reprezintă atunci când sunt lovite și depuse în interiorul elementelor radioactive emițătoare de a. În aceste cazuri, celulele și țesuturile corpului sunt iradiate direct cu raze A.

Raze beta(b).- un flux de electroni ejectat din nucleele atomice cu o viteză de aproximativ 100.000-300.000 km/s. Energia maximă a particulelor p este în intervalul de la 0,01 la 10 MeV. Sarcina particulei b este egală ca semn și mărime cu sarcina electronului. Transformările radioactive de tip b-decay sunt larg răspândite printre elementele radioactive naturale și artificiale.

razele B au o putere de penetrare mult mai mare decât razele A. În funcție de energia razelor B, gama lor în aer variază de la fracțiuni de milimetru la câțiva metri. Astfel, intervalul de particule b cu o energie de 2-3 MeV în aer este de 10-15 m, iar în apă și țesut se măsoară în milimetri. De exemplu, intervalul de particule b emise de fosforul radioactiv (P32) cu o energie maximă de 1,7 MeV în țesut este de 8 mm.

b-particulă cu energie, egal cu 1 MeV, poate forma aproximativ 30.000 de perechi de ioni pe drumul său în aer. Capacitatea de ionizare a particulelor b este de câteva ori mai mică decât cea a particulelor a de aceeași energie.

Expunerea la raze B asupra organismului se poate manifesta atât prin iradiere externă cât și internă, în cazul ingestiei de substanțe active care emit particule b în organism. Pentru a proteja împotriva razelor B în timpul iradierii externe, este necesar să folosiți ecrane din materiale (sticlă, aluminiu, plumb etc.). Intensitatea radiației poate fi redusă prin creșterea distanței de la sursă.

Din ce sunt formate nucleele? Cum sunt ținute împreună părțile nucleului? S-a constatat că există forțe de o magnitudine enormă, care țin părțile constitutive ale nucleului. Când aceste forțe sunt eliberate, energia eliberată este uriașă în comparație cu energia chimică, este ca și cum ai compara explozia unei bombe atomice cu explozia TNT. Acest lucru se explică prin faptul că o explozie atomică este cauzată de modificări în interiorul nucleului, în timp ce în timpul exploziei TNT, doar electronii de pe învelișul exterior al atomului sunt rearanjați.

Deci, care sunt forțele care țin neutronii și protonii împreună în nucleu?

Interacțiunea electrică este asociată cu o particulă - un foton. În mod similar, Yukawa a sugerat că forțele atractive dintre un proton și un neutron au un tip special de câmp și că oscilațiile acestui câmp se comportă ca niște particule. Aceasta înseamnă că este posibil ca, pe lângă neutroni și protoni, să mai existe și alte particule în lume. Yukawa a reușit să deducă proprietățile acestor particule din caracteristicile deja cunoscute ale forțelor nucleare. De exemplu, el a prezis că ar trebui să aibă o masă de 200-300 de ori mai mare decât un electron. Și, o, un miracol! - o particulă cu o astfel de masă tocmai a fost descoperită în razele cosmice! Cu toate acestea, puțin mai târziu, s-a dovedit că aceasta nu era deloc aceeași particulă. L-au numit muon sau muon.

Și totuși, puțin mai târziu, în 1947 sau 1948, a fost descoperită o particulă, mezonul π, sau pionul, care a îndeplinit cerințele lui Yukawa. Se pare că, pentru a obține forțe nucleare, la proton și neutron trebuie adăugat un pion. "Minunat! - vei exclama.- Cu ajutorul acestei teorii, acum vom construi dinamica nucleară cuantică, iar pionii vor servi scopurilor pentru care Yukawa i-a introdus; Să vedem dacă această teorie funcționează și, dacă da, vom explica totul.” speranțe zadarnice! S-a dovedit că calculele din această teorie sunt atât de complicate încât nimeni nu a reușit încă să le facă și să extragă vreo consecință din teorie, nimeni nu a avut norocul să o compare cu experimentul. Și se întâmplă de aproape 20 de ani!

Ceva nu se lipește de teorie; nu știm dacă este adevărat sau nu; totuși, știm deja că ceva lipsește în el, că în el pândesc unele nereguli. În timp ce călcăm în picioare în jurul teoriei, încercând să calculăm consecințele, experimentatorii au descoperit ceva în acest timp. Ei bine, același μ-mezon, sau muon. Și încă nu știm la ce este bun. Din nou, multe particule „în plus” au fost găsite în razele cosmice. Până în prezent, sunt deja peste 30 dintre ele, iar legătura dintre ele este încă greu de înțeles și nu este clar ce vrea natura de la ei și care dintre ele depinde de cine. În fața noastră, toate aceste particule nu apar încă ca manifestări diferite ale aceleiași esențe, iar faptul că există o grămadă de particule disparate este doar o reflectare a prezenței unor informații incoerente fără o teorie tolerabilă. După succesele incontestabile ale electrodinamicii cuantice - un set de informații din fizica nucleară, fragmente de cunoștințe, semi-experimentate, semi-teoretice. Ei sunt întrebați, să zicem, de natura interacțiunii unui proton cu un neutron și se uită la ce va rezulta din el, fără a înțelege cu adevărat de unde provin aceste forțe. Dincolo de cele descrise, nu s-au înregistrat progrese semnificative.


Dar elemente chimice la urma urmei, au fost și mulți și, dintr-o dată, între ei a fost posibil să se vadă legătura exprimată de tabelul periodic al lui Mendeleev. Să presupunem că potasiul și sodiul - substanțe care sunt similare ca proprietăți chimice - din tabel au căzut într-o singură coloană. Deci, am încercat să construim un tabel ca tabelul periodic pentru particule noi. Un astfel de tabel a fost propus independent de Gell-Mann în SUA și Nishijima în Japonia. Baza clasificării lor este un număr nou, ca o sarcină electrică. Este atribuit fiecărei particule și se numește „ciudățenia” ei S. Acest număr nu se modifică (la fel ca și sarcina electrică) în reacțiile produse de forțele nucleare.

În tabel. 2.2 prezintă particule noi. Nu vom vorbi despre ele în detaliu deocamdată. Dar tabelul arată cel puțin cât de puține știm încă. Sub simbolul fiecărei particule se află masa acesteia, exprimată în anumite unități numite megaelectronvolți sau MeV (1 MeV este 1,782 * 10). -27 G). Nu vom intra în motivele istorice care au forțat introducerea acestei unități. Particulele sunt mai masive în tabelul de mai sus. Într-o coloană sunt particule cu aceeași sarcină electrică, neutre - la mijloc, pozitive - la dreapta, negative - la stânga.

Particulele sunt subliniate cu o linie continuă, „rezonanțe” - cu linii. Nu există deloc particule în tabel: nu există foton și graviton, particule foarte importante cu masă și sarcină zero (nu se încadrează în schema de clasificare barion-mezon-lepton) și nu există rezonanțe noi (φ , f, Y *, etc.). Antiparticulele mezonilor sunt date în tabel, iar pentru antiparticulele leptonilor și barionilor ar fi necesar să se întocmească un nou tabel similar cu acesta, dar doar oglindit față de coloana zero. Deși toate particulele, cu excepția electronului, neutrinului, fotonului, gravitonului și protonului, sunt instabile, produsele lor de dezintegrare sunt scrise doar pentru rezonanțe. De asemenea, ciudățenia leptonilor nu este scrisă, deoarece acest concept nu le este aplicabil - ei nu interacționează puternic cu nucleele.

Particulele care sunt împreună cu un neutron și un proton se numesc barioni. Aceasta este o „lambda” cu o masă de 1115,4 MeV și alte trei „sigma”, numite sigma-minus, sigma-zero, sigma-plus, cu aproape aceleași mase. Grupurile de particule de aproape aceeași masă (diferență cu 1-2%) sunt numite multiplete. Toate particulele dintr-un multiplet au aceeași ciudățenie. Primul multiplet este o pereche (dublet) proton - neutron, apoi vine singlet (single) lambda, apoi triplet (triplu) sigma, doublet xi și singlet omega-minus. Începând cu 1961, au început să fie descoperite noi particule grele. Dar sunt particule? Au o durată de viață atât de scurtă (se descompun de îndată ce sunt formate) încât nu se știe dacă să le numim particule noi sau să le considerăm o interacțiune „rezonantă” între produsele lor de descompunere, să zicem, Λ și π la unele fixe. energie.

Pentru interacțiunile nucleare, pe lângă barioni, sunt necesare și alte particule - mezoni. Acestea sunt, în primul rând, trei varietăți de pioni (plus, zero și minus), formând un nou triplet. Au fost găsite și noi particule - K-mezoni (acesta este un dublet K+ și K 0 ). Fiecare particulă are o antiparticulă, cu excepția cazului în care particula se întâmplă să fie propria antiparticulă, să spunem π+ și π- sunt antiparticulele reciproce, a π 0 este propria sa antiparticulă. Antiparticule și K- cu K + și K 0 cu K 0 `. În plus, după 1961 am început să descoperim noi mezoni, sau un fel de mezoni, care se degradează aproape instantaneu. O astfel de curiozitate se numește omega, ω, masa sa este 783, se transformă în trei pioni; mai exista o formatiune din care se obtine o pereche de pioni.

Așa cum unele pământuri rare au căzut din tabelul periodic de mare succes, la fel și unele particule cad din tabelul nostru. Acestea sunt particule care nu interacționează puternic cu nucleele, nu au nimic de-a face cu interacțiunea nucleară și, de asemenea, nu interacționează puternic între ele (puternic este înțeles ca un tip puternic de interacțiune care dă energie atomică). Aceste particule se numesc leptoni; acestea includ electronul (o particulă foarte ușoară cu o masă de 0,51 MeV) și muonul (cu o masă de 206 ori mai mare decât cea a unui electron). Din câte putem judeca din toate experimentele, electronul și muonul diferă doar în masă. Toate proprietățile muonului, toate interacțiunile sale nu diferă de proprietățile electronului - doar unul este mai greu decât celălalt. De ce este mai greu, ce bine face, nu știm. Pe lângă ele, există și un acarian neutru - un neutrin, cu o masă de zero. Mai mult, acum se știe că există două tipuri de neutrini: unul asociat cu electroni și celălalt cu muoni.

În cele din urmă, există încă două particule care, de asemenea, nu interacționează cu nucleele. Unul pe care îl știm deja este un foton; iar dacă câmpul gravitațional are și proprietăți mecanice cuantice (deși teoria cuantică a gravitației nu a fost încă dezvoltată), atunci, poate, există și o particulă graviton cu masă zero.

Ce este „masa zero”? Masele pe care le-am dat sunt masele particulelor în repaus. Dacă o particulă are masa zero, înseamnă că nu îndrăznește să se odihnească. Un foton nu stă niciodată pe loc, viteza lui este întotdeauna de 300.000 km/sec. Vom înțelege în continuare teoria relativității și vom încerca să aprofundăm în sensul conceptului de masă.

Așa că am întâlnit o serie întreagă de particule care împreună par să fie o parte foarte fundamentală a materiei. Din fericire, aceste particule nu diferă toate în interacțiunea lor între ele. Aparent, există doar patru tipuri de interacțiuni între ei. Le enumerăm în ordinea descrescătoare a puterii: forțe nucleare, interacțiuni electrice, (interacțiunea de dezintegrare β și gravitație. Un foton interacționează cu toate particulele încărcate cu o forță caracterizată de un număr constant 1/137. Legea detaliată a acestei conexiuni este cunoscută. - aceasta este electrodinamica cuantică.Gravația interacționează cu orice energie, dar extrem de slab, mult mai slab decât electricitatea.Și această lege este cunoscută.Apoi există așa-numitele dezintegrari slabe: β-decay, datorită căreia neutronul se descompune destul de lent în un proton, un electron și un neutrin.Aici legea este clarificată Și așa-numita interacțiune puternică (legătura unui mezon cu un barion) are o forță egală cu unu pe această scară, iar legea ei este complet obscură, deși unele sunt cunoscute reguli, precum faptul că numărul de barioni nu se modifică în nicio reacție.

Situația în care se află fizica modernă trebuie considerată teribilă. Aș rezuma în aceste cuvinte: în afara miezului, parcă știm totul; în interiorul ei, mecanica cuantică este valabilă, încălcări ale principiilor sale nu au fost găsite acolo.

Etapa pe care operează toate cunoștințele noastre este spațiu-timp relativist; este posibil ca gravitația să fie asociată și cu ea. Nu știm cum a început Universul și nu am pus niciodată la cale experimente pentru a ne testa cu acuratețe ideile despre spațiu-timp la distanțe mici, știm doar că în afara acestor distanțe vederile noastre sunt infailibile. S-ar mai putea adăuga că regulile jocului sunt principiile mecanica cuantică; și, din câte știm, se aplică particulelor noi nu mai rău decât celor vechi. Căutarea originii forțelor nucleare ne conduce la noi particule; dar toate aceste descoperiri nu fac decât să provoace confuzie. Nu avem o înțelegere completă a relațiilor lor reciproce, deși am văzut deja câteva conexiuni izbitoare între ei. Aparent, ne apropiem treptat de înțelegerea lumii particulelor atomice de dincolo, dar nu se știe cât de departe am mers pe această cale.