En física, las partículas elementales eran objetos físicos a escala del núcleo atómico que no se podían dividir en sus partes componentes. Sin embargo, hoy los científicos han logrado dividir algunos de ellos. La estructura y propiedades de estos pequeños objetos se estudian mediante la física de partículas.
Las partículas más pequeñas que componen toda la materia se conocen desde la antigüedad. Sin embargo, se considera que los fundadores del llamado “atomismo” fueron el filósofo griego Leucipo y su alumno más famoso, Demócrito. Se supone que este último acuñó el término “átomo”. Del griego antiguo "átomos" se traduce como "indivisible", lo que determina las opiniones de los filósofos antiguos.
Más tarde se supo que el átomo todavía se puede dividir en dos objetos físicos: el núcleo y el electrón. Esta última se convirtió posteriormente en la primera partícula elemental, cuando en 1897 el inglés Joseph Thomson realizó un experimento con rayos catódicos y descubrió que eran una corriente de partículas idénticas con la misma masa y carga.
Paralelamente al trabajo de Thomson, Henri Becquerel, que estudia los rayos X, realiza experimentos con uranio y descubre un nuevo tipo de radiación. En 1898, una pareja de físicos franceses, Marie y Pierre Curie, estudiaron varias sustancias radiactivas y descubrieron la misma radiación radiactiva. Más tarde se descubriría que estaba formado por partículas alfa (2 protones y 2 neutrones) y partículas beta (electrones), y Becquerel y Curie recibirían el Premio Nobel. Mientras realizaba sus investigaciones con elementos como el uranio, el radio y el polonio, Marie Sklodowska-Curie no tomó ninguna medida de seguridad, ni siquiera el uso de guantes. Como resultado, en 1934 la leucemia la superó. En memoria de los logros del gran científico, el elemento descubierto por la pareja Curie, el polonio, recibió el nombre de la patria de María, Polonia, del latín, Polonia.
Foto del V Congreso Solvay 1927. Intenta encontrar a todos los científicos de este artículo en esta foto.
Desde 1905, Albert Einstein ha dedicado sus publicaciones a la imperfección de la teoría ondulatoria de la luz, cuyos postulados estaban en desacuerdo con los resultados de los experimentos. Lo que posteriormente llevó al destacado físico a la idea de un "cuanto de luz", una porción de luz. Posteriormente, en 1926, el físico-químico estadounidense Gilbert N. Lewis lo llamó “fotón”, traducido del griego “phos” (“luz”).
En 1913, Ernest Rutherford, un físico británico, basándose en los resultados de experimentos ya realizados en ese momento, señaló que las masas de los núcleos de muchos elementos químicos son múltiplos de la masa del núcleo de hidrógeno. Por tanto, asumió que el núcleo de hidrógeno es un componente de los núcleos de otros elementos. En su experimento, Rutherford irradió un átomo de nitrógeno con partículas alfa, que como resultado emitieron una determinada partícula, llamada por Ernest "protón", de los otros griegos "protos" (primero, principal). Posteriormente se confirmó experimentalmente que el protón es un núcleo de hidrógeno.
Evidentemente, el protón no es el único componente de los núcleos de los elementos químicos. Esta idea se debe al hecho de que dos protones en el núcleo se repelen y el átomo se desintegraría instantáneamente. Por lo tanto, Rutherford planteó la hipótesis de la presencia de otra partícula, que tiene una masa igual a la masa de un protón, pero que no tiene carga. Algunos experimentos de los científicos sobre la interacción de elementos radiactivos y más ligeros los llevaron al descubrimiento de otra nueva radiación. En 1932, James Chadwick determinó que se compone de esas partículas muy neutras que llamó neutrones.
Así se descubrieron las partículas más famosas: fotón, electrón, protón y neutrón.
Además, el descubrimiento de nuevos objetos subnucleares se ha convertido en un acontecimiento cada vez más frecuente y actualmente se conocen unas 350 partículas, que generalmente se consideran "elementales". Aquellos que aún no se han dividido se consideran carentes de estructura y se denominan “fundamentales”.
¿Qué es el giro?
Antes de seguir adelante con nuevas innovaciones en el campo de la física, es necesario determinar las características de todas las partículas. Los más conocidos, además de la masa y la carga eléctrica, también incluyen el espín. Esta cantidad también se denomina “momento angular intrínseco” y no tiene ninguna relación con el movimiento del objeto subnuclear en su conjunto. Los científicos pudieron detectar partículas con espín 0, ½, 1, 3/2 y 2. Para visualizar, aunque simplificado, el espín como una propiedad de un objeto, consideremos el siguiente ejemplo.
Supongamos que un objeto tenga un giro igual a 1. Entonces dicho objeto, cuando se gire 360 grados, volverá a su posición original. En un avión, este objeto puede ser un lápiz, que, tras un giro de 360 grados, acabará en su posición original. En el caso de giro cero, no importa cómo gire el objeto, siempre se verá igual, por ejemplo, una bola de un solo color.
Para realizar ½ giro, necesitarás un objeto que conserve su apariencia cuando se gira 180 grados. Puede ser el mismo lápiz, solo que afilado simétricamente por ambos lados. Un giro de 2 requerirá que se mantenga la forma cuando se gire 720 grados, y un giro de 3/2 requerirá 540.
Esta característica es muy importante para la física de partículas.
Modelo estándar de partículas e interacciones.
Teniendo un impresionante conjunto de microobjetos que componen el mundo que nos rodea, los científicos decidieron estructurarlos, y así se formó la conocida estructura teórica llamada “Modelo Estándar”. Describe tres interacciones y 61 partículas utilizando 17 fundamentales, algunas de las cuales predijo mucho antes del descubrimiento.
Las tres interacciones son:
- Electromagnético. Ocurre entre partículas cargadas eléctricamente. En un caso sencillo, conocido en la escuela, los objetos con carga opuesta se atraen y los objetos con carga similar se repelen. Esto sucede a través del llamado portador de interacción electromagnética: el fotón.
- Fuerte, también conocida como interacción nuclear. Como su nombre indica, su acción se extiende a objetos del orden del núcleo atómico; es responsable de la atracción de protones, neutrones y otras partículas formadas también por quarks. La interacción fuerte la llevan a cabo los gluones.
- Débil. Eficaz a distancias mil menores que el tamaño del núcleo. En esta interacción participan leptones y quarks, así como sus antipartículas. Además, en el caso de una interacción débil, pueden transformarse entre sí. Los portadores son los bosones W+, W− y Z0.
Entonces el Modelo Estándar se formó de la siguiente manera. Incluye seis quarks, a partir de los cuales se componen todos los hadrones (partículas sujetas a interacciones fuertes):
- Superior(u);
- Encantado (c);
- verdadero(t);
- Inferior (d);
- Extraños;
- Adorable (b).
Está claro que los físicos tienen muchos epítetos. Las otras 6 partículas son leptones. Se trata de partículas fundamentales con espín ½ que no participan en la interacción fuerte.
- Electrón;
- neutrino electrónico;
- Muón;
- neutrino muónico;
- leptón tau;
- Neutrino tau.
Y el tercer grupo del Modelo Estándar son los bosones de calibre, que tienen un espín igual a 1 y se representan como portadores de interacciones:
- Gluón – fuerte;
- Fotón – electromagnético;
- Bosón Z - débil;
- El bosón W es débil.
Estos también incluyen la partícula spin-0 recientemente descubierta, que, en pocas palabras, imparte masa inerte a todos los demás objetos subnucleares.
Como resultado, según el Modelo Estándar, nuestro mundo se ve así: toda la materia consta de 6 quarks, que forman hadrones, y 6 leptones; Todas estas partículas pueden participar en tres interacciones, cuyos portadores son los bosones de calibre.
Desventajas del modelo estándar
Sin embargo, incluso antes del descubrimiento del bosón de Higgs, la última partícula predicha por el Modelo Estándar, los científicos habían ido más allá de sus límites. Un ejemplo sorprendente de esto es el llamado. "interacción gravitacional", que está a la par de otras hoy en día. Presumiblemente, su portador es una partícula con espín 2, que no tiene masa y que los físicos aún no han podido detectar: el "gravitón".
Además, el modelo estándar describe 61 partículas, y hoy en día la humanidad ya conoce más de 350 partículas. Esto significa que el trabajo de los físicos teóricos no ha terminado.
Clasificación de partículas
Para facilitarles la vida, los físicos han agrupado todas las partículas según sus características estructurales y otras características. La clasificación se basa en los siguientes criterios:
- Toda la vida.
- Estable. Estos incluyen protones y antiprotones, electrones y positrones, fotones y gravitones. La existencia de partículas estables no está limitada por el tiempo, siempre que se encuentren en estado libre, es decir no interactúes con nada.
- Inestable. Todas las demás partículas, después de un tiempo, se desintegran en sus componentes, por lo que se las llama inestables. Por ejemplo, un muón vive sólo 2,2 microsegundos y un protón, 2,9 · 10 * 29 años, después de lo cual puede descomponerse en un positrón y un pión neutro.
- Peso.
- Partículas elementales sin masa, de las cuales sólo hay tres: fotón, gluón y gravitón.
- Las partículas masivas son el resto.
- Significado del giro.
- Giro completo, incl. cero, tienen partículas llamadas bosones.
- Las partículas con espín semientero son fermiones.
- Participación en interacciones.
- Los hadrones (partículas estructurales) son objetos subnucleares que participan en los cuatro tipos de interacciones. Ya se mencionó anteriormente que están compuestos de quarks. Los hadrones se dividen en dos subtipos: mesones (espín entero, bosones) y bariones (espín medio entero, fermiones).
- Fundamental (partículas sin estructura). Estos incluyen leptones, quarks y bosones de calibre (leer antes - "Modelo estándar...").
Una vez familiarizado con la clasificación de todas las partículas, podrá, por ejemplo, determinar con precisión algunas de ellas. Entonces el neutrón es un fermión, un hadrón, o más bien un barión, y un nucleón, es decir, tiene un espín medio entero, está formado por quarks y participa en 4 interacciones. Nucleón es un nombre común para protones y neutrones.
- Es interesante que los oponentes al atomismo de Demócrito, quien predijo la existencia de los átomos, afirmaron que cualquier sustancia en el mundo se divide indefinidamente. Hasta cierto punto, pueden tener razón, ya que los científicos ya han logrado dividir el átomo en un núcleo y un electrón, el núcleo en un protón y un neutrón, y estos, a su vez, en quarks.
- Demócrito asumió que los átomos tienen una forma geométrica clara y, por lo tanto, los átomos "afilados" del fuego arden, los átomos rugosos de los sólidos se mantienen firmemente unidos por sus protuberancias y los átomos lisos del agua se deslizan durante la interacción, de lo contrario fluyen.
- Joseph Thomson compiló su propio modelo del átomo, que veía como un cuerpo cargado positivamente en el que los electrones parecían estar "pegados". Su modelo se llamó "modelo de pudín de ciruelas".
- Los quarks recibieron su nombre gracias al físico estadounidense Murray Gell-Mann. El científico quería utilizar una palabra similar al sonido del graznido de un pato (kwork). Pero en la novela Finnegans Wake de James Joyce encontró la palabra “quark” en la línea “¡Tres quarks para el Sr. Mark!”, cuyo significado no está definido con precisión y es posible que Joyce la usara simplemente para rimar. Murray decidió llamar a las partículas con esta palabra, ya que en ese momento solo se conocían tres quarks.
- Aunque los fotones, partículas de luz, no tienen masa, cerca de un agujero negro parecen cambiar su trayectoria al ser atraídos hacia él por fuerzas gravitacionales. De hecho, un cuerpo supermasivo dobla el espacio-tiempo, por lo que cualquier partícula, incluidas las que no tienen masa, cambia su trayectoria hacia el agujero negro (ver).
- El Gran Colisionador de Hadrones es “hadrónico” precisamente porque colisiona dos haces dirigidos de hadrones, partículas con dimensiones del orden de un núcleo atómico que participan en todas las interacciones.
Las partículas elementales de cinco letras se enumeran a continuación. Se da una breve descripción para cada definición.
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Lista de partículas elementales
Fotón
Es un cuanto de radiación electromagnética, por ejemplo la luz. La luz, a su vez, es un fenómeno que consiste en corrientes de luz. Un fotón es una partícula elemental. Un fotón tiene carga neutra y masa cero. El giro del fotón es igual a la unidad. El fotón transmite la interacción electromagnética entre partículas cargadas. El término fotón proviene del griego phos, que significa luz.
fonón
Es una cuasipartícula, un cuanto de vibraciones elásticas y desplazamientos de átomos y moléculas de la red cristalina desde una posición de equilibrio. En las redes cristalinas, los átomos y las moléculas interactúan constantemente, compartiendo energía entre sí. En este sentido, es casi imposible estudiar en ellos fenómenos similares a las vibraciones de átomos individuales. Por tanto, las vibraciones aleatorias de los átomos suelen considerarse según el tipo de propagación de las ondas sonoras dentro de una red cristalina. Los cuantos de estas ondas son fonones. El término fonón proviene del griego fone: sonido.
Phazon
La fase de fluctuón es una cuasipartícula, que es una excitación en aleaciones o en otro sistema heterofásico, que forma un pozo de potencial (región ferromagnética) alrededor de una partícula cargada, digamos un electrón, y la captura.
Rotón
Es una cuasipartícula que corresponde a la excitación elemental en helio superfluido, en la región de altos impulsos, asociada con la aparición de movimiento de vórtice en un líquido superfluido. Roton, traducido del latín significa: girar, girar. Roton aparece a temperaturas superiores a 0,6 K y determina propiedades de la capacidad calorífica exponencialmente dependientes de la temperatura, como la entropía de densidad normal y otras.
Mesón
Es una partícula no elemental inestable. Un mesón es un electrón pesado en los rayos cósmicos.
La masa de un mesón es mayor que la masa de un electrón y menor que la masa de un protón.
Los mesones tienen un número par de quarks y antiquarks. Los mesones incluyen piones, kaones y otros mesones pesados.
Cuarc
Se trata de una partícula elemental de materia, pero hasta ahora sólo de forma hipotética. Los quarks suelen denominarse seis partículas y sus antipartículas (antiquarks), que a su vez forman un grupo de hadrones de partículas elementales especiales.
Se cree que las partículas que participan en interacciones fuertes, como los protones, las neuronas y algunas otras, están formadas por quarks estrechamente conectados entre sí. Los quarks existen constantemente en diferentes combinaciones. Existe la teoría de que los quarks podrían existir en forma libre en los primeros momentos después del Big Bang.
gluón
Partícula elemental. Según una teoría, los gluones parecen unir quarks, que a su vez forman partículas como protones y neuronas. En general, los gluones son las partículas más pequeñas que forman la materia.
bosón
Bosón-cuasipartícula o partícula de Bose. Un bosón tiene espín cero o entero. El nombre se le da en honor al físico Shatyendranath Bose. Un bosón se diferencia en que un número ilimitado de ellos pueden tener el mismo estado cuántico.
Hadrón
Un hadrón es una partícula elemental que no es verdaderamente elemental. Está formado por quarks, antiquarks y gluones. El hadrón no tiene carga de color y participa en interacciones fuertes, incluidas las nucleares. El término hadrón, del griego adros, significa grande, masivo.
A principios de los años 30 del siglo XX, la física encontró una descripción aceptable de la estructura de la materia basada en cuatro tipos de partículas elementales: protones, neutrones, electrones y fotones. La adición de una quinta partícula, el neutrino, también permitió explicar los procesos de desintegración radiactiva. Parecía que las partículas elementales mencionadas fueron los primeros ladrillos del universo.
Pero esta aparente sencillez pronto desapareció. Pronto se descubrió el positrón. En 1936 se descubrió el primer mesón entre los productos de la interacción de los rayos cósmicos con la materia. Después de esto, fue posible observar mesones de diferente naturaleza, así como otras partículas inusuales. Estas partículas rara vez nacen bajo la influencia de los rayos cósmicos. Sin embargo, después de que se construyeron aceleradores que permitieron producir partículas de alta energía, se descubrieron más de 300 nuevas partículas.
¿Qué significa entonces la palabra " elemental"? "Elemental" es la antípoda lógica de "complejo". Por partículas elementales se entienden las partículas primarias y no descomponibles que componen toda la materia. En los años cuarenta, ya se conocían varias transformaciones de las partículas "elementales". continúa creciendo. La mayoría de ellas son inestables Entre las docenas de micropartículas conocidas, sólo hay unas pocas que son estables e incapaces de transformaciones espontáneas. ¿No es la estabilidad con respecto a las transformaciones espontáneas un signo de elementalidad?
El núcleo de deuterio (deuterón) está formado por un protón y un neutrón. Como partícula, el deuterón es completamente estable. Al mismo tiempo, el componente del deuterón, el neutrón, es radiactivo, es decir inestable. Este ejemplo muestra que los conceptos de estabilidad y elementalidad no son idénticos. En la física moderna el término Se suele utilizar "partículas elementales" para nombrar a un gran grupo de diminutas partículas de materia.(que no son átomos ni núcleos atómicos).
Todas las partículas elementales tienen masas y tamaños extremadamente pequeños. La mayoría de ellos tienen una masa del orden de la masa de un protón (solo la masa de un electrón es notablemente menor). 
). Los tamaños y masas microscópicos de las partículas elementales determinan las leyes cuánticas de su comportamiento. La propiedad cuántica más importante de todas las partículas elementales es la capacidad de nacer y destruirse (emitida y absorbida) al interactuar con otras partículas.
Se conocen cuatro tipos de interacciones entre partículas, de diferente naturaleza: gravitacional, electromagnética, nuclear, así como la interacción en todos los procesos en los que intervienen neutrinos. ¿Cuáles son las características de los cuatro tipos de interacción enumerados?
La más fuerte es la interacción entre partículas nucleares ("fuerzas nucleares"). Esta interacción suele denominarse fuerte. Ya se ha observado que las fuerzas nucleares actúan sólo a distancias muy pequeñas entre partículas: el radio de acción es de unos 10 a 13 cm.
El siguiente en tamaño es electromagnético interacción. Es menos que fuerte en dos órdenes de magnitud. Pero con la distancia cambia más lentamente, como 1/ r 2, por lo que el radio de acción de las fuerzas electromagnéticas es infinito.
Luego viene la interacción debido a la participación de neutrinos en las reacciones. En orden de magnitud, estas interacciones son entre 10 y 14 veces menores que las interacciones fuertes. Estas interacciones suelen denominarse débil. Aparentemente, el radio de acción aquí es el mismo que en el caso de una interacción fuerte.
La interacción más pequeña conocida es gravitacional. Es menor que el fuerte en 39 órdenes de magnitud: ¡10 39 veces! Con la distancia, las fuerzas gravitacionales disminuyen tan lentamente como las fuerzas electromagnéticas, por lo que su rango de acción también es infinito.
En el espacio, el papel principal pertenece a las interacciones gravitacionales, porque El rango de acción de las interacciones fuertes y débiles es insignificante. Las interacciones electromagnéticas desempeñan un papel limitado porque las cargas eléctricas de signos opuestos tienden a formar sistemas neutros. Las fuerzas gravitacionales son siempre fuerzas de atracción. No pueden ser compensados por la fuerza del signo opuesto; no pueden protegerse de ellas. De ahí su papel dominante en el espacio.
La magnitud de las fuerzas de interacción también corresponde al tiempo necesario para llevar a cabo la reacción provocada por esta interacción. Por tanto, los procesos provocados por una fuerte interacción requieren un tiempo del orden de 10 a 23 segundos. (Se produce una reacción cuando chocan partículas de alta energía). El tiempo necesario para llevar a cabo el proceso causado por la interacción electromagnética requiere ~10 -21 segundos, la interacción débil requiere ~10 -9 segundos. En las reacciones causadas por interacciones de partículas, las fuerzas gravitacionales prácticamente no desempeñan ningún papel.
Las interacciones enumeradas son aparentemente de diferente naturaleza, es decir, no pueden reducirse unas a otras. En la actualidad, no hay forma de juzgar si estas interacciones agotan todas las que existen en la naturaleza.
La clase de partículas elementales que participan en interacciones fuertes se denomina hadrones (protones, neutrones, etc.). Una clase de partículas que no tienen interacciones fuertes se llaman leptones. Los leptones incluyen el electrón, el muón, el neutrino, el leptón pesado y sus correspondientes antipartículas. Antipartículas, un conjunto de partículas elementales que tienen las mismas masas y otras características físicas que sus “gemelos”, pero se diferencian de ellas en el signo de algunas características de interacción.(por ejemplo, carga eléctrica, momento magnético): electrón y positrón, neutrino y antineutrino. Según los conceptos modernos, los neutrinos y los antineutrinos se diferencian entre sí en una de las características cuánticas: la helicidad, definida como la proyección del espín de una partícula en las direcciones de su movimiento (impulso). Los neutrinos tienen un giro. S orientado antiparalelo al pulso R, es decir. direcciones R Y S forman un tornillo a izquierdas y el neutrino tiene helicidad a izquierdas (fig. 6.2). Para los antineutrinos, estas direcciones forman un tornillo a la derecha, es decir Los antineutrinos tienen helicidad diestra.
Cuando una partícula y una antipartícula chocan, pueden destruirse mutuamente. "aniquilar". En la Fig. La figura 6.3 muestra el proceso de aniquilación de un electrón y un positrón con la aparición de dos rayos gamma. En este caso, se observan todas las leyes de conservación conocidas: energía, momento, momento angular y la ley de conservación de cargas. Para crear un par electrón-positrón, es necesario gastar energía no menos que la suma de las energías intrínsecas de estas partículas, es decir ~ 10 6 eV. Cuando tal par se aniquila, esta energía se libera con la radiación generada durante la aniquilación o se distribuye entre otras partículas.
.
(6.9)
La carga eléctrica se retiene durante esta transformación. Del mismo modo, se conserva cuando un fotón se transforma en un par electrón-positrón o cuando el mismo par nace como consecuencia de una colisión de dos electrones.
Existe la hipótesis de que todas las partículas elementales son combinaciones de tres partículas básicas llamadas quarks y sus antipartículas. Los quarks no se han descubierto en estado libre (a pesar de numerosas búsquedas en aceleradores de alta energía, en los rayos cósmicos y en el medio ambiente).
Es imposible describir las propiedades y transformaciones de las micropartículas sin ninguna sistematización. No existe una sistematización basada en una teoría estricta.
Los dos grupos principales de partículas elementales interactúan fuertemente ( hadrones) e interactuando débilmente ( leptones) partículas. Los hadrones se dividen en mesones Y bariones. Los bariones se dividen en nucleones Y hiperones. Los leptones incluyen electrones, muones y neutrinos. A continuación se muestran los valores por los que se clasifican las micropartículas.
1. A granel o bariónico número A. Numerosos hechos observados en el proceso de fisión nuclear y la creación de un par nucleón-antinucleón sugieren que en cualquier proceso el número de nucleones permanece constante. A todos los bariones se les asigna el número. A= +1, a cada antipartícula A= –1. La ley de conservación de la carga bariónica se cumple exactamente en todos los procesos nucleares. Las partículas complejas tienen múltiples valores del número bariónico. Todos los mesones y leptones tienen un número bariónico de cero.
2. Carga eléctrica q representa el número de unidades de carga eléctrica (en unidades de carga positiva de un protón) inherentes a la partícula.
3. giro isotópico(no relacionado con el giro real). Las fuerzas que actúan entre los nucleones de un núcleo son casi independientes del tipo de nucleones, es decir. interacciones nucleares RR, Rnorte Y nortenorte son lo mismo. Esta simetría de las fuerzas nucleares conduce a la conservación de una cantidad llamada espín isotópico. isospin se conserva en interacciones fuertes y no se conserva en procesos causados por interacciones electromagnéticas y débiles.
4. Rareza. Para explicar por qué algunos procesos que involucran hadrones no ocurren, M. Gell-Mann y K. Nishijima propusieron en 1953 introducir un nuevo número cuántico, al que llamaron extrañeza. La extrañeza de los hadrones estables oscila entre –3 y +3 (enteros). No se ha determinado la extrañeza de los leptones. En las interacciones fuertes, la extrañeza persiste.
5. Girar. Caracteriza el momento angular de giro.
6. Paridad. Propiedad interna de una partícula asociada con su simetría con respecto a derecha e izquierda. Hasta hace poco, los físicos creían que no había diferencia entre derecha e izquierda. Posteriormente resultó que no son equivalentes para todos los procesos de interacción débil, lo que fue uno de los descubrimientos más sorprendentes de la física.
En la física clásica, la materia y el campo físico se oponían como dos tipos de materia. La materia está formada por partículas elementales, es un tipo de materia que tiene masa en reposo. La estructura de la materia es discreta, mientras que la del campo es continua. Pero la física cuántica ha llevado a nivelar esta idea. En la física clásica, se cree que los campos de fuerza, gravitacionales y electromagnéticos, actúan sobre las partículas. La física clásica no conocía otros campos. En física cuántica, detrás de los campos se ven los verdaderos portadores de interacción: los cuantos de estos campos, es decir. partículas. Para los campos clásicos, estos son gravitones y fotones. Cuando los campos son lo suficientemente fuertes y hay muchos cuantos, dejamos de distinguirlos como partículas individuales y los percibimos como un campo. Los portadores de interacciones fuertes son los gluones. Por otro lado, cualquier micropartícula (elemento de la materia) tiene una naturaleza dual partícula-onda.
Desde índices yo, k, l en las fórmulas estructurales los valores pasan por 1, 2, 3, 4, el número de mesones mik con un giro dado debe ser igual a 16. Para bariones bicicleta el máximo número posible de estados para un espín dado (64) no se realiza, ya que en virtud del principio de Pauli, para un espín total dado, sólo se permiten estados de tres quarks que tengan una simetría bien definida con respecto a las permutaciones de índices i, k, 1, a saber: totalmente simétrico para el giro 3/2 y simetría mixta para el giro 1/2. Esta condición es l = 0 selecciona 20 estados bariónicos para el giro 3/2 y 20 para el giro 1/2.
Un examen más detallado muestra que el valor de la composición de los quarks y las propiedades de simetría del sistema de quarks permite determinar todos los números cuánticos básicos del hadrón ( J, P, B, Q, I, Y, Ch), excluyendo masa; Para determinar la masa es necesario conocer la dinámica de la interacción de los quarks y la masa de los quarks, algo que aún no está disponible.
Transmitir correctamente las características específicas de los hadrones con las masas y espines más bajos en valores dados. Y Y Ch, El modelo de quarks también explica, naturalmente, el gran número total de hadrones y el predominio de las resonancias entre ellos. La gran cantidad de hadrones es un reflejo de su compleja estructura y de la posibilidad de la existencia de varios estados excitados de los sistemas de quarks. Es posible que el número de tales estados excitados sea ilimitado. Todos los estados excitados de los sistemas de quarks son inestables con respecto a las transiciones rápidas debido a fuertes interacciones con los estados subyacentes. Forman la mayor parte de las resonancias. Una pequeña fracción de las resonancias también consta de sistemas de quarks con orientaciones de espín paralelas (con la excepción de W -). Configuraciones de quarks con orientación de espín antiparalela, relacionadas con las básicas. estados, forman hadrones cuasi estables y un protón estable.
Las excitaciones de los sistemas de quarks se producen tanto debido a cambios en el movimiento de rotación de los quarks (excitaciones orbitales) como a cambios en sus espacios. ubicación (excitaciones radiales). En el primer caso, un aumento en la masa del sistema va acompañado de un cambio en el giro total. j y paridad R sistema, en el segundo caso el aumento de masa se produce sin cambios J.P. Por ejemplo, mesones con J.P.= 2 + son la primera excitación orbital ( l = 1) mesones con JP = 1 - . La correspondencia de 2 + mesones y 1 - mesones de estructuras de quarks idénticas se ve claramente en el ejemplo de muchos pares de partículas:
Los mesones r" e y" son ejemplos de excitaciones radiales de los mesones r e y, respectivamente (ver.
Las excitaciones orbitales y radiales generan secuencias de resonancias correspondientes a la misma estructura inicial de quarks. La falta de información confiable sobre la interacción de los quarks aún no nos permite hacer cálculos cuantitativos de los espectros de excitación y sacar conclusiones sobre el posible número de tales estados excitados. Al formular el modelo de quarks, los quarks fueron considerados como elementos estructurales hipotéticos que abren plantea la posibilidad de una descripción muy conveniente de los hadrones. Posteriormente se realizaron experimentos que permiten hablar de los quarks como formaciones materiales reales en el interior de los hadrones. Los primeros fueron experimentos sobre la dispersión de electrones por nucleones en ángulos muy grandes. Estos experimentos (1968), que recuerdan a los experimentos clásicos de Rutherford sobre la dispersión de partículas alfa en átomos, revelaron la presencia de formaciones puntuales cargadas dentro del nucleón. La comparación de los datos de estos experimentos con datos similares sobre la dispersión de neutrinos en nucleones (1973-75) permitió sacar una conclusión sobre el valor cuadrático medio de la carga eléctrica de estas formaciones puntuales. El resultado resultó ser sorprendentemente cercano al valor 1 / 2 [(2 / 3 mi) 2 +(1 / 3 mi) 2 ]. El estudio del proceso de producción de hadrones durante la aniquilación de un electrón y un positrón, que supuestamente pasa por la secuencia de procesos: ® hadrones, indicó la presencia de dos grupos de hadrones asociados genéticamente a cada uno de los quarks resultantes, y lo hizo posible determinar el giro de los quarks. Resultó ser igual a 1/2. El número total de hadrones nacidos en este proceso también indica que los quarks de tres variedades aparecen en el estado intermedio, es decir, los quarks son de tres colores.
Así, los números cuánticos de los quarks, introducidos sobre la base de consideraciones teóricas, han sido confirmados en varios experimentos. Los quarks están adquiriendo gradualmente el estatus de nuevas partículas electrónicas y, si investigaciones posteriores confirman esta conclusión, entonces los quarks son serios candidatos para el papel de verdaderas partículas electrónicas en la forma hadrónica de la materia. Hasta longitudes ~ 10 -15 cm Los quarks actúan como formaciones puntuales sin estructura. El número de tipos conocidos de quarks es pequeño. Por supuesto, en el futuro esto puede cambiar: no se puede garantizar que a energías más altas no se descubran hadrones con nuevos números cuánticos, debido a su existencia a nuevos tipos de quarks. Detección Y-mesones confirma este punto de vista. Pero es muy posible que el aumento en el número de quarks sea pequeño, que los principios generales impongan límites al número total de quarks, aunque estos límites aún no se conocen. La falta de estructura de los quarks quizás también refleje únicamente el nivel alcanzado en la investigación de estas formaciones materiales. Sin embargo, una serie de características específicas de los quarks dan algunas razones para suponer que los quarks son partículas que completan la cadena de componentes estructurales de la materia.
Los quarks se diferencian de todas las demás partículas de electrones en que aún no se han observado en estado libre, aunque hay evidencia de su existencia en estado ligado. Una de las razones de la no observación de los quarks puede ser su gran masa, que impide su producción con las energías de los aceleradores modernos. Sin embargo, es posible que los quarks, fundamentalmente, debido a la naturaleza específica de su interacción, no puedan encontrarse en estado libre. Existen argumentos teóricos y experimentales a favor del hecho de que las fuerzas que actúan entre los quarks no se debilitan con la distancia. Esto significa que se necesita infinitamente más energía para separar los quarks entre sí o, de lo contrario, la aparición de quarks en estado libre es imposible. La incapacidad de aislar los quarks en estado libre los convierte en un tipo completamente nuevo de unidades estructurales de la materia. No está claro, por ejemplo, si es posible plantear la cuestión de las partes constituyentes de los quarks si los propios quarks no pueden observarse en estado libre. Es posible que en estas condiciones, partes de los quarks no se manifiesten físicamente en absoluto y, por lo tanto, los quarks actúan como la última etapa en la fragmentación de la materia hadrónica.
Partículas elementales y teoría cuántica de campos.
Para describir las propiedades e interacciones de las partículas electrónicas en la teoría moderna, el concepto de física es esencial. campo, que se asigna a cada partícula. Un campo es una forma específica de materia; se describe mediante una función especificada en todos los puntos ( X)espacio-tiempo y que posee ciertas propiedades de transformación en relación con las transformaciones del grupo de Lorentz (escalar, espinor, vectorial, etc.) y grupos de simetrías "internas" (escalar isotópico, espinor isotópico, etc.). Un campo electromagnético con las propiedades de un vector de cuatro dimensiones. Y m (x) (m = 1, 2, 3, 4) es históricamente el primer ejemplo de campo físico. Los campos que se comparan con las partículas E. son de naturaleza cuántica, es decir, su energía y momento se componen de muchas partes. porciones - cuantos, y la energía E k y el momento p k del cuanto están relacionados por la relación de la teoría especial de la relatividad: E k 2 = p k 2 c 2 + m 2 c 2 . Cada uno de estos cuantos es una partícula electrónica con una determinada energía E k, momento p k y masa m. Los cuantos del campo electromagnético son fotones, los cuantos de otros campos corresponden a todas las demás partículas electrónicas conocidas. El campo, por tanto, es una partícula física. reflejo de la existencia de infinitas colecciones de partículas: cuantos. El aparato matemático especial de la teoría cuántica de campos permite describir el nacimiento y la destrucción de una partícula en cada punto x.
Las propiedades de transformación del campo determinan todos los números cuánticos de las partículas E. Las propiedades de transformación en relación con las transformaciones espacio-temporales (el grupo de Lorentz) determinan el espín de las partículas. Por lo tanto, un escalar corresponde al espín 0, un espinor al espín 1/2, un vector al espín 1, etc. La existencia de números cuánticos como L, B, 1, Y, Ch y para los quarks y gluones es el "color". de las propiedades de transformación de los campos en relación con las transformaciones de los “espacios internos” (“espacio de carga”, “espacio isotópico”, “espacio unitario”, etc.). La existencia de “color” en los quarks, en particular, está asociada con un espacio unitario “coloreado” especial. La introducción de "espacios internos" en el aparato teórico sigue siendo una estrategia puramente formal, que, sin embargo, puede servir como indicación de que la dimensión del espacio-tiempo físico, reflejada en las propiedades del E. Ch., es en realidad mayor. de cuatro: la dimensión del espacio-tiempo característica de todos los procesos físicos macroscópicos. La masa de un electrón no está directamente relacionada con las propiedades de transformación de los campos; esta es su característica adicional.
Para describir los procesos que ocurren con las partículas de electrones, es necesario saber cómo se relacionan entre sí los distintos campos físicos, es decir, conocer la dinámica de los campos. En el aparato moderno de la teoría cuántica de campos, la información sobre la dinámica de los campos está contenida en una cantidad especial expresada a través de campos: la lagrangiana (más precisamente, la densidad lagrangiana) L. El conocimiento de L permite, en principio, calcular las probabilidades de transiciones de un conjunto de partículas a otro bajo la influencia de diversas interacciones. Estas probabilidades están dadas por las llamadas. matriz de dispersión (W. Heisenberg, 1943), expresada a través de L. La Lagrangiana L consiste en la Lagrangiana L, que describe el comportamiento de campos libres, y la interacción Lagrangiana, L, construida a partir de los campos de diferentes partículas y que refleja la posibilidad de sus transformaciones mutuas. El conocimiento de Lz es decisivo para describir procesos con E. h.
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Si las desintegraciones fuertes se agruparon en la región de los yoctosegundos, las electromagnéticas (cerca de los attosegundos, entonces las desintegraciones débiles "siguieron a todos") cubrieron tanto 27 órdenes de magnitud en la escala de tiempo!
En los extremos de este rango inimaginablemente amplio se encuentran dos casos “extremos”.
- Las desintegraciones del quark top y de las partículas portadoras de fuerza débil (bosones W y Z) ocurren en aproximadamente 0.3 es= 3·10 −25 s. Se trata de las desintegraciones más rápidas entre todas las partículas elementales y, en general, los procesos más rápidos conocidos de forma fiable por la física moderna. Resulta así porque estas son las desintegraciones con mayor liberación de energía.
- La partícula elemental más longeva, el neutrón, vive aproximadamente 15 minutos. Un tiempo tan enorme según los estándares del microcosmos se explica por el hecho de que este proceso (la desintegración beta de un neutrón en un protón, un electrón y un antineutrino) tiene una liberación de energía muy pequeña. Esta liberación de energía es tan débil que, en condiciones adecuadas (por ejemplo, dentro de un núcleo atómico), esta desintegración puede ser energéticamente desfavorable y entonces el neutrón se vuelve completamente estable. Los núcleos atómicos, toda la materia que nos rodea y nosotros mismos existimos sólo gracias a esta asombrosa debilidad de la desintegración beta.
Entre estos extremos, la mayoría de las desintegraciones débiles también ocurren de manera más o menos compacta. Se pueden dividir en dos grupos, que llamaremos a grandes rasgos: desintegraciones débiles rápidas y desintegraciones débiles lentas.
Las rápidas son desintegraciones que duran alrededor de un picosegundo. Por eso es sorprendente cómo se han desarrollado los números en nuestro mundo: la vida útil de varias docenas de partículas elementales se encuentra en un estrecho rango de valores de 0,4 a 2 ps. Estos son los llamados hadrones encantados y encantadores, partículas que contienen un quark pesado.
Los picosegundos son maravillosos, ¡simplemente no tienen precio desde el punto de vista de los experimentos en colisionadores! El hecho es que en 1 ps una partícula tendrá tiempo de volar un tercio de milímetro, y un detector moderno puede medir fácilmente distancias tan grandes. Gracias a estas partículas, la imagen de las colisiones de partículas en el colisionador se vuelve "fácil de leer": aquí se produjo la colisión y la creación de una gran cantidad de hadrones, y allí, un poco más lejos, se produjeron desintegraciones secundarias. La vida útil se vuelve directamente mensurable, lo que significa que es posible descubrir qué tipo de partícula era y sólo entonces utilizar esta información para análisis más complejos.
Las desintegraciones lentas y débiles son desintegraciones que comienzan en cientos de picosegundos y se extienden a lo largo de todo el rango de nanosegundos. Esto incluye la clase de las llamadas "partículas extrañas", numerosos hadrones que contienen un quark extraño. A pesar de su nombre, para los experimentos modernos no resultan nada extrañas, al contrario, son las partículas más comunes. Simplemente parecían extraños en los años 50 del siglo pasado, cuando los físicos de repente comenzaron a descubrirlos uno tras otro y no entendían del todo sus propiedades. Por cierto, fue la abundancia de hadrones extraños lo que empujó a los físicos hace medio siglo a la idea de los quarks.
Desde el punto de vista de los experimentos modernos con partículas elementales, los nanosegundos son muchos. Esto es tanto que la partícula expulsada del acelerador simplemente no tiene tiempo de desintegrarse, sino que perfora el detector, dejando su huella en él. Por supuesto, entonces se quedará atrapado en algún lugar del material del detector o en las rocas que lo rodean y se desintegrará allí. Pero a los físicos ya no les importa esta descomposición, sólo les interesa el rastro que esta partícula dejó dentro del detector. Así, para los experimentos modernos, tales partículas parecen casi estables; por eso se les llama término "intermedio": partículas metaestables.
Bueno, la partícula más longeva, sin contar el neutrón, es el muón, una especie de "hermano" del electrón. No participa en interacciones fuertes, no se desintegra debido a fuerzas electromagnéticas, por lo que solo le quedan interacciones débiles. Y como es bastante ligero, vive durante 2 microsegundos: toda una época en la escala de las partículas elementales.