Fizikoje elementariosios dalelės buvo fiziniai objektai atomo branduolio mastu, kurių negalima suskirstyti į jų sudedamąsias dalis. Tačiau šiandien mokslininkams kai kuriuos iš jų pavyko suskaidyti. Šių mažyčių objektų struktūrą ir savybes tiria dalelių fizika.
Mažiausios dalelės, sudarančios visą materiją, žinomos nuo seniausių laikų. Tačiau vadinamojo „atomizmo“ įkūrėjais laikomas senovės graikų filosofas Leukipas ir garsesnis jo mokinys Demokritas. Manoma, kad pastarasis sukūrė terminą „atomas“. Iš senovės graikų kalbos „atomos“ yra išverstas kaip „nedalomas“, o tai lemia senovės filosofų požiūrį.
Vėliau tapo žinoma, kad atomas vis dar gali būti padalintas į du fizinius objektus – branduolį ir elektroną. Pastaroji vėliau tapo pirmąja elementaria dalele, kai 1897 metais anglas Josephas Thomsonas atliko eksperimentą su katodiniais spinduliais ir išsiaiškino, kad tai yra vienodų dalelių, turinčių vienodą masę ir krūvį, srautas.
Lygiagrečiai su Thomsono darbu Henri Becquerel, tyrinėjantis rentgeno spindulius, atlieka eksperimentus su uranu ir atranda naują spinduliuotės rūšį. 1898 m. prancūzų fizikų pora Marie ir Pierre'as Curie tyrinėjo įvairias radioaktyvias medžiagas ir atrado tą pačią radioaktyviąją spinduliuotę. Vėliau paaiškės, kad jį sudaro alfa dalelės (2 protonai ir 2 neutronai) ir beta dalelės (elektronai), o Becquerel ir Curie gaus Nobelio premiją. Atlikdama tyrimus su tokiais elementais kaip uranas, radis ir polonis, Marie Sklodowska-Curie nesiėmė jokių saugos priemonių, įskaitant net nenaudojo pirštinių. Dėl to 1934 metais ją aplenkė leukemija. Atminimui apie didžiojo mokslininko pasiekimus Curie poros atrastas elementas polonis buvo pavadintas Marijos tėvynės garbei - Polonia, iš lotynų kalbos - Lenkija.
Nuotrauka iš V Solvay kongreso 1927 m. Pabandykite šioje nuotraukoje rasti visus šio straipsnio mokslininkus.
Nuo 1905 m. Albertas Einšteinas savo publikacijas skyrė šviesos bangų teorijos netobulumui, kurios postulatai prieštarauja eksperimentų rezultatams. Tai vėliau paskatino išskirtinį fiziką prie „šviesos kvanto“ – šviesos dalies – idėjos. Vėliau, 1926 m., amerikiečių fizikinis chemikas Gilbertas N. Lewisas jį pavadino „fotonu“, išvertus iš graikų kalbos „phos“ („šviesa“).
1913 metais britų fizikas Ernestas Rutherfordas, remdamasis tuo metu jau atliktų eksperimentų rezultatais, pažymėjo, kad daugelio cheminių elementų branduolių masės yra vandenilio branduolio masės kartotiniai. Todėl jis manė, kad vandenilio branduolys yra kitų elementų branduolių komponentas. Savo eksperimente Rutherfordas apšvitino azoto atomą alfa dalelėmis, kurios dėl to išspinduliavo tam tikrą dalelę, kurią Ernestas pavadino „protonu“, iš kitų graikų „protos“ (pirmasis, pagrindinis). Vėliau eksperimentiškai buvo patvirtinta, kad protonas yra vandenilio branduolys.
Akivaizdu, kad protonas nėra vienintelis cheminių elementų branduolių komponentas. Šią idėją lemia tai, kad du protonai branduolyje atstumtų vienas kitą, o atomas akimirksniu suirtų. Todėl Rutherfordas iškėlė hipotezę, kad yra dar viena dalelė, kurios masė lygi protono masei, bet yra neįkrauta. Kai kurie mokslininkų eksperimentai apie radioaktyviųjų ir lengvesnių elementų sąveiką paskatino juos atrasti kitą naują spinduliuotę. 1932 m. Jamesas Chadwickas nustatė, kad jis susideda iš tų labai neutralių dalelių, kurias jis pavadino neutronais.
Taip buvo aptiktos garsiausios dalelės: fotonas, elektronas, protonas ir neutronas.
Be to, vis dažnesnis įvykis tapo naujų subbranduolinių objektų atradimas, o šiuo metu žinoma apie 350 dalelių, kurios paprastai laikomos „elementariomis“. Tie, kurie dar nebuvo padalinti, laikomi bestruktūriais ir vadinami „pagrindiniais“.
Kas yra sukimas?
Prieš žengiant į priekį su tolimesnėmis naujovėmis fizikos srityje, reikia nustatyti visų dalelių charakteristikas. Labiausiai žinomas, be masės ir elektros krūvio, taip pat yra sukimasis. Šis dydis kitaip vadinamas „vidiniu kampiniu momentu“ ir jokiu būdu nesusijęs su subbranduolinio objekto judėjimu kaip visuma. Mokslininkai sugebėjo aptikti daleles, kurių sukimasis yra 0, ½, 1, 3/2 ir 2. Norėdami vizualizuoti, nors ir supaprastintą, sukimąsi kaip objekto savybę, apsvarstykite šį pavyzdį.
Tegul objekto sukimasis lygus 1. Tada toks objektas, pasuktas 360 laipsnių, grįš į pradinę padėtį. Lėktuve šis objektas gali būti pieštukas, kuris, pasisukus 360 laipsnių kampu, atsidurs pradinėje padėtyje. Nulinio sukimo atveju, nesvarbu, kaip objektas sukasi, jis visada atrodys taip pat, pavyzdžiui, vienos spalvos rutulys.
Norint sukti ½, jums reikės objekto, kuris išlaikytų savo išvaizdą, kai pasukamas 180 laipsnių kampu. Tai gali būti tas pats pieštukas, tik simetriškai paaštrintas iš abiejų pusių. Sukant 2, reikia išlaikyti formą, kai pasukama 720 laipsnių, o sukimuisi 3/2 reikės 540.
Ši charakteristika yra labai svarbi dalelių fizikai.
Standartinis dalelių ir sąveikos modelis
Turėdami įspūdingą mikroobjektų, sudarančių mus supantį pasaulį, rinkinį, mokslininkai nusprendė juos susisteminti, ir taip susiformavo gerai žinoma teorinė struktūra, vadinama „Standartiniu modeliu“. Ji aprašo tris sąveikas ir 61 dalelę naudodama 17 pagrindinių, kai kurias iš jų ji numatė dar gerokai prieš atradimą.
Trys sąveikos yra:
- Elektromagnetinis. Jis atsiranda tarp elektriškai įkrautų dalelių. Paprastu atveju, žinomu iš mokyklos, priešingai įkrauti objektai traukia, o panašiai įkrauti objektai atstumia. Tai vyksta per vadinamąjį elektromagnetinės sąveikos nešiklį – fotoną.
- Stipri, kitaip vadinama branduoline sąveika. Kaip rodo pavadinimas, jo veikimas apima atomo branduolio objektus, jis yra atsakingas už protonų, neutronų ir kitų dalelių, taip pat sudarytų iš kvarkų, pritraukimą. Stiprią sąveiką vykdo gliuonai.
- Silpnas. Veiksmingas atstumais, tūkstančiais mažesnių už šerdies dydį. Šioje sąveikoje dalyvauja leptonai ir kvarkai, taip pat jų antidalelės. Be to, esant silpnai sąveikai, jie gali transformuotis vienas į kitą. Nešėjai yra W+, W− ir Z0 bozonai.
Taigi standartinis modelis buvo suformuotas taip. Jį sudaro šeši kvarkai, iš kurių susideda visi hadronai (stipriai sąveikaujančios dalelės):
- Viršutinė (u);
- Užburtas (c);
- tiesa(t);
- Žemutinė (d);
- Keista(s);
- Žavinga (b).
Akivaizdu, kad fizikai turi daugybę epitetų. Kitos 6 dalelės yra leptonai. Tai yra pagrindinės dalelės, kurių sukimasis ½, kurios nedalyvauja stiprioje sąveikoje.
- Elektronas;
- elektroninis neutrinas;
- Muonas;
- miuono neutrinas;
- Tau leptonas;
- Tau neutrinas.
Trečioji standartinio modelio grupė yra matuoklio bozonai, kurių sukimasis lygus 1 ir yra vaizduojami kaip sąveikos nešėjai:
- Gluonas – stiprus;
- Fotonas – elektromagnetinis;
- Z-bozonas – silpnas;
- W bozonas yra silpnas.
Tai taip pat apima neseniai atrastą sukinio-0 dalelę, kuri, paprasčiau tariant, suteikia inertinę masę visiems kitiems subbranduoliniams objektams.
Dėl to pagal Standartinį modelį mūsų pasaulis atrodo taip: visa materija susideda iš 6 kvarkų, formuojančių hadronus ir 6 leptonus; visos šios dalelės gali dalyvauti trijose sąveikose, kurių nešėjai yra matuokliai.
Standartinio modelio trūkumai
Tačiau dar prieš atradant Higso bozoną, paskutinę dalelę, kurią numatė standartinis modelis, mokslininkai peržengė jo ribas. Ryškus to pavyzdys yra vadinamasis. „gravitacinė sąveika“, kuri šiandien yra lygiavertė kitiems. Manoma, kad jo nešiklis yra dalelė su sukiniu 2, neturinti masės ir kurios fizikai dar negalėjo aptikti - „gravitonas“.
Be to, standartiniame modelyje aprašyta 61 dalelė, o šiandien žmonijai jau žinoma daugiau nei 350 dalelių. Tai reiškia, kad teorinių fizikų darbas nesibaigė.
Dalelių klasifikacija
Kad palengvintų jų gyvenimą, fizikai sugrupavo visas daleles pagal jų struktūrines ypatybes ir kitas savybes. Klasifikavimas grindžiamas šiais kriterijais:
- Gyvenimas.
- Stabilus. Tai yra protonas ir antiprotonas, elektronas ir pozitronas, fotonas ir gravitonas. Stabilių dalelių egzistavimo laikas neriboja, kol jos yra laisvos būsenos, t.y. su niekuo nebendrauti.
- Nestabilus. Visos kitos dalelės po kurio laiko suyra į sudedamąsias dalis, todėl jos vadinamos nestabiliomis. Pavyzdžiui, miuonas gyvena tik 2,2 mikrosekundės, o protonas - 2,9 10 * 29 metus, po kurio jis gali suirti į pozitroną ir neutralų pioną.
- Svoris.
- Bemasės elementarios dalelės, kurių yra tik trys: fotonas, gliuonas ir gravitonas.
- Masyvios dalelės yra visa kita.
- Sukimo vertė.
- Visas sukimas, įskaitant. nulis, turi dalelių, vadinamų bozonais.
- Dalelės, turinčios pusės sveikojo skaičiaus sukimąsi, yra fermionai.
- Dalyvavimas sąveikose.
- Hadronai (struktūrinės dalelės) yra subbranduoliniai objektai, dalyvaujantys visų keturių tipų sąveikose. Anksčiau buvo minėta, kad jie sudaryti iš kvarkų. Hadronai skirstomi į du potipius: mezonus (sveikasis sukimasis, bozonai) ir barionus (pusis sveikasis sukimasis, fermionai).
- Fundamentalus (bestruktūrinės dalelės). Tai apima leptonus, kvarkus ir matuoklius bozonus (skaitykite anksčiau - „Standartinis modelis.“).
Susipažinę su visų dalelių klasifikacija, galite, pavyzdžiui, tiksliai nustatyti kai kurias iš jų. Taigi neutronas yra fermionas, hadronas arba, tiksliau, barionas, ir nukleonas, tai yra, jis turi pusės sveikojo skaičiaus sukimąsi, susideda iš kvarkų ir dalyvauja 4 sąveikose. Nukleonas yra bendras protonų ir neutronų pavadinimas.
- Įdomu tai, kad Demokrito atomizmo priešininkai, numatę atomų egzistavimą, teigė, kad bet kuri medžiaga pasaulyje yra padalinta neribotam laikui. Tam tikru mastu jie gali pasirodyti teisūs, nes mokslininkams jau pavyko padalinti atomą į branduolį ir elektroną, branduolį į protoną ir neutroną, o šie, savo ruožtu, į kvarkus.
- Demokritas manė, kad atomai turi aiškią geometrinę formą, todėl „aštrūs“ ugnies atomai dega, grubūs kietųjų kūnų atomai yra tvirtai laikomi kartu savo išsikišimais, o lygūs vandens atomai sąveikos metu slysta, kitaip jie teka.
- Josephas Thomsonas sudarė savo atomo modelį, kurį matė kaip teigiamai įkrautą kūną, kuriame elektronai atrodė „įstrigo“. Jo modelis buvo vadinamas „slyvų pudingo modeliu“.
- Kvarkai gavo savo vardą amerikiečių fiziko Murray Gell-Mann dėka. Mokslininkas norėjo pavartoti žodį, panašų į anties kvato garsą (kwork). Tačiau Jameso Joyce'o romane „Finnegans Wake“ eilutėje „Trys kvarkai ponui Markui!“ jis susidūrė su žodžiu „kvarkas“, kurio reikšmė nėra tiksliai apibrėžta ir gali būti, kad Joyce jį naudojo tiesiog rimui. Murray nusprendė pavadinti daleles šiuo žodžiu, nes tuo metu buvo žinomi tik trys kvarkai.
- Nors fotonai, šviesos dalelės, yra bemasės, atrodo, kad šalia juodosios skylės jie keičia savo trajektoriją, nes juos traukia gravitacinės jėgos. Tiesą sakant, supermasyvus kūnas išlenkia erdvėlaikį, todėl bet kokios dalelės, įskaitant ir neturinčias masės, keičia savo trajektoriją juodosios skylės link (žr.).
- Didysis hadronų greitintuvas yra „hadroninis“ būtent todėl, kad jis susiduria su dviem nukreiptais hadronų pluoštais, dalelėmis, kurių matmenys prilygsta atomo branduoliui ir dalyvauja visose sąveikose.
Žemiau pateikiamos visos penkių raidžių elementarios dalelės. Pateikiamas trumpas kiekvieno apibrėžimo aprašymas.
Jei turite ką pridurti, žemiau yra jūsų paslaugoms skirta komentarų forma, kurioje galite išreikšti savo nuomonę arba papildyti straipsnį.
Elementariųjų dalelių sąrašas
Fotonas
Tai elektromagnetinės spinduliuotės, pavyzdžiui, šviesos, kvantas. Savo ruožtu šviesa yra reiškinys, susidedantis iš šviesos srautų. Fotonas yra elementari dalelė. Fotonas turi neutralų krūvį ir nulinę masę. Fotono sukinys lygus vienybei. Fotonas vykdo elektromagnetinę sąveiką tarp įkrautų dalelių. Terminas fotonas kilęs iš graikų phos, reiškiančio šviesą.
Phonon
Tai kvazidalelė, kristalinės gardelės atomų ir molekulių elastingų virpesių ir poslinkių kvantas iš pusiausvyros padėties. Kristalinėse gardelėse atomai ir molekulės nuolat sąveikauja, dalindamiesi energija tarpusavyje. Šiuo atžvilgiu beveik neįmanoma ištirti reiškinių, panašių į atskirų atomų virpesius juose. Todėl atsitiktiniai atomų virpesiai dažniausiai vertinami pagal garso bangų sklidimo tipą kristalinės gardelės viduje. Šių bangų kvantai yra fononai. Terminas fononas kilęs iš graikų kalbos telefonas – garsas.
Phazon
Fluktuono fazonas yra kvazidalelė, kuri yra sužadinimas lydiniuose ar kitoje heterofazių sistemoje, aplink įkrautą dalelę, tarkime, elektroną, formuojant potencialų šulinį (feromagnetinę sritį) ir ją užfiksuojanti.
Rotonas
Tai kvazidalelė, atitinkanti elementarų sužadinimą superskystame heliuje, didelių impulsų srityje, susijusią su sūkurio judėjimu superskysčiame skystyje. Roton, išvertus iš lotynų kalbos, reiškia – verpimasis, verpimasis. Rotonas atsiranda aukštesnėje nei 0,6 K temperatūroje ir nustato eksponentiškai nuo temperatūros priklausomas šiluminės talpos savybes, tokias kaip normalaus tankio entropija ir kt.
Mesonas
Tai nestabili neelementari dalelė. Mezonas yra sunkusis elektronas kosminiuose spinduliuose.
Mezono masė yra didesnė už elektrono masę ir mažesnė už protono masę.
Mezonai turi lyginį kvarkų ir antikvarkų skaičių. Mezonai apima pionus, kaonus ir kitus sunkius mezonus.
Kvarkas
Tai elementari materijos dalelė, bet kol kas tik hipotetiškai. Kvarkais paprastai vadinamos šešios dalelės ir jų antidalelės (antikvarkai), kurios savo ruožtu sudaro specialių elementariųjų dalelių hadronų grupę.
Manoma, kad dalelės, dalyvaujančios stiprioje sąveikoje, pavyzdžiui, protonai, neuronai ir kai kurios kitos, susideda iš kvarkų, glaudžiai sujungtų vienas su kitu. Kvarkai nuolat egzistuoja įvairiais deriniais. Yra teorija, kad kvarkai gali egzistuoti laisva forma pirmosiomis akimirkomis po Didžiojo sprogimo.
Gluonas
Elementarioji dalelė. Remiantis viena teorija, gliuonai tarsi sulipdo kvarkus, kurie savo ruožtu sudaro daleles, tokias kaip protonai ir neuronai. Apskritai gliuonai yra mažiausios dalelės, kurios sudaro medžiagą.
Bozonas
Bozono kvazidalelė arba Bose dalelė. Bozonas turi nulinį arba sveikąjį skaičių. Vardas suteiktas fiziko Shatyendranath Bose garbei. Bozonas skiriasi tuo, kad neribotas skaičius jų gali turėti tą pačią kvantinę būseną.
Hadronas
Hadronas yra elementari dalelė, kuri iš tikrųjų nėra elementari. Susideda iš kvarkų, antikvarkų ir gliuonų. Hadronas neturi spalvinio krūvio ir dalyvauja stiprioje sąveikoje, įskaitant branduolinę. Terminas hadronas, kilęs iš graikų kalbos adros, reiškia didelį, masyvų.
Dvidešimtojo amžiaus 30-ųjų pradžioje fizika rado priimtiną medžiagos struktūros aprašymą, pagrįstą keturių tipų elementariomis dalelėmis - protonais, neutronais, elektronais ir fotonais. Penktosios dalelės – neutrino – pridėjimas taip pat leido paaiškinti radioaktyvaus skilimo procesus. Atrodė, kad įvardintos elementariosios dalelės buvo pirmieji visatos statybiniai blokai.
Tačiau šis akivaizdus paprastumas greitai išnyko. Netrukus buvo aptiktas pozitronas. 1936 m. tarp kosminių spindulių sąveikos su medžiaga produktų buvo aptiktas pirmasis mezonas. Po to buvo galima stebėti kitokio pobūdžio mezonus, taip pat kitas neįprastas daleles. Šios dalelės kosminių spindulių įtakoje gimė gana retai. Tačiau sukūrus greitintuvus, kurie leido gaminti didelės energijos daleles, buvo atrasta daugiau nei 300 naujų dalelių.
Ką tada reiškia žodis " elementarus„ ir toliau auga Dauguma jų yra nestabilios Tarp dešimčių žinomų mikrodalelių yra tik kelios, kurios yra stabilios ir nepajėgios savaiminėms transformacijoms. Ar pasipriešinimas savaiminėms transformacijoms nėra elementarumo ženklas.
Deuterio branduolys (deuteronas) susideda iš protono ir neutrono. Kaip dalelė deuteronas yra visiškai stabilus. Tuo pat metu deuterono komponentas neutronas yra radioaktyvus, t.y. nestabilus. Šis pavyzdys rodo, kad stabilumo ir elementarumo sąvokos nėra tapačios. Šiuolaikinėje fizikoje terminas „Elementariosios dalelės“ paprastai vartojamos įvardijant didelę mažų medžiagos dalelių grupę(kurie nėra atomai ar atomo branduoliai).
Visos elementarios dalelės turi itin mažą masę ir dydžius. Dauguma jų turi protono masę (tik elektrono masė yra pastebimai mažesnė 
). Elementariųjų dalelių mikroskopiniai dydžiai ir masės lemia jų elgesio kvantinius dėsnius. Svarbiausia visų elementariųjų dalelių kvantinė savybė yra gebėjimas gimti ir sunaikinti (išspinduliuoti ir absorbuoti) sąveikaujant su kitomis dalelėmis.
Yra žinomi keturi skirtingų prigimties dalelių sąveikos tipai: gravitacinė, elektromagnetinė, branduolinė, taip pat sąveika visuose procesuose, kuriuose dalyvauja neutrinai. Kokios yra keturių išvardytų sąveikos tipų ypatybės?
Stipriausia yra sąveika tarp branduolinių dalelių („branduolinių jėgų“). Ši sąveika paprastai vadinama stiprus. Jau buvo pastebėta, kad branduolinės jėgos veikia tik labai nedideliais atstumais tarp dalelių: veikimo spindulys yra apie 10 -13 cm.
Kitas didžiausias yra elektromagnetinis sąveika. Jis yra mažesnis nei stiprus dviem dydžiais. Bet su atstumu jis keičiasi lėčiau, pavyzdžiui, 1/ r 2, todėl elektromagnetinių jėgų veikimo spindulys yra begalinis.
Toliau seka sąveika dėl neutrinų dalyvavimo reakcijose. Pagal dydį šios sąveikos yra 10 14 kartų mažesnės nei stiprios sąveikos. Šios sąveikos paprastai vadinamos silpnas. Matyt, veiksmų diapazonas čia toks pat kaip ir stiprios sąveikos atveju.
Mažiausia žinoma sąveika yra gravitacinis. Jis yra mažesnis už stiprųjį 39 dydžiais - 10 39 kartus! Didėjant atstumui, gravitacinės jėgos mažėja taip pat lėtai, kaip ir elektromagnetinės jėgos, todėl jų veikimo diapazonas taip pat yra begalinis.
Erdvėje pagrindinis vaidmuo tenka gravitacinėms sąveikoms, nes Stiprios ir silpnos sąveikos veikimo diapazonas yra nereikšmingas. Elektromagnetinės sąveikos vaidmuo yra ribotas, nes priešingų ženklų elektros krūviai paprastai sudaro neutralias sistemas. Gravitacinės jėgos visada yra patrauklios jėgos. Jie negali būti kompensuoti priešingo ženklo jėga, jie negali būti apsaugoti nuo jų. Taigi jų dominuojantis vaidmuo erdvėje.
Sąveikos jėgų dydis taip pat atitinka laiką, reikalingą šios sąveikos sukeltai reakcijai atlikti. Taigi procesai, kuriuos sukelia stipri sąveika, reikalauja 10–23 sekundžių trukmės. (reakcija įvyksta susidūrus didelės energijos dalelėms). Elektromagnetinės sąveikos sukeltam procesui atlikti reikalingas laikas ~10 -21 sek., silpnai sąveikai ~10 -9 sek. Dalelių sąveikos sukeliamose reakcijose gravitacinės jėgos praktiškai nevaidina jokio vaidmens.
Išvardytos sąveikos, matyt, yra skirtingo pobūdžio, t. y. negali būti redukuojamos viena į kitą. Šiuo metu negalima spręsti, ar šios sąveikos išnaudoja visas gamtoje egzistuojančias savybes.
Elementariųjų dalelių, dalyvaujančių stiprioje sąveikoje, klasė vadinama hadronais (protonais, neutronais ir kt.). Dalelių klasė, kuri neturi stiprios sąveikos, vadinama leptonais. Leptonai apima elektroną, miuoną, neutriną, sunkųjį leptoną ir juos atitinkančias antidaleles. Antidalelės – elementariųjų dalelių rinkinys, kurio masė ir kitos fizinės savybės yra tokios pat kaip ir jų „dvigubos“, tačiau skiriasi nuo jų kai kurių sąveikos charakteristikų ženklu(pavyzdžiui, elektros krūvis, magnetinis momentas): elektronas ir pozitronas, neutrinas ir antineutrinas. Remiantis šiuolaikinėmis koncepcijomis, neutrinai ir antineutrinai vienas nuo kito skiriasi viena iš kvantinių charakteristikų – sraigtiškumo, apibrėžiamo kaip dalelės sukimosi projekcija į jos judėjimo kryptis (impulsą). Neutrinos turi sukimąsi S orientuotas antilygiagrečiai pulsui R, t.y. kryptys R Ir S sudaro kairiarankį varžtą ir neutrinas turi kairiarankį sraigtą (6.2 pav.). Antineutrinams šios kryptys suformuoja dešinįjį varžtą, t.y. antineutrinai turi dešinės rankos sraigtą.
Kai dalelė ir antidalelė susiduria, jos gali būti tarpusavyje suardytos - "sunaikinti". Fig. 6.3 paveiksle pavaizduotas elektrono ir pozitrono anihiliacijos procesas, kai atsiranda du gama spinduliai. Šiuo atveju laikomasi visų žinomų tvermės dėsnių – energijos, impulso, kampinio momento ir krūvių tvermės dėsnio. Norint sukurti elektronų – pozitronų porą, reikia energijos eikvoti ne mažiau nei šių dalelių vidinių energijų suma, t.y. ~ 10 6 eV. Kai tokia pora anihiliuojasi, ši energija išsiskiria arba su sunaikinimo metu susidariusia spinduliuote, arba paskirstoma tarp kitų dalelių.
.
(6.9)
Šios transformacijos metu išlaikomas elektros krūvis. Lygiai taip pat jis išsaugomas, kai fotonas virsta elektronų-pozitronų pora arba kai ta pati pora gimsta dėl dviejų elektronų susidūrimo.
Yra hipotezė, kad visos elementarios dalelės yra trijų pagrindinių dalelių, vadinamų, deriniai kvarkai, ir jų antidalelės. Kvarkai nebuvo aptikti laisvoje būsenoje (nepaisant daugybės jų paieškų didelės energijos greitintuvuose, kosminiuose spinduliuose ir aplinkoje).
Neįmanoma aprašyti mikrodalelių savybių ir transformacijų be jokios sisteminimo. Griežta teorija pagrįsto sisteminimo nėra.
Dvi pagrindinės elementariųjų dalelių grupės stipriai sąveikauja ( hadronai) ir silpnai sąveikaujantis ( leptonai) dalelės. Hadronai skirstomi į mezonai Ir barionai. Barionai skirstomi į nukleonai Ir hiperonai. Leptonai apima elektronus, miuonus ir neutrinus. Žemiau pateikiamos reikšmės, pagal kurias klasifikuojamos mikrodalelės.
1. Masinis arba barioninis numerį A. Daugybė faktų, pastebėtų branduolio dalijimosi ir nukleono-antinukleono poros sukūrimo metu, rodo, kad bet kuriame procese nukleonų skaičius išlieka pastovus. Visiems barionams priskiriamas numeris A= +1, kiekvienai antidalelei A= –1. Bariono krūvio tvermės dėsnis įvykdomas tiksliai visuose branduoliniuose procesuose. Sudėtingos dalelės turi kelias bariono skaičiaus reikšmes. Visų mezonų ir leptonų barionų skaičius lygus nuliui.
2. Elektros krūvis q reiškia dalelei būdingo elektros krūvio vienetų skaičių (protono teigiamo krūvio vienetais).
3. Izotopinis sukimasis(nesusijęs su tikruoju sukimu). Jėgos, veikiančios tarp nukleonų branduolyje, beveik nepriklauso nuo nukleonų tipo, t.y. branduolinės sąveikos RR, Rn Ir nn yra tas pats. Ši branduolinių jėgų simetrija leidžia išsaugoti kiekį, vadinamą izotopiniu sukiniu. Isospin išsaugomas stiprioje sąveikoje ir neišsaugomas procesuose, kuriuos sukelia elektromagnetinė ir silpnoji sąveika.
4. Keista. Norėdami paaiškinti, kodėl kai kurie procesai, kuriuose dalyvauja hadronai, nevyksta, M. Gell-Mann ir K. Nishijima 1953 metais pasiūlė įvesti naują kvantinį skaičių, kurį jie pavadino keistenybe. Stabilių hadronų keistumas svyruoja nuo –3 iki +3 (sveikieji skaičiai). Leptonų keistumas nenustatytas. Stiprioje sąveikoje keistumas išlieka.
5. Sukti. Būdingas sukimosi kampinis momentas.
6. Paritetas. Vidinė dalelės savybė, susijusi su jos simetrija dešinės ir kairės pusės atžvilgiu. Dar visai neseniai fizikai manė, kad nėra skirtumo tarp dešinės ir kairės. Vėliau paaiškėjo, kad jie nėra lygiaverčiai visiems silpnos sąveikos procesams – tai buvo vienas labiausiai stebinančių fizikos atradimų.
Klasikinėje fizikoje materija ir fizinis laukas buvo priešingi vienas kitam kaip dviejų tipų materijos. Medžiaga susideda iš elementariųjų dalelių, tai yra materijos rūšis, kuri turi ramybės masę. Materijos struktūra yra diskreti, o lauko struktūra yra ištisinė. Tačiau kvantinė fizika paskatino šią idėją išlyginti. Klasikinėje fizikoje manoma, kad daleles veikia jėgos laukai – gravitaciniai ir elektromagnetiniai. Klasikinė fizika nežinojo jokių kitų sričių. Kvantinėje fizikoje už laukų jie įžvelgia tikruosius sąveikos nešėjus – šių laukų kvantus, t.y. dalelių. Klasikiniams laukams tai yra gravitonai ir fotonai. Kai laukai pakankamai stiprūs ir kvantų daug, nustojame juos skirti kaip atskiras daleles ir suvokiame kaip lauką. Stiprios sąveikos nešėjai yra gliuonai. Kita vertus, bet kuri mikrodalelė (medžiagos elementas) turi dvigubą dalelių bangos prigimtį.
Nuo indeksų aš, k, l struktūrinėse formulėse reikšmės eina per 1, 2, 3, 4, mezonų skaičių Mik su duotu sukimu turėtų būti lygus 16. Barionams Bikl didžiausias galimas būsenų skaičius tam tikram sukiniui (64) nėra realizuotas, nes pagal Pauli principą tam tikram bendram sukimuisi leidžiamos tik tokios trijų kvarkų būsenos, kurios turi aiškiai apibrėžtą simetriją permutacijų atžvilgiu. iš indeksų i, k, 1, būtent: visiškai simetriška sukimuisi 3/2 ir mišri simetrija sukimui 1/2. Ši sąlyga yra l = 0 pasirenka 20 barionų būsenų sukimui 3/2 ir 20 sukimui 1/2.
Išsamesnis tyrimas rodo, kad kvarko sudėties vertė ir kvarkų sistemos simetrijos savybės leidžia nustatyti visus bazinius hadrono kvantinius skaičius ( J, P, B, Q, I, Y, Ch), neįskaitant masės; norint nustatyti masę, reikia išmanyti kvarkų sąveikos dinamiką ir kvarkų masę, kurių kol kas nėra.
Teisingai perteikti hadronų su mažiausiomis masėmis specifiką ir sukimus esant nurodytoms reikšmėms Y Ir Ch, Kvarkų modelis taip pat natūraliai paaiškina bendrą didelį hadronų skaičių ir rezonansų vyravimą tarp jų. Didelis hadronų skaičius atspindi jų sudėtingą struktūrą ir įvairių sužadintų kvarkų sistemų būsenų egzistavimo galimybę. Gali būti, kad tokių sužadintų būsenų skaičius neribojamas. Visos sužadintos kvarkų sistemų būsenos yra nestabilios dėl greitų perėjimų dėl stiprios sąveikos į pagrindines būsenas. Jie sudaro didžiąją dalį rezonansų. Nedidelę rezonansų dalį taip pat sudaro kvarkų sistemos su lygiagrečiomis sukimosi kryptimis (išskyrus W -). Kvarko konfigūracijos su antilygiagrečia sukimosi orientacija, susijusios su pagrindine. būsenas, sudaro beveik stabilius hadronus ir stabilų protoną.
Kvarkų sistemų sužadinimai atsiranda tiek dėl kvarkų sukimosi judėjimo pokyčių (orbitos sužadinimo), tiek dėl jų erdvių pokyčių. vieta (radialiniai sužadinimai). Pirmuoju atveju sistemos masės padidėjimą lydi bendro sukimosi pasikeitimas J ir paritetas R sistema, antruoju atveju masės padidėjimas vyksta be pokyčių J P . Pavyzdžiui, mezonai su JP= 2 + yra pirmasis orbitos sužadinimas ( l = 1) mezonai su J P = 1 - . Identiškų kvarkų struktūrų 2 + mezonų ir 1 - mezonų atitikimas aiškiai matomas daugelio dalelių porų pavyzdyje:
Mezonai r" ir y" yra atitinkamai r ir y mezonų radialinio sužadinimo pavyzdžiai (žr.
Orbitinis ir radialinis sužadinimas sukuria rezonansų sekas, atitinkančias tą pačią pradinę kvarko struktūrą. Patikimos informacijos apie kvarkų sąveiką trūkumas dar neleidžia atlikti kiekybinių sužadinimo spektrų skaičiavimų ir daryti kokių nors išvadų apie galimą tokių sužadintų būsenų skaičių Formuluojant kvarkų modelį, kvarkai buvo laikomi hipotetiniais struktūriniais elementais, kurie atsiveria padidino galimybę labai patogiai apibūdinti hadronus. Vėliau buvo atlikti eksperimentai, leidžiantys kalbėti apie kvarkus kaip apie tikrus materialius darinius hadronų viduje. Pirmieji buvo eksperimentai apie elektronų sklaidą nukleonais labai dideliais kampais. Šie eksperimentai (1968), primenantys klasikinius Rutherfordo eksperimentus dėl alfa dalelių sklaidos ant atomų, atskleidė taškinio krūvio darinių buvimą nukleono viduje. Šių eksperimentų duomenų palyginimas su panašiais duomenimis apie neutrinų sklaidą ant nukleonų (1973–1975 m.) leido padaryti išvadą apie šių taškinių darinių elektros krūvio vidutinę kvadratinę vertę. Rezultatas buvo stebėtinai artimas reikšmei 1/2 [(2/3 e) 2 +(1 / 3 e) 2 ]. Hadronų susidarymo proceso, vykstančio naikinant elektroną ir pozitroną, tyrimas, kuris tariamai vyksta per procesų seką: ® hadronai, parodė, kad yra dvi hadronų grupės, genetiškai susijusios su kiekvienu gautu kvarku, ir padarė jį. galima nustatyti kvarkų sukimąsi. Paaiškėjo, kad jis yra lygus 1/2. Bendras šiame procese gimusių hadronų skaičius taip pat rodo, kad trijų atmainų kvarkai atsiranda tarpinėje būsenoje, t.y., kvarkai yra trispalviai.
Taigi kvarkų kvantiniai skaičiai, įvesti remiantis teoriniais samprotavimais, buvo patvirtinti daugybe eksperimentų. Kvarkai palaipsniui įgyja naujų elektroninių dalelių statusą. Jei tolesni tyrimai patvirtina šią išvadą, kvarkai yra rimti varžovai dėl tikrųjų elektronų dalelių hadroninėje materijos formoje. Iki ilgių ~ 10 -15 cm kvarkai veikia kaip bestruktūriniai taškiniai dariniai. Žinomų kvarkų tipų skaičius nedidelis. Ateityje tai, žinoma, gali pasikeisti: negalima garantuoti, kad esant aukštesnei energijai hadronai su naujais kvantiniais skaičiais, dėl jų egzistavimo dėl naujų tipų kvarkų, nebus atrasti. Aptikimas Y-mesons patvirtina šį požiūrį. Bet visai gali būti, kad kvarkų skaičiaus padidėjimas bus nedidelis, kad bendrieji principai nustato ribas bendram kvarkų skaičiui, nors šios ribos dar nėra žinomos. Kvarkų nestruktūriškumas taip pat galbūt atspindi tik pasiektą šių medžiagų darinių tyrimų lygį. Tačiau nemažai specifinių kvarkų ypatybių leidžia manyti, kad kvarkai yra dalelės, užbaigiančios medžiagos struktūrinių komponentų grandinę.
Kvarkai nuo visų kitų elektronų dalelių skiriasi tuo, kad jie dar nebuvo pastebėti laisvoje būsenoje, nors yra įrodymų, kad jie egzistuoja surištoje būsenoje. Viena iš kvarkų nepastebėjimo priežasčių gali būti labai didelė jų masė, kuri neleidžia jiems gamintis esant šiuolaikinių greitintuvų energijai. Tačiau gali būti, kad kvarkai iš esmės dėl specifinio jų sąveikos pobūdžio negali būti laisvos būsenos. Yra teorinių ir eksperimentinių argumentų, patvirtinančių, kad jėgos, veikiančios tarp kvarkų, nesusilpnėja didėjant atstumui. Tai reiškia, kad norint atskirti kvarkus vienam nuo kito reikia be galo daugiau energijos, kitaip laisvos būsenos kvarkų atsiradimas yra neįmanomas. Nesugebėjimas išskirti laisvos būsenos kvarkų daro juos visiškai naujo tipo materijos struktūriniais vienetais. Pavyzdžiui, neaišku, ar galima kelti klausimą dėl kvarkų sudedamųjų dalių, jei pačių kvarkų negalima stebėti laisvos būsenos. Gali būti, kad tokiomis sąlygomis kvarkų dalys fiziškai visiškai nepasireiškia, todėl kvarkai veikia kaip paskutinis hadroninės medžiagos suskaidymo etapas.
Elementariosios dalelės ir kvantinio lauko teorija.
Norint apibūdinti elektronų dalelių savybes ir sąveiką šiuolaikinėje teorijoje, būtina fizikos samprata. laukas, kuris priskiriamas kiekvienai dalelei. Laukas yra specifinė materijos forma; jį apibūdina funkcija, nurodyta visuose taškuose ( X)erdvė-laikas ir turintis tam tikrų transformacijų savybių, susijusių su Lorenco grupės transformacijomis (skaliarinis, spinoras, vektorius ir kt.) ir „vidinės“ simetrijos grupėmis (izotopinis skaliarinis, izotopinis spinoras ir kt.). Elektromagnetinis laukas, turintis keturmačio vektoriaus savybes Ir m (x) (m = 1, 2, 3, 4) istoriškai yra pirmasis fizinio lauko pavyzdys. Laukai, kurie lyginami su E. dalelėmis, yra kvantinio pobūdžio, tai yra, jų energija ir impulsas susideda iš daugelio dalių. dalys - kvantai, o kvanto energija E k ir impulsas p k yra susieti specialiosios reliatyvumo teorijos ryšiu: E k 2 = p k 2 c 2 + m 2 c 2 . Kiekvienas toks kvantas yra elektronų dalelė, kurios energija yra E k , impulsas p k ir masė m. Elektromagnetinio lauko kvantai yra fotonai, kitų laukų kvantai atitinka visas kitas žinomas elektronų daleles begalinio dalelių rinkinio – kvantų – egzistavimo atspindys. Specialus matematinis kvantinio lauko teorijos aparatas leidžia aprašyti dalelės gimimą ir sunaikinimą kiekviename taške x.
Lauko transformacijos savybės lemia visus E. dalelių kvantinius skaičius Transformacijos savybės erdvės ir laiko transformacijų atžvilgiu (Lorenco grupė) lemia dalelių sukinį. Taigi skaliaras atitinka sukinį 0, spinorą – sukimąsi 1/2, vektorių – sukimąsi 1 ir t. t. Yra tokių kvantinių skaičių kaip L, B, 1, Y, Ch, o kvarkams ir gliuonams „spalva“. nuo laukų transformacinių savybių, susijusių su „vidinių erdvių“ transformacijomis („įkrovos erdvė“, „izotopinė erdvė“, „vienetinė erdvė“ ir kt.). Visų pirma „spalvos“ buvimas kvarkuose yra susijęs su ypatinga „spalvota“ vienetine erdve. „Vidinių erdvių“ įvedimas į teorinį aparatą vis dar yra grynai formalus prietaisas, tačiau tai gali būti nuoroda, kad fizinės erdvės-laiko matmuo, atsispindintis E. Ch. savybėse, iš tikrųjų yra didesnis. nei keturi – visiems makroskopiniams fizikiniams procesams būdingas erdvės ir laiko matmuo. Elektrono masė nėra tiesiogiai susijusi su laukų transformacijos savybėmis; tai yra jų papildoma savybė.
Norint apibūdinti procesus, vykstančius su elektronų dalelėmis, reikia žinoti, kaip įvairūs fizikiniai laukai yra tarpusavyje susiję, tai yra žinoti laukų dinamiką. Šiuolaikiniame kvantinio lauko teorijos aparate informacija apie laukų dinamiką talpinama specialiu dydžiu, išreikštu per laukus - Lagranžo (tiksliau Lagranžo tankio) L. L žinios iš esmės leidžia apskaičiuoti tikimybes įvairios sąveikos įtakoje pereina iš vieno dalelių rinkinio į kitą. Šias tikimybes pateikia vadinamoji. sklaidos matrica (W. Heisenberg, 1943), išreikšta per L. Lagranžo L susideda iš Lagranžo L, apibūdinančio laisvųjų laukų elgesį, ir Lagranžo L sąveikos, sudarytos iš skirtingų dalelių laukų ir atspindinčios galimybę jų tarpusavio transformacijos. Lz žinios yra lemiamos aprašant procesus su E. h.
Palaukite, kol bus įkeltas laiko juostos valdiklis.
„JavaScript“ turi būti įjungtas, kad galėtumėte peržiūrėti.
Jei stiprūs skilimai buvo grupuojami yoktosekundžių srityje, elektromagnetiniai - arto attosekundžių, tai silpni skilimai „sekė visus“ - jie apėmė tiek pat. 27 dydžio eilės laiko skalėje!
Kraštutiniuose šio neįsivaizduojamai plataus diapazono kraštuose yra du „kraštutiniai“ atvejai.
- Viršutinio kvarko ir silpnosios jėgos nešiklio dalelių (W ir Z bozonų) skilimas vyksta maždaug 0,3 yra= 3 · 10 -25 s. Tai greičiausias skilimas tarp visų elementariųjų dalelių ir apskritai greičiausi procesai, patikimai žinomi šiuolaikinei fizikai. Taip išeina, nes tai yra didžiausią energijos išsiskyrimą sukeliantys skilimai.
- Ilgiausiai gyvenanti elementarioji dalelė – neutronas – gyvena maždaug 15 minučių. Toks didžiulis laikas pagal mikrokosmoso standartus paaiškinamas tuo, kad šis procesas (neutrono beta skilimas į protoną, elektroną ir antineutriną) turi labai mažą energijos išsiskyrimą. Šis energijos išsiskyrimas yra toks silpnas, kad tinkamomis sąlygomis (pavyzdžiui, atomo branduolio viduje) šis skilimas jau gali būti energetiškai nepalankus, tada neutronas tampa visiškai stabilus. Atominiai branduoliai, visa mus supanti materija ir mes patys egzistuojame tik dėl šio nuostabaus beta skilimo silpnumo.
Tarp šių kraštutinumų dauguma silpnų skilimų taip pat vyksta daugiau ar mažiau kompaktiškai. Juos galima suskirstyti į dvi grupes, kurias apytiksliai vadinsime: greitas silpnas irimas ir lėtas silpnas skilimas.
Greitieji yra skilimas, trunkantis apie pikosekundę. Taigi, stebėtina, kaip išsivystė skaičiai mūsų pasaulyje, kad kelių dešimčių elementariųjų dalelių gyvenimo trukmė patenka į siaurą verčių diapazoną nuo 0,4 iki 2 ps. Tai vadinamieji žavūs ir mieli hadronai – dalelės, kuriose yra sunkus kvarkas.
Pikosekundės yra nuostabios, jos tiesiog neįkainojamos eksperimentų su greitintuvais požiūriu! Faktas yra tas, kad per 1 ps dalelė turės laiko nuskristi trečdalį milimetro, o modernus detektorius gali nesunkiai išmatuoti tokius didelius atstumus. Šių dalelių dėka dalelių susidūrimų prie susidūrimo vaizdas tampa „lengvai skaitomas“ - čia įvyko susidūrimas ir daugybė hadronų susidarymo, o ten, šiek tiek toliau, įvyko antrinis skilimas. Tarnavimo laikas tampa tiesiogiai išmatuojamas, o tai reiškia, kad tampa įmanoma išsiaiškinti, kokia tai buvo dalelė, ir tik tada naudoti šią informaciją sudėtingesnei analizei.
Lėtas silpnas skilimas yra skilimas, kuris prasideda šimtais pikosekundžių ir tęsiasi per visą nanosekundžių diapazoną. Tai apima vadinamųjų „keistųjų dalelių“ klasę - daugybę hadronų, kuriuose yra keistas kvarkas. Nepaisant savo pavadinimo, šiuolaikiniams eksperimentams jie visai nėra keista, o priešingai, tai yra įprasčiausios dalelės. Jie tiesiog atrodė keistai praėjusio amžiaus 50-aisiais, kai fizikai staiga pradėjo juos atrasti vieną po kito ir ne visai suprato jų savybes. Beje, būtent keistų hadronų gausa prieš pusę amžiaus pastūmėjo fizikus į kvarkų idėją.
Šiuolaikinių eksperimentų su elementariomis dalelėmis požiūriu nanosekundės yra daug. Tai tiek, kad iš akceleratoriaus išstumta dalelė tiesiog nespėja suirti, o perveria detektorių, palikdama jame savo pėdsaką. Žinoma, tada jis įstrigs kur nors detektoriaus medžiagoje arba aplink jį esančiose uolienose ir ten suirs. Tačiau fizikams šis skilimas neberūpi, juos domina tik pėdsakai, kuriuos ši dalelė paliko detektoriuje. Taigi šiuolaikiniams eksperimentams tokios dalelės atrodo beveik stabilios; todėl jos vadinamos „tarpiniu“ terminu – metastabiliomis dalelėmis.
Na, o ilgiausiai gyvenanti dalelė, neskaitant neutrono, yra miuonas - savotiškas elektrono „brolis“. Jis nedalyvauja stiprioje sąveikoje, nesuyra nuo elektromagnetinių jėgų, todėl jai lieka tik silpnos sąveikos. O kadangi gana lengvas, tai gyvena 2 mikrosekundes – ištisą epochą elementariųjų dalelių mastu.