Елементарні частинки та їх заряди. Частинки елементарні

ЕЛЕМЕНТАРНІ ЧАСТИНИ- первинні, далі нерозкладні частки, у тому числі, як вважають, складається вся матерія. У сучасній фізиці термін «елементарні частинки» зазвичай вживається для позначення великої групи найдрібніших частинок матерії, які не є атомами або атомними ядрами (див. Ядро атомне); виняток становить ядро ​​атома водню – протон.

До 80-х років 20 століття науці було відомо понад 500 елементарних частинок, більшість яких є нестабільними. До елементарних частинок відносяться протон (p), нейтрон (n), електрон (e), фотон (γ), пі-мезони (π), мюони (μ), важкі лептони (τ + , τ -), нейтрино трьох типів - електронні (V e), мюонні (V μ) та пов'язані з так званим важким дептоном (V τ), а також «дивні» частинки (К-мезони та гіперони), різноманітні резонанси, мезони з прихованою чарівністю, «зачаровані» частинки, іпсилон-частки (Υ), «гарні» частинки, проміжні векторні бозони та ін. З'явився самостійний розділ фізики – фізика елементарних частинок.

Історія фізики елементарних частинок почалася з 1897 року, коли Томсоном (J. J. Thomson) було відкрито електрон (див. Електронне випромінювання); в 1911 Міллікен (R. Millikan) виміряв величину його електричного заряду. Поняття «фотон» – квант світла – було введено Планком (М. Planck) у 1900 році. Прямі експериментальні докази існування фотона були отримані Міллікен (1912-1915) і Комптон (A. Н. Compton, 1922). У процесі вивчення атомного ядра Е. Резерфорд відкрив протон (див. Протонне випромінювання), а в 1932 Чедвік (J. Chadwick) - нейтрон (див. Нейтронне випромінювання). 1953 року було експериментально доведено існування нейтрино, яке Паулі (W. Pauli) передбачив ще 1930 року.

Елементарні частинки поділяють на три групи. Перша представлена ​​єдиною елементарною частинкою - фотоном, -квантом, або квантом електромагнітного випромінювання. Друга група - це лептони (грецький leptos дрібний, легкий), що беруть участь, крім електромагнітних, ще й у слабких взаємодіях. Відомо 6 лептонів: електрон та електронне нейтрино, мюон та мюонне нейтрино, важкий τ-лептон та відповідний нейтрино. Третю - основну групу елементарних частинок становлять адрони (грецький hadros великий, сильний), які беруть участь у всіх видах взаємодій, зокрема у сильних взаємодіях (див. нижче). До адронів відносяться частки двох типів: баріони (грец. barys важкий) - частки з напівцілим спином і масою не менше маси протона, і мезони (грецький середній місяць) - частки з нульовим або цілим спином (див. Електронний парамагнітний резонанс). До баріонів належать протон і нейтрон, гіперони, частина резонансів та «зачарованих» частинок та деякі інші елементарні частинки. Єдиним стабільним баріоном є протон, інші баріони нестабільні (нейтрон у вільному стані - нестабільна частка, проте у зв'язаному стані всередині стабільних атомних ядер він стабільний. Мезони отримали свою назву тому, що маси перших відкритих мезонів - пі-мезону та К-мезону - мали значення, проміжні між масами протона і електрона.Пізніше були відкриті мезони, маса яких перевищує масу протону.Адрони характеризуються також дивністю (S) - нульовим, позитивним або негативним квантовим числом.Адрони з нульовою дивністю називають звичайними, а з S ≠ 0 - У 1964 р. Цвейг (G. Zweig) і Гелл-Ман (М. Gell-Mann) незалежно один від одного висловили припущення про кваркову структуру адронів.Результати ряду експериментів свідчать про те, що кварки є реальними матеріальними утвореннями всередині адронів. володіють поруч незвичайних властивостей, Наприклад дробовим електричним зарядом та ін У вільному стані кварків не спостерігали. Вважають, що це адрони утворюються з допомогою різних поєднань кварків.

Спочатку елементарні частинки досліджували щодо радіоактивного розпаду (див. Радіоактивність) і космічного випромінювання (див.). Однак починаючи з 50-х років 20 століття дослідження елементарних частинок виробляють на прискорювачах заряджених частинок (див.), У яких прискорені частинки бомбардують мішень або стикаються з частинками, що летять назустріч. При цьому частинки взаємодіють між собою, внаслідок чого відбувається їхнє взаємоперетворення. Саме таким чином було відкрито більшість елементарних частинок.

Кожна елементарна частка разом зі специфікою властивих їй взаємодій описується набором дискретних значень певних фізичних величин, що виражаються цілими або дробовими числами (квантовими числами). Загальними характеристиками всіх елементарних частинок є маса (m), час життя (т), спин (J) - власний момент кількості руху елементарних частинок, що має квантову природу і не пов'язаний із переміщенням частинки як цілого, електричний заряд (Ω) та магнітний момент ( μ). Електричні заряди вивчених елементарних частинок абсолютної величиниє цілими кратними числами від заряду електрона (е?1,6 * 10 -10 к). У відомих елементарних частинок електричні заряди дорівнюють 0, ±1 і ±2.

Всі елементарні частинки мають відповідні античастинки, маса і спин яких дорівнюють масі та спину частинки, а електричний заряд, магнітний момент та інші характеристики рівні за абсолютною величиною та протилежні за знаком. Наприклад, античастинкою електрона є позитрон - електрон із позитивним електричним зарядом. Елементарна частка, тотожна своїй античастинці, називається істинно нейтральною, наприклад нейтрон і антинейтрон, нейтрино і антинейтрино і т. д. При взаємодії античасток один з одним відбувається їх анігіляція (див.).

При попаданні елементарної частки у матеріальне середовище вони взаємодіють із нею. Розрізняють сильну, електромагнітну, слабку та гравітаційну взаємодії. Сильна взаємодія (сильніша за електромагнітну) виникає між елементарними частинками, що знаходяться на відстані менше 10 -15 м (1 фермі). При відстанях понад 1,5 ферм сила взаємодії між частинками близька до нуля. Саме сильні взаємодії між елементарними частинками забезпечують виняткову міцність атомних ядер, що лежить в основі стабільності речовини земних умовах. Характерною особливістю сильної взаємодії є її незалежність від електричного заряду. До сильної взаємодії здатні адрони. Сильні взаємодії зумовлюють розпад короткоживучих частинок (час життя близько 10 -23 - 10 -24 сек.), Які називають резонансами.

Електромагнітної взаємодії схильні всі заряджені елементарні частинки, фотони та нейтральні частинки, що мають магнітним моментом(Наприклад, нейтрони). В основі електромагнітних взаємодій лежить зв'язок з електромагнітним полем. Сили електромагнітної взаємодії приблизно у 100 разів слабше силсильної взаємодії. Основна сфера дії електромагнітної взаємодії – атоми та молекули (див. Молекула). Така взаємодія визначає структуру твердих тіл, характер хім. процесів. Воно не обмежується відстанню між елементарними частинками, тому розмір атома приблизно 10 4 разів більше розміруатомного ядра.

Слабкі взаємодії лежать в основі надзвичайно повільних процесів за участю елементарних частинок. Наприклад, нейтрино, що мають слабку взаємодію, можуть безперешкодно пронизувати товщу Землі та Сонця. Слабкі взаємодії зумовлюють також повільні розпади про квазистабильных елементарних частинок, час життя яких перебуває у межах 10 8 - 10 -10 сек. Елементарні частинки, народжені при сильній взаємодії (за час 10 -23 -10 -24 сек.), але повільно, що розпадаються (10 -10 сек.), називають дивними.

Гравітаційні взаємодії між елементарними частинками дають надзвичайно малі ефекти через мізерність мас частинок. Цей вид взаємодії добре вивчений на макрооб'єктах, що мають велику масу.

Різноманітність елементарних частинок з різними фізичними характеристиками пояснює складність їх систематизації. З усіх елементарних частинок тільки фотони, електрони, нейтрино, протони та їх античастинки фактично є стабільними, оскільки мають великий час життя. Ці частинки є кінцевими продуктами мимовільного перетворення інших елементарних частинок. Народження елементарних частинок може відбуватися внаслідок перших трьох типів взаємодій. Для сильно взаємодіючих частинок джерелом народження реакції сильної взаємодії. Лептони, що найімовірніше, з'являються при розпадах інших елементарних частинок або народжуються парами (частка + античастка) під впливом фотонів.

Потоки елементарних частинок формують іонізуючі випромінювання, що викликають іонізацію нейтральних молекул середовища. Біологічний ефектелементарних частинок пов'язують з утворенням у опромінених тканинах та рідинах організму речовин з високою хімічною активністю. До таких речовин належать вільні радикали (див. вільні Радикали), перекиси (див.) та інші. Елементарні частинки можуть надавати і пряму дію на біо-молекули та надмолекулярні структури, викликати розрив внутрішньомолекулярних зв'язків, деполімеризацію високомолекулярних сполук тощо. Певне значенняу характері дії елементарних частинок на організм можуть мати процеси міграції енергії та утворення метастабільних сполук, що виникають внаслідок тривалого збереження стану збудження у деяких макромолекулярних субстратах. У клітинах пригнічується чи перекручується активність ферментних систем, змінюється структура клітинних мембранта поверхневих клітинних рецепторів, що призводить до підвищення проникності мембран та зміни дифузійних процесів, що супроводжуються явищами денатурації білків, дегідратації тканин, порушенням внутрішнього середовища клітини. Ураженість клітин значною мірою залежить від інтенсивності їхнього мітотичного поділу (див. Мітоз) та обміну речовин: з підвищенням цієї інтенсивності радіоушкодження тканин збільшується (див. Радіочутливість). На цій властивості потоків елементарні частинки - іонізуючого опромінення - засноване їх застосування променевої терапії(Див.), Особливо при лікуванні злоякісних новоутворень. Проникаюча здатність заряджених елементарних частинок великою мірою залежить від лінійної передачі енергії (див.), тобто від середньої енергії, що поглинається середовищем у місці проходження зарядженої частки, віднесеної до одиниці її шляху.

Пошкоджуюча дія потоку елементарних частинок особливо позначається на стовбурових клітинах кровотворної тканини, епітелії яєчок, тонкої кишки, шкіри (див. Променева хвороба, Променеві ушкодження). Насамперед уражаються системи, що знаходяться під час опромінення у стані активного органогенезу та диференціювання (див. Критичний орган).

Біологічна та терапевтична дія елементарних частинок залежить від їх виду та дози випромінювання (див. Дози іонізуючих випромінювань). Так, наприклад, при впливі рентгенівського випромінювання (див. Рентгенотерапія), гамма-випромінювання і протонного випромінювання на все тіло людини в дозі близько 100 рад спостерігається тимчасова зміна кровотворення; зовнішній впливнейтронного випромінювання (див. Нейтронне випромінювання) веде до утворення в організмі різних радіоактивних речовин, наприклад радіонуклідів натрію, фосфору та ін. При попаданні в організм радіонуклідів, що є джерелами бета-часток (електронів або позитронів) або гамма-квантів, відбувається так зване внутрішнє опроміненняорганізму (див. Інкорпорування радіоактивних речовин). Особливо небезпечні в цьому відношенні радіонукліди, що швидко резорбуються. рівномірним розподіломнапр. тритій (3H) та полоній-210.

Радіонукліди, що є джерелами елементарних частинок і беруть участь в обміні речовин, використовують у радіоізотопній діагностиці (див.).

Бібліогр.:Ахієзер А. І. та Рекало М. П. Біографія елементарних частинок, Київ, 1983, бібліогр.; Боголюбов Н. Н. і Широков Д. Ст Ст Квантові поля, М., 1980; Борн М. Атомна фізика, пров. з англ., М., 1965; Джонс X. Фізика радіології, пров. з англ. М., 1965; Кронгауз А. Н., Ляпідевський В. К. та Фролова А. В. Фізичні основиклінічної дозиметрії, М., 1969; Променева терапія з допомогою випромінювань високої енергії, під ред. І. Беккера та Г. Шуберта, пров. з ньому., М., 1964; Тюбіана М. та ін. Фізичні основи променевої терапії та радіобіології, пров. з франц., М., 1969; Шпольський Е. Ст Атомна фізика, т. 1, М., 1984; Янг Ч. Елементарні частки, пров. з англ. М., 1963.

Р. В. Ставнцький.

У якому є інформація про те, що всі елементарні частинки, що входять до складу будь-якого хімічного елемента, складаються з різного числа неподільних фантомних частинок. елементами елементарних частинок.

Теорія кварків вже давно стала загальновизнаною серед вчених, які займаються дослідженнями мікросвіту елементарних частинок. І хоча на початку введення поняття «кварк» було суто теоретичним припущенням, існування якого лише ймовірно підтвердилося експериментально, на сьогоднішній день цим поняттям оперують як непохитною істинною. Вчений світ умовився називати кварки фундаментальними частинками, і за кілька десятиліть це поняття стало центральною темоютеоретичних та експериментальних досліджень у галузі фізики високих енергій. «Кварк» увійшов до програми навчання всіх природничих ВНЗ світу. На дослідження в цій галузі виділяються величезні кошти - чого тільки вартує будівництво Великого адронного колайдера. Нові покоління вчених, вивчаючи теорію кварків, сприймають їх у тому вигляді, як вона подано у підручниках, мало цікавлячись історією даного питання. Але спробуймо неупереджено і чесно подивитися в корінь «кваркового питання».

До другої половини XX століття завдяки розвитку технічних можливостей прискорювачів елементарних частинок - лінійних і кругових циклотронів, а потім і синхротронів, вченим вдалося відкрити безліч нових частинок. Однак, що робити з цими відкриттями вони не розуміли. Тоді було висунуто ідея, з теоретичних міркувань, спробувати згрупувати частки у пошуках якогось порядку (подібно до періодичної системі хімічних елементів - таблиці Менделєєва). Вчені домовилисяважкі та середні за масою частинки назвати адронами, а надалі їх розбити на баріониі мезони. Усі адрони брали участь у сильній взаємодії. Менш важкі частки, назвали лептонами, вони брали участь у електромагнітному та слабкому взаємодії . З того часу фізики намагалися пояснити природу всіх цих частинок, намагаючись знайти загальну всім модель, що описує їх поведінка.

У 1964 році американські фізики Мюррей Гелл-Ман (Лауреат Нобелівської премії з фізики 1969 р.) та Джордж Цвейг незалежно один від одного запропонували новий підхід. Було висунуто суто гіпотетичне припущення, що всі адрони складаються з трьох дрібніших частинок і відповідних античастинок. І Гелл-Ман назвав ці нові частки кварками.Цікаво, що саму назву він запозичив з роману Джеймса Джойса «Поминки по Фіннегану», де герою в снах часто чулися слова про таємничі три кварки. Чи то Гелл-Ман надто емоційно сприйняв цей роман, чи йому просто подобалося число три, але у своїх наукових працях він пропонує ввести у фізику елементарних частинок перші три кварки, що отримали назви верхній (і -від англ. up), нижній (d - down) та дивний (s- strange), які мають дробовим електричним зарядом + 2 / 3, - 1 / 3 і - 1 / 3 відповідно, а для антикварків прийняти, що їх заряди протилежні за знаком.

Згідно з цією моделлю протони і нейтрони, з яких, як припускають вчені, складаються всі ядра хімічних елементів, складені з трьох кварків: uud і udd відповідно (знов ці всюдисущі три кварки). Чому саме із трьох і саме в такому порядку не пояснювалося. Просто так вигадали авторитетні науковці і все тут. Спроби зробити теорію красивою не наближають до Істини, лише викривляють і так криве дзеркало, у якому відбито Її частинка. Ускладнюючи просте, ми віддаляємось від Істини. А все так просто!

Ось так будується «високоточна» загальновизнана офіційна фізика. І хоча спочатку введення кварків пропонувалося як робоча гіпотеза, але через короткий часця абстракція щільно увійшла до теоретичну фізику. З одного боку, вона дозволила з математичної точки зору вирішити питання з упорядкуванням великого ряду відкритих частинок, З іншого ж, залишалася лише теорією на папері. Як зазвичай це робиться в нашому споживчому суспільстві, на експериментальну перевірку гіпотези існування кварків було спрямовано дуже багато людських силта ресурсів. Кошти платників податків витрачаються, людям треба про щось розповідати, звіти показувати, говорити про свої «великі» відкриття, щоб отримати черговий грант. "Ну раз треба, значить зробимо", - кажуть у таких випадках. І це сталося.

Колектив дослідників Стенфордського відділення Массачусетського технологічного інституту (США) на лінійному прискорювачі займався вивченням ядра, обстрілюючи електронами водень та дейтерій (важкий ізотоп водню, ядро ​​якого містить один протон та один нейтрон). При цьому вимірювалися кут та енергія розсіювання електронів після зіткнення. У разі малих енергій електронів розсіяні протони з нейтронами поводилися як однорідні частинки, злегка відхиляючи електрони. Але у випадку з електронними пучками великої енергії окремі електрони втрачали значну частину своєї початкової енергії, розсіюючись на великі кути. Американські фізики Річард Фейнман (Лауреат Нобелівської премії з фізики 1965 р. і, до речі, один із творців атомної бомбив 1943-1945 роках в Лос-Аламосі) і Джеймс Бьоркен витлумачили дані щодо розсіювання електронів як свідчення складового пристрою протонів і нейтронів, а саме: у вигляді передбачуваних раніше кварків.

Зверніть увагу, будь ласка, на цей ключовий момент. Експериментатори в прискорювачах зіштовхуючи пучки частинок (не поодинокі частки, а пучки!!!), набираючи статистику(!!!) побачили, що протон і нейтрон із чогось там складаються. Але з чого? Адже вони не побачили кварки, та ще й у числі трьох штук, це неможливо, вони просто побачили розподіл енергій і кути розсіювання пучка частинок. А оскільки єдиною на той час теорією будови елементарних частинок, хоч і вельми фантастичною, була теорія кварків, то і вважали цей експеримент першою успішною перевіркою існування кварків.

Пізніше, звичайно ж, були й інші експерименти і нові теоретичні обґрунтуванняале суть їх одна і та ж. Будь-який школяр, прочитавши історію цих відкриттів, зрозуміє, наскільки все у цій галузі фізики притягнуте за вуха, наскільки все банально нечесно.

Ось так і ведуться експериментальні дослідженняв галузі науки з гарною назвою – фізика високих енергій. Давайте будемо чесними самі перед собою, на сьогоднішній день не існує чітких наукових обґрунтуваньіснування кварків. Цих часток просто немає у природі. Чи хоч один фахівець розуміє, що насправді відбувається при зіткненні двох пучків заряджених частинок у прискорювачах? Те, що на цій кварковій теорії будувалася так звана Стандартна модель, яка нібито є найточнішою і найправильнішою, ще ні про що не говорить. Фахівцям добре відомі всі вади цієї чергової теорії. Ось тільки чомусь про це прийнято замовчувати. Але чому? «І найбільша критика Стандартної моделі стосується тяжіння та походження маси. Стандартна модель не враховує тяжіння і вимагає, щоб маса, заряд та деякі інші властивості частинок вимірювалися досвідченим шляхом для подальшої постановки рівняння» .

Незважаючи на це, величезні кошти виділяються на цю галузь досліджень, вдумайтеся тільки, на підтвердження Стандартної моделі, а не пошуки Істини. Побудовано Великий адронний колайдер (CERN, Швейцарія), сотні інших прискорювачів по всьому світу, видаються премії, гранти, міститься величезний штат технічних фахівцівАле суть всього цього - банальний обман, Голлівуд і не більше. Запитайте будь-яку людину – яку реальну користь суспільству приносять ці дослідження – ніхто вам не відповість, оскільки це тупикова гілка науки. З 2012 року заговорили про відкриття бозона Хіггса на прискорювачі в CERN. Історія цих досліджень - це цілий детектив, в основі якого той самий обман світової громадськості. Цікаво, що цей бозон нібито відкрили саме після того, як зайшла мова про припинення цього фінансування. дорогого проекту. І щоб показати суспільству важливість цих досліджень, виправдати свою діяльність, щоб отримати нові транші на будівництво ще потужніших комплексів, співробітникам CERN, які працюють у цих дослідженнях, і довелося піти на угоду зі своєю совістю, видаючи бажане за дійсне.

У доповіді «СКОВНА ФІЗИКА АЛАТРА» щодо цього є така цікава інформація: «Вчені виявили частку, імовірно схожу на бозон Хіггса (бозон був передбачений англійським фізиком Пітером Хіггсом (Peter Higgs; 1929), відповідно до теорії, він повинен володіти кінцевою масою і не мати спина). Насправді те, що виявили вчені, не є шуканим бо-зоном Хіггса. Але ці люди, самі того ще не усвідомлюючи, зробили справді важливе відкриттяі виявили набагато більше. Вони експериментально виявили явище, про яке докладно описано в книзі «АллатРа» (Примітка: книга "АллатРа", стор 36 останній абзац). .

Як же насправді влаштований мікросвіт матерії?У доповіді «СПОКОНА ФІЗИКА АЛАТРА» є достовірна інформація про справжню будову елементарних частинок, знання, які були відомі і давнім цивілізаціям, чому є незаперечні докази у вигляді артефактів. Елементарні частинки складаються з різного числа фантомних частинок. «Фантомна частинка По - це потік, що складається з септонів, навколо якого знаходиться невелике розріджене власне септонне поле. Фантомна частинка має внутрішній потенціал (є його носієм), що оновлюється в процесі езоосмосу. Відповідно до внутрішнього потенціалу, фантомна частинка має свою пропорційність. Найменшою фантомною частинкою По є унікальна силова фантомна частинка По ‒ Аллат (Примітка: докладніше див. далі за доповіддю). Фантомна частинка По – це впорядкована структура, яка перебуває у постійному спіралеподібному русі. Вона може існувати тільки у зв'язаному стані з іншими фантомними частинками, які в конгломераті утворюють первинні прояви матерії. Внаслідок своїх унікальних функцій є своєрідним фантомом (примарою) для матеріального світу. З огляду на те, що з фантомних частинок По складається вся матерія, це задає їй характеристику ілюзорної конструкції та форми буття, залежної від процесу езоосмосу (наповнення внутрішнього потенціалу).

Фантомні частинки є нематеріальним утворенням. Однак у зчіпці ( послідовному з'єднанні) між собою, збудовані згідно інформаційній програмів певній кількостіі порядку, на певній відстані один від одного, вони становлять основу будови будь-якої матерії, задають її різноманітність та властивості завдяки своєму внутрішньому потенціалу (енергії та інформації). Фантомна частинка По - це те, з чого складаються у своїй основі елементарні частинки (фотон, електрон, нейтрино і так далі), а також частинки-переносники взаємодій. Це первинне прояв матерії у світі» .

Провівши після прочитання цієї доповіді таке невелике дослідження історії розвитку теорії кварків і загалом фізики високих енергій, стало зрозуміло, як все-таки мало знає людина, якщо обмежує своє пізнання лише рамками матеріалістичного світогляду. Одні припущення від розуму, теорія ймовірності, умовна статистика, домовленості та відсутність достовірних знань. Адже люди часом на ці дослідження витрачають свої життя. Впевнений, що серед науковців і цієї галузі фізики є безліч людей, які справді прийшли в науку не заради слави, влади та грошей, а заради однієї мети – пізнання Істини. Коли їм стануть доступні знання «СКОЛЬНОЇ ФІЗИКИ АЛЛАТРА», вони самі наведуть лад і зроблять справді епохальні наукові відкриття, які принесуть реальну користь суспільству. З появою цієї унікальної доповіді сьогодні відкрита Нова сторінкасвітової науки. Тепер уже стоїть питання не в знаннях як таких, а в тому, чи готові самі люди до створення цих знань. В силах кожної людини зробити все можливе, щоб усі ми подолали нав'язаний нам споживчий формат мислення та дійшли розуміння необхідності створення основ побудови духовно-творчого суспільства майбутнього у майбутню епоху глобальних катаклізмів на планеті Земля.

Валерій Вершигора

Ключові слова:кварки, теорія кварків, елементарні частинки, бозон Хіггса, СПОКОНА ФІЗИКА АЛЛАТРА, Великий адронний колайдер, наука майбутнього, фантомна частинка По, септонне поле, аллат, пізнання істини.

Література:

Коккеде Я., Теорія кварків, М., Видавництво «Світ», 340 с., 1969, http://nuclphys.sinp.msu.ru/books/b/Kokkedee.htm;

Arthur W. Wiggins, Charles M. Wynn, The Five Biggest Unsolved Problems in Science, John Wiley & Sons, Inc., 2003 // Віггінс А., Вінн Ч. «П'ять невирішених проблем науки» в пров. на російську;

Observation of Excess of Events in Search for Standard Model Higgs boson with ATLAS detector at LHC, 09 Jul 2012, CERN LHC, ATLAS, http://cds.cern.ch/record/1460439 ;

Observation of new boson with mass near 125 GeV, 9 Jul 2012, CERN LHC, CMS, http://cds.cern.ch/record/1460438?ln=en ;

Доповідь «СКОВНА ФІЗИКА АЛАТРА» міжнародної групи вчених Міжнародного громадського руху"АЛАТРА" під ред. Анастасії Нових, 2015 р.;

Елементарні частки, у вузькому значенні - частинки, які не можна вважати складаються з інших частинок. У сучасній фізиці термін " елементарні частки" використовують у більш широкому значенні: так називають дрібні частинкиматерії, підпорядковані умові, що є і атомами (виняток становить протон); іноді з цієї причини елементарні часткиназивають суб'ядерними частинками. Більшість таких частинок (а їх відомо більше 350) є складовими системами.

Елементарні часткиберуть участь в електромагнітному, слабкому, сильному та гравітаційному взаємодіях. Через малі маси елементарних частинокїхня гравітаційна взаємодія зазвичай не враховується. Усе елементарні часткиподіляють на три основні групи. Першу складають так звані бозони – переносники електрослабкої взаємодії. Сюди відноситься фотон або квант електромагнітного випромінювання. Маса спокою фотона дорівнює нулю, тому швидкість поширення електромагнітних хвильв (в т. ч. світлових хвиль) є граничною швидкістю поширення фізичного впливу і є однією з фундаментальних фізичних постійних; прийнято, що з= (299792458±1,2) м/с.

Друга група елементарних частинок- лептони, що беруть участь в електромагнітних та слабких взаємодіях. Відомо 6 лептонів: електронне нейтрино, мюон, мюонне нейтрино, важкий τ-лептон і відповідне нейтрино. Електрон (символ e) вважається матеріальним носієм найменшої маси у природі m e , що дорівнює 9,1×10 -28 г (в енергетичних одиницях ≈0,511 МеВ) та найменшого негативного електричного заряду e= 1,6 10 -19 Кл. Мюони (символ μ -) - частинки з масою близько 207 мас електрона (105,7 МеВ) та електричним зарядом, рівним зарядуелектрона; важкий τ-лептон має масу близько 1,8 ГеВ. Відповідні цим часткам три типи нейтрино - електронне (символ ν e), мюонне (символ ν μ) та τ-нейтрино (символ ν τ) - легкі (можливо, безмасові) електрично нейтральні частинки.

Кожному з лептонів відповідає , Що має ті ж значення маси, спина та інших характеристик, але відрізняється знаком електричного заряду. Існують (символ e +) - античастка по відношенню до , позитивно заряджений (символ μ +) і три типи антинейтрино (символи ), яким приписують протилежний знак особливого квантового числа, званого лептонним зарядом (див. нижче).

Третя група елементарних частинок - адрони, вони беруть участь у сильній, слабкій та електромагнітній взаємодіях. Адрони є "важкі" частинки з масою, що значно перевищує масу електрона. Це найбільш численна група елементарних частинок. Адрони діляться на баріони - частинки зі спином ½ћ, мезони - частинки з цілим спином (0 або 1); а також так звані резонанси - короткоживучі збуджені станиадронів. До баріонів відносять протон (символ p) - ядро ​​атома водню з масою, що ~ 1836 разів перевищує m e і рівною 1,672648×10 -24 г (≈938,3 МеВ), і позитивним електричним зарядом, рівним заряду нейтрон (символ n) - електрично нейтральна частка, маса якої трохи перевищує масу протона. З протонів і нейтронів побудовано все, саме сильна взаємодія зумовлює зв'язок цих частинок між собою. У сильній взаємодії протон і нейтрон мають однакові властивості і розглядаються як два квантові стани однієї частинки - нуклону з ізотопічним спином ½ћ (див. нижче). Баріони включають і гіперони - елементарні часткиз масою більше нуклонною: Λ-гіперон має масу 1116 МеВ, Σ-гіперон - 1190 МеВ, Θ-гіперон - 1320 МеВ, Ω-гіперон - 1670 МеВ. Мезони мають маси, проміжні між масами протону та електрона (π-мезон, K-мезон). Існують мезони нейтральні та заряджені (з позитивним та негативним елементарним електричним зарядом). Усі мезони за своїми статистичними властивостями відносяться до бозонів.

Основні властивості елементарних частинок

Кожна елементарна часткаописується набором дискретних значень фізичних величин ( квантових чисел). Загальні характеристики всіх елементарних частинок- Маса, час життя, спин, електричний заряд.

Залежно від часу життя елементарні часткиділяться на стабільні, квазістабільні та нестабільні (резонанси). Стабільними (у межах точності сучасних вимірювань) є: електрон (час життя понад 5×10 21 років), протон (понад 10 31 років), фотон та нейтрино. До квазістабільних відносяться частинки, що розпадаються внаслідок електромагнітної та слабкої взаємодій, їх часи життя понад 10 -20 с. Резонанси розпадаються з допомогою сильної взаємодії, їх характерні часи життя 10 -22 - 10 -24 з.

внутрішніми характеристиками (квантовими числами) елементарних частинокє лептонний (символ L) та баріонний (символ У) заряди; ці числа вважаються строго збереженими величинами всім типів фундаментальних взаємодій. Для лептонних та їх античасток Lмають протилежні знаки; для баріонів У= 1, для відповідних античасток У=-1.

Для адронів характерна наявність спеціальних квантових чисел: "дива", "чарівності", "краси". Звичайні (недивні) адрони - протон, нейтрон, π-мезони. Усередині різних групадронів є сімейства частинок, близьких за масою і з подібними властивостями щодо сильної взаємодії, але з різними значеннями електричного заряду; найпростіший приклад- протон та нейтрон. Загальне квантове число для таких елементарних частинок- так званий ізотопічний спин, що приймає, як і звичайний спин, цілі та напівцілі значення. До особливих характеристик адронів відноситься і внутрішня парність, що набуває значення ±1.

Важлива властивість елементарних частинок- їх здатність до взаємоперетворень у результаті електромагнітних чи інших взаємодій. Один із видів взаємоперетворень - так зване народження пари, або утворення одночасно частки та античастки (у загальному випадку- утворення пари елементарних частинокз протилежними лептонними чи баріонними зарядами). Можливі процеси народження електрон-позитронних пар e - e + , мюонних пар μ + μ - нових важких частинок при зіткненнях лептонів, утворення з кварків cc- І bb-Станів (див. нижче). Інший вид взаємоперетворень елементарних частинок- анігіляція пари при зіткненнях частинок з утворенням кінцевого числа фотонів (γ-квантів). Зазвичай утворюються 2 фотони при нульовому сумарному спині частинок, що стикаються, і 3 фотони - при сумарному спині, рівному 1 (прояв закону збереження зарядової парності).

За певних умов, зокрема при невисокій швидкості частинок, що стикаються, можливе утворення пов'язаної системи - позитронію e - e + і мюонію μ + e - . Ці нестабільні системи часто називають водородоподібними. Їх час життя в речовині великою мірою залежить від властивостей речовини, що дозволяє використовувати водневі атоми для вивчення структури конденсованої речовини та кінетики швидких хімічних реакцій (див. Мезонна хімія, Ядерна хімія).

Кваркова модель адронів

Детальний розгляд квантових чисел адронів з метою їхньої класифікації дозволив зробити висновок про те, що дивні адрони та звичайні адрони в сукупності утворюють об'єднання частинок з близькими властивостями, названі унітарними мультиплетами. Числа частинок, що входять до них, дорівнюють 8 (октет) і 10 (декуплет). Частинки, що входять до складу унітарного мультиплету, мають однакові та внутрішню парність, але відрізняються значеннями електричного заряду (частинки ізотопічного мультиплету) та дивацтва. З унітарними групами пов'язані властивості симетрії, їх виявлення стало основою висновку про існування спеціальних структурних одиниць, у тому числі побудовані адрони, - кварков. Вважають, що адрони є комбінацією 3 фундаментальних частинокзі спином ½: n-кварків, d-кварків та s-Кварків. Так, мезони складені з кварку та антикварку, баріони – з 3 кварків.

Припущення, що адрони складено з 3 кварків, було зроблено в 1964 (Дж. Цвейг і незалежно від нього М. Гелл-Ман). Надалі в модель будови адронів (зокрема, щоб не виникало протиріччя з принципом Паулі) були включені ще 2 кварки - "зачарований" ( з) і красивий" ( b), а також введені особливі характеристикикварків - "аромат" та "колір". Кварки, які виступають як складові адронів, у вільному стані не спостерігалися. Все різноманіття адронів обумовлено різними поєднаннями n-, d-, s-, з- І b-Кварків, що утворюють зв'язкові стани Звичайним адронам (протону, нейтрону, π-мезонам) відповідають зв'язкові стани, побудовані з n- І d-Кварків. Наявність в адроні поряд з n- І d-кварками одного s-, з- або b-кварка означає, що відповідний адрон - "дивний", "зачарований" або "красивий".

Кваркова модель будови адронів підтвердилася в результаті експериментів, проведених наприкінці 60-х – на початку 70-х років. XX ст. Кварки фактично стали розглядатися як нові елементарні частки- істинно елементарні часткидля адронної форми матерії Неспостереження вільних кварків, мабуть, носить важливий характері дає підстави припускати, що вони є тими елементарними частинками, які замикають ланцюг структурних складових речовини Існують теоретичні та експериментальні докази на користь того, що сили, що діють між кварками, не слабшають з відстанню, тобто. для відокремлення кварків один від одного потрібна нескінченно велика енергія або, інакше кажучи, виникнення кварків у вільному стані неможливе. Це робить їх новим типом структурних одиниць речовини. Можливо, що кварки виступають як останній ступінь дроблення матерії.

Короткі історичні відомості

Першою відкритою елементарною частинкоюбув електрон - носій негативного електричного заряду в атомах (Дж. Дж. Томсон, 1897). У 1919 р. Е. Резерфорд виявив серед частинок, вибитих з атомних ядер, протони. Нейтрони відкриті 1932 Дж.Чедвіком. У 1905 А. Ейнштейн постулював, що електромагнітне випромінюванняє потоком окремих квантів (фотонів) та на цій основі пояснив закономірності фотоефекту. Існування як особливого елементарної часткивперше запропонував В. Паулі (1930); електронне

Елементарними називають частинки, у яких на Наразіне виявлено внутрішньої структури. Ще минулого століття елементарними частинками вважалися атоми. Їхня внутрішня структура - ядра і електрони - була виявлена ​​на початку XX ст. у дослідах Е. Резерфорда. Розмір атомів - близько 10 -8 см, ядер - у десятки тисяч разів менший, а розмір електронів дуже малий. Він менше ніж 10 -16 см, як це випливає з сучасних теорій та експериментів.

Таким чином, зараз електрон – елементарна частка. Що ж до ядер, їх внутрішня структура виявилася невдовзі після їх відкриття. Вони складаються з нуклонів – протонів та нейтронів. Ядра досить щільні: середня відстань між нуклонами всього в кілька разів більша за їх власний розмір. Для того щоб з'ясувати, з чого складаються нуклони, знадобилося близько півстоліття, щоправда, при цьому з'явилися і були дозволені інші загадки природи.

Нуклони складаються з трьох кварків, які елементарні з тією ж точністю, що і електрон, тобто їх радіус менше 10 -16 см. Радіус нуклонів - розмір області, що займає кварки, - близько 10 -13 см. частинок - баріонів, складених із трьох різних (або однакових) кварків. Кварки можуть по-різному зв'язуватися в трійки, і це визначає відмінності у властивостях баріону, наприклад він може мати різний спин.

Крім того, кварки можуть з'єднуватися в пари - мезони, що складаються з кварку та антикварку. Спин мезонів приймає цілі значення, тоді як баріонів він набуває напівцілі значення. Разом баріони та мезони називаються адронами.

У вільному виглядікварки не знайдені, і згідно з прийнятими в даний час уявленнями вони можуть існувати тільки у вигляді адронів. До відкриття кварків деякий час адрони вважалися елементарними частинками (і така їхня назва ще досить часто зустрічається в літературі).

Першим експериментальним вказівкою на складову структуруадронів були досліди з розсіювання електронів на протонах на лінійному прискорювачі в Станфорді (США), які можна було пояснити лише припустивши наявність усередині протона якихось точкових об'єктів.

Незабаром стало зрозуміло, що це - кварки, існування яких передбачалося раніше теоретиками.

Тут представлено таблицю сучасних елементарних частинок. Окрім шести видів кварків (у дослідах поки що проявляються лише п'ять, але теоретики припускають, що є і шостий) у цій таблиці наведено лептони - частки, до сім'ї яких належить і електрон. Ще в цій родині виявлено мюон і (зовсім недавно) t-лептон. У кожного є своє нейтрино, отже лептони природним чином розбиваються на три пари е, n е; m, n m; t, n t.

Кожна з цих пар поєднується з відповідною парою кварків у четвірку, яка називається поколінням. Властивості частинок повторюються з покоління до покоління, як це видно з таблиці. Відрізняються лише маси. Друге покоління важче першого, а третє покоління важче другого.

У природі зустрічаються переважно частки першого покоління, інші створюються штучно на прискорювачах заряджених частинок чи за взаємодії космічних променіву атмосфері.

Крім спін, що мають 1/2 кварків і лептонів, разом званих частинками речовини, в таблиці наведені частинки зі спином 1. Це кванти полів, створюваних частинками речовини. З них найвідоміша частка - фотон, квант електромагнітного поля.

Так звані проміжні бозони W+ і W- , Що володіють дуже великими масами, були нещодавно виявлені в експериментах на зустрічних р-пучках при енергіях кілька сотень ГеВ. Це переносники слабких взаємодій між кварками та лептонами. І нарешті, глюони – переносники сильних взаємодій між кварками. Як і самі кварки, глюони не виявлено у вільному вигляді, але проявляються на проміжних стадіях реакцій народження та знищення адронів. Нещодавно було зареєстровано струмені адронів, породжені глюонами. Оскільки всі прогнози теорії кварків і глюонів - квантової хромодинаміки - сходяться з досвідом, майже немає сумнівів щодо існування глюонів.

Частка зі спином 2 – це гравітон. Його існування випливає з теорії тяжіння Ейнштейна, принципів квантової механіки та теорії відносності. Виявити гравітон експериментально буде надзвичайно важко, оскільки він дуже слабко взаємодіє із речовиною.

Нарешті, у таблиці зі знаком питання наведені частинки зі спином 0 (Н-мезони) та 3/2 (гравітіно); вони не виявлені на досвіді, але їхнє існування передбачається у багатьох сучасних теоретичних моделях.

Елементарні частки

Адрони - загальна назвадля частинок, що беруть участь у сильних взаємодіях . Назва походить від грецького слова, що означає "сильний, великий". Усі адрони поділяються на дві великі групи - мезони та баріони.

Баріони(Від грецького слова, що означає «важкий») - це адрони з напівцілим спином . Найвідоміші баріони - протоні нейтрон . До баріонів належить також ряд частинок із квантовим числом, названим колись дивністю. Одиницею дивності мають баріон лямбда (L°) і сімейство баріонів сигма (S - , S+ та S°). Індекси +, - ,0 вказують на знак електричного заряду чи нейтральність частинки. Двома одиницями дивацтва мають баріони ксі (X - і X °). Баріон W - має дивність, рівну трьом. Маси перерахованих баріонів приблизно в півтора рази більші за масу протона, а їх характерний час життя становить близько 10 -10 с. Нагадаємо, що протон практично стабільний, а нейтрон живе понад 15 хв. Здавалося б, важчі баріони дуже недовговічні, але за масштабами мікросвіту це не так. Така частка, навіть рухаючись відносно повільно, зі швидкістю, скажімо, рівною 10% від світлової швидкості, встигає пройти шлях кілька міліметрів і залишити свій слід у детекторі елементарних частинок. Однією з властивостей баріонів, що відрізняють їх від інших видів частинок, можна вважати наявність у них барійного заряду, що зберігається. Ця величина введена для опису досвідченого факту сталості у всіх відомих процесах різниці між числом баріонів та антибаріонів.

Протон- Стабільна частка з класу адронів, ядро ​​атома водню. Важко сказати, яку подію можна вважати відкриттям протона: адже як іон водню він був відомий вже давно. У відкритті протона зіграли роль створення Е. Резерфордом планетарної моделіатома (1911), і відкриття ізотопів (Ф. Содді, Дж. Томсон, Ф. Астон, 1906-1919), та спостереження ядер водню, вибитих альфа-частинками з ядер азоту (Е. Резерфорд, 1919). У 1925 р. П. Блекетт отримав у камері Вільсона (див. Детектори ядерних випромінювань) перші фотографії слідів протона, підтвердивши відкриття штучного перетворення елементів. У цих дослідах a-частка захоплювалася ядром азоту, яке випускало протон і перетворювалося на ізотоп кисню.

Разом із нейтронами протони утворюють атомні ядра всіх хімічних елементів, причому число протонів у ядрі визначає атомний номер даного елемента. Протон має позитивний електричний заряд, що дорівнює елементарному заряду, тобто абсолютної величини заряду електрона. Це перевірено на експерименті з точністю до 10-21. Маса протону m p = (938,2796 ± 0,0027) МеВ або ~ 1,6-10 -24 г, тобто протон у 1836 разів важчий за електрон! З сучасного погляду протон не є істинно елементарною частинкою: він складається з двох u-кварків з електричними зарядами +2/3 (в одиницях елементарного заряду) та одного d-кварка з електричним зарядом -1/3 Кварки пов'язані між собою обміном іншими гіпотетичними частинками – глюонами, квантами поля, яке переносить сильні взаємодії. Дані експериментів, у яких розглядалися процеси розсіювання електронів на протонах, дійсно свідчать про наявність усередині протонів точкових центрів, що розсіюють. Ці досліди у певному сенсі дуже схожі на досліди Резерфорда, що призвели до відкриття атомного ядра. Будучи складовою, протон має кінцеві розміри ~ 10 -13 см, хоча, зрозуміло, його не можна представляти як тверда кулька. Швидше, протон нагадує хмару з розмитим кордоном, що складається з віртуальних частинок, що народжуються і анігілюють.

Протон, як і всі адрони, бере участь у кожній із фундаментальних взаємодій. Так. сильні взаємодії пов'язують протони та нейтрони в ядрах, електромагнітні взаємодії - протони та електрони в атомах. Прикладами слабких взаємодій можуть служити бета-розпад нейтрону або внутрішньоядерне перетворення протона в нейтрон з випромінюванням позитрону і нейтрино (для вільного протона такий процес неможливий в силу закону збереження та перетворення енергії, оскільки нейтрон має дещо більшу масу). Спин протону дорівнює 1/2. Адрони з напівцілим спином називаються баріонами (від грецького слова, що означає "важкий"). До баріонів відносяться протон, нейтрон, різні гіперони (L, S, X, W) та ряд частинок з новими квантовими числами, більшість з яких ще не відкрита. Для характеристики баріонів введено особлива кількість- баріонний заряд, що дорівнює 1 для баріонів, - 1 - для антибаріонів та О - для всіх інших частинок. Баріонний заряд не є джерелом баріонного поля, він введений лише для опису закономірностей, що спостерігалися в реакціях з частинками. Ці закономірності виражаються як закону збереження баріонного заряду: різниця між числом баріонів і антибаріонів у системі зберігається у будь-яких реакціях. Збереження баріонного заряду унеможливлює розпад протона, бо він найлегший з баріонів. Цей закон має емпіричний характер і, безумовно, повинен бути перевірений на експерименті. Точність закону збереження баріонного заряду характеризується стабільністю протона, експериментальна оцінка часу життя якого дає значення щонайменше 1032 років.

Елементарні частинки в точному значенні цього терміна - первинні, далі нерозкладні частинки, у тому числі, за припущенням, складається вся матерія. У понятті «Елементарні частки» в сучасній наукі природознавства знаходить вираження ідея про першорядні сутності, що визначають всі відомі властивості матеріального світу, ідея, що зародилася на ранніх етапахстановлення природознавства і завжди важливу роль його розвитку. Поняття «Елементарні частинки» сформувалося у зв'язку з встановленням дискретного характеру будови речовини на мікроскопічному рівні. Виявлення межі 19-20 ст. найдрібніших носіїв властивостей речовини - молекул та атомів - і встановлення того факту, що молекули побудовані з атомів, вперше дозволило описати все відомі речовинияк комбінації кінцевого, хоч і великого, числа структурних складових - атомів. Виявлення надалі наявності складових складових атомів - електронів та ядер, встановлення складної природиядер, що виявилися побудованими всього з двох типів частинок (протонів і нейтронів), істотно зменшило кількість дискретних елементів, що формують властивості речовини, і дало підставу припускати, що ланцюжок складових частинматерії завершується дискретними безструктурними утвореннями - Елементарні частки Таке припущення, взагалі кажучи, є екстраполяцією відомих фактіві скільки-небудь суворо обгрунтовано не може. Не можна з упевненістю стверджувати, що частинки, елементарні в значенні наведеного визначення, існують. Протони та нейтрони, наприклад, довгий часЕлементарні частки, як з'ясувалося, мають складна будова. Ймовірно можливість, що послідовність структурних складових матерії принципово нескінченна. Може виявитися також, що твердження «складається з ...» певною мірою вивчення матерії виявиться позбавленим змісту. Від цього вище визначення «елементарності» у разі доведеться відмовитися. Існування елементарних частин - це свого роду постулат, і перевірка його справедливості - одне з найважливіших завдань науки природознавства.

Елементарна частка - збірний термін, що відноситься до мікрооб'єктів у суб'ядерному масштабі, які неможливо розщепити (або поки що це не доведено) на складові. Їхня будова та поведінка вивчається фізикою елементарних частинок. Поняття елементарних частинок ґрунтується на факті дискретної будови речовини. Ряд елементарних частинок має складну внутрішню структуру, проте поділити їх на частини неможливо. Інші елементарні частинки є безструктурними і вважаються первинними фундаментальними частинками.

З часів першого відкриття елементарної частинки (електрона) в 1897 виявлено вже понад 400 елементарних частинок.

За величиною спина всі елементарні частинки поділяються на два класи:

ферміони – частинки з напівцілим спином (наприклад, електрон, протон, нейтрон, нейтрино);

бозони – частки з цілим спином (наприклад, фотон).

За видами взаємодій елементарні частинки поділяються на такі групи:

Складові частинки:

адрони - частки, що у всіх видах фундаментальних взаємодій. Вони складаються з кварків і поділяються, своєю чергою, на:

мезони (адрони з цілим спином, тобто бозони);

баріони (адрони з напівцілим спином, тобто ферміони). До них, зокрема, відносяться частинки, що становлять ядро ​​атома, - протон і нейтрон.

Фундаментальні (безструктурні) частинки:

лептони - ферміони, які мають вигляд точкових частинок (тобто не складаються ні з чого) аж до масштабів порядку 10-18 м. Не беруть участь у сильних взаємодіях. Участь в електромагнітних взаємодіях експериментально спостерігалося лише заряджених лептонів (електрони, мюони, тау-лептони) і спостерігалося для нейтрино. Відомі 6 типів лептонів.

кварки - дробозаряджені частинки, що входять до складу адронів. У вільному стані немає. Як і лептони, діляться на 6 типів і є безструктурними, проте, на відміну від лептонів, беруть участь у сильній взаємодії.

калібрувальні бозони - частки, за допомогою обміну якими здійснюються взаємодії:

фотон - частка, що переносить електромагнітну взаємодію;

вісім глюонів - частинок, що переносять сильну взаємодію;

три проміжні векторні бозони W+, W− та Z0, що переносять слабку взаємодію;

гравітон - гіпотетична частка, що переносить гравітаційну взаємодію. Існування гравітонів, хоча поки що не доведено експериментально у зв'язку зі слабкістю гравітаційної взаємодії, вважається цілком імовірним; однак гравітон не входить до стандартної моделі.

Адрони та лептони утворюють речовину. Калібрувальні бозони - це кванти різних видіввипромінювання.

Крім того, у Стандартній Моделі з необхідністю присутній хіггсовський бозон, який, втім, поки що не виявлено експериментально.

Здатність до взаємних перетворень – це найбільше важлива властивістьвсіх елементарних частинок. Елементарні частинки здатні народжуватися та знищуватися (випускатися та поглинатися). Це відноситься також і до стабільних частинок з тією різницею, що перетворення стабільних частинок відбуваються не мимовільно, а при взаємодії з іншими частинками. Прикладом може бути анігіляція (т. е. зникнення) електрона і позитрона, що супроводжується народженням фотонів великої енергії. Може протікати і зворотний процес – народження електронно-позитронної пари, наприклад, при зіткненні фотона з великою енергією з ядром. Такий небезпечний двійник, яким для електрона є позитрон, є і протон. Він називається антипротоном. Електричний заряд антипротону негативний. В даний час античастинки знайдені у всіх частинок. Античастинки протиставляються часткам тому, що при зустрічі будь-якої частинки зі своєю античастинкою відбувається їх анігіляція, тобто обидві частинки зникають, перетворюючись на кванти випромінювання або інші частинки.

У різноманітті елементарних частинок, відомих до теперішнього часу, виявляється більш менш струнка система класифікації. Найбільш зручною систематикою численних елементарних частинок є їх класифікація за видами взаємодій, в яких вони беруть участь. По відношенню до сильної взаємодії всі елементарні частинки поділяються на дві великі групи: адрони (від грец. Hadros - великий, сильний) і лептони (від грец. Leptos - легкий).

Спочатку термін «елементарна частка» мав на увазі щось абсолютно елементарне, першоцеглину матерії. Однак, коли в 1950-х і 1960-х роках були відкриті сотні адронів зі схожими властивостями, стало ясно, що принаймні адрони мають внутрішні ступеня свободи, тобто не є в строгому сенсі слова елементарними. Ця підозра надалі підтвердилася, коли з'ясувалося, що адрони складаються з кварків.

Таким чином, людство просунулося ще трохи вглиб будови речовини: найелементарнішими, точковими частинами речовини зараз вважаються лептони та кварки. Для них (разом з калібрувальними бозонами) і застосовується термін «фундаментальні частки».

2. ХАРАКТЕРИСТИКА ЕЛЕМЕНТАРНИХ ЧАСТОК

Всі елементарні частинки є об'єктами виключно малих мас та розмірів. Більшість їх маси мають порядок величини маси протона, що дорівнює 1,6×10 -24 р (помітно менше лише маса електрона: 9×10 -28 р). Визначені з досвіду розміри протона, нейтрону, p-мезону по порядку величини дорівнюють 10 -13 см. Розміри електрона та мюона визначити не вдалося, відомо лише, що вони менше 10 -15 см. Мікроскопічні маси та розміри Елементарні частинки лежать в основі квантової специфіки їх поведінки. Характерні довжини хвиль, які слід приписати. квантової теорії(, де - постійна Планка, m - маса частинки, з - швидкість світла) по порядку величин близькі до типових розмірів, на яких здійснюється їх взаємодія (наприклад, p-мезону 1,4×10 -13 см). Це призводить до того, що квантові закономірності є визначальними для елементарних частинок.

Найбільш важлива квантова властивість всіх елементарних частинок - їх здатність народжуватися і знищуватися (випускатися та поглинатися) при взаємодії з іншою частинкою. Щодо цього вони повністю аналогічні фотонам. Елементарні частинки – це специфічні кванти матерії, точніше – кванти відповідних фізичних полів. Всі процеси з елементарними частинками протікають через послідовність актів їх поглинання та випромінювання. Тільки на цій основі можна зрозуміти, наприклад, процес народження p + -мезону при зіткненні двох протонів (р + р ® р + n + p +) або процес анігіляції електрона і позитрону, коли замість зниклих частинок виникають, наприклад, два g-кванти ( е + + е - ® g + g). Але й процеси пружного розсіювання частинок, наприклад е - + p ® е - + р, також пов'язані з поглинанням початкових частинок та народженням кінцевих частинок. Розпад нестабільних елементарних частинок на більш легкі частинки, що супроводжується виділенням енергії, відповідає тій самій закономірності і є процесом, в якому продукти розпаду народжуються в момент розпаду і до цього моменту не існують. У цьому відношенні розпад елементарних частинок подібний до розпаду збудженого атома на атом в основному стані і фотон. Прикладами розпадів елементарних частинок можуть бути: ; p + ®m + + v m; К + ®p + + p 0 (знаком «тильда» над символом частки тут і надалі позначені відповідні античастинки).

Різні процеси з елементарними частинками помітно відрізняються інтенсивністю протікання. Відповідно до цього взаємодії елементарних частинок можна феноменологічно розділити на кілька класів: сильні, електромагнітні та слабкі взаємодії. Всі елементарні частинки мають, крім того, гравітаційну взаємодію.

Сильні взаємодіївиділяються як взаємодії, які породжують процеси, що протікають з найбільшою інтенсивністю серед решти всіх процесів. Вони призводять і до найсильнішого зв'язку елементарних частинок. Саме сильні взаємодії зумовлюють зв'язок протонів і нейтронів у ядрах атомів та забезпечують виняткову міцність цих утворень, що лежить в основі стабільності речовини у земних умовах.

Електромагнітні взаємодіїхарактеризуються як взаємодії, основу яких лежить зв'язок з електромагнітним полем. Процеси, зумовлені ними, менш інтенсивні, ніж процеси сильних взаємодій, а зв'язок, що породжується ними, помітно слабший. Електромагнітні взаємодії, зокрема, відповідальні за зв'язок атомних електронівз ядрами та зв'язок атомів у молекулах.

Слабкі взаємодії, Як показує сама назва, викликають процеси, що дуже повільно протікають з елементарними частинками. Ілюстрацією їх малої інтенсивності може бути те що, що нейтрино, які мають лише слабкими взаємодіями, безперешкодно пронизують, наприклад, товщу Землі і Сонця. Слабкі взаємодії зумовлюють також повільні розпади про квазистабильных елементарних частинок. Пори життя цих частинок лежать у діапазоні 10 -8 -10 -10 сек, тоді як типові часи для сильних взаємодій елементарних частинок становлять 10 -23 -10 -24 сек.

Гравітаційні взаємодії, добре відомі за своїми макроскопічними проявами, у разі елементарних частинок на характерних відстанях ~10 -13 см дають надзвичайно малі ефекти через небагато мас елементарних частинок.

Силу різних класіввзаємодій можна приблизно охарактеризувати безрозмірними параметрами, пов'язаними з квадратами констант відповідних взаємодій. Для сильних, електромагнітних, слабких та гравітаційних взаємодій протонів при середній енергії процесу ~1 Гев ці параметри співвідносяться як 1:10 -2: l0 -10:10 -38 . Необхідність вказівки середньої енергії процесу пов'язані з тим, що з слабких взаємодій безрозмірний параметр залежить від енергії. Крім того, самі інтенсивності різних процесівпо-різному залежить від енергії. Це призводить до того, що відносна роль різних взаємодій, взагалі кажучи, змінюється зі зростанням енергії взаємодіючих частинок, так що поділ взаємодій на класи, заснований на порівнянні інтенсивностей процесів, надійно здійснюється при не надто високих енергіях. Різні класивзаємодій мають, однак, і іншу специфіку, пов'язану з різними властивостямиїх симетрії, яка сприяє їхньому поділу і при більш високих енергіях. Чи збережеться таке поділ взаємодій на класи межі найбільших енергій, поки залишається неясним.

Залежно від участі у тих чи інших видах взаємодій усі вивчені елементарні частинки, крім фотона, розбиваються на дві основні групи: адрони (від грецького hadros - великий, сильний) і лептони (від грецького leptos - дрібний, тонкий, легкий). Адрони характеризуються насамперед тим, що вони мають сильні взаємодії, поряд з електромагнітними і слабкими, тоді як лептони беруть участь тільки в електромагнітних і слабких взаємодіях. (Наявність загальних для тієї та іншої групи гравітаційних взаємодій мається на увазі.) Маси адронів по порядку величини близькі до маси протона (т р); мінімальну масусеред адронів має p-мезон: т p »м 1/7×т р. Маси лептонів, відомих до 1975-76, були невеликі (0,1 m p), проте новітні дані, мабуть, вказують на можливість існування важких лептонів з такими ж масами, як у адронів. Першими дослідженими представниками адронів були протон та нейтрон, лептонів – електрон. Фотон, що володіє тільки електромагнітними взаємодіями, не може бути віднесений ні до адронів, ні до лептонів і повинен бути виділений у птд. групу. За що розвиваються у 70-х рр. уявленням фотон (частка з нульовою масою спокою) входить до однієї групи з дуже потужними частинками - т. зв. проміжними векторними бозонами, відповідальними за слабкі взаємодії і поки що на досвіді не спостерігалися.

Кожна елементарна частка, поряд зі специфікою властивих їй взаємодій, описується набором дискретних значень певних фізичних величин або своїми характеристиками. У ряді випадків ці дискретні значеннявиражаються через цілі або дробові числа та деякий загальний множник- одиницю виміру; про ці числа говорять як про квантові числа елементарних частинок і задають тільки їх, опускаючи одиниці виміру.

Загальними характеристиками всіх елементарних частинок є маса (m), час життя (t), спін (J) та електричний заряд (Q). Поки що немає достатнього розуміння того, за яким законом розподілені маси елементарні частинки і чи існує для них якась одиниця
вимірювання.

Залежно від часу життя елементарні частинки поділяються на стабільні, квазістабільні та нестабільні (резонанси). Стабільними, в межах точності сучасних вимірювань, є електрон (t> 5×10 21 років), протон (t > 2×10 30 років), фотон та нейтрино. До квазістабільних відносять частинки, що розпадаються за рахунок електромагнітних та слабких взаємодій. Їхні часи життя > 10 -20 сек (для вільного нейтрона навіть ~ 1000 сек). Резонансами називаються елементарні частинки, що розпадаються рахунок сильних взаємодій. Їхні характерні часи життя 10 -23 -10 -24 сек. У деяких випадках розпад важких резонансів (з масою 3 Гев) за рахунок сильних взаємодій виявляється пригніченим і час життя збільшується до значень - ~10 -20 сек.

Спін елементарних частинок є цілим або напівцілим кратним від величини. У цих одиницях спин p-і К-мезонів дорівнює 0, у протона, нейтрону та електрона J = 1/2, у фотона J = 1. Існують частинки і з більш високим спином. Величина спини елементарних частинок визначає поведінку ансамблю однакових (тотожних) частинок, або їх статистику (В. Паулі, 1940). Частинки напівцілого спина підкоряються Фермі - Дірака статистиці (звідси назва ферміони), яка потребує антисиметрії хвильової функціїсистеми щодо перестановки пари частинок (або непарного числа пар) і, отже, «забороняє» двом частинкам напівцілого спина перебувати в однаковому стані (Паулі принцип). Частинки цілого спина підпорядковуються Бозе - Ейнштейну статистиці (звідси назва бозони), яка вимагає симетрії хвильової функції щодо перестановок частинок і допускає знаходження будь-якого числа частинок в тому самому стані. Статистичні властивостіелементарних частинок виявляються суттєвими у випадках, коли при народженні чи розпаді утворюється кілька однакових частинок. Статистика Фермі - Дірака відіграє також виключно важливу роль у структурі ядер та визначає закономірності заповнення електронами атомних оболонок, що лежать в основі періодичної системиелементів Д. І. Менделєєва.

Електричні заряди вивчених Елементарні частинки є кратними від величини е » 1,6×10 -19 к, називаються елементарним електричним зарядом. Відомі елементарні частинки Q = 0, ±1, ±2.

Крім зазначених величин елементарних частинок додатково характеризуються ще рядом квантових чисел, що називаються внутрішніми. Лептони несуть специфічний лептонний заряд L двох типів: електронний (L e) та мюонний (L m); L e = +1 для електрона та електронного нейтрино, L m = +1 для негативного мюона та мюонного нейтрино. Тяжкий лептон t; і пов'язане з ним нейтрино, мабуть, є носіями нового типу лептонного заряду Lt.

Для адронів L = 0, і це ще один прояв їхньої відмінності від лептонів. У свою чергу, значні частини адронів слід приписати особливий баріонний заряд (|Е| = 1). Адрони з В = +1 утворюють підгрупу
баріонів (сюди входять протон, нейтрон, гіперони, баріонні резонанси), а адрони з В = 0 - підгрупу мезонів (p-і К-мезони, бозонні резонанси). Назва підгруп адронів походить від грецьких слів barýs - важкий і mésos - середній, що на початковому етапіДослідження елементарних частинок відображало порівняльні величини мас відомих тоді баріонів і мезонів. Пізніші дані показали, що маси баріонів і мезонів можна порівняти. Для лептонів В = 0. Для фотона В = 0 та L = 0.

Баріони і мезони поділяються на вже згадувані сукупності: звичайних (недивних) частинок (протон, нейтрон, p-мезони), дивних частинок (гіперони, К-мезони) та зачарованих частинок. Цьому поділу відповідає наявність у адронів особливих квантових чисел: дива S і чарівності (англійське charm) Ch з допустимими значеннями: 151 = 0, 1, 2, 3 та | Ch | = 0, 1, 2, 3. Для нормальних частинок S = 0 і Ch = 0, для дивних частинок | S | ¹ 0, Ch = 0, для зачарованих частинок | Ch | ¹0, а |S| = 0, 1, 2. Замість дива часто використовується квантове число гіперзаряд Y = S + В, що має, мабуть, більш фундаментальне значення.

Вже перші дослідження зі звичайними адронами виявили наявність у тому числі сімейств частинок, близьких за масою, з дуже подібними властивостями стосовно сильним взаємодіям, але з різними значеннями електричного заряду. Протон та нейтрон (нуклони) були першим прикладом такого сімейства. Пізніше аналогічні сімейства були виявлені серед дивних і (1976) серед зачарованих адронів. Загальність властивостей частинок, що входять до таких сімейств, є відображенням
існування у них однакового значення спеціального квантового числа - ізотопічного спина I, що приймає, як і звичайний спин, цілі та напівцілі значення. Самі сімейства зазвичай називають ізотопічними мультиплетами. Число частинок у мультиплеті (п) пов'язане з I співвідношенням: n = 2I + 1. Частинки одного ізотопічного мультиплету відрізняються один від одного значенням «проекції» ізотопічного спина I 3 і відповідні значення Q даються виразом:

Важливою характеристикою адронів є також внутрішня парність Р, що з операцією просторів, інверсії: Р набуває значення ±1.

Для всіх елементарних частинок з ненульовими значеннями хоча б одного із зарядів О, L, В, Y (S) та чарівності Ch існують античастинки з тими ж значеннями маси т, часу життя t, спина J та для адронів ізотопічного спина 1, але з протилежними знаками всіх зарядів і для баріонів з протилежним знакомвнутрішньої парності Р. Частки, які мають античастинок, називаються абсолютно (істинно) нейтральними. Абсолютно нейтральні адрони мають спеціальне квантове число - зарядової парністю (тобто парністю по відношенню до операції зарядового сполучення) зі значеннями ±1; прикладами таких частинок можуть бути фотон і p 0 .

Квантові числа елементарних частинок поділяються на точні (тобто такі, які пов'язані з фізичними величинами, що зберігаються у всіх процесах) і неточні (для яких відповідні фізичні величиниу частині процесів не зберігаються). Спин J пов'язаний із суворим законом збереження моменту кількості руху і тому є точним квантовим числом. Інші точні квантові числа: Q, L,; за сучасними даними, вони зберігаються при всіх перетвореннях. Проте більшість квантових чисел адронів неточні. Ізотопічний спин, зберігаючись у сильних взаємодіях, не зберігається в електромагнітних та слабких взаємодіях. Дивність і чарівність зберігаються у сильних та електромагнітних взаємодіях, але не зберігаються у слабких взаємодіях. Слабкі взаємодії змінюють також внутрішню та зарядову парності. З набагато більшим ступенемточності зберігається комбінована парність СР, проте вона порушується у деяких процесах, обумовлених слабкими взаємодіями. Причини, що викликають незбереження багатьох квантових чисел адронів, неясні і, мабуть, пов'язані як з природою цих квантових чисел, так і глибинною структуроюелектромагнітних та слабких взаємодій. Збереження чи незбереження тих чи інших квантових чисел - один із суттєвих проявів відмінностей класів взаємодій елементарних частинок.

ВИСНОВОК

На перший погляд, здається, що вивчення елементарних частинок має суто теоретичне значення. Але це не так. Застосування елементарним частинкам знайшли у багатьох сферах життя.

Найпростіше застосування елементарних частинок – на ядерних реакторах та прискорювачах. На ядерних реакторах з допомогою нейтронів розбивають ядра радіоактивних ізотопів, отримуючи енергію. На прискорювачах елементарні частки використовують для досліджень.

В електронних мікроскопах використовуються пучки "жорстких" електронів, що дозволяють побачити дрібніші об'єкти, ніж в оптичному мікроскопі.

Бомбардуючи ядрами деяких елементів полімерні плівки можна отримати своєрідне «сито». Розмір отворів у ньому може бути 10 -7 см. Щільність цих отворів сягає мільярда на квадратний сантиметр. Такі «сити» можна застосовувати для надтонкого очищення. Вони фільтрують воду та повітря від дрібних вірусів, вугільного пилу, стерилізують лікарські розчини, незамінні при контролі за станом навколишнього середовища.

Нейтрино в перспективі допоможе вченим проникнути в глибини Всесвіту та отримати відомості про ранньому періодірозвитку галактик.