Елементарні частинки. Про фундаментальні взаємодії

єднання взаємодій

Однією з важливих особливостей фізики елементарних частинок на початковому етапі була різниця між різними типами взаємодій. Виявилося, що існує всього чотири типи фундаментальних взаємодій: сильна, електромагнітна, слабка та гравітаційна.
Електромагнітну взаємодію та сильну взаємодію можна описати за допомогою обміну квантами відповідних полів – фотонами (γ-квантами) та глюонами. Фотони та глюони є калібрувальними бозонами електромагнітного та сильного полів.
Гіпотеза про те, що слабка взаємодія також обумовлена ​​обміном деякою зарядженою часткою, була висунута Юкавой ще в тридцятих роках. Завершення ця ідея отримала в рамках єдиної теорії, що пов'язує електромагнітні та слабкі взаємодії, розвиненої в роботах С. Вайнберга, А. Салама та Ш. Глешоу.
У цій теорії, яка зветься "стандартна модель", передбачається існування важких заряджених бозонів W + і W − і нейтрального бозона Z 0 зі спином 1, обмін якими і зумовлює слабку взаємодію. Теоретично виникає також безмасове векторне поле, ототожнюване з електромагнітним полем.
У стандартній моделі вважається, що частинки набувають маси в результаті механізму Хіггса. Поле Хіггса заповнює весь простір, і всі частинки набувають маси при взаємодії з ним. Квантами поля Хіггса є бозон Хіггса. Вважається, що хіггсовський бозон має нульовий спин. Маса його за експериментальними оцінками має бути більше 5 ГеВ.
У цій моделі розпад нейтрону

n → p + e − + e

Мал. 17 Діаграма розпаду d-кварка

на кварковому рівні виглядає як би проходить у два етапи (рис.17). На першому етапі відбувається перетворення d-кварка на u-кварк та W − -бозон.

на другому W − -бозон розпадається, перетворюючись на електрон та антинейтрино

W − → e − + e .

За аналогією із сильною взаємодією члени одного сімейства, що породжуються W − або W + -бозоном, об'єднуються у слабкі лівоспіральні ізоспінові дублети.

зі слабким ізоспіном T = 1/2, яким приписуються значення T 3 = +1/2 (e, u) і T3 = -1/2 (e, d). У антиферміонів проекції слабкого ізопіна мають протилежні знаки.
Слабкі взаємодії із зміною заряду (заряджені струми) описуються станами і . Вони відбуваються з випромінюванням або поглинанням W- або W+-бозонів. Слабкі процеси за участю Z0-бозону були названі процесами з нейтральними слабкими струмами.
Таким чином, у моделі Вайнберга - Салама W − , W + , Z 0 -бозони та γ-квант є квантами єдиного електрослабкого поля. Стандартна модель, що поєднує електромагнітну та слабку взаємодії, передбачає зв'язок між константами електромагнітної та слабкої взаємодій та співвідношення між масами заряджених та нейтральних бозонів:

, ,

де θ W - Кут Вайнберга. Вилучена з експериментів величина sin 2 W = 0.23.
Виявлення в 1973 р. слабких нейтральних струмів стало яскравим підтвердженням правильності стандартної моделі, в якій були передбачені значення мас проміжних бозонів.
m(Z 0) = ~90 ГеВ; m(W ±) = ~80 ГеВ
Єдиний практично реальний спосіб отримання часток такої маси полягав у тому, щоб зіштовхувати протонні та антипротонні пучки. Експеримент був виконаний у 1983 році на pp-колайдері ЦЕРН

p + → W ± + X,

p + → Z 0 + X,

де X - всі інші частинки, що утворюються внаслідок зіткнення протону та антипротону. Бозони ідентифікувалися з розпадів

W + (-) e + (-) + e (e),

Заряджені лептони з великими значеннями поперечних імпульсів, що спостерігалися в результаті реакції, служили доказом утворення бозонів. Отримані експериментально значення мас бозонів (m експ (W ±) = (81 ± 2) ГеВ, m експ (Z 0) = (93 ± 2) ГеВ) перебували у дуже добрій згоді зі стандартною теорією. Між відкриттям нейтральних струмів та спостереженням векторних бозонів минуло 10 років.
У стандартній моделі лептони та кварки групуються у лівоспіральні дублети – покоління.

Заряджені струми в лептонних процесах виходять під час руху стовпцями. Константи цих слабких процесів однакові або поки що не помітні. Заряджені струми у процесах з кварками можливі як під час руху по стовпцям, а й між поколіннями, тобто. слабка взаємодія змішує кварки. Але слабкі константи кваркових процесів

d → u + W − та s → u + W −

відрізняються один від одного і від констант лептонних процесів. Здавалося, що універсальність слабкої взаємодії порушується. Проте виявилося, що це константи можна пов'язати між собою. Це вже в 1963 році було зроблено М. Кабіббо, який для зв'язку констант β-розпаду та розпаду дивних частинок запровадив параметр – кут Кабіббо (рис.18). Універсальність слабкої взаємодії було збережено. Але відкриття нейтральних слабких струмів поставило нову проблему – теорія Кабіббо в цьому випадку передбачає наявність нейтральних струмів зі зміною дива, що різко суперечить експерименту. Для виходу з цієї скрути Глешоу, Іліопулос і Майані ввели 4-й кварк з тим же зарядом, що і u-кварк. Коли Кабібо запропонував свою параметризацію кваркової моделі, ще не було.)

При цьому передбачається, що основними каналами розпаду зачарованих кварків є канали c → seν e і c → sμν μ , ймовірність цих розпадів пропорційна cos 2 θ c і пригнічені канали c → deν e і c → dμν μ , ймовірність яких пропорційна sin 2 θ c. У 1973 році М. Кобаяші та Т. Маскава узагальнили підхід Кабіббо на шестикваркову схему. Це мінімальна за кількістю кварків модель, в якій, поряд з трьома кутами змішування θ 12 , θ 23 , θ 13 можна ввести фазу δ 13 описує порушення СР-інваріантності. Змішування трьох поколінь кварків описується матрицею Кабіббо-Кобаяші-Маскави

де c ij = cosθ ij, s ij = sinθ ij елементи матриці - комбінації синусів і косінусів кутів повороту. Наприклад, перший елемент це - добуток cosθ 12 × cosθ 13 . Сучасні оцінки кутів:
θ 12 = ~13 0 , θ 23 = ~2 0 , θ 13 = ~0.1 0 . Оскільки cosθ 13 відрізняється від одиниці тільки в шостому знаку після коми, результати, отримані в четирехкварковій схемі, зберігаються.
Для певних таким чином d", s", b"-кварків константа слабкої взаємодії має однакове значення для лептонних та кваркових сімейств.
Змішування поколінь кварків стимулювало інтерес до проблеми осциляцій та змішування нейтрино. Чи існує змішування поколінь лептонів?
Досі йшлося про поєднання електромагнітних та слабких взаємодій. Почавши з чотирьох взаємодій і створивши теорію електрослабких взаємодій, фізики звели їх до трьох. Чи не можна зробити наступний крок, об'єднавши електрослабку взаємодію з сильною? Сильна взаємодія проявляється між кварками, а слабка між лептонами та кварками. Внаслідок слабких взаємодій один тип кварків може перетворюватися на інший

d → u + e − + e.

Слабкі взаємодії призводять до розпаду μі τ-лептонів. Так мюон розпадається, перетворюючись на електрон і нейтрино і антинейтрино

μ − → ν μ + e − + e .

Моделі, в яких розглядається поєднання електрослабкої та сильної взаємодій, називаються Великим об'єднанням. В основі Великого об'єднання лежить гіпотеза, що сильна та електрослабка взаємодії є низькоенергетичними компонентами однієї і тієї ж калібрувальної взаємодії, що описується єдиною константою. Константи взаємодій, що спостерігаються на досвіді, сильно відрізняються при енергії ~ 1 ГеВ і залежать від відстані. Передбачається, що з відстані ~ 10 -28 див константи стають однаковими. Відповідно до найпростішої моделі Великого об'єднання, сильна та електрослабка взаємодії об'єднуються при енергії ~10 15 ГеВ. У лабораторних умовах навряд чи можна досягти таких енергій. Однак є явище, яке випливає з такої об'єднаної теорії. У цій моделі протон має бути нестабільною часткою, щоправда, з більшим часом життя. Якщо сильна та електрослабка взаємодії є різними проявами більш загальної взаємодії, то кварки та лептони повинні бути компонентами одного і того ж мультиплету. Отже, можливі процеси, у яких кварки можуть перетворюватися на лептони. Це означає, що протон, що складається з кварків, не може бути абсолютно стабільним, а може розпадатися, перетворюючись на легші частки. Наприклад, можливі розпади

p → π 0 + e + ,
p → π++.

За оцінками у рамках єдиної теорії сильних та електрослабких взаємодій час життя протона ~10 32 років. В даний час ведуться інтенсивні експерименти щодо пошуку нестабільності протона.
Ще одним кандидатом на єдину теорію є суперсиметричні теорії. У цих теоріях ферміони мають суперпартнерів, які мають бути бозонами, а бозони – суперпартнерів, які мають бути ферміонами. У суперсиметричних теоріях постулюється існування операторів, які переводять бозони у ферміони |

Сполучені оператори перетворюють ферміони на бозони. Оператор залишає постійними всі квантові числа частинки, крім спина. На пошук суперсиметричних партнерів спрямований цілий ряд експериментів на колайдерах, що діють і будуються.
Переносником гравітаційного взаємодії квантової теорії гравітації вважається гравітон - безмасова частка зі спином 2. Гравітаційне взаємодія універсально. У ньому беруть участь усі частинки.

Складові частинки:

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

1.1.1 мезони (адрони з цілим спином, тобто бозони);

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

Фундаментальні (безструктурні) частинки:

2.1 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.

2.2 кварки - дробозаряджені частинки, що входять до складу адронів. У вільному стані не спостерігалися (для пояснення відсутності таких спостережень запропоновано механізм конфайнменту). Як і лептони, діляться на 6 типів і є безструктурними, проте, на відміну від лептонів, беруть участь у сильній взаємодії.

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

2.3.1 фотон - частка, що переносить електромагнітну взаємодію;

2.3.2 вісім глюонів - частинок, що переносять сильну взаємодію;

2.3.3 три проміжні векторні бозони W+, W? і Z0, що переносять слабку взаємодію;

2.3.4 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 видів випромінювання.

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

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, ми просунулися ще трохи вглиб будови речовини: елементарними, точковими частинами речовини зараз вважаються лептони і кварки. Для них (разом з калібрувальними бозонами) і застосовується термін «фундаментальні частки».

Між частинками існують чотири типи взаємодій, кожен із яких переноситься своїм типом бозонів: фотон, квант світла - електромагнітні взаємодії, гравітон - сили тяжіння, що діють між будь-якими тілами, що мають масу. Вісім глюонів переносять сильні ядерні взаємодії, що зв'язують кварки. Проміжні векторні бозони переносять слабкі взаємодії, відповідальні деякі розпади частинок. Вважається, що до цих чотирьох взаємодій зводяться всі сили у природі. Одним із найяскравіших досягнень нашого століття став доказ того, що за дуже високих температур (або енергій) усі чотири взаємодії зливаються в одну.

При енергії 100 ГеВ (10 9 еВ) поєднуються електромагнітна та слабка взаємодії. Така енергія відповідає температурі Всесвіту через 10 -10 с після Великого Вибуху, і в 4 трильйони разів вище за кімнатну. Це відкриття дозволило припустити, що з енергії порядку 10 15 ГеВ можна досягти поєднання з ними сильних взаємодій, як це стверджується в Теоріях Великого Об'єднання (ТВО), а за енергії 10 19 ГеВ до взаємодій СПО приєднається і гравітаційна взаємодія, «утворюючи» ТВС Теорію Усього Сутного).

Прискорювачів, на яких можна отримати такі енергії і перевірити ці теорії, поки що немає і не передбачається, тому звертаються до Всесвіту, щоб знайти в ній можливі обмеження для величезної кількості елементарних частинок. Останні тридцять років між фізикою елементарних частинок і космологією існує тісний зв'язок. Сукупність астрофізичних даних можна як «експериментальний матеріал», накопичений внаслідок роботи Всесвіту - гігантського прискорювача частинок. Ми можемо мати справу тільки з непрямими наслідками процесів, що відбувалися і відбуваються, з усередненим по всьому Всесвіту результатом їх впливу на еволюцію матерії.

Серед лептонів найбільш відомий електрон, ймовірно, він не складається з інших частинок, тобто елементарний. Інший лептон – нейтрино. Це найпоширеніший лептон у Всесвіті і в той же час найневловиміший. Нейтрино не бере участі ні в сильному, ні в електромагнітному взаємодії. Після передбачення нейтрино було виявлено лише за 30 років на прискорювачах. Нейтрино буває трьох видів - електронне, мюонне та тау-нейтрино. Мюон - теж поширений у природі лептон. Він був виявлений у космічних променях у 1936 р.; це нестабільна частка, а в іншому він схожий на електрон. За дві мільйонні частки секунди він розпадається на електрон та два нейтрино. Фонове космічне випромінювання переважно складається з мюонів. Наприкінці 70-х років. було виявлено третій заряджений лептон (крім електрона та мюона) - тау-лептон. Він веде себе дуже схоже на своїх побратимів, але важчий за електрон у 3500 разів. У кожного лептону є античастка, тобто. всього їх 12.

Адронів є дуже багато, їх сотні. Тому часто їх вважають елементарними частинками, а складеними з інших. Вони бувають електрично зарядженими та нейтральними. Усі адрони беруть участь у сильній, слабкій та гравітаційній взаємодіях. Серед них найвідоміші - протон та нейтрон. Інші живуть дуже мало, розпадаючись за 10 -6 с за рахунок слабкої взаємодії або за 10 -23 с - за рахунок сильної. Адрони розсортували по масі, заряду та спину. У цьому вся допомогла гіпотеза кварків, чи частинок, складових адрони.

Кварки можуть з'єднуватися для цього трійками, складаючи баріони, або парами: кварк-антикварк, складаючи мезони (проміжні частки). Кварки мають заряд 1/3 або 2/3 заряду електрона. Тоді комбінації вони дадуть 0 чи 1. Усі кварки мають спин, рівний 1/2, тобто. вони належать до ферміонів. Вважають, що вони зчеплюються сильною взаємодією, але беруть участь і в слабкому. Особливості сильної взаємодії характеризують типами ("ароматами") - "верхній", "нижній", "дивний". Але слабка взаємодія може змінити «аромат» кварку. Наприклад, при розпаді нейтрона один з «нижніх» кварків стає «верхнім», а надлишок заряду забирає електрон, що народжується. Отже, сильна взаємодія не може змінювати «аромат», а без зміни «аромату» кварка неможливий розпад адрону.

Новий адрон, названий-частинкою, виявили на прискорювачах (1974). Тому відповідно до теорії кварків запровадили ще одну характеристику, четвертий «аромат», так з'явився «зачарований» кварк.

Так що ш-частка - це мезон, що складається з с-кварка і с-антикварка. Наразі виявлено вже багато «зачарованих» частинок, і всі вони важкі. А в 1977 р. з'явився -мезон, і вся історія повторилася, п'ятий аромат отримав назву "чарівний". Так розвивається нині атомістика. Зараз вважають, що існують 12 кварків - фундаментальних частинок і стільки ж античасток.

Шість частинок - це кварки з екзотичними іменами "верхній", "нижній", "зачарований", "дивний", "справжній", "чарівний". Вони є породженням теорії, яка прагне впорядкованості та краси, і відкриті все, за винятком «істинного». Інші шість - лептони: електрон, мюон, -частка та відповідні їм нейтрино (електронне, мюонне, нейтрино).

Ці 12 частинок, або дві по шість, групують три покоління, кожне з яких складається з чотирьох членів.

У першому поколінні - "верхній" і "нижній" кварки, електрон та електронне нейтрино, у другому - "зачарований" і "дивний" кварки, мюон і мюонне нейтрино, у третьому - "істинний" і "чарівний" кварки і -частка зі своїми нейтрино. Вся звичайна речовина складається із частинок першого покоління. Протон, наприклад, складається з двох «верхніх» кварків та одного «нижнього», нейтрон – з двох «нижніх» та одного «верхнього». Кожен атом складається з важкого ядра (сильно пов'язаних протонів і нейтронів), оточеного електронною хмарою.

Крім цієї класифікації можна виділяти елементарні частинки і умовно мікрочастинки. Карпенков С.Х. Основні концепції природознавства. М., 2007. С.89.

Істинно елементарні частинки.

На сьогоднішній день з теоретичної точки зору відомі такі істинно елементарні (на даний етап розвитку науки вважаються нерозкладними) частинки: кварки і лептони (ці різновиди відносяться до частинок речовини), кванти полів (фотони, векторні бозони, глюони), а також частки Хіггса.

Відповідно до чотирма видами фундаментальних взаємодій розрізняють відповідно чотири види елементарних частинок: адрони, що беруть участь у всіх взаємодіях, лептони, що не беруть участь. Тільки сильному (а нейтрино й у електромагнітному), фотон, що бере участь лише у електромагнітному взаємодії, і гіпотетичний гравітон - переносник гравітаційного взаємодії.

У різноманітті елементарних частинок, відомих на цей час, виявляється більш-менш струнка система класифікації (рис. 2).

Так, елементарні частинки, що різняться за своїми властивостями та характером взаємодії, прийнято ділити на дві великі групи:

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

і бозони – частки з цілим спином (фотон, глюон, мезони) (рис. 1).

Ферміони складають речовину, бозони переносять взаємодію.

Між частинками існує чотири типи взаємодії, кожен із яких переноситься своїм типом бозонів.

Фотон, або квант світла, переносить електромагнітну взаємодію.

Глюони здійснюють перенесення сильних ядерних взаємодій, що зв'язують кварки.

Векторні бозони переносять слабкі взаємодії, відповідальні деякі розпади частинок.

Малюнок – 1 Елементарні частинки

За видами взаємодій елементарні частинки поділяються на:

Складові частинки: адрони - частки, що беруть участь у всіх видах фундаментальних взаємодій. Загальна кількість близько чотирьохсот. Вони складаються з кварків і поділяються, своєю чергою, на: мезони – є частинками з цілим спином (нульовим). Такі частки називають бозонами; баріони – адрони з напівцілим спином (ферміони) та масами не менше маси протону. За винятком протону, всі нестабільні.

Фундаментальні частинки - безструктурна елементарна частка, яку досі не вдалося описати як складову. В даний час термін застосовується переважно для лептонів і кварків (по 6 частинок кожного роду, разом з античастинками, складають набір з 24 фундаментальних частинок) у сукупності з калібрувальними бозонами (частинками-переносниками фундаментальних взаємодій): лептони - ферміони, які мають вигляд точкових частинок (т. е. які 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 не спостерігалися (для пояснення відсутності таких спостережень запропоновано механізм конфайнменту).

Велика кількість відкритих і знову відкриваються адронів навела вчених на думку, що всі вони побудовані з якихось інших фундаментальних частинок. У 1964 р. американським фізиком М. Гелл-Маном було висунуто гіпотеза, підтверджена наступними дослідженнями, що це важкі фундаментальні частки – адрони – побудовані з найбільш фундаментальних частинок, названих кварками. На основі кваркової гіпотези не тільки було зрозуміло структуру вже відомих адронів, а й передбачено існування нових.

Теорія Гелл-Мана передбачала існування трьох кварків та трьох антикварків, що з'єднуються між собою у різних комбінаціях. Так, кожен баріон складається із трьох кварків. Антибаріон будується із трьох антикварків. Мезони складаються з пар кварк-антикварк.

Як і лептони, кварки діляться на 6 типів і вважаються безструктурними, однак, на відміну від лептонів, беруть участь у сильній взаємодії.

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

фотон - частка, що переносить електромагнітну взаємодію. Не мають маси, проте можуть переносити енергію та імпульс;

вісім глюонів - частинок, що переносять сильну взаємодію;

три проміжні векторні бозони W + , W − і Z 0 , 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 елементарних частинок.

Адрони та лептони утворюють речовину. Калібрувальні бозони – це кванти різних видів випромінювання. Крім того, у Стандартній моделі з необхідністю присутній хіггсівський бозон, який, втім, поки що не виявлено експериментально.

Як бачимо дати визначення елементарної частки та його властивостям, негаразд просто. Поняття елементарних частинок ґрунтується на факті дискретної будови речовини. Ряд елементарних частинок має складну внутрішню структуру, проте поділити їх на частини неможливо.

У звичайному вживанні фізики називають елементарними такі частинки, які є атомами і атомними ядрами, крім протона і нейтрона.

Інші елементарні частинки на даний момент вважаються безструктурними і розглядаються як первинні - фундаментальні частинки, під якими розуміються мікрочастинки, внутрішню структуру якої не можна уявити як об'єднання інших вільної частинок.

Рисунок 2 – Класифікація елементарних частинок

Отже, мікросвіт - це світ гранично малих, безпосередньо не спостерігаються мікрооб'єктів, просторова різномірність яких обчислюється від 10 ~ 8 до 10 ~ 16 см, а час життя - від нескінченності до 10 ~ 24 секунд.

Об'єктами мікросвіту є фундаментальні та елементарні частинки, ядра, атоми та молекули.

Елементарні частинки - це частинки, що входять до складу раніше "неподільного" атома, до них відносять також і ті частинки, які отримують за допомогою потужних прискорювачів частинок.

Є елементарні частинки, які виникають під час проходження через атмосферу космічних променів, вони існують мільйонні частки секунди, потім розпадаються, перетворюються на інші елементарні частки чи випромінюють енергію у вигляді випромінювання.

Виявилося таким чином, що дати визначення елементарної частинки не так просто. У звичайному вживанні фізики називають елементарними такі частинки, які є атомами і атомними ядрами, крім протона і нейтрона.

Після встановлення складної структури багатьох елементарних частинок потрібно було запровадити нове поняття - фундаментальні частинки, під якими розуміються мікрочастинки, внутрішню структуру якої не можна у вигляді об'єднання інших вільної частинок.

Ферміони складають речовину, бозони переносять взаємодію. Кварки входять до складу адронів.

Пептони можуть мати електричний заряд, можуть бути нейтральними.

Заряджені лептони можуть, як і електрони (що належать до них) обертатися навколо ядер, утворюючи атоми. Лептони, що не мають заряду, можуть проходити безперешкодно через речовину (хоч через всю Землю) не взаємодіючи з нею.

Кожна частка має античастинку, яка відрізняється тільки зарядом.

Для опису явищ мікросвіту зазвичай залучають квантову механіку, закони якої є фундаментом вивчення будови речовини. Вони дозволили з'ясувати будову атомів, встановити природу хімічного зв'язку, пояснити періодичну систему елементів, зрозуміти будову атомних ядер, вивчати властивості елементарних частинок.

Таким чином, багато незвичайного та несподіваного несе для пізнання фізичного світу ця область – Мікросвіт.

У фізиці елементарних частинок калібрувальні бозони– це бозони, які є переносниками фундаментальних взаємодій природи. Точніше, елементарні частинки, взаємодії яких описуються калібрувальною теорією, діють один на одного за допомогою обміну калібрувальними бозонами, зазвичай як віртуальними частинками.
У Стандартній моделі існує три типи калібрувальних бозонів: фотони, W та Z бозони та глюони. Кожен тип відповідає одному з трьох взаємодій, описується в рамках Стандартної моделі: фотони - калібрувальні бозони електромагнітної взаємодії, W і Z бозони переносять слабку взаємодію, а глюони переносять сильну взаємодію. Через конфайнмент ізольовані глюони не з'являються за низьких енергій. Втім, за низьких енергій можливе спостереження масивних глюболів (glueballs), існування яких на 2006 рік експериментально не підтверджено.
Кількість калібрувальних бозонів
У квантової калібрувальної теорії калібрувальні бозони є квантами калібрувальних полів. Отже, калібрувальних бозонів існує стільки ж, скільки джерел калібрувальних полів. У квантовій електродинаміці калібрувальна група – U(1);у цьому найпростішому випадку всього один калібрувальний бозон. У квантовій хромодинаміці складніша група SU (3)має 8 джерел, що відповідає 8 глюонів. Три W та Z бозони відповідають, грубо кажучи, трьом джерелам SU (2)у теорії електрослабкої взаємодії.
Масивні калібрувальні бозони
З технічних причин, що включають калібрувальну інваріантність, калібрувальні бозони математично описуються рівняннями поля для безмасових частинок. Отже, на наївному теоретичному рівні сприйняття всі калібрувальні бозони повинні бути безмасовими, а взаємодії, які вони описують, повинні бути взаємодіями дальньої дії. Конфлікт між цією ідеєю та експериментальним фактом, що слабка взаємодія має дуже малий радіус дії, потребує подальшого теоретичного дослідження.
За стандартною моделлю W і Z бозони отримують масу через механізм Хіггса. У механізмі Хіггса чотири калібрувальні бозони (SU (2)Х U (1)симетрії) електрослабкої взаємодії з'єднуються у полі Хіггса. Це поле схильне до спонтанного порушення симетрії через форму його потенціалу взаємодії. Через війну через Всесвіт проходить ненульовий конденсат поля Хіггса. Цей конденсат з'єднується з трьома калібрувальними бозонами електрослабкої взаємодії (W ± і Z), повідомляючи їм масу; калібрувальний бозон залишається безмасовим (фотон). Ця теорія також передбачає існування скалярного бозона Хіггса, який досі виявлений не був.
Теорії великого об'єднання
У теоріях великого об'єднання (ТВО) з'являються додаткові калібрувальні X і Y бозони. Вони керують взаємодіями між кварками та лептонами, порушуючи закон збереження баріонного числа і викликаючи розпад протона. Ці бозони мають величезну за квантовими мірками масу (можливо, навіть більшу, ніж W та Z бозони) через порушення симетрії. Досі не отримано жодного експериментального підтвердження існування цих бозонів (наприклад, у серії спостережень за розпадами протонів на японській установці Супер-Каміоканде).
Гравітони
Четверта фундаментальна взаємодія, гравітація також може переноситися бозоном, який був названий гравітон. За відсутності експериментальної очевидності та математично послідовної теорії квантової гравітації невідомо, гравітон калібрувальним бозоном чи ні. Роль калібрувальної інваріантності у Загальній теорії відносності грає схожа симетрія – інваріантність дифеоморфізму.

music: Tacere - A Voice In The Dark (Radio Edit)

Це своєрідна помста за купу зовсім чужих мені постів про футбол у френдстрічці:)

Парадоксально, але деякі мої френди не знають, що таке LHC, бозон Хіггса з придихом і Стандартна Модель. Постараюся це коротко викласти в міру своїх більш ніж скромних знань.

Фундаментальні взаємодії
Відомо, що вся матерія складається з елементарних частинок. Ці частинки взаємодіють один з одним за допомогою 4 фундаментальних взаємодій, що мають різну природу та силу.

Найбільш очевидною з фундаментальних взаємодій, і найбільш слабкою з них, є гравітаційна взаємодіятому його найбільш складно дослідити експериментально. Менш очевидним, але також широко поширеним і звичним є електромагнітна взаємодія. Як і гравітаційне, воно слабшає пропорційно r −2 , але має відносну силу в 1036 разів більше. Причиною того, що воно не є абсолютно домінуючим, є той факт, що практично вся матерія Всесвіту є електронейтральною. Обидві ці взаємодії діють на нескінченно великих відстанях, хоча, можливо, зникаюче слабко.

Але крім цих, існують ще дві фундаментальні взаємодії, які відіграють важливу роль у мікросвіті, названих без особливих вишукувань слабкеі сильне. Слабка взаємодія відіграє важливу роль у радіоактивному бета-розпаді ядер, зокрема, саме завдяки йому розпадається вільний нейтрон (період напіврозпаду 10 хвилин 14 секунд, не плутати з часом життя), і є єдиною несиметричною взаємодією (тільки з його допомогою можна пояснити інопланетянам, де право, а де ліво:)). Сильна взаємодія (зокрема) утримує нуклони (протони та нейтрони) у ядрі разом.

В даний час прийнято описувати фундаментальні взаємодії за допомогою спеціальних частинок, що їх переносять. калібрувальних бозонів.

На красиву картинку на тему можна подивитися.

Елементарні частки
Після відкриття Томсоном у 1897 році першої елементарної частинки - електрона (корпускулярна теорія світла існувала і раніше, але справжню популярність набула вже після робіт Ейнштейна з фотоефекту) було відкрито понад 400 елементарних частинок. У періодичній системі близько 120 різних елементів з їх достатком хімічних властивостей існує загальна основа: їх електронна будова, що є функцією кількості протонів і нейтронів. При цьому передумовами вивчення електронної будови атомів стала класифікація елементів. На щастя, у фізиці елементарних частинок також можлива така класифікація.

В даний час існує дві основні класифікації елементарних частинок: по спині та структурі.

Спінце деяка властивість частинок, що виявляється у взаємодії з магнітним полем (на ньому заснований, зокрема, ядерний магнітний резонанс (ЯМР), один із найбільш досконалих методів аналізу, як у хімії, так і в медицині). Частинки з напівцілим спином (наприклад, електрон, нуклони та нейтрино) мають іншу статистику поведінки (т.зв. статистику Фермі-Дірака), ніж частинки з цілим (наприклад, фотон) (статистика Бозе-Ейнштейна), тому вони називаються відповідно ферміонамиі бозонами. Іноді додаються прикметники: скалярний, векторний, тензорний бозон або спинорний, спін-векторний ферміон. Це просто позначення величини спина (0, 1, 2 та 1/2, 3/2 відповідно).

За структурою частинки можна поділити на складові (адрони) та безструктурні.

Адронискладаються з кварків. Зараз загальноприйнятою є думка, що адрони не можна розділити на кварки ніяким чином (це явище отримало назву конфайнмент), тому що сила взаємодії між ними зі зростанням відстані зростає (втім, суворо це ще не доведено: пропонує за доказ мільйон доларів – завдання розв'язання рівнянь Янга-Міллса). Однак їх існування безсумнівно: зокрема, при бомбардуванні адронів високоенергетичними електронами характеристики розсіювання вказують на те, що всередині адрону існує кілька так званих партонів, розсіювання на яких відбувається особливо сильно. Якщо ж додати ще більше енергії, зв'язок між кварками може «порватися», але надлишок енергії призведе до утворення нових кварків з обох боків розриву – станеться т.зв. народження адронних струменів. Теорія, в якій передбачається існування всього 6 видів кварків (d, u, s, c, b, t та їх антикварки), пояснила існування всіх відомих на сьогодні адронів, яких удосталь відкривали в 50-60-х роках бадьорі експериментатори.

Більшість адронів складається з 2 ( мезони) або 3 ( баріони) кварків: «колір» адрону має бути «безбарвним», що добре описується лише у цих випадках. Теоретично передбачена можливість існування, не підтверджена поки що експериментом, пентакварків, що складаються з 5 кварків, та тетракварків(З 4).

Самі ж кварки відносяться до безструктурних частинок (хоча робляться безуспішні спроби побудови теорій, де вони складалися б із чого-небудь, що можна буде назвати « преон» або « айкон»). Інші безструктурні частинки класифікуються по їх спину: калібрувальні бозони та лептониє ферміонами.

Матерія складається з адронів та лептонів, випромінювання з калібрувальних бозонів.

Цікаво помітити, що існує кілька теорій струн, які нарівні з брадіонами(частинками, що рухаються повільніше за швидкість світла) і люксонами(які з нею рухаються: фотон, глюони і гіпотетичний гравітон) вводять тахіони, які рухаються швидше за швидкість світла і мають уявну масу.

Суперсиметрія
«Ферміони та бозони» – подумали деякі фізики – «цілих два типи! 2 - це ж дофіга! І вигадали суперсиметрію. Згідно з нею, насправді всі бозони і ферміони це одні і ті ж частинки, і вони можуть перетворюватися один на одного (на практиці це означає можливість перетворення матерії на випромінювання і навпаки; тут варто зауважити, що анігіляція це найпотужніший можливий джерело енергії в нашого Всесвіту, не те, що якась нафта).

Теоретично суперсиметрії виникає гостра необхідність виявити частинки-суперпартнери. Але біда: при звичайних (невеликих) енергіях відбувається порушення суперсиметрії, а саме не існують пар бозон-ферміон, які б відрізнялися тільки спином, але мали б рівні маси і заряди. "Не біда" - подумали ці фізики - "означає просто суперпартнери дуже важкі". Слід зазначити, що у теорії суперсиметрії можливе просте пояснення існування темної матерії , як частинок нейтраліноТому пошук суперпартнерів дуже цікавий.

Одним із найімовірніших кандидатів на виявлення є суперпартнер t-кварка: через велику масу останнього, його суперпартнер може виявитися навпаки легким, і доступним для спостереження на LHC.

Об'єднання взаємодій
Незважаючи на всі відмінності частинок та їх взаємодій, у них можна виявити досить багато спільного: загальновідомим прикладом є об'єднання електрики та магнетизму в електромагнетизм Максвеллом у 1864 році. Ідея описувати різні взаємодії загальним рівнянням стала особливо популярною після створення Ейнштейном у 1916 році Загальної теорії відносності, Що описала гравітацію Єдина теорія поля, яка дозволила б описати в рамках єдиного підходу всі елементарні частинки та їх взаємодії, пояснила б усі існуючі у Всесвіті фізичні явища - така гіпотетична теорія отримала напівжартівливу назву. Теорія всього». Завдання перед нею ставляться неабиякі: мало того, що вона повинна пояснювати та передбачати всі існуючі елементарні частинки та їх взаємодії, їй ще слід пояснювати їх маси та час життя.

Проте кроки з її побудові тривалий час були безуспішними: зокрема, Ейнштейн працював над створенням такої теорії до смерті. Легенди свідчать, що Ейнштейну вдалося це зробити, і для експериментальної перевірки його теоретичних висновків американський уряд у 1943 році організував секретний Філадельфійський експеримент, під час якого нібито відбулася телепортація на кілька сотень кілометрів есмінця «Елдрідж». Нібито потім Ейнштейн знищив усі свої дослідження в цій галузі, оскільки вони могли бути використані у виключно руйнівному озброєнні. Правильні хлопці ставляться до цієї легенди з легким скепсисом: більшість експериментів, які уможливили створення Стандартної моделі, що поєднує лише 3 з 4 фундаментальних взаємодій, було зроблено вже після смерті Ейнштейна.

Зрушення у сфері побудови Єдиної теорії поля намітився лише після відкриття слабкої та сильної взаємодій. Першим кроком стала теорія електрослабкої взаємодії, побудована Саламом, Глешоу та Вайнбергом у 1967 році на основі квантової електродинаміки (за неї вони отримали Нобелівську премію у 1979 році, тобто майже одразу). Потім у 1973 році була побудована теорія, що описує сильну взаємодію квантова хромодинаміка. На основі цих двох теорій і була створена Стандартна модель, всі передбачення якої підтвердилися, крім досі не виявленого бозона Хіггса.

Сильна взаємодія та квантова хромодинаміка
Здатність кварку брати участь у сильній взаємодії називається його кольором. Усього існує 3 кваркових кольори, названих червоним, зеленим та синім. Квантом поля в квантовій хромодинаміці є глюон, частка, схожа на фотон, так само не має заряду, маси та античастинки, так само, як і інші калібрувальні бозони, що має одиничний спин. Однак сильна взаємодія істотно складніша за електромагнітну: глюон сам є носієм кольору і тому може відчувати сильні взаємодії з іншими глюонами. Крім того, оскільки глюон несе колір, існує не один, а цілих 8 типів глюонів. Глюони, як і кварки, спостерігалися як партони при розсіюванні електронів на нуклонах.

Стандартна модель
Стандартна модель не виводить всі властивості матерії із пальця. Їй для цього потрібно 19 параметрів, 17 з яких вже виміряно експериментально: маси 3 видів лептонів та 6 кварків; 4 параметри, що відносяться до матриці Кабіббо-Кобаяші-Маскави, що описує ймовірність слабких розпадів, що змінюють «аромат» кварків; 3 константи, пов'язані з силами фундаментальних взаємодій; ще один параметр сильної взаємодії; і, нарешті, два параметри, поки не визначені експериментально, пов'язані із взаємодією бозона Хіггса з речовиною, та бозонів Хіггса один з одним.

Стандартна модель це одна з найбільш чітких і точних теорій у фізиці: всі її прогнози, крім поки що, бозона Хіггса, були підтверджені експериментом, іноді з приголомшливою точністю. Одним з найбільш гучних успіхів Стандартної моделі стало передбачення маси калібрувальних бозонів W і Z, які відповідають за слабку взаємодію.

Звичайно, Стандартна модель не може претендувати на звання Єдиної теорії поля, оскільки вона не включає теорію гравітації (і перспективи її інтеграції виглядають досить туманно), не в змозі пояснити існування трьох поколінь частинок, між якими вони відрізняються тільки масою:

У рамках Стандартної моделі виявилося напрочуд зручно описувати фундаментальні взаємодії в термінах теорії груп:

• для опису електромагнітної взаємодії використовується група U(1)(це група з множення комплексних чисел, рівних по модулю 1);
• для опису слабкого група SU(2)(Мультиплікативна група спеціальних унітарних матриць 2x2, тобто. унітарних матриць з визначником 1: кількість генераторів такої групи дорівнює 3 (вони називаються матрицями Паулі), тому і переносників слабкої взаємодії теж 3);
• для опису сильної групи SU(3)(аналогічно SU(2), тільки 3x3: 8 генераторів (називаються матрицями Гелл-Мана) і, отже, 8 глюонів).

Що таке бозон Хіггса?
У рамках Стандартної моделі виникає потреба у бозоні Хіггса. Ця частка з нульовим спином відповідає за масу елементарних частинок, але настільки невловима, що немає навіть впевненості, що така частка лише одна. Саме для її виявлення (або невиявлення) і було збудовано Великий Адронний Колайдер LHC.

Бозон Хіггса наділяє частинки масами так, що переносник електромагнітної взаємодії фотон залишається безмасовим і може переміщатися на будь-які відстані, у той час як слабка взаємодія передається за допомогою масивних частинок, що обмежує радіус цієї взаємодії суб'ядерними масштабами. Таким чином, за допомогою цієї частинки реалізується порушення електрослабкої симетрії, що робить електромагнітну і слабку взаємодію настільки несхожими один на одного.

Канонічна картинка (масштаб не дотриманий, глибина приблизно 100 метрів, а довжина тунелю 26.7 км):

Колайдерце прискорювач (у разі LHC - кільцевий), в якому стикаються два пучки елементарних частинок. LHC будується з 2001 року в тунелі на кордоні Франції та Швейцарії, де раніше розміщувався електронно-позитронний колайдер LEP. На LHC встановлені 4 великі детектори:

Про те, наскільки багато даних видаватиме колайдер, свідчить той факт, що, незважаючи на апаратно реалізовану трирівневу фільтрацію «нецікавих» подій, LHC генеруватиме в середньому 500 мегабайт даних за секунду.

Красиві картинки колайдера: раз, два, три, чотири; з великою кількістю красивих зображень.

LHC працюватиме до 2020-х років, збираючи експериментальний матеріал. Але є надія, що перші значущі результати з'являться вже до кінця наступного року. Без жодного сумніву, технічний та науковий досвід, який був отриманий при його створенні та буде отриманий при його використанні, відіграє величезну роль у прогнозованому створенні до середини 21 століття Дуже Великого Адронного Колайдера (The Very Large Hadron Collider (VLHC)).

Імовірно, на LHC можуть бути виявлені магнітні монополі. Це загальна назва для гіпотетичних частинок, що мають ненульовий магнітний заряд. Ще Дірак передбачив потенційну можливість їхнього існування.

Порівняльна таблиця енергій
Щоб оцінити масштаби енергій і можливі відкриття, варто поглянути на таблицю, де перераховані маси деяких елементарних частинок, деякі характерні енергії та енергії колайдерів (в основному наводжу сумарні енергії пучків, що стикаються: треба зазначити, що для спостереження частинки з масою E, як правило, слід використовувати сумарну енергію пучків 2E).

Як одиниця енергії в атомній та квантовій фізиці повсюдно використовується електровольт(еВ) замість джоуля. 1 еВ ~ 1.6021765x10 −19 Дж. Маси частинок також вимірюються в еВ, використовуючи рівняння Ейнштейна E = mc 2 .

Ризики, пов'язані із запуском/незапуском LHC
Основні побоювання, пов'язані із запуском LHC, поділяються на дві частини:

1. Утворення стабільної мікроскопічної чорної діркияка поглине Землю (красива картинка чорної діри)
Деякі теорії пророкують можливість освіти при експериментах на LHC мікроскопічних чорних дірок. Чорна діра - це об'єкт з надсильною гравітацією, що не відпускає навіть світло. Але не все так фатально, оскільки існує таке явище, як випромінювання Хокінга. Випромінювання Хокінга це наслідок того, що гравітація чорної діри веде до утворення не лише віртуальних, а й реальних пар частка-античастка, частина з яких може виявитися вищою за горизонт подій. Така частка залишає чорну діру і забирає з собою частину її енергії та маси. Очевидно, що для мікроскопічних чорних дірок ймовірність такої події набагато вища, а тому, вважають фахівці CERN, навіть якщо чорні діри утворюватимуться, вони відразу випаровуватимуться. Але не виключено і утворення мікроскопічних чорних дірок, які будуть досить стабільними і не випаруються за допомогою випромінювання Хокінга. У такому разі вся Земля буде поглинена за кілька років.

2. Освіта дивної матерії
Можлива освіта «страпелець»(strangelet) - гіпотетичного стану речовини, що складається з приблизно рівної кількості d-, u- та s-кварків. При взаємодії такої речовини зі звичайним повинна відбуватися ланцюгова реакція з виділенням енергії та перетворенням усієї речовини на «дивну матерію». Виживання людини після такої події малоймовірне:)

У разі здійснення цих сценаріїв (межа мрій Бендера Родрігеса) доречно називатиме LHC останнім (last) адронним колайдером.

У зв'язку з подібними побоюваннями було сформовано декілька дослідницьких груп, які намагалися оцінити ймовірність сумного результату. Основним доказом прихильників безпеки колайдера є «LHC не робитиме нічого такого, чого б не робила природа мільйони разів до цього». Це має на увазі, що на Землю періодично обрушуються частинки космічних променів значно більших енергій, ніж будуть доступні на LHC. Але противники вказують на те, що навіть якщо при таких зіткненнях і утворювалися мікроскопічні чорні дірки, то вони відлітали крізь Землю зі швидкістю лише трохи нижче швидкості світла, чого, звичайно, не можна сказати про замкнене магнітне поле колайдера, який таку чорну дірку, швидше за все просто не випустить.

Офіційна оцінка ймовірності таких подій, зроблена фахівцями CERN, становить 1/50000000 (1 до 50 млн.). Проте, враховуючи потенційну кількість жертв (6.7 мільярдів), матожидання складає близько 130 осіб, що, звісно, ​​досить багато.

А ось відомий фахівець із квантових обчислень Скотт Ааронсон взагалі вважає, що LHC потрібно запустити якнайшвидше, тому що ми не можемо виключати можливість того, що наступного року прилетять інопланетяни, і, побачивши, що ми досі не відкрили бозон Хіггса, порахують нас повними дикунами і поневолять нас :)

Оцінка кількості позаземних цивілізацій згідно з катастрофічним сценарієм дослідження бозона Хіггса
В даний час спостерігається незвичайно великий спалах дотепності, пов'язаний з цією подією. Втім, переважає чорний гумор, наприклад, про те, що будь-яка розвинена цивілізація перетворюється на чорну дірку у спробах дослідити бозон Хіггса. Спробую і я:)

Ця думка тим паче цікава, що ми спостерігаємо сигнали від позаземних цивілізацій, особливо від розташованих у центрі нашої Галактики. Тут варто зауважити, що зірки центру Галактики сформувалися істотно раніше Сонячної системи, а, отже, цивілізації там повинні бути набагато старшими і розвиненішими за нашу. Натомість ми спостерігаємо у центрі Галактики колосальну чорну дірку Стрілець-А* масою 3.7 мільйонів сонячних.

Постулюємо, що будь-яка цивілізація розвивається до відкриття радіо, а через близько 100 років відкриває бозона Хіггса, що тягне за собою утворення колапсара і загибель цивілізації, а так само те, що чорна діра в центрі Галактики утворилася якраз з таких розвинених цивілізацій.

Враховуючи, що всього в нашій Галактиці міститься близько 200 мільярдів зірок і з них близько 90% у центрі, можна припустити, що ймовірність зародження цивілізації в зірковій системі близько 1 до 50000. Зробимо правдоподібне припущення, що в даний час розумне життя існує у вузькому пояску Галактики шириною близько 500 парсек (близько плюс-мінус 100 мільйонів років життя планетної системи), заввишки 300 парсек (товщина Галактики в нашій місцевості), і радіусом 8.5 кілопарсек.

Виходячи з оцінки ймовірності придатності зіркової системи для розвитку розумного життя (див. вище, 2x10 −5), ймовірності того, що цивілізація знаходиться прямо зараз на рівні радіо (10 −6) та щільності зірок у цьому поясі (приблизно 0.1 пк −3) отримаємо, що прямо зараз у нашій Галактиці знаходиться приблизно 20 тисяч зіркових систем, у яких є життя, і майже напевно немає жодної системи, яка готова до контакту з нами. На жаль, згідно з цими розрахунками, ми в Галактиці самотні. І нема кому нас застерегти :)

Використовуючи цей метод, можна отримати у формулі Дрейка твір п'яти середніх членів (за оцінкою, приблизно 2x10 −5 , Дрейка 10 −4) і L ~ 100 років (у Дрейка набагато оптимістичніший, 10000 років). Досить гарний... і досить лякаючий збіг. Не спростовує оцінку і шкала Кардашева: у ядрі Галактики цілком міг зародитися цивілізація типу III, але слідів її присутності чи діяльності ми спостерігаємо.

Отже, навіщо потрібний LHC?

• Пошук бозона Хіггса, який відповідає за масу частинок, останнього експериментального підтвердження Стандартної моделі;


• Пошук частинок поза Стандартною моделлю: пентакварків та тетракварків, 4-го покоління частинок, магнітних монополів;


• Пошук частинок, передбачених теорією Лісі


• Пошук суперсиметрії, частинок-суперпартнерів, особливо суперпартнера t-кварка;


• Дослідження квантової гравітації;


• Дослідження мікроскопічних чорних дірок та випромінювання Хокінга;


• Вбити всіх людей (гіпотеза).

• Перетворення матерії на енергію (анігіляція), фотонні двигуни, міжзоряні подорожі


• Управління гравітацією, зокрема антигравітація


• Можливі дослідження в галузі М-теорії, наприклад, паралельні світи

Майбутнє покаже.

Аддон №1:Якщо вас зацікавила ця тема, рекомендую ознайомитися із чудовою статтею Ігоря Іванова у «Навколо світу».