Перша елементарна частка відкрита у фізиці. Елементарні частки

ЕЛЕМЕНТАРНІ ЧАСТИНИ, у вузькому значенні - частинки, які не можна вважати Складаються з інших частинок. У совр. фізиці термін "елементарні частинки" використовують у ширшому значенні: так зв. дрібні частинки матерії, підпорядковані умові, що вони є і (виняток становить); іноді з цієї причини елементарні частинки називають суб'ядерними частинками. Більшість таких частинок (а їх відомо більше 350) є складовими системами.
Е лементарні частинки беруть участь в електромагнітному, слабкому, сильному та гравітаційному взаємодіях. Через малі маси елементарних частинокїх гравітаційне взаємод. зазвичай не враховується. Усі елементарні частинки поділяють на три осн. групи. Першу складають т. зв. бозони-переносники електрослабкої взаємодії. Сюди відноситься фотон або квант електромагнітного випромінювання. Маса спокою фотона дорівнює нулю, тому швидкість поширення електромагнітних хвиль (в т. ч. світлових хвиль) являє собою граничну швидкість поширення фіз. впливу і є одним із фундам. фіз. постійних; прийнято, що з = (299792458 1,2) м/с.
Друга група елементарних частинок - лептони, що у електромагнітних і слабких взаємодіях. Відомо 6 лептонів: , електронне, мюонне, важкий-лептон та відповідне. (Символ е) вважається матеріальним найменшої маси в природі m с, що дорівнює 9,1 x 10 -28 г (в енергетич. одиницях 0,511 МеВ) і найменшого заперечують. електрич. заряду е = 1,6 x 10-19 Кл. (Символ) - частинки з масою бл. 207 мас (105,7 МеВ) та електрич. зарядом, рівним заряду; важкий-лептон має масу прибл. 1,8 ГеВ. Відповідні цим часткам три типи - електронний (символ v c), мюонний (символ) і-нейтрино (символ) - легкі (можливо, безмасові) електрично нейтральні частинки.
Усі лептони мають (-), тобто за статистич. св-вам є ферміонами (див.).
Кожному з лептонів відповідає , Що має ті ж значення маси, та ін характеристик, але відрізняється знаком електрич. заряду. Існують (символ е +) - по відношенню до , позитивно заряджений (символ) і три типи антинейтрино (символ), яким приписують протилежний знак особливого квантового числа, зв. 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 . Це найб. чисельна група елементарних частинок. Адрони поділяються на баріони - частинки з мезони - частинки з цілим (О або 1); а також т. зв. резонанси - короткоживучі адрони. До баріонів відносять (символ р) - ядро ​​з масою, що ~ 1836 разів перевищує m с і дорівнює 1,672648 x 10 -24 г (938,3 МеВ), і покладе. електрич. зарядом, рівним заряду, а також (символ n) - електрично нейтральна частка, маса якої трохи перевищує масу. З і побудовано все, саме сильне взаємод. обумовлює зв'язок цих частинок між собою. У сильній взаємодії і мають однакові св-ва і розглядаються як дві частини - нуклону з ізотопіч. (див. нижче). Баріони включають і гіперони - елементарні частинки з масою більш нуклонною: -гіперон має масу 1116 МеВ,-гіперон-1190 МеВ,-гіперон-1320 МеВ,-гіперон-1670 МеВ. Мезони мають маси, проміжні між масами та (-мезон, K-мезон). Існують мезони нейтральні і заряджені (з поклад. і запереч. елементарним електричним зарядом). Всі мезони за своїми сгатистич. св-вам ставляться до бозонів.

Основні властивості елементарних частинок.Кожна елементарна частка описується набором дискретних значень фіз. величин (квантових чисел). Загальні властивості всіх елементарних частинок - маса, час життя, електрич. заряд.
Залежно від часу життя елементарні частинки поділяються на стабільні, квазістабільні та нестабільні (резонанси). Стабільними (в межах точності суч. вимірів) є: (час життя більше 5 -10 21 років), (більше 10 31 років), фотон і . До квазістабільних відносяться частинки, що розпадаються внаслідок електромагнітного та слабкого взаємод., їх часи життя понад 10 -20 с. Резонанси розпадаються за рахунок сильного взаємодії, їх характерні часи життя 10 -22 -10 -24 с.
Внутрішніми характеристиками (квантовими числами) елементарних частинок є лептонний (символ L) та баріонний (символ В) заряди; ці числа вважаються строго збереженими величинами всім типів фундам. взаємод. Для лептонних та їх L мають протилежні знаки; для баріонів = 1, для відповідних = -1.
Для адронів характерна наявність спеціальних квантових чисел: "дива", "чарівності", "краси". Звичайні (недивні) адрони - ,-мезони. Усередині різних групадронів є сімейства частинок, близьких за масою і з подібними св-вами стосовно сильного взаємод., але з разл. значеннями електрич. заряду; Найпростіший приклад -протон і . Загальне квантове число таких елементарних частинок - т. зв. ізотопіч. , що приймає, як і звичайний , цілі та напівцілі значення. До особливих характеристик адронів відноситься і внутрішня парність, що приймає значення1.
p align="justify"> Важливе св-во елементарних частинок - їх здатність до взаємоперетворень в результаті електромагнітних або ін. взаємодій. Один із видів взаємоперетворень - т. зв. народження або утворення одночасно частинки і (у загальному випадку - утворення елементарних частинок з протилежними лептонними або баріонними зарядами). Можливі процеси народження електрон-позитронних е-е+, мюонних нових важких частинок при зіткненнях лептонів, утворення з кварків cc- та bb-станів (див. нижче). Інший вид взаємоперетворень елементарних частинок – анігіляція при зіткненнях частинок з утворенням кінцевого числафотонів (квантів). Зазвичай утворюються 2 фотони при нульовому сумарному стикаються частинок і 3 фотона - при сумарному, рівному 1 (прояв закону збереження зарядової парності).
При певних умов, зокрема при невисокій швидкості стикаються частинок, можливе утворення пов'язаної системи - е - е + і ці нестабільні системи, часто зв. , їх час життя у в-ві великого ступенязалежить від св-в в-ващо дозволяє використовувати для вивчення структури конденсир. в-ва та кінетики швидких хім. р-цій (див. , ).

Кваркова модель адронів.Детальний розгляд квантових чисел адронів з їх дозволило зробити висновок у тому, що дивні адрони і звичайні адрони разом утворюють об'єднання частинок з близькими св-вами, названі унітарними мультиплетами. Числа частинок, що входять до них, дорівнюють 8 (октет) і 10 (декуплет). Частинки, що входять до складу унітарного мультиплет, мають однакові і всередину. парність, але різняться значеннями електрич. заряду (частки ізотопіч. мультиплету) та дивацтва. З унітарними групами пов'язані св-ва , їх виявлення стало основою висновку існування особливих структурних одиниць, з яких брало побудовані адрони,-кварків. Вважають, що адрони є комбінації 3 фундам. частинок з 1/2: і-кварків, d-кварків та s-кварків. Так, мезони складені з кварку та антикварку, баріони – з 3 кварків.
Припущення, що адрони складені з 3 кварків, було зроблено в 1964 році (Дж. Цвейг і незалежно від нього М. Гелл-Ман). Надалі в модель будови адронів (зокрема, для того щоб не виникало протиріччя з) були включені ще 2 кварки - "зачарований" (с) і "красивий" (b), а також введені особливі характеристики кварків - "аромат" та " колір". Кварки, які виступають як складові адронів, у вільному стані не спостерігалися. Все різноманіття адронів обумовлено разл. поєднаннями і-, d-, s-, с-і b-кварків, що утворюють зв'язкові стани. Звичайним адронам (-мезонам) відповідають зв'язкові стани, побудовані з і-і d-кварків. Наявність в адроні поряд з і-і d-кварками одного s-, с- або b-кварка означає, що відповідний адрон - "дивний", "зачарований" або "красивий".
Кваркова модель будови адронів підтвердилася внаслідок експериментів, проведених у кін. 60-х – поч.
70-х pp. 20 ст. Кварки фактично почали розглядатися як нові елементарні частинки-істинно елементарні частки для адронної форми матерії. Неспостереження вільних кварків, мабуть, носить принциповий характері і дає припускати, що вони є тими елементарними частинками, які замикають ланцюг структурних складових в-ва. Існують теоретич. та експерим. доводи на користь того, що сили, що діють між кварками, не слабшають з відстанню, тобто для відокремлення кварків одна від одної потрібна нескінченно велика енергія або, інакше кажучи, виникнення кварків у вільному стані неможливе. Це робить їх новим типом структурних одиниць в-ва. Можливо, що кварки виступають як останній ступіньматерії.

Короткі історичні відомості.Першою відкритою елементарною частинкою був заперечений. електрич. заряду в обох знаків електрич. заряду (К. Андерсон та С. Неддермейєр, 1936), та К-мезони (група С. Пауелла, 1947; існування подібних частинокбуло припущено X. Юкавой 1935). В кін. 40-х – поч. 50-х pp. було виявлено "дивні" частинки. Перші частинки цієї групи - К+ - і К-мезони, Л-гіперони - були зафіксовані також у косміч. променях.
З поч. 50-х pp. прискорювачі перетворилися на осн. Інструмент дослідження елементарних частинок. Були відкриті антипротон (1955), антинейтрон (1956), анти-гіперон (1960), а в 1964 - найважчий W -гіперон. У 1960-х роках. на прискорювачах виявили велике числовкрай нестійких резонансів. У 1962 з'ясувалося, що існують два різні: електронне та мюонне. У 1974 виявлені масивні (у 3-4 протонні маси) і в той же час відносно стійкі (порівняно зі звичайними резонансами) частинки, які виявилися тісно пов'язаними з новим сімейством елементарних частинок - "зачарованих", їх перші представники відкриті в 1976 У 1975 виявлено важкий аналог і - лептон, в 1977 - частинки з масою близько десяти протонних мас, в 1981 - "красиві" частинки. У 1983 відкриті найважчі з відомих елементарних частинок - бозони (маса 80 ГеВ) та Z ° (91 ГеВ).
Т. обр., за роки, що минули після відкриття, виявлено величезна кількістьрізноманітних мікрочастинок. Світ елементарних частинок виявився складно влаштованим, які св-ва у багатьох відношеннях несподіваними.

Коккеде Я., Теорія кварків, [пер. з англ.], М., 1971; Марков М. А., Про природу матерії, М., 1976; Окунь Л.Б., Лептони та кварки, 2 видавництва, М., 1990.

ЕЛЕМЕНТАРНІ ЧАСТИНИ

Вступ

е. ч. в точному значенніцього терміна - первинні, нерозкладні частинки, з яких брало, за припущенням, складається вся матерія. У понятті "Е. ч." у суч. фізиці знаходить вираження ідея про першорядні сутності, що визначають всі спостережувані властивості матеріального світу, ідея, що зародилася на ранніх етапах становлення природознавства і завжди відігравала важливу роль у його розвитку.

Поняття "Е. ч." сформувалося в тісного зв'язкуіз встановленням дискретного характеру будови речовини на мікроскопич. рівні. Виявлення межі 19-20 ст. дрібних носіїв властивостей речовини - молекул і атомів - і встановлення того факту, що молекули побудовані з атомів, вперше дозволило описати всі речовини, що спостерігаються, як комбінації кінцевого, хоча і великого, числа структурних складових - атомів. Виявлення надалі складових частинатомів - електронів і ядер, встановлення складної природисамих ядер, що виявилися побудованими всього з двох частинок (нуклонів): протонів і нейтронів, істотно зменшило кількість дискретних елементів, що формують властивості речовини, і дало підставу припускати, що ланцюжок складових частин матерії завершується дискретними безструктурними утвореннями - Е. ч. поч. 20 ст. можливість трактування ел-магн. поля як сукупності особливих частинок- фотонів – додатково зміцнила переконаність у правильності такого підходу.

Проте сформульоване припущення, взагалі кажучи, є екстраполяцією відомих фактів і скільки-небудь суворо обґрунтовано бути не може. Не можна з упевненістю стверджувати, що частинки, елементарні в значенні наведеного визначення, існують. Не виключено також, що твердження "складається з..." на якомусь ступені вивчення матерії виявиться позбавленим змісту. Від цього вище визначення " елементарності " у разі доведеться відмовитися. Існування Е. ч. - це свого роду постулат, і перевірка його справедливості - одна з найважливіших завданьфізики.

Як правило, термін "Е. ч." вживається в совр. фізиці не в своєму точному значенні, а менш строго - для найменування великої групи найдрібніших частинок матерії, що спостерігаються, підпорядкованих умові, що вони не є атомами або атомними ядрами, тобто об'єктами свідомо складової природи (виняток становить протон - ядро ​​атома водню). Як показали дослідження, ця група часток надзвичайно велика. Крім протона(р), нейтрону(n), електрона(е) та фотона(g) до неї відносяться: пі-мезони(p), мюони(m), тау-лептони(т), нейтрино трьох типів (v e, v m, v t), т.з. дивні частки ( К-мезониі гіперони), зачаровані частинкита чарівні (красиві) частинки (D- та B-мезони та відповідні) баріони), різноманітні резонанси,в т.ч. мезониіз прихованою чарівністю та красою ( ncu-частинки, іпсилон-частинки)і, нарешті, відкриті на поч. 80-х. проміжні векторні бозони (W, Z)- всього понад 350 частинок, в осн. нестабільних. Число частинок, що включаються в міру їх відкриття до цієї групи, постійно зростає, і можна впевнено стверджувати, що воно зростатиме і надалі. Очевидно, що така величезна кількість часток не може виступати в якості елементарних складових матерії, і дійсно, в 70-х рр. н. було показано, що більша частинаперерахованих частинок (всі мезони та баріони) є складовими системами. Частинки, що входять у цю останню групу, більш точно слід було б називати "суб'ядерними" частинками, тому що вони є специфічними формами існування матерії, неагрегованої в ядра. Використання назви "Е. ч." стосовно всіх згаданих частинок має в осн. історії, причини і пов'язано з періодом досліджень (поч. 30-х рр.), коли єдність. відомими представникамицієї групи були протон, нейтрон, електрон і частка ел-магн. поля – фотон. Тоді ці частинки з відомим правом могли претендувати на роль Е. ч.

Відкриття нових мікроскопів. частинок поступово зруйнувало цю просту картину будови матерії. Однак частки, що знову відкриваються, за своїми властивостями були в ряді відносин близькі до перших чотирьох відомих частинок: або до протону і нейтрону, або до електрона, або до фотона. До тих пір поки кількість таких частинок було не дуже велике, зберігалося переконання, що всі вони грають фундам. що у будові матерії, та його включали у категорію Еге. год. З наростанням кількості частинок від цього переконання довелося відмовитися, але традиц. назв. "Е. ч." за ними зберігалося.

Відповідно до практики, що склалася термін "Е. ч." буде вживатися нижче як загальна назва всіх найдрібніших частинокматерії. У тих випадках, коли мова йтиме про частинки, що претендують на роль первинних елементів матерії, при необхідності буде використовуватися термін "істинно елементарні частки".

Короткі історичні відомості

Відкриття Е. ч. стало закономірним результатом загальних успіхіву вивченні будови речовини, досягнутих фізикою у кін. 19 ст. Воно було підготовлено детальними дослідженнями спектрів атомів, вивченням елек-трич. явищ у рідинах та газах, відкриттям фотоелектрики, рентг. променів, єств. радіоактивності, що свідчили про існування складної структуриматерії.

Історично першою відкритою Е. ч. був електрон - носій негативного елементарного електрич. заряду в атомах У 1897 Дж. Дж. Томсон (J. J. Thomson) переконливо показав, що т.з. катодні промені є потік заряд. частинок, які згодом були названі електронами. У 1911 Е. Резерфорд (E. Rutherford), пропускаючи альфа-частинкивід природ. радіоакт. джерела через тонкі фольги розл. речовин, дійшов висновку, що покладе. заряд в атомах зосереджений у компактних утвореннях-ядрах, а в 1919 виявив серед частинок, вибитих з атомних ядер, протони - частинки з одиничним покласти. зарядом і масою, що у 1840 разів перевищує масу електрона. Інша частка, що входить до складу ядра, - нейтрон - була відкрита в 1932 Дж. Чедвіком (J. Chadwick) при дослідженнях взаємодії a-часток з бериллієм. Нейтрон має масу, близьку до маси протона, але не має електрич. зарядом. Відкриттям нейтрону завершилося виявлення частинок, які є структурними елементами атомів та його ядер.

Висновок про існування частки ел-магн. поля - фотона бере свій початок від роботи M. Планка (M. Planck, 1900). Для отримання правильного опису спектра випромінювання абсолютно чорного тіла Планк змушений був припустити, що енергія випромінювання ділиться на отд. порції (кванти). Розвиваючи ідею Планка, А. Ейнштейн у 1905 р. припустив, що ел-магн. випромінювання є потоком квантів (фотонів) і на цій основі пояснив закономірності фотоефекту. Прямі експерименти. докази існування фотона були дані P. Міллікеном (R. Millikan) у 1912-15 при дослідженні фотоефекту та А. Комптоном (A. Compton) у 1922 при вивченні розсіювання g-квантів на електронах (див. Комптон ефект).

Ідея про існування нейтрино - частки, що виключно слабо взаємодіє з речовиною, належить В. Паулі (W. Pauli, 1930), який вказав, що подібна гіпотеза дозволяє усунути труднощі із законом збереження енергії в процесах бета-розпаду радіоакт. ядер. Експериментально існування нейтрино було підтверджено при дослідженні процесу зворотного бета-розпадулише 1956 [Ф. Райнес (F. Reines) та К. Коуен (С. Cowan)].

З 30-х і до поч. 50-х pp. вивчення Е. ч. було тісно пов'язане з дослідженням космічних променів. У 1932 у складі косміч. променів К. Андерсоном (С. Anderson) було виявлено позитрон(е +) - частка з масою електрона, але з покладе, електрич. зарядом. Позитрон був першою відкритою античасткою. Існування позитрона безпосередньо випливає з релятивістської теоріїелектрона, розвиненою П. Діраком (P. Dirac) у 1928—31 незадовго до виявлення позитрона. У 1936 Андерсон і С. Неддер-Мейєр (S. Neddermeyer) виявили при дослідженні косміч. променів мюони (обох знаків електрич. заряду) - частки з масою приблизно 200 мас електрона, а в іншому дивовижно близькі до нього за властивостями.

У 1947 р. також у косміч. променях групою С. Пауелла (S. Powell) були відкриті p + - і p - -мезони з масою 274 електронні маси, що відіграють важливу роль у взаємодії протонів з нейтронами в ядрах. Існування подібних частинок було припущено X. Юкавой (H. Yukawa) у 1935 році.

Кін. 40-х-поч. 50-х pp. ознаменувалися відкриттям великої групи частинок з незвичайними властивостями, які отримали назв. "дивні". Перші частинки цієї групи - К+-і К-мезони, L-гіперони - були відкриті в косміч. промені, наступні відкриття дивних частинок були зроблені на прискорювачах заряджених частинок- установках, що створюють інтенсивні потокипротонів та електронів високих енергій. При зіткненні з речовиною прискорені протони і електрони народжують нові Е. ч., які потім реєструються за допомогою складних детекторів.

З поч. 50-х pp. прискорювачі перетворилися на осн. інструмент для дослідження Е. ч. У 90-х роках. макс. енергії частинок, розігнаних на прискорювачах, становили сотні млрд. електронвольт (ГеВ), і процес нарощування енергій продовжується. Прагнення до збільшення енергій прискорених частинок обумовлено тим, що на цьому шляху відкриваються можливості вивчення будови матерії на тих менших відстанях, чим вище енергія частинок, що стикаються, а також можливістю народження все більш-важких частинок. Прискорювачі суттєво збільшили темп отримання нових даних та короткий строкрозширили та збагатили наше знання властивостей мікросвіту.

Введення в дію протонних прискорювачів з енергіями в мільярди еВ дозволило відкрити важкі античастинки: антипротон (1955), антинейтрон(1956), антисигмагі-перон (I960). У 1964 була відкрита найважча частка групи гіперонів - W - (з масою близько двох мас протона).

Починаючи з 60-х років. за допомогою прискорювачів виявлено велику кількість вкрай нестійких (порівняно з іншими нестабільними Е. ч.) частинок, що отримали назву. резонансів. Маси більшості перевищують масу протону. [Перший з них-D (1232), що розпадається на p-мезон і нуклон, - відомий з 1953.] Виявилося, що резонанси складають осн. частина Е. год.

У 1974 виявлено масивні (3-4 протонні маси) і в той же час відносно стійкі пси-частинки, з часом життя приблизно в 10 3 разів більший за час життя, типовий для резонансів. Вони виявилися тісно пов'язаними з новим сімейством Е. ч. зачарованих, перші представники якого (D-мезони, L з-Баріони) відкриті в 1976.

У 1977 виявлено ще більш важкі (бл. 10 протонних мас) іпсілон-частинки, так само, як і пси-частинки, аномально стійкі для таких великих частинок. Вони з'явилися провісниками існування ще одного незвичайного сімейства чарівних або красивих частинок. Його представники - В-мезони - відкриті у 1981-83, L b-Баріони - в 1992.

У 1962 з'ясовано, що в природі існує не один тип нейтрино, а принаймні два: електронне v e та мюонне v m. 1975 року приніс відкриття т-лептону, частки майже в 2 рази важчі за протон, але в іншому повторюючі властивості електрона і мюона. Незабаром стало ясно, що з ним пов'язаний ще один тип нейтрино vт.

Нарешті, в 1983 в ході експериментів на протон-антипротонному колайдері (установці для здійснення зустрічних зіткнень пучків прискорених частинок) відкрито найважчі з відомих Е. ч.: заряджені проміжні бозони W b (m W 80 ГеВ) та нейтральний проміжний бозон Z 0 (m Z = 91 ГеВ).

T. о., майже за 100 років, що пройшли після відкриття електрона, виявлено величезну кількість різноманітних мікрочастинок матерії. Світ Е. ч. виявився досить складно влаштованим. Несподіваними у мн. відносинах виявилися властивості виявлених Е. ч. Для їх опису, крім характеристик, запозичених із класич. фізики, таких, як електрич. заряд, маса, момент кількості руху, потрібно було запровадити багато нових спец. характеристик, зокрема для опису дивних, зачарованих та чарівних (красивих) Е. ч.- дивина[К. Нішиджіма (К. Nishijima), M. Гелл-Ман (M. Gell-Mann), 1953], чарівність[Дж. Бьоркен (J. Bjorken), Ш. Глешоу (Sh. Glashow), 1964], краса. Вже назви наведених характеристик відбивають незвичайність властивостей Е. ч., що описуються.

Вивчення внутр. будови матерії та властивостей Е. ч. з перших своїх кроків супроводжувалося радикальним переглядом багатьох усталених понять та уявлень. Закономірності, що керують поведінкою матерії в малому, виявилися настільки відмінними від закономірностей класич. механіки і те, що зажадали для свого опису абсолютно нових теоретич. побудов. Такими новими теоріями з'явилися перш за все приватна (спец.) відносності теорія(Ейнштейн, 1905) та квантова механіка(H. Бор, Л. де Бройль, Ст Гейзенберг, Е. Шредінгер, M. Борн; 1924-27). Теорія відносності та квантова механіка ознаменували собою справжню революцію в науці про природу та заклали основи для опису явищ мікросвіту. Однак для опису процесів, що відбуваються з Е. ч. виявилося недостатньо. Знадобився наступний крок - квантування класич. полів (т.з. вторинне квантування)і розробка квантової теорії поля. Найважливішими етапами по дорозі її розвитку були: формулювання квантової електродинаміки(Дірак, 1929), квантової теоріїбета-розпаду [Е. Фермі (E. Fermi), 1934] - попередниці совр. феноменологічної теорії слабких взаємодій, квантової мезодинаміки (X. Юкава, 1935). Цей період завершився створенням послідовних. обчислить. апарату квантової електродинаміки[С. Томона-га (S. Tomonaga), P. Фейнман (R. Feynman), Ю. Швінгер (J. Schwinger); 1944-49], заснованого на використанні техніки перенормування.Ця техніка була узагальнена надалі і ін. варіанти квантової теорії поля.

Істотний етап подальшого розвитку квантової теорії поля був пов'язаний із розробкою уявлень про т.з. калібрувальних поляхабо Янга - Міллса полях(Ч. Янг, P. Міллс, 1954), які дозволили встановити взаємозв'язок властивостей симетріївзаємодії із полів. Квантова теорія калібрувальних полів в даний час є основою для опису взаємодій Е. ч. У цієї теорії є ряд серйозних успіхів, і все ж вона ще дуже далека від завершеності і не може поки що претендувати на роль всеосяжної теорії Е. ч. Можливо, знадобляться ще не одна перебудова всіх уявлень і набагато глибше розуміння взаємозв'язку властивостей мікрочастинок та властивостей простору-часу, перш ніж така теорія буде побудована.

Основні властивості елементарних частинок. Класи взаємодій

Всі Е. ч - об'єкти виключно малих мас і розмірів. Більшість їх маси m 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-і К-мезонів по порядку величини дорівнюють 10 -13 см (див. "Розмір" елементарної частки). У електрона і мюона визначити розміри не вдалося, відомо лише, що вони менше 10 -16 см. Мікроскопіч. маси та розміри Е. ч. лежать в основі квантової специфіки їхньої поведінки. Характерні довжини хвиль, які слід приписати Е. ч. у квантовій теорії (= /тс-комптонівська довжина хвилі), По порядку величин близькі до типових розмірів, на яких брало здійснюється їх взаємодія (напр., для p-мезону /тс 1,4 · 10 -13 см). І це призводить до того, що квантові закономірності є визначальними у поведінці Еге. год.

наиб. важлива квантова властивість всіх Е. ч - їх здатність народжуватися і знищуватися (випускатися і поглинатися) при взаємодії з ін. частинками. Щодо цього вони повністю аналогічні фотонам. е. ч.- це специфіч. кванти матерії, точніше - кванти відповідних полів фізичних. Всі процеси з Е. ч. протікають через послідовність актів їх поглинання та випромінювання. Тільки на цій основі можна зрозуміти, напр., процес народження p + -мезону при зіткненні двох протонів (p + pp + n + p +) або процес електрона і позитрона, коли замість зниклих частинок виникають, напр., два g-кванти (е + + е - g + g). Але процеси пружного розсіювання частинок, напр. е - +р- > е - +р, також пов'язані з поглинанням поч. частинок та народженням кінцевих частинок. Розпад нестабільних Е. ч. на більш легкі частки, що супроводжується виділенням енергії, відповідає тій же закономірності і є процесом, в якому продукти розпаду народжуються в момент самого розпаду і до цього моменту не існують. У цьому відношенні розпад Е. ч. подібний до розпаду збудженого атома на осн. стан та фотон. Прикладами розпадів Е. ч. можуть бути (знак "тильда" над символом частинки тут і надалі відповідає античастинці).

разл. процеси з Е. ч. при відносно невеликих енергіях [до 10 ГеВ у системі центру мас (с. ц. м.)] помітно відрізняються інтенсивністю їх протікання. Відповідно до цього взаємодії, що породжують Е. ч. можна феноменологічно розділити на дек. класів: сильна взаємодія, електромагнітна взаємодіяі слабка взаємодія.Всі Е. ч. володіють, крім того, гравітаційною взаємодією.

Сильна взаємодія виділяється як взаємодія, яка відповідально за процеси з Е. ч., що протікають з найбільшою інтенсивністю в порівнянні з ін. процесами. Воно призводить до самої сильного зв'язкуе. год. Саме сильна взаємодія обумовлює зв'язок протонів і нейтронів в ядрах атомів і забезпечує виключення. міцність цих утворень, що лежить в основі стабільності речовини у земних умовах.

Ел-магн. взаємодія характеризується як взаємодія, в основі якого лежить зв'язок з ел-магн. полем. Процеси, зумовлені ним, менш інтенсивні, ніж процеси сильної взаємодії, а зв'язок Е. ч., що породжується ним, помітно слабше. Ел-магн. взаємодія, зокрема, відповідальна за процеси випромінювання фотонів, за зв'язок атомних електронівз ядрами та зв'язок атомів у молекулах.

Слабка взаємодія, як показує сама назва, слабко впливає на поведінку Е. ч. або викликає процеси зміни їх стану, що дуже повільно протікають. Ілюстрацією цього твердження може бути, напр., те що, що нейтрино, що у лише слабкому взаємодії, безперешкодно пронизують, напр., товщу Землі і Сонця. Слабка взаємодія відповідальна за порівняно повільні розпади т.з. квазістабільних Е. ч. Як правило, часи життя цих частинок лежать у діапазоні 10 -8 -10 -12 с, тоді як типові часи переходів для сильної взаємодії Е. ч. становлять 10 -23 с.

Гравітац. взаємодії, добре відомі за своїми макроскопіч. проявам, у разі Е. ч. через надзвичайну малість їх мас на характерних відстанях ~10 -13 см дають виключно малі ефекти. Надалі (за винятком розділу 7) вони не обговорюватимуться.

"Силу" розл. класів взаємодій можна приблизно охарактеризувати безрозмірними параметрами, пов'язаними з квадратами відповідних констант взаємодій. Для сильного, ел-магн., слабкого і гравітації. взаємодій протонів при енергії процесів ~1 ГеВ BC. ц. м. ці параметри співвідносяться як 1:10 -2:10 -10:10 -38. Необхідність вказівки порівн. енергії процесу пов'язані з тим, що у феноменологич. Теорія слабкої взаємодії безрозмірного параметра залежить від енергії. З іншого боку, інтенсивності разл. процесів дуже по-різному залежать від енергії, а феноменологічна теорія слабкої взаємодії при великих енергіях M Wу с. ц. м. перестає бути справедливою. Все це призводить до того, що відносить. роль разл. взаємодій, взагалі кажучи, змінюється зі зростанням енергії взаємодіючих частинок і поділ взаємодій на класи, заснований на порівнянні інтенсивностей процесів, надійно здійснюється при не надто високих енергіях.

За совр. уявленням, при енергіях вище M W(т. е. 80 ГеВ в с. ц. м.) слабке і ел-магн. взаємодії порівнюються за силою і виступають як прояв єдиного електрослабкої взаємодії. Висунуто також привабливе припущення про можливе вирівнювання констант усіх трьох видіввзаємодій, включаючи сильну, при надвисоких енергіях, великих 10 16 ГеВ (модель т.з. Великого об'єднання).

Залежно від участі у тих чи інших видах взаємодій усі вивчені Е. ч., за винятком фотона, W- і Z-бозонів, що розбиваються на дві осн. групи: адрониі лептони. Адрони характеризуються насамперед тим, що вони беруть участь у сильній взаємодії, поряд з ел-магнітним і слабким, тоді як лептони беруть участь тільки в ел-магнітному і слабкому взаємодіях. (Наявність загальної для тієї та іншої групи гравітації. взаємодії мається на увазі.) Маси адронів по порядку величини близькі до маси протона ( тр ) , Іноді перевищуючи її в дек. разів; хв. масу серед адронів має p-мезон: т p 1 / 7 m p, . Маси лептонів, відомих до 1975-76, були невеликі (0,1 m p) - звідси їхня назва. Однак пізніші дані свідчать про існування важких т-лептонів з масою прибл. двох мас протону.

Адрони-найширша група з відомих Е. ч. До неї входять усі баріони та мезони, а також т.з. резонан-си (т. е. більшість згаданих 350 е. год.). Як зазначалося, ці частки мають складну будову і насправді що неспроможні розглядатися як елементарні. Лептони представлені трьома зарядженими (е, m, т) та трьома нейтральними частинками ( v e, v m, vт). Фотон, W + і Z 0 -бозони утворюють разом важливу групу калібрувальних бозонів, що здійснюють перенесення ел-слабкої взаємодії. Елементарність частинок із цих двох останніх группоки що не піддається серйозному сумніву.

Характеристики елементарних частинок

Кожна Е. ч., поряд зі специфікою властивих їй взаємодій, описується набором дискретних значень. фіз. величин чи своїми характеристиками. У ряді випадків ці дискретні значення виражаються через цілі або дробові числаі деякий загальний множник-одиницю виміру; про ці числа говорять як про квантових числахе. ч. і задають лише їх, опускаючи одиниці виміру.

Загальні характеристики всіх Е. ч-маса ( т), час життя (т), спин ( J) і електрич. заряд ( Q).

Залежно від часу життя т. е. ч. діляться на стабільні, квазістабільні та нестабільні (резонанси). Стабільними, у межах точності суч. вимірювань, є електрон (т>2 · 10 22 років), протон (т>5 · 10 32 років), фотон і всі типи нейтрино. До квазістабільних відносять частинки, що розпадаються за рахунок ел-магн. та слабкої взаємодії. Їхні часи життя лежать в інтервалі від 900 с для вільного нейтрону до 10 -20 с для S 0 -гіперону. Резонансами зв. е. ч., що розпадаються за рахунок сильної взаємодії. Їхні характерні часи життя 10 -22 -10 -24 с. У табл. 1 вони позначені значком * і замість т наведена зручніша величина: ширина резонансу Г=/т.

Спін Е. год. Jє цілим або напівцілим кратним величиною. У цих одиницях спин p-і К-мезонів дорівнює 0, у протона, нейтрону та всіх лептонів J= 1/2, у фотона, W b-і Z-бозонів J= 1. Існують частинки з великим спином. Величина спина Е. ч. визначає поведінку ансамблю однакових (тотожних) частинок або їхню статистику (Паулі, 1940). Частинки напівцілого спина підкоряються Фермі - Дірака статистиці(звідси назв. ферміони), яка вимагає антисиметрії хвильової ф-ції системи щодо перестановки пари частинок (або непарного числа таких перестановок) і, отже, "забороняє" двом частинкам напівцілого спина перебувати в однаковому стані ( Паулі принцип).Частки цілого спина підкоряються Базі - Ейнштейна статистика(звідси назв. бозони), яка вимагає хвильової ф-ції щодо перестановок частинок і допускає знаходження будь-якого числа частинок цілого спина в тому самому стані. Статистич. властивості Е. ч. виявляються суттєвими в тих випадках, коли при народженні або розпаді утворюється дек. однакових частинок.

П р і м е ч а н ня. Знаком * зліва позначені частки (як правило, резонанси), для яких брало замість часу життя т наведено ширину Г=/t. Істинно нейтральні частинки поміщені посередині між частинками та античастинками. Члени одного ізотопічного мультибатога розташовані на одному рядку (у тих випадках, коли відомі характеристики кожного члена мультипліту, - з невеликим зміщенням по вертикалі). Змієня знака парності Pу антибаріонів не вказано,але як і зміна знаків S, С, b y всіх античасток. Для лептонів та проміжних бозонів внутрішня парність не є точним (зберігається) квантоним числом і тому не позначено. Цифри у дужках в кінці наведених фізичних величинпозначають існуючу помилку у значенні цих величин, що відноситься до останніх із наведених цифр.

Електрич. заряди вивчених Е. ч. (крім ) є цілими кратними величиною е= 1,6 · 10 -19 Кл (4,8 · 10 -10 CGS), зв. елементарним електричним зарядом. У відомих Е. год. Q = 0, + 1, b2.

Крім зазначених величин, Е. ч. додатково характеризуються ще поряд квантових чисел, зв. "внутрішніми". Лептони несуть специфічні. лептонне число (L) трьох типів: електронне L e, рівне +1 для е -і v e, мюонне L m , що дорівнює +1 для m - і v m і L t , що дорівнює +1 для т - і v t.

Для адронів L= 0, і це ще один прояв їхньої відмінності від лептонів. У свою чергу, отже. частини адронів слід приписати т.з. баріонне число (|B| = I ) . Адрони з B=+ 1 утворюють підгрупу баріонів (сюди входять протон, нейтрон, гіперони; зачаровані та чарівні бари-они; баріонні резонанси), а адрони з B = 0 - підгрупу мезонів (p-мезони, К-мезони, зачаровані та чарівні мезони, бозонні резонанси). назв. підгруп адронів походять від грец. слів baruV - важкий і mEsоV - середній, що у поч. етапі досліджень Е. ч. відображало порівняти. величини мас відомих тоді баріонів та мезонів. Пізніші дані показали, що маси баріонів і мезонів можна порівняти. Для лептонів B=0. Для фотона, W b- та Z-бозонів B= 0 і L = 0.

Вивчені баріони і мезони поділяються на сукупності, що вже згадувалися: звичайних (недивних) частинок (протон, нейтрон, p-мезони), дивних частинок (гіперони, К-мезони), зачарованих і чарівних частинок. Цьому поділу відповідає наявність у адронів спеціальних квантових чисел: дива S, чарівності С та краси (краси) bз допустимими значеннями (за модулем) 0, 1, 2, 3. Для звичайних частинок S=C= b=0, для дивних частинок S 0, C = b= 0 для зачарованих частинок С0, b= 0, а для чарівних b O. Поряд із цими квантовими числами часто використовується також квантове число гіперзаряд Y = B + S + C + b, Що має, мабуть, більш фундам. значення.

Вже перші дослідження звичайних адронів виявили наявність у тому числі сімейств частинок, близьких за масою і з дуже подібними властивостями стосовно сильному взаємодії, але з разл. значеннями електрич. заряду. Протон та нейтрон (нуклони) були першим прикладом такого сімейства. Такі сімейства пізніше були виявлені серед дивних, зачарованих та чарівних адронів. Загальність властивостей частинок, що входять до таких сімейств, є відображенням існування у них однакового значення квантового числа. ізотопічного спина I, що приймає, як і звичайний спин, цілі та напівцілі значення. Самі сімейства зазвичай зв. ізотопічними мультиплетами. Число частинок у мультиплеті nпов'язано з Iспіввідношенням n = 2I+1. Частинки одного ізотопіч. мультиплети відрізняються один від одного значенням "проекції" ізотопіч. спина I 3 , та відповідні значення Qдаються виразом

Важлива характеристика адронів внутрішня парність P, пов'язана з операцією просторів інверсії: Pприймає значення + 1.

Для всіх Е. ч. з ненульовими значеннями хоча б одного із квантових чисел Q, L, B, S, C, bіснують античастинки з тими самими значеннями маси т, часу життя т, спина Jта для адронів ізотопіч. спина I, але з протилежними знаками зазначених квантових чисел, а для баріонів з протилежним знакомвнутр. парності Р. Частинки, які мають античастинок, зв. істинно нейтральними частинками. Істинно нейтральні адрони мають спец. - зарядовою парністю(тобто парністю по відношенню до операції зарядового сполучення) зі значеннями + 1; прикладами таких частинок можуть служити p 0 - і h-мезони (С = +1), r 0 - і f-мезони (С = -1) та ін.

Квантові числа Е. ч. поділяються на т о ч ні (тобто такі, які пов'язані з фіз. величинами, що зберігаються у всіх процесах) і нет о ч ні (для яких брало відповідні фізичні величини в ряді процесів не зберігаються). Спін Jпов'язаний із суворим законом збереження і тому є точним квантовим чис.чом. Інше точне квантове число-електрич. заряд Q. У межах точності проведених вимірів зберігаються також квантові числа Bі L, хоча цього немає серйозних теоретич. передумов. Більше того, спостерігається баріонна асиметрія Всесвітунаиб. природно може бути витлумачена у припущенні порушення збереження баріонного числа У(А. Д. Сахаров, 1967). Проте стабільність протона, що спостерігається, є відображенням високого ступеня точності збереження. Bі L(Ні, напр., розпад pe + + p 0). Не спостерігаються також розпади m - e - + g, т - m - + g тощо. буд. Однак більшість квантових чисел адронів неточні. Ізотопіч. спин, зберігаючись у сильній взаємодії, не зберігається в ел-магн. та слабку взаємодію. Дивність, чарівність і краса зберігаються в сильному і ел-магн. взаємодіях, але не зберігаються у слабкій взаємодії. Слабка взаємодія змінює також внутрішньо. і зарядову парності сукупності частинок, що у процесі. З набагато більшим ступенемточності зберігається комбінована парність CP (СР-парност'), Однак і вона порушується в нек-рих процесах, обумовлених. Причини, що викликають незбереження мн. квантових чисел адронів, не зрозумілі і, мабуть, пов'язані як з природою цих квантових чисел, так і з глибинною структурою ел-слабкої взаємодії.

У табл. 1 наведено наиб. добре вивчені Е. ч. з груп лептонів та адронів та їх квантові числа. У спец. групу виділені калібрувальні бозони. Окремо дано частинки та античастинки (зміна Pу антибаріонів не зазначено). Істинно нейтральні частинки розміщені в центрі першої колонки. Члени одного ізотопіч. Мультиплети розташовані в одному рядку, іноді з невеликим зміщенням (у тих випадках, коли даються характеристики кожного члена мультиплет).

Як зазначалося, група лептонів дуже нечисленна, а маси частинок в осн. малі. Для всіх типів нейтрино існують досить жорсткі обмеження зверху, але які їх справжні значення, належить ще з'ясувати.

основ. частину Е. ч. складають адрони. Збільшення числа відомих Е. ч. у 60-70-х pp. відбувалося виключно рахунок розширення цієї групи. Адрони у своїй більшості представлені резонансами. Привертає увагу тенденція до зростання спина зі зростанням маси резонансів; вона добре простежується на разл. групах мезонів та баріонів із заданими I, Sі С. Слід також відзначити, що дивні частинки дещо масивніші за звичайні частинки, зачаровані частинки масивніші за дивні, а чарівні частинки масивніші за зачаровані.

Класифікація елементарних частинок. Кваркова модель адронів

Якщо класифікація калібрувальних бозонів і лептонів не викликає особливих проблем, то велика кількість адронів вже на поч. 50-х pp. стало підставою для пошуку закономірностей у розподілі мас і квантових чисел баріонів і мезонів, які могли б скласти основу їх класифікації. Виділення ізотопіч. Мультиплети адронів було першим кроком на цьому шляху. З матем. точки зору угруповання адронів в ізотопіч. мультиплети відображає наявність у сильної взаємодії симетрії, пов'язаної з обертання групою, більш формально, з унітарною групою SU(2) - групою перетворень у комплексному двовимірному просторі[див. Симетрія SU ( 2 )] . Передбачається, що ці перетворення діють у деяких специфіч. внутр. просторі – т.з. ізотопіч. просторі, відмінному від звичайного. Існування ізотопіч. простору проявляється лише у властивостях симетрії. на матем. мовою ізотопіч. мультиплети суть ненаведені уявлення груписиметрії SU (2).

Концепція симетрії як чинника, визначального існування разл. груп та сімейств Е. ч. у совр. теорії, що є домінуючою при класифікації адронів та інших Е. ч. Передбачається, що внутр. квантові числа Е. ч., що дозволяють об'єднувати ті чи інші групи частинок, пов'язані зі спец. типами симетрії, що виникають рахунок свободи перетворень на особливих внутр. просторах. Звідси й походить назва. "Внутрішні квантові числа".

Уважний розгляд показує, що дивні та звичайні адрони разом утворюють ширші об'єднання частинок з близькими властивостями, ніж ізотопіч. мультиплет. Їх прийнято називати супермульті-плетами. Число часток, що входять у спостерігаються супер-мультиплети, дорівнює 8 і 10. З погляду симетрії виникнення супермультіплетів тлумачиться як прояв існування у сильної взаємодії групи симетрії ширшою, ніж група SU( 2) , а саме унітарної групи SU(3) - групи перетворень у тривимірному комплексному просторі [Гелл-Ман, Ю. Нееман (Y. Neeman), 1961]; див. Симетрія SU(3). Відповідна симетрія одержала назв. унітарної симетрії. Група SU(3) має, зокрема, ненаведені уявлення з числом компонент 8 і 10, які можна зіставити спостерігається супермультиплетам: октету і декуплету. Прикладами супермультиплетів можуть бути такі групи частинок з однаковими значеннями J P(т. е. з однаковими парамизначень Jі P):

Унітарна симетрія менш точна, ніж ізотопічні. симетрія. Відповідно до цього різниця в масах частинок, що входять в октети та декуплети, досить значно. З цієї ж причини розбиття адронів на супермульти-батоги порівняно просто здійснюється для Е. ч. не дуже великих мас. При великих масах, коли є багато разл. частинок із близькими масами, це розбиття здійснити складніше.

Виявлення серед адронів виділених супермульти-плетів фіксованих розмірностей, що відповідають визна-справ. уявленням унітарної групи SU(3), стало ключем до найважливішого висновку про існування у адронів особливих структурних елементів - кварків.

Гіпотеза про те, що адрони, що спостерігаються, побудовані з частинок незвичайної природи - кварків, що несуть спин. / 2 , що мають сильну взаємодію, але в той же час, що не належать класу адронів, була висунута Дж. Цвейгом (G. Zweig) і незалежно Гелл-Маном в 1964 (див. Кваркові моделі). Ідею кварків було підказано матем. структурою уявлень унітарних груп Ma-тем. формалізм відкриває можливість опису всіх уявлень групи SU(n)(і, отже, всіх пов'язаних з нею мультиплетів адронів) на основі перемноження найпростішого (фундам.) уявлення групи, що містить nкомпонент. Необхідно лише допустити існування особливих частинок, пов'язаних із цими компонентами, що було зроблено Цвейгом і Гелл-Маном для окремого випадку групи SU( 3) . Ці частки було названо кварками.

Конкретний кварковий склад мезонів і баріонів був виведений з того факту, що мезони, як правило, входять до супермультиплетів з кількістю частинок, рівним 8, а барі-они-8 і 10. Ця закономірність легко відтворюється, якщо припустити, що мезони складені з кварку та антикварка, символічно: M=(q) , а баріон-з трьох кварків, символічно: B = (qqq). B силу властивостей групи SU(3) 9 мезонів розбиваються на супермультиплети з 1 і 8 частинок, а 27 баріонів-на супермультіплети, що містять 1, 10 і двічі по 8 частинок, що і пояснює виділення октетів і декуплетів.

T. о., виявлене експериментами 60-х років. існування супермультиплетів, складених із звичайних і дивних адронів, дозволило зробити висновок про те, що всі ці адрони побудовані з 3 кварків, які зазвичай позначаються і, d, s(Табл. 2). Вся сукупність відомих на той момент фактів чудово погоджувалася з цією пропозицією.

Табл. 2.-Характеристики кварків

* Попередня експериментальна оцінка.

Подальше виявлення пси-частинок, а потім іпсилон-частинок, зачарованих і чарівних адронів показало, що для їх пояснення властивостей трьохкварків недостатньо і необхідно допустити існування ще двох типів кварків cі b, що несуть нові квантові числа: чарівність і краса. Ця обставина не похитнулася, проте, основні положення кваркової моделі. Було збережено, зокрема, центр. пункт її схеми будови адронів: M=(q), B = (qqq). Більше того, саме на основі припущення про кваркову будову псі- та іпсилон-частинок вдалося дати фіз. тлумачення їх багато в чому незвичайним властивостям.

Історично відкриття пси- та іпсилон-часток, так само як і нових типів зачарованих і чарівних адронів, з'явилося важливим етапому твердженні уявлень про кваркову будову всіх сильновзаємодіючих частинок. Відповідно до совр. теоретич. моделям (див. нижче), слід очікувати існування ще одного - шостого t-кварка, який був виявлений в 1995.

Вказана вище кваркова структура адронів та матем. властивості кварків як об'єктів, що з фундам. поданням групи SU(n), Приводять до наступних квантових чисел кварків (табл. 2). Привертають увагу незвичайні (дрібні) значення электрич. заряду Q, а також У, що не зустрічаються в жодній з вивчених Е. ч. З індексом a у кожного типу кварка q i (i= 1, 2, 3, 4, 5, 6) пов'язана особлива характеристикакварків - колір,к-рой немає в адронів, що спостерігаються. Індекс a набуває значення 1, 2, 3, тобто кожен тип кварку ( q i) представлений трьома різновидами q a i. Квантові числа кожного типу кварка не змінюються за зміни кольору, тому табл. 2 відноситься до кварків будь-якого кольору. Як було показано пізніше, величини q a (для кожного i) при зміні a з точки зору їх трансформації. властивостей слід як компоненти фундам. уявлення ще однієї групи SU(3), колірний, що діє у колірному тривимірному просторі[див. Колірна симетрія SU(3)].

Необхідність введення кольору випливає із вимоги антисиметрії хвильової ф-ції системи кварків, що утворюють баріони. Кварки, як частинки зі спином 1/2, повинні підкорятися статистиці Фермі-Дірака. Тим часом є баріони, складені з трьох однакових кварків з однаковою орієнтацією спинів: D ++ (), W - (), які явно симетричні щодо перестановок кварків, якщо останні не мають доповнити. ступенем свободи. Такий доповнить. ступенем свободи та є колір. З урахуванням кольору потрібна антисиметрія легко відновлюється. Уточнені ф-лі структурного складу мезонів і баріонів виглядають таким чином:

де e abg - повністю антисиметричний тензор ( Леві-Чі-віти символ)(1/ 1/ -Нормувальні множники). Важливо відзначити, що ні мезони, ні баріони не несуть колірних індексів (позбавлені кольору) і є, як іноді кажуть, "білими" частинками.

У табл. 2 наведено лише "ефективні" маси кварків. Це пов'язано з тим, що кварки у вільному стані, незважаючи на численні ретельні пошуки, не спостерігалися. У цьому, до речі, проявляється ще одна особливість кварків як частинок нової, незвичайної природи. Тому прямих даних про маси кварків немає. Є лише непрямі оцінки величин мас кварків, які можуть бути вилучені з них разл. динамічних проявів у характеристиках адронів (включаючи маси останніх), і навіть в разл. процесах, що відбуваються з адронами (розпади і т. п.). Для маси t-кварка дана попередня експерим. оцінка.

Все різноманіття адронів виникає рахунок разл. поєднань і-, d-, s-, с- І b-Кварків, що утворюють пов'язані стани Звичайним адронам відповідають пов'язані стани, побудовані тільки з і- І d-кварків [для мезонів з можливою участю комбінацій ( s.), (з) та ( b)]. Наявність у зв'язаному стані, поряд з u- І d-кварками, одного s-, з- або b-кварка означає, що відповідний адрон дивний ( S= - 1), зачарований (C = + 1) або чарівний ( b= - 1). До складу баріону може входити два і три s-кварка (відповідно з- І b-Кварка), тобто можливі двічі і тричі дивні (зачаровані, чарівні) баріони. Допустимі також поєднання разл. числа s- І з-, b-кварків (особливо в баріонах), які відповідають "гібридним" формам адронів (дивно-зачарованим, дивно-чарівним). Очевидно, що чим більше s-, з- або b-Кварків містить адрон, тим він масивніший. Якщо порівнювати основні (не збуджені) стани адронів, така картина і спостерігається (табл. 1).

Оскільки спин кварків дорівнює 1 / 2 , наведена вище кваркова структура адронів має своїм наслідком цілий спин у мезонів і напівцілий - у баріонів, у повній відповідності з експериментом. При цьому в станах, що відповідають орбітальному моменту l=0, зокрема в осн. станах, значення спина мезонів повинні дорівнювати 0 або 1 (для антипаралельної та паралельної орієнтації спинів кварків), а спина баріонів: 1 / 2 або 3/2 (для спинових конфігурацій і ). З урахуванням те, що внутр. парність системи кварк-антикварк негативна, значення J Pдля мезонів при l= 0 дорівнюють 0 - і 1 - , для баріонів: 1 / 2 + та 3/2+. Саме ці значення спостерігаються у адронів, що мають найменшу масу при заданих значеннях Iі S, С, b.

Як ілюстрації у табл. 3 і 4 наведений кварковий склад мезонів з J P= 0 - і баріонів J P = 1 / 2 + (усюди передбачається необхідне підсумовування за кольорами кварків).

Табл. 3.- Кварковий склад вивчених мезонів з J P=0 - ()

Табл. 4.- Кварковий склад вивчених баріонів з J P= 1/2 + ()

Примітка. Символ () означає симетризацію по змінним часткам; символ -антисиметризацію.

T. о., кваркова модель єств. чином пояснює походження осн. груп адронів та їх спостережувані квантові числа. Більш детальний динамічний розгляд дозволяє зробити ряд корисних висновківщодо взаємозв'язку мас усередині разл. сімейств адронів.

Правильно передаючи специфіку адронів з найменшими масами та спинами, кваркова модель єств. чином пояснює також загальну велику кількість адронів та переважання серед них резонансів. Численність адронів є відображенням їх складної будови та можливості існування разл. збуджених станів кваркових систем. Усі збуджені стану кваркових систем нестійкі щодо швидких переходів рахунок сильної взаємодії в нижчі стани. Вони і утворюють осн. частина резонансів. Невелику частку резонансів становлять також кваркові системи з паралельною орієнтацією спинів (крім W -). Кваркові зміни з антипаралельною орієнтацією спинів, які стосуються осн. станів, утворюють квазістабільні адрони та стабільний протон.

Порушення кваркових систем відбуваються як рахунок зміни обертають. руху кварків (орбітальні збудження), і рахунок зміни їх просторів. розташування (радіальні збудження). У першому випадку зростання маси системи супроводжується зміною сумарного спина Jта парності Pсистеми, у другому випадку збільшення маси відбувається без зміни J P .

При формулюванні кваркової моделі кварки розглядалися як гіпотетичні. структурні елементи, що відкривають можливість дуже зручного опису адронів У наступні роки були проведені експерименти, які дозволяють говорити про кварки як про реальні матеріальні утворення всередині адронів. Першими були експерименти з розсіювання електронів на нуклонах великі кути. Ці експерименти (1968), що нагадують класич. Досліди Резерфорда щодо розсіювання a-частинок на атомах, виявили наявність усередині нуклону точкових зарядів. утворень (див. Партони).Порівняння даних цих експериментів з аналогічними даними з розсіювання нейтрино на нуклонах (1973-75) дозволили зробити висновок про пор. величині квадрата електрич. заряду цих точкових утворень. Результат виявився близьким до очікуваних дробовим значенням (2 / 3) 2 е 2 та (1/3) 2 е 2 . Вивчення процесу народження адронів при анігіляції електрона і позитрона, який іде через наступні стадії:

вказало на наявність двох груп адронів, т.з. струменя (див. Струмень адронний),генетично пов'язаних з кожним з кварків, що утворюються, і дозволило визначити спин кварків. Він виявився рівним 1/2. Загальне числонароджених у цьому процесі адронів свідчить також у тому, що у проміжному станікожен тип кварку представлений трьома різновидами, т. е. кварки триколірні.

T. о., квантові числа кварків, задані на підставі теоретич. міркувань, що отримали всебічне експеримент. підтвердження. Кварки фактично набули статусу нових Е. ч. і є серйозними претендентами на роль істинно Е. ч. для сильновзаємодіючих форм матерії. Число відомих видівкварків невелика. До довжин<=10 -16 см кварки выступают как точечные бесструктурные образования. Бесструктурность кварков, конечно, может отражать лишь достигнутый уровень исследования этих материальных образований. Однако ряд специфич. особенностей кварков даёт известные основания предполагать, что кварки являются частицами, замыкающими цепь структурных составляющих сильновзаимодействующей материи.

Від усіх інших Е. ч. кварки відрізняються тим, що у вільному стані вони, мабуть, не існують, хоча є чіткі свідчення їх існування у зв'язаному стані. Ця особливість кварків, швидше за все, пов'язана зі специфікою їхньої взаємодії, що породжується обміном особливими частинками - глюонами, що призводить до того, що сили тяжіння між ними не послаблюються з відстанню. Як наслідок, для відділення кварків один від одного потрібна нескінченна енергія, що, очевидно, неможливо (теорія т. зв конфайнменту або полону кварків; див. Утримання кольору).Реально при спробі відокремити кварки один від одного відбувається освіта доповнить. адронів (т.зв. адронізація кварків). Неможливість спостереження кварків у вільному стані робить їх новим типом структурних одиниць речовини. Незрозуміло, напр., чи можна у разі ставити питання складових частинах кварків і чи не обривається цим послідовність структурних складових матерії. Все сказане підводить до висновку, що кварки, поряд з лептонами і калібрувальними бозонами, що також не мають спостерігаються ознак структури, утворюють групу Е. ч., яка має найбільші підстави претендувати на роль істинно Е. ч.

Елементарні частинки та квантова теорія поля. Стандартна модель взаємодій

Для опису властивостей та взаємодій Е. ч. у суч. теорії істот. значення має поняття фізичного поля, яке ставиться у відповідність кожній частинці. Поле є специфічним. форма розподіленої у просторі матерії; воно описується ф-цією, що задається у всіх точках простору-часу і має визначення. трансформації. властивостями щодо перетворень Лоренца групи(скаляр, спинор, вектор і т. д.) та груп "внутр." симетрії (ізотопіч. скаляр, ізотопіч. спинор і т. д.). Ел-магн. поле, що має властивості чотиривимірного вектора A m ( x) (m = 1, 2, 3, 4), - історично перший приклад фіз. поля. Поля, що зіставляються Е. ч., мають квантову природу, тобто їх енергія та імпульс складаються з безлічі отд. порцій - квантів, причому повна енергія e kта імпульс p kкванта пов'язані співвідношенням спец. теорії відносності: e 2 k =р 2 k з 2 + т 2 з 4 . Кожен такий квант і є Е. ч. із масою т, із заданою енергією e kта імпульсом p k. Квантами ел-магн. поля є фотони, кванти ін. полів відповідають решті відомим Е. ч. Ma-тем. апарат квантової теорії поля (КТП) дозволяє описати народження та знищення частки у кожній просторово-часовій точці.

Трансформатор. властивості поля визначають осн. квантові числа Е. ч. Трансформаційні властивості по відношенню до перетворень групи Лоренца задають спин частинок: скаляру відповідає спин J= 0, спинору- спин J= 1 / 2 , вектору - спин J= 1 і т.д. Трансформатор. властивості полів по відношенню до перетворень "внутр." просторів ("зарядового простору", "ізотопічного простору", "унітарного простору", "кольорового простору") визначають існування таких квантових чисел, як L, В, I, S, С, b, a для кварків і глюонів також кольори. Введення "внутр." просторів в апараті теорії - поки чисто формальний прийом, який, однак, може бути вказівкою на те, що розмірність фіз. простору-часу, що відбивається у властивостях Еге. ч., реально більше чотирьох - тобто. більше розмірності простору-часу, притаманного всім макроскопич. фіз. процесів.

Маса Е. ч. не пов'язана безпосередньо з трансформацією. властивостями полів Це додаткова їх характеристика, походження якої не зрозуміло до кінця.

Для опису процесів, що відбуваються з Е. ч., у КТП використовується Лагранжев формалізм. лагранжіани, побудованому з полів, що беруть участь у взаємодії частинок, укладено всі відомості про властивості частинок та динаміку їхньої поведінки. Лагранжіан включає два гол. доданків: лагранжіан, що описує поведінку вільних полів, і лагранжіан взаємодії, що відображає взаємозв'язок разл. Полів та можливість перетворення Е. ч. Знання точної форми дозволяє в принципі, використовуючи апарат матриці розсіювання (S-матриці), розраховувати ймовірності переходів від вихідної сукупності частинок до заданої кінцевої сукупності частинок, що відбуваються під впливом взаємодії, що існує між ними. T. о., встановлення структури, що відкриває можливість кількостей. описи процесів з Е. ч. є однією з центр. задач КТП.

Істот. просування у вирішенні цього завдання було досягнуто в 50-70-х роках. на основі розвитку ідеї про векторні калібрувальні поля, сформульованій у вже згадуваній роботі Янга і Міллса. Відштовхуючись від відомого положення про те, що кожен спостерігається експериментально закон збереження пов'язаний з інваріантністю описує систему лагранжіана щодо перетворень деякої групи симетрії ( Нетер теорема),Янг і Міллс зажадали, щоб ця інваріантність виконувалася локально, тобто мала місце за довільної залежності перетворень від точки простору-часу. Виявилося, що виконання цієї вимоги, фізично пов'язаної з тим, що взаємодія не може миттєво передаватися від точки до точки, можливе лише при введенні в структуру лагранжіана спец. калібрувальних полів векторної природи, визнач. чином, що трансформуються при перетвореннях групи симетрії. Причому структури вільного лагранжіана і опинилися у цьому підході тісно пов'язаними: знання в значить. мірою зумовлювало вигляд

Остання обставина обумовлена ​​тим, що вимога локальної калібрувальної інваріантностіможе бути виконано тільки в тому випадку, коли у всіх похідних, що діють на вільні поля в , здійснено заміну Тут g- Константа взаємодії; V a m - калібрувальні поля; T a - генератори групи симетрії в матричному поданні, що відповідає вільному полю; r- Розмірність групи.

З огляду на сказаного у видозміненому лагранжіані автоматично виникають члени строго определ. структури, що описують взаємодію полів, що входили в , з нововведеними калібрувальними полями. При цьому калібрувальні поля здійснюють роль переносників взаємодії між вихідними полями. Звичайно, оскільки в лагранжіані з'явилися нові калібрувальні поля, вільний лагранжіан повинен бути доповнений членом, пов'язаним з ними, і зазнати процедури видозмін, описаної вище. При точному дотриманні калібрувальної інваріантності калібрувальні поля відповідають бозонам з нульовою масою. При порушенні симетрії маса бозонів відмінна від нуля.

У такому підході завдання побудови лагранжіана, що відбиває динаміку взаємодіючих полів, по суті зводиться до правильного відбору системи полів, що становлять початковий вільний лагранжіан і фіксацію його форми. Остання, втім, при заданих трансформаційних властивостях щодо групи Лоренца однозначно визначається вимогою релятивістської інваріантності та очевидною вимогою входження лише структур, квадратичних по полях.

T. о., основним для опису динаміки є питання про вибір системи первинних полів, що утворюють, тобто фактично той самий центр. питання фізики Е. ч.: "Які частинки (і відповідно поля) слід вважати найбільш фундаментальними (елементарними) при описі частинок матерії, що спостерігаються?".

Совр. теорія, як зазначалося, виділяє як такі частинок безструктурні частинки зі спином 1/2: кварки і лептони. Такий вибір дозволяє, спираючись на принцип локальної калібрувальної інваріантності, побудувати вельми успішну схему опису сильної та ел-слабкої взаємодій Е. ч., що отримала назву. ст а н д а р т н о й мо делі.

Модель виходить насамперед із припущення, що для сильної взаємодії має місце точна симетрія SU c(3), що відповідає перетворенням у "колірному" тривимірному просторі. При цьому передбачається, що кварки перетворюються на фунди. подання групи SU c(3). Виконання вимоги локальної калібрувальної інваріантності для кваркового лагранжіана призводить до появи в структурі теорії восьми безмасових калібрувальних бозонів, названих глюонами, що взаємодіють із кварками (і між собою) строго визначали. чином (Фрітцш, Гелл-Ман, 1972). Розроблена на цій основі схема опису сильної взаємодії отримала назву. квантової хромодинаміки. Правильність її передбачень підтверджено багато. експериментами, зокрема отримані переконливі свідчення існування глюонів. Є також серйозні підстави вважати, що апарат квантової хромодинаміки містить у собі пояснення явища конфайнмента.

При побудові теорії ел-слабкої взаємодії була використана та обставина, що існування пар лептонів з однаковим лептонним числом ( L e , L v , L t), але з різним електрич. зарядом (е - , v e; m - , v m; т - , vт) можна трактувати як прояв симетрії, що з групою т.зв. слабкого ізоспину SUсл (2), а самі пари розглядати як спинорні (дублетні) уявлення цієї групи. Аналогічне трактування можливе щодо пар кварків, що у слабкому взаємодії. Зазначимо, що розгляд у рамках цієї схеми слабкої взаємодії за участю кварку bз необхідністю веде до висновку про існування у нього ізотопічного партнера кварка t, що становить пару ( t, b). Виділення слабкою взаємодією визнач. спіральності(лівий) у ферміонів, що беруть участь у ньому, додатково можна розглядати як прояв існування симетрії. Uсл (1), пов'язаної зі слабким гіперзарядом Yсл. При цьому лівим та правим ферміонам слід приписувати різні значення гіперзаряду Yсл, а праві ферміони слід розглядати як ізотопічні скаляри. У прийнятому побудові природно виникає співвідношення Q = I 3 cл + 1/2 Yсл, що вже зустрічалося нам у адронів.

Т.ч., уважний аналіз ел-слабкої взаємодії лептонів і кварків дозволяє виявити у них наявність симетрії (помітно, втім, порушеної), що відповідає групі SUсл (2) U cл ( 1) . Якщо відволіктися від порушення цієї симетрії і скористатися суворою умовою локальної калібрувальної інваріантності, то виникне теорія ел-слабкої взаємодії кварків і лептонів, в якій фігурують чотири безмасові бозони (два заряджених і два нейтральних) і дві константи взаємодії, SUсл (2) та Uсл (1). У цій теорії члени лагранжіана, що відповідають взаємодії із зарядом. бозонами, що правильно відтворюють відому структуру заряджених струмів, але не забезпечують спостерігається в слабких процесах короткодія, що й не дивно, тому що нульова маса проміжних бозонів веде до далекодії. Звідси випливає лише те, що в реалістич. теорії слабкої взаємодії маси проміжних бозонів мають бути кінцевими. Це знаходиться відповідно до факту порушеності симетрії SUсл (2) Uсл (1).

Однак пряме введення кінцевих мас проміжних бозонів у побудований описаним вище чином лагранжіан неможливе, тому що входить у суперечність з вимогою локальної калібрувальної інваріантності. Врахувати несуперечливим чином порушення симетрії і домогтися появи теорії кінцевих мас проміжних бозонів вдалося за допомогою важливого припущення про існування в природі особливих скалярних полів F ( Хіггса полів), що взаємодіють з ферміонними та калібрувальними полями та мають специфічну самозаємодію, що веде до явища спонтанного порушення симетрії[П. Хіггс (P. Higgs), 1964]. Введення в лагранжіан теорії в найпростішому варіанті одного дублету (за групою слабкого ізоспину) полів Хіггса призводить до того, що вся система полів переходить до нового, нижчого за енергією вакуумного стану, що відповідає порушеній симетрії. Якщо вихідно вакуумне середнєвід поля F дорівнювало нулю<Ф>0 = 0, то в новому стані<Ф>0 = Ф 0 0. Порушення симетрії та поява в теорії кінцевого F 0 призводить за рахунок Хіггса механізмудо маси, що не зникає, заряд. проміжних бозонів W + і до виникнення змішування (лінійної комбінації) двох нейтральних бозонів, що фігурують теоретично. В результаті змішування виникають безмасове ел-магн. поле, що взаємодіє з ел-магн. струмом кварків та лептонів, і поле масивного нейтрального бозона Z 0 , що взаємодіє з нейтральним струмомСтрого заданої структури. Параметр (кут) змішування ( Вайн-берга кут)нейтральних бозонів у цій схемі задається ставленням констант взаємодії груп Uсл (l) та SUсл (2) : tgq W = g"/g. Цей же параметр визначає зв'язок мас m Wі m Z (m Z = m W / cosq W) і зв'язок електрич. заряду е зконстантою групи слабкого ізоспину g: e = g sinq W. Виявлення в 1973 при вивченні розсіювання нейтрино нейтральних слабких струмів, передбачених описаною вище схемою, і подальше в 1983 відкриття W-і Z-бозонів з масами відповідно 80 ГеВ та 91 ГеВ блискуче підтвердили всю концепцію єдиного опису ел-магн. та слабкої взаємодії. Експерим. визначення значення sin 2 q W = 0,23 показало, що константа gта електрич. заряд еблизькі за величиною. Стало зрозуміло, що "слабкість" слабкої взаємодії при енергіях, помітно менших m Wі m Z, в осн. обумовлена ​​великою величиною маси проміжних бозонів. Справді, константа феноменологічної чотириферміонної теорії слабкої взаємодії Фермі G Fу викладеній схемі дорівнює G F = g 2 /8m 2 W. Це означає, що ефф. константа слабкої взаємодії при енергії с. ц. м. ~т рдорівнює G F m p 2 10 -5 , та її квадрат близький до 10 -10 , тобто. до значення, що наводилося вище. При енергіях ж у с.ц.м., великих чи порядку m W, єдиним параметром, що характеризує слабку взаємодію, стає величина g 2 / 4p або е 2 / 4p, тобто. слабке і ел-магн. взаємодії стають порівнянними за інтенсивністю та мають розглядатися спільно.

Побудова єдиного опису ел-магн. та слабкої взаємодії є важливим досягненням теорії калібрувальних полів, порівнянним за значимістю з розробкою Максвеллом у кін. 19 ст. єдиної теорії ел-магн. явищ. Кількості. прогнози теорії ел-слабкої взаємодії у всіх проведених вимірах виправдовувалися з точністю 1%. Важливим фіз. Наслідком зазначеної побудови є висновок про існування у природі частки нового типу – нейтрального Хіггса бозона. На поч. 90-х. така частка виявлена ​​не була. Проведені пошуки показали, що її маса перевищує 60 ГеВ. Теорія не дає, однак, точного передбачення величини маси бозона Хіггса. Можна лише стверджувати, що його маси вбирається у 1 ТеВ. Оцінювальні значення маси цієї частки лежать у діапазоні 300-400 геВ.

Отже, "стандартна модель" відбирає як фундамент. частинок три пари кварків ( і, d)(з, s) (t, b)і три пари лептонів ( v e, e -)(v m, m -) ( v t , т -), зазвичай групуються відповідно до величини їх мас у сімейства (або покоління) наступним чином:

і постулює, що їх взаємодії задовольняють симетрії SUсл (3) SUсл (2) Uсл (l). Як наслідок, виходить теорія, в якій переносниками взаємодії є калібрувальні бозони: глюони, фотон, W bі Z. І хоча "стандартна модель" дуже успішно справляється з описом всіх відомих фактів, що належать до Е.ч., все ж, швидше за все, вона є проміжним етапом у побудові більш досконалої та всеосяжної теорії Е.ч. У структурі "стандартної моделі" ще досить багато довільних параметрів, що емпірично визначаються (значень мас кварків і лептонів, значень констант взаємодії, кутів змішування і т. п.). Число поколінь ферміонів у моделі також не визначене. Поки що експеримент впевнено стверджує лише те, що число поколінь не перевищує трьох, якщо в природі не існує важких нейтрино з масами в дек. десятків ГеВ.

З погляду властивостей симетрії взаємодій природніше було б очікувати, що у всеосяжній теорії Е.ч. замість прямого твору груп симетрії фігуруватиме одна група симетрії Gз однією відповідає їй константою взаємодії. Групи симетрії "стандартної моделі" в цьому випадку можна було б трактувати як продукти редукції великої групи за порушення пов'язаної з нею симетрії. На цьому шляху в принципі могла б виникнути можливість Великого об'єднання взаємодій. Формальною основою такого об'єднання може бути властивість зміни з енергією ефф. констант взаємодії калібрувальних полів g i 2/4p = a i (i=1, 2, 3), що виникає при врахуванні вищих порядків теорії (т.з. константи, що біжать). При цьому константа a1 пов'язана з групою U(I); a 2 - з групою SU( 2); a 3 -з групою SU( 3) . Згадані дуже повільні (логарифмічні) зміни описуються виразом

сполучною значення ефф. констант a i (M)і a i(m) при двох значеннях енергії, що різняться: Mі m ( M > m). Характер цих змін різний для разл. груп симетрії (і, отже, разл. взаємодій) і дається коефіцієнтами b i, що вбирають у себе інформацію як про структуру груп симетрії, так і про частинки, що беруть участь у взаємодії. Оскільки b 1 , b 2 та b 3 різні, допустима можливість того, що, незважаючи на помітні розбіжності величин a i-1 (m) при досліджених енергіях m, при дуже великих енергіях Mвсі три значення a i -1 (M)збігатимуться, тобто буде реалізовано Велике об'єднання взаємодій. Ретельний аналіз проте показав, що в рамках стандартної моделі, використовуючи відомі значення a i-1 (m), отримати збіг всіх трьох значень a i -1 (М)при якомусь великому Mнеможливо, тобто. Варіант теорії з Великим об'єднанням у цій моделі не реалізуємо. У той самий час було з'ясовано, що у схемах, відмінних від стандартної моделі, зі зміненим складом осн. (фундам.) полів чи частинок, Велике об'єднання може мати місце. Зміни у складі осн. частинок ведуть до змін у значеннях коефіцієнтів " b iі тим самим забезпечують можливість збігу a i (M) при великих M.

Керівною ідеєю під час виборів зміненого складу осн. частинок теорії з'явилася ідея можливого існування у світі Е. год. суперсиметрії, до-раю встановлює визнач. взаємозв'язку між частинками цілого та напівцілого спина, що фігурують у теорії. Для виконання вимог суперсиметрії, напр. у випадку стандартної моделі, кожній частинці повинна бути поставлена ​​у відповідність частка зі спином, зміщеним на 1/2 - Причому у разі точної суперсиметрії всі ці частинки повинні мати однакові маси. Так, кваркам і лептонам спина 1/2 повинні бути поставлені у відповідність їх суперсиметричні партнери (суперпартнери) зі спином нуль, всім калібрувальним бозонам зі спином 1-їх суперпартнери зі спином 1/2, а бозону Хіггса 2 . Оскільки в дослідженій галузі енергії суперпартнери кварків, лептонів і калібрувальних бозонів свідомо не спостерігаються, суперсиметрія, якщо вона існує, повинна бути помітно порушеною, а маси суперпартнерів повинні мати значення значно перевищують значення мас відомих ферміонів і бозонів.

Послідовне вираження вимоги суперсиметрії знаходять у мінімальній суперсиметричній моделі (MCCM), до якої на додаток до вже перерахованих змін у складі частинок стандартної моделі число бозонів Хіггса збільшується до п'яти (з них два є зарядженими і три - нейтральними частинками). Відповідно в моделі виникають п'ять суперпартнерів бозонів Хіггса зі спином 1/2 – MCCM – найпростіше узагальнення стандартної моделі на випадок суперсиметрії. Значення M, при до-ром відбувається збіг a i (M) (Велике об'єднання), в MCCM приблизно дорівнює 1016 ГеВ.

З гіпотезою про існування суперсиметрії пов'язана одна з перспективних можливостей розвитку теорії калібрувальних полів, що дозволяє ще ряд її всередину. проблем, пов'язаних із стійкістю фігурують у ній параметрів. Суперсиметрія, як було зазначено, дозволяє зберегти теоретично Е. ч. привабливу можливість Великого об'єднання взаємодій. Вирішальним підтвердженням факту існування суперсиметрії було виявлення суперпартнерів відомих частинок. За оцінками, їх маси лежать у діапазоні від сотень ГеВ до 1 ТеВ. Частинки таких мас будуть доступними для вивчення на протонних колайдерах наступного покоління.

Перевірка гіпотези про існування суперсиметрії та пошуки суперсиметричних частинок, безумовно, одне з найважливіших завдань фізики Е. ч., який у найближчому майбутньому, безсумнівно, приділятиметься першочергова увага.

Деякі загальні проблеми теорії елементарних частинок

Новий розвиток фізики частинок явно виділило з усіх мікроскладових матерії групу частинок, що грають особливу роль і мають найбільші підстави (на поч. 90-х рр.) іменуватися істинно Е. ч. До неї відносяться фундам. ферміони спина 1 / 2 - лептони і кварки, що складають три покоління, і калібрувальні бозони спина 1 (глюони, фотони та проміжні бозони), які є переносниками сильної та ел-слабкої взаємодій. До цієї групи, швидше за все, слід приєднати частинку зі спином 2, гравітоняк переносника гравітації. взаємодії, що пов'язує всі частки. Особливу групу складають частинки спина 0, бозони Хіггса, поки що, втім, не виявлені.

Багато питань, проте, залишаються без відповіді. Так, залишається незрозумілим, чи існує фіз. критерій, що фіксує кількість поколінь елементарних ферміонів. Не зрозуміло, наскільки важливим є відмінність у властивостях кварків і лептонів, пов'язане з присутністю в перших кольорах, або ця відмінність специфічна тільки для вивченої галузі енергії. До цього питання примикає питання про фіз. природі Великого об'єднання, оскільки у його формалізмі кварки та лептони розглядаються як об'єкти з близькими властивостями.

Важливо зрозуміти, чи не вказує існування різних "внутр." квантових чисел кварків та лептонів ( В, L, I, S, С, bі т. д.) на складнішу геометрію мікросвіту, що відповідає більшому числу вимірювань, ніж звична нам чотиривимірна геометрія макроскопіч. простору-часу. З цим питанням тісно пов'язане питання про те, яка макс. група симетрії G, до-рой задовольняють взаємодії Еге. ч. і в к-рую вкладені групи симетрії, що виявляють себе у вивченій галузі енергій. Відповідь на це питання допомогла б визначити граничну кількість переносників взаємодії Е. ч. і з'ясувати їх властивості. Ймовірно, що макс. група GФактично відбиває властивості симетрії деякого багатовимірного простору. Це коло ідей знайшло відоме відображення в теорії суперструн, які є аналогами звичайних струн у просторах з числом вимірювань, більшим чотирьох (зазвичай у просторі 10 вимірювань). Теорія суперструн трактує Е. ч. як прояви специфічних збуджень суперструн, що відповідають різним. спинам. Вважається, що зайві (понад чотири) виміри не виявляють себе в спостереженнях з т.з. компактифікації, тобто утворення замкнутих підпросторів з характерними розмірами ~10 -33 см. Зовніш. проявом існування цих підпросторів є спостерігаються "внутр." квантові числа Е. ч. Будь-яких даних, що підтверджують правильність підходу до трактування властивостей Е. ч., пов'язаного з уявленням про суперструни, поки що не існує.

Як видно з сказаного, в ідеалі завершена теорія Е. ч. повинна не тільки правильно описувати взаємодії заданої сукупності частинок, відібраних як фундаментальні, але і містити в собі пояснення того, якими факторами визначається кількість цих частинок, їх квантові числа, константи взаємодії, значення їх мас і т. п. Повинні бути також зрозумілі причини виділення наиб. широкої групи симетрії Gі водночас природа механізмів, що зумовлюють порушення симетрії у міру переходу до нижчих енергій. У цьому плані першорядне значення має з'ясування ролі бозонів Хіггса у фізиці Е.ч. Моделі, які пропонує совр. теорія Е. ч., ще далекі від задоволення всіх перерахованих критеріїв.

Опис взаємодій Е.ч., як зазначалося, пов'язані з калібрувальними теоріями поля. Ці теорії мають розвинений матем. апарат, який дозволяє проводити розрахунки процесів з Е.ч. на тому рівні строгості, що й у квантовій електродинаміці. Однак в апараті калібрувальних теорій поля, в його суч. формулюванні, є одна істота. вада, спільна з квантової електродинамікою,- у процесі обчислень у ньому виникають безглузді нескінченно великі висловлювання. За допомогою спец. прийому перевизначення спостережуваних величин (мас і констант взаємодії) - перенормування- вдається усунути нескінченності із закінчень. результатів обчислень. Однак процедура перенормування - суто формальний обхід труднощі, що існує в апараті теорії, яка на якомусь рівні точності може позначитися на ступені згоди передбачень теорії з вимірами.

Поява нескінченностей у обчисленнях пов'язана з тим, що в лагранжіанах взаємодій поля різних частинок віднесені до однієї точки x, т. е. передбачається, що частки точкові, а чотиривимірне простір-час залишається плоским до найменших відстаней. Насправді зазначені припущення, мабуть, невірні по дек. причин:

а) істинно Е. ч., як носіям кінцевої маси, найприродніше приписати, хоч і дуже малі, але кінцеві розміри, якщо ми хочемо уникнути нескінченної щільності матерії;

б) властивості простору-часу на малих відстанях, швидше за все, радикально відмінні від його макроскопіч. властивостей (починаючи з деякого характерної відстані, яке зазвичай зв. фундаментальною довжиною);

в) на найменших відстанях (~ 10 -33 см) позначається зміна геом. властивостей простору-часу рахунок впливу квантових гравітацій. ефектів (флуктуації метрики; див. Квантова теорія гравітації).

Можливо, ці причини тісно пов'язані між собою. Так, саме облік гравітацій. ефектів наиб. природно призводить до розмірів істинно Е.ч. близько 10 -33 см, а фундам. довжина може фактично збігатися з т.з. планківською довжиною lПл = 10 -33 см, де x-гравітац. стала (M. Марков, 1966). Будь-яка з цих причин має призвести до модифікації теорії та усунення нескінченностей, хоча практичне виконання цієї модифікації може бути дуже складним.

Одна з цікавих можливостей послідовного обліку ефектів гравітації пов'язана з поширенням ідей суперсиметрії на гравітації. взаємодія (теорія супергравітації, Особливо розширеної супергравітації). Спільний облік гравітацій. та інших видів взаємодій призводить до помітного скорочення кількості розбіжних виразів у теорії, але чи веде супергравітація до повної ліквідації розбіжностей у розрахунках, не доведено.

T. о., логічним завершенням ідей Великого об'єднання, швидше за все, стане включення до загальної схеми розгляду взаємодій Е. ч. також і гравітації. взаємодії, облік якого може виявитися важливим на найменших відстанях. Саме з урахуванням одночасного обліку всіх видів взаємодій наиб. імовірно очікувати створення майбутньої теорії Е. год.

Літ.:Елементарні частинки та компенсуючі поля. Зб. ст., пров. з англ., M., 1964; Кокеде Я., Теорія кварків, пров. з англ., M. 1971; Марков M. А., Про природу матерії, M., 1976; Гле-шоу Ш., Кварки з кольором та ароматом, пров. з англ. "УФН", 1976, т. 119, ст. 4, с. 715; Бернстейн Дж., Спонтанне порушення симетрії, калібрувальні теорії, механізм Хіггса і т.п., в кн.: Квантова теорія калібрувальних полів. Зб. ст., пров. з англ., M., 1977 (Новини фундаментальної фізики, ст 8); Боголюбов H. H., Ширков Д. Ст, Квантові поля, 2 видавництва, M., 1993; Окунь Л. Би., Лептони та кварки, 2 видавництва, M., 1990.

Елементарні частинки, у точному значенні цього терміна, - це первинні, далі нерозкладні частки, у тому числі, за припущенням, складається вся матерія.

Елементарні частки сучасної фізики не задовольняють суворого визначення елементарності, оскільки більшість із них за сучасними уявленнями є складовими системами. Загальна властивість цих систем у тому. Що вони є атомами чи ядрами (виняток становить протон). Тому іноді їх називають суб'ядерними частинками.

Частинки, які претендують на роль первинних елементів матерії, іноді називають "істинно елементарні частинки".

Першою відкритою елементарною часткою був електрон. Його відкрив англійський фізик Томсон у 1897 році.

Першою відкритою антицастицею був позитрон - частка з масою електрона, але позитивним електричним зарядом. Ця античастка була виявлена ​​у складі космічних променівамериканським фізиком Андерсоном у 1932 році.

У сучасному фізиці у групу елементарних відносяться понад 350 частинок, переважно нестабільних, та його число продовжує зростати.

Якщо раніше елементарні частинки зазвичай виявляли в космічних променях, то з початку 50-х років прискорювачі перетворилися на основний інструмент дослідження елементарних частинок.

Мікроскопічні маси та розміри елементарних частинок зумовлюють квантову специфіку їхньої поведінки: квантові закономірності є визначальними у поведінці елементарних частинок.

Найважливіша квантова властивість всіх елементарних частинок - це здатність народжуватися і знищуватися (випускатися та поглинатися) при взаємодії з іншими частинками. Всі процеси з елементарними частинками протікають через послідовність актів їх поглинання та випромінювання.

Різні процеси з елементарними частинками помітно відрізняються інтенсивністю протікання.

Відповідно до різної інтенсивності протікання взаємодії елементарних частинок феноменологічно ділять на кілька класів: сильне, електромагнітне та слабке. Крім того, всі елементарні частинки мають гравітаційну взаємодію.

Сильне взаємодія елементарних частинок викликає процеси, які з найбільшою проти іншими процесами інтенсивністю і призводить до найсильнішого зв'язку елементарних частинок. Саме воно обумовлює зв'язок протонів та нейтронів у ядрах атомів.

Електромагнітна взаємодія відрізняється від інших участю електромагнітного поля. Електромагнітне поле (у квантовій фізиці - фотон) або випромінюється, або поглинається під час взаємодії, або переносить взаємодію між тілами.

Електромагнітна взаємодія забезпечує зв'язок ядер та електронів в атомах та молекулах речовини, і тим самим визначає (на основі законів квантової механіки) можливість стійкого стану таких мікросистем.

Слабка взаємодія елементарних частинок викликає дуже повільні процеси з елементарними частинками, у тому числі розпади квазістабільних частинок.

Слабка взаємодія набагато слабкіша не тільки сильної, а й електромагнітної взаємодії, але набагато сильніша за гравітаційну.

Гравітаційна взаємодія елементарних частинок є найслабшою з усіх відомих. Гравітаційна взаємодія на характерних для елементарних частинок відстанях дає надзвичайно малі ефекти через небагато мас елементарних частинок.

Слабка взаємодія набагато сильніша за гравітаційну, але в повсякденному житті роль гравітаційної взаємодії набагато помітніша за роль слабкої взаємодії. Це тому, що гравітаційне взаємодія (як, втім, і електромагнітне) має нескінченно великий радіус дії. Тому, наприклад, на тіла, що знаходяться на поверхні Землі діє гравітаційне тяжіння з боку всіх атомів, з яких складається Земля. Слабка ж взаємодія має настільки малий радіус дії, що він досі не виміряний.

У сучасній фізиці фундаментальну роль грає релятивістська квантова теорія фізичних систем із нескінченним числом ступенів свободи – квантова теорія поля. Ця теорія побудована для опису однієї з загальних властивостей мікросвіту - універсальної взаємної перетворюваності елементарних частинок. Для опису такого роду процесів був потрібен перехід до квантового хвильового поля. Квантова теорія поля з необхідністю є релятивістською, оскільки якщо система складається з частинок, що повільно рухаються, то їх енергія може виявитися недостатньою для утворення нових частинок з ненульовою масою спокою. Частки ж із нульовою масою спокою (фотон, можливо нейтрино) завжди релятивістські, тобто. завжди рухаються зі швидкістю світла.

Універсальний спосіб ведення всіх взаємодій, заснований на калібрувальної симетрії, дає можливість їхнього об'єднання.

Квантова теорія поля виявилася найбільш адекватним апаратом для розуміння природи взаємодії елементарних частинок та поєднання всіх видів взаємодій.

Квантова електродинаміка - та частина квантової теорії поля, у якій розглядається взаємодія електромагнітного поля та заряджених частинок (або електронно-позитронного поля).

В даний час квантова електродинаміка розглядається як складова частина єдиної теорії слабкої та електромагнітної взаємодій.

Залежно від участі у тих чи інших видах взаємодії всі вивчені елементарні частинки, крім фотона, розбиваються на дві основні групи - адрони і лептони.

Адрони (від грец. - Великий, сильний) - клас елементарних частинок, що беруть участь у сильній взаємодії (поряд з електромагнітним і слабким). Лептони (від грец. - Тонкий, легкий) - клас елементарних частинок, що не володіють сильною взаємодією, що беруть участь тільки в електромагнітному і слабкому взаємодії. (Наявність гравітаційного взаємодії в усіх елементарних частинок, включаючи фотон, мається на увазі).

Закінчена теорія адронів, сильної взаємодії між ними поки що відсутня, проте є теорія, яка, не будучи ні закінченою, ні загальновизнаною, дозволяє пояснити їх основні властивості. Ця теорія - квантова хромодинаміка, за якою адрони складаються з кварків, а сили між кварками зумовлені обміном глюонами. Усі виявлені адрони складаються з кварків п'яти різних типів ("ароматів"). Кварк кожного "аромату" може перебувати в трьох "колірних" станах, або мати три різні "колірні заряди".

Якщо закони, що встановлюють співвідношення між величинами, що характеризують фізичну систему, або визначають зміну цих величин з часом, не змінюються при певних перетвореннях, яким може бути піддана система, то кажуть, що ці закони мають симетрію (або інваріантні) щодо даних перетворень. У математичному відношенні перетворення симетрії становлять групу.

У сучасній теорії елементарних частинок концепція симетрії законів щодо деяких перетворень є провідною. Симетрія сприймається як чинник, визначальний існування різних груп, і сімейств елементарних частинок.

Сильна взаємодія симетрична щодо поворотів в особливому "ізотопічному просторі". З математичної погляду ізотопічна симетрія відповідає перетворенням групи унітарної симетрії SU(2). Ізотопічна симетрія перестав бути точної симетрією природи, т.к. вона порушується електромагнітною взаємодією та різницею в масах кварків.

Ізотопічна симетрія є частиною ширшої наближеної симетрії сильної взаємодії - унітарної SU(3)- симетрії. Унітарна симетрія виявляється значно більшою, ніж ізотопічна. Проте висловлюється припущення, що ці симетрії, які дуже сильно порушені при досягнутих енергіях, будуть відновлюватися при енергіях, що відповідають так званому "великому об'єднанню".

Для класу внутрішніх симетрій рівнянь теорії поля (тобто симетрій, пов'язаних із властивостями елементарних частинок, а не з властивостями простору-часу), застосовується загальна назва – калібрувальна симетрія.

Калібрувальна симетрія призводить до необхідності існування векторних калібрувальних полів, обмін квантами яких зумовлює взаємодію частинок.

Ідея калібрувальної симетрії виявилася найбільш плідною в єдиній теорії слабкої та електромагнітної взаємодій.

Цікавою проблемою квантової теорії поля є включення в єдину калібрувальну схему та сильну взаємодію ("велике об'єднання").

Іншим перспективним напрямом об'єднання вважається суперкалібрована симетрія, або просто суперсиметрія.

У 60-х роках американськими фізиками С.Вайнбергом, Ш.Глешоу, пакистанським фізиком А.Саламом та ін. була створена єдина теорія слабкої та електромагнітної взаємодій, що пізніше отримала назву стандартної теорії електрослабкої взаємодії. У цій теорії поряд із фотоном, що здійснює електромагнітна взаємодія, з'являються проміжні векторні бозони - частки, що переносять слабку взаємодію Ці частки були експериментально виявлені 1983 року в ЦЕРНі.

Відкриття на досвіді проміжних векторних бозонів підтверджує правильність основної ідеї калібрування стандартної теорії електрослабкої взаємодії.

Однак для перевірки теорії у повному обсязі необхідно також експериментально дослідити механізм спонтанного порушення симетрії. Якщо цей механізм справді здійснюється в природі, то мають існувати елементарні скалярні бозони – так звані хіггсові бозони. Стандартна теорія електрослабкої взаємодії передбачає існування, як мінімум, одного скалярного бозона.

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 темою теоретичних 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 цього 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 робочої гіпотези, але через короткий час ця абстракція щільно увійшла до теоретичної фізики. 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 завжди це робиться в нашому споживчому суспільстві, на експериментальну перевірку гіпотези існування кварків було спрямовано дуже багато людських сил та 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 бомби в 1943-1945 роках в Лос-Аламосі) і Джеймс Бйоркен витлумачили дані про розсіювання електронів як свідчень. : як 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 обґрунтування, але суть їх одна й та сама. 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 дослідження в галузі науки з гарною назвою – фізика високих енергій. Давайте будемо чесними самі перед собою, на сьогоднішній день немає чітких наукових обґрунтувань існування 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 фахівців, але 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 зайшлося про припинення фінансування цього 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 «СКОЛЬНА ФІЗИКА АЛЛАТРА» щодо цього є така цікава інформація: «Учені виявили частку, імовірно схожу на бозон Хіггса (бозон був передбачений англійським фізиком Пітером Хіггсом (Peter Higgs; 1929), , він повинен мати кінцеву масу 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 відкриття та 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 «СКОВНА 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, вибудовані згідно з інформаційною програмою у певній кількості та 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 з 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 відкрито нову сторінку світової 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 АЛЛАТРА» міжнародної групи вчених Міжнародного громадського руху «АЛЛАТРА» під ред. Анастасії Нових, 2015 р.;

Подальше проникнення глибини мікросвіту пов'язані з переходом від рівня атомів до рівня елементарних частинок. Як перша елементарна частка наприкінці XIX ст. було відкрито електрон, та був у перші десятиліття XX в. – фотон, протон, позитрон та нейтрон.

Після Другої світової війни, завдяки використанню сучасної експериментальної техніки, і насамперед потужним прискорювачам, у яких створюються умови високих енергій та величезних швидкостей, було встановлено існування великої кількості елементарних частинок – понад 300. Серед них є як експериментально виявлені, так і теоретично обчислені, включаючи резонанси, кварки та віртуальні частки.

Термін елементарна часткаспочатку означав найпростіші, далі ні на що не розкладаються частинки, що лежать в основі будь-яких матеріальних утворень. Пізніше фізики усвідомили всю умовність терміна "елементарний" стосовно мікрооб'єктів. Зараз уже не підлягає сумніву, що частинки мають ту чи іншу структуру, але, проте, назва, що історично склалася, продовжує існувати.

Основними характеристиками елементарних частинок є маса, заряд, середнє життя, спин і квантові числа.

Масу спокою елементарних частинок визначають по відношенню до маси спокою електрона. Існують елементарні частинки, що не мають маси спокою, – фотони. Інші частинки за цією ознакою поділяються на лептони– легкі частки (електрон та нейтрино); мезони- Середні частки з масою в межах від однієї до тисячі мас електрона; баріони– важкі частки, чия маса перевищує тисячу мас електрона та до складу яких входять протони, нейтрони, гіперони та багато резонансів.

Електричний заряд є іншою найважливішою характеристикою елементарних частинок. Всі відомі частинки мають позитивний, негативний або нульовий заряд. Кожній частинці, крім фотону та двох мезонів, відповідають античастинки з протилежним зарядом. Приблизно у 1963–1964 роках. була висловлена ​​гіпотеза про існування кварків- Часток з дробовим електричним зарядом. Експериментального підтвердження ця гіпотеза поки що не знайшла.

За часом життя частинки поділяються на стабільні і нестабільні . Стабільних частинок п'ять: фотон, два різновиди нейтрино, електрон та протон. Саме стабільні частинки грають найважливішу роль структурі макротіл. Всі інші частки нестабільні, вони існують близько 10-10-10-24 с, після чого розпадаються. Елементарні частинки із середнім часом життя 10 –23 –10 –22 с називають резонансами. Внаслідок короткого часу життя вони розпадаються ще до того, як встигнуть залишити атом чи атомне ядро. Резонансні стани обчислені теоретично, зафіксувати їх у реальних експериментах не вдається.

Крім заряду, маси та часу життя, елементарні частинки описуються також поняттями, які не мають аналогів у класичній фізиці: поняттям спина . Спиномназивається власний момент імпульсу частинки, не пов'язаний з її переміщенням. Спин характеризується спиновим квантовим числом s, яке може набувати цілі (±1) або напівцілі (±1/2) значення. Частинки з цілим спином – бозони, з напівцілим - ферміони. Електрон відноситься до ферміонів. Відповідно до принципу Паулі в атомі не може бути більше одного електрона з одним і тим же набором квантових чисел n,m,l,s. p align="justify"> Електрони, яким відповідає хвильові функції з однаковим числомn, дуже близькі за енергіями і утворюють в атомі електронну оболонку. Відмінності в числеl визначають "подоболочку", інші квантові числа визначають її заповнення, про що було сказано вище.

У характеристиці елементарних частинок є ще одне важливе уявлення взаємодії. Як зазначалося раніше, відомо чотири види взаємодій між елементарними частинками: гравітаційне,слабке,електромагнітнеі сильне(ядерне).

Усі частки, що мають масу спокою ( m 0), беруть участь у гравітаційному взаємодії, заряджені – й у електромагнітному. Лептони беруть участь ще й у слабкій взаємодії. Адрони беруть участь у всіх чотирьох фундаментальних взаємодіях.

Згідно з квантовою теорією поля, всі взаємодії здійснюються завдяки обміну віртуальними частинками тобто частинками, про існування яких можна судити лише опосередковано, за деякими їх проявами через якісь вторинні ефекти ( реальні частки можна безпосередньо зафіксувати за допомогою приладів).

Виявляється, що всі відомі чотири типи взаємодій - гравітаційна, електромагнітна, сильна і слабка - мають калібрувальну природу і описуються калібрувальними симетріями. Тобто всі взаємодії зроблені "з однієї болванки". Це вселяє надію, що можна буде знайти "єдиний ключ до всіх відомих замків" і описати еволюцію Всесвіту зі стану, представленого єдиним суперсиметричним суперполем, зі стану, в якому відмінності між типами взаємодій між різними частинками речовини і квантами полів ще не виявлені.

Існує безліч методів класифікації елементарних частинок. Так, наприклад, частинки поділяють на ферміони (Фермі-частинки) – частинки речовини та бозони (Бозе-частинки) – кванти полів.

Згідно з іншим підходом, частинки поділяють на 4 класи: фотони, лептони, мезони, баріони.

Фотони (Кванти електромагнітного поля) беруть участь в електромагнітних взаємодіях, але не мають сильної, слабкої, гравітаційної взаємодії.

Лептони отримали свою назву від грецького слова leptos- Легкий. До них відносяться частинки, що не володіють сильною взаємодією мюони (μ - , μ +), електрони (е - , е +), електронні нейтрино (ve - , e +) і мюонні нейтрино (v - m, v + m). Усі лептони мають спин, рівний ½, і, отже, є ферміонами. Всі лептони мають слабку взаємодію. Ті з них, які мають електричний заряд (тобто мюони та електрони), мають також електромагнітну взаємодію.

Мезони - Нестабільні частинки, що сильно взаємодіють, не несуть так званого баріонного заряду. До них належить р-мезони, або півонії (π + , π - , π 0), До-мезони, або каони (К + , К - , К 0), ця-мезони (η) . Маса До-мезонів становить ~970mе (494 МеВ для заряджених та 498 МеВ для нейтральних До-мезонів). Час життя До-мезон має величину порядку 10 -8 с. Вони розпадаються з освітою я-мезонів та лептонів або тільки лептонів. Маса ця-мезонів дорівнює 549 МеВ (1074mе), час життя - близько 10 -19 с. Ця-мезони розпадаються з утворенням π-мезонів та γ-фотонів. На відміну від лептонів, мезони мають не тільки слабку (і, якщо вони заряджені, електромагнітну), але також і сильну взаємодію, що проявляється при взаємодії їх між собою, а також при взаємодії між мезонами і баріонами. Спин усіх мезонів дорівнює нулю, тому вони є бозонами.

Клас баріонів поєднує в собі нуклони (p, n) і нестабільні частинки з масою більше маси нуклонів, що отримали назву гіперонів. Всі баріони мають сильну взаємодію і, отже, активно взаємодіють з атомними ядрами. Спин всіх баріонів дорівнює ½, тому баріони є ферміонами. За винятком протону, усі баріони нестабільні. При розпаді баріонів поряд з іншими частинками обов'язково утворюється баріон. Ця закономірність є одним із проявів закону збереження баріонного заряду.

Крім перерахованих вище частинок виявлено велику кількість сильно взаємодіючих короткоживучих частинок, які отримали назву резонансів . Ці частинки є резонансними станами, утвореними двома або великим числом елементарних частинок. Час життя резонансів становить лише ~ 10 -23 -10 -22 с.

Елементарні частинки, а також складні мікрочастинки вдається спостерігати завдяки тим слідам, які вони залишають при проходженні через речовину. Характер слідів дозволяє судити про знак заряду частинки, її енергії, імпульс і т. п. Заряджені частинки викликають іонізацію молекул на своєму шляху. Нейтральні частинки слідів не залишають, але вони можуть виявити себе в момент розпаду на заряджені частинки або в момент зіткнення з ядром. Отже, зрештою нейтральні частинки також виявляються по іонізації, викликаної породженими ними зарядженими частинками.

Частинки та античастинки. У 1928 р. англійському фізику П. Дірак вдалося знайти релятивістське квантово-механічне рівняння для електрона, з якого випливає ряд чудових наслідків. Насамперед, із цього рівняння природним чином, без будь-яких додаткових припущень, виходять спин та числове значення власного магнітного моменту електрона. Таким чином, з'ясувалося, що спин є величиною одночасно і квантової, і релятивістської. Але цим не вичерпується значення рівняння Дірака. Воно дозволило також передбачити існування античастки електрона – позитрон. З рівняння Дірака виходять повної енергії вільного електрона як позитивні, а й негативні значення. Дослідження рівняння показують, що при заданому імпульсі частинки існують рішення рівняння, що відповідають енергіям: .

Між найбільшою негативною енергією (– mе з 2) та найменшою позитивною енергією (+ m e c 2) є інтервал значень енергії, які можуть реалізуватися. Ширина цього інтервалу дорівнює 2 mе з 2 . Отже, виходять дві області власних значень енергії: одна починається з + m e з 2 і простягається до +∞, інша починається з – mе з 2 і тягнеться до –∞.

Частка з негативною енергією повинна мати дуже дивні властивості. Переходячи в стани з дедалі меншою енергією (тобто з модулем, що збільшується, негативною енергією), вона могла б виділяти енергію, скажімо, у вигляді випромінювання, причому, оскільки | Е| нічим не обмежений, частка з негативною енергією могла б випромінювати нескінченно велику кількість енергії. Такого висновку можна дійти наступним шляхом: із співвідношення Е=mе з 2 випливає, що у частинки з негативною енергією маса буде негативною. Під дією гальмівної сили частка з негативною масою повинна не сповільнюватися, а прискорюватися, здійснюючи над джерелом сили, що гальмує, нескінченно велика кількість роботи. Зважаючи на ці труднощі слід, здавалося б, визнати, що стан з негативною енергією потрібно виключити з розгляду як приводить до абсурдних результатів. Однак це суперечило б деяким загальним принципам квантової механіки. Тому Дірак вибрав інший шлях. Він запропонував, що переходи електронів у стани з негативною енергією зазвичай не спостерігаються з тієї причини, що всі рівні з негативною енергією вже зайняті електронами.

Згідно з Діраком, вакуум є такий стан, в якому всі рівні негативної енергії заселені електронами, а рівні з позитивною енергією вільні. Оскільки всі без винятку зайняті рівні, що лежать нижче забороненої смуги, електрони на цих рівнях ніяк себе не виявляють. Якщо одному з електронів, що знаходяться на негативних рівнях, повідомити енергію Е≥ 2mе з 2 то цей електрон перейде в стан з позитивною енергією і поводитиметься звичайним чином, як частка з позитивною масою і негативним зарядом. Ця перша з передбачених теоретично частинок була названа позитроном. При зустрічі позитрона з електроном вони анігілюють (зникають) – електрон переходить з позитивного рівня на негативний вакантний. Енергія, що відповідає різниці цих рівнів, виділяється у вигляді випромінювання. На рис. 4 стрілка 1 зображує процес народження пари електрон-позитрон, а стрілка 2 – їх анігіляцію Термін "анігіляція" не слід розуміти буквально. По суті, відбувається не зникнення, а перетворення одних частинок (електрона та позитрону) на інші (γ-фотони).

Існують частинки, які тотожні зі своїми античастинками (тобто не мають античасток). Такі частки називаються абсолютно нейтральними. До них належать фотон, π 0 -мезон і η-мезон. Частинки, тотожні зі своїми античастинками, не здатні до анігіляції. Це, однак, не означає, що вони взагалі не можуть перетворюватися на інші частки.

Якщо баріонам (тобто нуклонам та гіперонам) приписати баріонний заряд (або баріонне число) У= +1, антибаріон – баріонний заряд У= –1, а решті частинок – баріонний заряд У= 0, то для всіх процесів, що протікають за участю баріонів та антибаріонів, буде характерно збереження баріонів заряду, подібно до того як для процесів характерне збереження електричного заряду. Закон збереження баріонного заряду обумовлює стабільність м'якого з баріонів - протона. Перетворення всіх величин, що описують фізичну систему, при якому всі частинки замінюються на античастинки (наприклад, електрони протонами, а протони електронами і т. д.), називається зарядом сполучення.

Дивні частки.До-мезони та гіперони були виявлені у складі космічних променів на початку 50-х рр. XX ст. Починаючи з 1953 р. їх одержують на прискорювачах. Поведінка цих частинок виявилася настільки незвичайною, що вони були названі дивними. Незвичайність поведінки дивних частинок полягала в тому, що народжувалися вони явно за рахунок сильних взаємодій з характерним часом близько 10 -23 с, а життя їх виявилося близько 10 -8 -10 -10 с. Остання обставина вказувала на те, що розпад частинок здійснюється внаслідок слабких взаємодій. Було незрозуміло, чому дивні частки живуть так довго. Оскільки і в народженні, і в розпаді λ-гіперону беруть участь одні й ті самі частинки (π-мезони і протон), дивувалося, що швидкість (тобто ймовірність) обох процесів настільки різна. Подальші дослідження показали, що дивні частки народжуються парами. Це навело на думку, що сильні взаємодії не можуть відігравати ролі в розпаді частинок внаслідок того, що для їх прояву потрібна присутність двох дивних частинок. З тієї ж причини виявляється неможливим поодиноке народження дивних частинок.

Щоб пояснити заборону одиночного народження дивних частинок, М. Гелл-Манн і К. Нішиджима ввели до розгляду нове квантове число, сумарне значення якого має, на їхню думку, зберігатися при сильних взаємодіях. Це квантове число Sбуло названо дивністю частинки. При слабких взаємодіях дивина може зберігатися. Тому вона приписується лише сильно взаємодіючим частинкам – мезонам та баріонам.

Нейтріно.Нейтрино - єдина частка, яка не бере участі ні в сильних, ні в електромагнітних взаємодіях. Виключаючи гравітаційне взаємодія, у якому беруть участь усі частки, нейтрино може брати участь лише у слабких взаємодіях.

Довгий час залишалося незрозумілим, чим відрізняється нейтрино від антинейтрино. Відкриття закону збереження комбінованої парності дало змогу відповісти це питання: вони відрізняються спіральністю. Під спіральністюрозуміється певне співвідношення між напрямами імпульсу Рі спина Sчастки. Спіральність вважається позитивною, якщо спин та імпульс мають однаковий напрямок. У цьому випадку напрямок руху частинки ( Р) і напрямок "обертання", що відповідає спину, утворюють правий гвинт. При протилежно спрямованих спині та імпульсі спіральність буде негативною (поступальний рух та “обертання” утворюють лівий гвинт). Відповідно до розвиненої Янгом, Лі, Ландау та Саламом теорії поздовжнього нейтрино, всі існуючі в природі нейтрино, незалежно від способу їх виникнення, завжди бувають повністю поздовжньо поляризовані (тобто спин їх спрямований паралельно або антипаралельно імпульсу) Р). Нейтрино має негативну(ліву) спіральність (йому відповідає співвідношення напрямів Sі Р, зображене на рис. 5 (б), антинейтрино - позитивну (праву) спіральність (а). Отже, спіральність – те, що відрізняє нейтрино від антинейтрино.

Мал. 5.Схема спіральності елементарних частинок

Систематика елементарних частинок.Закономірності, які у світі елементарних частинок, може бути сформульовані як законів збереження. Таких законів накопичилося вже чимало. Деякі їх виявляються не точними, а лише наближеними. Кожен закон збереження висловлює певну симетрію системи. Закони збереження імпульсу Р, моменту імпульсу Lта енергії Евідображають властивості симетрії простору та часу: збереження Еє наслідок однорідності часу, збереження Робумовлено однорідністю простору, а збереження L- Його ізотропністю. Закон збереження парності пов'язаний із симетрією між правим і лівим ( Р-Інваріантність). Симетрія щодо зарядового сполучення (симетрія частинок та античастинок) призводить до збереження зарядової парності ( З-Інваріантність). Закони збереження електричного, баріонного та лептонного зарядів виражають особливу симетрію. З-функції. Нарешті, закон збереження ізотопічного спина відбиває ізотропність ізотопічного простору. Недотримання одного із законів збереження означає порушення в даній взаємодії відповідного виду симетрії.

У світі елементарних частинок діє правило: дозволено все, що не забороняють закони збереження. Останні відіграють роль правил заборони, що регулюють взаємоперетворення частинок. Насамперед відзначимо закони збереження енергії, імпульсу та електричного заряду. Ці три закони пояснюють стабільність електрона. Зі збереження енергії та імпульсу випливає, що сумарна маса спокою продуктів розпаду повинна бути меншою за масу спокою частки, що розпадається. Отже, електрон міг би розпадатися лише з нейтрино і фотони. Але ці частинки електрично нейтральні. Ось і виходить, що електрону просто нема кому передати свій електричний заряд, тому він стабільний.

Кварки.Часток, званих елементарними, стало так багато, що виникли серйозні сумніви щодо їх елементарності. Кожна із сильно взаємодіючих частинок характеризується трьома незалежними адитивними квантовими числами: зарядом Q, гіперзарядом Ута баріонним зарядом У. У зв'язку з цим виникла гіпотеза у тому, що це частки побудовано з трьох фундаментальних частинок – носіїв цих зарядів. У 1964 р. Гелл-Ман і незалежно від нього швейцарський фізик Цвейг висунули гіпотезу, згідно з якою всі елементарні частинки побудовані з трьох частинок, названих кварками. Цим частинкам приписуються дробові квантові числа, зокрема, електричний заряд, що дорівнює +⅔; -⅓; +⅓ відповідно для кожного із трьох кварків. Ці кварки зазвичай позначаються буквами U,D,S. Крім кварків, розглядаються антикварки ( u,d, S). На сьогоднішній день відомо 12 кварків – 6 кварків та 6 антикварків. Мезони утворюються із пари кварк-антикварк, а баріони – із трьох кварків. Так, наприклад, протон та нейтрон складаються з трьох кварків, що робить протон або нейтрон безбарвними. Відповідно розрізняють три заряди сильних взаємодій - червоний ( R), жовтий ( Y) та зелений ( G).

Кожному кварку приписується однаковий магнітний момент (мкВ), величина якого з теорії не визначається. Розрахунки, зроблені на підставі такого припущення, дають для протона значення магнітного моменту p = μ кв, а для нейтрону μ n = – ⅔μ кв.

Таким чином, для відношення магнітних моментів виходить значення μ p / μ n = –⅔, що чудово узгоджується з експериментальним значенням.

В основному колір кварку (подібно до знака електричного заряду) став виражати відмінність у властивості, що визначає взаємне тяжіння і відштовхування кварків. За аналогією з квантами полів різних взаємодій (фотонами в електромагнітних взаємодіях, р-мезонами у сильних взаємодіях тощо) були введені частинки-переносники взаємодії між кварками. Ці частки були названі глюонами. Вони переносять колір від одного кварку до іншого, внаслідок чого кварки утримуються разом. У фізиці кварків сформульовано гіпотезу конфайнменту (від англ. confinements- Полон) кварків, згідно з якою неможливо віднімання кварку з цілого. Він може існувати лише як елемент цілого. Існування кварків як реальних частинок у фізиці надійно обґрунтоване.

Ідея кварків виявилася дуже плідною. Вона дозволила як систематизувати вже відомі частки, а й передбачити низку нових. Положення, що склалося у фізиці елементарних частинок, нагадують становище, що утворилося у фізиці атома після відкриття в 1869 р. Д. І. Менделєвим періодичного закону. Хоча сутність цього закону була з'ясована лише приблизно через 60 років після створення квантової механіки, він дозволив систематизувати відомі на той час хімічні елементи і, крім того, призвів до передбачення існування нових елементів та їх властивостей. Так само фізики навчилися систематизувати елементарні частинки, причому розроблена систематика в ряді випадків дозволила передбачити існування нових частинок і передбачити їх властивості.

Отже, нині істинно елементарними вважатимуться кварки і лептони; їх 12, або разом з античатицями – 24. Крім того, існують частинки, що забезпечують чотири фундаментальні взаємодії (кванти взаємодії). Цих частинок 13: гравітон, фотон, W± - і Z-частки та 8 глюонів.

Існуючі теорії елементарних частинок не можуть вказати, що є початком ряду: атоми, ядра, адрони, кварки. У цьому ряду кожна складніша матеріальна структура включає більш просту як складову частину. Очевидно, так нескінченно продовжуватися не може. Припустили, що описаний ланцюжок матеріальних структур базується на об'єктах іншої природи. Показано, що такими об'єктами можуть бути не точкові, а протяжні, хоч і надзвичайно малі (~10-33 см) освіти, названі суперструнами.Описана ідея у нашому чотиривимірному просторі не реалізована. Ця область фізики взагалі надзвичайно абстрактна, і дуже важко підібрати наочні моделі, що допомагають спрощеному сприйняттю ідей, закладених у теоріях елементарних частинок. Тим не менш, ці теорії дозволяють фізикам висловити взаємоперетворення та взаємозумовленість "найбільш елементарних" мікрооб'єктів, їх зв'язок з властивостями чотиривимірного простору-часу. Найбільш перспективною вважається так звана М-теорія (М – від mystery- Загадка, таємниця). Вона оперує дванадцятимірним простором . Зрештою, при переході до безпосередньо сприйманого нами чотиривимірного світу всі “зайві” виміри “згортаються”. М-теорія поки що єдина теорія, яка дає можливість звести чотири фундаментальні взаємодії до одного – так званої Суперсила.Важливо також, що теорія допускає існування різних світів і встановлює умови, що забезпечують виникнення нашого світу. М-теорія ще недостатньо розроблена. Вважається, що остаточна «теорія всього» на основі М-теорії буде побудована вXXIв.