Повідомлення на тему елементарних частинок. Загальні відомості про елементарні частки

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

Елементарні частки

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

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

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

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

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

1. Перші уявлення про будову речовини

Перші теорії про будову речовини було покладено дуже давно. Знаменитий грецький вчений Фалес, який жив 2600 років тому, все життя намагався вникнути в проблему миру. Його знання з геометрії та астрономії вражали. Він умів відстежувати будь-які місячні та сонячні цикли і навіть передбачив повне сонячне затемнення. Можна уявити, яке хвилювання і страх викликало дві з половиною тисячі років тому. Але головна заслуга Фалеса в тому, що він першим поставив питання про вихідні елементи світу. Він раніше за всіх побачив сходи, що ведуть углиб речовини.

Фалес вважав, що в основі всього сущого лежить вода. Він стверджував, що якщо воду ущільнити, то виходять тверді тіла, якщо воду випарувати, то виходить повітря, при цьому навіть Земля плаває у воді, подібно до шматка дерева.

Емпедокл з Агрігента у своїх працях доводив існування чотирьох стихій: вогню, повітря, води та землі; стверджуючи, що решта складається з них, а самі стихії об'єднані силами взаємодії («збудники руху»): любов, що об'єднує, і ворожнеча, що їх поділяє.

У V ст. до н.е. послідовники Фалеса - Левкіпп та його учень Демокріт, висловлювали думку, що це складається з найдрібніших частинок - атомів. Вони пропустили сходинку молекул і відразу зробили крок на щабель їх складових. Таким чином, вони вигадали атом на дві тисячі років раніше, ніж він був відкритий як такий. «Атом» у перекладі з грецької означає неподільне. По Левкіпу та Демокриту, атоми- нескінченна кількість твердих, неподільних далі частинок. Подібно до насіння рослин, атоми можуть бути різної форми- круглою, пірамідальною, плоскою і так далі. Тому і світ, що складається з них, невичерпно багатий у своїх властивостях і якостях. Чіпляючись один за одного гачками, Атоми утворюють тверді тіла. Атоми води, навпаки, гладкі та слизькі, тому вона розтікається та не має форми. Атоми в'язких рідин мають задирки, повітря - порожнеча з рідкісними атомами, що носяться, у вогню ж гострі і колючі атоми.

На початку XVIII ст. атомістична теорія набуває все більшої популярності. На той час роботами французького хіміка А. Лавуазьє (1743-1794), російського вченого М.В. Ломоносова та англійського хіміка та фізика Д. Дальтона (1766-1844) була доведено реальність існування атомів. Велику роль розвитку атомістичної теорії зіграв і видатний російський хімік Д.І. Менделєєв, який розробив 1869 р. періодичну систему елементів, в якій вперше на науковій основі було поставлено питання про єдину природу атомів. У другій половині ХІХ ст. було експериментально доведено, що електронє однією з основних частин будь-якої речовини. Ці висновки, і навіть численні експериментальні дані призвели до того, що початку XX в. серйозно постало питання про будовуатома.

Перші непрямі підтвердження про складну структуру атомів були отримані щодо катодних променів, що виникають при електричному розряді в сильно розріджених газах. Вивчення властивостей цих променів привело до висновку, що вони є потіком найдрібніших частинок, що несуть негативний електричний заряд і летять зі швидкістю, близькою до швидкості світла. Особливими прийомами вдалося визначити масу катодних частинок і величину їх заряду, з'ясувати, що вони не залежать від природи газу, що залишається в трубці, ні від речовини, з якої зроблені електроди, ні від інших умов досвіду. Крім того, катодні частинки відомі тільки в зарядженому стані і не можуть бути позбавлені своїх зарядів і перетворені на електронейтральні частинки: електричний заряд становить сутність їхньої природи. Ці частинки, які отримали назву електронів, були відкриті 1897 р. англійським фізиком Дж. Томсоном. Позитивно заряджених частинок усередині атома модель атома Томсона не передбачала. Але як тоді пояснити випромінювання позитивно заряджених альфа-частинок радіоактивними речовинами? Модель атома Томсона не давала відповіді на деякі інші питання.

У 1911 р. англійським фізиком Е. Резерфордом при дослідженні руху альфа-часток у газах та інших речовинах було виявлено позитивно заряджена частина атома. Подальші ретельніші дослідження показали, що з проходженні пучка паралельних променів крізь верстви газу чи тонку металеву пластинку виходять не паралельні промені, а дещо розходяться: відбувається розсіяння альфа-частинок, тобто. відхилення їхнього від початкового шляху. Кути відхилення невеликі, але завжди є невелика кількість частинок (приблизно одна з кількох тисяч), які відхиляються дуже сильно. Деякі частинки відкидаються назад, неначе на шляху зустрілася непроникна перешкода. Відхилення може відбуватися при зіткненні з позитивними частинками, маса яких того ж порядку, що маса альфа-частинок. З цих міркувань, Резерфорд запропонував таку схему будови атома. У центрі атома знаходиться ядро, що складається з позитивно заряджених частинок - протонівнавколо якого по різних орбітах обертаються електрони. Відцентрова сила, що виникає при їх обертанні, врівноважується тяжінням між ядром і електронами, внаслідок чого вони залишаються на певних відстанях від ядра. Оскільки маса електрона нікчемна мала, то майже вся маса атома зосереджена у його ядрі.

На початку 30-х років нашого століття сучасна наука змогла знайти більш прийнятний опис будови речовини на основі чотирьох типів елементарних частинок. протонів, нейтронів, електроніві фотонів. Це була надзвичайно проста і приваблива схема: за допомогою всього чотирьох типів елементарних частинок, дотримуючись законів квантової механіки, вдалося пояснити природу хімічних елементів, їх сполук і випромінювань, що ними випускаються. Додавання п'ятої частки - нейтрино- дозволило пояснити також процеси радіоактивного розпаду. Здавалося, що названі елементарні частинки є зрештою основною цеглою світобудови.

Але ця простота, що здається, незабаром зникла. Не минуло й року після відкриття нейтрону, як було виявлено позитрон. У 1936 р. серед продуктів взаємодії космічних променів з речовиною було відкрито перший мезон. У 1947 р. було виявлено мезон другого типу, і незабаром після цього вдалося спостерігати мезони іншої природи, а також інші незвичайні частки. Ці частки народжувалися під впливом космічних променів настільки рідко, спочатку не можна було провести детальних досліджень їх властивостей і взаємодій. Однак після того, як були збудовані прискорювачі, що дозволяють отримувати частинки все більших енергій, вдалося не тільки виконати низку таких досліджень, але й одночасно відкрити безліч нових частинок.

В даний час відомо більше сотні різних мезонів та інших частинок із дивними властивостями. Все це безліч часток прийнято називати «елементарними частинками». Такий термін не означає, що ці частинки є цеглою світобудови в тому сенсі, що всі вони утворюють атоми: з цим завданням цілком задовільно справляються протони, нейтрони та електрони. Однак ці частинки виникають у результаті основних взаємодій частинок звичайної речовини, і багато з них прямим або опосередкованим чином беруть участь в основних взаємодіях у звичайній речовині. Їхні маси лежать у межах від 200 електронних мас до мас, що в кілька разів перевищують масу протона. Існування всіх цих нових частинок швидкоплинно, жодна з них не живе довше кількох мікросекунд, а багато частинок розпадаються приблизно через 10 в -20 ступеня секунд після своєї освіти (вони називаються резонансами). Кінцеві продукти розпадів цих частинок - звичайні складові речовини, тобто. протони, електрони та фотони, а також нейтрино.

2. Класифікація елементарних частинок

Все незліченне різноманіття тваринного світу можна розділити на чотири царства: тварини, рослини, гриби, бактерії. Всі процеси, що спостерігаються на сьогоднішній день, зводяться всього до чотирьох видів взаємодій: гравітаційна, електромагнітна, сильна і слабка. Також можна класифікувати і елементарні частинки.

Лептони

Лептони - елементарні частинки зі спином 1/2, які беруть участь у сильних взаємодіях. Відомі три заряджених лептонів: електрон, мюон і тау-лептон - і три нейтральних: електронне нейтрино мюонне нейтрино та тау-нейтрино. Кожна з цих частинок має відповідну античастинку.

У електромагнітних взаємодіях народжуються пари заряджених лептонів. У слабких розпадах кожен із заряджених лептонів народжується у супроводі «свого» антинейтрино. Передбачається, що всі лептони мають деяке специфічне квантове число - лептонне число, рівне +1, а всі антилептони - лептонне число, рівне -1. Дане число у всіх процесах, що спостерігалися досі, зберігається. Процеси, в яких очікують побачити не збереження лептонного числа: розпад протону, подвійний ?-Розпад, нейтринні осциляції. Мюон та т-лептон розпадаються за рахунок слабкої взаємодії. Електрон стабільний.

Слово «лептон» походить від грецького слова «лептос» – дрібний, вузький (порівняйте: лепта – дрібна грецька монета).

Розрізняють три покоління лептонів: перше покоління: електрон, електронне нейтрино; друге покоління: мюон, нейтрино мюон; третє покоління: тау-лептон, тау-нейтріно. Плюс відповідні античастинки. Таким чином, у кожне покоління входить негативно заряджений (з зарядом?1e) лептон, позитивно заряджений (із зарядом +1e) антилептон та нейтральні нейтрино та антинейтрино. Всі вони мають ненульову масу, хоча маса нейтрино дуже мала в порівнянні з масами інших елементарних частинок.

Адрони

Адрони - частки, що беруть участь у сильних взаємодіях. Адрони з цілим спином називають мезонами, з напівцілим - баріонами. Відомо кілька сотень адронів.

Більшість адронів вкрай нестабільні - це звані резонанси: вони розпадаються більш легені адрони у вигляді сильного взаємодії. Час життя резонансів менше 10 -21 ступеня секунди.

Квазістабільні адрони живуть набагато довше і розпадаються за допомогою слабкої та електромагнітної взаємодій. Кінцевими продуктами розпаду квазістабільних мезонів є легші мезони, лептони і фотони і, якщо мезони, що розпадаються, досить важкі, то пари баріон + антибаріон.

Найлегші баріони (протон та нейтрон) називають нуклонами. Більш важкі квазістабільні баріони називають гіперонами. Кінцевими продуктами розпаду гіперонів є лептони, фотони, мезониі обов'язково нуклон.

З протонів та нейтронів складаються атомні ядра. Інші адрони до складу навколишнього нас стабільного речовини не входять, вони народжуються у зіткненнях частинок, що володіють високими енергіями. Джерелами цих частинок є прискорювачі та космічні промені. Згідно з сучасними уявленнями, адрони не є істинно елементарними частинками: вони складаються з кварків.

Слово "адрон" походить від грецького слова "хадрос" - масивний, сильний, великий. І на даний момент адрони є найчисленнішим класом

Кварки

Далі цілком планомірними стають питання: «Що ж таке кварк? І чи є кварк істинно елементарною частинкою? Про них написано безліч робіт, їх вивченням займаються одні з найвидатніших вчених і дослідників, і, зрозуміло, у цьому рефераті я не маю можливості описати навіть тисячну частину тієї інформації, що є на даний момент про кварки. Але все ж таки я спробую, нехай і в грубому наближенні, але все ж таки відповім на ці питання, посилаючись на роботи різних вчених і дослідницьких груп. Далі будуть представлені кілька теорій про кварки, які я виписав із публікацій найвідоміших у цій галузі вчених і розташованих у хронологічному порядку.

«Однією з цікавих схем опису елементарних частинок є модель кварків – ще одне винахід М. Гелл-Манна.У цій моделі передбачається, що це елементарні частинки є комбінаціями трьох основних частинок(званих кварками) та їх античасток. Кварки мають незвичайні властивості: електричний заряд, що дорівнює ± 1/3е або ± 2/3е, та баріонний заряд, що дорівнює ± 1/3. Отже, основні властивості кварків не схожі властивості інших частинок. Однак різні комбінації цих гіпотетичних частинок відтворюють властивості всіх відомих адронів із вражаючою точністю.

Крім того, модель кварків успішно відтворила якісно відомі часи життя, магнітні моменти та типи розпаду елементарних частинок. Чи реальні кварки чи модель кварків є лише зручним засобом опису елементарних частинок, але позбавлена ​​реального фізичного сенсу? Поки що це невідомо.

Хоча модель кварків напрочуд успішно пояснила низку властивостей адронів, проте поки що вона перебуває у вельми незадовільному стані. Можливо, нам вдасться зрештою описати всі сильні процеси за допомогою лише трьох кварків та їхніх античасток, замість того, щоб мати справу із «зоологічною колекцією», що містить приблизно сотню екземплярів частинок. Але перш ніж це виявиться можливим, необхідно виявити кварки та дослідити їх властивості. Експерименти розсіювання швидких електронів на нуклонах вказують на існування деякої довжини, малої в порівнянні з 10-14 см, яка повинна відігравати важливу роль у структурі нуклонів. Можливо, всередині нуклону існують деякі малі об'єкти - можливо, і кварки.»

«Кварки – частинки зі спином 1/2, які є складовими елементами адронів. Відомі кварки шести сортів (ароматів), З них три - down, strange, beauty, мають електричний заряд -1/3, а решта up, charm, true - заряд -2/3.

Згідно квантової хромодинаміки, сильні взаємодії між кварками обумовлені наявністю у кварків специфічних зарядів кольорів. Кварки кожного аромату існують у вигляді трьох різних колірних різновидів: "жовтого", "синього"і «червоного». Кварк одного кольору може перейти в кварк іншого кольору, випустивши кольоровий глюон. Взаємодія між кварками здійснюється шляхом обміну глюонами. Кварки знаходяться в адроїях у таких колірних станах, що сумарний колірний заряд адрону дорівнює нулю. Тому про адрони кажуть, що вони безбарвні чи білі.

Хоча група Станфордського університету протягом ряду років повідомляла про спостереження вільних дробово-заряджених частинок, досліди інших груп з пошуків вільних кварків дають негативні результати, і більшість фізиків скептично ставиться до ідеї існування вільних кварків. У рамках квантової хромодинаміки існує гіпотеза про конфайнмент(справедливість її поки що не доведено), згідно з якою кольорові частинки (кварки та глюони та їх кольорові комбінації) у принципі не можуть існувати у вільному стані.

Перші, непрямі, свідчення існування кварків були отримані з урахуванням класифікації адронів. Надалі в експериментах з глибоко-непружномувзаємодії лептонів з адронами було зареєстровано прямі зіткнення лептонів з окремими кварками. Ці зіткнення відбуваються в глибині адрону і тривають дуже короткий час, протягом якого кварк не встигає обмінятися глюоном з іншими кварками та взаємодіє майже як вільна частка. Чим більший переданий імпульс, тобто. ніж на менших відстанях відбувається зіткнення лептону з кварком, тим вільніше виглядає кварк. Ця властивість, що є наслідком асимптотичної свободи, означає, що кварки є не квазічастинками, не якимись колективними збудженнями адронної матерії, а, подібно до лептонів, є істинно елементарними частинками. Можлива не елементарність кварків, як і лептонів, може бути виявлена ​​лише при ще глибшому проникненні всерединуцих частинок, тобто. при ще більших переданих імпульсах.

Термін «кварк» було запроваджено 1964 р. Гелл-Манном і його з роману Джеймса Джойса «Поминки по Фіннігану» (герою сниться сон, у якому чайки кричать: «Три кварки для майстра Марка»). Німецькою «кварк» - сир.»

«Згідно зі стандартною моделлю - найкращою на сьогоднішній день теорії будови матерії, - кварки, об'єднуючись, утворюють все різноманіття адронів. Взаємодія між кварками описує теорія квантової хромодинаміки (скорочено КХД). Відповідно до цієї теорії кварки взаємодіють один з одним, обмінюючись особливими частинками - глюонами.

КХД розвиває ідеї першої успішної теорії з ряду калібрувальних квантової електродинаміки, або КЕД. Згідно з КЕД, електромагнітна сила між електрично зарядженими частинками виникає в результаті обміну фотонами (квантами світла). Аналогічно влаштована і КХД, тільки замість електричних зарядів взаємодії між кварками обумовлені властивістю особливого роду, який вчені назвали кольором. Він може мати три значення або, якщо хочете, три відтінки. Вчені умовно називають їх червоний, жовтий та синійАле буквально ці терміни розуміти не слід. Колір властивий лише кваркам, але не баріонам та мезонам, до складу яких вони входять. Баріони (до яких належать, зокрема, протон і нейтрон) складаються з трьох кварків – червоного, жовтого та синього, – кольори яких взаємно гасяться. А мезони – із пари «кварк + антикварк», тому вони теж безбарвні. Взагалі, у КХД діє принцип, згідно з яким кварки в природі можуть утворювати лише такі комбінації, сумарний колір яких виявляється нейтральним.

Взаємодія між кварками здійснюється у вигляді восьми різновидів частинок, званих глюонами (від англійського glue - «клей, клеїти»; глюони як би «склеюють» кварки між собою). Саме вони виступають посередниками у сильній взаємодії. Однак, на відміну від фотонів у КЕД, які не мають електричного заряду, глюони мають власний колірний заряді можуть змінювати колір кварків, з якими взаємодіють Наприклад, якщо при поглинанні глюону синій кварк перетворюється на червоний, значить глюон ніс на собі одиничний позитивний заряд червоного кольору і одиничний негативний заряд синього. Оскільки сукупний колірний заряд кварку у своїй не змінюється, такі взаємодії у межах КХД допустимі і навіть необхідні.

КХД функціонує з початку 1980-х років і з того часу успішно пройшлаціла низка експериментальних перевірок - поки всі її прогнози щодо результатів зіткнень елементарних частинок високих енергій підтверджуються фактичними даними, отриманими на прискорювачах.»

Розглянувши види елементарних частинок, було б неправильним не досліджувати і взаємодії, яким ці частки схильні. У рамках «Стандартної теорії» їх чотири, але за темою даної роботи, розглядати необхідно лише з них.

3. Взаємодія частинок

частинка атом елементарний кварк

Найважливіше питання фізики - питання взаємодії. Якби не взаємодії, то частинки матерії рухалися б незалежно, не підозрюючи існування інших частинок. Завдяки взаємодіям частинки знаходять, як здатність розпізнавати інші частки і реагувати ними, завдяки чому народжується колективне поведінка. Оскільки вся матерія складається з частинокДля пояснення природи сил необхідно, зрештою, звернутися до фізики елементарних частинок. Зробивши це, фізики виявили, що всі взаємодії, незалежно від того, як вони виявляються у великих масштабах, можна звести до чотирьох фундаментальних типів: гравітаційного, електромагнітного та двох типів ядерних.

На рівні кварків домінують ядерні взаємодії. Сильна взаємодія пов'язуєкварки в протони та нейтрони і не дає ядрам розвалюватися. На рівні атомів переважає електромагнітна взаємодія, що зв'язує атоми та молекули. В астрономічних масштабах пануючим стає гравітаційна взаємодія.

Останніми роками фізики зацікавилися співвідношенням між чотирма фундаментальними взаємодіями, які разом управляють Всесвіту. Чи існує між ними якийсь зв'язок? Чи не є вони лише різними іпостасями єдиної основної суперсили? Якщо така суперсила існує, то саме вона являє собою початок будь-якої активності у Всесвіті - від народження субатомних частинок до колапсу зірок. Розгадка таємниці суперсили неймовірно збільшила нашу владу над природою і навіть дозволила б пояснити саме «створення» світу.

Ми вже знаємо, що елементарні частинки взаємодіють один з одним за допомогою інших частинок, які вони безперервно випромінює та поглинає. Шари цих частинок екранують заряди, тому частка з різних висот до неї виглядає зарядженою по-різному. Саме так, завжди по-різному зарядженими, бачать один одного частинки, що стикаються. Чим більша їх енергія, тим глибше вони проникають одна в одну і тим виразніше відчувають «дих» їх центральних неекранованих зарядів. Тому можна очікувати, що зі зростанням енергії різні типи взаємодій ставатимуть все більш схожими і при високих енергіях зіллються в одну-єдину взаємодію - суперсилу. Відбудеться «велике поєднання» всіх сил природи.

Реальний стан справ дещо складніший. Екрануючі хмари утворюються не тільки навколо заряду, але й навколо кожної частинки-переносника, якими промацують один одного частинки, що стикаються. Якщо переносники взаємодії дуже важкі, взаємодія переноситься на ультрамалі відстані. Вдалині від центру такі частинки майже не зустрічаються і пов'язана з ними взаємодія проявляється дуже слабко. В інших випадках переносники легкі (наприклад, фотони), вони здатні далеко піти від заряду, що їх випустив, і з їх допомогою відбувається взаємодія на великих відстанях.

Отже, як частинки, а й сили, пов'язують їх, виявляються надзвичайно складними. Найпростішими точками їх ніяк не назвеш! І важко повірити, що сила тяжіння двох електронів і в мільярди велика сила їхнього електромагнітного відштовхування - гілки одного дерева.

До ідеї «великого об'єднання» фізики дійшли зовсім недавно - якихось двадцять-тридцять років тому, хоча перший крок зробили ще Фарадей і Максвелл, які об'єднали електрику та магнетизм, які, як тоді вважалося, зовсім різні взаємодії. Вони ж запровадили і поняття «поля». Фарадей довів, що електрика та магнетизм - два компоненти одного й того ж електромагнітного поля.

Наступний крок на шляху до «великого об'єднання» був значно складнішим. Він був зроблений лише в середині 60-х років ХХ ст. Увагу фізиків привернула тоді слабка взаємодія. Воно мало дивною особливістю: для всіх інших сил можна вказати проміжне поле, кванти якого служать переносником взаємодії, а в розпадних процесах частки «розмовляють» так би мовити, без жодних посередників, штовхаючи один одного як більярдні кулі.

Природно припустити, що в цьому випадку теж відбувається обмін між частинками, але тільки такими важкими, що весь процес відбувається на дуже малих відстанях, і з боку це виглядає начебто частинки просто штовхають один одного.

Розрахунки показали: якби не велика маса проміжних частинок, то така взаємодія за своїми властивостями була б дуже схожою на електромагнітну. І ось троє фізиків: Абдус Салам, Стів Вайнберг та Шелдон Глешоу припустили, що фотон і важкі проміжні частинки слабкої взаємодії – це та сама частка, тільки в різних «шубах». Розроблену ними теорію стали називати «електрослобою», оскільки вона, як окремий випадок, містить електродинаміку і стару теорію слабких взаємодій. Незабаром на прискорювачах були виловлені важкі кванти електрослабкого поля - три брати-мезони з масою, майже в сто разів більшою за протонну. Створення теорії електрослабкого поля та експериментальне відкриття його переносників було відзначено одразу двома Нобелівськими преміями.

Натхненні відкриттям електрослабкого поля, фізики захопилися новою ідеєю подальшого поєднання - злиття сильної взаємодії з електрослабим. Суть цієї ідеї у наступному. Кожен кварк має аналог електричного заряду, названий кольором. На відміну від заряду, видів квітів у кварку – три. Тому глюонне поле складніше. Воно складається із восьми складових силових полів. У типовому адроні – протоні чи нейтроні – комбінація трьох кварків – червоного, зеленого та синього – завжди має «білий» колір. Мезони, що випускаються, містять пари кварк-антикварк, тому вони теж «безбарвні». Так як ми знаємо, що при взаємодіях частинок відбувається екранування їх зарядів, то це призводить до тих ефектів відмінності в дальності взаємодій різних видів частинок. Оцінка відстані, при якому всі взаємодії стають порівнянними за величиною, становить близько 10 -29 ступеня сантиметрів. Переносник взаємодії - Х-частка - має масу, що дорівнює приблизно 10 в 14 ступеня мас протону. Протягом того мізерного часу, який існує Х-частка, енергія і маса мають величезну невизначеність. І в цьому відношенні ми схожі на Фалеса та інших грецьких філософів, які міркували про властивості атомів, не маючи жодної надії хоч колись побачити їх.

Елементарні частинки не можна розділити на простіші частини (саме тому їх і назвали «елементарними»). У будь-яких відомих сьогодні реакціях ці частинки лише переходять одна в одну – взаємоперетворюються. Причому з легенів можуть народитися важчі частки - якщо вони рухаються із достатньою швидкістю (кінематична енергія переходить у масу)

Елементарні частинки розрізняються за зарядом, спиною, масою, часом життя і так далі. Наприклад, час життя протона більше часу життя Всесвіту, а ро-мезон живе 10 -23 ступеня секунди. Маса фотонів і нейтрино дорівнює нулю, а маса ще не відкритого, але передбачуваного теоретиками максимону (найважчої елементарної частинки, яка тільки може існувати) – щось біля мікрограма – як у великої, видимої оком порошинки. Їх можна розбити на сімейства, і членів кожного розглядати як різні стани однієї й тієї ж частки. Сімейства об'єднуються у складніші групи - клани, чи мультиплети. Але головне - мультиплет пов'язані певними правилами симетрії. Загалом виходить щось на зразок періодичної таблиці елементарних частинок, на кшталт Менделєєвської. Можна припускати, що фізики намацали наступний ярус будови матерії.

Велику роль розвитку знань зіграли прискорювачі елементарних частинок. Електронне просвічування показало, що протон насправді не крапка, а досить великий об'єкт радіусом близько 10-13 ступеня сантиметрів. Аналізуючи результати нових дослідів з розсіювання електронів, вчені зробили висновок, що нуклони є роєм якихось дуже дрібних частинок, які при меншому збільшенні виглядають як згусток мезонів та інших елементарних частинок, що накладаються і проникають один в одного. Теоретики, які займалися класифікацією частинок, зраділи, оскільки вже давно здогадувалися існування таких частинок, тільки називали їх по-своєму: кварки.

Коли кварки замиготіли на сторінках теоретичних статей, багато вчених вважали їх лише деяким курйозом, тимчасовими будівельними лісами на шляху до більш досконалої теорії. Однак не встигли фізики озирнутися, як виявилося, що за допомогою кварків дуже просто і наочно пояснюються різні експериментальні факти, а теоретичні обчислення сильно спрощуються. Без кварків стало просто неможливо обійтися, як і без молекул і атомів.

Досліди щодо зондування нуклону довели, що в центрі елементарної частинки кварки майже не пов'язані взаємодією і поводяться як повітряні кульки, що плавають у повітрі. Якщо ж вони спробують розійтися, то відразу ж виникають сили, що їх стягують. На периферії кварки можуть бути лише у формі пов'язаних згустків - наприклад, як пі-мезонов, що узгоджується з теорією ядерної взаємодії з урахуванням мезонів. Але як взаємодіють один з одним кварки? Оскільки іншого способу організувати взаємодію, ніж у вигляді передачі частки-носія взаємодії, наука не знає, було запропоновано глюони - склеивающие кварки частки. Глюони схожі на фотони, тільки із зарядом. Фотон ніякого поля навколо себе не створює, тому найбільшу інтенсивність має поле біля свого джерела - заряду, далі воно поступово розсіюється і слабшає. Глюон же своїм зарядом народжує нові глюони, ті в свою чергу - наступні і так далі, тому глюонне поле не слабшає, а навпаки, зростає при віддаленні від кварка, що його породив. Кварк, що віддаляється, як піною обростає новими глюонами і їх зв'язок стає сильнішим.

Фізика елементарних частинок є дивовижним сплавом експерименту і теорії. Властивості дрібних частинок речовини встановлені і продовжують встановлюватися в експериментах, які за складністю не мають собі рівних в інших галузях науки. Ці унікальні експерименти поєднують воістину індустріальний розмах із ювелірною точністю. Найчастіше самі об'єкти дослідження - частки - створюються відразу в лабораторії з допомогою прискорювачів і живуть настільки мізерні проміжки часу, що з ними мить здається вічністю. Випадок якогось рідкісного розпаду частки доводиться знаходити серед мільярдів схожих на нього «нецікавих» розпадів. Всі відомості про елементарні частки добуваються в результаті ретельних вимірювань.

Теги: Елементарні часткиРеферат Хімія

Відкрито понад 350 елементарних частинок. З них стабільні фотон, електронне та мюонне нейтрино, електрон, протон та їх античастинки. Інші елементарні частинки мимоволі розпадаються за експоненційним законом з постійного часу приблизно від 1000 секунд (для вільного нейтрона) до мізерно малої частки секунди (від 10 −24 до 10 −22 с для резонансів).

Будова та поведінка елементарних частинок вивчається фізикою, елементарних частинок.

Всі елементарні частинки підпорядковуються принципу тотожності (всі елементарні частинки одного виду у Всесвіті повністю однакові за всіма своїми властивостями) і принципу корпускулярно-хвильового дуалізму (кожній елементарній частинці відповідає хвиля де Бройля).

Всі елементарні частинки мають властивість взаємоперетворюваності, що є наслідком їх взаємодій: сильної, електромагнітної, слабкої, гравітаційної. Взаємодії частинок викликають перетворення частинок та їх сукупностей в інші частинки та їх сукупності, якщо такі перетворення не заборонені законами збереження енергії, імпульсу, моменту кількості руху, електричного заряду, баріонного заряду та ін.

Основні характеристики елементарних частинок: маса, спин, електричний заряд, час життя, парність, G-парність, магнітний момент, баріонний заряд, лептонний заряд, дивність, ізотопічний спин, CP-парність, зарядова парність.

Енциклопедичний YouTube

1 / 5

✪ Елементарні частинки

✪ CERN: Стандартна модель фізики елементарних частинок

✪ Урок 473. Елементарні частки. Позитрон. Нейтріно

✪ Цеглини всесвіту: Елементарні частинки з яких складається світ. Лекція професора Девіда Тонга.

✪ Світ елементарних частинок (розповідає академік Валерій Рубаков)

Субтитри

Класифікація

За часом життя

• Стабільні, елементарні, частинки - частинки, що мають нескінченно великий час життя у вільному стані (протон, електрон, нейтрино, фотон, гравітон та їх античастинки).
• Нестабільні, елементарні, частинки - частинки, що розпадаються на інші частинки у вільному стані за кінцевий час (всі інші частинки).

За масою

Всі елементарні частинки поділяються на два класи:

• Безмасові-частинки - частки з нульовою масою (фотон, глюон, гравітон та їх античастинки).
• Частинки з ненульовою масою (всі інші частки).

За величиною спина

Всі елементарні частинки поділяються на два класи:

За видами взаємодій

Елементарні частинки поділяються на такі групи:

Складові частинки

• Адрони - частки, що беруть участь у всіх видах фундаментальних взаємодій. Вони складаються з кварків і поділяються, своєю чергою, на:
  • мезони - адрони з цілим спином , тобто бозонами ;
  • баріони - адрони з напівцілим спином, тобто ферміони. До них, зокрема, відносяться частинки, що становлять ядро ​​атома - протон і нейтрон.

Фундаментальні (безструктурні) частинки

• Лептони - ферміони, які мають вигляд точкових частинок (тобто ні з чого не складаються) аж до масштабів порядку 10 -18 м. Не беруть участі в сильних взаємодіях. Участь в електромагнітних взаємодіях експериментально спостерігалося лише заряджених лептонів (електрони , мюони , тау-лептони) і спостерігалося для нейтрино . Відомі 6 типів лептонів.
• Кварки - дробозаряджені частинки, що входять до складу адронів. У вільному стані не спостерігалися (для пояснення відсутності таких спостережень запропоновано механізм конфайнменту). Як і лептони, діляться на 6 типів і вважаються безструктурними, проте, на відміну від лептонів, беруть участь у сильній взаємодії.
• Калібрувальні - бозони - частинки, за допомогою обміну якими здійснюються взаємодії:
  • фотон - частка, що переносить електромагнітну взаємодія;
  • вісім глюонів - частинок, що переносять сильну взаємодія;
  • три проміжні, векторні, бозони W + , W− і Z 0 , що переносять слабку взаємодія ;
  • гравітон - гіпотетична частка, що переносить гравітаційну взаємодія. Існування гравітонів, хоча поки що не доведено експериментально у зв'язку зі слабкістю гравітаційної взаємодії, вважається цілком імовірним; однак гравітон не входить до Стандартної, моделі, елементарних частинок.

Розміри елементарних частинок

Незважаючи на велику різноманітність елементарних частинок, їх розміри укладаються у дві групи. Розміри адронів (як баріонів, так і мезонів) становлять близько 10 -15 м, що близько до середньої відстані між кварками, що входять до них. Розміри фундаментальних, безструктурних частинок - калібрувальних бозонів, кварків і лептонів - у межах похибки експерименту узгоджуються з їх точковістю (верхня межа діаметра становить близько 10 -18 м) див. пояснення). Якщо в подальших експериментах остаточні розміри цих частинок не будуть виявлені, то це може свідчити про те, що розміри калібрувальних бозонів, кварків і лептонів близькі до фундаментальної довжини (яка ймовірно може виявитися планковской довжиною, що дорівнює 1,6 · 10 -35 м) .

Слід зазначити, однак, що розмір елементарної частки є досить складною концепцією, яка не завжди узгоджується з класичними уявленнями. По-перше, принцип невизначеності не дозволяє суворо локалізувати фізичну частинку. Хвильовий пакет, що представляє частинку як суперпозицію точно локалізованих квантових станів, завжди має кінцеві розміри і певну просторову структуру, причому розміри пакета можуть бути цілком макроскопічними - наприклад, електрон в експерименті з інтерференцією на двох щілинах. . По-друге, фізична частка змінює структуру вакууму навколо себе, створюючи «шубу» з короткочасно існуючих віртуальних частинок - ферміон-антиферміонних пар (див. Поляризація вакууму) і бозонів-переносників взаємодій. Просторові розміри цієї області залежать від калібрувальних зарядів, якими володіє частка, і від мас проміжних бозонів (радіус оболонки з масивних віртуальних бозонів близький до їх комптонівської довжині хвилі, яка, у свою чергу, зворотно пропорційна їх масі). Так, радіус електрона з погляду нейтрино (між ними можлива лише слабка взаємодія) приблизно дорівнює комптонівській довжині хвилі W-бозонів ~3×10 −18 м , а розміри області сильної взаємодії адрону визначаються комптонівської довжиною хвилі найлегшого з адронів, пі-мезона (~10 -15 м), що виступає тут як переносник взаємодії.

Історія

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

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

В активно розробляється приблизно з середини 1980-х теорії струн передбачається, що елементарні частинки та їх взаємодії є наслідками різних видів коливань особливо малих «струн».

Стандартна модель

Стандартна модель елементарних частинок включає 12 ароматів ферміонів, відповідні їм античастинки, а також калібрувальні бозони (фотон, глюони, W- і Z-бозони), які переносять взаємодії між частинками, і виявлений у 2012 році бозон Хіггса, що відповідає за наявність інертної маси у частинок. Однак Стандартна модель значною мірою розглядається швидше як теорія тимчасова, а не дійсно фундаментальна, оскільки вона не включає гравітацію і містить кілька десятків вільних параметрів (маси частинок і т. д.), значення яких не випливають безпосередньо з теорії. Можливо, існують елементарні частинки, які не описуються Стандартною моделлю - наприклад, такі як гравітон (частка, що переносить гравітаційні сили) або суперсиметричні партнери звичайних частинок. Усього модель описує 61 частинку.

Ферміони

12 ароматів ферміонів поділяються на 3 сімейства (покоління) по 4 частинки у кожному. Шість із них - кварки. Інші шість - лептони, три з яких є нейтрино, а три несуть одиничний негативний заряд: електрон, мюон і тау-лептон.

Елементарні частки

Існування елементарних частинок фізики виявили щодо ядерних процесів, тому до середини ХХ століття фізика елементарних частинок була розділом ядерної фізики. В даний час фізика елементарних частинок і ядерна фізика є близькими, але самостійними розділами фізики, об'єднаними спільністю багатьох проблем і застосовуваними методами дослідження. Головне завдання фізики елементарних частинок – це дослідження природи, властивостей та взаємних перетворень елементарних частинок.

Уявлення про те, що світ складається із фундаментальних частинок, має довгу історію. Вперше думка про існування найдрібніших невидимих ​​частинок, з яких складаються всі навколишні предмети, була висловлена ​​за 400 років до нашої ери грецьким філософом Демокрітом. Він назвав ці частинки атомами, тобто неподільними частинками. Наука почала використовувати уявлення про атоми лише на початку XIX століття, коли на цій основі вдалося пояснити низку хімічних явищ. У 30-ті роки ХІХ століття теорії електролізу, розвиненої М. Фарадеєм, з'явилося поняття іона і було виконано вимір елементарного заряду. Кінець XIX століття ознаменувався відкриттям явища радіоактивності (А. Беккерель, 1896), а також відкриттями електронів (Дж. Томсон, 1897) і α-часток (Е. Резерфорд, 1899). У 1905 році у фізиці виникло уявлення про кванти електромагнітного поля – фотони (А. Ейнштейн).

В 1911 було відкрито атомне ядро ​​(Е. Резерфорд) і остаточно було доведено, що атоми мають складну будову. У 1919 році Резерфорд у продуктах розщеплення ядер атомів ряду елементів виявив протони. У 1932 році Дж. Чедвік відкрив нейтрон. Стало ясно, що ядра атомів, як і самі атоми, мають складну будову. Виникла протон-нейтронна теорія будови ядер (Д. Д. Іваненко та В. Гейзенберг). У тому ж 1932 року у космічних променях відкрили позитрон (К. Андерсон). Позитрон - позитивно заряджена частка, що має ту ж масу і той же (за модулем) заряд, що і електрон. Існування позитрона було передбачено П. Діраком у 1928 році. У ці роки було виявлено та досліджено взаємні перетворення протонів і нейтронів і стало зрозуміло, що ці частинки також не є незмінними елементарними «цеглинками» природи. У 1937 році в космічних променях були виявлені частинки з масою 207 електронних мас, названі мюонами (μ-мезонами). Потім у 1947–1950 роках було відкрито півонії (т. е. π-мезони), які, за сучасними уявленнями, здійснюють взаємодію між нуклонами в ядрі. У наступні роки число часток, що знову відкриваються, стало швидко зростати. Цьому сприяли дослідження космічних променів, розвиток прискорювальної техніки та вивчення ядерних реакцій.

Наразі відомо близько 400 суб'ядерних частинок, які прийнято називати елементарними. Переважна більшість цих частинок є нестабільними. Виняток становлять лише фотон, електрон, протон та нейтрино. Решта частинок через певні проміжки часу відчувають мимовільні перетворення на інші частки. Нестабільні елементарні частинки сильно відрізняються одна від одної за часом життя. Найбільш довгоживучою частинкою є нейтрон. Час життя нейтрону близько 15 хв. Інші частки «живуть» набагато менший час. Наприклад, середній час життя μ-мезону дорівнює 2,2 10-6 с, нейтрального π-мезону - 0,87 10-16 с. Багато масивних частинок - гіперонів мають середній час життя близько 10-10 с.
Існує кілька десятків частинок із часом життя, що перевищує 10–17 с. За масштабами мікросвіту це значний час. Такі частки називають відносно стабільними. Більшість короткоживучих елементарних частинок мають часи життя близько 10-22-10-23 с.

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

Античастинку виявлено навіть у нейтрону. Нейтрон та антинейтрон відрізняються лише знаками магнітного моменту і так званого баріонного заряду. Можливе існування атомів антиречовини, ядра яких складаються з антинуклонів, а оболонка – з позитронів. При анігіляції антиречовини з речовиною енергія спокою перетворюється на енергію квантів випромінювання. Це величезна енергія, що значно перевершує ту, що виділяється при ядерних та термоядерних реакціях.

У різноманітті елементарних частинок, відомих до теперішнього часу, виявляється більш менш струнка система класифікації. У таблиці подано деякі відомості про властивості елементарних частинок з часом життя понад 10–20 с. З багатьох властивостей, що характеризують елементарну частинку, у таблиці вказані лише маса частинки (в електронних масах), електричний заряд (в одиницях елементарного заряду) та момент імпульсу (так званий спин) у одиницях постійної Планки ? = h/2?. У таблиці вказано також середнє життя частки.

Елементарні частинки об'єднуються у три групи: фотони, лептони та адрони.
До групи фотонів належить єдина частка – фотон, яка є носієм електромагнітної взаємодії.

Наступна група складається із легких частинок лептонів. До цієї групи входять два сорти нейтрино (електронне та мюонне), електрон та μ-мезон. До лептонів відносяться ще ряд частинок, які не вказані в таблиці. Усі лептони мають спін 1/2.

Третю велику групу складають важкі частки, які називаються адронами. Ця група поділяється на дві підгрупи. Більш легкі частинки становлять підгрупу мезонів. Найлегші з них – позитивно та негативно заряджені, а також нейтральні π-мезони з масами близько 250 електронних мас. Півонії є квантами ядерного поля, подібно до того, як фотони є квантами електромагнітного поля. У цю підгрупу входять також чотири K-мезони та один η0-мезон. Усі мезони мають спин, що дорівнює нулю.
Друга підгрупа – баріони – включає важчі частки. Вона є найбільшою. Найлегшими з баріонів є нуклони – протони та нейтрони. За ними йдуть так звані гіперони. Замикає таблицю омега-мінус-гіперон, відкритий 1964 р. Це важка частка з масою 3273 електронних мас. Усі баріони мають спін 1/2.

Велика кількість відкритих і знову відкриваються адронів навела вчених на думку, що всі вони побудовані з якихось інших фундаментальних частинок. У 1964 р. американським фізиком М. Гелл-Маном було висунуто гіпотеза, підтверджена наступними дослідженнями, що це важкі фундаментальні частки – адрони – побудовані з найбільш фундаментальних частинок, названих кварками. На основі кваркової гіпотези не тільки було зрозуміло структуру вже відомих адронів, а й передбачено існування нових. Теорія Гелл-Мана передбачала існування трьох кварків та трьох антикварків, що з'єднуються між собою у різних комбінаціях. Так, кожен баріон складається із трьох кварків, антибаріон – із трьох антикварків. Мезони складаються з пар кварк-антикварк.

З прийняттям гіпотези кварків вдалося створити струнку систему елементарних частинок. Проте передбачені властивості цих гіпотетичних частинок виявилися досить несподіваними. Електричний заряд кварків повинен виражатися дробовими числами, рівними 2/3 та 1/3 елементарного заряду.
Численні пошуки кварків у вільному стані, що проводилися на прискорювачах високих енергій та в космічних променях, виявилися безуспішними. Вчені вважають, що однією з причин ненагляду вільних кварків є, можливо, їх дуже великі маси. Це перешкоджає народженню кварків за тих енергій, які досягаються на сучасних прискорювачах. Проте більшість фахівців зараз впевнені в тому, що кварки існують усередині важких частинок – адронів. Крім лептонного та баріонного зарядів відомі також:

Дивина s.Квантове число s може набувати значень -3, -2, -1, 0, +1, +2, +3 і визначається кварковим складом адронів. Наприклад, гіперони Λ, Σ мають s = -l; K+, K-мезони мають s = +l.

Чарівність с.Квантове число може приймати значення -3, -2, -1, 0, +1, +2, +3. В даний час виявлені частинки, що мають = 0, +1 і -1. Наприклад, баріон Λ+c має с = +1.

Bottomness b.Квантове число b може набувати значень -3, -2, -1, 0, +1, +2, +3. В даний час виявлені частки, що мають b = 0 +1 -1. Наприклад, В+-мезон має b = +1.

Topness t.Квантове число t може набувати значень -3, -2,-1, 0, +1, +2, +3. В даний час виявлено лише один стан з t = +1.

Ізоспін I.Сильно взаємодіючі частки можна розбити на групи частинок, які мають схожими властивостями (однакове значення спина, парності, баріонного числа, дивацтва та ін квантових чисел, що зберігаються в сильних взаємодіях) - ізотопічні мультиплети. Величина ізоспину I визначає число частинок, що входять до одного ізотопічного мультиплету. n та р складають ізотопічний дуплет I=1/2; Σ+ ,Σ- ,Σ0входять до складу ізотопічного триплету I = 1, Λ - ізотопічний синглет I = 0, число частинок, що входять в один ізотопічний мультиплет 2I + 1.

G-парність- це квантове число, що відповідає симетрії щодо одночасної операції зарядового сполучення та зміни знака третьої компоненти Iz ізоспину. G-парність зберігається лише у сильних взаємодіях.

Фундаментальні взаємодії. Процеси, в яких беруть участь різні елементарні частинки, сильно різняться за характерними часами їхнього протікання та енергій. Згідно з сучасними уявленнями, у природі здійснюється чотири типи взаємодій, які не можуть бути зведені до інших, більш простих видів взаємодій: сильне, електромагнітне, слабке та гравітаційне. Ці типи взаємодій називають фундаментальними.

Сильна (або ядерна) взаємодія – це найбільш інтенсивна з усіх видів взаємодій. Вони зумовлюють виключно міцний зв'язок між протонами та нейтронами в ядрах атомів. У сильній взаємодії можуть брати участь лише важкі частки – адрони (мезони та баріони). Сильна взаємодія проявляється на відстанях порядку і менше 10-15 м. Тому її називають короткодіючим.

Електромагнітна взаємодія. У цьому виді взаємодії можуть брати участь будь-які електрично заряджені частинки, а також фотони – кванти електромагнітного поля. Електромагнітна взаємодія відповідальна, зокрема, за існування атомів та молекул. Воно визначає багато властивостей речовин у твердому, рідкому та газоподібному станах. Кулонівське відштовхування протонів призводить до нестійкості ядер із великими масовими числами. Електромагнітна взаємодія зумовлює процеси поглинання та випромінювання фотонів атомами та молекулами речовини та багато інших процесів фізики мікро- та макросвіту.

Слабка взаємодія – найповільніша з усіх взаємодій, що протікають у мікросвіті. У ньому можуть брати участь будь-які елементарні частинки, крім фотонів. Слабка взаємодія відповідальна за перебіг процесів за участю нейтрино або антинейтрино, наприклад, β-розпад нейтрону:

А також безнейтринні процеси розпаду частинок з більшим часом життя (? 10-10 с).

Гравітаційна взаємодія властива всім без винятку частинкам, проте через небагато мас елементарних частинок сили гравітаційної взаємодії між ними зневажливо малі і в процесах мікросвіту їхня роль несуттєва. Гравітаційні сили грають вирішальну роль при взаємодії космічних об'єктів (зірки, планети тощо) з їх величезними масами.

У 30-ті роки XX століття виникла гіпотеза про те, що у світі елементарних частинок взаємодії здійснюються у вигляді обміну квантами будь-якого поля. Ця гіпотеза спочатку була висунута нашими співвітчизниками І. Є. Таммом та Д. Д. Іваненко. Вони припустили, що фундаментальні взаємодії виникають в результаті обміну частинками, подібно до того, як ковалентний хімічний зв'язок атомів виникає при обміні валентними електронами, які об'єднуються на незаповнених електронних оболонках.
Взаємодія, здійснюване шляхом обміну частинками, отримало у фізиці назву обмінної взаємодії. Так, наприклад, електромагнітна взаємодія між зарядженими частинками виникає внаслідок обміну фотонами – квантами електромагнітного поля.

Теорія обмінної взаємодії здобула визнання після того, як у 1935 р. японський фізик Х. Юкава теоретично показав, що сильна взаємодія між нуклонами в ядрах атомів може бути пояснена, якщо припустити, що нуклони обмінюються гіпотетичними частинками, що отримали назву мезонів. Юкава обчислив масу цих частинок, яка виявилася приблизно рівною 300 електронним масам. Частинки з такою масою були згодом справді виявлені. Ці частки отримали назву π-мезонів (півонів). Нині відомі три види півонії: π+, π– та π0.

У 1957 року було теоретично передбачено існування важких частинок, про векторних бозонів W+, W– і Z0, що зумовлюють обмінний механізм слабкого взаємодії. Ці частинки були виявлені в 1983 в експериментах на прискорювачі на зустрічних пучках протонів і антипротонів з високою енергією. Відкриття векторних бозонів стало дуже важливим досягненням фізики елементарних частинок. Це відкриття ознаменувало успіх теорії, що об'єднала електромагнітну та слабку взаємодії в єдину так звану електрослабку взаємодію. Ця нова теорія розглядає електромагнітне поле та поле слабкої взаємодії як різні компоненти одного поля, в якому поряд із квантом електромагнітного поля беруть участь векторні бозони.

Після цього відкриття у сучасній фізиці значно зросла упевненість у цьому, що це види взаємодії тісно пов'язані між собою і, сутнісно, ​​є різними проявами деякого єдиного поля. Однак об'єднання всіх взаємодій залишається лише привабливою науковою гіпотезою.

Фізики-теоретики докладають значних зусиль у спробах розглянути єдиній основі як електромагнітне і слабке, а й сильне взаємодія. Ця теорія дістала назву Великого об'єднання. Вчені припускають, що й у гравітаційної взаємодії має бути свій переносник – гіпотетична частка, названа гравітоном. Однак ця частка досі не виявлена.

В даний час вважається доведеним, що єдине поле, що об'єднує всі види взаємодії, може існувати лише при надзвичайно великих енергіях частинок, які не досягаються на сучасних прискорювачах. Такими великими енергіями частки могли мати лише на ранніх етапах існування Всесвіту, що виник у результаті так званого Великого вибуху (Big Bang). Космологія – наука про еволюцію Всесвіту – припускає, що Великий вибух стався 18 мільярдів років тому. У стандартній моделі еволюції Всесвіту передбачається, що у період після вибуху температура могла досягати 1032 До, а енергія частинок E = kT досягати значень 1019 ГеВ. У цей період матерія існувала у формі кварків і нейтрино, причому всі види взаємодій були об'єднані в єдине силове поле. Поступово у міру розширення Всесвіту енергія частинок зменшувалася, і з єдиного поля взаємодій спочатку виділилася гравітаційна взаємодія (при енергіях частинок ≤ 1019 ГеВ), а потім сильна взаємодія відокремилася від електрослабкого (при енергіях близько 1014 ГеВ). За енергій порядку 103 ГеВ всі чотири види фундаментальних взаємодій виявилися розділеними. Поруч із цими процесами йшло формування складніших форм матерії – нуклонів, легких ядер, іонів, атомів тощо. буд. Космологія у своїй моделі намагається простежити еволюцію Всесвіту різних етапах її розвитку від Великого вибуху донині, спираючись на закони фізики елементарних частинок , а також ядерної та атомної фізики.