Элементарные частицы. Термин элементарные частицы первоначально означал простейшие, далее неделимые

Термин элементарные частицы первоначально означал простейшие, далее неделимые. В настоящее время этот термин применительно к микрообъектам является условным, т.к. нельзя всегда утверждать, что одни элементарные частицы состоят из других.

Основными характеристиками элементарных частиц являются масса покоя, электрический заряд, среднее время жизни, спин (собственный момент импульса). Масса покоя определяется по отношению к массе покоя электрона.

К году создания квантовой механики (1927) были известны три элементарные частицы – электрон (1897), протон (1919) и фотон (1922). В 1932 году открыли нейтрон и была выдвинута идея о том, что ядро атома состоит из протонов и нейтронов. В 1928 году был предсказан, а в 1936 открыт позитрон. В 1955 открыт антипротон, 1956 – антинейтрон. К середине XX века было открыто 15 элементарных частиц и античастиц, к концу 1970-х годов – 400. Частицы лишены индивидуальности, внутри одного типа идентичны (один электрон от другого неотличим).

Типы частиц по значению в строении материи:

-носители субстрата материи (адроны, лептоны);

-носители структуры материи (переносчики взаимодействий).

Типы элементарных частиц по их отношению к веществу:

-частицы (вещество);

-античастицы (антивещество).

Каждой элементарной частице соответствует античастица. Эту идею выдвинул Дирак, «духовный отец антиматерии», в 1936 году. Основные характеристики - масса покоя, спин и время жизни - частиц и античастиц одинаковы. Они противоположны по знаку заряда (электрического, магнитного, барионного или лептонного). Примеры. Позитрон - античастица электрона - имеет противоположный (положительный) электрический заряд. Антинейтрон имеет противоположный магнитный и барионный заряд. Антинейтрино имеет противоположный лептонный заряд. Частицы и античастицы уничтожают друг друга.

Частицы, свойства которых полностью тождественны свойствам их античастиц, называются истинно-нейтральными частицами. К ним относятся фотон и нейтральные мезоны π⁰ и К⁰.

Типы элементарных частиц по массе покоя:

-безмассовые частицы, движущиеся с предельной для материальных частиц скоростью (света): фотоны, гравитоны, глюоны;

-«легкие» частицы: лептоны (частицы имеющие массу покоя, но не участвующие в сильных взаимодействиях - электрон, нейтрино, мюоны и т.д. - всего 12 штук);

-промежуточные частицы - мезоны (1-1000 масс электрона m^e);

-тяжелые частицы – барионы: гипероны (нестабильные частицы, самая тяжелая - Z-бозон 200 000 m^e или 87 m^p) и нуклоны (протон, нейтрон примерно 2000 m^e).

Название «легкие частицы» условно, т.к. некоторые лептоны имеют массу больше массы протона. Существование гравитона (переносчик гравитационного взаимодействия) пока не доказано. В 2002 году экспериментально обнаружено, что нейтрино обладает очень малой массой (меньше 0.28 эВ).

По строению. Мезоны и барионы относятся к классу адронов, состоящих из кварков. Барионы - из трех кварков, мезоны – двух. Кварки в свободном состоянии не наблюдаются. Кварки и лептоны, похоже, не состоят из других частиц. Кварки до масштаба 10^-16 см ведут себя как точечные образования, похожи на лептоны.

Кварковая материя на сегодняшний день рассматривается как конечная квантованная (корпускулярная) материя. Кварки распадаются на другие кварки и частицы.

По электрическому заряду. Все частицы обладают положительным, отрицательным или нейтральным электрическим зарядом. Заряд определяется по отношению к наименьшему заряду свободной частицы – это заряд электрона, который численно считается равным 1.

В 1964 году Гелл-Ман и Дж.Цвейг выдвинули гипотезу существования частиц с дробным зарядом (-1/3 или +2/3) – кварков, из которых состоят частицы, участвующие в сильных взаимодействиях. В 1969 году эта гипотеза подтвердилась в экспериментах по рассеиванию электронов на протонах.

По времени жизни частицы делятся на стабильные (долгоживущие), нестабильные (быстрораспадающиеся) и виртуальные (короткоживущие). Стабильные - фотон, нейтрино, электрон, протон. Нейтрон стабилен внутри ядра, но вне его распадается в течение 15 минут. Нестабильные существуют 10^-10-10^-24сек. Самые нестабильные называются резонансами. Они живут 10^-22-10^-24 сек. Виртуальные частицы существуют10^-24 сек.

По спину. Спины элементарных частиц имеют следующие величины: 0, 1/2, 1, 3/2, 2. Элементарных частиц со спином более 2 возможно не существует. Частицы с целым спином называются бозоны, с полуцелым - фермионы. Протон, нейтрон, электрон имеют спин 1/2, фотон 1, гравитон 2. Частицы с нулевым спином (например, некоторые ядра) выглядят одинаково при любом угле поворота. Частица со спином 1/2 - через 2 оборота, со спином 1 принимает тот же вид после полного оборота, со спином 2 - через полоборота.

Фермионы подчиняются принципу Паули(в системе фермионов не может быть двух частиц в одном состоянии).

По участию в сильном взаимодействии. Участники в сильном взаимодействии называются адронами (они состоят из кварков). Адронов существует сотни, большинство – резонансы. Известные адроны: протон и нейтрон. Лептоны не участвуют в сильном взаимодействии. Частицы-переносчики взаимодействий: гравитационного - гравитоны, электромагнитного - фотоны, сильного – глюоны (их масса покоя равна нулю), слабого – W,Z-бозоны (массы покоя равны 87 m^p). Гравитоны и фотоны не участвуют в сильном взаимодействии.

Вакуум

Уравнение Шредингера не является релятивистским. Областью применения квантовой механики является движение микрочастиц в условиях сил, действующих мгновенно (принцип дальнодействия), т.е. квантовая механика не применима для скоростей, близких к скорости света, она пренебрегает законами релятивисткой физики (СТО). Именно поэтому квантовую механику называют также нерелятивистской квантовой механикой. Она также неприменима для описания процессов рождения и уничтожения частиц.

Теория, объединяющая представления квантовой механики и СТО, называется квантовой теорией поля (КТП). КТП является ядром современной физики – общим подходом ко всем фундаментальным взаимодействиям. Центральная идея КТП ̶ принцип квантово-волнового дуализма, т.е. признание существования волновых свойств у всех частиц и квантовых свойств у всех полей.

Под полем в КТП понимается квантовое поле ̶ система частиц (квантов), заполняющих пространство. Энергия реальной частицы никогда не равна нулю, т.к. формула энергии кванта: Е=hʋ(n+1/2).

Соотношение неопределенностей радикально изменило представление о пустоте, получившей название физического вакуума. В течение времени ∆t энергия системы может измениться на ∆E≈h/∆t, которая может материализоваться в виде виртуальных частиц. Спустя время ∆t они «исчезают». Виртуальные частицы – короткоживущие (порядка 10^-24 сек) частицы, возникающие в вакууме вследствие кратковременного нарушения закона сохранения энергии.

Вакуум ̶ низшее энергетическое состояние поля, в котором отсутствуют реальные частицы. Действительно, вакуум в среднем пуст, его средняя энергия равна нулю, но согласно соотношению неопределенности (для энергии) квантовые эффекты могут в течение короткого времени нарушать закон сохранения энергии. Временно в вакууме могут возникать из ничего и снова превращаться в ничто частицы, называемые виртуальными (частицы-призраки). Происходят спонтанные (самопроизвольные) процессы рождения и уничтожения (аннигиляции) частиц, т.к. виртуальные частицы возникают не по одному, а парами ̶ частицы и античастицы.

Таким образом, вакуум ̶ это не абсолютная пустота, а вид материи, существующий наряду с веществом и полем. Он наполнен флуктуациями всевозможных полей. Его реальность доказывается экспериментами. Реальные частицы окружены облаком виртуальных частиц. Например, влиянием вакуума объясняется отклонение уровней энергии электрона в атоме (лэмбовский сдвиг). Это влияние подтверждается также экспериментами по взаимодействию реальных частиц. Можно сказать, что взаимодействие реальных частиц осуществляется через испускание и поглощение виртуальных частиц. Чем выше энергия реальных частиц, тем чаще при их взаимодействии окружающие их виртуальные частицы превращаются в реальные.

В теории электрослабого взаимодействия Вайнберга-Салама вакуум рассматривается как коллективные возбуждения скалярного поля бозонов Хиггса (частиц «Бога»). Именно эти частицы физического вакуума принимают участие в формировании качественных и колличественных свойств реальных частиц. Такие свойства частиц, как спин, масса, заряд, проявляются во взаимодействии с определенным вакуумным состоянием вследствие перестройки вакуума. Хиггсовские бозоны представляют собой массивные элементарные частицы с нулевым спином. В 2012 году существование бозонов Хиггса было подтверждено экспериментально. В 2013 году Питер Хиггс совместно с Франсуа Энглером за их теоретическое открытие получили Нобелевскую премию.

Вакуум в физической картине мира предстает как прародитель нашего мира. Существует фоновое пространство, заполненное вакуумом, где происходят возмущения, дающие начало вселенным.

Поиск по сайту: