Fino a tempi relativamente recenti, diverse centinaia di particelle e antiparticelle erano considerate elementari. Uno studio dettagliato delle loro proprietà e interazioni con altre particelle e lo sviluppo della teoria hanno mostrato che la maggior parte di esse non sono in realtà elementari, poiché esse stesse sono costituite dalle particelle più semplici o, come si dice ora, fondamentali. Le stesse particelle fondamentali non sono più composte da nulla. Numerosi esperimenti hanno dimostrato che tutte le particelle fondamentali si comportano come oggetti puntiformi adimensionali che non hanno una struttura interna, almeno fino alle distanze più piccole studiate ora, ~ 10 -16 cm.

Tra gli innumerevoli e diversi processi di interazione tra le particelle, ci sono quattro interazioni fondamentali o fondamentali: forte (nucleare), elettromagnetico, debole e gravitazionale. Nel mondo delle particelle, l'interazione gravitazionale è molto debole, il suo ruolo non è ancora chiaro e non ne parleremo oltre.

In natura esistono due gruppi di particelle: gli adroni, che partecipano a tutte le interazioni fondamentali, ei leptoni, che non partecipano solo alle interazioni forti.

Secondo i concetti moderni, le interazioni tra le particelle si realizzano attraverso l'emissione e il successivo assorbimento di quanti del corrispondente campo (forte, debole, elettromagnetico) che circonda la particella. Tali quanti sono bosoni di gauge che sono anche particelle fondamentali. I bosoni hanno i loro momento angolare chiamato spin è uguale al valore intero La costante di Planck... I quanti del campo e, di conseguenza, i portatori dell'interazione forte sono gluoni, indicati con il simbolo g (gi), i quanti del campo elettromagnetico sono i quanti di luce a noi ben noti - fotoni, indicati con (gamma) , e i quanti del campo debole e, di conseguenza, i portatori di interazioni deboli sono W± (doppia ve) - e Z 0 (zet zero) bosoni.

A differenza dei bosoni, tutte le altre particelle fondamentali sono fermioni, cioè particelle con un valore di spin semiintero pari a h/2.

Tavolo 1 mostra i simboli dei fermioni fondamentali - leptoni e quark.

Ogni particella mostrata in tabella. 1, corrisponde ad un'antiparticella, che differisce da una particella solo nei segni della carica elettrica e altri numeri quantici (vedi Tabella 2) e la direzione dello spin rispetto alla direzione del momento della particella. Indicheremo le antiparticelle con gli stessi simboli delle particelle, ma con una linea ondulata sopra il simbolo.

Particelle nella tabella. 1 sono designati da lettere greche e latine, vale a dire: lettera (nu) - tre diversi neutrini, lettere e - elettrone, (mu) - muone, (tau) - taon, lettere u, c, t, d, s, b denotano quark; i loro nomi e le caratteristiche sono riportati in tabella. 2.

Particelle nella tabella. 1 sono raggruppate in tre generazioni I, II e III secondo la struttura della teoria moderna. Il nostro Universo è costituito da particelle di prima generazione: leptoni, quark e bosoni di gauge, ma, come mostra la scienza moderna dello sviluppo dell'Universo, nella fase iniziale del suo sviluppo, le particelle di tutte e tre le generazioni hanno svolto un ruolo importante.

leptoni

Consideriamo prima più in dettaglio le proprietà dei leptoni. La riga superiore della tabella. 1 contiene tre diversi neutrini: elettrone, muonico e tau. La loro massa non è stata ancora misurata con precisione, ma il suo limite superiore è stato determinato, ad esempio, per ne pari a 10 -5 del valore della massa dell'elettrone (cioè g).

Guardando il tavolo. 1 involontariamente sorge la domanda sul perché la natura abbia avuto bisogno della creazione di tre diversi neutrini. Non c'è ancora una risposta a questa domanda, perché non è stata creata una teoria così completa delle particelle fondamentali che indichi la necessità e la sufficienza di tutte queste particelle e ne descriva le proprietà di base. Forse questo problema sarà risolto nel 21° secolo (o dopo).

La linea di fondo della tabella. 1 inizia con la particella che abbiamo più studiato, l'elettrone. L'elettrone è stato scoperto alla fine del secolo scorso dal fisico inglese J. Thomson. Il ruolo degli elettroni nel nostro mondo è enorme. Sono quelle particelle cariche negativamente che, insieme ai nuclei atomici, formano tutti gli atomi degli elementi che conosciamo. Tavola periodica di Mendeleev... In ogni atomo, il numero di elettroni è esattamente uguale al numero di protoni nel nucleo atomico, il che rende l'atomo elettricamente neutro.

L'elettrone è stabile, la principale possibilità di annichilazione di un elettrone è la sua morte in caso di collisione con un'antiparticella - il positrone e +. Questo processo è stato chiamato annientamento :

Come risultato dell'annichilazione, si formano due quanti gamma (così vengono chiamati i fotoni ad alta energia), che portano via sia le energie di riposo e + ed e - che le loro energie cinetiche. Ad alte energie e + ed e - si formano adroni e coppie di quark (vedi, ad esempio, (5) e Fig. 4).

La reazione (1) illustra chiaramente la validità della famosa formula di A. Einstein sull'equivalenza di massa ed energia: E = mc 2 .

Infatti, durante l'annichilazione di un positrone e di un elettrone a riposo nella sostanza, l'intera massa del loro riposo (pari a 1,22 MeV) viene convertita nell'energia dei quanti che non hanno massa a riposo.

Nella seconda generazione, la linea di fondo della tabella. 1 localizzato muone- una particella che, in tutte le sue proprietà, è analoga a un elettrone, ma con una massa anormalmente grande. La massa di un muone è 207 volte la massa di un elettrone. A differenza di un elettrone, un muone è instabile. Il tempo della sua vita T= 2,2 · 10 -6 s. Un muone decade prevalentemente in un elettrone e due neutrini secondo lo schema

Un analogo ancora più pesante dell'elettrone è. La sua massa è più di 3 mila volte la massa di un elettrone (MeV / s 2), cioè taon è più pesante di un protone e di un neutrone. La sua durata è di 2,9 · 10 -13 s, e di più di cento diversi schemi (canali) del suo decadimento, sono possibili i seguenti.

Presentato in Fig. 1 fermioni fondamentali con spin ½ rappresentano i "primi mattoni" della materia. Sono presentati leptoni(elettroni e, neutrini, ecc.) - particelle che non partecipano a forte interazioni nucleari, e quark che sono coinvolti in interazioni forti. Le particelle nucleari sono fatte di quark - adroni(protoni, neutroni e mesoni). Ognuna di queste particelle ha la sua antiparticella, che deve essere collocata nella stessa cella. La designazione dell'antiparticella è contraddistinta da un simbolo tilde (~).

Di sei varietà di quark o sei aromi carica elettrica 2/3 (in unità di carica elementare e) possiedono la parte superiore ( tu), incantato da ( C) e vero ( T) quark, e la carica –1/3 - il più basso ( D), strano ( S) e bellissimo ( B) quark. Gli antiquark con gli stessi sapori avranno cariche elettriche rispettivamente di -2/3 e 1/3.

Nella cromodinamica quantistica (la teoria dell'interazione forte), ai quark e agli antiquark vengono attribuite cariche di interazione forti di tre tipi: rosso R(antirosso); verde G(anti-verde); blu B(anti-blu). L'interazione del colore (forte) lega i quark negli adroni. Questi ultimi si dividono in barioni composto da tre quark, e mesoni costituito da due quark. Ad esempio, i protoni e i neutroni barionici hanno la seguente composizione di quark:

P = (uud) e , n = (ddu) e .

Ad esempio, presentiamo la composizione della tripletta di pi-mesoni:

, ,

È facile vedere da queste formule che la carica di un protone è +1, mentre per un antiprotone è -1. Il neutrone e l'antineutrone hanno carica zero. Gli spin dei quark in queste particelle si sommano in modo che i loro spin totali siano uguali a ½. Sono possibili anche tali combinazioni degli stessi quark, per le quali gli spin totali sono 3/2. Tali particelle elementari (D ++, D +, D 0, D -) sono state trovate e appartengono a risonanze, ad es. adroni di breve durata.

Il noto processo di decadimento b radioattivo, rappresentato dal diagramma

n ® P + e + ,

dal punto di vista della teoria dei quark sembra

(udd) ® ( uud) + e+ o D ® tu + e + .

Nonostante i ripetuti tentativi di trovare quark liberi negli esperimenti, non è stato possibile. Ciò suggerisce che i quark, molto probabilmente, si manifestano solo nella composizione di particelle più complesse ( cattura di quark). Ad oggi non è stata data una spiegazione completa di questo fenomeno.

La Figura 1 mostra che esiste una simmetria tra leptoni e quark, chiamata simmetria quark-leptone. Le particelle della linea superiore hanno una carica in più rispetto alle particelle della linea inferiore. Le particelle nella prima colonna appartengono alla prima generazione, la seconda alla seconda generazione e la terza colonna alla terza generazione. I quark stessi C, B e T sono stati previsti sulla base di questa simmetria. La materia che ci circonda è costituita da particelle di prima generazione. Qual è il ruolo delle particelle di seconda e terza generazione? Non c'è ancora una risposta definitiva a questa domanda.

Queste tre particelle (così come le altre descritte di seguito) sono reciprocamente attratte e respinte, rispettivamente. addebiti, di cui esistono solo quattro tipi secondo il numero delle forze fondamentali della natura. Le cariche possono essere disposte in ordine decrescente delle forze corrispondenti come segue: carica di colore (forze di interazione tra quark); carica elettrica (forze elettriche e magnetiche); carica debole (forze in alcuni processi radioattivi); infine, la massa (forze gravitazionali, o interazione gravitazionale). La parola "colore" qui non ha nulla a che fare con il colore della luce visibile; è semplicemente una caratteristica della carica più forte e delle forze più grandi.

Spese persistere, cioè. la carica che entra nel sistema è uguale alla carica che ne esce. Se la carica elettrica totale di un certo numero di particelle prima della loro interazione è pari, ad esempio, a 342 unità, dopo l'interazione, indipendentemente dal suo risultato, sarà pari a 342 unità. Questo vale anche per altre cariche: colore (carica di interazione forte), debole e massa (massa). Le particelle differiscono nelle loro cariche: in sostanza, "sono" queste cariche. Le accuse sono come un "certificato" sul diritto di rispondere alla forza corrispondente. Quindi, solo le particelle colorate sono influenzate dalle forze del colore, solo le particelle caricate elettricamente sono influenzate dalle forze elettriche, ecc. Le proprietà di una particella sono determinate dalla forza maggiore che agisce su di essa. Solo i quark sono portatori di tutte le cariche e, quindi, sono soggetti all'azione di tutte le forze, tra le quali quella dominante è il colore. Gli elettroni hanno tutte le cariche tranne il colore e la forza dominante per loro è la forza elettromagnetica.

Le più stabili in natura sono, di regola, combinazioni neutre di particelle, in cui la carica delle particelle di un segno è compensata dalla carica totale delle particelle dell'altro segno. Ciò corrisponde all'energia minima dell'intero sistema. (Allo stesso modo, due magneti a barra si allineano con il polo nord di uno rivolto verso il polo sud dell'altro, che corrisponde all'energia minima del campo magnetico.) La gravità è un'eccezione a questa regola: non c'è massa negativa. Non ci sono corpi che cadono verso l'alto.

TIPI DI MATERIA

La materia ordinaria è formata da elettroni e quark, raggruppandosi in oggetti di colore neutro e quindi di carica elettrica. La forza del colore viene neutralizzata, cosa che verrà discussa più dettagliatamente di seguito, quando le particelle vengono combinate in triplette. (Da qui il termine stesso "colore" preso dall'ottica: i tre colori primari danno il bianco quando mescolati.) Così, i quark, per i quali la forza del colore è la principale, formano triplette. Ma i quark, e sono suddivisi in tu-quark (dall'inglese in su - upper) e D-quark (dall'inglese down - lower), hanno anche una carica elettrica pari a tu-quark e per D-quark. Due tu-quark e uno D-quark danno una carica elettrica di +1 e formano un protone, e uno tu-quark e due D-quark danno carica elettrica zero e formano un neutrone.

Protoni e neutroni stabili, attratti l'uno dall'altro dalle forze di colore residue dell'interazione tra i quark che li costituiscono, formano un nucleo atomico dal colore neutro. Ma i nuclei portano una carica elettrica positiva e, attirando gli elettroni negativi che ruotano attorno al nucleo come i pianeti che ruotano intorno al Sole, tendono a formare un atomo neutro. Gli elettroni nelle loro orbite vengono rimossi dal nucleo a distanze decine di migliaia di volte superiori al raggio del nucleo, il che è la prova che le forze elettriche che li trattengono sono molto più deboli delle forze nucleari. Grazie al potere dell'interazione del colore, il 99,945% della massa di un atomo è contenuto nel suo nucleo. Il peso tu- e D-quark sono circa 600 volte la massa di un elettrone. Pertanto, gli elettroni sono molto più leggeri e più mobili dei nuclei. I fenomeni elettrici sono causati dal loro movimento nella materia.

Esistono diverse centinaia di varietà naturali di atomi (compresi gli isotopi), che differiscono per il numero di neutroni e protoni nel nucleo e, di conseguenza, per il numero di elettroni nelle orbite. Il più semplice è l'atomo di idrogeno, che consiste in un nucleo a forma di protone e un singolo elettrone che gli ruota intorno. Tutta la materia "visibile" in natura è costituita da atomi e atomi parzialmente "disassemblati", che sono chiamati ioni. Gli ioni sono atomi che, avendo perso (o guadagnato) diversi elettroni, diventano particelle cariche. La materia costituita da quasi tutti gli ioni è chiamata plasma. Le stelle che bruciano a causa delle reazioni termonucleari in atto nei centri sono costituite principalmente da plasma, e poiché le stelle sono la forma di materia più diffusa nell'Universo, possiamo dire che l'intero Universo è costituito principalmente da plasma. Più precisamente, le stelle sono prevalentemente gas idrogeno completamente ionizzato, vale a dire. una miscela di singoli protoni ed elettroni e, quindi, quasi l'intero Universo visibile è costituito da esso.

Questa è materia visibile. Ma c'è ancora materia invisibile nell'Universo. E ci sono particelle che agiscono come portatrici di forze. Ci sono antiparticelle e stati eccitati di alcune particelle. Tutto ciò porta ad un'abbondanza chiaramente eccessiva di particelle "elementari". In questa abbondanza si può trovare un'indicazione della reale, vera natura delle particelle elementari e delle forze che agiscono tra di esse. Secondo le teorie più recenti, le particelle possono essere sostanzialmente oggetti geometrici estesi - "stringhe" nello spazio a dieci dimensioni.

Il mondo invisibile.

L'universo contiene più della semplice materia visibile (ma anche buchi neri e "materia oscura" come i pianeti freddi che diventano visibili quando illuminati). C'è anche una materia veramente invisibile che permea tutti noi e l'intero Universo ogni secondo. È un gas in rapido movimento di un tipo di particelle: i neutrini elettronici.

Il neutrino elettronico è il partner dell'elettrone, ma non ha carica elettrica. I neutrini trasportano solo la cosiddetta carica debole. La loro massa a riposo è, con ogni probabilità, zero. Ma interagiscono con il campo gravitazionale, poiché hanno energia cinetica E, che corrisponde alla massa effettiva m, secondo la formula di Einstein E = mc 2, dove CÈ la velocità della luce.

Il ruolo chiave del neutrino è quello di facilitare la trasformazione e-quark in D-quark, a seguito dei quali il protone si trasforma in un neutrone. Il neutrino funge da "ago carburatore" per le reazioni termonucleari stellari, in cui quattro protoni (nuclei di idrogeno) si combinano per formare un nucleo di elio. Ma poiché il nucleo di elio non è formato da quattro protoni, ma da due protoni e due neutroni, per una tale fusione nucleare è necessario che due e-quark trasformato in due D-quark. L'intensità della trasformazione dipende dalla velocità con cui le stelle bruceranno. E il processo di trasformazione è determinato da cariche deboli e forze di interazione debole tra le particelle. in cui e-quark (carica elettrica +2/3, carica debole +1/2), interagendo con un elettrone (carica elettrica - 1, carica debole -1/2), forma D-quark (carica elettrica –1/3, carica debole –1/2) e neutrino elettronico (carica elettrica 0, carica debole +1/2). Le cariche di colore (o solo i colori) di due quark in questo processo vengono compensate senza neutrini. Il ruolo dei neutrini è quello di portare via una carica debole non compensata. Pertanto, il tasso di trasformazione dipende da quanto deboli sono le forze deboli. Se fossero più deboli di loro, le stelle non brucerebbero affatto. Se fossero stati più forti, le stelle si sarebbero spente molto tempo fa.

E che dire dei neutrini? Poiché queste particelle interagiscono in modo estremamente debole con altra materia, lasciano quasi immediatamente le stelle in cui sono nate. Tutte le stelle brillano, emettendo neutrini, e i neutrini brillano attraverso i nostri corpi e l'intera Terra giorno e notte. Quindi vagano per l'Universo finché non entrano, forse, in una nuova interazione della STELLA).

Portatori di interazioni.

Quali sono le cause delle forze che agiscono tra le particelle a distanza? La fisica moderna è responsabile: attraverso lo scambio di altre particelle. Immagina due pattinatori che lanciano una palla. Imprimendo slancio alla palla quando viene lanciata e ricevendo slancio con la palla ricevuta, entrambi ricevono una spinta in una direzione distante l'uno dall'altro. Ecco come si spiega l'emergere di forze repulsive. Ma nella meccanica quantistica, che considera i fenomeni nel micromondo, è consentito lo stiramento insolito e la delocalizzazione degli eventi, il che porta all'apparentemente impossibile: uno dei pattinatori lancia la palla nella direzione a partire dal un altro, ma uno comunque può essere prendere questa palla. Non è difficile immaginare che se ciò fosse possibile (e nel mondo delle particelle elementari è possibile), tra i pattinatori nascerebbe un'attrazione.

Le particelle, a causa dello scambio di cui nascono le forze di interazione tra le quattro "particelle di materia" discusse sopra, sono chiamate particelle di gauge. Ognuna delle quattro interazioni - forte, elettromagnetica, debole e gravitazionale - ha il proprio insieme di particelle di gauge. I portatori di particelle di interazione forte sono i gluoni (ce ne sono otto). Il fotone è un portatore di interazione elettromagnetica (è uno e noi percepiamo i fotoni come luce). Le particelle portatrici dell'interazione debole sono bosoni vettori intermedi (nel 1983 e nel 1984 furono scoperti) W + -, W- bosoni e neutro Z-bosone). Il vettore particella dell'interazione gravitazionale è ancora un ipotetico gravitone (dovrebbe esserlo). Tutte queste particelle, ad eccezione del fotone e del gravitone, che possono coprire distanze infinitamente grandi, esistono solo nel processo di scambio tra particelle materiali. I fotoni riempiono l'Universo di luce e i gravitoni - di onde gravitazionali (non ancora rilevate con certezza).

Si dice che una particella in grado di emettere particelle di gauge è circondata da un corrispondente campo di forza. Pertanto, gli elettroni in grado di emettere fotoni sono circondati da campi elettrici e magnetici, nonché da campi deboli e gravitazionali. Anche i quark sono circondati da tutti questi campi, ma anche da un campo di forte interazione. Le particelle con una carica di colore nel campo delle forze di colore sono influenzate dalla forza di colore. Lo stesso vale per le altre forze della natura. Pertanto, possiamo dire che il mondo è costituito da materia (particelle materiali) e campo (particelle di calibro). Maggiori informazioni su questo di seguito.

Antimateria.

Ad ogni particella corrisponde un'antiparticella, con la quale la particella può annichilarsi reciprocamente, cioè "Annihilate", con conseguente rilascio di energia. L'energia "pura" di per sé, tuttavia, non esiste; come risultato dell'annichilazione, appaiono nuove particelle (ad esempio fotoni) che portano via questa energia.

Un'antiparticella nella maggior parte dei casi ha proprietà opposte alla particella corrispondente: se una particella si sposta a sinistra sotto l'influenza di un campo forte, debole o elettromagnetico, la sua antiparticella si sposterà a destra. In breve, un'antiparticella ha segni opposti di tutte le cariche (ad eccezione della carica di massa). Se una particella è composita, come un neutrone, la sua antiparticella è costituita da componenti con segni di carica opposti. Quindi, un antielettrone ha una carica elettrica di +1, una carica debole di +1/2 ed è chiamato positrone. L'antineutrone è costituito da e-antiquark con carica elettrica di –2/3 e D- antiquark con carica elettrica +1/3. Le particelle veramente neutre sono le proprie antiparticelle: l'antiparticella di un fotone è un fotone.

Secondo i concetti teorici moderni, ogni particella esistente in natura deve avere la propria antiparticella. E molte antiparticelle, inclusi positroni e antineutroni, furono effettivamente prodotte in laboratorio. Le conseguenze di ciò sono estremamente importanti e sono alla base di tutta la fisica sperimentale delle particelle elementari. Secondo la teoria della relatività, massa ed energia sono equivalenti e, in determinate condizioni, l'energia può essere convertita in massa. Poiché la carica si conserva, e la carica del vuoto (spazio vuoto) è zero, dal vuoto, come conigli dal cappello di un mago, può sorgere qualsiasi coppia di particelle e antiparticelle (con carica totale zero), purché l'energia è sufficiente per creare la loro massa.

Generazioni di particelle.

Esperimenti agli acceleratori hanno dimostrato che il quattro (quartetto) di particelle materiali si ripete almeno due volte a valori di massa più elevati. Nella seconda generazione, il posto dell'elettrone è preso dal muone (con una massa circa 200 volte la massa dell'elettrone, ma con gli stessi valori di tutte le altre cariche), il posto dell'elettrone neutrino è muone ( che accompagna il muone nelle interazioni deboli allo stesso modo in cui l'elettrone è accompagnato dal neutrino elettronico), un luogo e-quark prende insieme a-quark ( Ammaliato), un D-quark- S-quark ( strano). Nella terza generazione, il quartetto è composto da tau lepton, tau neutrino, T-quark e B-quark.

Il peso T- il quark è circa 500 volte la massa del più leggero - D-quark. È stato stabilito sperimentalmente che esistono solo tre tipi di neutrini leggeri. Quindi, la quarta generazione di particelle o non esiste affatto, oppure i corrispondenti neutrini sono molto pesanti. Ciò è coerente con i dati cosmologici, secondo i quali non possono esistere più di quattro tipi di neutrini leggeri.

Negli esperimenti con particelle ad alta energia, l'elettrone, il muone, il tau-leptone ei corrispondenti neutrini agiscono come particelle separate. Non portano una carica di colore ed entrano solo in interazioni deboli ed elettromagnetiche. Collettivamente, sono chiamati leptoni.

D'altra parte, i quark, sotto l'influenza delle forze del colore, si combinano in particelle fortemente interagenti, che prevalgono nella maggior parte degli esperimenti di fisica delle alte energie. Tali particelle sono chiamate adroni... Comprendono due sottoclassi: barioni(ad esempio, un protone e un neutrone), che sono composti da tre quark, e mesoni costituito da un quark e un antiquark. Nel 1947 fu scoperto nei raggi cosmici il primo mesone, chiamato pione (o pi-mesone), e per qualche tempo si credette che lo scambio di queste particelle fosse la causa principale delle forze nucleari. Gli adroni omega-meno, scoperti nel 1964 al Brookhaven National Laboratory (USA), e la particella j-psi ( J/sì-meson), scoperto contemporaneamente a Brookhaven e allo Stanford Linear Accelerator Center (anch'esso negli USA) nel 1974. L'esistenza della particella omega-meno fu prevista da M. Gell-Mann nel suo cosiddetto “ SU 3 -teoria "(un altro nome -" ottuplice percorso "), in cui è stata fatta la prima ipotesi sulla possibilità dell'esistenza dei quark (e questo nome è stato dato loro). Un decennio dopo la scoperta delle particelle J/sì ha confermato l'esistenza insieme a-quark e infine ha fatto credere a tutti sia nel modello a quark che nella teoria che combinava forze elettromagnetiche e deboli ( vedi sotto).

Le particelle di seconda e terza generazione non sono meno reali della prima. È vero, essendo sorti, in un milionesimo o miliardesimo di secondo, decadono in particelle ordinarie della prima generazione: un elettrone, un neutrino elettronico e e- e D-quark. La domanda sul perché ci siano diverse generazioni di particelle in natura è ancora un mistero.

Si parla spesso di diverse generazioni di quark e leptoni (cosa che, ovviamente, è alquanto eccentrica) come diversi "sapori" di particelle. La necessità di spiegarli si chiama problema del "sapore".

BOSONI E FERMIONI, CAMPO E SOSTANZA

Una delle differenze fondamentali tra le particelle è la differenza tra bosoni e fermioni. Tutte le particelle sono divise in queste due classi principali. I bosoni identici possono sovrapporsi o sovrapporsi, ma i fermioni identici no. La sovrapposizione si verifica (o non si verifica) in stati energetici discreti in cui la meccanica quantistica divide la natura. Questi stati sono, per così dire, cellule separate in cui le particelle possono essere collocate. Quindi, in una cella puoi mettere tutti i bosoni identici che vuoi, ma solo un fermione.

Ad esempio, considera tali cellule, o "stati", per un elettrone che ruota attorno al nucleo di un atomo. A differenza dei pianeti del Sistema Solare, un elettrone, secondo le leggi della meccanica quantistica, non può ruotare in alcuna orbita ellittica, poiché esiste solo una serie discreta di "stati di movimento" consentiti. Gli insiemi di tali stati, raggruppati secondo la distanza dall'elettrone al nucleo, sono chiamati orbitali... Nel primo orbitale ci sono due stati con momenti angolari diversi e, quindi, due celle consentite, e negli orbitali superiori ci sono otto o più celle.

Poiché l'elettrone è un fermione, può esserci un solo elettrone in ogni cella. Ne conseguono conseguenze molto importanti: tutta la chimica, poiché le proprietà chimiche delle sostanze sono determinate dalle interazioni tra gli atomi corrispondenti. Se passi attraverso la tavola periodica degli elementi da un atomo all'altro nell'ordine di aumentare di uno il numero di protoni nel nucleo (anche il numero di elettroni aumenterà di conseguenza), allora i primi due elettroni occuperanno il primo orbitale, i prossimi otto saranno posizionati sul secondo, ecc. Questo successivo cambiamento nella struttura elettronica degli atomi da elemento a elemento è responsabile delle regolarità nelle loro proprietà chimiche.

Se gli elettroni fossero bosoni, allora tutti gli elettroni di un atomo potrebbero occupare lo stesso orbitale corrispondente all'energia minima. Inoltre, le proprietà di tutta la materia nell'Universo sarebbero completamente diverse e, nella forma in cui la conosciamo, l'Universo sarebbe impossibile.

Tutti i leptoni - elettrone, muone, tau-leptone ei loro corrispondenti neutrini - sono fermioni. Lo stesso si può dire dei quark. Quindi, tutte le particelle che formano la "materia", il riempitivo principale dell'Universo, così come i neutrini invisibili, sono fermioni. Questo è molto significativo: i fermioni non possono essere combinati, quindi lo stesso vale per gli oggetti nel mondo materiale.

Allo stesso tempo, tutte le "particelle calibro" che si scambiano tra particelle materiali interagenti e che creano un campo di forze ( vedi sopra) sono bosoni, il che è anche molto importante. Quindi, ad esempio, molti fotoni possono trovarsi in uno stato, formando un campo magnetico attorno a un magnete o un campo elettrico attorno a una carica elettrica. Grazie a questo, è possibile anche un laser.

Rotazione.

La differenza tra bosoni e fermioni è associata ad un'altra caratteristica delle particelle elementari: rotazione... Sorprendentemente, ma tutte le particelle fondamentali hanno il proprio momento angolare, o, più semplicemente, ruotano attorno al proprio asse. Il momento dell'impulso è una caratteristica del movimento rotatorio, così come l'impulso totale - traslazionale. In ogni interazione, il momento angolare e il momento si conservano.

Nel microcosmo, il momento angolare è quantizzato, cioè assume valori discreti. In opportune unità, leptoni e quark hanno spin pari a 1/2 e le particelle di gauge hanno spin pari a 1 (tranne il gravitone, che non è stato ancora osservato sperimentalmente, ma dovrebbe teoricamente avere spin pari a 2). Poiché leptoni e quark sono fermioni e le particelle di gauge sono bosoni, si può presumere che la "fermionicità" sia associata allo spin 1/2, e la "bosonità" sia associata allo spin 1 (o 2). Infatti, sia l'esperimento che la teoria confermano che se una particella ha uno spin semiintero, allora è un fermione, e se è un intero, allora è un bosone.

TEORIA DELLE TAGLIE E ​​GEOMETRIA

In tutti i casi, le forze derivano dallo scambio di bosoni tra fermioni. Quindi, la forza del colore dell'interazione tra due quark (quark - fermioni) deriva dallo scambio di gluoni. Questo scambio avviene costantemente nei protoni, nei neutroni e nei nuclei atomici. Allo stesso modo, i fotoni scambiati tra elettroni e quark creano forze attrattive elettriche che trattengono gli elettroni nell'atomo e i bosoni vettori intermedi scambiati tra leptoni e quark creano forze deboli responsabili della conversione dei protoni in neutroni nelle reazioni termonucleari nelle stelle.

La teoria di tale scambio è elegante, semplice e probabilmente corretta. È chiamato teoria di gauge... Ma al momento ci sono solo teorie di gauge indipendenti delle interazioni forti, deboli ed elettromagnetiche e una teoria di gauge simile, anche se un po' diversa, della gravità. Uno dei problemi fisici più importanti è la riduzione di queste teorie separate in un'unica e allo stesso tempo semplice teoria, in cui diventerebbero tutti aspetti diversi di un'unica realtà - come la sfaccettatura di un cristallo.

La teoria di gauge più semplice e antica è la teoria di gauge dell'interazione elettromagnetica. In esso, la carica di un elettrone viene confrontata (calibrata) con la carica di un altro elettrone, lontano da esso. Come confrontare gli addebiti? Puoi, ad esempio, avvicinare il secondo elettrone al primo e confrontare le loro forze di interazione. Ma la carica di un elettrone non cambia quando si sposta in un altro punto dello spazio? L'unico modo per verificare è inviare un segnale dall'elettrone vicino a quello lontano e vedere come reagisce. Il segnale è una particella di calibrazione - un fotone. Per poter controllare la carica su particelle distanti, è necessario un fotone.

Matematicamente, questa teoria è estremamente accurata e bella. L'intera elettrodinamica quantistica (la teoria quantistica dell'elettromagnetismo), così come la teoria del campo elettromagnetico di Maxwell, una delle più grandi conquiste scientifiche del XIX secolo, deriva dal "principio di gauge" sopra descritto.

Perché un principio così semplice è così fruttuoso? Apparentemente, esprime una certa correlazione tra le diverse parti dell'Universo, consentendo di effettuare misurazioni nell'Universo. Matematicamente, il campo è interpretato geometricamente come la curvatura di un concepibile spazio "interno". La misurazione della carica, tuttavia, è una misurazione della "curvatura interna" totale attorno a una particella. Le teorie di gauge delle interazioni forti e deboli differiscono dalla teoria di gauge elettromagnetica solo per la "struttura" geometrica interna della carica corrispondente. Alla domanda su dove si trovi esattamente questo spazio interno si risponde alle teorie del campo unificato multidimensionale, che qui non vengono considerate.

La fisica delle particelle non è stata ancora completata. Non è ancora chiaro se i dati disponibili siano sufficienti per una comprensione completa della natura delle particelle e delle forze, nonché della vera natura e dimensione dello spazio e del tempo. Abbiamo bisogno di esperimenti con energie di 10 15 GeV per questo, o basteranno gli sforzi del pensiero? Non c'è ancora nessuna risposta. Ma possiamo dire con sicurezza che l'immagine finale sarà semplice, graziosa e bella. È possibile che non ci siano così tante idee fondamentali: il principio di gauge, gli spazi di dimensioni superiori, il collasso e l'espansione e, soprattutto, la geometria.

I leptoni non partecipano alle interazioni forti. elettrone. positrone. muone. il neutrino è una particella leggera neutra che partecipa solo alle interazioni deboli e gravitazionali. neutrino (#flusso). quark. portatori di interazioni: un fotone è un quanto di luce...

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Particella elementare è un termine collettivo che si riferisce a micro-oggetti su scala subnucleare che non possono essere scissi (o fino a prova) nelle loro parti costituenti. La loro struttura e il loro comportamento sono studiati dalla fisica delle particelle elementari. Concetto ... ... Wikipedia

elettrone- ▲ particella fondamentale avente, elemento, carica elettrone Particella elementare caricata negativamente con carica elettrica elementare. ... Dizionario ideografico della lingua russa

Particella elementare è un termine collettivo che si riferisce a micro-oggetti su scala subnucleare che non possono essere scissi (o fino a prova) nelle loro parti costituenti. La loro struttura e il loro comportamento sono studiati dalla fisica delle particelle elementari. Concetto ... ... Wikipedia

Questo termine ha altri significati, vedi Neutrino (disambigua). neutrino elettronico neutrino muonico neutrino tau Simbolo: νe νμ ντ Composizione: particella elementare Famiglia: Fermioni ... Wikipedia

Il tipo di interazioni fondamentali (insieme a gravitazionale, debole e forte), che è caratterizzato dalla partecipazione di un campo elettromagnetico (vedi Campo elettromagnetico) nei processi di interazione. Campo elettromagnetico (in fisica quantistica ... ... Grande Enciclopedia Sovietica

Una delle filosofie più ambigue. concetti a cui è attribuito uno (o alcuni) dei seguenti significati: 1) quello, le cui caratteristiche distintive sono lunghezza, posto nello spazio, massa, peso, movimento, inerzia, resistenza, ... ... Enciclopedia filosofica

Libri

• La teoria cinetica della gravità e i fondamenti della teoria unificata della materia, V. Ya. Bril. Tutti gli oggetti materiali della Natura (sia materiali che di campo) sono discreti. Sono costituiti da particelle elementari a forma di stringa. Una stringa fondamentale indeformata è una particella di campo, ...

Strutture del microcosmo

In precedenza, le particelle elementari erano chiamate particelle che fanno parte di un atomo e non possono essere scomposte in componenti più elementari, vale a dire elettroni e nuclei.

Successivamente si scoprì che i nuclei sono composti da particelle più semplici - nucleoni(protoni e neutroni), che a loro volta sono composti da altre particelle. Ecco perchè le particelle elementari cominciarono a essere considerate le particelle più piccole della materia , esclusi gli atomi e i loro nuclei .

Ad oggi sono state scoperte centinaia di particelle elementari, che richiede la loro classificazione:

- per tipi di interazioni

- dai tempi della vita

- la schiena più grande

Le particelle elementari sono divise nei seguenti gruppi:

Particelle composite e fondamentali (senza struttura)

Particelle composte

Adroni (pesanti)- particelle che partecipano a tutti i tipi di interazioni fondamentali. Sono costituiti da quark e si suddividono, a loro volta, in: mesoni- adroni con spin intero, cioè sono bosoni; barioni- adroni con spin semiintero, cioè fermioni. Questi includono, in particolare, le particelle che compongono il nucleo dell'atomo: il protone e il neutrone, ad es. nucleoni.

Particelle fondamentali (senza struttura)

Leptoni (polmoni)- fermioni, che hanno la forma di particelle puntiformi (cioè non costituite da nulla) fino a scale dell'ordine di 10 - 18 M. Non partecipano alle interazioni forti. La partecipazione alle interazioni elettromagnetiche è stata osservata sperimentalmente solo per i leptoni carichi (elettroni, muoni, leptoni tau) e non è stata osservata per i neutrini.

quark- particelle a carica frazionata che costituiscono gli adroni. Non osservato in uno stato libero.

bosoni di calibro- particelle attraverso il cui scambio si realizzano interazioni:

- fotone - una particella che trasporta l'interazione elettromagnetica;

- otto gluoni - particelle che trasportano interazioni forti;

- tre bosoni vettoriali intermedi W + , W- e Z 0, portando interazione debole;

- il gravitone è un'ipotetica particella che trasporta l'interazione gravitazionale. L'esistenza dei gravitoni, sebbene non ancora provata sperimentalmente a causa della debolezza dell'interazione gravitazionale, è considerata abbastanza probabile; tuttavia, il gravitone non fa parte del Modello Standard delle particelle elementari.

Secondo i concetti moderni, le particelle fondamentali (o particelle elementari "veramente") che non hanno una struttura interna e una dimensione finita includono:

Quark e leptoni

Particelle che forniscono interazioni fondamentali: gravitoni, fotoni, bosoni vettoriali, gluoni.

Classificazione delle particelle elementari in base ai tempi di vita:

- stabile: particelle la cui vita è molto lunga (al limite tende all'infinito). Questi includono elettroni , protoni , neutrino ... I neutroni sono anche stabili all'interno dei nuclei, ma sono instabili all'esterno del nucleo.

- instabile (quasi-stabile): le particelle elementari sono quelle particelle che decadono a causa di interazioni elettromagnetiche e deboli e la cui durata è superiore a 10-20 sec. Queste particelle includono neutrone libero (cioè un neutrone al di fuori del nucleo di un atomo)

- risonanze (instabile, di breve durata). Le risonanze includono particelle elementari che decadono a causa di una forte interazione. Il tempo di vita per loro è inferiore a 10 -20 sec.

Classificazione delle particelle per partecipazione alle interazioni:

- leptoni : questi includono i neutroni. Tutti loro non partecipano al vortice delle interazioni intranucleari, ad es. non soggetto a forte interazione. Partecipano all'interazione debole e, avendo una carica elettrica, partecipano anche all'interazione elettromagnetica.

- adroni : particelle che esistono all'interno di un nucleo atomico e partecipano a interazioni forti. I più famosi sono protone e neutrone .

Conosciuto per oggi sei leptoni :

La stessa famiglia con un elettrone include muoni e particelle tau, che sono simili a un elettrone, ma più massicce di esso. I muoni e le particelle tau sono instabili e decadono nel tempo in diverse altre particelle, incluso un elettrone

Tre particelle elettricamente neutre con massa nulla (o vicino allo zero, gli scienziati non hanno ancora deciso su questo), chiamate neutrino ... Ciascuno dei tre neutrini (neutrino elettronico, neutrino muonico, neutrino tau) è accoppiato con uno dei tre tipi di particelle della famiglia elettronica.

Il più famoso adroni , protoni e neutrini, ci sono centinaia di parenti, che nascono in gran numero e decadono immediatamente nel processo di varie reazioni nucleari. Ad eccezione del protone, sono tutti instabili, e possono essere classificati in base alla composizione delle particelle in cui decadono:

Se c'è un protone tra i prodotti finali del decadimento delle particelle, allora si chiama barione

Se non c'è protone tra i prodotti di decadimento, allora la particella è chiamata mesone .

L'immagine confusa del mondo subatomico, che si è complicata con la scoperta di ogni nuovo adrone, ha lasciato il posto a una nuova immagine, con l'emergere del concetto di quark. Secondo il modello a quark, tutti gli adroni (ma non i leptoni) sono composti da particelle ancora più elementari: i quark. Così barioni (in particolare il protone) sono costituiti da tre quark, e mesoni - da una coppia di quark - antiquark.