Dar palyginti neseniai keli šimtai dalelių ir antidalelių buvo laikomos elementariomis. Išsamus jų savybių ir sąveikos su kitomis dalelėmis tyrimas bei teorijos raida parodė, kad dauguma jų iš tikrųjų nėra elementarios, nes jos pačios susideda iš paprasčiausių arba, kaip dabar sakoma, pagrindinių dalelių. Pačios pagrindinės dalelės iš nieko nebesudaromos. Daugybė eksperimentų parodė, kad visos pagrindinės dalelės elgiasi kaip bedimensiniai taškiniai objektai, neturintys vidinės struktūros, bent jau iki mažiausių dabar tirtų atstumų, ~ 10–16 cm.

Tarp daugybės ir įvairių dalelių sąveikos procesų yra keturios pagrindinės arba esminės sąveikos: stiprioji (branduolinė), elektromagnetinis, silpnas ir gravitacinis. Dalelių pasaulyje gravitacinė sąveika yra labai silpna, jos vaidmuo dar neaiškus, apie tai daugiau nekalbėsime.

Gamtoje yra dvi dalelių grupės: hadronai, dalyvaujantys visose esminėse sąveikose, ir leptonai, kurie nedalyvauja tik stiprioje sąveikoje.

Pagal šiuolaikines koncepcijas dalelių sąveika vykdoma išspinduliuojant ir vėliau sugeriant dalelę supančio atitinkamo lauko (stipraus, silpno, elektromagnetinio) kvantus. Tokie kiekiai yra matuoklio bozonai kurios taip pat yra pagrindinės dalelės. Bozonai turi savo kampinis pagreitis vadinamas sukinys yra lygus sveikojo skaičiaus reikšmei Plancko konstanta... Lauko kvantai ir atitinkamai stipriosios sąveikos nešėjai yra gliuonai, žymimi simboliu g (gi), elektromagnetinio lauko kvantai yra mums gerai žinomi šviesos kvantai – fotonai, žymimi (gama) , o silpnojo lauko kvantai ir atitinkamai silpnosios sąveikos nešėjai yra W± (dvigubas ve) - ir Z 0 (zet nulis) bozonai.

Skirtingai nuo bozonų, visos kitos pagrindinės dalelės yra fermionai, tai yra dalelės, kurių sukimosi reikšmė yra pusiau sveikoji h/2.

Lentelė 1 pavaizduoti fundamentalių fermionų simboliai – leptonai ir kvarkai.

Kiekviena dalelė parodyta lentelėje. 1, atitinka antidalelę, kuri nuo dalelės skiriasi tik elektros krūvio ir kitų kvantinių skaičių ženklais (žr. 2 lentelę) ir sukimosi kryptimi dalelės impulso krypties atžvilgiu. Antidaleles žymėsime tais pačiais simboliais kaip ir daleles, tačiau virš simbolio nubrėžta banguota linija.

Dalelės lentelėje. 1 žymimi graikiškomis ir lotyniškomis raidėmis, būtent: raidė (nu) – trys skirtingi neutrinai, raidės e – elektronas, (mu) – miuonas, (tau) – taon, raidės u, c, t, d, s, b reiškia kvarkai; jų pavadinimai ir charakteristikos pateikti lentelėje. 2.

Dalelės lentelėje. 1 yra suskirstyti į tris I, II ir III kartas pagal šiuolaikinės teorijos struktūrą. Mūsų Visata sudaryta iš pirmosios kartos dalelių – leptonų ir kvarkų bei matuoklio bozonų, tačiau, kaip rodo šiuolaikinis Visatos vystymosi mokslas, pradiniame jos vystymosi etape svarbų vaidmenį vaidino visų trijų kartų dalelės.

Leptonai

Pirmiausia išsamiau panagrinėkime leptonų savybes. Viršutinė lentelės eilutė. 1 yra trys skirtingi neutrinai: elektroniniai, miuoniniai ir tau neutrinai. Jų masė dar nėra tiksliai išmatuota, tačiau nustatyta viršutinė jos riba, pavyzdžiui, ne, lygiai 10 -5 elektronų masės vertės (tai yra g).

Žiūrėdamas į stalą. 1 netyčia kyla klausimas, kodėl gamtai reikėjo sukurti tris skirtingus neutrinus. Atsakymo į šį klausimą kol kas nėra, nes nesukurta tokia išsami fundamentaliųjų dalelių teorija, kuri nurodytų visų tokių dalelių reikalingumą ir pakankamumą bei apibūdintų pagrindines jų savybes. Galbūt ši problema bus išspręsta XXI amžiuje (ar vėliau).

Apatinė lentelės eilutė. 1 prasideda dalele, kurią labiausiai ištyrėme, elektronu. Elektroną praėjusio amžiaus pabaigoje atrado anglų fizikas J. Tomsonas. Elektronų vaidmuo mūsų pasaulyje yra milžiniškas. Tai tos neigiamo krūvio dalelės, kurios kartu su atomų branduoliais sudaro visus mums žinomų elementų atomus. Mendelejevo periodinė lentelė... Kiekviename atome elektronų skaičius yra tiksliai lygus protonų skaičiui atomo branduolyje, todėl atomas yra elektriškai neutralus.

Elektronas yra stabilus, pagrindinė elektrono anihiliacijos galimybė yra jo mirtis susidūrus su antidalele - pozitronu e +. Šis procesas buvo pavadintas susinaikinimas :

Dėl anihiliacijos susidaro du gama kvantai (taip vadinami didelės energijos fotonai), kurie išneša ir likusias energijas e + ir e - ir jų kinetinę energiją. Esant didelėms energijoms e + ir e - susidaro hadronų ir kvarkų poros (žr., pvz., (5) ir 4 pav.).

Reakcija (1) aiškiai iliustruoja garsiosios A. Einšteino formulės apie masės ir energijos lygiavertiškumą pagrįstumą: E = mc 2 .

Iš tiesų, naikinant medžiagoje esantį pozitroną ir elektroną, visa jų ramybės masė (lygi 1,22 MeV) paverčiama kvantų, neturinčių ramybės masės, energija.

Antroje kartoje apatinė lentelės eilutė. 1 įsikūręs miuonas– dalelė, kuri visomis savo savybėmis yra analogiška elektronui, bet neįprastai didelės masės. Miuono masė yra 207 kartus didesnė už elektrono masę. Kitaip nei elektronas, miuonas yra nestabilus. Jo gyvenimo laikas t= 2,2 · 10 -6 s. Miuonas pagal schemą daugiausia skyla į elektroną ir du neutrinus

Dar sunkesnis elektrono analogas yra. Jo masė yra daugiau nei 3 tūkstančius kartų didesnė už elektrono masę (MeV / s 2), tai yra, taonas yra sunkesnis už protoną ir neutroną. Jo tarnavimo laikas yra 2,9 · 10 -13 s, o iš daugiau nei šimto skirtingų jo skilimo schemų (kanalų) galimi šie dalykai.

Pateikta 1 pav fundamentalieji fermionai su sukimu ½ reiškia materijos „pirmąsias plytas“. Jie pateikiami leptonai(elektronai e, neutrinai ir kt.) – dalelės, nedalyvaujančios stiprus branduolinės sąveikos ir kvarkai kurie dalyvauja stiprioje sąveikoje. Branduolinės dalelės yra pagamintos iš kvarkų - hadronai(protonai, neutronai ir mezonai). Kiekviena iš šių dalelių turi savo antidalelę, kuri turi būti dedama į tą pačią ląstelę. Antidalelių žymėjimas pažymėtas tildės (~) simboliu.

Iš šešių veislių kvarkų arba šešių aromatai elektros krūvis 2/3 (elementarinio krūvio vienetais e) turėti viršutinę ( u), sužavėtas ( c) ir tiesa ( t) kvarkai, o krūvis –1/3 – apatinis ( d), keista ( s) ir graži ( b) kvarkai. To paties skonio antikvarkų elektros krūviai bus atitinkamai –2/3 ir 1/3.

Kvantinėje chromodinamikoje (stiprios sąveikos teorijoje) kvarkams ir antikvarkams priskiriami trijų tipų stiprūs sąveikos krūviai: raudonasis. R(anti-raudona); žalias G(anti-žalia); mėlyna B(anti-mėlyna). Spalvota (stipri) sąveika suriša kvarkus hadronuose. Pastarieji skirstomi į barionai susidedantis iš trijų kvarkų ir mezonai susidedantis iš dviejų kvarkų. Pavyzdžiui, barionų protonai ir neutronai turi tokią kvarkų sudėtį:

p = (uud) ir , n = (ddu) ir .

Kaip pavyzdį pateikiame pi-mezonų tripleto sudėtį:

, ,

Iš šių formulių nesunku suprasti, kad protono krūvis yra +1, o antiprotono – –1. Neutronai ir antineutronai turi nulinį krūvį. Kvarko sukimai šiose dalelėse sumuojasi taip, kad jų bendrieji sukimai yra lygūs ½. Galimi ir tokie tų pačių kvarkų deriniai, kurių bendri sukimai yra 3/2. Tokios elementarios dalelės (D ++, D +, D 0, D -) buvo rastos ir priklauso rezonansams, t.y. trumpaamžiai hadronai.

Gerai žinomas radioaktyvaus b skilimo procesas, pavaizduotas diagramoje

n ® p + e + ,

kvarkų teorijos požiūriu atrodo

(udd) ® ( uud) + e+ arba d ® u + e + .

Nepaisant pakartotinių bandymų eksperimentuose rasti laisvųjų kvarkų, tai nebuvo įmanoma. Tai rodo, kad kvarkai greičiausiai pasireiškia tik sudėtingesnių dalelių sudėtyje ( kvarkų gaudymas spąstais). Iki šiol nebuvo pateiktas išsamus šio reiškinio paaiškinimas.

1 paveiksle parodyta, kad tarp leptonų ir kvarkų yra simetrija, vadinama kvarko-leptono simetrija. Viršutinės linijos dalelės turi vienu krūvį daugiau nei apatinės linijos dalelės. Pirmajame stulpelyje esančios dalelės priklauso pirmajai kartai, antroji – antrajai kartai, o trečioji – trečiajai kartai. Patys kvarkai c, b ir t buvo numatyti remiantis šia simetrija. Mus supanti medžiaga susideda iš pirmosios kartos dalelių. Koks yra antrosios ir trečiosios kartos dalelių vaidmuo? Kol kas galutinio atsakymo į šį klausimą nėra.

Šios trys dalelės (kaip ir kitos, aprašytos toliau) yra atitinkamai traukiamos ir atstumiamos. mokesčiai, kurių pagal pagrindinių gamtos jėgų skaičių yra tik keturi tipai. Krūvius galima išdėstyti mažėjančia atitinkamų jėgų tvarka: spalvinis krūvis (kvarkų sąveikos jėgos); elektros krūvis (elektrinės ir magnetinės jėgos); silpnas krūvis (jėgos kai kuriuose radioaktyviuose procesuose); galiausiai masė (gravitacinės jėgos arba gravitacinė sąveika). Žodis „spalva“ čia neturi nieko bendra su matomos šviesos spalva; tai tiesiog stipriausio krūvio ir didžiausių jėgų charakteristika.

Mokesčiai išsilaikyti, t.y. į sistemą patenkantis krūvis lygus iš jos išeinančiam krūviui. Jei tam tikro skaičiaus dalelių bendras elektros krūvis prieš jų sąveiką lygus, tarkime, 342 vienetams, tai po sąveikos, nepaisant jos rezultato, jis bus lygus 342 vienetams. Tai taikoma ir kitiems krūviams: spalvai (stiprus sąveikos krūviui), silpnam ir masiniam (masei). Dalelės skiriasi savo krūviais: iš esmės jos „yra“ šie krūviai. Kaltinimai yra tarsi „pažyma“ apie teisę reaguoti į atitinkamą jėgą. Taigi spalvinių jėgų veikia tik spalvotos dalelės, elektros jėgos veikia tik elektra įkrautas daleles ir pan. Dalelės savybes lemia didžiausia ją veikianti jėga. Tik kvarkai yra visų krūvių nešėjai, todėl juos veikia visos jėgos, tarp kurių dominuoja spalva. Elektronai turi visus krūvius, išskyrus spalvą, o jiems dominuojanti jėga yra elektromagnetinė jėga.

Stabiliausi gamtoje, kaip taisyklė, yra neutralūs dalelių deriniai, kuriuose vieno ženklo dalelių krūvis kompensuojamas visu kito ženklo dalelių krūviu. Tai atitinka minimalią visos sistemos energiją. (Panašiai ir du strypiniai magnetai išsirikiuoja taip, kad vieno šiaurinis polius būtų atsuktas į kito pietinį polių, o tai atitinka mažiausią magnetinio lauko energiją.) Gravitacija yra šios taisyklės išimtis: neigiamos masės nėra. Į viršų krintančių kūnų nėra.

MEDŽIAGŲ RŪŠYS

Paprastoji medžiaga susidaro iš elektronų ir kvarkų, susigrupuojančių į neutralios spalvos, o vėliau elektros krūvio objektus. Spalvos jėga neutralizuojama, apie kurią plačiau bus kalbama toliau, kai dalelės sujungiamos į tripletus. (Iš čia kilo pats terminas „spalva“, paimtas iš optikos: trys pagrindinės spalvos, susimaišius, suteikia baltą.) Taigi, kvarkai, kuriems spalvinė jėga yra pagrindinė, sudaro tripletus. Bet kvarkai, ir jie skirstomi į u-kvarkai (iš anglų kalbos aukštyn - viršutinė) ir d-kvarkai (iš anglų kalbos žemyn - žemesni), taip pat turi elektros krūvį, lygų u-kvarkas ir už d- kvarkas. Du u-kvarkas ir vienas d-kvarkas suteikia +1 elektrinį krūvį ir sudaro protoną ir vieną u-kvarkas ir du d-kvarkai nesuteikia nulinio elektros krūvio ir sudaro neutroną.

Stabilūs protonai ir neutronai, traukiami vienas prie kito juos sudarančių kvarkų sąveikos liekamųjų spalvų jėgų, sudaro spalvoms neutralų atominį branduolį. Tačiau branduoliai turi teigiamą elektros krūvį ir, pritraukdami neigiamus elektronus, kurie sukasi aplink branduolį kaip planetos, besisukančios aplink Saulę, yra linkę sudaryti neutralų atomą. Jų orbitose esantys elektronai pašalinami iš branduolio atstumais, dešimtis tūkstančių kartų didesniais už branduolio spindulį, o tai įrodo, kad juos laikančios elektrinės jėgos yra daug silpnesnės nei branduolinės jėgos. Dėl spalvų sąveikos galios jo branduolyje yra 99,945% atomo masės. Svoris u- ir d-Kvarkai yra maždaug 600 kartų didesni už elektrono masę. Todėl elektronai yra daug lengvesni ir judresni už branduolius. Elektros reiškinius sukelia jų judėjimas materijoje.

Yra keli šimtai natūralių atomų (įskaitant izotopus) atmainų, kurios skiriasi neutronų ir protonų skaičiumi branduolyje ir atitinkamai elektronų skaičiumi orbitose. Paprasčiausias yra vandenilio atomas, susidedantis iš protono pavidalo branduolio ir vieno aplink jį besisukančio elektrono. Visa „matoma“ materija gamtoje susideda iš atomų ir iš dalies „išardytų“ atomų, kurie vadinami jonais. Jonai yra atomai, kurie praradę (arba įgiję) kelis elektronus tampa įkrautomis dalelėmis. Medžiaga, susidedanti iš beveik visų jonų, vadinama plazma. Žvaigždės, degančios dėl centruose vykstančių termobranduolinių reakcijų, daugiausia susideda iš plazmos, o kadangi žvaigždės yra plačiausiai paplitusi materijos forma Visatoje, galime teigti, kad visa Visata daugiausia susideda iš plazmos. Tiksliau, žvaigždėse vyrauja visiškai jonizuotos vandenilio dujos, t.y. atskirų protonų ir elektronų mišinys, todėl beveik visa matoma Visata susideda iš jo.

Tai matoma medžiaga. Tačiau Visatoje vis dar yra nematomos materijos. Ir yra dalelių, kurios veikia kaip jėgų nešėjos. Yra antidalelių ir kai kurių dalelių sužadintos būsenos. Visa tai lemia aiškiai per didelę „elementariųjų“ dalelių gausą. Šioje gausybėje galima rasti požymį apie tikrąją, tikrąją elementariųjų dalelių prigimtį ir tarp jų veikiančias jėgas. Remiantis naujausiomis teorijomis, dalelės iš esmės gali būti išplėsti geometriniai objektai – „stygos“ dešimties matmenų erdvėje.

Nematomas pasaulis.

Visatoje yra ne tik matoma materija (bet ir juodosios skylės bei „tamsioji materija“, pvz., šaltos planetos, kurios tampa matomos apšviestos). Taip pat yra tikrai nematoma materija, kuri kiekvieną sekundę persmelkia mus visus ir visą Visatą. Tai greitai judančios vienos rūšies dalelių – elektroninių neutrinų – dujos.

Elektronų neutrinas yra elektrono partneris, tačiau neturi elektros krūvio. Neutrinai turi tik vadinamąjį silpną krūvį. Tikėtina, kad jų ramybės masė yra lygi nuliui. Tačiau jie sąveikauja su gravitaciniu lauku, nes turi kinetinę energiją E, kuri atitinka efektyviąją masę m, pagal Einšteino formulę E = mc 2, kur c Ar šviesos greitis.

Pagrindinis neutrino vaidmuo yra tai, kad jis palengvina transformaciją ir- kvarkuoja d-kvarkai, dėl kurių protonas virsta neutronu. Neutrinas veikia kaip „karbiuratoriaus adata“ žvaigždžių termobranduolinėms reakcijoms, kurių metu keturi protonai (vandenilio branduoliai) susijungia ir sudaro helio branduolį. Tačiau kadangi helio branduolys susideda ne iš keturių protonų, o iš dviejų protonų ir dviejų neutronų, tokiai branduolių sintezei būtina, kad du ir-kvarkas virto dviem d- kvarkas. Transformacijos intensyvumas priklauso nuo to, kaip greitai degs žvaigždės. O transformacijos procesą lemia silpni krūviai ir silpnos dalelių sąveikos jėgos. Kuriame ir-kvarkas (elektros krūvis +2/3, silpnas krūvis +1/2), sąveikaujantis su elektronu (elektros krūvis - 1, silpnas krūvis -1/2), susidaro d-kvarkas (elektros krūvis –1/3, silpnas krūvis –1/2) ir elektronų neutrinas (elektros krūvis 0, silpnas krūvis +1/2). Šiame procese dviejų kvarkų spalviniai krūviai (arba tik spalvos) kompensuojami be neutrinų. Neutrinų vaidmuo yra nunešti nekompensuotą silpną krūvį. Todėl transformacijos greitis priklauso nuo to, kiek silpnos yra silpnosios jėgos. Jei jie būtų silpnesni nei yra, tada žvaigždės visai nedegtų. Jei jie būtų stipresni, žvaigždės jau seniai būtų sudegusios.

O kaip dėl neutrinų? Kadangi šios dalelės itin silpnai sąveikauja su kita medžiaga, jos beveik iš karto palieka žvaigždes, kuriose gimė. Visos žvaigždės šviečia, skleidžia neutrinus, o neutrinai šviečia per mūsų kūnus ir visą Žemę dieną ir naktį. Taigi jie klajoja per Visatą, kol galbūt patenka į naują ŽVAIGŽDĖS sąveiką).

Sąveikos nešėjai.

Kas sukelia jėgas, veikiančias tarp dalelių per atstumą? Šiuolaikinė fizika yra atsakinga: per kitų dalelių mainus. Įsivaizduokite, kad du čiuožėjai meta kamuolį. Suteikdami rutuliui impulsą metant ir gaudami impulsą su gautu kamuoliu, abu sulaukia stūmimo viena nuo kitos nukreipta kryptimi. Taip galima paaiškinti atstumiančių jėgų atsiradimą. Tačiau kvantinėje mechanikoje, nagrinėjančioje reiškinius mikropasaulyje, leidžiamas neįprastas įvykių tempimas ir delokalizacija, o tai veda prie iš pažiūros neįmanomo: vienas iš čiuožėjų meta kamuolį ta kryptimi. iš kitas, bet vis dėlto vienas gal būt pagauti šį kamuolį. Nesunku suprasti, kad jei tai būtų įmanoma (o elementariųjų dalelių pasaulyje tai įmanoma), tarp čiuožėjų atsirastų trauka.

Dalelės, dėl kurių mainų atsiranda sąveikos jėgos tarp keturių aukščiau aptartų „medžiagos dalelių“, vadinamos matuoklinėmis dalelėmis. Kiekviena iš keturių sąveikų – stiprioji, elektromagnetinė, silpnoji ir gravitacinė – turi savo matuojamųjų dalelių rinkinį. Stiprios sąveikos dalelės-nešėjai yra gliuonai (jų yra aštuoni). Fotonas yra elektromagnetinės sąveikos nešėjas (jis yra vienas, o fotonus mes suvokiame kaip šviesą). Silpnosios sąveikos dalelės-nešėjai yra tarpiniai vektoriniai bozonai (1983 ir 1984 m. W + -, W- bozonai ir neutralūs Z- bozonas). Gravitacinės sąveikos dalelė-nešėjas vis dar yra hipotetinis gravitonas (jis turėtų būti vienas). Visos šios dalelės, išskyrus fotoną ir gravitoną, kurie gali įveikti be galo didelius atstumus, egzistuoja tik medžiagų dalelių mainų procese. Fotonai užpildo Visatą šviesa, o gravitonai – gravitacinėmis bangomis (tiksliai dar neaptikta).

Sakoma, kad dalelė, galinti skleisti matuojamas daleles, yra apsupta atitinkamo jėgos lauko. Taigi, elektronus, galinčius spinduliuoti fotonus, supa elektriniai ir magnetiniai laukai, taip pat silpni ir gravitaciniai laukai. Kvarkus taip pat supa visi šie laukai, bet ir stiprios sąveikos laukas. Dalelės, turinčios spalvos krūvį spalvos jėgų lauke, yra veikiamos spalvos jėgos. Tas pats pasakytina ir apie kitas gamtos jėgas. Todėl galime sakyti, kad pasaulį sudaro materija (medžiagos dalelės) ir laukas (materialinės dalelės). Daugiau apie tai žemiau.

Antimedžiaga.

Kiekvieną dalelę atitinka antidalelė, su kuria dalelė gali abipusiai anihiliuotis, t.y. „Sunaikinti“, todėl išsiskiria energija. Tačiau „gryna“ energija pati savaime neegzistuoja; dėl sunaikinimo atsiranda naujų dalelių (pavyzdžiui, fotonų), kurios šią energiją neša.

Antidalelė daugeliu atvejų turi priešingų savybių nei atitinkama dalelė: jei dalelė, veikiama stipraus, silpno ar elektromagnetinio lauko, juda į kairę, tai jos antidalelė judės į dešinę. Trumpai tariant, antidalelė turi priešingus visų krūvių požymius (išskyrus masės krūvį). Jei dalelė yra sudėtinė, pavyzdžiui, neutronas, tada jos antidalelė susideda iš komponentų su priešingais krūvio ženklais. Taigi, antielektrono elektrinis krūvis yra +1, silpnas - +1/2 ir vadinamas pozitronu. Antineutroną sudaro ir-antikvarkai, kurių elektros krūvis –2/3 ir d- antikvarkai, kurių elektros krūvis +1/3. Tikrai neutralios dalelės yra jų pačių antidalelės: fotono antidalelė yra fotonas.

Pagal šiuolaikines teorines sampratas, kiekviena gamtoje egzistuojanti dalelė turi turėti savo antidalelę. Ir daug antidalelių, įskaitant pozitronus ir antineutronus, iš tikrųjų buvo pagaminta laboratorijoje. To pasekmės yra nepaprastai svarbios ir yra visos eksperimentinės elementariųjų dalelių fizikos pagrindas. Remiantis reliatyvumo teorija, masė ir energija yra lygiavertės, o tam tikromis sąlygomis energija gali virsti mase. Kadangi krūvis išlieka, o vakuumo (tuščios erdvės) krūvis yra lygus nuliui, iš vakuumo, kaip triušiams iš mago kepurės, gali kilti bet kokia dalelių ir antidalelių pora (kurių bendras krūvis nulinis), jei tik energija pakanka jų masei sukurti.

Dalelių kartos.

Eksperimentai su greitintuvais parodė, kad keturios (kvartetas) medžiagos dalelės kartojasi bent du kartus esant didesnėms masės vertėms. Antroje kartoje elektrono vietą užima miuonas (kurio masė apie 200 kartų didesnė už elektrono masę, bet su tomis pačiomis visų kitų krūvių reikšmėmis), elektrono neutrino vieta yra miuonas ( kuris lydi miuoną silpnoje sąveikoje taip pat, kaip elektroną lydi elektronų neutrinas), vieta ir-kvarkas paima su- kvarkas ( sužavėtas), a d-kvarkas - s- kvarkas ( keista). Trečiosios kartos kvartetą sudaro tau leptonas, tau neutrinas, t- kvarkas ir b- kvarkas.

Svoris t- kvarkas yra apie 500 kartų didesnis už lengviausio masę, d- kvarkas. Eksperimentiškai nustatyta, kad yra tik trijų tipų šviesieji neutrinai. Taigi ketvirtos kartos dalelės arba visai neegzistuoja, arba atitinkami neutrinai yra labai sunkūs. Tai atitinka kosmologinius duomenis, pagal kuriuos gali egzistuoti ne daugiau kaip keturi šviesių neutrinų tipai.

Eksperimentuose su didelės energijos dalelėmis elektronas, miuonas, tau leptonas ir atitinkami neutrinai veikia kaip atskiros dalelės. Jie neturi spalvoto krūvio ir tik sąveikauja su silpna ir elektromagnetine. Bendrai jie vadinami leptonai.

Kita vertus, kvarkai, veikiami spalvų jėgų, jungiasi į stipriai sąveikaujančias daleles, kurios vyrauja daugumoje didelės energijos fizikos eksperimentų. Tokios dalelės vadinamos hadronai... Jie apima du poklasius: barionai(pavyzdžiui, protonas ir neutronas), sudaryti iš trijų kvarkų ir mezonai susidedantis iš kvarko ir antikvarko. 1947 metais kosminiuose spinduliuose buvo aptiktas pirmasis mezonas, vadinamas pionu (arba pi-mezonu), ir kurį laiką buvo manoma, kad šių dalelių mainai yra pagrindinė branduolinių jėgų priežastis. Omega-minus hadronai, atrasti 1964 m. Brukhaveno nacionalinėje laboratorijoje (JAV), ir j-psi dalelė ( J/y-mezonas), atrastas vienu metu Brukhavene ir Stanfordo linijinio greitintuvo centre (taip pat JAV) 1974 m. Omega-minuso dalelės egzistavimą numatė M. Gell-Mann savo vadinamajame „ SU 3 -teorija "(kitas pavadinimas -" aštuonių kartų kelias "), kurioje buvo padaryta pirmoji prielaida apie kvarkų egzistavimo galimybę (ir šis pavadinimas jiems buvo suteiktas). Dešimtmetis po dalelių atradimo J/y patvirtino egzistavimą su-kvarkas ir galiausiai privertė visus patikėti tiek kvarko modeliu, tiek teorija, kuri sujungė elektromagnetines ir silpnąsias jėgas ( žr. žemiau).

Antrosios ir trečiosios kartos dalelės yra ne mažiau tikros nei pirmosios. Tiesa, atsiradę per milijoninę ar milijardąją sekundės dalį, jie suyra į įprastas pirmosios kartos daleles: elektroną, elektronų neutriną ir ir- ir d-kvarkai. Klausimas, kodėl gamtoje egzistuoja kelios dalelių kartos, vis dar yra paslaptis.

Apie skirtingas kvarkų ir leptonų kartas dažnai kalbama (tai, žinoma, kiek ekscentriška), kaip apie skirtingus dalelių „skonius“. Būtinybė juos paaiškinti vadinamas „skonio“ problema.

BOSONAI IR FERMIONAI, LAUKAS IR MEDŽIAGA

Vienas iš esminių dalelių skirtumų yra skirtumas tarp bozonų ir fermionų. Visos dalelės skirstomos į šias dvi pagrindines klases. Identiški bozonai gali susidėti arba persidengti, bet identiški fermionai negali. Superpozicija atsiranda (arba nevyksta) atskirose energijos būsenose, į kurias kvantinė mechanika padalija gamtą. Šios būsenos yra tarsi atskiros ląstelės, kuriose gali būti dedamos dalelės. Taigi, į vieną ląstelę galite įdėti tiek identiškų bozonų, kiek norite, bet tik vieną fermioną.

Kaip pavyzdį apsvarstykite tokias ląsteles arba „būsenas“, skirtas elektronui, besisukančiam aplink atomo branduolį. Skirtingai nuo Saulės sistemos planetų, elektronas pagal kvantinės mechanikos dėsnius negali suktis jokia elipsine orbita, nes yra tik atskira leistinų „judėjimo būsenų“ serija. Tokių būsenų aibės, sugrupuotos pagal atstumą nuo elektrono iki branduolio, vadinamos orbitalės... Pirmoje orbitoje yra dvi būsenos su skirtingu kampiniu momentu, taigi ir dvi leidžiamos ląstelės, o aukštesnėse orbitalėse yra aštuonios ar daugiau ląstelių.

Kadangi elektronas yra fermionas, kiekvienoje ląstelėje gali būti tik vienas elektronas. Iš to išplaukia labai svarbios pasekmės – visa chemija, nes chemines medžiagų savybes lemia atitinkamų atomų sąveika. Jei pereisite per periodinę elementų lentelę iš vieno atomo į kitą taip, kad protonų skaičius branduolyje padidėtų vienu (elektronų skaičius taip pat padidės), tada pirmieji du elektronai užims pirmąją orbitą, kitos aštuonios bus antrajame ir kt. Šis nuoseklus atomų elektroninės struktūros pokytis nuo elemento iki elemento yra atsakingas už jų cheminių savybių dėsningumus.

Jei elektronai būtų bozonai, tai visi atomo elektronai galėtų užimti tą pačią orbitą, atitinkančią minimalią energiją. Be to, visos materijos savybės Visatoje būtų visiškai skirtingos, o tokia forma, kokią mes ją žinome, Visata būtų neįmanoma.

Visi leptonai – elektronas, miuonas, tau leptonas ir juos atitinkantys neutrinai – yra fermionai. Tą patį galima pasakyti ir apie kvarkus. Taigi visos dalelės, sudarančios „materiją“, pagrindinį Visatos užpildą, taip pat nematomi neutrinai, yra fermionai. Tai labai reikšminga: fermionai negali būti derinami, todėl tas pats pasakytina ir apie materialaus pasaulio objektus.

Tuo pačiu metu visos „matūros dalelės“, kuriomis keičiasi sąveikaujančios medžiagos dalelės ir kurios sukuria jėgų lauką ( pažiūrėkite aukščiau) yra bozonai, o tai taip pat labai svarbu. Taigi, pavyzdžiui, daugelis fotonų gali būti vienoje būsenoje, sudarydami magnetinį lauką aplink magnetą arba elektrinį lauką aplink elektros krūvį. Dėl to galimas ir lazeris.

Suk.

Skirtumas tarp bozonų ir fermionų yra susijęs su kita elementariųjų dalelių savybe - suktis... Keista, bet visos pagrindinės dalelės turi savo kampinį momentą arba, paprasčiau tariant, sukasi aplink savo ašį. Impulso momentas yra sukamojo judesio charakteristika, taip pat bendras impulsas - transliacinis. Bet kokios sąveikos metu išsaugomas kampinis momentas ir impulsas.

Mikrokosme kampinis momentas yra kvantuojamas, t.y. ima atskiras vertes. Tinkamais vienetais leptonų ir kvarkų sukimasis lygus 1/2, o matuoklio dalelių sukimasis lygus 1 (išskyrus gravitoną, kuris dar nebuvo pastebėtas eksperimentiškai, bet teoriškai turėtų turėti sukimąsi 2). Kadangi leptonai ir kvarkai yra fermionai, o matuoklio dalelės yra bozonai, galima daryti prielaidą, kad „fermioniškumas“ yra susijęs su sukiniu 1/2, o „bozoniškumas“ – su 1 (arba 2) sukimu. Iš tiesų, ir eksperimentas, ir teorija patvirtina, kad jei dalelė turi pusės sveikojo skaičiaus sukimąsi, tada ji yra fermionas, o jei visuma, tai bozonas.

DYDŽIO TEORIJA IR GEOMETRIJA

Visais atvejais jėgos atsiranda dėl bozonų mainų tarp fermionų. Taigi dviejų kvarkų (kvarkų - fermionų) sąveikos spalvinė jėga atsiranda dėl gliuonų mainų. Šie mainai nuolat vyksta protonuose, neutronuose ir atomų branduoliuose. Taip pat fotonai, kuriais keičiasi elektronai ir kvarkai, sukuria elektrines patrauklias jėgas, kurios laiko elektronus atome, o tarpiniai vektoriniai bozonai, kuriais keičiasi leptonai ir kvarkai, sukuria silpnas jėgas, atsakingas už protonų pavertimą neutronais termobranduolinėse reakcijose žvaigždėse.

Tokio mainų teorija yra elegantiška, paprasta ir tikriausiai teisinga. Tai vadinama matuoklio teorija... Tačiau šiuo metu yra tik nepriklausomos stipriosios, silpnosios ir elektromagnetinės sąveikos matuoklių teorijos ir panaši, nors ir šiek tiek kitokia, gravitacijos matavimo teorija. Viena iš svarbiausių fizinių problemų yra šių atskirų teorijų redukavimas į vieną ir tuo pačiu paprastą teoriją, kurioje jos visos taptų skirtingais vienos tikrovės aspektais – tarsi kristalo briauna.

Paprasčiausia ir seniausia matuoklių teorija yra elektromagnetinės sąveikos matuoklio teorija. Jame elektrono krūvis lyginamas (kalibruojamas) su kito elektrono, toli nuo jo, krūviu. Kaip galima palyginti mokesčius? Pavyzdžiui, galite priartinti antrąjį elektroną prie pirmojo ir palyginti jų sąveikos jėgas. Bet ar nepasikeičia elektrono krūvis, kai jis juda į kitą erdvės tašką? Vienintelis būdas patikrinti – siųsti signalą iš artimojo į tolimą elektroną ir pažiūrėti, kaip jis reaguoja. Signalas yra kalibravimo dalelė – fotonas. Kad būtų galima patikrinti tolimų dalelių krūvį, reikalingas fotonas.

Matematiškai ši teorija itin tiksli ir graži. Visa kvantinė elektrodinamika (kvantinė elektromagnetizmo teorija), taip pat Maksvelo elektromagnetinio lauko teorija, vienas didžiausių XIX amžiaus mokslo laimėjimų, išplaukia iš aukščiau aprašyto „matometro principo“.

Kodėl toks paprastas principas toks vaisingas? Matyt, ji išreiškia tam tikrą koreliaciją tarp skirtingų Visatos dalių, leidžiančią atlikti matavimus Visatoje. Matematiškai laukas interpretuojamas geometriškai kaip kokios nors įsivaizduojamos „vidinės“ erdvės kreivumas. Tačiau krūvio matavimas yra viso „vidinio kreivumo“ aplink dalelę matavimas. Stipriosios ir silpnosios sąveikos matuoklio teorijos skiriasi nuo elektromagnetinių matuoklių teorijos tik atitinkamo krūvio vidine geometrine „struktūra“. Į klausimą, kur tiksliai yra ši vidinė erdvė, atsako daugiamatės vieningo lauko teorijos, kurios čia nenagrinėjamos.

Dalelių fizika dar nebaigta. Vis dar toli gražu neaišku, ar turimų duomenų pakanka iki galo suprasti dalelių ir jėgų prigimtį, taip pat tikrąją erdvės ir laiko prigimtį bei matmenis. Ar tam reikia eksperimentų su 10 15 GeV energijomis, ar užteks minties pastangų? Atsakymo dar nėra. Tačiau galime drąsiai teigti, kad galutinis vaizdas bus paprastas, grakštus ir gražus. Gali būti, kad esminių idėjų nebus tiek daug: matuoklio principas, didesnių matmenų erdvės, griūtis ir plėtimasis, o svarbiausia – geometrija.

Leptonai nedalyvauja stiprioje sąveikoje. elektronas. pozitronas. miuonas. neutrinas yra lengva neutrali dalelė, dalyvaujanti tik silpnoje ir gravitacinėje sąveikoje. neutrinas (# srautas). kvarkai. Sąveikos nešėjai: fotonas yra šviesos kvantas ...

„Bazinių tyrimų“ užklausa nukreipiama čia; taip pat žr. kitas reikšmes. Fundamentalus mokslas yra žinių sritis, apimanti teorinius ir eksperimentinius fundamentinių reiškinių mokslinius tyrimus (įskaitant ... ... Wikipedia

Prašymas „Atominės dalelės“ nukreipiamas čia; taip pat žr. kitas reikšmes. Elementarioji dalelė yra kolektyvinis terminas, reiškiantis subbranduolinio masto mikroobjektus, kurių negalima padalyti į sudedamąsias dalis. Turi būti ... ... Vikipedijoje

Elementarioji dalelė yra kolektyvinis terminas, reiškiantis subbranduolinio masto mikroobjektus, kurių negalima padalyti (arba kol neįrodyta) į jų sudedamąsias dalis. Jų sandarą ir elgesį tiria elementariųjų dalelių fizika. Koncepcija ... ... Vikipedija

elektronas- ▲ pagrindinė dalelė, turinti elementą, elektroną neigiamai įkrauta elementarioji dalelė su elementariu elektros krūviu. ↓ ... Ideografinis rusų kalbos žodynas

Elementarioji dalelė yra kolektyvinis terminas, reiškiantis subbranduolinio masto mikroobjektus, kurių negalima padalyti (arba kol neįrodyta) į jų sudedamąsias dalis. Jų sandarą ir elgesį tiria elementariųjų dalelių fizika. Koncepcija ... ... Vikipedija

Šis terminas turi kitas reikšmes, žr. Neutrino (nurodymas). elektronas neutrinas muoninis neutrinas tau neutrinas Simbolis: νe νμ ντ Sudėtis: elementarioji dalelė Šeima: Fermionai ... Vikipedija

Fundamentinių sąveikų tipas (kartu su gravitacine, silpna ir stipria), kuriai būdingas elektromagnetinio lauko (žr. Elektromagnetinis laukas) dalyvavimas sąveikos procesuose. Elektromagnetinis laukas (kvantinėje fizikoje ...... Didžioji sovietinė enciklopedija

Viena dviprasmiškiausių filosofijų. sąvokos, su kuriomis siejama viena (ar kai kurios) iš šių reikšmių: 1) tai, kurią apibrėžiančios charakteristikos yra ilgis, vieta erdvėje, masė, svoris, judėjimas, inercija, pasipriešinimas, ... ... Filosofinė enciklopedija

Knygos

• Kinetinė gravitacijos teorija ir vieningos materijos teorijos pagrindai, V. Ya. Bril. Visi materialūs gamtos objektai (tiek materialūs, tiek lauko) yra atskiri. Jie susideda iš elementarių stygos formos dalelių. Nedeformuota pagrindinė eilutė yra lauko dalelė, ...

Mikrokosmoso struktūros

Anksčiau elementariosios dalelės buvo vadinamos dalelėmis, kurios yra atomo dalis ir negali būti suskaidomos į elementaresnius komponentus, būtent elektronus ir branduolius.

Vėliau buvo nustatyta, kad branduoliai susideda iš paprastesnių dalelių - nukleonai(protonai ir neutronai), kurie savo ruožtu yra sudaryti iš kitų dalelių. Štai kodėl elementariosios dalelės pradėtos laikyti mažiausiomis materijos dalelėmis , neįskaitant atomų ir jų branduolių .

Iki šiol buvo atrasta šimtai elementariųjų dalelių, todėl jas reikia klasifikuoti:

- pagal sąveikos tipus

- pagal gyvenimo laikus

- didžiausia nugara

Elementariosios dalelės skirstomos į šias grupes:

Sudėtinės ir pagrindinės (bestruktūrinės) dalelės

Sudėtinės dalelės

Hadronai (sunkieji)- dalelės, dalyvaujančios visose pagrindinėse sąveikose. Jie susideda iš kvarkų ir savo ruožtu skirstomi į: mezonai- hadronai su sveikuoju sukiniu, tai yra, jie yra bozonai; barionai- hadronai su pusiau sveikuoju skaičiumi, tai yra, fermionai. Tai visų pirma dalelės, sudarančios atomo branduolį – protonas ir neutronas, t.y. nukleonai.

Fundamentalios (bestruktūrinės) dalelės

Leptonai (plaučiai)- fermionai, kurie yra taškinių dalelių pavidalo (ty iš nieko nesudarantys) iki 10-18 m mastelio.Jie nedalyvauja stiprioje sąveikoje. Dalyvavimas elektromagnetinėse sąveikose eksperimentiškai buvo stebimas tik įkrautiems leptonams (elektronams, miuonams, tau leptonams), o neutrinams nebuvo pastebėtas.

Kvarkai- dalelės įkrautos dalelės, sudarančios hadronus. Laisvoje valstybėje nepastebėta.

Matuoti bozonus- dalelės, kuriomis keičiantis vyksta sąveika:

- fotonas - dalelė, kuri atlieka elektromagnetinę sąveiką;

- aštuoni gliuonai – dalelės, turinčios stiprią sąveiką;

- trys tarpiniai vektoriniai bozonai W + , W- ir Z 0, turintis silpną sąveiką;

- gravitonas yra hipotetinė dalelė, kuri atlieka gravitacinę sąveiką. Gravitonų egzistavimas, nors dar neįrodytas eksperimentiškai dėl gravitacinės sąveikos silpnumo, laikomas gana tikėtinu; tačiau gravitonas nėra elementariųjų dalelių standartinio modelio dalis.

Remiantis šiuolaikinėmis koncepcijomis, pagrindinės dalelės (arba „tikrai“ elementarios dalelės), neturinčios vidinės struktūros ir baigtinio dydžio, apima:

Kvarkai ir leptonai

Dalelės, užtikrinančios esminę sąveiką: gravitonai, fotonai, vektoriniai bozonai, gliuonai.

Elementariųjų dalelių klasifikavimas pagal gyvavimo trukmę:

- stabilus: dalelės, kurių gyvavimo laikas yra labai ilgas (riboje linkęs į begalybę). Jie apima elektronų , protonų , neutrino ... Neutronai taip pat yra stabilūs branduolių viduje, tačiau jie yra nestabilūs už branduolio ribų.

- nestabilus (kvazi-stabilios): elementariosios dalelės yra tos dalelės, kurios suyra dėl elektromagnetinės ir silpnos sąveikos ir kurių gyvavimo trukmė yra daugiau nei 10-20 sek. Šios dalelės apima laisvasis neutronas (ty neutronas, esantis už atomo branduolio)

- rezonansus (nestabilus, trumpalaikis). Rezonansai apima elementariąsias daleles, kurios suyra dėl stiprios sąveikos. Jų tarnavimo laikas yra mažesnis nei 10-20 sek.

Dalelių klasifikavimas pagal dalyvavimą sąveikose:

- leptonai : tai apima neutronus. Visi jie nedalyvauja intrabranduolinės sąveikos sūkuryje, t.y. nėra stipriai sąveikaujama. Jie dalyvauja silpnoje sąveikoje, o turėdami elektros krūvį dalyvauja ir elektromagnetinėje sąveikoje.

- hadronai : dalelės, esančios atomo branduolyje ir dalyvaujančios stiprioje sąveikoje. Garsiausios iš jų yra protonas ir neutronas .

Žinomas šiandien šeši leptonai :

Į tą pačią šeimą su elektronu priklauso miuonai ir tau dalelės, kurios yra panašios į elektroną, bet už jį masyvesnės. Miuonai ir tau dalelės yra nestabilios ir laikui bėgant suyra į keletą kitų dalelių, įskaitant elektroną.

Trys elektra neutralios dalelės, kurių masė nulinė (arba artima nuliui, mokslininkai dar neapsisprendė dėl šios) masės, vadinamos neutrino ... Kiekvienas iš trijų neutrinų (elektroninis neutrinas, muoninis neutrinas, tau neutrinas) yra suporuotas su viena iš trijų elektroninės šeimos dalelių tipų.

Garsiausias hadronai , protonai ir neutrinai, yra šimtai giminaičių, kurių gimsta labai daug ir iš karto suyra įvairių branduolinių reakcijų procese. Išskyrus protoną, jie visi yra nestabilūs ir gali būti klasifikuojami pagal dalelių, į kurias jie skyla, sudėtį:

Jei tarp galutinių dalelių skilimo produktų yra protonas, jis vadinamas barionas

Jei tarp skilimo produktų nėra protono, tai dalelė vadinama mezonas .

Sumaišytas subatominio pasaulio vaizdas, kuris darėsi vis sudėtingesnis atradus kiekvieną naują hadroną, užleido vietą naujam paveikslui, atsiradus kvarkų sampratai. Pagal kvarkų modelį visi hadronai (bet ne leptonai) susideda iš dar daugiau elementarių dalelių – kvarkų. Taigi barionai (ypač protonas) susideda iš trijų kvarkų ir mezonai - iš kvarko poros - antikvarkas.