Про розуміння руху матерії, здатність її до саморозвитку, а також зв'язку та взаємодії матеріальних об'єктів у сучасному природознавстві. Фундаментальні частки Як працює частка «не»
Лептони не беруть участь у сильній взаємодії. електрон. позитрон. мюон. нейтрино легка нейтральна частка, що бере участь тільки в слабкому і гравітаційної взаємодії. нейтринний (# потік). кварки. переносники взаємодій: фотон квант світла.
Запит «Фундаментальні дослідження» перенаправляється сюди; див. також інші значення. Фундаментальна наука – область пізнання, що передбачає теоретичні та експериментальні наукові дослідження основних явищ (в тому числі і… … Вікіпедія
Запит "Елементарні частинки" перенаправляється сюди; див. також інші значення. Елементарна частка збірний термін, що відноситься до мікрооб'єктів у суб'ядерному масштабі, які неможливо розщепити на складові частини. Слід мати на… … Вікіпедія
Елементарна частка збірний термін, що відноситься до мікрооб'єктів у суб'ядерному масштабі, які неможливо розщепити (або поки це не доведено) на складові частини. Їхня будова та поведінка вивчається фізикою елементарних частинок. Поняття… … Вікіпедія
електрон- ▲ фундаментальна частка має елемент, заряд електрон, негативно заряджена елементарна частка з елементарним електричним зарядом. ↓ … Ідеографічний словник української мови
Елементарна частка збірний термін, що відноситься до мікрооб'єктів у суб'ядерному масштабі, які неможливо розщепити (або поки це не доведено) на складові частини. Їхня будова та поведінка вивчається фізикою елементарних частинок. Поняття… … Вікіпедія
Цей термін має й інші значення, див. Нейтрино (значення). електронне нейтрино мюонне нейтрино тау нейтрино Символ: νe νμ ντ Склад: Елементарна частка Сім'я: Ферміони … Вікіпедія
Тип фундаментальних взаємодій (поряд з гравітаційним, слабким та сильним), який характеризується участю електромагнітного поля (див. Електромагнітне поле) у процесах взаємодії. Електромагнітне поле (в квантовій фізиці… Велика радянська енциклопедія
Одне з найбільш багатозначних філос. понять, якому надається один (або деякі) з наступних смислів: 1) визначальними характеристиками чого є протяжність, місце в просторі, маса, вага, рух, інерція, опір, … Філософська енциклопедія
Книги
- Кінетична теорія гравітації та основи єдиної теорії матерії, В. Я. Бріль. Усі матеріальні об'єкти природи (і речові, і польові) дискретні. Вони складаються з елементарних частинок струноподібної форми. Недеформована фундаментальна струна - польова частка,...
Цікава стаття
Нещодавно фізикам, які спостерігали за черговим експериментом, що проходив у Великому адронному колайдері, нарешті вдалося знайти сліди бозона Хіггса, або, як його називають багато журналістів, "божественної частки". Це означає, що будівництво колайдера себе повністю виправдало - адже його зробили саме для того, щоб упіймати цей невловимий бозон.
Фізики, які працюють на Великому адронному колайдері за допомогою детектора CMS, вперше зафіксували народження двох Z-бозонів - один з типів подій, які можуть бути свідченням існування "важкого" варіанта бозона Хіггса. Якщо бути дуже точним, то 10 жовтня детектор CMS вперше виявив появу чотирьох мюонів. Попередні результати реконструкції дозволили вченим інтерпретувати цю подію як кандидата у народження двох нейтральних калібрувальних Z-бозонів.
Думаю, зараз нам слід трохи відволіктися і поговорити про те, що таке ці мюони, бозони та інші елементарні частинки. Згідно зі стандартною моделлю квантової механіки весь світ складається з різних елементарних частинок, які, контактуючи одна з одною, породжують усі відомі типи маси та енергії.
Вся речовина, наприклад, складається з 12 фундаментальних частинок-ферміонів: 6 лептонів, таких як електрон, мюон, тау-лептон, три сорти нейтрино і 6 кварків (u, d, s, c, b, t), які можна об'єднати у три покоління ферміонів. Ферміони - це частинки, які можуть бути у вільному стані, а кварки - ні, вони входять до складу інших частинок, наприклад добре відомих усім протонів і нейтронів.
При цьому кожна з частинок бере участь у певному типі взаємодій, яких, як ми пам'ятаємо, всього чотири: електромагнітне, слабке (взаємодія частинок при β-розпаді ядра атомів), сильне (воно скріплює атомне ядро) і гравітаційне. Останнє, результатом якого є, наприклад, земне тяжіння, стандартною моделлю не розглядається, оскільки гравітон (частка, що забезпечує його) досі не знайдено.
З іншими типами все простіше - частки, які у них беруть участь, фізики знають "на обличчя". Так, наприклад, кварки беруть участь у сильних, слабких та електромагнітних взаємодіях; заряджені лептони (електрон, мюон, тау-лептон) - у слабких та електромагнітних; нейтрино - лише у слабких взаємодіях.
Однак крім цих "масових" частинок є ще й так звані віртуальні частинки, деякі з яких (наприклад, фотон) взагалі не мають маси. Чесно кажучи, віртуальні частки - це більш математичне явище, ніж фізична реальність, оскільки їх досі ніхто ніколи не "бачив". Однак у різних експериментах фізики можуть помітити сліди їхнього існування, оскільки воно, на жаль, дуже недовговічне.
Що це за такі цікаві частинки? Вони народжуються тільки в момент якоїсь взаємодії (з описаних вище), після чого або розпадаються, або поглинаються якийсь із фундаментальних частинок. Вважається, що вони як би "переносять" взаємодію, тобто, контактуючи з фундаментальними частинками, змінюють їх характеристики, завдяки чому взаємодія, власне, і відбувається.
Так, наприклад, при електромагнітних взаємодіях, які вивчені найкраще, електрони постійно поглинають і випускають віртуальні безмасові частки фотони, внаслідок чого властивості самих електронів дещо змінюються і вони стають здатними на такі подвиги, як, наприклад, спрямований рух (тобто електричний струм ), або "перескок" на інший енергетичний рівень (як це відбувається при фотосинтезі рослин). Так само віртуальні частки працюють і за інших типів взаємодій.
Сучасній фізиці крім фотона відомі також ще два типи віртуальних частинок, що отримали назву бозонів та глюонів. Для нас зараз особливо цікаві бозони - вважається, що при всіх взаємодіях фундаментальні частки постійно обмінюються ними і тим самим впливають одна на одну. Самі бозони вважаються безмасовими частинками, хоча деякі експерименти показують, що це не зовсім так - W- і Z-бозони можуть отримувати масу на короткий час.
Одним із найтаємничіших бозонів є той самий бозон Хіггса, для виявлення слідів якого, власне, і був побудований Великий адронний колайдер. Вважається, що ця загадкова частка є однією з найпоширеніших і найважливіших бозонів у Всесвіті.
Ще в 1960-і роки англійський професор Пітер Хіггс запропонував гіпотезу, згідно з якою вся речовина, що існує у Всесвіті, створена при взаємодії різних частинок з якоюсь вихідною першоосновою (що вийшла в результаті Великого вибуху), яку пізніше назвали на честь нього. Він висунув припущення, що Всесвіт пронизаний незримим полем, проходячи крізь яке деякі елементарні частинки "обростають" деякими бозонами, знаходячи тим самим масу, інші ж, наприклад фотони, залишаються не обтяженими вагою.
Вчені зараз розглядають дві можливості - існування "легкого" та "важкого" варіантів. "Легкий" Хіггс з масою від 135 до 200 гігаелектронвольт повинен розпадається на пари W-бозонів, а якщо маса бозона становить 200 гігаелектронвольт або більше, то на пари Z-бозонів, які у свою чергу породжують пари електронів або мюонів.
Виходить, що таємничий бозон Хіггса є хіба що "творцем" всього у Всесвіті. Можливо, саме тому нобелівський лауреат Леон Ледерман якось назвав його "часткою-богом". Але в засобах масової інформації цей вислів дещо спотворили, і він став звучати як "частка Бога" або "божественна частка".
Як можна отримати сліди присутності "частки-бога"? Вважається, що бозон Хіггса може утворюватися в ході зіткнень протонів із нейтрино у прискорювальному кільці колайдера. При цьому, як ми пам'ятаємо, він має одразу розпадатися на ряд інших частинок (зокрема, Z-бозонів), які можуть бути зареєстровані.
Правда, самі Z-бозони детектори зафіксувати не можуть через надзвичайно короткий час життя цих елементарних частинок (близько 3×10-25 секунди), проте вони можуть "зловити" мюони, на які перетворюються Z-бозони.
Нагадаю, що мюон – нестійка елементарна частка з негативним електричним зарядом та спином ½. У традиційних атомах не зустрічається, колись його знаходили лише у космічних променях, мають швидкості, близькі до швидкості світла. Час життя мюона дуже невеликий - він існує лише 2,2 мікросекунди, а потім розпадається на електрон, електронне антинейтрино та мюонне нейтрино.
Штучним способом мюони можна отримати, зіштовхнувши на високих швидкостях протон і нейтрино. Однак довгий час не вдавалося досягти подібних швидкостей. Це вдалося зробити лише під час будівництва Великого адронного колайдера.
І ось нарешті перші результати було отримано. Під час експерименту, що пройшов 10 жовтня цього року, внаслідок зіткнення протона з нейтрино було зафіксовано народження чотирьох мюонів. Це доводить те, що поява двох нейтральних калібрувальних Z-бозонів мала місце (вони завжди виявляються при подібних подіях). Отже, існування бозона Хіггса - це міф, а реальність.
Щоправда, вчені зазначають, що сама собою ця подія не обов'язково вказує на народження бозона Хіггса, оскільки до появи чотирьох мюонів можуть вести й інші події. Однак це перша з подій такого типу, які, зрештою, можуть видати хіггсівську частинку. Щоб з упевненістю говорити про існування бозона Хіггса в тому чи іншому діапазоні мас, необхідно накопичити значну кількість подібних подій і проаналізувати, як розподілені маси часток, що народжуються.
Однак, що не кажи, перший крок до доказу існування "частки-бога" вже зроблено. Можливо, подальші експерименти зможуть дати ще більше інформації про загадковий бозон Хіггса. Якщо вчені зможуть нарешті "зловити" його, то їм вдасться відтворити умови, що існували 13 мільярдів років тому після Великого вибуху, тобто ті, за яких зароджувався наш Всесвіт.
| Покоління | Кварки із зарядом (+2/3) | Кварки із зарядом (−1/3) | ||||||
| Символ кварка/антикварка | Маса (МеВ) | Назва / аромат кварку / антикварка | Символ кварка/антикварка | Маса (МеВ) | ||||
|---|---|---|---|---|---|---|---|---|
| 1 | u-кварк (up-кварк)/анти-u-кварк | texvcне знайдено; math/README - довідку з налаштування.): u / \, \overline(u)
|
від 1,5 до 3 | d-кварк (down-кварк)/анти-d-кварк | Неможливо розібрати вираз (виконуваний файл texvcне знайдено; math/README - довідку з налаштування.): d / \, \overline(d)
|
4,79±0,07 | ||
| 2 | c-кварк (charm-кварк)/анти-c-кварк | Неможливо розібрати вираз (виконуваний файл texvcне знайдено; math/README - довідку з налаштування.): c / \, \overline(c)
|
1250 ± 90 | s-кварк (strange-кварк)/анти-s-кварк | Неможливо розібрати вираз (виконуваний файл texvcне знайдено; Math/README - довідку з налаштування.): s / \, \overline(s)
|
95 ± 25 | ||
| 3 | t-кварк (top-кварк)/анти-t-кварк | Неможливо розібрати вираз (виконуваний файл texvcне знайдено; Math/README - довідку з налаштування.): t / \, \overline(t)
|
174200 ± 3300 | b-кварк (bottom-кварк)/анти-b-кварк | Неможливо розібрати вираз (виконуваний файл texvcне знайдено; math/README - довідку з налаштування.): b / \, \overline(b)
|
4200 ± 70 | ||
також
Напишіть відгук про статтю "Фундаментальна частка"
Примітки
Посилання
- С. А. Словатинський// Московський фізико-технічний інститут (Довгопрудний, Московської обл.)
- Словатинський С.А. // СОЖ, 2001, No 2, с. 62–68 архів http://web.archive.org/web/20060116134302/http://journal.issep.rssi.ru/annot.php?id=S1176
- // nuclphys.sinp.msu.ru
- // second-physics.ru
- // physics.ru
- // nature.web.ru
- // nature.web.ru
- // nature.web.ru
| Найбільш відома формула з ОТО – закон збереження енергії-маси | Це незавершена стаття з фізики. Ви можете допомогти проекту, доповнивши її. |
| |||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| Покоління | Кварки із зарядом (+2/3) | Кварки із зарядом (−1/3) | ||||||
| Символ кварка/антикварка | Маса (МеВ) | Назва / аромат кварку / антикварка | Символ кварка/антикварка | Маса (МеВ) | ||||
|---|---|---|---|---|---|---|---|---|
| 1 | u-кварк (up-кварк)/анти-u-кварк | від 1,5 до 3 | d-кварк (down-кварк)/анти-d-кварк | 4,79±0,07 | ||||
| 2 | c-кварк (charm-кварк)/анти-c-кварк | 1250 ± 90 | s-кварк (strange-кварк)/анти-s-кварк | 95 ± 25 | ||||
| 3 | t-кварк (top-кварк)/анти-t-кварк | 174200 ± 3300 | b-кварк (bottom-кварк)/анти-b-кварк | 4200 ± 70 | ||||
також
Напишіть відгук про статтю "Фундаментальна частка"
Примітки
Посилання
- С. А. Словатинський// Московський фізико-технічний інститут (Довгопрудний, Московської обл.)
- Словатинський С.А. // СОЖ, 2001, No 2, с. 62–68 архів web.archive.org/web/20060116134302/journal.issep.rssi.ru/annot.php?id=S1176
- // nuclphys.sinp.msu.ru
- // second-physics.ru
- // physics.ru
- // nature.web.ru
- // nature.web.ru
- // nature.web.ru
|
||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
Уривок, що характеризує Фундаментальна частка
Другого дня він прокинувся пізно. Відновлюючи враження минулого, він згадав насамперед те, що нині треба представлятися імператору Францу, згадав військового міністра, чемного австрійського флігеля ад'ютанта, Білібіна та розмову вчорашнього вечора. Одягнувшись у повну парадну форму, яку він уже давно не одягав, для поїздки до палацу, він, свіжий, жвавий і гарний, з підв'язаною рукою, увійшов до кабінету Білібіна. У кабінеті перебували чотири пани дипломатичного корпусу. З князем Іполитом Курагіним, який був секретарем посольства, Болконський був знайомий; з іншими його познайомив Білібіна.Панове, що були у Білібіна, світські, молоді, багаті та веселі люди, складали і у Відні і тут окремий гурток, який Білібін, колишній главою цього гуртка, називав наші, les nфtres. У цьому гуртку, що складався майже виключно з дипломатів, мабуть, були свої, що не мали нічого спільного з війною і політикою, інтереси вищого світу, стосунків до деяких жінок і канцелярської сторони служби. Ці панове, мабуть, охоче, як свого (честь, яку вони робили небагатьом), прийняли до свого гуртка князя Андрія. З чемності, і як предмет для вступу в розмову, йому зробили кілька питань про армію та битву, і розмова знову розсипалася на непослідовні, веселі жарти та пересуди.
- Але особливо добре, - говорив один, розповідаючи невдачу товариша дипломата, - особливо добре те, що канцлер прямо сказав йому, що призначення його до Лондона є підвищення, і щоб він так і дивився на це. Чи бачите ви його фігуру при цьому?
— Але що найгірше, панове, я вам видаю Курагіна: людина в нещасті, і цим користується цей Дон Жуан, цей жахливий чоловік!
Князь Іполит лежав у вольтерівському кріслі, поклавши ноги через ручку. Він засміявся.
— Parlez moi de ca, — сказав він.
- О, Дон Жуане! О, змія! – почулися голоси.
– Ви не знаєте, Болконський, – звернувся Білібін до князя Андрія, – що всі жахи французької армії (я мало не сказав – російської армії) – ніщо в порівнянні з тим, що наробила між жінками ця людина.
- La femme est la compagne de l'homme, [Жінка - подруга чоловіка,] - промовив князь Іполит і став дивитися в лорнет на свої підняті ноги.
Білібін і наші розреготалися, дивлячись у вічі Іполиту. Князь Андрій бачив, що цей Іполит, якого він (мало зізнатися) майже ревнував до своєї дружини, був блазнем у цьому суспільстві.
- Ні, я мушу вас пригостити Курагіним, - сказав Білібін тихо Болконському. – Він чарівний, коли розмірковує про політику, треба бачити цю важливість.
Він підсів до Іполита і, зібравши на лобі свої складки, завів з ним розмову про політику. Князь Андрій та інші обступили обох.
– Le cabinet de Berlin, я не хотів, щоб я знав, що я бачу, – почав Іполит, значно оглядаючи всіх, – мабуть, я маю на увазі… comme dans sa derieniere note… vous comprenez… vous comprenez… au principe de notre alliance… [Берлінський кабінет не може висловити свою думку про союз, не висловлюючи… як у своїй останній ноті… ви розумієте… ви розумієте… втім, якщо його величність імператор не змінить сутності нашого союзу…]
- Attendez, je n'ai pas fini... - сказав він князю Андрію, хапаючи його за руку. Ет ... - Він помовчав. – On ne pourra pas imputer a la fin de non recevoir notre depeche du 28 November. Voila comment tout cela finira. [Почекайте, я не скінчив. Я думаю, що втручання буде міцнішим за невтручання І… Неможливо вважати справу закінченим неприйняттям нашої депеші від 28 листопада. Чим усе це скінчиться.]
І він відпустив руку Болконського, показуючи тим, що тепер зовсім закінчив.
— Demosthenes, я знаю тебе, що я знаю тебе по камінчику, який ти приховуєш у своїх золотих вустах! .
Усі засміялися. Іполит сміявся найголосніше. Він, мабуть, страждав, задихався, але не міг утриматися від дикого сміху, що розтягує його завжди нерухоме обличчя.
- Ну ось що, панове, - сказав Білібін, - Болконський мій гість у домі і тут у Брюнні, і я хочу його пригостити, скільки можу, усіма радощами тутешнього життя. Якби ми були у Брюнні, це було б легко; але тут, dans ce vilain trou morave [у цій поганій моравській дірі], це важче, і я прошу у всіх вас допомоги. Il faut lui faire les honneurs de Brunn. [Треба йому показати Брюнн.] Ви візьміть на себе театр, я суспільство, ви, Іполит, зрозуміло, жінок.
- Треба йому показати Амелі, краса! – сказав один із наших, цілуючи кінчики пальців.
– Взагалі цього кровожерного солдата, – сказав Білібін, – треба звернути до більш людинолюбних поглядів.
- Навряд чи я скористаюся вашою гостинністю, панове, і тепер мені час їхати, - поглядаючи на годинник, сказав Болконський.
– Куди?
– До імператора.
– О! о! о!
- Ну, до побачення, Болконський! До побачення, князю; приїжджайте ж обідати раніше, - поширилися голоси. – Ми беремося за вас.
— Намагайтеся якнайбільше розхвалювати порядок у доставці провіанту та маршрутів, коли говоритимете з імператором, — сказав Білібін, проводжаючи до передньої Болконського.
- І хотів би хвалити, але не можу скільки знаю, - посміхаючись відповідав Болконський.
– Ну, взагалі якнайбільше кажіть. Його пристрасть – аудієнції; а говорити сам він не любить і не вміє, як побачите.
Одиниці виміру фізичних величин під час опису явищ, які у мікросвіті, поділяються на основні і похідні, які визначаються через математичну запис законів фізики.
У зв'язку з тим, що всі фізичні явища відбуваються у просторі та часі, за основні одиниці приймають насамперед одиниці довжини та часу, до них приєднується одиниця маси. Основні одиниці: довжини l, часу t, маси m одержують певну розмірність. Розміри похідних одиниць визначаються формулами, що виражають певні фізичні закони.
Розміри основних фізичних одиниць підбирають так, щоб практично було зручно ними користуватися.
У системі СІ прийняті такі розмірності: довжини [ l] = м (метр), часу [t] = з (секунда), маси [т] = кг (кілограм).
У системі СГС для основних одиниць прийнято такі розмірності: довжини [/] = см (сантиметр), часу [t] = с (секунда) і маси [т] = г (грам). Для опису явищ, які у мікросвіті, можна використовувати обидві системи одиниць СІ і СГС.
Оцінимо порядки величин довжини, часу та маси в явищах мікросвіту.
Крім загальноприйнятих міжнародних системодиниць СІ та СГС використовуються також "природні системи одиниць", що спираються на універсальні фізичні константи. Ці системи одиниць особливо доречні й у різних фізичних теоріях. У природній системі одиниць за основні одиниці прийняті фундаментальні постійні: швидкість світла у вакуумі − с, постійна Планка − ћ, гравітаційна постійна G N , постійна Больцмана − k: число Авогадро − N A та ін. У природній системі одиниць Планка прийнято з = ћ = G N = k = 1. Цією системою одиниць користуються в космології для опису процесів, у яких одночасно суттєві квантові та гравітаційні ефекти (теорії Чорних дірок, теорії раннього Всесвіту).
У природній системі одиниць вирішено проблему природної одиниці довжини. Такий можна вважати комптонівську довжину хвилі 0, яка визначається масою частинки М: 0 = ћ/Мс.
Довжинахарактеризує розмір об'єкта. Так, для електрона класичний радіус r 0 = e 2 /m e c 2 = 2.81794·10 -13 см (е, m е − заряд та маса електрона). Класичний радіус електрона має сенс радіуса зарядженої кулі із зарядом е (розподіл сферично симетрично), при якому енергія електростатичного поля кулі ε = γе 2 /r 0 дорівнює енергії спокою електрона m e c 2 (використовується при розгляді розсіювання світла томпсонівського).
Використовується також радіус борівської орбіти. Він визначається як відстань від ядра, на якому з найбільшою ймовірністю можна виявити електрон у збудженому атомі водню
a 0 = ћ 2 /m e e 2 (у СГС-системі) та a 0 = (α/4π)R = 0.529 · 10 -10 м (у СІ-системі), α = 1/137.
Розмір нуклону r ≈ 10 -13 см (1 фемтометр). Характерні розміри атомних систем − 10 -8 , ядерних систем − 10 -12 ÷ 10 -13 см.
Часзмінюється у широкому інтервалі та визначається як відношення відстані R до швидкості об'єкта v. Для мікрооб'єктів отрута = R/v = 5 · 10 -12 см / 10 9 см / с ~ 5 · 10 -22 с;
τ елем год = 10 -13 см/3 · 10 10 см / с = 3 · 10 -24 с.
Масиоб'єктів змінюються від 0 до М. Так, маса електрона m е ≈ 10 -27 г, маса протона
m р ≈ 10 -24 г (СГС-система). Одна атомна одиниця маси, що використовується в атомній та ядерній фізиці, 1 а.е.м. = М(С)/12 одиницях маси атома вуглецю.
p align="justify"> До фундаментальних характеристик мікрооб'єктів слід віднести електричний заряд, а також характеристики, необхідні для ідентифікації елементарної частинки.
Електричний заряд
часток Q вимірюється зазвичай, у одиницях заряду електрона. Заряд електрона е = 1.6 10 -19 кулон. Для часток у вільному стані Q/e = ±1, 0, а для кварків, що входять до складу адронів, Q/e = ±2/3 та ±1/3.
У ядрах заряд визначається кількістю протонів Z, які у ядрі. Заряд протона по абсолютній величині дорівнює заряду електрона.
Для ідентифікації елементарної частки необхідно знати:
I – ізотопічний спин;
J – власний момент кількості руху – спин;
Р – просторову парність;
С – зарядову парність;
G − G-парність.
Ці відомості записуються як формули I G (J PC).
Спін− одна з найважливіших характеристик частки, для вимірювання якої використовується фундаментальна константа Планка h або ћ = h/2π = 1.0544·10 -27 [ерг-с]. Бозони мають цілий спин в одиницях ћ: (0,1, 2,...)ћ, ферміони – напівцілий (1/2, 3/2,.. .)ћ. У класі суперсиметричних частинок значення спинів ферміонів та бозонів змінюються місцями.
Мал. 4 ілюструє фізичний сенсспина J за аналогією з класичним уявленням про момент кількості руху частинки з масою m = 1 г, що рухається зі швидкістю v = 1 см/с по колу з радіусом r = 1 см. У класичній фізиці момент кількості руху J = mvr = L (L − орбітальний момент). У квантовій механіці J = = 10 27 ?
Проекція спини елементарної частинки на напрям її імпульсу називається спіральністю. Спіральність безмасової частки з довільним спином набуває лише двох значень: по або проти напрямку імпульсу частинки. Для фотона можливі значення спіральності дорівнюють ±1, для безмасового нейтрино спіральність дорівнює ±1/2.
Спиновий момент кількості руху атомного ядра визначається як векторна сума спинів елементарних частинок, що утворюють квантову систему, та орбітальних моментів цих частинок, обумовлених їх рухом усередині системи. Орбітальний момент ||, та спиновий момент || набувають дискретного значення. Орбітальний момент | = ћ[ l(l+1)] 1/2 , де l− орбітальне квантове число (може набувати значень 0, 1,2,...), власний момент кількості руху || = ћ 1/2 де s − спинове квантове число (може приймати нульові, цілі або напівцілі значення J, повний момент кількості руху дорівнює сумі + = ).
До похідних одиниць слід віднести: енергію частинки, швидкість, що замінює швидкість для релятивістських частинок, магнітний момент та ін.
Енергіячастки, що покоїться: Е = mc 2 ; частинки, що рухається: Е = m 2 c 4 + p 2 c 2 .
Для нерелятивістських частинок: Е = mс2 + р2/2m; для релятивістських частинок, з масою m = 0: Е = порівн.
Одиниці виміру енергії - еВ, кеВ, МеВ, ГеВ, ТеВ, ... 1 ГеВ = 10 9 еВ, 1 ТеВ = 10 12 еВ,
1 еВ = 1.6 · 10 -12 ерг.
Швидкість частки
β = v/c, де с = 3·10 10 см/с – швидкість світла. Швидкість частки визначає таку найважливішу характеристикуяк Лоренц-фактор частки γ = 1/(1-β 2) 1/2 = E/mc 2 . Завжди γ > 1- Для нерелятивістських частинок 1< γ < 2, а для релятивистских частиц γ > 2.
У фізиці високих енергій швидкість частинки близька до 1 і для релятивістських частинок її важко визначити. Тому замість швидкості використовується швидкість y, яка пов'язана зі швидкістю співвідношенням у = (1/2)ln[(1+β)/(1-β)] = (1/2)ln[(E+p)/(E-p) ]. Швидкість змінюється від 0 до ∞.
Функціональний зв'язок між швидкістю частинки та швидкістю показано на рис. 5. Для релятивістських частинок при β → 1, Е → р, тоді замість швидкості можна використовувати псевдобистроту η, яка визначається кутом вильоту частки θ, η = (1/2)ln tan(θ/2). На відміну швидкості швидкість - адитивна величина, тобто. у 2 = y 0 + y 1 для будь-якої системи відліку та для будь-яких релятивістських та нерелятивістських частинок.
Магнітний момент
μ = Iπr 2 /c, де струм I = ev/2πr виникає через обертання електричного заряду. Таким чином, будь-яка заряджена частка має магнітний момент. Під час розгляду магнітного моменту електрона використовується магнетон Бора
μ B = eћ/2m e c = 0.5788 · 10 -14 МеВ / Гс, магнітний момент електрона = g · μ B ·. Коефіцієнт g називається гіромагнітним ставленням. Для електрона g = / μ B · = 2, т.к. J = ћ/2, = μ B за умови, що електрон – точкова безструктурна частка. Гіромагнітне відношення містить інформацію про структуру частинки. Величина (g − 2) вимірюється в експериментах, спрямованих вивчення структури частинок, відмінних від лептонів. Для лептонів ця величина свідчить про роль вищих електромагнітних поправок (див. п. 7.1).
У ядерній фізиці використовується ядерний магнетон μ я = eћ/2m p c, де m p − маса протона.
2.1.1. Система Хевісайду та її зв'язок із системою СГС
У системі Хевісайда швидкість світла і постійна Планка ћ покладаються рівними одиниці, тобто. с = ћ = 1. Основними одиницями виміру є енергетичні одиниці − МеВ чи МеВ -1 , тоді як у системі СГС основні одиниці виміру − [г, див, з]. Тоді, скориставшись співвідношеннями: Е = mc 2 = m = МеВ, l= ћ/mc = МеВ -1 , t = ћ/mc 2 = МеВ -1 отримаємо зв'язок між системою Хевісайда і системою СГС у вигляді:- m(г) = m(МеВ) · 2 · 10 -27 ,
- l(см) = l(МеВ -1) · 2 · 10 -11 ,
- t (с) = t (МеВ -1) · б. б · 10 -22 .
Система Хевісайда застосовується у фізиці високих енергій для опису явищ, що відбуваються в мікросвіті, і заснована на використанні природних констант з і ћ, які є визначальними в релятивістської та квантової механіки.
Числові значення відповідних величин у системі СГС для електрона та протона наводяться у табл. 3 і можуть бути використані для переходу з однієї системи до іншої.
Таблиця 3. Числові значення величин у системі СГС для електрона та протона
2.1.2. Планківські (природні) одиниці
При розгляді гравітаційних ефектів для вимірювання енергії, маси, довжини та часу запроваджується планківська шкала. Якщо гравітаційна енергія об'єкта дорівнює повної енергії, тобто.
то
довжина = 1.6 · 10 -33 см,
маса = 2.2 · 10 -5 г = 1.2 · 10 19 ГеВ,
час = 5.4 · 10 -44 с,
де 
= 6.67 · 10 -8 см 2 · г -1 · з -2.
Гравітаційні ефекти істотні, коли гравітаційна енергія об'єкта можна порівняти з його повною енергією.
2.2. Класифікація елементарних частинок
Поняття "елементарна частка" сформувалося із встановленням дискретного характеру будови речовини на мікроскопічному рівні.
Атоми → ядра → нуклони → партони (кварки та глюони)
У сучасній фізиці термін "елементарні частки" використовується для найменування великої групи найдрібніших спостерігаютьсячастинок матерії. Ця група часток дуже велика: протони р, нейтрони n, π- і K-мезони, гіперони, зачаровані частинки (J/ψ...) і безліч резонансів (всього
~ 350 частинок). Ці частки отримали назву "адрони".
З'ясувалося, що ці частинки не елементарні, а є складовими системами, конституентами яких є істинно елементарні або, як їх стали називати, " фундаментальні
частинки − партони, відкриті щодо структури протона. Вивчення властивостей партонів дозволило ототожнити їх з кваркамиі глюонами, введеними на розгляд Гелл-Манном і Цвейгом при класифікації елементарних частинок, що спостерігаються. Кварки виявились ферміонами зі спином J = 1/2. Їм були приписані дробові електричні заряди та баріонне число В = 1/3, оскільки баріон, у якого В = 1, складається з трьох кварків. Крім того, для пояснення властивостей деяких баріонів виникла потреба введення нового квантового числа – кольору. Кожен кварк має три колірні стани, що позначаються індексами 1, 2, 3 або словами червоний (R), зелений (G) та синій (В). Колір ніяк не проявляє себе у адронів і працює тільки всередині них.
На цей час відкрито 6 ароматів (типів) кварків.
У табл. 4 наведено властивості кварків для одного колірного стану.
Таблиця 4. Властивості кварків
| Аромат | Маса, МеВ/с 2 | I | I 3 | Q q /e | s | з | b | t |
| u up | 330; (5) | 1/2 | 1/2 | 2/3 | 0 | 0 | 0 | 0 |
| d down | 340; (7) | 1/2 | -1/2 | -1/3 | 0 | 0 | 0 | 0 |
| s strange | 450; (150) | 0 | 0 | -1/3 | -1 | 0 | 0 | 0 |
| з charm | 1500 | 0 | 0 | 2/3 | 0 | 1 | 0 | 0 |
| b beauty | 5000 | 0 | 0 | -1/3 | 0 | 0 | -1 | 0 |
| t truth | 174000 | 0 | 0 | 2/3 | 0 | 0 | 0 | 1 |
Для кожного аромату кварку вказані його маса (наводяться маси конституентних кварків і в дужках маси струмових кварків), ізотопічний спин I і 3 проекція ізотопічного спина I 3 , заряд кварка Q q /e і квантові числа s, b, t. Поряд із цими квантовими числами часто використовується квантове число гіперзаряду Y = В + s + с + b + t. Існує зв'язок між проекцією ізотопічного спину I 3 електричного заряду Q і гіперзаряду Y: Q = I 3 + (1/2)Y.
Оскільки кожен кварк має 3 кольори, у розгляді мають брати участь 18 кварків. Кварки немає структури.
Водночас серед елементарних частинок виявився цілий клас частинок, які отримали назву " лептониВони також є фундаментальними частинками, тобто не мають структури. Їх шість: три заряджених е, μ, τ і три нейтральних ν e , ν μ , ν τ. Лептони беруть участь тільки в електромагнітних та слабких взаємодіях. з напівцілим спином J = (n+1/2)ћ, n = 0, 1, ... . Відносяться до фундаментальних ферміонів.
У табл. 5 наведено властивості фундаментальних ферміонів: електричний заряд Q i в одиницях заряду електрона та маса частинок m. Лептони і кварки поєднуються в три покоління (I, II і III). Для кожного покоління сума електричних зарядів ∑Q i = 0 з урахуванням 3 зарядів кольорів у кожного кварка. Кожному ферміону відповідає антиферміон.
Крім характеристик частинок, зазначених у таблиці, важливу рольдля лептонів грають лептонні числа: електронне L e , рівне +1 для е - і ν e , мюонне L μ , рівне +1 для μ - і ν μ і таонне L τ , рівне +1 для τ - і ν τ , які відповідають ароматам лептонів, що беруть участь у конкретних реакціях, і є величинами, що зберігаються. Для лептонів баріонне число = 0.
Таблиця 5. Властивості фундаментальних ферміонів
Навколишня речовина складається з ферміонів першого покоління ненульової маси. Вплив частинок другого і третього поколінь виявилося у ранньому Всесвіті. Серед фундаментальних частинок особливу роль відіграють фундаментальні калібрувальні бозони, що мають цілісне внутрішнє квантове число спин J = nћ, n = 0, 1, .... , слабке (бозони W ± , Z 0), гравітаційне (гравітон G). Вони є також безструктурними, фундаментальними частинками.
У табл. 6 наведено властивості фундаментальних бозонів, що є польовими квантами в калібрувальних теоріях.
Таблиця 6. Властивості фундаментальних бозонів
| Назва | Заряд | Маса | Спін | Взаємодія |
| Гравітон, G | 0 | 0 | 2 | Гравітаційне |
| Фотон, γ | 0 | < 3·10 -27 эВ | 1 | Електромагнітне |
| Заряджені векторні бозони, W ± | ±1 | 80.419 ГеВ/с 2 | 1 | Слабке |
| Нейтральний векторний бозон, Z 0 | 0 | 91.188 ГеВ/с 2 | 1 | Слабке |
| Глюони, g 1 , ... , g 8 | 0 | 0 | 0 | Сильне |
| Хіггси, Н 0 , H ± | 0 | > 100 ГеВ/с 2 | 0 |
Крім властивостей відкритих калібрувальних бозонів γ, W ± , Z 0 , g 1 ,... , g 8 у таблиці показані властивості невідкритих бозонів: гравітону G і Хіггс-бозонів Н 0 , H ± .
Розглянемо тепер найбільше численну групуелементарних сильновзаємодіючих частинок - адронів, для пояснення структури яких було введено уявлення про кварки.
Адрони поділяються на мезони та баріони. Мезони побудовані з кварку та антикварку (q). Баріони складаються з трьох кварків (q1q2q3).
У табл. 7 наводиться перелік властивостей основних адронів. (Докладні таблиці див. European Physical Journal C, Rev. of Particle Phys., v.15, №1 - 4, 2000.)
Таблиця 7. Властивості адронів
| Назва | Маса, МеВ/с 2 | Час життя, з | Моди розпаду | Кварковий склад | |||||||||||
| Півонія π ± 1 - (0 -+) π 0 |
139.567 134.965 |
2.6 · 10 -8 |
π ± → μ ± + ν π 0 → γ + γ |
(u), (d) (u − d)/√2 |
|||||||||||
| η-мезон η 0 0 + (0 -+) |
548.8 | Г=1.18±0.11 кеВ | η 0 → γ + γ; 3π 0 →π + + π -0 + π -- |
з 1 (u + d) + c 2 (s) | |||||||||||
|
|||||||||||||||
| D ± D 0 |
1869.3 1864.5 |
10.69 · 10 -13 4.28 · 10 -13 |
D ± → е ± + X |
(c), (d) (c) |
|||||||||||
| F ± = | 1969.3 | 4.36 · 10 -13 | → ρ 0 + π ± | (c, s) | |||||||||||
| B ± У 0 |
5277.6 5279.4 | 13.1 · 10 -13 13.1 · 10 -13 |
B ± → + π ± У 0 →+ π -0 + |
(u), (b) (d), (b) |
|||||||||||
| б | Протон р Нейтрон n |
938.3 939.5 |
> 10 33 років 898 ±16 |
n → р + е - + |
uud udd |
||||||||||
| Λ | 2.63 · 10 -10 | Λ→p + π - | uds | ||||||||||||
|
Σ + Σ 0 Σ - |
1189.4 1192 1197 |
0.8 · 10 -10 5.8 · 10 -20 1.48 · 10 -10 |
Σ + →p + π 0 Σ 0 → Λ+ γ Σ - →n + π - |
uus uds dds |
|||||||||||
|
Ξ 0 Ξ - |
1314.9 1321 |
2.9 · 10 -10 1.64 · 10 -10 |
Ξ 0 → Λ+ π 0 Ξ - → Λ + π - |
uss dss |
|||||||||||
| Ω - | 1672 | 0.8 · 10 -10 | Ω - → Λ+ K - | sss | |||||||||||
|
|
|
Кваркова структура адронів дозволяє виділити в цій численній групі частинок недивні адрони, які складаються з недивних кварків (і, d), дивні адрони, до складу яких входить дивний кварк s, чармовані адрони, що містять скварк, чарівні адрони (боттом-адрони) з b-кварком.
У таблиці представлені властивості лише незначної частини адронів: мезонів та баріонів. Показано їх масу, час життя, основні моди розпаду та кварковий склад. Для мезонів баріонне число В = О та лептонне число L = 0. Для баріонів баріонне число В = 1, лептонне число L = 0. Мезони відносяться до бозонів (цілий спин), баріони – до ферміонів (спін напівцілий).
Подальший розгляд властивостей адронів дозволяє об'єднати в ізотопічні мультиплети, що з частинок з однаковими квантовими числами (баріонним числом, спином, внутрішньою парністю, дивністю) і близькими за значенням масами, але з різними електричними зарядами. Кожен ізотопічний мультиплет характеризується ізотопічним спином I, який визначає повне число частинок, що входять до мультиплету, що дорівнює 2I + 1. Ізоспін може приймати значення 0, 1/2, 1, 3/2, 2, . .., тобто. можливе існування ізотопічних синглетів, дублетів, триплетів, квартетів тощо. Так, протон і нейтрон складають ізотопічний дублет, π+-, π--, π0-мезони розглядаються як ізотопічний триплет.
Складнішими об'єктами в мікросвіті є атомні ядра. Атомне ядро складається з Z протонів та N нейтронів. Сума Z + N = А – число нуклонів у даному ізотопі. Часто в таблицях наводиться усереднена за всіма ізотопами величина, тоді вона стає дробовою. Відомі ядра, для яких зазначені величини перебувають у межах: 1< А < 289, 1 < Z < 116.
Перераховані вище частинки розглядаються у рамках Стандартної Моделі. Передбачається, що за межами Стандартної Моделі може існувати ще одна група фундаментальних частинок суперсиметричні частинки (SUSY). Вони мають забезпечити симетрію між ферміонами та бозонами. У табл. 8 наводяться передбачувані властивості цієї симетрії.
2.3. Польовий підхід до проблеми взаємодій
2.3.1 Властивості фундаментальних взаємодій
Величезне різноманіття фізичних явищ, що відбуваються при зіткненнях елементарних частинок, визначається лише чотирма типами взаємодій: електромагнітним, слабким, сильним та гравітаційним. У квантової теорії взаємодія описується термінах обміну специфічними квантами (бозонами), асоційованими з цим типом взаємодії.
Для наочного подання взаємодії частинок американський фізик Р. Фейнман запропонував використати діаграми, які отримали його ім'я. Діаграми Фейнмана описують будь-який процес взаємодії при зіткненні двох частинок. Кожна частка, що у процесі, на діаграмі Фейнмана зображується лінією. Вільний лівий або правий кінець лінії означає перебування частки у початковому або кінцевому стані відповідно. Внутрішні лінії на діаграмах (тобто лінії, що не мають вільних кінців), відповідають так званим віртуальним часткам. Це частки, що народжуються і поглинаються у процесі взаємодії. Їх не можна зареєструвати, на відміну реальних частинок. Взаємодія частинок діаграмі зображується вузлами (або вершинами). Тип взаємодії характеризується константою зв'язку α яка може бути записана у вигляді: α = g 2 /ћc, де g − заряд джерела взаємодії, а є основною кількісною характеристикою сили, що діє між частинками. У електромагнітному взаємодії α е = e 2 /ћc = 1/137.
 Рис.6. Діаграма Фейнмана. |
Процес a + b →с + d у вигляді діаграми Фейнмана (рис. 6) виглядає наступним чином: R − віртуальна частка, якою обмінюються частинки а та b при взаємодії, що визначається константою взаємодії α = g 2 /ћc, що характеризує силу взаємодії на відстані , рівному радіусу взаємодії
Віртуальна частка може мати масу М х і при обміні цією частинкою відбувається передача 4-імпульсу t = −q 2 = Q 2 .
У табл. 9 представлені характеристики різних типіввзаємодій.
Електромагнітні взаємодії
. Найбільш повно і послідовно вивчені електромагнітні взаємодії, яким піддаються всі заряджені частинки та фотони. Переносником взаємодії є фотон. Для електромагнітних сил константа взаємодії чисельно дорівнює постійної тонкої структури е = e 2 /ћc = 1/137.
Прикладами найпростіших електромагнітних процесів є фотоефект, комптон-ефект, утворення електрон-позитронних пар, а для заряджених частинок – іонізаційне розсіювання та гальмівне випромінювання. Теорія цих взаємодій – квантова електродинаміка – є найточнішою фізичною теорією.
Слабкі взаємодії.
Вперше слабкі взаємодії спостерігалися при β-розпаді атомних ядер. І, як виявилося, ці розпади пов'язані з перетвореннями протона на нейтрон в ядрі і назад:
р → n + е + + ν e, n → р + е - + e. Можливі і зворотні реакції: захоплення електрона е + р → n + ν e або антинейтрино e + р → е + + n. Слабка взаємодія була описана Енріко Фермі у 1934 р. у термінах чотириферміонної контактної взаємодії, що визначається константою Фермі
G F = 1.4 · 10 -49 ерг · см 3 .
При дуже високих енергіях замість контактної ферміївської взаємодії слабка взаємодія описується як обмінне, при якому здійснюється обмін квантом, наділеним слабким зарядом g w (за аналогією з електричним зарядом) і діючим між ферміонами. Такі кванти були вперше виявлені 1983 р. на SppS-колайдері (ЦЕРН) колективом під керівництвом Карла Руббіа. Це заряджені бозони − W ± і нейтральний бозон − Z 0 їх маси відповідно рівні: m W± = 80 ГеВ/с 2 і m Z = 90 ГеВ/с 2 . Константа взаємодії α W у разі виражається через константу Ферми:
Таблиця 9. Основні типи взаємодій та їх характеристики
