Элементарные частицы, фундаментальные частицы и частицы-переносчики фундаментальных взаимодействий

 

 

Содержание

 

1. Элементарные частицы, фундаментальные частицы и частицы-переносчики   фундаментальных взаимодействий………………………………………………..3-13

1.1 Элементарные частицы……………………………………………………………3

1.2 Фундаментальные частицы………………………………………………………..8

1.3 Частицы – переносчики  фундаментальных взаимодействий…………………...13

2. Тесты………………………………………………………………………………..14

Список литературы…………………………………………………………………...20

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

1. Элементарные частицы, фундаментальные частицы и частицы-переносчики   фундаментальных взаимодействий.

1.1 Элементарные частицы.

 

Элементарные  частицы в точном значении этого  термина – первичные, неделимые  частицы, из которых состоит вся  материя. Понятие “элементарная  частица” трансформировалась по мере развития знаний о строении материи.

На рубеже 19 – 20 веков мельчайшей частицей вещества (т.е. элементарной частицей) считался атом (по-гречески atomos - ”неделимый”).

В дальнейшем выявилась сложная структура  атома, состоящего из ядра и электронов. В свою очередь ядра, как оказалось, также являются сложными структурами  и состоят из протонов и нейтронов. В настоящее время считается, что протоны и нейтроны также  состоят из более элементарных частиц – кварков. В строгом смысле именно кварки в настоящее время должны считаться элементарными частицами. Однако в современной физике термин “элементарные частицы” употребляется  не в своем точном значении, а  менее строго – для наименования большой группы мельчайших частиц материи, которые не являются атомами или  атомными ядрами, т.е. объектами заведомо составной природы. В эту группу входят протон (p), нейтрон (n), фотон (g ), p - мезоны и другие частицы – всего  более 350 частиц, в основном нестабильных. Очевидно, что при наличии такого большого числа элементарных частиц возникает необходимость их классификации.

В основу всякой классификации должен быть положен  какой-то признак. Элементарные частицы  принято классифицировать в основном по двум признакам:

1) по  способности к различным видам  взаимодействия и 

2) по  массе. 

Рассмотрим  принципы такой классификации.

По величине спина все элементарные частицы  делятся на два класcа:

1) фермионы  — частицы с полуцелым спином (например, электрон, протон, нейтрон,  нейтрино);

2) бозоны  — частицы с целым спином (например, фотон).

По видам  взаимодействий элементарные частицы  делятся на следующие группы:

1) адроны  — частицы, участвующие во  всех видах фундаментальных взаимодействий. Они состоят из кварков и  подразделяются, в свою очередь,  на:

- мезоны (адроны с целым спином, т. е. бозоны);

- барионы  (адроны с полуцелым спином, т. е. фермионы). К ним, в частности, относятся частицы, составляющие ядро атома, — протон и нейтрон.

2) лептоны  — фермионы, которые имеют вид  точечных частиц (т. е. не состоящих ни из чего) вплоть до масштабов порядка 10−18 м. Не участвуют в сильных взаимодействиях. Участие в электромагнитных взаимодействиях экспериментально наблюдалось только для заряженных лептонов (электроны, мюоны, тау-лептоны) и не наблюдалось для нейтрино. Известны 6 типов лептонов.

3) кварки  — дробнозаряженные частицы,  входящие в состав адронов.  В свободном состоянии не наблюдались. 

4) калибровочные  бозоны — частицы, посредством  обмена которыми осуществляются  взаимодействия:

- фотон  — частица, переносящая электромагнитное  взаимодействие;

- восемь  глюонов — частиц, переносящих  сильное взаимодействие;

- три  промежуточных векторных бозона W+, W− и Z0, переносящие слабое  взаимодействие;

- гравитон  — частица, переносящая гравитационное  взаимодействие.

Итак, элементарная частица — собирательный термин, относящийся к микрообъектам в субъядерном масштабе, которые невозможно расщепить (или пока это не доказано) на составные части. Их строение и поведение изучается физикой элементарных частиц. Понятие элементарных частиц основывается на факте дискретного строения вещества.¹ Ряд элементарных частиц имеет сложную внутреннюю структуру, однако разделить их на части невозможно. Другие элементарные частицы на данный момент считаются бесструктурными и рассматриваются как первичные фундаментальные частицы.

Основные  характеристики элементарных частиц: масса, электронный и барионный  заряд, время жизни и их античастицы, а также систематика частиц представлены в таблице 1.

Таблица 1 - Общие характеристики элементарных частиц.

Класс частиц	Частицы	Символ	Барионный заряд	Эл. заряд	Масса	Время жизни	Анти-частица	Символ
Фотон	фотон	γ	0	0	0	стабилен	-	-
Лептоны	электрон	e-	0	-1	1	стабилен	позитрон	e+
	мюон	μ-	0	-1	207	2,2*10-6	мю-плюс-мезон	μ+
	электронный нейтрино	νe	0	0	0	стабилен	электронный антинейтрино	νe
	мюонный нейтрино	νμ	0	0	0	стабилен	мю-антинейтрино	νμ
Адроны (мезоны)	пи-нуль	π0	0	0	264	10-16	-	-
	пи-плюс	π+	0	1	273	2,6*10-8	пи-минус	π-
	эта-мезон	η	0	0	1070	2,5*10-19	-	-
	ка-плюс	К+	0	1	966	1,2*10-8	ка-минус	K-
	кА-нуль короткоживущий	K0s	0	0	974	0,9*10-10
	кА-нуль долгоживущий	K0L	0	0	974	5,7*10-8
Адроны (барионы)	протон	p	1	1	1836	стабилен	антипротон	p
	нейтрон	n	1	0	1838,6	103	антинейтрон	n
	лямбда	Λ	1	0	2183	2,5*10-10	антилямбда	Λ
	сигма-плюс	Σ+	1	1	2328	0,8*10-10	антисигма-минус	Σ-
	сигма-нуль	Σ0	1	0	2334	10-14	антисигма-нуль	Σ0
	сигма-минус	Σ-	1	-1	2343	1,6*10-10	антисигма-плюс	Σ+
	кси-нуль	Ξ0	1	0	2573	3*10-10	антикси-нуль	Ξ0
	кси-минус	Ξ-	1	-1	2586	1,7*10-10	кси-плюс	Ξ+
	омега-минус	Ω-	1	-1	3277	1,5*10-10	омега-плюс	Ω+

 

Элементарные  частицы – материальные объекты, которые нельзя разделить на составные  части.² В соответствии с этим определением к элементарным частицам не могут быть отнесены молекулы, атомы и атомные ядра, которые поддаются делению на составные части – атом делится на ядро и орбитальные электроны, ядро – на нуклоны.

В то же время нуклоны, состоящие из более  мелких и фундаментальных частиц – кварков, нельзя разделить на эти  кварки. Поэтому нуклоны относят  к элементарным частицам.

Учитывая  то обстоятельство, что нуклон и  другие адроны имеют сложную внутреннюю структуру, состоящую из более фундаментальных  частиц – кварков, более целесообразно  адроны называть не элементарными частицами, а просто частицами.

Частицы имеют размеры меньшие, чем атомные  ядра. Размеры ядер 10 -13 - 10-12 см. Наиболее “крупные” частицы (к ним относятся и нуклоны) состоят из кварков (двух или трёх) и называются адронами. Их размеры » 10- 13 см. Существуют также бесструктурные (на современном уровне знаний) точечноподобные (< 10-17 см) частицы, которые называют фундаментальными. Это кварки, лептоны, фотон и некоторые другие. Всего известно несколько сот частиц. Это в подавляющем большинстве адроны.

Подавляющее число частиц в свободном состоянии  нестабильно, т.е. распадается. Характерные  времена жизни частиц 10-24–10-6 сек. Время жизни свободного нейтрона около 900 сек. Электрон, фотон, электронное  нейтрино и возможно протон (и их античастицы) – стабильны.³

Основой теоретического описания частиц является квантовая теория поля. Для описания электромагнитных взаимодействий используется квантовая электродинамика (КЭД), слабое и электромагнитное взаимодействие совместно описываются объединённой теорией - электрослабой моделью (ЭСМ), сильное взаимодействие – квантовой хромодинамикой (КХД). КХД и ЭСМ, совместно описывающие сильное, электромагнитное и слабое взаимодействия кварков и лептонов, образуют теоретическую схему, называемую Стандартной Моделью.

 

1.2. Фундаментальные частицы.

 

Большинство перечисленных частиц, строго говоря, не удовлетворяют критерию элементарности, т.к. являются составными объектами. В  соответствии со сложившейся практикой  термин "элементарные частицы" употребляется  для обозначения всех субъядерных  частиц. При обсуждении частиц, претендующих на роль первичных элементов материи, используют термин истинно элементарные или фундаментальные частицы. При  этом, наряду с уже известными частицами, такими как электрон, фотон и нейтрино, теоретики вынуждены вводить  новые частицы, которые еще только предстоит обнаружить. Часть же требуемых  частиц (например, кварки) оказалось  необходимым наделить такими свойствами, что они никогда не будут обнаружены в свободном состоянии (вне составных  элементарных частиц).

Изучение  элементарных частиц и их взаимодействий представляет прямой (возможно единственный) путь к пониманию фундаментальных  законов природы.

Информация  об элементарных частицах получается либо в результате экспериментов  с космическими лучами, либо с помощью  построенных ускорителей.

В зависимости  от типа ускоряемых частиц различают  протонные и электронные ускорители. Кроме того, ускорители бывают кольцевые  и линейные.

В кольцевых  ускорителях, вдоль всего кольца, в котором, движутся разгоняемые  заряженные частицы и из которых  откачан воздух, стоят электромагниты. Чем сильнее магнитное поле, тем  более энергичные частицы могут  быть удержаны внутри кольца (камеры). Разгоняются частицы при помощи электрического поля в ускоряющих промежутках, которые расположены вдоль кольца. В кольцевом ускорителе, где частица  может многократно пролететь  вдоль кольца. пока не наберет нужную энергию, электрическое поле может  быть не очень сильным. В линейном ускорителе, напротив, ускоряющие электрические потенциалы должны быть предельно высокими, потому что частица должна набрать всю свою энергию за один пролет. (Линейные ускорители используются также и для получения высокоэнергичных пучков ионов и ядер.)

Фундаментальная частица — бесструктурная элементарная частица, которую до настоящего времени не удалось описать как составную. В настоящее время термин применяется преимущественно для лептонов и кварков (по 6 частиц каждого рода, вместе с античастицами, составляют набор из 24 фундаментальных частиц) в совокупности с калибровочными бозонами (частицами-переносчиками фундаментальных взаимодействий).

Выделение характеристик отдельных субатомных частиц - важный, но только начальный  этап познания их мира. На следующем  этапе нужно еще понять, какова роль каждой отдельной частицы, каковы ее функции в и структуре материи.

Фундаментальными  частицами являются 6 кварков и 6 лептонов (табл. 2), имеющих спин 1/2 (это фундаментальные фермионы) и несколько частиц со спином 1 (глюон, фотон, бозоны и Z), а также гравитон (спин 2), называемые фундаментальными бозонами.

 

Таблица 2 – Фундаментальные частицы.

Фундаментальные фермионы
Взаимодействия				Поколения			Заряд Q/e
				1	2	3
			лептоны	е			0
				e			-1
			кварки	u	c	t	+2/3
				d	s	b	-1/3

 

Фундаментальные фермионы делятся на три группы (поколения), в каждой из которых 2 кварка и 2 лептона. Из частиц первого поколения (кварки u, d, электрон е- ) состоит вся наблюдаемая  материя: из кварков u и d состоят нуклоны, из нуклонов состоят ядра. Ядра с  электронами на орбитах образуют атомы и т.д.

Роль  фундаментальных бозонов в том, что они реализуют взаимодействие между частицами, являясь “переносчиками”  взаимодействий. В процессе различных  взаимодействий частицы обмениваются фундаментальными бозонами. Частицы  участвуют в четырёх фундаментальных  взаимодействиях – сильном (1), электромагнитном (10-2), слабом (10-6) и гравитационном (10-38). В скобках указаны цифры, характеризующие  относительную силу каждого взаимодействия в области энергий меньше 1 ГэВ. Кварки (и адроны) участвуют во всех взаимодействиях. Лептоны не участвуют в сильном взаимодействии. Переносчиком сильного взаимодействия является глюон (8 типов), электромагнитного – фотон, слабого – бозоны и Z, гравитационного – гравитон.

Физики  выяснили, что прежде всего свойства частицы определяются ее способностью (или неспособностью) участвовать  в сильном взаимодействии. Частицы, участвующие в сильном взаимодействии, образуют особый класс и называются адронами. Частицы, участвующие в слабом взаимодействии и не участвующие в сильном, называются лептонами. Кроме того, существуют частицы - переносчики взаимодействий.

Рассмотрим  свойства этих основных типов частиц.

Хотя  лептоны могут иметь электрический  заряд, а могут и не иметь, спин у всех у них равен Ѕ . Среди  лептонов наиболее известен электрон. Электрон - это первая из открытых элементарных частиц. Как и все остальные  лептоны, электрон, по-видимому, является элементарным (в собственном смысле этого слова) объектом. Насколько  известно, электрон не состоит из каких-то других частиц.

Другой  хорошо известный лептон - нейтрино. Нейтрино являются наиболее распространенными частицами по Вселенной. Вселенную можно представить безбрежным нейтринным морем, в котором изредка встречаются острова в виде атомов. Но несмотря на такую распространенность нейтрино, изучать их очень сложно. Как мы уже отмечали, нейтрино почти неуловимы. Не участвуя ни в сильном, ни в электромагнитном взаимодействиях, они проникают через вещество, как будто его вообще нет. Нейтрино - это некие "призраки физического мира".

Достаточно  широко распространены в природе  мюоны, на долю которых приходится значительная часть космического излучения. Во многих отношениях мюон напоминает электрон: имеет тот же заряд и спин, участвует  в тех те взаимодействиях, но имеет  большую массу и нестабилен. Примерно за две миллионные доли секунды мюон распадается на электрон и два  нейтрино. В конце 70-х годов был  обнаружен третий заряженный лептон, получивший название "тау - лептон". Это очень тяжелая частица. Ее масса около 3500 масс электрона. Но во всем остальном он ведет себя подобно  электрону и мюону.