Das weitere Eindringen in die Tiefen der Mikrowelt ist mit dem Übergang von der Ebene der Atome zur Ebene der Elementarteilchen verbunden. Als erstes Elementarteilchen Ende des 19. Jahrhunderts. Das Elektron wurde entdeckt, und zwar in den ersten Jahrzehnten des 20. Jahrhunderts. – Photon, Proton, Positron und Neutron.
Nach dem Zweiten Weltkrieg konnte durch den Einsatz moderner Experimentiertechnik und vor allem leistungsstarker Beschleuniger, in denen Bedingungen hoher Energien und enormer Geschwindigkeiten erzeugt werden, die Existenz einer großen Zahl von Elementarteilchen nachgewiesen werden – über 300. Darunter es gibt sowohl experimentell entdeckte als auch theoretisch berechnete, darunter Resonanzen, Quarks und virtuelle Teilchen.
Begriff Elementarteilchen Ursprünglich waren damit die einfachsten, weiter unzersetzbaren Teilchen gemeint, die allen materiellen Bildungen zugrunde liegen. Später erkannten die Physiker die gesamte Konvention des Begriffs „elementar“ in Bezug auf Mikroobjekte. Nun besteht kein Zweifel daran, dass Teilchen die eine oder andere Struktur haben, dennoch existiert der historisch etablierte Name weiterhin.
Die Hauptmerkmale von Elementarteilchen sind Masse, Ladung, mittlere Lebensdauer, Spin und Quantenzahlen.
Ruhende Masse Elementarteilchen werden im Verhältnis zur Ruhemasse des Elektrons bestimmt. Es gibt Elementarteilchen, die keine Ruhemasse haben – Photonen. Die verbleibenden Partikel nach diesem Kriterium werden unterteilt in Leptonen– leichte Teilchen (Elektron und Neutrino); Mesonen– mittelgroße Teilchen mit einer Masse von einer bis tausend Elektronenmassen; Baryonen– schwere Teilchen, deren Masse tausend Elektronenmassen übersteigt und zu denen Protonen, Neutronen, Hyperonen und viele Resonanzen gehören.
Elektrische Ladung ist ein weiteres wichtiges Merkmal von Elementarteilchen. Alle bekannten Teilchen haben eine positive, negative oder keine Ladung. Jedes Teilchen, mit Ausnahme des Photons und zweier Mesonen, entspricht Antiteilchen mit entgegengesetzter Ladung. Um 1963–1964 Es wurde eine Hypothese über die Existenz aufgestellt Quarks– Teilchen mit einer gebrochenen elektrischen Ladung. Diese Hypothese konnte experimentell noch nicht bestätigt werden.
Auf Lebenszeit Partikel werden unterteilt in stabil Und instabil . Es gibt fünf stabile Teilchen: das Photon, zwei Arten von Neutrinos, das Elektron und das Proton. Bei der Struktur von Makrokörpern spielen stabile Partikel die wichtigste Rolle. Alle anderen Teilchen sind instabil, sie existieren etwa 10 -10 -10 -24 s und zerfallen dann. Man nennt Elementarteilchen mit einer mittleren Lebensdauer von 10–23–10–22 s Resonanzen. Aufgrund ihrer kurzen Lebensdauer zerfallen sie, bevor sie das Atom oder den Atomkern überhaupt verlassen. Resonanzzustände wurden theoretisch berechnet; sie konnten in realen Experimenten nicht nachgewiesen werden.
Neben Ladung, Masse und Lebensdauer werden Elementarteilchen auch durch Konzepte beschrieben, die in der klassischen Physik keine Entsprechung haben: das Konzept zurück . Spin ist der Eigendrehimpuls eines Teilchens, der nicht mit seiner Bewegung zusammenhängt. Spin ist gekennzeichnet durch Spinquantenzahl S, die ganzzahlige (±1) oder halbzahlige (±1/2) Werte annehmen kann. Teilchen mit ganzzahligem Spin – Bosonen, mit einer halben ganzen Zahl – Fermionen. Elektronen werden als Fermionen klassifiziert. Nach dem Pauli-Prinzip kann ein Atom nicht mehr als ein Elektron mit demselben Quantenzahlensatz haben N,M,l,S. Elektronen, die Wellenfunktionen mit der gleichen Zahl n entsprechen, liegen energetisch sehr nahe beieinander und bilden im Atom eine Elektronenhülle. Unterschiede in der Zahl l bestimmen die „Unterschale“, die übrigen Quantenzahlen bestimmen deren Füllung, wie oben erwähnt.
In den Eigenschaften von Elementarteilchen gibt es noch eine weitere wichtige Idee Interaktion. Wie bereits erwähnt, sind vier Arten von Wechselwirkungen zwischen Elementarteilchen bekannt: Gravitation,schwach,elektromagnetisch Und stark(nuklear).
Alle Teilchen mit einer Ruhemasse ( M 0) nehmen an der Gravitationswechselwirkung teil, und geladene Teilchen nehmen auch an der elektromagnetischen Wechselwirkung teil. Leptonen nehmen auch an schwachen Wechselwirkungen teil. Hadronen nehmen an allen vier grundlegenden Wechselwirkungen teil.
Nach der Quantenfeldtheorie erfolgen alle Wechselwirkungen aufgrund des Austauschs virtuelle Teilchen , das heißt Teilchen, deren Existenz nur indirekt beurteilt werden kann, und zwar anhand einiger ihrer Erscheinungsformen durch einige Sekundäreffekte ( echte Teilchen kann direkt mit Instrumenten aufgenommen werden).
Es stellt sich heraus, dass alle vier bekannten Arten von Wechselwirkungen – gravitative, elektromagnetische, starke und schwache – einen Eichcharakter haben und durch Eichsymmetrien beschrieben werden. Das heißt, alle Interaktionen entstehen sozusagen „aus demselben Grund“. Dies gibt uns Hoffnung, dass es möglich sein wird, „den einzigen Schlüssel zu allen bekannten Schlössern“ zu finden und die Entwicklung des Universums von einem Zustand, der durch ein einzelnes supersymmetrisches Superfeld repräsentiert wird, von einem Zustand zu beschreiben, in dem die Unterschiede zwischen den Arten von Wechselwirkungen, zwischen allen Arten von Materieteilchen und Feldquanten sind noch nicht aufgetreten.
Es gibt eine Vielzahl von Möglichkeiten, Elementarteilchen zu klassifizieren. Beispielsweise werden Teilchen in Fermionen (Fermi-Teilchen) – Materieteilchen und Bosonen (Bose-Teilchen) – Feldquanten – unterteilt.
Nach einem anderen Ansatz werden Teilchen in 4 Klassen eingeteilt: Photonen, Leptonen, Mesonen, Baryonen.
Photonen (elektromagnetische Feldquanten) nehmen an elektromagnetischen Wechselwirkungen teil, haben jedoch keine starken, schwachen oder gravitativen Wechselwirkungen.
Leptonen haben ihren Namen vom griechischen Wort lEptos- einfach. Dazu gehören Teilchen, die keine starke Wechselwirkung haben: Myonen (μ – , μ +), Elektronen (е – , у +), Elektron-Neutrinos (v e – ,v e +) und Myon-Neutrinos (v – m, v + m). Alle Leptonen haben einen Spin von ½ und sind daher Fermionen. Alle Leptonen haben eine schwache Wechselwirkung. Diejenigen, die eine elektrische Ladung haben (also Myonen und Elektronen), haben auch eine elektromagnetische Kraft.
Mesonen – stark wechselwirkende instabile Teilchen, die nicht die sogenannte Baryonenladung tragen. Unter ihnen ist R-Mesonen oder Pionen (π + , π – , π 0), ZU-Mesonen oder Kaonen (K +, K –, K 0) und Das-Mesonen (η) . Gewicht ZU-Mesonen beträgt ~970 me (494 MeV für geladene und 498 MeV für neutrale). ZU-Mesonen). Lebensdauer ZU-Mesonen hat eine Größe in der Größenordnung von 10 –8 s. Sie zerfallen und bilden sich ICH-Mesonen und Leptonen oder nur Leptonen. Gewicht Das-Mesonen beträgt 549 MeV (1074 me), die Lebensdauer beträgt etwa 10–19 s. Das-Mesonen zerfallen zu π-Mesonen und γ-Photonen. Im Gegensatz zu Leptonen haben Mesonen nicht nur eine schwache (und, wenn sie geladen sind, elektromagnetische) Wechselwirkung, sondern auch eine starke Wechselwirkung, die sich bei der Wechselwirkung untereinander sowie bei der Wechselwirkung zwischen Mesonen und Baryonen manifestiert. Alle Mesonen haben keinen Spin, sie sind also Bosonen.
Klasse Baryonen kombiniert Nukleonen (p,n) und instabile Teilchen mit einer Masse, die größer als die Masse der Nukleonen ist, sogenannte Hyperonen. Alle Baryonen haben eine starke Wechselwirkung und interagieren daher aktiv mit Atomkernen. Der Spin aller Baryonen beträgt ½, die Baryonen sind also Fermionen. Mit Ausnahme des Protons sind alle Baryonen instabil. Beim Zerfall von Baryonen entsteht zwangsläufig zusammen mit anderen Teilchen ein Baryon. Dieses Muster ist eine der Manifestationen Baryonenladungserhaltungsgesetz.
Zusätzlich zu den oben aufgeführten Teilchen wurde eine große Anzahl stark wechselwirkender kurzlebiger Teilchen entdeckt, die genannt werden Resonanzen . Bei diesen Teilchen handelt es sich um Resonanzzustände, die von zwei oder mehr Elementarteilchen gebildet werden. Die Resonanzlebensdauer beträgt nur ~ 10 –23 –10 –22 s.
Sowohl Elementarteilchen als auch komplexe Mikropartikel können anhand der Spuren beobachtet werden, die sie beim Durchgang durch Materie hinterlassen. Die Art der Spuren ermöglicht es uns, das Vorzeichen der Ladung des Teilchens, seine Energie, seinen Impuls usw. zu beurteilen. Geladene Teilchen bewirken eine Ionisierung der Moleküle auf ihrem Weg. Neutrale Teilchen hinterlassen keine Spuren, können sich aber im Moment des Zerfalls in geladene Teilchen oder im Moment der Kollision mit einem beliebigen Kern offenbaren. Folglich werden Neutralteilchen letztlich auch an der Ionisation erkannt, die durch die von ihnen erzeugten geladenen Teilchen verursacht wird.
Teilchen und Antiteilchen. Dem englischen Physiker P. Dirac gelang es 1928, eine relativistische quantenmechanische Gleichung für das Elektron zu finden, aus der sich eine Reihe bemerkenswerter Konsequenzen ergeben. Zunächst werden aus dieser Gleichung der Spin und der numerische Wert des magnetischen Moments des Elektrons auf natürliche Weise und ohne zusätzliche Annahmen ermittelt. Somit stellte sich heraus, dass der Spin sowohl ein Quantum als auch eine relativistische Größe ist. Aber damit ist die Bedeutung der Dirac-Gleichung nicht erschöpft. Es ermöglichte auch die Vorhersage der Existenz des Antiteilchens des Elektrons – Positron. Aus der Dirac-Gleichung erhält man nicht nur positive, sondern auch negative Werte für die Gesamtenergie eines freien Elektrons. Untersuchungen der Gleichung zeigen, dass es für einen gegebenen Teilchenimpuls Lösungen der Gleichung gibt, die den Energien entsprechen: .
Zwischen der größten negativen Energie (– M e Mit 2) und die geringste positive Energie (+ M e C 2) Es gibt ein Intervall von Energiewerten, das nicht realisiert werden kann. Die Breite dieses Intervalls beträgt 2 M e Mit 2. Folglich werden zwei Bereiche von Energieeigenwerten erhalten: einer beginnt mit + M e Mit 2 und erstreckt sich bis +∞, der andere beginnt bei – M e Mit 2 und erstreckt sich bis –∞.
Ein Teilchen mit negativer Energie muss sehr seltsame Eigenschaften haben. Beim Übergang in Zustände mit immer weniger Energie (d. h. mit zunehmender negativer Energie) könnte es Energie freisetzen, beispielsweise in Form von Strahlung, und da | E| Ohne Einschränkungen könnte ein Teilchen mit negativer Energie eine unendlich große Energiemenge abgeben. Zu einer ähnlichen Schlussfolgerung kann man auf folgende Weise gelangen: aus der Relation E=M e Mit 2 Daraus folgt, dass ein Teilchen mit negativer Energie auch eine negative Masse haben wird. Unter dem Einfluss einer Bremskraft soll ein Teilchen mit negativer Masse nicht langsamer werden, sondern beschleunigen und dabei unendlich viel Arbeit an der Quelle der Bremskraft verrichten. Angesichts dieser Schwierigkeiten scheint es notwendig zu sein, zuzugeben, dass der Zustand mit negativer Energie aus der Betrachtung ausgeschlossen werden sollte, da er zu absurden Ergebnissen führt. Dies würde jedoch einigen allgemeinen Prinzipien der Quantenmechanik widersprechen. Deshalb wählte Dirac einen anderen Weg. Er schlug vor, dass Übergänge von Elektronen in Zustände mit negativer Energie normalerweise nicht beobachtet werden, weil alle verfügbaren Niveaus mit negativer Energie bereits mit Elektronen besetzt sind. 
Laut Dirac ist ein Vakuum ein Zustand, in dem alle Ebenen negativer Energie mit Elektronen besetzt und Ebenen mit positiver Energie frei sind. Da ausnahmslos alle unterhalb des verbotenen Bandes liegenden Niveaus besetzt sind, verraten sich Elektronen auf diesen Niveaus in keiner Weise. Wenn einem der Elektronen, die sich auf negativem Niveau befinden, Energie zugeführt wird E≥ 2M e Mit 2, dann geht dieses Elektron in einen Zustand mit positiver Energie über und verhält sich wie ein Teilchen mit positiver Masse und negativer Ladung. Dieses erste theoretisch vorhergesagte Teilchen wurde Positron genannt. Wenn ein Positron auf ein Elektron trifft, vernichten sie sich (verschwinden) – das Elektron bewegt sich von einem positiven zu einem freien negativen Niveau. Die dem Unterschied zwischen diesen Niveaus entsprechende Energie wird in Form von Strahlung freigesetzt. In Abb. In Abb. 4 zeigt Pfeil 1 den Entstehungsprozess eines Elektron-Positron-Paares und Pfeil 2 – deren Vernichtung. Der Begriff „Vernichtung“ sollte nicht wörtlich genommen werden. Im Wesentlichen kommt es nicht zu einem Verschwinden, sondern zu einer Umwandlung einiger Teilchen (Elektron und Positron) in andere (γ-Photonen).
Es gibt Teilchen, die mit ihren Antiteilchen identisch sind (das heißt, sie haben keine Antiteilchen). Solche Teilchen nennt man absolut neutral. Dazu gehören das Photon, das π 0 -Meson und das η-Meson. Mit ihren Antiteilchen identische Teilchen sind nicht zur Vernichtung fähig. Das bedeutet jedoch nicht, dass sie überhaupt nicht in andere Teilchen umgewandelt werden können.
Wenn Baryonen (also Nukleonen und Hyperonen) eine Baryonenladung (oder Baryonenzahl) zugeordnet wird IN= +1, Antibaryonen – Baryonenladung IN= –1, und alle anderen Teilchen haben eine Baryonenladung IN= 0, dann sind alle unter Beteiligung von Baryonen und Antibaryonen ablaufenden Prozesse durch die Ladungserhaltung der Baryonen gekennzeichnet, ebenso wie Prozesse durch die Erhaltung der elektrischen Ladung gekennzeichnet sind. Das Gesetz der Erhaltung der Baryonenladung bestimmt die Stabilität des weichsten Baryons, des Protons. Die Umwandlung aller Größen, die ein physikalisches System beschreiben, bei dem alle Teilchen durch Antiteilchen ersetzt werden (z. B. Elektronen durch Protonen und Protonen durch Elektronen usw.), wird als Konjugationsladung bezeichnet.
Seltsame Teilchen.ZU-Mesonen und Hyperonen wurden in den frühen 50er Jahren des 20. Jahrhunderts als Teil der kosmischen Strahlung entdeckt. Seit 1953 werden sie an Beschleunigern hergestellt. Das Verhalten dieser Teilchen erwies sich als so ungewöhnlich, dass man sie als seltsam bezeichnete. Das ungewöhnliche Verhalten der seltsamen Teilchen bestand darin, dass sie eindeutig aufgrund starker Wechselwirkungen mit einer charakteristischen Zeit in der Größenordnung von 10–23 s entstanden sind und ihre Lebensdauern in der Größenordnung von 10–8–10–10 s lagen. Letzterer Umstand deutete darauf hin, dass der Zerfall von Teilchen auf schwache Wechselwirkungen zurückzuführen ist. Es war völlig unklar, warum die seltsamen Teilchen so lange lebten. Da sowohl an der Entstehung als auch am Zerfall des λ-Hyperons dieselben Teilchen (π-Mesonen und Protonen) beteiligt sind, war es überraschend, dass die Geschwindigkeit (also die Wahrscheinlichkeit) beider Prozesse so unterschiedlich war. Weitere Untersuchungen ergaben, dass seltsame Teilchen paarweise entstehen. Dies führte zu der Idee, dass starke Wechselwirkungen beim Teilchenzerfall keine Rolle spielen können, da für deren Manifestation die Anwesenheit zweier fremder Teilchen notwendig ist. Aus dem gleichen Grund erweist sich die einmalige Erzeugung seltsamer Teilchen als unmöglich.
Um das Verbot der Einzelproduktion seltsamer Teilchen zu erklären, führten M. Gell-Mann und K. Nishijima eine neue Quantenzahl ein, deren Gesamtwert ihrer Annahme zufolge unter starken Wechselwirkungen erhalten bleiben sollte. Das ist eine Quantenzahl S nannte sich die Fremdartigkeit des Teilchens. Bei schwachen Wechselwirkungen bleibt die Fremdartigkeit möglicherweise nicht erhalten. Daher wird es nur stark wechselwirkenden Teilchen – Mesonen und Baryonen – zugeschrieben.
Neutrino. Neutrino ist das einzige Teilchen, das weder an starken noch an elektromagnetischen Wechselwirkungen teilnimmt. Abgesehen von der Gravitationswechselwirkung, an der alle Teilchen beteiligt sind, können Neutrinos nur an schwachen Wechselwirkungen teilnehmen.
Lange Zeit blieb unklar, wie sich ein Neutrino von einem Antineutrino unterscheidet. Die Entdeckung des Erhaltungssatzes der kombinierten Parität ermöglichte die Beantwortung dieser Frage: Sie unterscheiden sich in der Helizität. Unter Helizität Es wird ein bestimmter Zusammenhang zwischen den Richtungen des Impulses verstanden R und zurück S Partikel. Helizität gilt als positiv, wenn Spin und Impuls in die gleiche Richtung weisen. In diesem Fall ist die Richtung der Teilchenbewegung ( R) und die dem Spin entsprechende „Rotationsrichtung“ bilden eine rechtsdrehende Schraube. Wenn Spin und Impuls entgegengesetzt gerichtet sind, ist die Helizität negativ (die Translationsbewegung und die „Rotation“ bilden eine linksdrehende Schraube). Nach der von Yang, Lee, Landau und Salam entwickelten Theorie der longitudinalen Neutrinos sind alle in der Natur vorkommenden Neutrinos, unabhängig von der Methode ihrer Entstehung, immer vollständig longitudinal polarisiert (d. h. ihr Spin ist parallel oder antiparallel zum Impuls gerichtet). R). Neutrino hat Negativ(links) Helizität (entsprechend dem Richtungsverhältnis S Und R, dargestellt in Abb. 5 (b), Antineutrino – positive (rechtshändige) Helizität (a). Somit ist es die Helizität, die Neutrinos von Antineutrinos unterscheidet.
Reis. 5. Schema der Helizität von Elementarteilchen
Systematik der Elementarteilchen. Die in der Welt der Elementarteilchen beobachteten Muster lassen sich in Form von Erhaltungsgesetzen formulieren. Es gibt bereits eine ganze Reihe solcher Gesetze. Einige davon erweisen sich als nicht exakt, sondern nur als Näherungswerte. Jedes Erhaltungsgesetz drückt eine bestimmte Symmetrie des Systems aus. Gesetze der Impulserhaltung R, Drehimpuls L und Energie E spiegeln die Eigenschaften der Symmetrie von Raum und Zeit wider: Erhaltung E ist eine Folge der Homogenität der Zeit, der Bewahrung R aufgrund der Homogenität des Raumes und der Erhaltung L– seine Isotropie. Das Gesetz der Paritätserhaltung ist mit der Symmetrie zwischen rechts und links verbunden ( R-Invarianz). Symmetrie in Bezug auf Ladungskonjugation (Symmetrie von Teilchen und Antiteilchen) führt zur Erhaltung der Ladungsparität ( MIT-Invarianz). Die Erhaltungssätze elektrischer, baryonischer und leptonischer Ladungen drücken eine besondere Symmetrie aus MIT-Funktionen. Schließlich spiegelt das Gesetz der Erhaltung des Isotopenspins die Isotropie des Isotopenraums wider. Die Nichteinhaltung eines der Erhaltungssätze bedeutet eine Verletzung der entsprechenden Symmetrieart in dieser Wechselwirkung.
In der Welt der Elementarteilchen gilt folgende Regel: alles, was nicht durch Naturschutzgesetze verboten ist, ist erlaubt. Letztere fungieren als Ausschlussregeln für die gegenseitige Umwandlung von Teilchen. Beachten wir zunächst die Gesetze zur Erhaltung von Energie, Impuls und elektrischer Ladung. Diese drei Gesetze erklären die Stabilität des Elektrons. Aus der Energie- und Impulserhaltung folgt, dass die gesamte Ruhemasse der Zerfallsprodukte kleiner sein muss als die Ruhemasse des zerfallenden Teilchens. Das bedeutet, dass ein Elektron nur in Neutrinos und Photonen zerfallen kann. Aber diese Teilchen sind elektrisch neutral. Es stellt sich also heraus, dass das Elektron einfach niemanden hat, an den es seine elektrische Ladung übertragen kann, also ist es stabil.
Quarks. Es gibt so viele Teilchen, die als Elementarteilchen bezeichnet werden, dass ernsthafte Zweifel an ihrer elementaren Natur aufgekommen sind. Jedes der stark wechselwirkenden Teilchen ist durch drei unabhängige additive Quantenzahlen gekennzeichnet: Ladung Q, Überladung U und Baryonenladung IN. In diesem Zusammenhang entstand die Hypothese, dass alle Teilchen aus drei Grundteilchen – Trägern dieser Ladungen – aufgebaut sind. 1964 stellten Gell-Mann und unabhängig von ihm der Schweizer Physiker Zweig eine Hypothese auf, nach der alle Elementarteilchen aus drei Teilchen, sogenannten Quarks, aufgebaut seien. Diesen Teilchen werden gebrochene Quantenzahlen zugeordnet, insbesondere eine elektrische Ladung von +⅔; –⅓; +⅓ jeweils für jedes der drei Quarks. Diese Quarks werden üblicherweise mit Buchstaben bezeichnet U,D,S. Neben Quarks werden auch Antiquarks berücksichtigt ( u,D,S). Bisher sind 12 Quarks bekannt – 6 Quarks und 6 Antiquarks. Mesonen entstehen aus einem Quark-Antiquark-Paar und Baryonen aus drei Quarks. Beispielsweise bestehen ein Proton und ein Neutron aus drei Quarks, wodurch das Proton oder Neutron farblos wird. Dementsprechend werden drei Ladungen starker Wechselwirkungen unterschieden - rot ( R), Gelb ( Y) und Grün ( G).
Jedem Quark ist das gleiche magnetische Moment (µV) zugeordnet, dessen Wert theoretisch nicht bestimmt werden kann. Auf dieser Annahme basierende Berechnungen ergeben den Wert des magnetischen Moments μ p für das Proton = μ kv und für ein Neutron μ n = – ⅔μ Quadrat.
Somit erhält man für das Verhältnis der magnetischen Momente den Wert μ p / μn = –⅔, in hervorragender Übereinstimmung mit dem experimentellen Wert.
Grundsätzlich begann die Farbe des Quarks (wie das Zeichen der elektrischen Ladung) den Unterschied in der Eigenschaft auszudrücken, die die gegenseitige Anziehung und Abstoßung von Quarks bestimmt. In Analogie zu Quanten von Feldern verschiedener Wechselwirkungen (Photonen in elektromagnetischen Wechselwirkungen, R-Mesonen in starker Wechselwirkung usw.) wurden Teilchen eingeführt, die die Wechselwirkung zwischen Quarks trugen. Diese Teilchen wurden genannt Gluonen. Sie übertragen Farbe von einem Quark auf ein anderes, wodurch die Quarks zusammengehalten werden. In der Quarkphysik wurde die Confinement-Hypothese formuliert (aus dem Englischen). Einschränkungen– Einfangen) von Quarks, wonach es unmöglich ist, ein Quark vom Ganzen abzuziehen. Es kann nur als Element des Ganzen existieren. Die Existenz von Quarks als reale Teilchen ist in der Physik zuverlässig belegt.
Die Idee der Quarks erwies sich als sehr fruchtbar. Es ermöglichte nicht nur die Systematisierung bereits bekannter Teilchen, sondern auch die Vorhersage einer ganzen Reihe neuer. Die Situation, die sich in der Physik der Elementarteilchen entwickelt hat, erinnert an die Situation, die in der Atomphysik nach der Entdeckung des Periodengesetzes im Jahr 1869 durch D. I. Mendelev geschaffen wurde. Obwohl das Wesen dieses Gesetzes erst etwa 60 Jahre nach der Entstehung der Quantenmechanik geklärt wurde, ermöglichte es die Systematisierung der damals bekannten chemischen Elemente und führte darüber hinaus zur Vorhersage der Existenz neuer Elemente und ihrer Eigenschaften . Auf die gleiche Weise haben Physiker gelernt, Elementarteilchen zu systematisieren, und die entwickelte Taxonomie hat es in seltenen Fällen ermöglicht, die Existenz neuer Teilchen vorherzusagen und ihre Eigenschaften vorherzusagen.
Daher können Quarks und Leptonen derzeit als wirklich elementar betrachtet werden; es gibt 12 davon, oder zusammen mit Anti-Chatits - 24. Darüber hinaus gibt es Teilchen, die vier grundlegende Wechselwirkungen (Wechselwirkungsquanten) liefern. Es gibt 13 dieser Teilchen: Graviton, Photon, W± - und Z-Teilchen und 8 Gluonen.
Bestehende Theorien über Elementarteilchen können nicht angeben, was der Anfang der Reihe ist: Atome, Kerne, Hadronen, Quarks. In dieser Reihe enthält jede komplexere Materialstruktur eine einfachere als Komponente. Offenbar kann das nicht ewig so weitergehen. Es wurde angenommen, dass der beschriebenen Kette materieller Strukturen Objekte grundsätzlich anderer Natur zugrunde liegen. Es wird gezeigt, dass solche Objekte möglicherweise keine punktförmigen, sondern ausgedehnte, wenn auch extrem kleine (~10‑33 cm) Gebilde sind, sogenannte Superstrings. Die beschriebene Idee ist in unserem vierdimensionalen Raum nicht umsetzbar. Dieser Bereich der Physik ist im Allgemeinen äußerst abstrakt und es ist sehr schwierig, visuelle Modelle zu finden, die dazu beitragen, die Wahrnehmung der den Elementarteilchentheorien innewohnenden Ideen zu vereinfachen. Dennoch ermöglichen diese Theorien den Physikern, die gegenseitige Transformation und gegenseitige Abhängigkeit der „elementarsten“ Mikroobjekte sowie ihren Zusammenhang mit den Eigenschaften der vierdimensionalen Raumzeit auszudrücken. Am vielversprechendsten ist das sogenannte M-Theorie (Komme aus Geheimnis- Rätsel, Geheimnis). Sie operiert zwölfdimensionaler Raum . Letztendlich werden beim Übergang in die vierdimensionale Welt, die wir direkt wahrnehmen, alle „zusätzlichen“ Dimensionen „kollabiert“. Die M-Theorie ist bislang die einzige Theorie, die es ermöglicht, vier grundlegende Wechselwirkungen auf eine zu reduzieren – die sogenannte Supermacht. Wichtig ist auch, dass die M-Theorie die Existenz verschiedener Welten zulässt und die Bedingungen festlegt, die die Entstehung unserer Welt gewährleisten. Die M-Theorie ist noch nicht ausreichend entwickelt. Es wird angenommen, dass das Finale „Theorie von allem“ Basierend auf der M-Theorie wird im 21. Jahrhundert gebaut.
– materielle Gegenstände, die nicht in ihre Bestandteile zerlegt werden können. Gemäß dieser Definition können Moleküle, Atome und Atomkerne, die in ihre Bestandteile zerlegt werden können, nicht als Elementarteilchen klassifiziert werden – ein Atom wird in einen Kern und Orbitalelektronen, ein Kern in Nukleonen unterteilt. Gleichzeitig können Nukleonen, die aus kleineren und fundamentaleren Teilchen – Quarks – bestehen, nicht in diese Quarks unterteilt werden. Daher werden Nukleonen als Elementarteilchen klassifiziert. Angesichts der Tatsache, dass das Nukleon und andere Hadronen eine komplexe innere Struktur haben, die aus fundamentaleren Teilchen – Quarks – besteht, ist es angemessener, Hadronen nicht als Elementarteilchen, sondern einfach als Teilchen zu bezeichnen.
Teilchen sind kleiner als Atomkerne. Die Abmessungen der Kerne betragen 10 -13 − 10 -12 cm. Die größten Teilchen (einschließlich Nukleonen) bestehen aus Quarks (zwei oder drei) und werden Hadronen genannt. Ihre Abmessungen betragen ≈ 10 -13 cm. Es gibt auch strukturlose (nach heutigem Kenntnisstand) punktförmige (< 10 -17 см) частицы, которые
называют фундаментальными. Это кварки, лептоны, фотон и некоторые другие.
Всего известно несколько сот частиц. Это в подавляющем большинстве адроны.
Tabelle 1
|
Grundlegende Fermionen |
|||||||
|---|---|---|---|---|---|---|---|
|
Interaktionen |
Generationen | Aufladung Q/e |
|||||
| Leptonen | ν e | ν μ | ν τ | ||||
| e | μ | τ | |||||
| Quarks | C | T | +2/3 | ||||
| S | B | -1/3 | |||||
Die fundamentalen Teilchen sind 6 Quarks und 6 Leptonen (Tabelle 1) mit Spin 1/2 (das sind fundamentale Fermionen) und mehrere Teilchen mit Spin 1 (Gluon, Photon, W ± und Z-Bosonen) sowie ein Graviton (Spin). 2), sogenannte fundamentale Bosonen (Tabelle 2). Fundamentale Fermionen werden in drei Gruppen (Generationen) eingeteilt, die jeweils 2 Quarks und 2 Leptonen enthalten. Alle beobachtbare Materie besteht aus Teilchen der ersten Generation (Quarks u, d, Elektron e -): Nukleonen bestehen aus den Quarks u und d, Kerne bestehen aus Nukleonen. Kerne mit Elektronen in Umlaufbahnen bilden Atome usw.
Tabelle 2
| Grundlegende Wechselwirkungen | ||||
|---|---|---|---|---|
| Interaktion | Feldquant | Radius, cm | Interaktionskonstante (Größenordnung) |
Beispiel Manifestationen |
| stark | Gluon | 10 -13 | 1 | Kern, Hadronen |
| elektromagnetisch | γ-Quantum | 10 -2 | Atom | |
| schwach | W ± , Z | 10 -16 | 10 -6 | γ-Zerfall |
| Gravitation | Graviton | ∞ | 10 -38 | Schwere |
Die Rolle fundamentaler Bosonen besteht darin, dass sie als „Träger“ von Wechselwirkungen die Wechselwirkung zwischen Teilchen realisieren. Bei verschiedenen Wechselwirkungen tauschen Teilchen fundamentale Bosonen aus. Teilchen nehmen an vier grundlegenden Wechselwirkungen teil – stark (1), elektromagnetisch (10 –2), schwach (10 –6) und gravitativ (10 –38). Die Zahlen in Klammern kennzeichnen die relative Stärke jeder Wechselwirkung im Energiebereich unter 1 GeV. Quarks (und Hadronen) nehmen an allen Wechselwirkungen teil. Leptonen nehmen an der starken Wechselwirkung nicht teil. Der Träger der starken Wechselwirkung ist das Gluon (8 Arten), die elektromagnetische Wechselwirkung ist das Photon, die schwache Wechselwirkung sind die W ±- und Z-Bosonen und die Gravitationswechselwirkung ist das Graviton.
Die überwiegende Zahl der Teilchen im freien Zustand ist instabil, d.h. zerfällt. Die charakteristische Lebensdauer von Partikeln beträgt 10 -24 –10 -6 Sekunden. Die Lebensdauer eines freien Neutrons beträgt etwa 900 Sekunden. Das Elektron, das Photon, das Elektron-Neutrino und möglicherweise das Proton (und ihre Antiteilchen) sind stabil.
Grundlage für die theoretische Beschreibung von Teilchen ist die Quantenfeldtheorie. Die Quantenelektrodynamik (QED) wird zur Beschreibung elektromagnetischer Wechselwirkungen verwendet; schwache und elektromagnetische Wechselwirkungen werden gemeinsam durch eine einheitliche Theorie beschrieben – das elektroschwache Modell (ESM), starke Wechselwirkungen – die Quantenchromodynamik (QCD). QCD und ESM, die zusammen die starken, elektromagnetischen und schwachen Wechselwirkungen von Quarks und Leptonen beschreiben, bilden einen theoretischen Rahmen, der als Standardmodell bezeichnet wird.
Diese drei Teilchen (sowie andere unten beschriebene) werden entsprechend ihrer Wirkung gegenseitig angezogen und abgestoßen Gebühren, von denen es entsprechend der Anzahl der Grundkräfte der Natur nur vier Arten gibt. Die Ladungen können in absteigender Reihenfolge der entsprechenden Kräfte wie folgt angeordnet werden: Farbladung (Kräfte der Wechselwirkung zwischen Quarks); elektrische Ladung (elektrische und magnetische Kräfte); schwache Ladung (Kräfte bei einigen radioaktiven Prozessen); schließlich Masse (Gravitationskraft oder Gravitationswechselwirkung). Das Wort „Farbe“ hat hier nichts mit der Farbe des sichtbaren Lichts zu tun; es ist einfach ein Merkmal einer starken Ladung und der größten Kräfte.
Gebühren werden gespeichert, d.h. Die in das System eintretende Ladung ist gleich der Ladung, die es verlässt. Wenn die gesamte elektrische Ladung einer bestimmten Anzahl von Teilchen vor ihrer Wechselwirkung beispielsweise 342 Einheiten beträgt, beträgt sie nach der Wechselwirkung, unabhängig von ihrem Ergebnis, 342 Einheiten. Dies gilt auch für andere Ladungen: Farbe (starke Wechselwirkungsladung), schwache und Masse (Masse). Teilchen unterscheiden sich in ihrer Ladung: Im Wesentlichen „sind“ sie diese Ladungen. Anklagen sind wie eine „Bescheinigung“ über das Recht, auf die entsprechende Gewalt zu reagieren. Somit werden nur farbige Teilchen von Farbkräften beeinflusst, nur elektrisch geladene Teilchen werden von elektrischen Kräften beeinflusst usw. Die Eigenschaften eines Teilchens werden durch die größte auf es einwirkende Kraft bestimmt. Nur Quarks sind Träger aller Ladungen und unterliegen daher der Wirkung aller Kräfte, unter denen die Farbe die dominierende ist. Elektronen haben alle Ladungen außer Farbe, und die für sie dominierende Kraft ist die elektromagnetische Kraft.
Am stabilsten in der Natur sind in der Regel neutrale Teilchenkombinationen, bei denen die Ladung der Teilchen eines Vorzeichens durch die Gesamtladung der Teilchen des anderen Vorzeichens kompensiert wird. Dies entspricht der minimalen Energie des Gesamtsystems. (Auf die gleiche Weise sind zwei Stabmagnete in einer Linie angeordnet, wobei der Nordpol des einen zum Südpol des anderen zeigt, was der minimalen Energie des Magnetfelds entspricht.) Eine Ausnahme von dieser Regel bildet die Schwerkraft: negativ Masse existiert nicht. Es gibt keine Körper, die nach oben fallen.
Arten von Materie
Gewöhnliche Materie wird aus Elektronen und Quarks gebildet und zu Objekten mit neutraler Farbe und dann neutraler elektrischer Ladung gruppiert. Die Farbkraft wird neutralisiert, wie weiter unten noch näher erläutert wird, wenn die Partikel zu Tripletts zusammengefasst werden. (Daher stammt der Begriff „Farbe“ selbst, der aus der Optik stammt: Drei Grundfarben ergeben, wenn sie gemischt werden, Weiß.) Somit bilden Quarks, bei denen die Farbstärke im Vordergrund steht, Tripletts. Aber Quarks, und sie sind unterteilt in u-Quarks (vom Englischen aufwärts) und D-Quarks (vom Englischen down-bottom) haben ebenfalls eine elektrische Ladung gleich u-Quark und für D-Quark. Zwei u-Quark und eins D-Quarks geben eine elektrische Ladung von +1 und bilden ein Proton und eins u-Quark und zwei D-Quarks geben keine elektrische Ladung ab und bilden ein Neutron.
Stabile Protonen und Neutronen, die durch die restlichen Farbkräfte der Wechselwirkung zwischen den Quarks, aus denen sie bestehen, zueinander angezogen werden, bilden einen farbneutralen Atomkern. Aber Kerne tragen eine positive elektrische Ladung und neigen dazu, ein neutrales Atom zu bilden, indem sie negative Elektronen anziehen, die den Kern umkreisen wie Planeten, die die Sonne umkreisen. Elektronen auf ihren Umlaufbahnen werden vom Kern in Entfernungen entfernt, die Zehntausende Male größer sind als der Radius des Kerns – ein Beweis dafür, dass die elektrischen Kräfte, die sie halten, viel schwächer sind als die des Kerns. Dank der Kraft der Farbwechselwirkung sind 99,945 % der Masse eines Atoms in seinem Kern enthalten. Gewicht u- Und D-Quarks haben etwa die 600-fache Masse eines Elektrons. Daher sind Elektronen viel leichter und beweglicher als Kerne. Ihre Bewegung in der Materie wird durch elektrische Phänomene verursacht.
Es gibt mehrere hundert natürliche Atomarten (einschließlich Isotope), die sich in der Anzahl der Neutronen und Protonen im Kern und dementsprechend in der Anzahl der Elektronen in ihren Umlaufbahnen unterscheiden. Das einfachste ist das Wasserstoffatom, das aus einem Kern in Form eines Protons und einem einzelnen Elektron besteht, das ihn umkreist. Alle „sichtbare“ Materie in der Natur besteht aus Atomen und teilweise „zerlegten“ Atomen, die als Ionen bezeichnet werden. Ionen sind Atome, die, nachdem sie mehrere Elektronen verloren (oder gewonnen) haben, zu geladenen Teilchen geworden sind. Materie, die fast ausschließlich aus Ionen besteht, wird Plasma genannt. Sterne, die aufgrund thermonuklearer Reaktionen in den Zentren brennen, bestehen hauptsächlich aus Plasma, und da Sterne die häufigste Materieform im Universum sind, können wir sagen, dass das gesamte Universum hauptsächlich aus Plasma besteht. Genauer gesagt bestehen Sterne überwiegend aus vollständig ionisiertem Wasserstoffgas, d. h. eine Mischung aus einzelnen Protonen und Elektronen, und daher besteht fast das gesamte sichtbare Universum daraus.
Das ist sichtbare Materie. Aber es gibt auch unsichtbare Materie im Universum. Und es gibt Teilchen, die als Kraftträger fungieren. Es gibt Antiteilchen und angeregte Zustände einiger Teilchen. All dies führt zu einem eindeutig übermäßigen Überfluss an „Elementarteilchen“. In dieser Fülle lässt sich ein Hinweis auf die tatsächliche, wahre Natur der Elementarteilchen und der zwischen ihnen wirkenden Kräfte finden. Den neuesten Theorien zufolge können Teilchen im Wesentlichen ausgedehnte geometrische Objekte – „Strings“ im zehndimensionalen Raum sein.
Die unsichtbare Welt.
Im Universum gibt es nicht nur sichtbare Materie (sondern auch Schwarze Löcher und „Dunkle Materie“, etwa kalte Planeten, die bei Beleuchtung sichtbar werden). Es gibt auch wirklich unsichtbare Materie, die uns alle und das gesamte Universum jede Sekunde durchdringt. Es ist ein sich schnell bewegendes Gas aus Teilchen einer Art – Elektronenneutrinos.
Ein Elektron-Neutrino ist Partner eines Elektrons, trägt aber keine elektrische Ladung. Neutrinos tragen nur eine sogenannte schwache Ladung. Ihre Ruhemasse ist aller Wahrscheinlichkeit nach Null. Aber sie interagieren mit dem Gravitationsfeld, weil sie kinetische Energie haben E, was der effektiven Masse entspricht M, nach Einsteins Formel E = mc 2 wo C- Lichtgeschwindigkeit.
Die Schlüsselrolle des Neutrinos besteht darin, dass es zur Transformation beiträgt Und-Quarks in D-Quarks, wodurch ein Proton in ein Neutron umgewandelt wird. Neutrinos fungieren als „Vergasernadel“ für Sternfusionsreaktionen, bei denen sich vier Protonen (Wasserstoffkerne) zu einem Heliumkern verbinden. Da der Heliumkern aber nicht aus vier Protonen, sondern aus zwei Protonen und zwei Neutronen besteht, sind für eine solche Kernfusion zwei erforderlich Und-Quarks wurden zu zwei D-Quark. Die Intensität der Transformation bestimmt, wie schnell die Sterne brennen. Und der Transformationsprozess wird durch schwache Ladungen und schwache Wechselwirkungskräfte zwischen Teilchen bestimmt. Dabei Und-Quark (elektrische Ladung +2/3, schwache Ladung +1/2), das mit einem Elektron interagiert (elektrische Ladung - 1, schwache Ladung –1/2), bildet sich D-Quark (elektrische Ladung –1/3, schwache Ladung –1/2) und Elektron-Neutrino (elektrische Ladung 0, schwache Ladung +1/2). Die Farbladungen (oder auch nur Farben) der beiden Quarks heben sich bei diesem Prozess ohne das Neutrino auf. Die Aufgabe des Neutrinos besteht darin, die nicht kompensierte schwache Ladung abzuführen. Daher hängt die Transformationsgeschwindigkeit davon ab, wie schwach die schwachen Kräfte sind. Wenn sie schwächer wären als sie sind, würden die Sterne überhaupt nicht brennen. Wären sie stärker, wären die Sterne längst ausgebrannt.
Was ist mit Neutrinos? Da diese Teilchen äußerst schwach mit anderer Materie interagieren, verlassen sie fast sofort die Sterne, in denen sie geboren wurden. Alle Sterne leuchten und emittieren Neutrinos, und Neutrinos leuchten Tag und Nacht durch unseren Körper und die gesamte Erde. Also wandern sie durch das Universum, bis sie vielleicht in eine neue Interaktion eintreten (STERN).
Träger von Interaktionen.
Was verursacht Kräfte, die zwischen Teilchen in einiger Entfernung wirken? Die moderne Physik antwortet: durch den Austausch anderer Teilchen. Stellen Sie sich zwei Eisschnellläufer vor, die einen Ball herumwerfen. Dadurch, dass dem Ball beim Werfen Schwung verliehen wird und er mit dem empfangenen Ball Schwung erhält, erhalten beide einen Stoß in eine voneinander weg gerichtete Richtung. Dies kann die Entstehung abstoßender Kräfte erklären. Aber in der Quantenmechanik, die Phänomene in der Mikrowelt berücksichtigt, sind ungewöhnliche Dehnungen und Delokalisierungen von Ereignissen erlaubt, die zum scheinbar Unmöglichen führen: Einer der Skater wirft den Ball in die Richtung aus anders, aber dennoch Vielleicht Fang diesen Ball. Es ist nicht schwer, sich vorzustellen, dass, wenn dies möglich wäre (und in der Welt der Elementarteilchen ist es möglich), eine Anziehung zwischen den Skatern entstehen würde.
Die Teilchen, durch deren Austausch die Wechselwirkungskräfte zwischen den vier oben diskutierten „Materieteilchen“ entstehen, werden Eichteilchen genannt. Jede der vier Wechselwirkungen – stark, elektromagnetisch, schwach und gravitativ – verfügt über einen eigenen Satz an Eichteilchen. Die Trägerteilchen der starken Wechselwirkung sind Gluonen (es gibt nur acht davon). Ein Photon ist ein Träger elektromagnetischer Wechselwirkung (es gibt nur eines, und wir nehmen Photonen als Licht wahr). Die Trägerteilchen der schwachen Wechselwirkung sind intermediäre Vektorbosonen (sie wurden 1983 und 1984 entdeckt). W + -, W- -Bosonen und neutral Z-Boson). Das Trägerteilchen der Gravitationswechselwirkung ist das noch hypothetische Graviton (es sollte nur eines geben). Alle diese Teilchen, mit Ausnahme des Photons und des Gravitons, die unendlich große Entfernungen zurücklegen können, existieren nur im Prozess des Austauschs zwischen materiellen Teilchen. Photonen füllen das Universum mit Licht und Gravitonen füllen das Universum mit Gravitationswellen (noch nicht zuverlässig nachgewiesen).
Ein Teilchen, das Eichteilchen aussenden kann, soll von einem entsprechenden Kraftfeld umgeben sein. Daher sind Elektronen, die Photonen emittieren können, von elektrischen und magnetischen Feldern sowie schwachen Feldern und Gravitationsfeldern umgeben. Auch Quarks sind von all diesen Feldern umgeben, aber auch vom starken Wechselwirkungsfeld. Teilchen mit einer Farbladung im Bereich der Farbkräfte werden von der Farbkraft beeinflusst. Das Gleiche gilt auch für andere Naturgewalten. Daher können wir sagen, dass die Welt aus Materie (materielle Teilchen) und Feld (Messteilchen) besteht. Mehr dazu weiter unten.
Antimaterie.
Jedes Teilchen hat ein Antiteilchen, mit dem sich die Teilchen gegenseitig vernichten können, d. h. „vernichten“, was zur Freisetzung von Energie führt. „Reine“ Energie an sich existiert jedoch nicht; Durch die Vernichtung entstehen neue Teilchen (z. B. Photonen), die diese Energie abtransportieren.
In den meisten Fällen hat ein Antiteilchen entgegengesetzte Eigenschaften wie das entsprechende Teilchen: Bewegt sich ein Teilchen unter dem Einfluss starker, schwacher oder elektromagnetischer Felder nach links, bewegt sich sein Antiteilchen nach rechts. Kurz gesagt, das Antiteilchen hat entgegengesetzte Vorzeichen aller Ladungen (außer der Massenladung). Wenn ein Teilchen zusammengesetzt ist, wie zum Beispiel ein Neutron, dann besteht sein Antiteilchen aus Komponenten mit entgegengesetzten Ladungszeichen. Ein Antielektron hat also eine elektrische Ladung von +1, eine schwache Ladung von +1/2 und wird Positron genannt. Das Antineutron besteht aus Und-Antiquarks mit elektrischer Ladung –2/3 und D-Antiquarks mit elektrischer Ladung +1/3. Echte Neutralteilchen sind ihre eigenen Antiteilchen: Das Antiteilchen eines Photons ist ein Photon.
Nach modernen theoretischen Konzepten sollte jedes in der Natur vorkommende Teilchen sein eigenes Antiteilchen haben. Und viele Antiteilchen, darunter Positronen und Antineutronen, wurden tatsächlich im Labor gewonnen. Die Konsequenzen daraus sind äußerst bedeutsam und liegen jeder experimentellen Teilchenphysik zugrunde. Nach der Relativitätstheorie sind Masse und Energie gleichwertig und unter bestimmten Bedingungen kann Energie in Masse umgewandelt werden. Da die Ladung erhalten bleibt und die Ladung des Vakuums (leerer Raum) Null ist, können beliebige Paare von Teilchen und Antiteilchen (mit einer Nettoladung von Null) wie Kaninchen aus dem Hut eines Zauberers aus dem Vakuum auftauchen, solange genügend Energie dafür vorhanden ist ihre Masse erschaffen.
Generationen von Teilchen.
Beschleunigerexperimente haben gezeigt, dass sich das Quartett der Materialteilchen bei höheren Massenwerten mindestens zweimal wiederholt. In der zweiten Generation tritt an die Stelle des Elektrons das Myon (mit einer Masse, die etwa 200-mal größer ist als die Masse des Elektrons, aber mit den gleichen Werten aller anderen Ladungen), an die Stelle des Elektrons tritt das Neutrino vom Myon eingenommen (das das Myon in schwachen Wechselwirkungen auf die gleiche Weise begleitet, wie das Elektron vom Elektron-Neutrino begleitet wird), Ort Und-Quark besetzt Mit-Quark ( Fasziniert), A D-Quark – S-Quark ( seltsam). In der dritten Generation besteht das Quartett aus einem Tau-Lepton, einem Tau-Neutrino, T-Quark und B-Quark.
Gewicht T-Ein Quark hat etwa die 500-fache Masse des leichtesten – D-Quark. Es wurde experimentell festgestellt, dass es nur drei Arten leichter Neutrinos gibt. Die vierte Teilchengeneration existiert also entweder überhaupt nicht oder die entsprechenden Neutrinos sind sehr schwer. Dies steht im Einklang mit kosmologischen Daten, denen zufolge nicht mehr als vier Arten leichter Neutrinos existieren können.
Bei Experimenten mit hochenergetischen Teilchen wirken Elektron, Myon, Tau-Lepton und entsprechende Neutrinos als isolierte Teilchen. Sie tragen keine Farbladung und gehen nur schwache und elektromagnetische Wechselwirkungen ein. Zusammen heißen sie Leptonen.
| Tabelle 2. Generationen fundamentaler Teilchen | ||||
| Partikel | Ruhemasse, MeV/ Mit 2 | Elektrische Ladung | Farbladung | Schwache Ladung |
| ZWEITE GENERATION | ||||
| Mit-Quark | 1500 | +2/3 | Rot, grün oder blau | +1/2 |
| S-Quark | 500 | –1/3 | Dasselbe | –1/2 |
| Myon-Neutrino | 0 | 0 | +1/2 | |
| Myon | 106 | 0 | 0 | –1/2 |
| DRITTE GENERATION | ||||
| T-Quark | 30000–174000 | +2/3 | Rot, grün oder blau | +1/2 |
| B-Quark | 4700 | –1/3 | Dasselbe | –1/2 |
| Tau-Neutrino | 0 | 0 | +1/2 | |
| Tau | 1777 | –1 | 0 | –1/2 |
Quarks verbinden sich unter dem Einfluss von Farbkräften zu stark wechselwirkenden Teilchen, die die meisten Experimente in der Hochenergiephysik dominieren. Solche Teilchen nennt man Hadronen. Sie umfassen zwei Unterklassen: Baryonen(wie ein Proton und ein Neutron), die aus drei Quarks bestehen, und Mesonen, bestehend aus einem Quark und einem Antiquark. Im Jahr 1947 wurde das erste Meson namens Pion (oder Pi-Meson) in der kosmischen Strahlung entdeckt, und eine Zeit lang glaubte man, dass der Austausch dieser Teilchen die Hauptursache für Kernkräfte sei. Omega-Minus-Hadronen, 1964 im Brookhaven National Laboratory (USA) entdeckt, und das JPS-Teilchen ( J/j-Meson), das 1974 gleichzeitig in Brookhaven und am Stanford Linear Accelerator Center (ebenfalls in den USA) entdeckt wurde. Die Existenz des Omega-Minus-Teilchens wurde von M. Gell-Mann in seinem sogenannten „ S.U. 3-Theorie“ (ein anderer Name ist der „achtfache Pfad“), in der erstmals die Möglichkeit der Existenz von Quarks vorgeschlagen wurde (und ihnen dieser Name gegeben wurde). Ein Jahrzehnt später die Entdeckung des Teilchens J/j bestätigte die Existenz Mit-Quark und brachte schließlich alle dazu, sowohl an das Quark-Modell als auch an die Theorie zu glauben, die elektromagnetische und schwache Kräfte vereint ( siehe unten).
Teilchen der zweiten und dritten Generation sind nicht weniger real als die erste. Zwar zerfallen sie nach ihrer Entstehung in Millionstel oder Milliardstel Sekunden in gewöhnliche Teilchen der ersten Generation: Elektron, Elektron-Neutrino und auch Und- Und D-Quarks. Die Frage, warum es in der Natur mehrere Generationen von Teilchen gibt, bleibt immer noch ein Rätsel.
Verschiedene Generationen von Quarks und Leptonen werden oft (was natürlich etwas exzentrisch ist) als unterschiedliche „Geschmacksrichtungen“ von Teilchen bezeichnet. Die Notwendigkeit, sie zu erklären, wird als „Geschmacksproblem“ bezeichnet.
BOSONEN UND FERMIONS, FELD UND MATERIE
Einer der grundlegenden Unterschiede zwischen Teilchen ist der Unterschied zwischen Bosonen und Fermionen. Alle Teilchen werden in diese beiden Hauptklassen eingeteilt. Identische Bosonen können sich überlappen oder überlappen, identische Fermionen jedoch nicht. In den diskreten Energiezuständen, in die die Quantenmechanik die Natur unterteilt, kommt es zu Überlagerung (oder auch nicht). Diese Zustände sind wie separate Zellen, in denen Partikel platziert werden können. Man kann also beliebig viele identische Bosonen in eine Zelle stecken, aber nur ein Fermion.
Betrachten Sie als Beispiel solche Zellen oder „Zustände“ für ein Elektron, das den Kern eines Atoms umkreist. Anders als die Planeten des Sonnensystems kann ein Elektron nach den Gesetzen der Quantenmechanik nicht auf einer elliptischen Umlaufbahn kreisen, denn es gibt nur eine diskrete Reihe erlaubter „Bewegungszustände“. Sätze solcher Zustände, gruppiert nach dem Abstand vom Elektron zum Kern, werden aufgerufen Orbitale. Im ersten Orbital gibt es zwei Zustände mit unterschiedlichem Drehimpuls und damit zwei erlaubten Zellen, in höheren Orbitalen sind es acht oder mehr Zellen.
Da das Elektron ein Fermion ist, kann jede Zelle nur ein Elektron enthalten. Daraus ergeben sich sehr wichtige Konsequenzen – die gesamte Chemie, da die chemischen Eigenschaften von Stoffen durch die Wechselwirkungen zwischen den entsprechenden Atomen bestimmt werden. Wenn Sie das Periodensystem der Elemente von einem Atom zum anderen in der Reihenfolge durchlaufen, in der die Anzahl der Protonen im Kern um eins zunimmt (die Anzahl der Elektronen nimmt entsprechend zu), dann besetzen die ersten beiden Elektronen das erste Orbital. die nächsten acht befinden sich im zweiten usw. Diese ständige Veränderung der elektronischen Struktur von Atomen von Element zu Element bestimmt die Muster ihrer chemischen Eigenschaften.
Wenn Elektronen Bosonen wären, könnten alle Elektronen in einem Atom dasselbe Orbital besetzen, was der minimalen Energie entspricht. In diesem Fall wären die Eigenschaften aller Materie im Universum völlig anders und das Universum in der Form, in der wir es kennen, wäre unmöglich.
Alle Leptonen – Elektron, Myon, Tau-Lepton und die entsprechenden Neutrinos – sind Fermionen. Das Gleiche gilt auch für Quarks. Somit sind alle Teilchen, die „Materie“, den Hauptfüller des Universums, bilden, sowie unsichtbare Neutrinos Fermionen. Das ist von großer Bedeutung: Fermionen können sich nicht verbinden, das Gleiche gilt also für Objekte in der materiellen Welt.
Gleichzeitig sind alle „Messteilchen“, die zwischen interagierenden Materialteilchen ausgetauscht werden und ein Kräftefeld erzeugen ( siehe oben), sind Bosonen, was ebenfalls sehr wichtig ist. So können sich beispielsweise viele Photonen im gleichen Zustand befinden und ein Magnetfeld um einen Magneten oder ein elektrisches Feld um eine elektrische Ladung bilden. Dank dessen ist auch Laser möglich.
Drehen.
Der Unterschied zwischen Bosonen und Fermionen hängt mit einer weiteren Eigenschaft von Elementarteilchen zusammen – drehen. Überraschenderweise haben alle Elementarteilchen einen eigenen Drehimpuls oder, einfacher ausgedrückt, rotieren um ihre eigene Achse. Der Impulswinkel ist ein Merkmal der Rotationsbewegung, ebenso wie der Gesamtimpuls der Translationsbewegung. Bei jeder Wechselwirkung bleiben Drehimpuls und Impuls erhalten.
Im Mikrokosmos ist der Drehimpuls quantisiert, d.h. nimmt diskrete Werte an. In geeigneten Maßeinheiten haben Leptonen und Quarks einen Spin von 1/2 und Eichteilchen einen Spin von 1 (mit Ausnahme des Gravitons, das experimentell noch nicht beobachtet wurde, aber theoretisch einen Spin von 2 haben sollte). Da Leptonen und Quarks Fermionen und Eichteilchen Bosonen sind, können wir annehmen, dass „Fermionizität“ mit Spin 1/2 und „Bosonizität“ mit Spin 1 (oder 2) verbunden ist. Tatsächlich bestätigen sowohl Experimente als auch Theorien, dass ein Teilchen mit einem halbzahligen Spin ein Fermion und ein ganzzahliges Teilchen ein Boson ist.
Messgerätetheorien und Geometrie
In allen Fällen entstehen die Kräfte durch den Austausch von Bosonen zwischen Fermionen. Somit entsteht die Farbkraft der Wechselwirkung zwischen zwei Quarks (Quarks – Fermionen) durch den Austausch von Gluonen. Ein ähnlicher Austausch findet ständig in Protonen, Neutronen und Atomkernen statt. In ähnlicher Weise erzeugen die zwischen Elektronen und Quarks ausgetauschten Photonen die elektrischen Anziehungskräfte, die die Elektronen im Atom halten, und die zwischen Leptonen und Quarks ausgetauschten intermediären Vektorbosonen erzeugen die schwachen Kräfte, die für die Umwandlung von Protonen in Neutronen bei thermonuklearen Reaktionen in Sternen verantwortlich sind.
Die Theorie hinter diesem Austausch ist elegant, einfach und wahrscheinlich richtig. Es wird genannt Eichtheorie. Derzeit gibt es jedoch nur unabhängige Eichtheorien für starke, schwache und elektromagnetische Wechselwirkungen sowie eine ähnliche, wenn auch etwas andere Eichtheorie der Schwerkraft. Eines der wichtigsten physikalischen Probleme ist die Reduktion dieser einzelnen Theorien auf eine einzige und zugleich einfache Theorie, in der sie alle zu unterschiedlichen Aspekten einer einzigen Realität würden – wie die Flächen eines Kristalls.
| Tabelle 3. EINIGE HADRONEN | ||||
| Partikel | Symbol | Quark-Zusammensetzung * | Menge, die übrig bleibt, MeV/ Mit 2 | Elektrische Ladung |
| BARIONEN | ||||
| Proton | P | uud | 938 | +1 |
| Neutron | N | udd | 940 | 0 |
| Omega minus | W – | sss | 1672 | –1 |
| MESONS | ||||
| Pi-plus | P + | u | 140 | +1 |
| Pi minus | P – | du | 140 | –1 |
| Fi | F | sє | 1020 | 0 |
| JP | J/y | cў | 3100 | 0 |
| Upsilon | Ў | B | 9460 | 0 |
| * Quarkzusammensetzung: u- Spitze; D- untere; S- seltsam; C– verzaubert; B- Schön. Antiquitäten werden durch einen Strich über dem Buchstaben gekennzeichnet. | ||||
Die einfachste und älteste Eichtheorie ist die Eichtheorie der elektromagnetischen Wechselwirkung. Dabei wird die Ladung eines Elektrons mit der Ladung eines anderen, entfernten Elektrons verglichen (kalibriert). Wie können Sie die Gebühren vergleichen? Sie können beispielsweise das zweite Elektron näher an das erste heranbringen und deren Wechselwirkungskräfte vergleichen. Aber ändert sich nicht die Ladung eines Elektrons, wenn es sich zu einem anderen Punkt im Raum bewegt? Die einzige Möglichkeit, dies zu überprüfen, besteht darin, ein Signal von einem nahen Elektron zu einem fernen zu senden und zu sehen, wie es reagiert. Das Signal ist ein Eichteilchen – ein Photon. Um die Ladung entfernter Teilchen testen zu können, wird ein Photon benötigt.
Mathematisch gesehen ist diese Theorie äußerst genau und schön. Aus dem oben beschriebenen „Eichprinzip“ ergibt sich die gesamte Quantenelektrodynamik (Quantentheorie des Elektromagnetismus) sowie Maxwells Theorie des elektromagnetischen Feldes – eine der größten wissenschaftlichen Errungenschaften des 19. Jahrhunderts.
Warum ist ein so einfaches Prinzip so fruchtbar? Offenbar drückt es eine gewisse Korrelation zwischen verschiedenen Teilen des Universums aus, was Messungen im Universum ermöglicht. Mathematisch gesehen wird das Feld geometrisch als Krümmung eines denkbaren „inneren“ Raums interpretiert. Beim Messen der Ladung wird die gesamte „innere Krümmung“ um das Teilchen gemessen. Die Eichtheorien der starken und schwachen Wechselwirkungen unterscheiden sich von der elektromagnetischen Eichtheorie nur in der inneren geometrischen „Struktur“ der entsprechenden Ladung. Die Frage, wo genau dieser innere Raum liegt, soll durch multidimensionale Einheitsfeldtheorien beantwortet werden, die hier nicht diskutiert werden.
| Tabelle 4. GRUNDLEGENDE WECHSELWIRKUNGEN | |||||
| Interaktion | Relative Intensität im Abstand von 10–13 cm | Aktionsradius | Interaktionsträger | Trägerruhemasse, MeV/ Mit 2 | Drehen Sie den Träger |
| Stark | 1 | Gluon | 0 | 1 | |
| Elektro- magnetisch |
0,01 | Ґ | Photon | 0 | 1 |
| Schwach | 10 –13 | W + | 80400 | 1 | |
| W – | 80400 | 1 | |||
| Z 0 | 91190 | 1 | |||
| Gravita- tional |
10 –38 | Ґ | Graviton | 0 | 2 |
Die Teilchenphysik ist noch nicht abgeschlossen. Es ist noch lange nicht klar, ob die verfügbaren Daten ausreichen, um die Natur von Teilchen und Kräften sowie die wahre Natur und Dimension von Raum und Zeit vollständig zu verstehen. Brauchen wir dazu Experimente mit Energien von 10 15 GeV oder reicht der Gedankenaufwand aus? Noch keine Antwort. Aber wir können mit Sicherheit sagen, dass das endgültige Bild einfach, elegant und schön sein wird. Möglicherweise wird es nicht so viele grundlegende Ideen geben: das Eichprinzip, Räume höherer Dimensionen, Kollaps und Expansion und vor allem die Geometrie.
Nach dem derzeitigen Wissensstand haben Elektronen usw. (siehe unten) sowie Quarks interne Eigenschaften. Die Struktur wurde nicht entdeckt, obwohl es theoretische gibt. Laut Crimea-Modellen bestehen sowohl Leptonen als auch Quarks aus grundlegenderen Bausteinen des Universums – Preonen (dieser Begriff ist jedoch noch nicht allgemein akzeptiert).
Historisch gesehen war der erste experimentell entdeckte E.h. Es gab ein Elektron, ein Proton und dann ein Neutron. Es schien, dass die Gesamtheit dieser Teilchen und das el.-magnetische Quantum. Das Photonenfeld reicht aus, um bekannte Materieformen (Atome und Moleküle) aufzubauen. Mit diesem Ansatz wurde Materie aus Protonen, Neutronen und Elektronen aufgebaut und die El.-Magn. Das Feld (Photonen) führte die Wechselwirkung zwischen ihnen durch. Allerdings wurde schnell klar, dass die Welt viel komplizierter ist. Es wurde festgestellt, dass es für jedes Teilchen ein eigenes gibt, das sich nur im Vorzeichen der Ladungen davon unterscheidet (siehe unten); Bei Teilchen mit Nullwerten aller Ladungen fällt das Antiteilchen mit dem Teilchen zusammen (Beispiel - Photon). Darüber hinaus kamen mit der Entwicklung der experimentellen Kernphysik zu den oben genannten vier (oder, unter Berücksichtigung der Antiteilchen, sieben) Teilchen über 300 Teilchen hinzu. Es kann als erwiesen angesehen werden, dass der Großteil dieser Teilchen aus Quarks aufgebaut ist, deren Anzahl 6 (bzw. 12, unter Berücksichtigung der Antiquarks) beträgt.
Eine weitere wichtige Errungenschaft in der Physik der Mikrowelt war die Entdeckung, dass E.H. ist nicht nur elektromagnetischen Phänomenen inhärent Interaktion. Bei der Untersuchung der Struktur von Atomkernen wurde klar, dass die Kräfte, die Protonen und Neutronen im Kern halten, nicht elektromagnetischer Natur sind.
Die für Nukleonen (Protonen und Neutronen im Kern) charakteristische Wechselwirkung wird als stark bezeichnet. Es stellte sich heraus, dass es auf Distanz nur kurz wirkte R Bei mehr als 10 -13 cm ist die starke Wechselwirkung vernachlässigbar. Wann jedoch R Atomstreitkräfte). Die Entdeckung der Instabilität des Neutrons und bestimmter Atomkerne deutete auf die Existenz einer anderen Art von Wechselwirkung hin, die als schwach bezeichnet wird. Die drei oben aufgeführten Arten von Wechselwirkungen sowie die Gravitationswechselwirkung (siehe) erschöpfen die bekannten Arten grundlegender physikalischer Wissenschaften. Interaktionen. Es besteht die Ansicht, dass alle 4 (oder mindestens 3) Arten von Interaktionen Phänomene derselben Natur sind und auf dieselbe Weise beschrieben werden sollten.
Einheitliche Theorie von schwachem und elektrischem Magnetismus Interaktionen wurden bereits aufgebaut und durch Erfahrung bestätigt; Es gibt theoretische Modelle, die alle Arten von Interaktionen einheitlich beschreiben (siehe).
2. Klassifizierung von Elementarteilchen
Tisch 1. Elementarteilchen ( Q- Elektrisch. Aufladung, L- Leptonenladung, B- Baryonenladung, S- Seltsamkeit, C- Charme).
| Partikeltyp | Symbol | Gewicht M, MeV | Drehen, in Einheiten |
Zeit Leben mit |
Q | L | B | S | C |
| Leptonen | e- | 0,511 | 1/2 | align="absmiddle" width="65" height="15"> | -1 | 1 | 0 | 0 | 0 |
| stabil 3) | 0 | ||||||||
| 105 | -1 | ||||||||
| stabil 3) | 0 | ||||||||
| 1784 | -1 | ||||||||
| stabil 3) | 0 | ||||||||
| Mesonen- Träger Interaktion |
0 | 1 | stabil | 0 | 0 | 0 | 0 | 0 | |
| W | |||||||||
| Z 0 | 0 | ||||||||
| Gluon 5) | 0 6) | stabil 6) | 0 | ||||||
| Mesonen (Hadronen) |
135 | 0 | 0 | 0 | 0 | 0 | 0 | ||
| 140 | +1 | 0 | 0 | ||||||
| K 0 | 498 | 0 | +1 | 0 | |||||
| K+ | 494 | +1 | +1 | 0 | |||||
| D0 | 1864 | 0 | 0 | +1 | |||||
| D+ | 1869 | ~ 10 -12 | +1 | 0 | +1 | ||||
| F+ | 2020 | +1 | -1 | +1 | |||||
| Baryonen 8) (Hadronen) | P | 938,3 | 1/2 | >10 38 | +1 | 0 | 1 | 0 | 0 |
| N | 939,6 | 900 | 0 | 0 | 0 | ||||
| 1115 | 0 | -1 | 0 | ||||||
| 1189 | +1 | -1 | 0 | ||||||
| 1192 | 0 | -1 | 0 | ||||||
| 1197 | -1 | -1 | 0 | ||||||
| 1315 | 0 | -2 | 0 | ||||||
| 1321 | -1 | -2 | 0 | ||||||
| 1672 | -1 | -3 | 0 | ||||||
| 2280 | ~ 10 -13 | +1 | 0 | 1 |
1) Zusätzlich zu den in der Tabelle aufgeführten Partikeln gibt es eine Vielzahl kurzlebiger Partikel, die sogenannten. Resonanzen mit einer Lebensdauer von ~ 10 -20 -10 -24 s. Für die angegebenen Teilchen sind in der Teilchentabelle nicht deren Antiteilchen angegeben, die die gleichen Werte für Masse und Lebensdauer haben, sondern entgegengesetzte Vorzeichen der Quantenzahlen Q, L, B, S, C.
2) Es wird angenommen, dass es zwar etwas Besonderes ist. dafür gibt es keinen Grund; Vielleicht, .
3) Wenn , dann ist natürlich zu erwarten, dass Neutrinos instabil sind, obwohl ihre Lebensdauer sehr lang sein kann.
4) Das Theoretische Grad.
5) Das Gluon existiert nicht als freies Teilchen.
6) Theoretisch Grad.
7) K 0 - und -Mesonen haben keine bestimmte Lebensdauer.
8) Baryonen mit großen Werten müssen existieren C(bis zu 3) sowie mit Werten ungleich Null C Und S gleichzeitig; Es wurde ein Meson (GeV) entdeckt, dessen Quantenzahl („Schönheit“) zugeschrieben wird B-Quark.
Abhängig von der Art der Interaktion von E.h. sind in mehrere unterteilt. große Gruppen (Tabelle 1). E.ch., das sich durch eine starke Wechselwirkung auszeichnet, genannt. . Zu den Hadronen zählen Protonen, Neutronen und schwerere Teilchen, Hyperonen (die alle gemeinsam als Hadronen bezeichnet werden) sowie eine große Familie. Teilchen, die nicht an starken Wechselwirkungen teilnehmen, werden aufgerufen . Dazu gehören neben dem Elektron zwei weitere geladene Leptonen: das Myon und das Tau-Lepton („schweres Lepton“), die 210 bzw. 3600 Mal massereicher sind als das Elektron. Jedes geladene Lepton ist mit einem neutralen Teilchen (Elektron, Myon oder Tau) verbunden. Die Neutrinomasse ist Null oder sehr klein. Es sind 6 Arten von Leptonen (mit 12 Antiteilchen) bekannt. Neutrale Leptonen nehmen nur an schwachen Wechselwirkungen teil; spärlich - mit schwachen und elektromagnetischen. Neutrale Leptonen können jedoch sehr kleine Magnetfelder haben. Momente. Hadronen sind an starken, schwachen und elektrischen Magneten beteiligt. Interaktionen. Und natürlich interagieren alle Teilchen gravitativ. Zusätzlich zu den aufgeführten gibt es Teilchen – Träger von Wechselwirkungen: Photon (Träger der elektrisch-magnetischen Wechselwirkung), W- und Z 0 -Bosonen (Träger der schwachen Wechselwirkung). Es wird angenommen, dass es einen Gravitationsträger gibt. Wechselwirkungen - Graviton.
E.h. gekennzeichnet durch ihre Masse, elektrische Ladung und ihren eigenen Drehimpuls - .
Die Massen der leichtesten Teilchen (z. B. Photonen) sind Null und die Massen der schwersten bekannten Teilchen betragen das 100-fache der Masse eines Protons. Elektrisch E.h. Gebühr ist ein ganzzahliges Vielfaches der Ladung des Elektrons. Die Anzahl der Teilchen kann entweder ganzzahlig (0, 1, 2, ...) sein – in diesem Fall werden sie Bosonen genannt, oder halbzahlig (1/2, 3/2, ...) – in diesem Fall sie werden Fermionen genannt.
Leptonen werden die sogenannten zugeschrieben Leptonenladung L, gleich +1 für Teilchen und -1 für ihre Antiteilchen. Die Einführung dieser Ladung wird damit begründet, dass bei allen in einem geschlossenen System ablaufenden Prozessen die Gesamtzahl der Leptonen und die Zahl der Antileptonen erhalten bleibt. Darüber hinaus hat jedes Leptonenpaar jeweils seine eigene spezielle leptonische Ladung. Die Einführung dieser Ladungen spiegelt die Tatsache wider, dass beispielsweise ein Elektron-Neutrino, das auf ein Neutron trifft, ein Elektron hervorbringen kann, nicht jedoch ein Myon oder ein Lepton. Die Werte betragen +1 für die angegebenen Leptonenpaare und -1 für ihre Antiteilchen. Mittlerweile wird jedoch die Möglichkeit, dass ein freies Neutrino im Laufe der Zeit seine Leptonenladung ändern und sich in eine andere Art von Neutrino verwandeln kann (Neutrino-Oszillationen), vielfach diskutiert. Dadurch ist ein Neutrino in unterschiedlicher Entfernung vom Ort seiner Entstehung in der Lage, geladene Leptonen unterschiedlicher Art zu produzieren.
Baryonen wird wie Leptonen ihre eigene konservierte Baryonenladung zugewiesen B. Die Art der Ladungserhaltung von Leptonen und Baryonen ist nicht völlig klar. Darüber hinaus sagen große Vereinheitlichungsmodelle voraus, dass dies die Erhaltung von Phänomenen ist. nur annähernd, obwohl die Entdeckung einer möglichen Verletzung des Naturschutzes offenbar am Rande oder außerhalb der Grenzen der Moderne liegt. experimentelle Möglichkeiten. Alle bekannten Leptonen und Baryonen sind Phänomene. Fermionen. Mesonen haben weder Baryonen- noch Leptonenladung und -phänomene. Bosonen. Darüber hinaus werden Hadronen bestimmte Quantenzahlen (Ladungen) zugeordnet, die als Strangeness bezeichnet werden ( S), Charme ( C) usw., was im Gegensatz zu B Und L, bleiben bei schwachen Wechselwirkungen nicht erhalten, wohl aber bei starken und elektromagnetischen Wechselwirkungen. Aus diesem Grund haben die leichtesten Teilchen mit (oder) aufgrund ihrer Instabilität eine ziemlich lange Lebensdauer im Maßstab der Welt-E.H. (siehe Tabelle 1), weil Nur eine schwache Wechselwirkung kann zu ihrem Zerfall führen.
3. Quark-Modell der Hadronenstruktur
Alle Hadronen, nach modernen Ideen, sind aus fundamentaleren Teilchen aufgebaut – Quarks ( Q). Quarks sind wie Leptonen Phänomene. Fermionen, ihr Spin ist 1/2, elektrisch. Ladung +2/3 und -1/3 (in Einheitsladung des Elektrons), Ladung der Antiquarks -2/3 und +1/3, alle Quarks haben Baryonenladung B=1/3, Leptonladung L=0. Ähnlich wie das Lepton werden auch Quarks zu Paaren zusammengefasst. Darüber hinaus besteht offenbar eine Quark-Lepton-Symmetrie: Jedes Leptonenpaar entspricht einem Quarkpaar (siehe Tabelle 2). Das Paar (e,) entspricht Quarks, bezeichnet mit (u,d). Dies sind die leichtesten Quarks, ihre Masse beträgt 5-10 MeV, ihre Fremdartigkeit, ihr Charme und andere ähnliche Quantenzahlen sind Null. Aus drei solchen Quarks kann man Nukleonen konstruieren, d.h. Proton und Neutron: p=( uud), n=( udd). DR. Mögliche Tripletts dieser Quarks kommen auch in der Natur vor und bilden beispielsweise schwerere Teilchen. ein Teilchen mit Spin 3/2 und einer Masse von 1240 MeV. Aus einem Quark-Antiquark-Paar werden Mesonen konstruiert, insbesondere das leichteste bekannte Meson, das Meson: ), ) und , die eine Mischung aus und sind.
Vierfaches Teilchen ( u,d,,e) bilden die sogenannten erste Quark-Lepton-Generation. Zwei weitere Generationen sind bekannt ( c,s, ) Und ( t,b,) (siehe Tabelle 2), die massereichere Partikel enthalten.
Tisch 2. Quarks und Leptonen.
| Ich Generation | II. Generation | III. Generation | ||||||||||
| Bezeichnungen | u | D | e | C | S | T | B | |||||
| Elektrische Ladung in Einheiten. Elektronenladung | +2/3 | -1/3 | 0 | -1 | +2/3 | -1/3 | 0 | -1 | +2/3 | -1/3 | 0 | -1 |
| Masse, MeV | 0,5 | 1200 | 150 | 105 | 1784 | |||||||
Anscheinend deuten kosmologische Daten auf das Fehlen nachfolgender Quark-Lepton-Generationen hin (siehe unten). Für die Theorie reichen dagegen drei Generationen von Teilchen aus Erklärungen zu den Unterschieden zwischen Teilchen und Antiteilchen. Jedes der schweren Quarks ( c,s Und t,b) hat dementsprechend seine quasierhaltene Quantenzahl C, S oder T, B. Weil das S angerufen Fremdheit, und das S-Quark heißt. seltsam; C angerufen Charme, B- Schönheit, z T Der Begriff steht noch nicht fest. Partikel, zu denen gehören S-Quark, genannt seltsam. Durch den theoretischen Ersatz von einem, zwei oder drei Quarks in einem Nukleon ist es möglich, die Existenz aller entdeckten seltsamen Baryonen – Hyperonen – zu erklären (siehe Tabelle 1). Ebenso beim Austausch u- oder D-Quark im -Meson auf S-Quark ist es in Mode, seltsame K-Mesonen zu erhalten, die in der Natur entdeckt wurden. In gleicher Weise enthalten die beobachteten Zauberpartikel (c). Mit-Quark usw. Prinzipiell sind gebundene Zustände aller sechs Arten von Quarks möglich, experimentell wurden jedoch nur einige davon beobachtet. Allerdings können alle entdeckten Hadronen als gebundene Zustände dieser sechs Quarks beschrieben werden.
Jedes Quark hat eine Quantenzahl, die Farbe genannt wird. Die Farbe des Phänomens Analogon von elektrisch Gebühr, wenn auch komplexer. Das Vorhandensein von Farbe erklärt die starke Wechselwirkung der Quarks, die bei Leptonen ohne Farbe fehlt.
So wie elektrische Ladungen durch Photonen interagieren, erfolgt die Wechselwirkung von Farbladungen durch Träger der starken Wechselwirkung – Gluonen. Allerdings gibt es im Gegensatz zu einem einzelnen Photon acht verschiedene Arten von Gluonen. DR. Der wesentliche Unterschied besteht darin, dass das Photon keine elektrische Energie besitzt Ladung und interagiert daher nicht mit sich selbst, aber Gluonen, die eine Farbladung haben, interagieren miteinander. Offenbar ist dies der Grund für ein grundlegend neues Phänomen namens Confinement oder Einschluss von Quarks. Tatsache ist, dass trotz der relativ hohen Energien beschleunigter Teilchen in der Neuzeit. In Beschleunigern können Quarks nicht im freien Zustand beobachtet werden. Sie kommen in der Natur offenbar nur in Form von Quark-Antiquark-Paaren (), Tripletts ( qqq) oder komplexere Formationen, aber immer so, dass sie elektrisch sind. Es stellte sich heraus, dass die Ladung dieser Objekte ganzzahlig war. Alle diese Objekte haben keine Farbladung. Um es ganz einfach auszudrücken: Das Phänomen der Eingrenzung ist wie folgt. Beim Versuch, ein Quark in einem freien Zustand zu erhalten (d. h. es weit genug aus dem Hadron herauszuziehen und ihm hohe Energie zu verleihen), stellt sich heraus, dass die Feldstärke der unkompensierten Farbladung des Quarks so ist stark, dass aufgrund der übertragenen Energie ein Paar aus dem Vakuum entsteht und das Antiquark sich zusammen mit dem Quark bewegt, das sie abzureißen versuchen. Dadurch fliegt kein Quark heraus, sondern ein zusammengesetztes Teilchen, das keine Farbe hat. Aus dem gleichen Grund können Gluonen auch nicht im freien Zustand beobachtet werden. Das Phänomen des Einschlusses bedingt einen kleinen Aktionsradius der starken Wechselwirkung.
Das Gebiet der Teilchenphysik, das die Wechselwirkung von Quarks und Gluonen untersucht, wird Quantenchromodynamik genannt. Quantenchromodynamik von Phänomenen. Theorie der starken Interaktion E.ch.
Also in der Neuzeit Ebene des Verständnisses der elementaren Natur der Grundbestandteile der Materie. 6 Leptonen (mit 12 Antiteilchen), 6x3=18 Quarks (mit 36 Antiteilchen) sowie Wechselwirkungsträger: stark – 8 Gluonen, elektromagnetisch – Photon, schwach – W- und Z 0 -Bosonen. Leptonen und Quarks haben einen Spin von 1/2, und Wechselwirkungsträger haben einen Spin von 1; sie werden Vektorbosonen genannt. Die Existenz all dieser Teilchen wird durch Experimente bestätigt. Darüber hinaus erfordert die Theorie die Existenz eines konstanten Skalarfeldes im gesamten Raum, mit dem verschiedene Leptonen und Quarks unterschiedlich interagieren, was den Unterschied in ihren Massen bestimmt. Skalare Feldquanten sind neu und werden von der Theorie der Elektronenteilchen vorhergesagt. null Spin. Sie werden Higgs-Bosonen genannt (benannt nach dem englischen Physiker P. Higgs, 1964, der ihre Existenz vermutete). Die Anzahl der Higgs-Bosonen kann mehrere erreichen. Dutzende. Die Wechselwirkung von W- und Z 0 -Bosonen mit einem Skalarfeld bestimmt. die Masse dieser Teilchen und der kleine Radius der schwachen Wechselwirkung. Higgs-Bosonen wurden experimentell noch nicht entdeckt. Darüber hinaus halten einige Physiker ihre Existenz für unnötig, ein vollständiges theoretisches Schema ohne Higgs-Bosonen wurde jedoch noch nicht gefunden.
Große vereinheitlichte Modelle erfordern die Einführung zusätzlicher Vektorteilchen – Träger der Wechselwirkung von Hadronen mit Leptonen. In der einfachsten Version müsste es 12 solcher Teilchen mit einer Masse geben M~ 10 14 -10 15 GeV. Es ist noch nicht möglich, solche Teilchen experimentell zu erhalten und zu untersuchen, weil Die Masse liegt weit über den Energien, die an Beschleunigern sowohl bestehender als auch allgemein denkbarer Bauformen erreichbar sind. Bei der Wechselwirkung mit diesen Vektorbosonen bleibt weder die Baryonen- noch die Leptonenladung erhalten. Auch hier nähert sich die Zahl der Teilchen auf der neuen Elementaritätsebene der Hundertzahl oder übersteigt sie sogar. Eine große Anzahl neuer Teilchen ist jedoch nur theoretisch erforderlich, nicht jedoch erfahrungsgemäß und möglicherweise auch anderer, theoretisch noch unbekannter. Die Schemata werden es ermöglichen, auf einen speziellen Satz bereits bekannter Teilchen zu verzichten.
Erhöhung der Anzahl grundlegender E.P. zwang die Theoretiker, nach Modellen zu suchen, in denen alle Familien von Quarks und Leptonen sowie Teilchen – Träger von Wechselwirkungen und Higgs-Bosonen – als Verbundstoffe einiger grundlegenderer Objekte betrachtet würden; Einer der vorgeschlagenen Namen für Letzteres ist Preons.
Basic Die Schwierigkeit, mit der die Preon-Theorie konfrontiert ist, besteht in der Masse der Objekte M, bestehend aus Preonen, sollte im Vergleich zur reziproken Größe dieser Objekte klein sein R-1 . Andererseits muss nach der Quantenmechanik im Allgemeinen die Bedingung erfüllt sein. Für dieses Problem gibt es noch keine zufriedenstellende Lösung. Dabei ist es keineswegs notwendig, dass die Struktur der Materie einem Matroschka-Spielzeug ähnelt; es ist nicht auszuschließen, dass Leptonen und Quarks die letzte Stufe der Fragmentierung der Materie sind und bleiben werden. Das entscheidende Wort muss hier dem Experiment gehören. Experimente an bestehenden Beschleunigern können die gestellten Fragen leider nicht beantworten.
4. Elementarteilchen und Kosmologie
Das Primärplasma enthielt alle Elektronenteilchen, deren Entstehung bei einer bestimmten Plasmatemperatur erfolgen konnte. Mit der Ausdehnung des Universums steigt die Temperatur T Das Plasma fiel, die massereichsten Teilchen hörten auf, geboren zu werden, und dies führte dazu, dass die Zahl der massereichsten stabilen E.H. und Antiteilchen im sogenannten Element. Das begleitende Volumen (d. h. die Expansion mit der Expansionsrate des Universums) verringerte sich proportional zu exp( mc 2 kT). Wenn ein solches Gesetz zur Verringerung der Konzentration von E.H. blieb bis heute (bis K) bestehen, dann wären praktisch keine Spuren von E.H. mehr vorhanden, die in den frühen Stadien der Evolution des Universums geboren wurden. Wenn jedoch die Konzentration solcher Partikel ausreichend klein wird, hört ihre gegenseitige Vernichtung auf und in der Folge sinkt die Konzentration von E.H. sinkt nur aufgrund der Expansion der Metagalaxie (bleibt also im Begleitvolumen konstant). Dieses Phänomen nennt man. erhärtende (manchmal gefrierende) Konzentration. Bei schwach wechselwirkenden Teilchen sollte ihre aktuelle Konzentration in der Größenordnung der aktuellen liegen. Konzentration von Reliktphotonen 
. Genau das ist bei Neutrinos der Fall. Die Berechnung zeigt, dass die Anzahl der Reliktneutrinos sehr groß sein sollte: (für jede Art von Neutrino). Der letztere Umstand ermöglicht es uns, eine sehr starke Grenze für die Neutrinomasse zu erhalten: eV. Wenn die Masse aller Arten von Neutrinos den angegebenen Grenzwert überschreiten würde, hätten Neutrinos einen erheblichen Einfluss auf die Expansionsrate des Universums und sein nach modernen Maßstäben berechnetes Alter. Der Wert der Hubble-Konstante und die Massendichte von Reliktneutrinos wären geringer als die Angaben der Astrophysik. Einschätzungen und Methoden. Der Beweis dafür, dass die untere Grenze des Alters des Universums zu einer oberen Grenze der Neutrinomassen führt, wurde von S.S. Gershtein und Ya.B. Zeldovich (1966) und leitete die Verwendung kosmologischer Methoden ein. Methoden der Physik E.ch.
Kosmologische Daten lassen auch den Schluss zu, dass die Anzahl verschiedener Neutrinos nicht beliebig groß sein kann (V.F. Shvartsman, 1969). leichte Elemente (wie 4 He und Deuterium) im Universum ist so, dass, d.h. Alle Neutrinos wurden bereits entdeckt. Zwar vertreten einige Physiker, die der Zuverlässigkeit der vorhandenen Daten nicht vertrauen, eine andere Einschätzung: . Vielleicht wird die Zahl der Neutrinotypen bald genau bekannt sein, denn... Das 1983 entdeckte Z 0 -Boson sollte der Theorie zufolge schwache Wechselwirkungen aufweisen. Es wird vorhergesagt, dass es in alle Arten von Neutrinos zerfällt, und daher können wir durch Messung seiner Gesamtzerfallswahrscheinlichkeit bestimmen, . Lassen Sie uns erklären, wie die Häufigkeit von 4 He und 2 H bestimmt werden kann. Diese Elemente wurden in einem sehr frühen Stadium der Entwicklung des Universums gebildet, als die Temperatur des Primärplasmas 1 MeV-100 keV (in Energieeinheiten oder 10 10 -10 9 K) betrug. Bei dieser Temperatur enthielt das Plasma ungefähr gleich viel Mengen an Photonen, Neutrinos aller Art, Elektron-Positron-Paare und eine kleine Anzahl von Nukleonen (~ 10 -10 von der Anzahl der Lichtteilchen, zum Beispiel n+p+e - ). Das Universum dehnt sich aus, die Konzentrationen der Teilchen sinken und die Reaktionsgeschwindigkeit der np-Übergänge wird geringer als die Expansionsgeschwindigkeit, das Verhältnis der Konzentrationen n und p verfestigt sich, d. h. Nn/Np wird konstant, wenn wir den langsamen Zerfall von Neutronen vernachlässigen. Dieser Wert bestimmt den relativen Gehalt (Häufigkeit) von 4 He, weil Aufgrund der Wasserstoffkette sind fast alle Neutronen in 4 He-Kernen gebunden. Offensichtlich ist die Abschrecktemperatur umso höher und dementsprechend das Verhältnis umso höher, je höher die Expansions- und Abkühlungsgeschwindigkeit ist Nn/Np. Es kann gezeigt werden, dass die Expansionsrate bei einer bestimmten Temperatur umso höher ist, je mehr verschiedene Arten von Teilchen im Primärplasma vorhanden sind. Daher führt die Hinzufügung neuer Arten von Neutrinos zum Primärplasma zu einer Erhöhung der Löschtemperatur und dementsprechend ein Anstieg der Konzentration von primärem 4 He. Modern Daten deuten darauf hin, dass der Anteil von 4 He (nach Masse) in der Materie der Metagalaxie 22–25 % beträgt, was gut mit der Theorie bei =3 übereinstimmt. Wenn die Anzahl der Neutrinotypen 10–20 betragen würde, würde die Menge an 4 He 40–50 % erreichen, was völlig im Widerspruch zu Beobachtungsdaten steht. Die Berechnung ist jedoch mit einer gewissen Unsicherheit behaftet, da die relative Konzentration der Nukleonen nur mit geringer Genauigkeit bekannt ist. Basierend auf Daten über die Menge an 2 H im Universum kann man eine solche Grenze für den Wert ermitteln F, womit >3 ausgeschlossen ist. Leider ist das Verhältnis zwischen der modernen und der primären Deuteriummenge eher schlecht bestimmt, was eine gewisse Lücke für die Erhöhung der Zahl lässt.
Die Kosmologie erlaubt auch Rückschlüsse auf Teilchen und Prozesse, die weit außerhalb des energetischen Bereichs liegen. Grenzen, die der Neuzeit zugänglich sind. und zukünftige Beschleuniger. Ein markantes Beispiel ist Beurteilung der Konzentration magnetischer Monopole – Teilchen mit einem Elementarmagneten. Aufladung. Die Existenz dieser Teilchen wird durch große einheitliche Modelle vorhergesagt. Ihre Masse sollte ~ 10 16 GeV betragen, sodass weder jetzt noch in absehbarer Zukunft Hoffnung besteht, diese Teilchen im Labor zu gewinnen, so wie beispielsweise Antiprotonen, W- und Z 0-Bosonen gewonnen werden.
Die einzige Möglichkeit, diese Partikel zu entdecken, besteht darin, sie unter Reliktpartikeln zu suchen. Theoretisch Die mit dem einfachsten Modell erzielten Erwartungen hinsichtlich der Konzentration von Reliktmonopolen widersprechen bestehenden Beobachtungsdaten. Dieser Widerspruch diente als eine der Voraussetzungen für die Formulierung des Inflationsmodells des Universums.
Zusammenhang der Physik E.h. und die Kosmologie hat sich in letzter Zeit besonders verstärkt. Derzeit kein einziger theoretischer Interaktionsmodell von E.h. kann nicht erkannt werden, wenn es nicht mit kosmologischen Daten übereinstimmt. Andererseits sind die Methoden der Physik E.H. ermöglichte die Lösung einer Reihe bekannter kosmologischer Probleme, wie zum Beispiel Probleme der Homogenität und Isotropie, des Horizonts des Universums und der Nähe der Materiedichte zum kritischen. Bedeutung.