Основни частици на материята в наше време. фундаментални частици

Фундаментална подлост Съдбата се разправи с мен по такъв начин, че аз неволно се докоснах до най-фундаменталните явления на нашата обществена система и успях да ги погледна без никакви воали и илюзии, които да ги крият. Както ми се струваше тогава, видях какво най-много

3. Фундаментално напрежение

3. Основно напрежение В самата същност на християнството се крие фактът, че то идва от юдаизма от 1-ви век. Исус беше евреин. Първите християни всички са били евреи. Християнството започва от юдаизма, от месианска секта в юдаизма. То възприемаше

ФУНДАМЕНТАЛНА ИСТИНА

ОСНОВНА ИСТИНА В нашата притча Джалин е образец на Исус Христос, но кралят ли е Отец? това е Всемогъщият Бог Отец. Дагон представлява дявола; живот в Ендел? това е човешки живот на земята; Афабел представлява небесния град на Бог. Запусната земя Лон?

Единиците за измерване на физическите величини при описанието на явления, протичащи в микросвета, се разделят на основни и производни, които се определят чрез математическата нотация на законите на физиката.
Поради факта, че всички физически явления се проявяват в пространството и времето, единиците за дължина и време се приемат преди всичко като основни единици и към тях се добавя единицата за маса. Основни единици: дължини л, време t, маса m − получаваме определен размер. Размерите на производните единици се определят от формули, изразяващи определени физични закони.
Размерите на основните физически единици са подбрани така, че на практика да е удобно да се използват.
В системата SI се приемат следните размери: дължини [ л] = m (метър), време [t] = s (секунда), маса [t] = kg (килограм).
В системата CGS се приемат следните размери за основни единици: дължина [/] \u003d cm (сантиметър), време [t] = s (секунда) и маса [t] = g (грам). За описване на явленията, случващи се в микрокосмоса, могат да се използват и двете системи от единици SI и CGS.
Нека да оценим порядките на дължина, време и маса в явленията на микросвета.
В допълнение към общоприетите международни системи от единици SI и CGS се използват и „естествени системи от единици“, базирани на универсални физически константи. Тези системи от единици са особено подходящи и се използват в различни физически теории. В естествената система от единици основните константи се приемат като основни единици: скоростта на светлината във вакуум - c, константата на Планк - ћ, гравитационна константа GN , константа на Болцман - k: числото на Авогадро - NA и т.н. В естествената система на Единиците на Планк, c = ћ = GN = k = 1. Тази система от единици се използва в космологията за описване на процеси, при които както квантовите, така и гравитационните ефекти са значими (теории за черните дупки, теории за ранната Вселена).
В естествената система от единици се решава задачата за естествената единица за дължина. Това може да се счита за дължината на вълната на Комптън λ 0 , която се определя от масата на частиците M: λ 0 = ћ/Ms.
Дължинахарактеризира размера на обекта. Така че, за електрон, класическият радиус r 0 = e 2 /m e c 2 = 2,81794 10 -13 cm (e, m e са зарядът и масата на електрона). Класическият радиус на електрона има значението на радиуса на заредена топка със заряд e (разпределението е сферично симетрично), при което енергията на електростатичното поле на топката ε = γе 2 /r 0 е равна на останалата част енергия на електрона mec 2 (използва се, когато се разглежда разсейването на светлината на Томпсън).
Използва се и радиусът на орбитата на Бор. Дефинира се като разстоянието от ядрото, на което е най-вероятно да се намери електрон в невъзбуден водороден атом.
a 0 = ћ 2 /m e e 2 (в системата CGS) и a 0 = (α/4π)R = 0,529 10 -10 m (в системата SI), α = 1/137.
Размер на нуклон r ≈ 10 -13 cm (1 фемтометър). Характерните размери на атомните системи са 10 -8 , ядрените системи - 10 -12 ÷ 10 -13 cm.
Времеварира в широк диапазон и се определя като отношението на разстоянието R към скоростта на обекта v. За микрообекти τ отрова = R/v = 5·10 -12 cm/10 9 cm/s ~ 5·10 -22 s;
τ елемент h = 10 -13 cm / 3 10 10 cm / s = 3 10 -24 s.
масиобектите варират от 0 до M. Така масата на електрона m e ≈ 10 -27 g, масата на протона
m p ≈ 10 -24 g (CGS система). Една единица за атомна маса, използвана в атомната и ядрената физика, 1 a.m.u. = M(C)/12 в единици маса на въглеродния атом.
Основните характеристики на микрообектите включват електрическия заряд, както и характеристиките, необходими за идентифициране на елементарна частица.
Електрически заряд частиците Q обикновено се измерват в единици електронен заряд. Електронен заряд e = 1,6 10 -19 висулка. За частици в свободно състояние Q/e = ±1, 0, а за кварки, които изграждат адрони, Q/e = ±2/3 и ±1/3.
В ядрата зарядът се определя от броя на протоните Z, съдържащи се в ядрото. Зарядът на протона е равен по абсолютна стойност на заряда на електрона.
За да идентифицирате елементарна частица, трябва да знаете:
I е изотопният спин;
J - вътрешен момент на импулса - спин;
R - пространствен паритет;
C е паритетът на заряда;
G − G-паритет.
Тази информация се записва като формула I G (J PC).
Завъртетее една от най-важните характеристики на частица, която се измерва с помощта на основната константа на Планк h или ћ = h/2π = 1,0544·10 -27 [erg-s]. Бозоните имат целочислено завъртане в единици ћ: (0,1, 2,...)ћ, фермионите имат полуцяло число (1/2, 3/2,... .)ћ. В класа на суперсиметричните частици стойностите на спиновете на фермиони и бозони се разменят.

Ориз. Фигура 4 илюстрира физическото значение на спин J по аналогия с класическата идея за ъгловия импулс на частица с маса m = 1 g, движеща се със скорост v = 1 cm/s по окръжност с радиус r = 1 см. В класическата физика ъгловият импулс J = mvr = L (L е орбиталният импулс). В квантовата механика J = 10 27 ћ = 1 erg·s за същите параметри на обект, движещ се в кръг, където ћ = 1,05·10 -27 erg·s.
Проекцията на спина на елементарна частица върху посоката на нейния импулс се нарича спиралност. Спиралността на безмасова частица с произволно завъртане приема само две стойности: по протежение на или срещу посоката на импулса на частицата. За фотон възможните стойности на спиралността са равни на ±1, за безмасово неутрино, спиралността е равна на ±1/2.
Спиновият момент на импулса на атомно ядро ​​се дефинира като векторната сума от спиновете на елементарните частици, които образуват квантова система, и орбиталните моменти на тези частици, дължащи се на тяхното движение в системата. Орбитален момент || и спинов момент || придобиват дискретна стойност. Орбитален момент || = ћ[ л(л+1)] 1/2 , където л− орбитално квантово число (може да приема стойности 0, 1,2,...), вътрешен момент на импулса || = ћ 1/2 където s е спиновото квантово число (може да приеме нулеви, цели или полуцели стойности J, общият ъглов импулс е равен на сумата + = .
Произведените единици включват: енергията на частица, скоростта, която замества скоростта за релативистични частици, магнитния момент и т.н.
Енергиячастица в покой: E = mc 2 ; движеща се частица: E \u003d m 2 c 4 + p 2 c 2.
За нерелативистични частици: E = mc 2 + p 2 /2m; за релативистични частици, с маса m = 0: E = вж.
Енергийни единици - eV, keV, MeV, GeV, TeV, ... 1 GeV = 10 9 eV, 1 TeV = 10 12 eV,
1 eV = 1,6 10 -12 ерг.
Скорост на частиците β = v/c, където c = 3 10 10 cm/s е скоростта на светлината. Скоростта на частицата определя такава важна характеристика като коефициента на Лоренц на частицата γ = 1/(1-β 2) 1/2 = E/mc 2 . Винаги γ > 1- За нерелативистични частици 1< γ < 2, а для релятивистских частиц γ > 2.
Във физиката на високите енергии скоростта на частиците β е близка до 1 и е трудно да се определи за релативистични частици. Следователно вместо скорост се използва скорост y, която е свързана със скоростта чрез отношението y = (1/2)ln[(1+β)/(1-β)] = (1/2)ln[(E +p)/(Ep)]. Скоростта се променя от 0 до ∞.

Функционалната връзка между скоростта на частиците и скоростта е показана на фиг. 5. За релативистични частици при β → 1, Е → р, тогава вместо скорост може да се използва псевдо-бързина η, която се определя от ъгъла на излизане на частицата θ, η = (1/2)ln tan(θ/2) . За разлика от скоростта, скоростта е адитивна величина, т.е. y 2 = y 0 + y 1 за всяка референтна система и за всякакви релативистки и нерелативистични частици.
Магнитен момент μ = Iπr 2 /c, където токът I = ev/2πr, възниква поради въртенето на електрическия заряд. По този начин всяка заредена частица има магнитен момент. Когато се разглежда магнитният момент на електрона, се използва магнетона на Бор
μ B = eћ/2m e c = 0,5788·10 -14 MeV/Gs, електронен магнитен момент = g·μ B ·. Коефициентът g се нарича жиромагнитно съотношение. За електрон g = /μ B · = 2, тъй като J = ћ/2, = μ B при условие, че електронът е точкова безструктурна частица. Жиромагнитното съотношение g съдържа информация за структурата на частицата. Количеството (g − 2) се измерва в експерименти, насочени към изследване на структурата на частици, различни от лептоните. За лептоните това количество показва ролята на по-високите електромагнитни корекции (вижте раздел 7.1 по-долу).
В ядрената физика се използва ядреният магнетон μ i = eћ/2m p c, където m p е масата на протона.

2.1.1. Системата Heaviside и нейната връзка със системата CGS

• m(g) = m(MeV) 2 10 -27 ,
• л(см) = л(MeV -1) 2 10 -11 ,
• t (c) \u003d t (MeV -1) b.b 10 -22.

Системата на Хевисайд се използва във физиката на високите енергии за описване на явления, случващи се в микрокосмоса, и се основава на използването на естествени константи с и ћ, които са решаващи в релативистката и квантовата механика.
Числовите стойности на съответните количества в CGS системата за електрона и протона са дадени в табл. 3 и може да се използва за преминаване от една система към друга.

Таблица 3. Числени стойности на количествата в CGS системата за електрон и протон

2.1.2. Планк (естествени) единици

Когато се разглеждат гравитационните ефекти, се въвежда скалата на Планк за измерване на енергия, маса, дължина и време. Ако гравитационната енергия на обект е равна на неговата обща енергия, т.е.

тогава
дължина = 1,6 10 -33 см,
маса = 2,2 10 -5 g = 1,2 10 19 GeV,
време = 5,4 10 -44 с,
където \u003d 6,67 10 -8 cm 2 g -1 s -2.

Гравитационните ефекти са значителни, когато гравитационната енергия на обект е сравнима с неговата обща енергия.

2.2. Класификация на елементарните частици

Концепцията за "елементарна частица" се формира с установяването на дискретната природа на структурата на материята на микроскопично ниво.

Атоми → ядра → нуклони → партони (кварки и глуони)

В съвременната физика терминът "елементарни частици" се използва за назоваване на голяма група от малки наблюдаваноточастици материя. Тази група частици е доста обширна: p протони, n неутрони, π- и K-мезони, хиперони, очаровани частици (J/ψ...) и много резонанси (общо
~ 350 частици). Тези частици се наричат ​​"адрони".
Оказа се, че тези частици не са елементарни, а са съставни системи, чиито съставки са наистина елементарни или, както започнаха да се наричат, " фундаментален „частици − партони, открит при изследването на структурата на протона. Изследването на свойствата на партоните направи възможно идентифицирането им кваркиИ глуонивъведени под внимание от Gell-Mann и Zweig при класификацията на наблюдаваните елементарни частици. Оказа се, че кварките са фермиони със спин J = 1/2. Приписани са им дробни електрически заряди и барионно число B = 1/3, тъй като барион с B = 1 се състои от три кварка. Освен това, за да се обяснят свойствата на някои бариони, се наложи въвеждането на ново квантово число - цвят. Всеки кварк има три цветни състояния, обозначени с индексите 1, 2, 3 или с думите червено (R), зелено (G) и синьо (B). Цветът не се проявява по никакъв начин в наблюдаваните адрони и работи само вътре в тях.
Към днешна дата са открити 6 вкуса (вида) кварки.
В табл. 4 са показани свойствата на кварките за едно цветово състояние.

Таблица 4. Свойства на кварките

За всеки аромат на кварка е дадена неговата маса (масите на съставните кварки са дадени и масите на текущите кварки са дадени в скоби), изотопният спин I и 3-тата проекция на изотопния спин I 3 , зарядът на кварка Q q /e и квантови числа s, c, b, t. Наред с тези квантови числа често се използва квантовото число на хиперзаряда Y = B + s + c + b + t. Съществува връзка между проекцията на изотопния спин I 3 , електрическия заряд Q и хиперзаряда Y: Q = I 3 + (1/2)Y.
Тъй като всеки кварк има 3 цвята, 18 кварка трябва да бъдат включени в разглеждането. Кварките нямат структура.
В същото време сред елементарните частици имаше цял клас частици, наречени " лептони". Те също са фундаментални частици, тоест нямат структура. Има шест от тях: три заредени e, μ, τ и три неутрални ν e, ν μ, ν τ. Лептоните участват само в електромагнитни и слаби взаимодействия Лептоните и кварките с полу-цяло число спин J = (n+1/2)ћ, n = 0, 1,... . са фундаментални фермиони. Между лептони и кварки има невероятна симетрия: шест лептона и шест кварка.
В табл. 5 са показани свойствата на фундаменталните фермиони: електрическият заряд Q i в единици от заряда на електрона и масата на частицата m. Лептоните и кварките се събират в три поколения (I, II и III). За всяко поколение сумата от електрически заряди ∑Q i = 0, като се вземат предвид 3 цветни заряда за всеки кварк. Всеки фермион има антифермион.
В допълнение към характеристиките на частиците, изброени в таблицата, важна роля за лептоните играят лептонните числа: електронни L e равно на +1 за e - и ν e , мюон L μ равен на +1 за μ - и ν μ и taon L τ равно на + 1 за τ - и ν τ , които съответстват на вкусовете на лептоните, участващи в специфични реакции, и са запазени количества. За лептоните, барионното число B = 0.

Таблица 5. Свойства на фундаменталните фермиони

Заобикалящата ни материя се състои от фермиони от първо поколение с ненулева маса. Влиянието на частици от второ и трето поколение се прояви в ранната Вселена. Сред фундаменталните частици специална роля играят фундаменталните калибровъчни бозони, които имат цяло число вътрешно квантово число спин J = nћ, n = 0, 1, .... Калибровъчните бозони са отговорни за четири вида фундаментални взаимодействия: силни (глуонни g), електромагнитни (фотон γ), слаби (бозони W ±, Z 0), гравитационни (гравитон G). Те също са безструктурни, фундаментални частици.
В табл. 6 показва свойствата на фундаменталните бозони, които са кванти на полето в калибровъчните теории.

Таблица 6. Свойства на фундаменталните бозони

В допълнение към свойствата на откритите калибровъчни бозони γ, W ± , Z 0 , g 1 ,... , g 8, таблицата показва свойствата на бозоните, които все още не са открити: G гравитон и Higgs бозони H 0 , Н ± .
Нека сега разгледаме най-многобройната група от елементарни силно взаимодействащи частици - адрони, за да обясним структурата, на която е въведено понятието кварки.
Адроните се делят на мезони и бариони. Мезоните са изградени от кварк и антикварк (q). Барионите се състоят от три кварка (q 1 q 2 q 3).
В табл. 7 са изброени свойствата на основните адрони. (За подробни таблици вижте The European Physical Journal C, Rev. of Particle Phys., v.15, no. 1 - 4, 2000.)

Таблица 7. Свойства на адроните

Кварковата структура на адроните дава възможност да се отделят в тази голяма група частици нестранни адрони, които се състоят от нестранни кварки (u, d), странни адрони, които включват странен кварк s, очаровани адрони, съдържащи c -кварк, очарователни адрони (долни адрони) с b кварка.
Таблицата показва свойствата само на малка част от адроните: мезони и бариони. Показани са тяхната маса, живот, основни режими на разпад и кварков състав. За мезоните, барионното число B = O и лептонното число L = 0. За барионите, барионното число B = 1, лептонното число L = 0. Мезоните са бозони (цело число завъртане), барионите са фермиони ( полу-цяло число завъртане).
По-нататъшното разглеждане на свойствата на адроните ни позволява да ги комбинираме в изотопни мултиплети, състоящи се от частици със същите квантови числа (барионно число, спин, вътрешна четност, странност) и подобни маси, но с различни електрически заряди. Всеки изотопен мултиплет се характеризира с изотопен спин I, който определя общия брой частици в мултиплета, равен на 2I + 1. Изоспинът може да приеме стойности 0, 1/2, 1, 3/2, 2 , . .., т.е. възможно е съществуването на изотопни синглети, дублети, триплети, квартети и др. И така, протон и неутрон образуват изотопен дублет, π + -, π - -, π 0 -мезони се считат за изотопен триплет.
По-сложните обекти в микрокосмоса са атомните ядра. Атомното ядро ​​се състои от Z протони и N неутрони. Сумата Z + N = A е броят на нуклоните в даден изотоп. Често таблиците дават осреднената стойност за всички изотопи, след което тя става дробна. Известни са ядра, за които посочените стойности са в рамките на: 1< А < 289, 1 < Z < 116.
Изброените по-горе частици се разглеждат в рамките на Стандартния модел. Предполага се, че извън Стандартния модел може да съществува друга група фундаментални частици – суперсиметрични частици (SUSY). Те трябва да осигуряват симетрия между фермиони и бозони. В табл. 8 показва предполагаемите свойства на тази симетрия.

2.3. Терен подход към проблема за взаимодействията

2.3.1 Свойства на фундаменталните взаимодействия

Огромното разнообразие от физически явления, възникващи при сблъсъци на елементарни частици, се определя само от четири типа взаимодействия: електромагнитно, слабо, силно и гравитационно. В квантовата теория взаимодействието се описва от гледна точка на обмена на специфични кванти (бозони), свързани с даден тип взаимодействие.
За визуално представяне на взаимодействието на частиците американският физик Р. Файнман предложи да се използват диаграми, които получиха неговото име. Диаграмите на Файнман описват всеки процес на взаимодействие при сблъсък на две частици. Всяка частица, участваща в процеса, е представена с линия на диаграмата на Файнман. Свободният ляв или десен край на линията показва, че частицата е съответно в начално или крайно състояние. Вътрешните линии в диаграмите (тоест линиите, които нямат свободни краища) отговарят на така наречените виртуални частици. Това са частици, които се раждат и усвояват в процеса на взаимодействие. Те не могат да бъдат регистрирани, за разлика от реалните частици. Взаимодействието на частиците в диаграмата е представено от възли (или върхове). Типът на взаимодействието се характеризира с константата на свързване α, която може да се запише като: α = g 2 /ћc, където g е зарядът на източника на взаимодействие и е основната количествена характеристика на силата, действаща между частиците. При електромагнитно взаимодействие α e \u003d e 2 / ћc \u003d 1/137.

Фиг.6. Диаграма на Фейнман.

Процесът a + b →с + d под формата на диаграма на Фейнман (фиг. 6) изглежда така: R е виртуална частица, която частиците a и b обменят по време на взаимодействието, определено от константата на взаимодействие α = g 2 /ћc , което характеризира силата на взаимодействие на разстояние , равно на радиуса на взаимодействие.
Една виртуална частица може да има маса M x и когато тази частица се обменя, се предава 4-импулс t = −q 2 = Q 2 .
В табл. 9 показва характеристиките на различните видове взаимодействия.

Електромагнитни взаимодействия . Най-пълно и последователно са изследвани електромагнитните взаимодействия, на които са подложени всички заредени частици и фотони. Носител на взаимодействието е фотон. За електромагнитните сили константата на взаимодействие е числено равна на константата на фината структура α e = e 2 /ћc = 1/137.
Примери за най-простите електромагнитни процеси са фотоелектричният ефект, ефектът на Комптън, образуването на двойки електрон-позитрон, а за заредените частици - йонизационното разсейване и спирачното лъчение. Теорията на тези взаимодействия - квантовата електродинамика - е най-точната физическа теория.

Слаби взаимодействия. За първи път се наблюдават слаби взаимодействия при β-разпадането на атомните ядра. И, както се оказа, тези разпадове са свързани с трансформациите на протон в неутрон в ядрото и обратно:
p → n + e + + ν e , n → p + e - + e . Възможни са и обратни реакции: улавяне на електрон e - + p → n + ν e или антинеутрино e + p → e + + n. Слабото взаимодействие е описано от Енрико Ферми през 1934 г. по отношение на контактно взаимодействие с четири фермиона, определено от константата на Ферми
G F = 1,4 10 -49 erg cm 3.
При много високи енергии, вместо контактното взаимодействие на Ферми, слабото взаимодействие се описва като обменно взаимодействие, при което има обмен на квант, надарен със слаб заряд g w (по аналогия с електрически заряд) и действащ между фермиони. Такива кванти са открити за първи път през 1983 г. в SppS Collider (CERN) от екип, ръководен от Карл Рубия. Това са заредени бозони - W ± и неутрален бозон - Z 0 , като масите им са съответно равни: m W± = 80 GeV/c 2 и m Z = 90 GeV/c 2 . Константата на взаимодействие α W в този случай се изразява чрез константата на Ферми:

Таблица 9. Основни видове взаимодействия и техните характеристики

ЗА РАЗБИРАНЕТО НА ДВИЖЕНИЕТО НА МАТЕРИЯТА, СПОСОБНОСТТА ѝ ЗА САМОРАЗВИТИЕ, КАКТО И КОМУНИКАЦИЯТА И ВЗАИМОДЕЙСТВИЕТО НА МАТЕРИАЛНИ ОБЕКТИ В СЪВРЕМЕННОТО ПРИРОДНО НАУКА

Цюпка В.П.

Федерална държавна автономна образователна институция за висше професионално образование "Белгородски държавен национален изследователски университет" (NRU "BelGU")

1. Движение на материята

„Неразделно свойство на материята е движението” 1 , което е форма на съществуване на материята и се проявява във всяка нейна промяна. От неразрушимостта и неразрушимостта на материята и нейните атрибути, включително движението, следва, че движението на материята съществува вечно и е безкрайно разнообразно във формата на своите проявления.

Съществуването на всеки материален обект се проявява в неговото движение, тоест във всяка промяна, която се случва с него. В хода на промяната някои свойства на материалния обект винаги се променят. Тъй като съвкупността от всички свойства на материалния обект, която характеризира неговата сигурност, индивидуалност, особеност в определен момент от време, съответства на неговото състояние, се оказва, че движението на материалния обект е придружено от промяна в неговите състояния . Промяната на свойствата може да стигне толкова далеч, че един материален обект може да стане друг материален обект. „Но един материален обект никога не може да се превърне в свойство” (например маса, енергия), а „свойство – в материален обект” 2, тъй като само движещата се материя може да бъде променяща се субстанция. В естествената наука движението на материята се нарича още природен феномен (природно явление).

Известно е, че „без движение няма материя” 3, както и без материя не може да има движение.

Движението на материята може да бъде изразено количествено. Универсалната количествена мярка за движението на материята, както и на всеки материален обект, е енергията, която изразява собствената активност на материята и всеки материален обект. Следователно енергията е едно от свойствата на движещата се материя и енергията не може да бъде извън материята, отделно от нея. Енергията е в еквивалентна връзка с масата. Следователно масата може да характеризира не само количеството на веществото, но и степента на неговата активност. От факта, че движението на материята съществува вечно и е безкрайно разнообразно във формата на своите проявления, неумолимо следва, че енергията, характеризираща движението на материята количествено също съществува вечно (несътворена и неразрушима) и безкрайно разнообразна във формата на своите прояви . „Така енергията никога не изчезва и не се появява отново, тя само преминава от една форма в друга“ 1 в съответствие с промяната на видовете движение.

Наблюдават се различни видове (форми) на движение на материята. Те могат да бъдат класифицирани, като се вземат предвид промените в свойствата на материалните обекти и характеристиките на тяхното въздействие един върху друг.

Движението на физическия вакуум (свободни фундаментални полета в нормално състояние) се свежда до факта, че той през цялото време леко се отклонява в различни посоки от своето равновесие, сякаш „трепери“. В резултат на такива спонтанни нискоенергийни възбуждения (отклонения, смущения, флуктуации) се образуват виртуални частици, които незабавно се разтварят във физическия вакуум. Това е най-ниското (основно) енергийно състояние на движещия се физически вакуум, енергията му е близка до нула. Но физическият вакуум може за известно време на някое място да премине във възбудено състояние, характеризиращо се с известен излишък на енергия. При такива значителни високоенергийни възбуждения (отклонения, смущения, флуктуации) на физическия вакуум виртуалните частици могат да завършат външния си вид и след това реални фундаментални частици от различни видове избиват от физическия вакуум и като правило по двойки ( има електрически заряд под формата на частица и античастица с електрически заряди с противоположни знаци, например под формата на двойка електрон-позитрон).

Единичните квантови възбуждения на различни свободни фундаментални полета са фундаментални частици.

Фермионните (спинорни) фундаментални полета могат да дадат началото на 24 фермиона (6 кварка и 6 антикварка, както и 6 лептона и 6 антилептона), които са разделени на три поколения (семейства). В първото поколение кварките нагоре и надолу (и антикварките), както и лептоните, електрон и електронно неутрино (и позитрон с електронно антинеутрино), образуват обикновена материя (и рядко откритата антиматерия). Във второто поколение очарованите и странни кварки (и антикварки), както и лептоните, мюонът и мюонното неутрино (и антимюонът с мюонното антинеутрино), имат по-голяма маса (по-голям гравитационен заряд). В трето поколение истински и прекрасни кварки (и антикварки), както и лептони таон и таон неутрино (и антитаон с таон антинеутрино). Фермионите от второ и трето поколение не участват в образуването на обикновена материя, нестабилни са и се разпадат с образуването на фермиони от първо поколение.

Бозонните (габаритни) фундаментални полета могат да генерират 18 вида бозони: гравитационно поле - гравитони, електромагнитно поле - фотони, поле на слабо взаимодействие - 3 вида "виони" 1, глуонно поле - 8 вида глуони, поле на Хигс - 5 вида на Хигс бозони.

Физическият вакуум в достатъчно високоенергийно (възбудено) състояние е способен да генерира много фундаментални частици със значителна енергия, под формата на мини-вселена.

За субстанцията на микрокосмоса движението е намалено:

до разпределение, сблъсък и преобразуване една в друга на елементарни частици;

образуването на атомни ядра от протони и неутрони, тяхното движение, сблъсък и промяна;

образуване на атоми от атомни ядра и електрони, тяхното движение, сблъсък и промяна, включително прескачане на електрони от една атомна орбитала в друга и отделянето им от атоми, добавяне на излишни електрони;

образуването на молекули от атоми, тяхното движение, сблъсък и промяна, включително добавяне на нови атоми, освобождаване на атоми, замяна на едни атоми с други, промяна в подреждането на атомите един спрямо друг в молекулата.

За субстанцията на макрокосмоса и мегасвета движението се свежда до изместване, сблъсък, деформация, разрушаване, обединяване на различни тела, както и до техните най-разнообразни изменения.

Ако движението на материален обект (квантовано поле или материален обект) е придружено от промяна само във физическите му свойства, например честота или дължина на вълната за квантовано поле, моментна скорост, температура, електрически заряд за материален обект, тогава такова движение се означава като физическа форма. Ако движението на материален обект е придружено от промяна в неговите химични свойства, например разтворимост, запалимост, киселинност, тогава такова движение се нарича химическа форма. Ако движението се отнася до смяната на обекти от мегасвета (космически обекти), тогава такова движение се нарича астрономическа форма. Ако движението се отнася до промяна в обектите на дълбоките земни черупки (земната вътрешност), тогава такова движение се нарича геоложка форма. Ако движението се отнася до промяна в обектите на географската обвивка, която обединява всички повърхностни земни черупки, тогава такова движение се нарича географска форма. Движението на живите тела и техните системи под формата на техните различни жизнени прояви се означава като биологична форма. Движението на материални обекти, придружено от промяна на социално значими имоти със задължителното участие на лице, например добив на желязна руда и производство на желязо и стомана, отглеждане на захарно цвекло и производство на захар, е посочена като социално обусловена форма на движение.

Движението на всеки материален обект не винаги може да се припише на една форма. Тя е комплексна и разнообразна. Дори физическото движение, присъщо на материалните обекти от квантовано поле към тела, може да включва няколко форми. Например, еластичният сблъсък (сблъсък) на две твърди тела под формата на билярдни топки включва както промяната на положението на топките една спрямо друга и масата във времето, така и въртенето на топките и триенето на топките по повърхността на масата и въздуха, и движението на частиците на всяка топка, и практически обратима промяна на формата на топките по време на еластичен сблъсък и обмен на кинетична енергия с частичното й превръщане във вътрешна енергия на топките по време на еластичен сблъсък и пренос на топлина между топките, въздуха и повърхността на масата, и възможно радиоактивно разпадане на ядрата на нестабилни изотопи, съдържащи се в топките, и проникване на неутрино космически лъчи през топки и т.н. С развитието на материята и появата на химически, астрономически, геоложки, географски, биологични и социално обусловени материални обекти, формите на движение стават все по-сложни и разнообразни. Така в химическото движение могат да се видят както физически форми на движение, така и качествено нови, несводими до физически, химични форми. В движението на астрономически, геоложки, географски, биологични и социално обусловени обекти могат да се видят както физични и химични форми на движение, така и качествено нови, несводими до физични и химически, съответно астрономически, геоложки, географски, биологични или социално условни форми на движение. В същото време нисшите форми на движение на материята не се различават по материални обекти с различна степен на сложност. Например физическото движение на елементарни частици, атомни ядра и атоми не се различава при астрономически, геоложки, географски, биологични или социално обусловени материални обекти.

При изучаването на сложните форми на движение трябва да се избягват две крайности. Първо, изучаването на сложна форма на движение не може да се сведе до прости форми на движение; сложната форма на движение не може да бъде извлечена от простите. Например, биологичното движение не може да бъде извлечено единствено от физическите и химичните форми на движение, като се игнорират самите биологични форми на движение. И второ, човек не може да се ограничи до изучаване само на сложни форми на движение, пренебрегвайки простите. Например, изучаването на биологичното движение допълва добре изучаването на физическите и химичните форми на движение, които се проявяват в този процес.

2. Способността на материята за саморазвитие

Както е известно, саморазвитието на материята, а материята е способна на саморазвитие, се характеризира със спонтанно, насочено и необратимо постепенно усложняване на формите на движеща се материя.

Спонтанното саморазвитие на материята означава, че процесът на постепенно усложняване на формите на движеща се материя протича от само себе си, естествено, без участието на каквито и да било неестествени или свръхестествени сили, Създателят, поради вътрешни, естествени причини.

Посоката на саморазвитието на материята означава вид канализиране на процеса на постепенно усложняване на формите на движеща се материя от една от нейните форми, съществували по-рано, в друга форма, появила се по-късно: за всяка нова форма на движеща се материя, вие можете да намерите предишната форма на движеща се материя, която му е дала начало, и обратно, за всяка предишна форма на движеща се материя, можете да намерите нова форма на движеща се материя, която е възникнала от нея. В същото време предишната форма на движеща се материя винаги е съществувала преди новата форма на движеща се материя, която е възникнала от нея, предишната форма винаги е по-стара от новата форма, възникнала от нея. Поради канализирането на саморазвитието на движещата се материя възниква един вид поредица от постепенно усложняване на нейните форми, показващи в каква посока, както и чрез кои междинни (преходни) форми, историческото развитие на една или друга форма на движещата се материя продължи.

Необратимостта на саморазвитието на материята означава, че процесът на постепенно усложняване на формите на движеща се материя не може да върви в обратна посока, назад: нова форма на движеща се материя не може да породи формата на движеща се материя, която го предхожда, от който е възникнал, но може да стане предишната форма за нови форми. И ако изведнъж някоя нова форма на движеща се материя се окаже много подобна на една от предшестващите я форми, тогава това няма да означава, че движещата се материя е започнала да се саморазвива в обратна посока: появи се предишната форма на движеща се материя много по-рано, а новата форма на движеща се материя, дори и много подобна на нея, се появява много по-късно и е макар и подобна, но принципно различна форма на движеща се материя.

3. Комуникация и взаимодействие на материални обекти

Интегралните свойства на материята са комуникацията и взаимодействието, които са причина за нейното движение. Тъй като връзката и взаимодействието са причината за движението на материята, следователно връзката и взаимодействието, подобно на движението, са универсални, т.е. присъщи на всички материални обекти, независимо от тяхната природа, произход и сложност. Всички явления в материалния свят се определят (в смисъл на обусловеност) от естествените материални връзки и взаимодействия, както и от обективни природни закони, отразяващи законите на връзката и взаимодействието. „В този смисъл в света няма нищо свръхестествено и абсолютно противоположно на материята. 1 Взаимодействието, подобно на движението, е форма на съществуване (съществуване) на материята.

Съществуването на всички материални обекти се проявява във взаимодействие. За всеки материален „обект съществуването означава по някакъв начин да се проявява във връзка с други материални обекти, взаимодействайки с тях, намирайки се в обективни връзки и взаимоотношения с тях. Ако един хипотетичен материален „обект, който не би се проявил по никакъв начин във връзка с някои други материални обекти, не би бил свързан с тях по никакъв начин, не би взаимодействал с тях, тогава той не би съществувал за тези други материални обекти. „Но нашето предположение за него също не може да се основава на нищо, тъй като поради липсата на взаимодействие бихме имали нулева информация за него. 2

Взаимодействието е процес на взаимно влияние на едни материални обекти върху други с обмен на енергия. Взаимодействието на реални обекти може да бъде пряко, например, под формата на сблъсък (сблъсък) на две твърди тела. И може да се случи от разстояние. В този случай взаимодействието на реални обекти се осигурява от бозонните (габаритни) фундаментални полета, свързани с тях. Промяната в един материален обект причинява възбуждане (отклонение, смущение, флуктуация) на съответното бозонно (габаритно) фундаментално поле, свързано с него, и това възбуждане се разпространява под формата на вълна с крайна скорост, която не надвишава скоростта на светлината във вакуум (почти 300 хиляди км / от). Взаимодействието на реални обекти на разстояние, според квантово-полевия механизъм на пренос на взаимодействие, има обменен характер, тъй като взаимодействието се пренася от частици носители под формата на кванти на съответното бозонно (габаритно) фундаментално поле. Различните бозони като частици носители на взаимодействие са възбуждения (отклонения, смущения, флуктуации) на съответните бозонни (габаритни) фундаментални полета: по време на излъчване и поглъщане на материален обект те са реални, а по време на разпространение са виртуални.

Оказва се, че във всеки случай взаимодействието на материални обекти, дори и на разстояние, е действие на малък обсег, тъй като се извършва без никакви празнини, кухини.

Взаимодействието на частица с античастица на материята е придружено от тяхното унищожаване, т.е. превръщането им в съответното фермионно (спинорно) фундаментално поле. В този случай тяхната маса (гравитационна енергия) се преобразува в енергията на съответното фермионно (спинорно) фундаментално поле.

Виртуалните частици на възбудения (отклоняващ, смущаващ, „трепващ“) физически вакуум могат да взаимодействат с реални частици, сякаш ги обгръщат, придружавайки ги под формата на т. нар. квантова пяна. Например, в резултат на взаимодействието на електроните на атом с виртуални частици от физическия вакуум, настъпва известно изместване на техните енергийни нива в атомите, докато самите електрони извършват осцилаторни движения с малка амплитуда.

Има четири вида фундаментални взаимодействия: гравитационно, електромагнитно, слабо и силно.

„Гравитационното взаимодействие се проявява във взаимното привличане... на материални обекти с маса” 1 на покой, т.е. материални обекти, на всякакви големи разстояния. Предполага се, че възбуденият физически вакуум, който генерира много фундаментални частици, е способен да прояви гравитационно отблъскване. Гравитационното взаимодействие се осъществява от гравитоните на гравитационното поле. Гравитационното поле свързва телата и частиците с масата на покой. Не е необходима среда за разпространението на гравитационно поле под формата на гравитационни вълни (виртуални гравитони). Гравитационното взаимодействие е най-слабо по силата си, следователно е незначително в микросвета поради незначителност на масите на частиците, в макрокосмоса неговото проявление е забележимо и причинява например падането на тела на Земята, и в мегасвета той играе водеща роля поради огромните маси на телата на мегасвета и осигурява например въртенето на Луната и изкуствените спътници около Земята; образуването и движението на планети, планетоиди, комети и други тела в Слънчевата система и нейната цялост; образуването и движението на звездите в галактиките - гигантски звездни системи, включващи до стотици милиарди звезди, свързани чрез взаимно привличане и общ произход, както и тяхната цялост; целостта на куповете от галактики - системи от относително близко разположени галактики, свързани чрез гравитационни сили; целостта на Метагалактиката - система от всички известни купове галактики, свързани чрез гравитационни сили, като изследвана част от Вселената, целостта на цялата Вселена. Гравитационното взаимодействие определя концентрацията на материята, разпръсната във Вселената и включването й в нови цикли на развитие.

„Електромагнитното взаимодействие се дължи на електрически заряди и се предава“ 1 от фотони на електромагнитното поле на всякакви големи разстояния. Електромагнитно поле свързва тела и частици, които имат електрически заряди. Освен това стационарните електрически заряди са свързани само с електрическата компонента на електромагнитното поле под формата на електрическо поле, а подвижните електрически заряди са свързани както с електрическите, така и с магнитните компоненти на електромагнитното поле. За разпространението на електромагнитно поле под формата на електромагнитни вълни не е необходима допълнителна среда, тъй като „променливото магнитно поле генерира променливо електрическо поле, което от своя страна е източник на променливо магнитно поле“ 2 . „Електромагнитното взаимодействие може да се прояви както като привличане (между противоположни заряди), така и като отблъскване (между“ 3 подобни заряда). Електромагнитното взаимодействие е много по-силно от гравитационното. Той се проявява както в микрокосмоса, така и в макрокосмоса и мегасвета, но водещата роля му принадлежи в макрокосмоса. Електромагнитното взаимодействие осигурява взаимодействието на електроните с ядрата. Междуатомното и междумолекулното взаимодействие е електромагнитно, благодарение на него например съществуват молекули и се осъществява химическата форма на движение на материята, съществуват тела и се определят техните агрегатни състояния, еластичност, триене, повърхностно напрежение на течност, зрение функции. По този начин електромагнитното взаимодействие осигурява стабилността на атомите, молекулите и макроскопичните тела.

Слабото взаимодействие включва елементарни частици с маса на покой, то се носи от "виони" от 4 калибровъчни полета. Полета на слабо взаимодействие свързват различни елементарни частици с маса на покой. Слабото взаимодействие е много по-слабо от електромагнитното, но по-силно от гравитационното. Поради краткото си действие той се проявява само в микрокосмоса, причинявайки например повечето от саморазпаданията на елементарните частици (например свободен неутрон се саморазпада с участието на отрицателно зареден габаритен бозон в протон , електрон и електронно антинеутрино, понякога се образува друг фотон), взаимодействието на неутрино с останалата част от веществото.

Силното взаимодействие се проявява във взаимното привличане на адрони, които включват кваркови структури, например двукваркови мезони и трикваркови нуклони. Предава се от глуони на глуонни полета. Глуонните полета свързват адроните. Това е най-силното взаимодействие, но поради краткото си действие се проявява само в микрокосмоса, осигурявайки например свързването на кварки в нуклони, свързването на нуклони в атомните ядра, осигурявайки тяхната стабилност. Силното взаимодействие е 1000 пъти по-силно от електромагнитното и не позволява да се разпръснат подобно заредени протони, обединени в ядрото. Поради силното взаимодействие са възможни и термоядрени реакции, при които няколко ядра се комбинират в едно. Естествените термоядрени реактори са звезди, които създават всички химични елементи, по-тежки от водорода. Тежките многонуклонни ядра стават нестабилни и се делят, тъй като размерите им вече надвишават разстоянието, на което се проявява силното взаимодействие.

"В резултат на експериментални изследвания на взаимодействията на елементарните частици... беше установено, че при високи енергии на протонния сблъсък - около 100 GeV - ... слабото и електромагнитното взаимодействие не се различават - те могат да се разглеждат като единична електрослаба взаимодействие." 1 Предполага се, че „при енергия от 10 15 GeV към тях се присъединява силно взаимодействие, а при“ 2 дори „по-високи енергии на взаимодействие на частиците (до 10 19 GeV) или при изключително висока температура на материята и четирите основни взаимодействията се характеризират с еднаква сила, т.е. представляват едно взаимодействие” 3 под формата на “суперсила”. Може би такива високоенергийни условия са съществували в началото на развитието на Вселената, която се е появила от физическия вакуум. В процеса на по-нататъшното разширяване на Вселената, придружено от бързо охлаждане на образуваната материя, интегралното взаимодействие първо беше разделено на електрослабо, гравитационно и силно, а след това електрослабото взаимодействие беше разделено на електромагнитно и слабо, т.е. на четири взаимодействия, коренно различни едно от друго.

БИБЛИОГРАФИЯ:

Карпенков, С. Х. Основни понятия на естествените науки [Текст]: учеб. надбавка за университети / С. Х. Карпенков. - 2-ро изд., преработено. и допълнителни - М. : Академичен проект, 2002. - 368 с.

Концепции на съвременното естественознание [Текст]: учеб. за университети / Изд. В. Н. Лавриненко, В. П. Ратникова. - 3-то изд., преработено. и допълнителни - М. : УНИТИ-ДАНА, 2005. - 317 с.

Философски проблеми на естествените науки [Текст]: учеб. надбавка за аспиранти и студенти по философия. и натури. fak. ун-тов / Изд. С. Т. Мелюхина. - М. : Висше училище, 1985. - 400 с.

Цюпка, В. П. Природонаучна картина на света: концепции на съвременното естественознание [Текст]: учебник. надбавка / В. П. Цюпка. - Белгород: ИПК НРУ "БелГУ", 2012. - 144 с.

Цюпка, В. П. Концепции на съвременната физика, съставляващи съвременната физическа картина на света [Електронен ресурс] // Научен електронен архив на Руската академия на естествените науки: задочна. електрон. научен конф. „Концепции за съвременната естествена наука или природонаучната картина на света“ URL: http://site/article/6315(публикувано: 31.10.2011 г.)

Yandex. речници. [Електронен ресурс] URL адрес: http://slovari.yandex.ru/

1Карпенков С. Х.Основни понятия на естествените науки. М. Академичен проект. 2002 г., стр. 60.

2Философски проблеми на естествените науки. М. Висше училище. 1985. С. 181.

3Карпенков С. Х.Основни понятия на естествените науки ... С. 60.

1Карпенков С. Х.Основни понятия на естествените науки ... С. 79.

1Карпенков С. Х.

1Философски проблеми на естествените науки ... С. 178.

2Ibid. С. 191.

1Карпенков С. Х.Основни понятия на естествените науки ... С. 67.

1Карпенков С. Х.Основни понятия на естествените науки ... С. 68.

3Философски проблеми на естествената наука ... С. 195.

4Карпенков С. Х.Основни понятия на естествените науки ... С. 69.

1Карпенков С. Х.Основни понятия на естествените науки ... С. 70.

2 Концепции на съвременното естествознание. М. ЕДИНСТВО-ДАНА. 2005. С. 119.

3Карпенков С. Х.Основни понятия на естествените науки ... С. 71.

Цюпка В.П. ЗА РАЗБИРАНЕТО НА ДВИЖЕНИЕТО НА МАТЕРИЯТА, СПОСОБНОСТТА Й ЗА САМОРАЗВИТИЕ, КАКТО И СВЪРЗВАНЕТО И ВЗАИМОДЕЙСТВИЕТО НА МАТЕРИАЛНИ ОБЕКТИ В СЪВРЕМЕННОТО ПРИРОДНО НАУКА // Научен електронен архив.
URL: (дата на достъп: 17.03.2020 г.).

До сравнително скоро няколкостотин частици и античастици се смятаха за елементарни. Подробно изследване на техните свойства и взаимодействия с други частици и развитието на теорията показа, че повечето от тях всъщност не са елементарни, тъй като самите те се състоят от най-простите или, както се казва сега, фундаментални частици. Самите фундаментални частици вече не се състоят от нищо. Многобройни експерименти показват, че всички фундаментални частици се държат като безразмерни точкови обекти, които нямат вътрешна структура, поне до най-малките разстояния, изследвани сега ~10 -16 cm.

Въведение

Сред безбройните и разнообразни процеси на взаимодействие между частиците има четири основни или фундаментални взаимодействия: силно (ядрено), електромагнитно и гравитационно. В света на частиците гравитационното взаимодействие е много слабо, ролята му все още е неясна и няма да говорим повече за това.

В природата има две групи частици: адрони, които участват във всички фундаментални взаимодействия, и лептони, които не участват само в силното взаимодействие.

Според съвременните концепции взаимодействията между частиците се осъществяват чрез излъчване и последващо поглъщане на кванти от съответното поле (силно, слабо, електромагнитно), заобикалящо частицата. Такива кванти са калибровъчни бозони, които също са фундаментални частици. Бозоните имат свой собствен ъглов импулс, наречен спин, равен на целочислената стойност на константата на Планк $h = 1,05 \cdot 10^(-27) erg \cdot c$. Квантите на полето и съответно носителите на силното взаимодействие са глуони, обозначени със символа g, квантите на електромагнитното поле са добре познатите кванти на светлината - фотони, обозначени с $\gamma $, и кванти на слабото поле и съответно носителите на слаби взаимодействия са У± (двойно ve) - и З 0 (zet нула)-бозони.

За разлика от бозоните, всички други фундаментални частици са фермиони, тоест частици, които имат половин цяло число спин, равен на з/2.

В табл. 1 са показани символите на фундаменталните фермиони - лептони и кварки.

Всяка частица, дадена в табл. 1 съответства на античастица, която се различава от частица само по знаците на електрическия заряд и други квантови числа (виж Таблица 2) и по посоката на спина спрямо посоката на импулса на частицата. Ще обозначаваме античастиците със същите символи като частиците, но с вълнообразна линия над символа.

Частици в таблицата. 1 се означават с гръцки и латински букви, а именно: буква $\nu$ - три различни неутрино, букви e - електрон, $\mu$ - мюон, $\tau$ - таон, букви u, c, t, d, s , b означава кварки; техните наименования и характеристики са дадени в табл. 2.

Частици в таблицата. 1 са групирани в три поколения I, II и III според структурата на съвременната теория. Нашата Вселена е изградена от частици от първо поколение – лептони и кварки и калибровъчни бозони, но, както показва съвременната наука за развитието на Вселената, в началния етап на своето развитие частиците и от трите поколения са играли важна роля.

лептони

Нека първо разгледаме по-подробно свойствата на лептоните. В горния ред на таблицата 1 съдържа три различни неутрино: електрон $\nu_e$, мюон $\nu_m$ и тау неутрино $\nu_t$. Тяхната маса все още не е точно измерена, но е определена горната й граница например за ne равно на 10 -5 от масата на електрона (тоест $\leq 10^(-32)$ g).

Гледайки таблицата. 1 неволно повдига въпроса защо природата се нуждаеше от създаването на три различни неутрино. Все още няма отговор на този въпрос, тъй като не е създадена толкова изчерпателна теория на фундаменталните частици, която да показва необходимостта и достатъчността на всички такива частици и да описва основните им свойства. Може би този проблем ще бъде решен през 21 век (или по-късно).

Долният ред на таблицата. 1 започва с частицата, която сме изследвали най-много – електрона. Електронът е открит в края на миналия век от английския физик Дж. Томсън. Ролята на електроните в нашия свят е огромна. Те са онези отрицателно заредени частици, които заедно с атомните ядра образуват всички известни ни атоми на елементите от Периодичната таблица. Във всеки атом броят на електроните е точно равен на броя на протоните в атомното ядро, което прави атома електрически неутрален.

Електронът е стабилен, основната възможност за унищожаване на електрон е неговата смърт при сблъсък с античастица - позитрон e +. Този процес се нарича анихилация:

$$e^- + e^+ \to \gamma + \gamma .$$

В резултат на анихилацията се образуват два гама кванта (т. нар. високоенергийни фотони), които отнасят както енергии на покой e + и e -, така и техните кинетични енергии. При високи енергии e + и e - се образуват адрони и кваркови двойки (виж например (5) и фиг. 4).

Реакция (1) ясно илюстрира валидността на известната формула на А. Айнщайн за еквивалентността на масата и енергията: Е = mc 2 .

Наистина, по време на унищожаването на позитрон, спрян в материя, и електрон в покой, цялата маса на техния покой (равна на 1,22 MeV) преминава в енергията на $\gamma$-кванти, които нямат маса на покой.

Във второто поколение на долния ред на табл. 1 се намира > мюон - частица, която по всичките си свойства е аналог на електрон, но с аномално голяма маса. Масата на мюона е 207 пъти по-голяма от масата на електрона. За разлика от електрона, мюонът е нестабилен. Времето на живота му т= 2,2 10 -6 s. Мюонът се разпада основно на електрон и две неутрино по схемата

$$\mu^- \to e^- + \tilde \nu_e +\nu_(\mu)$$

Още по-тежък аналог на електрона е $\tau$-лептонът (таон). Масата му е повече от 3 хиляди пъти по-голяма от масата на електрона ($m_(\tau) = 1777$ MeV/c 2), тоест таонът е по-тежък от протона и неутрона. Неговият живот е 2,9 10 -13 s и от повече от сто различни схеми (канала) на неговото разпадане са възможни следните:

$$\tau^-\left\langle\begin(matrix) \to e^- + \tilde \nu_e +\nu_(\tau)\\ \to \mu^- + \tilde \nu_\mu +\nu_ (\tau)\end(matrix)\right.$$

Говорейки за лептони, интересно е да се сравнят слабите и електромагнитните сили на определено разстояние, напр. Р\u003d 10 -13 см. На такова разстояние електромагнитните сили са почти 10 милиарда пъти по-големи от слабите сили. Но това изобщо не означава, че ролята на слабите сили в природата е малка. Далеч от това.

Именно слабите сили са отговорни за много взаимни трансформации на различни частици в други частици, като например в реакции (2), (3), и такива взаимни трансформации са една от най-характерните особености на физиката на частиците. За разлика от реакции (2), (3), в реакция (1) действат електромагнитни сили.

Говорейки за лептоните, трябва да се добави, че съвременната теория описва електромагнитните и слабите взаимодействия с помощта на единна електрослаба теория. Той е разработен от С. Вайнберг, А. Салам и С. Глашоу през 1967 г.

кварки

Самата идея за кварките възниква в резултат на брилянтен опит да се класифицира голям брой частици, участващи в силни взаимодействия и наречени адрони. M. Gell-Man и G. Zweig предполагат, че всички адрони се състоят от съответен набор от фундаментални частици - кварки, техните антикварки и носители на силното взаимодействие - глуони.

Общият брой на наблюдаваните в момента адрони е над сто частици (и същия брой античастици). Много десетки частици все още не са регистрирани. Всички адрони се подразделят на тежки частици, наречени бариони, и средните стойности наименовани мезони.

Барионите се характеризират с барионното число б= 1 за частици и б = -1 за антибариони. Тяхното раждане и унищожаване винаги се случват по двойки: барион и антибарион. Мезоните имат барионен заряд б = 0. Според идеята на Гел-Ман и Цвайг всички бариони се състоят от три кварка, антибарионите - от три антикварка. Следователно на всеки кварк е присвоен барионен номер 1/3, така че общо барионът ще има б= 1 (или -1 за антибарион, състоящ се от три антикварка). Мезоните имат барионно число б= 0, така че те могат да бъдат съставени от всяка комбинация от двойки от всеки кварк и всеки антикварк. В допълнение към квантовите числа, които са еднакви за всички кварки - спиново и барионно число, има и други важни характеристики за тях, като величината на тяхната маса на покой м, големината на електрическия заряд В/д(в части от заряда на електрона д\u003d 1.6 · 10 -19 кулон) и определен набор от квантови числа, характеризиращи т.нар. вкус на кварк. Те включват:

1) стойността на изотопния спин ази големината на третата му проекция, т.е аз 3 . Така, u-кварк и д-кварки образуват изотопен дублет, им се приписва пълен изотопен спин аз= 1/2 с проекции аз 3 = +1/2 съответства u-кварк и аз 3 = -1/2 съответства д-кварк. И двата компонента на дублета имат близки стойности на масата и са идентични във всички други свойства, с изключение на електрическия заряд;

2) квантово число С- странността характеризира странното поведение на някои частици, които имат аномално дълъг живот (~10 -8 - 10 -13 s) в сравнение с характерното ядрено време (~10 -23 s). Самите частици са наречени странни, съдържащи един или повече странни кварки и странни антикварки. Създаването или изчезването на странни частици поради силни взаимодействия става по двойки, тоест при всяка ядрена реакция сумата от $\Sigma$S преди реакцията трябва да бъде равна на $\Sigma$S след реакцията. При слаби взаимодействия обаче законът за запазване на странността не важи.

При експерименти върху ускорители са наблюдавани частици, които не могат да бъдат описани с помощта u-, д- И с-кварки. По аналогия със странността беше необходимо да се въведат още три нови кварка с нови квантови числа ОТ = +1, IN= -1 и т= +1. Частиците, съставени от тези кварки, имат много по-голяма маса (> 2 GeV/c2). Те имат голямо разнообразие от схеми на разпад с живот от ~10 -13 s. Обобщение на характеристиките на всички кварки е дадено в табл. 2.

Всеки кварк в табл. 2 съответства на неговия антикварк. За антикварките всички квантови числа имат знак, противоположен на този за кварка. За големината на масата на кварките трябва да се каже следното. Посочено в табл. 2 стойности съответстват на масите на голите кварки, тоест самите кварки, без да се вземат предвид глуоните около тях. Масата на облечените кварки поради енергията, пренасяна от глуоните, е по-голяма. Това е особено забележимо за най-леките u- И д-кварки, чиято глуонна обвивка има енергия от около 300 MeV.

Кварките, които определят основните физични свойства на частиците, се наричат ​​валентни кварки. Освен валентните кварки, адроните съдържат виртуални двойки частици – кварки и антикварки, които се излъчват и поглъщат от глуоните за много кратко време.

(където Ее енергията на виртуална двойка), което се случва с нарушение на закона за запазване на енергията в съответствие с отношението на неопределеността на Хайзенберг. Виртуалните двойки кварки се наричат морски кваркиили морски кварки. Така структурата на адроните включва валентни и морски кварки и глуони.

Основната характеристика на всички кварки е, че те са собственици на съответните силни заряди. Силните полеви заряди имат три равни разновидности (вместо един електрически заряд в теорията на електрическите сили). В историческата терминология тези три вида заряд се наричат ​​цветове на кварките, а именно: условно червен, зелен и син. По този начин всеки кварк в табл. 1 и 2 могат да бъдат в три форми и е цветна частица. Смесването на трите цвята, точно както става в оптиката, дава бял цвят, тоест избелва частицата. Всички наблюдавани адрони са безцветни.

Кварковите взаимодействия се осъществяват от осем различни глуона. Терминът "глуон" означава лепило в превод от английски, тоест тези полеви кванти са частици, които сякаш слепват кварките. Подобно на кварките, глуоните са цветни частици, но тъй като всеки глуон променя цветовете на два кварка наведнъж (кваркът, който излъчва глуона и кваркът, който е погълнал глуона), глуонът се оцветява два пъти, носейки цвят и антицвят, обикновено различен от цвета.

Останалата маса на глуони, като тази на фотона, е нула. Освен това глуоните са електрически неутрални и нямат слаб заряд.

Адроните също обикновено се разделят на стабилни частици и резонанси: барион и мезон.
Резонансите се характеризират с изключително кратък живот (~10 -20 -10 -24 s), тъй като тяхното разпадане се дължи на силно взаимодействие.

Десетки такива частици са открити от американския физик L.V. Алварес. Тъй като пътят на такива частици до разпадане е толкова кратък, че не могат да бъдат наблюдавани в детектори, които регистрират следи от частици (като мехурна камера и др.), всички те са открити индиректно, чрез наличието на пикове в зависимостта на вероятност за взаимодействие на различни частици помежду си по енергия. Фигура 1 обяснява казаното. Фигурата показва зависимостта на напречното сечение на взаимодействието (пропорционално на стойността на вероятността) на положителен пион $\pi^+$ с протон строт кинетичната енергия на пиона. При енергия от около 200 MeV се вижда пик в хода на напречното сечение. Ширината му е $\Gamma = 110$ MeV, а общата маса на частиците $\Delta^(++)$ е равна на $T^(")_(max)+M_p c^2+M_\pi c^2 =1232$ MeV /с 2 , където $T^(")_(max)$ е кинетичната енергия на сблъсък на частици в системата на техния център на масата. Повечето резонанси могат да се разглеждат като възбудено състояние на стабилни частици, тъй като те имат същия кварков състав като техните стабилни колеги, въпреки че масата на резонансите е по-голяма поради енергията на възбуждане.

Кварков модел на адрони

Ще започнем да описваме кварковия модел на адрони от чертежа на силовите линии, излъчвани от източник - кварк с цветен заряд и завършващ с антикварк (фиг. 2, б). За сравнение, на фиг. 2 и показваме, че в случай на електромагнитно взаимодействие силовите линии се отклоняват от своя източник - електрически заряд като вентилатор, тъй като виртуалните фотони, излъчвани едновременно от източника, не взаимодействат един с друг. Резултатът е законът на Кулон.

За разлика от тази картина, самите глуони имат цветни заряди и взаимодействат силно един с друг. В резултат на това вместо вентилатор на силовите линии имаме сноп, показан на фиг. 2, б. Въжето е опънато между кварка и антикварка, но най-изненадващо е, че самите глуони, имайки оцветени заряди, стават източници на нови глуони, чийто брой се увеличава с отдалечаването им от кварка.
Такъв модел на взаимодействие съответства на зависимостта на потенциалната енергия на взаимодействие между кварките от разстоянието между тях, показано на фиг. 3. А именно: до разстояние Р> 10 -13 cm, зависимостта U(R) има фуниевиден характер, а силата на цветния заряд в този диапазон от разстояния е относително малка, така че кварките при Р> 10 -15 cm в първо приближение могат да се разглеждат като свободни, невзаимодействащи частици. Това явление има специалното име на асимптотична свобода на кварките при малки Р. Обаче кога Рповече от някаква критична стойност $R_(cr) \приблизително 10^(-13)$ cm У(Р) става право пропорционална на стойността Р. От това директно следва, че силата Ф = -dU/dR= const, тоест не зависи от разстоянието. Никакви други взаимодействия, които физиците са изследвали преди, не са имали такова необичайно свойство.

Изчисленията показват, че силите, действащи между кварк и антикварк, наистина, започвайки от $R_(cr) \приблизително 10_(-13)$ cm, престават да зависят от разстоянието, оставайки на ниво с огромна стойност близо до 20 тона.От разстояние Р~ 10 -12 cm (равно на радиуса на средните атомни ядра) цветните сили са повече от 100 хиляди пъти по-големи от електромагнитните сили. Ако сравним силата на цвета с ядрените сили между протон и неутрон вътре в атомно ядро, се оказва, че силата на цвета е хиляди пъти по-голяма! Така пред физиците се откри нова грандиозна картина на цветни сили в природата, много порядки по-големи от познатите в момента ядрени сили. Разбира се, веднага възниква въпросът дали такива сили могат да бъдат накарани да работят като източник на енергия. За съжаление, отговорът на този въпрос е не.

Естествено възниква друг въпрос: на какви разстояния Рмежду кварките, потенциалната енергия нараства линейно с нарастване Р?
Отговорът е прост: на големи разстояния снопът от полеви линии се счупва, тъй като е енергийно по-изгодно да се образува прекъсване с раждането на двойка частици кварк-антикварк. Това се случва, когато потенциалната енергия при прекъсването е по-голяма от масата на покой на кварка и антикварка. Процесът на разрушаване на снопа от силови линии на глюонното поле е показан на фиг. 2, в.

Такива качествени идеи за раждането на кварк-антикварк позволяват да се разбере защо единични кварки изобщо не се наблюдават и не могат да бъдат наблюдавани в природата. Кварките са завинаги уловени в адроните. Това явление на неизхвърляне на кварки се нарича задържане. При високи енергии може да е по-изгодно снопът да се скъса едновременно на много места, образувайки набор от $q \tilde q$-двойки. По този начин подходихме към проблема с многоплодните раждания. двойки кварк-антикварки образуването на твърди кваркови струи.

Нека първо разгледаме структурата на леките адрони, тоест мезоните. Те се състоят, както вече казахме, от един кварк и един антикварк.

Изключително важно е и двамата партньори от двойката да имат еднакъв цветен заряд и еднакъв анти-заряд (например син кварк и анти-син антикварк), така че тяхната двойка, независимо от вкуса на кварка, да няма цвят (и наблюдаваме само безцветни частици).

Всички кварки и антикварки имат спин (на части от з) равно на 1/2. Следователно общият спин на комбинацията от кварк с антикварк е или 0, когато завъртанията са антипаралелни, или 1, когато завъртанията са успоредни едно на друго. Но въртенето на частица може да бъде по-голямо от 1, ако самите кварки се въртят по някои орбити вътре в частицата.

В табл. Фигура 3 показва някои сдвоени и по-сложни комбинации от кварки с указание на кои досега известни адрони съответства тази комбинация от кварки.

От най-добре проучените в момента мезони и мезонни резонанси, най-голямата група е съставена от леки неароматни частици, чиито квантови числа С = ° С = Б= 0. Тази група включва около 40 частици. Таблица 3 започва с пиони $\pi$ ±,0, открити от английския физик С.Ф. Пауъл през 1949 г. Заредените пиони живеят около 10 -8 s, разпадайки се до лептони по следните схеми:

$\pi^+ \to \mu + \nu_(\mu)$ и $\pi^- \to \mu^- + \tilde \nu_(\mu)$.

Техните "роднини" в табл. 3 - резонанси $\rho$ ±,0 (rho мезони) за разлика от пионите имат спин Дж= 1, те са нестабилни и живеят само около 10 -23 s. Причината за разпада на $\rho$ ±,0 е силното взаимодействие.

Причината за разпадането на заредените пиони се дължи на слабото взаимодействие, а именно факта, че кварките, които съставляват частицата, могат да излъчват и абсорбират в резултат на слабото взаимодействие за кратко време. тв съответствие с отношение (4), виртуални калибровъчни бозони: $u \to d + W^+$ или $d \to u + W^-$, и за разлика от лептоните има и преходи на кварк от едно поколение към кварк от друго поколение, например $u \to b + W^+$ или $u \to s + W^+$ и т.н., въпреки че такива преходи са много по-редки от преходите в рамките на едно поколение. В същото време по време на всички такива трансформации електрическият заряд в реакцията се запазва.

Изучаването на мезоните, вкл с- И ° С-кварки, доведоха до откриването на няколко десетки странни и очаровани частици. Техните изследвания сега се извършват в много научни центрове по света.

Изучаването на мезоните, вкл б- И т-кварки, започнаха интензивно при ускорителите и засега няма да говорим за тях по-подробно.

Нека да преминем към разглеждането на тежките адрони, тоест бариони. Всички те са съставени от три кварка, но тези, които имат и трите цвята, тъй като, подобно на мезоните, всички бариони са безцветни. Кварките вътре в бариони могат да имат орбитално движение. В този случай общият спин на частицата ще надвишава общия спин на кварките, равен на 1/2 или 3/2 (ако спиновете и на трите кварка са успоредни един на друг).

Барионът с минимална маса е протонът стр(виж Таблица 3). Именно от протони и неутрони се състоят всички атомни ядра на химичните елементи. Броят на протоните в ядрото определя неговия общ електрически заряд З.

Другата основна частица в атомните ядра е неутронът. н. Неутронът е малко по-тежък от протона, той е нестабилен и в свободно състояние с живот около 900 s се разпада на протон, електрон и неутрино. В табл. 3 показва кварковото състояние на протона uudи неутрон udd. Но със завъртането на тази комбинация от кварки Дж= 3/2, се образуват резонансите $\Delta^+$ и $D^0$, съответно. Всички останали бариони са съставени от по-тежки кварки с, б, т, и имат много по-голяма маса. Сред тях особен интерес представляваше У- -хиперон, състоящ се от три странни кварка. За първи път е открит на хартия, тоест чрез изчисление, използвайки идеите за кварковата структура на барионите. Всички основни свойства на тази частица бяха предсказани и след това потвърдени чрез експерименти.

Много експериментално наблюдавани факти сега говорят убедително за съществуването на кварки. По-специално става дума за откриване на нов процес в реакцията на сблъсък на електрони и позитрони, водещ до образуването на кварк-антикваркови струи. Схемата на този процес е показана на фиг. 4. Експериментът е проведен на колайдери в Германия и САЩ. Стрелките показват посоките на гредите на фигурата д+ и д- , и кварк се излъчва от точката на техния сблъсък qи антикварк $\tilde q$ под зенитен ъгъл $\Theta$ спрямо посоката на полета д+ и д- . Тази двойка $q+\tilde q$ се получава в реакцията

$$e^+ + e^- \to \gamma_(virt) \to q + \tilde q$$

Както вече казахме, турникет от силови линии (по-често казват струна) се разбива на своите компоненти с достатъчно голямо напрежение.
При високи енергии на кварка и антикварка, както бе споменато по-рано, струната се скъсва на много места, в резултат на което се образуват два тесни лъча от вторични безцветни частици в двете посоки по линията на полета на q кварка и антикварка, т.к. показано на фиг. 4. Такива лъчи от частици се наричат ​​джетове. Образуването на три, четири или повече струи от частици едновременно се наблюдава доста често в експеримента.

При експерименти, проведени при енергии на свръхускоряване в космическите лъчи, в които участва и авторът на тази статия, бяха получени снимки на процеса на образуване на много струи. Факт е, че въжето или струната са едномерни и следователно центровете на образуване на три, четири или повече струи също са разположени по права линия.

Теорията, описваща силни взаимодействия се нарича квантова хромодинамикаили съкратено QCD. Тя е много по-сложна от теорията на електрослабите взаимодействия. КХД е особено успешен при описването на така наречените твърди процеси, тоест процесите на взаимодействие на частиците с голям пренос на импулса между частиците. Въпреки че създаването на теорията все още не е завършено, много физици-теоретици вече са заети със създаването на "великото обединение" - обединяването на квантовата хромодинамика и теорията за електрослабото взаимодействие в единна теория.

В заключение, нека се спрем накратко върху това дали шест лептона и 18 многоцветни кварка (и техните античастици), както и кванти от фундаментални полета, изчерпват фотона, У ± -, З 0 -бозони, осем глуона и накрая кванти на гравитационното поле - гравитони - целият арсенал от наистина елементарни, по-точно фундаментални частици. Очевидно не. Най-вероятно описаните снимки на частици и полета са само отражение на сегашните ни знания. Не е за нищо, че вече има много теоретични идеи, в които се въвежда голяма група от така наречените суперсиметрични частици, октет от свръхтежки кварки и много други.

Очевидно съвременната физика все още е далеч от изграждането на цялостна теория на частиците. Може би великият физик Алберт Айнщайн е бил прав, вярвайки, че само отчитането на гравитацията, въпреки сега изглеждащата й малка роля в микрокосмоса, ще позволи изграждането на строга теория за частиците. Но всичко това вече е в 21 век или дори по-късно.

литература

1. Окун Л.Б. Физика на елементарните частици. Москва: Наука, 1988.

2. Кобзарев И.Ю. Лауреати на Нобеловата награда за 1979 г.: С. Вайнберг, С. Глашоу, А. Салам // Природа. 1980. № 1. С. 84.

3. Зелдович Я.Б. Класификация на елементарните частици и кварки в презентацията за пешеходци // Успехи нац. Науки. 1965. Т. 8. С. 303.

4. Крайнов В.П. Връзка на несигурност за енергия и време // Сорос Образователен вестник. 1998. N 5. С. 77-82.

5. I. Nambu, “Защо няма свободни кварки”, Usp. Науки. 1978. Т. 124. С. 146.

6. Жданов Г.Б., Максименко В.М., Славатински С.А. Експеримент "Памир" // Природа. 1984. № 11. С. 24

Рецензент на статии L.I. Саричев

С. А. СлаватинскиМосковски физико-технически институт, Долгопрудни, Московска област

Вижте също

Напишете отзив за статията "Фундаментална частица"

Бележки

Връзки

• С. А. Славатински// Московски физико-технически институт (Долгопрудни, Московска област)
• Славатински С.А. // СОЖ, 2001, No 2, с. 62–68 архив http://web.archive.org/web/20060116134302/http://journal.issep.rssi.ru/annot.php?id=S1176
• // nuclphys.sinp.msu.ru
• // second-physics.ru
• // физика.ру
• // nature.web.ru
• // nature.web.ru
• // nature.web.ru