| Стандартная модель в физике элементарных частиц |
|---|
  |
В физических наук , элементарные частицы имеют меньшие размеры , чем атомы . [1] Они могут быть составными частицами , такими как нейтрон и протон; или элементарные частицы , которые согласно стандартной модели не состоят из других частиц. [2] Физика элементарных частиц и ядерная физика изучают эти частицы и их взаимодействие. [3] Концепция субатомной частицы была уточнена, когда эксперименты показали, что свет может вести себя как поток частиц (называемых фотонами ), а также проявлять волнообразные свойства. Это привело к концепциидуальность волна-частица, чтобы отразить, что частицы квантового масштаба ведут себя как частицы, так и волны (иногда их называют волнами, чтобы отразить это [ цитата необходима ] ). Другая концепция, принцип неопределенности , гласит, что некоторые из их свойств, взятые вместе, такие как их одновременное положение и импульс , не могут быть точно измерены. [4] Было показано, что дуализм волна-частица применим не только к фотонам, но и к более массивным частицам. [5]
Взаимодействия частиц в рамках квантовой теории поля понимаются как рождение и уничтожение квантов соответствующих фундаментальных взаимодействий . Это смешивает физику элементарных частиц с теорией поля .
Даже среди физиков элементарных частиц точное определение частицы имеет различные описания. Эти профессиональные попытки определения частицы включают:
- Частица - это сжатая волновая функция
- Частица - это квантовое возбуждение поля.
- Частица - это неприводимое представление группы Пуанкаре.
- Частица может быть вибрирующей струной
- Частица - это то, что мы измеряем детектором [6]
Классификация [ править ]
По составу [ править ]
Субатомные частицы являются либо «элементарными», то есть не состоящими из множества других частиц, либо «составными» и состоят из более чем одной элементарной частицы, связанной вместе.
Элементарные частицы Стандартной модели : [7]
- Шесть « ароматы » из кварков : вверх , вниз , странно , обаяние , снизу и сверху ;
- Шесть типов лептонов : электрон , электронное нейтрино , мюонов , мюонного нейтрино , тау , тау - нейтрино ;
- Двенадцать калибровочные бозоны (силовые носители): фотон из электромагнетизма , три W и Z бозонов о слабых силах , и восемь глюонов о сильной силе ;
- Хиггс .
Все они были обнаружены экспериментально, последними из которых являются топ-кварк (1995 г.), тау-нейтрино (2000 г.) и бозон Хиггса (2012 г.).
Различные расширения Стандартной модели предсказывают существование элементарной гравитонной частицы и многих других элементарных частиц , но к 2020 году ни одна из них не была обнаружена.
Адроны [ править ]
Почти все составные частицы содержат несколько кварков (и / или антикварков), связанных вместе глюонами (за некоторыми исключениями без кварков, таких как позитроний и мюоний ). Те, которые содержат мало (≤ 5) [анти] кварков, называются адронами . Из-за свойства, известного как ограничение цвета , кварки никогда не встречаются по отдельности, но всегда встречаются в адронах, содержащих несколько кварков. Адроны делятся по количеству кварков (включая антикварки) на барионы, содержащие нечетное количество кварков (почти всегда 3), из которых протон и нейтрон (два нуклона ) являются наиболее известными; и мезонысодержащий четное число кварков (почти всегда 2, один кварк и один антикварк), из которых пионы и каоны являются наиболее известными.
За исключением протона и нейтрона, все другие адроны нестабильны и распадаются на другие частицы за микросекунды или меньше. Протон состоит из двух верхних кварков и одного нижнего кварка , а нейтрон состоит из двух нижних кварков и одного верхнего кварка. Они обычно связываются вместе в атомное ядро, например, ядро гелия-4 состоит из двух протонов и двух нейтронов. Большинство адронов не живут достаточно долго, чтобы образовать ядерноподобные композиты; те, кто это делают (кроме протона и нейтрона), образуют экзотические ядра .
По статистике [ править ]
Любая элементарная частица, как и любая частица в трехмерном пространстве , подчиняющиеся законы о квантовой механике , может быть либо бозон (с целочисленным спином ) или фермионным (с нечетным полуцелым спином).
В Стандартной модели все элементарные фермионы имеют спин 1/2 и делятся на кварки, несущие цветной заряд и, следовательно, испытывающие сильное взаимодействие, и лептоны, которые этого не делают. Элементарные бозоны включают калибровочные бозоны (фотон, W и Z, глюоны) со спином 1, а бозон Хиггса - единственная элементарная частица со спином нуль.
Теоретически требуется, чтобы гипотетический гравитон имел спин 2, но он не является частью Стандартной модели. Некоторые расширения, такие как суперсимметрия, предсказывают дополнительные элементарные частицы со спином 3/2, но по состоянию на 2021 год не было обнаружено ни одного.
Согласно законам спина составных частиц, барионы (3 кварка) имеют спин 1/2 или 3/2 и, следовательно, являются фермионами; мезоны (2 кварка) имеют целочисленный спин либо 0, либо 1, и поэтому являются бозонами.
По массе [ править ]
В специальной теории относительности , то энергия частицы в состоянии покоя равна его массе , умноженной на скорость света в квадрате , Е = тс 2 . То есть массу можно выразить через энергию и наоборот. Если частица имеет систему координат , в которой она лежит в состоянии покоя , то она имеет положительную массу покоя и называют массивной .
Все композитные частицы массивные. Барионы (что означает «тяжелые») имеют тенденцию иметь большую массу, чем мезоны (что означает «промежуточные»), которые, в свою очередь, имеют тенденцию быть тяжелее лептонов (что означает «легкий»), но самый тяжелый лептон ( тау-частица ) тяжелее, чем две легчайшие разновидности барионов ( нуклонов ). Также несомненно, что любая частица с электрическим зарядом массивна.
При первоначальном определении в 1950-х годах термины барионы, мезоны и лептоны относились к массам; однако после того, как в 1970-х годах была принята модель кварков, было признано, что барионы представляют собой композиции из трех кварков, мезоны представляют собой композиции из одного кварка и одного антикварка, а лептоны являются элементарными и определяются как элементарные фермионы без цветового заряда .
Все безмассовые частицы (частицы с нулевой инвариантной массой ) элементарны. К ним относятся фотон и глюон, хотя последний не может быть изолирован.
Распадом [ править ]
Большинство субатомных частиц нестабильны. Все лептоны, а также барионы распадаются под действием сильного или слабого взаимодействия (кроме протона). Неизвестно, что протоны распадаются , хотя неизвестно, является ли он «действительно» стабильным, поскольку некоторые очень важные теории Великого Объединения (GUT) на самом деле требуют этого. Мюоны μ и τ, а также их античастицы распадаются под действием слабого взаимодействия. Нейтрино (и антинейтрино) не распадаются, но считается, что родственное явление осцилляций нейтрино существует даже в вакууме. Электрон и его античастица, позитрон , теоретически стабильны из-за сохранения заряда, если только более легкая частица имеет величину электрического заряда ≤ е существует (что маловероятно). Его заряд пока не указан
Другие свойства [ править ]
Все наблюдаемые элементарные частицы имеют свои электрический заряд целые кратные элементарного заряда . Стандартная модель кварки имеют «нецелые» электрические заряды, а именно, кратное 1 / 3 е , но кварки (и другие комбинации с нецелым электрическим зарядом) не может быть выделены из - за удержание цвета . Для барионов, мезонов и их античастиц заряды составляющих кварков в сумме составляют целое число, кратное е .
Благодаря работам Альберта Эйнштейна , Сатьендры Нат Боса , Луи де Бройля и многих других современная научная теория утверждает, что все частицы также имеют волновую природу. [8] Это было подтверждено не только для элементарных частиц, но и для составных частиц, таких как атомы и даже молекулы. Фактически, согласно традиционным формулировкам нерелятивистской квантовой механики, дуальность волна-частица применима ко всем объектам, даже макроскопическим; хотя волновые свойства макроскопических объектов не могут быть обнаружены из-за их малых длин волн. [9]
Взаимодействия между частицами изучались на протяжении многих столетий, и несколько простых законов определяют поведение частиц при столкновениях и взаимодействиях. Самыми фундаментальными из них являются законы сохранения энергии и сохранения количества движения , которые позволяют нам производить расчеты взаимодействий частиц в масштабах от звезд до кварков . [10] Это необходимые основы ньютоновской механики , ряд утверждений и уравнений в Philosophiae Naturalis Principia Mathematica , первоначально опубликованной в 1687 году.
Деление атома [ править ]
Отрицательно заряженный электрон имеет массу , равную 1 / 1837 или 1836 того , что из водорода атома. Остальная часть массы атома водорода приходится на положительно заряженный протон . Атомный номер элемента это число протонов в ядре. Нейтроны - это нейтральные частицы, масса которых немного больше массы протона. Различные изотопы одного и того же элемента содержат одинаковое количество протонов, но разное количество нейтронов. Массовое число изотопа является общим числом нуклонов (протонов и нейтронов в совокупности).
Химия занимается тем, как обмен электронами связывает атомы в такие структуры, как кристаллы и молекулы . Ядерная физика изучает, как протоны и нейтроны располагаются в ядрах. Изучение субатомных частиц, атомов и молекул, их структуры и взаимодействия требует квантовой механики . Анализ процессов, которые изменяют количество и типы частиц, требует квантовой теории поля . Изучение субатомных частиц само по себе называется физикой элементарных частиц . Термин « физика высоких энергий» почти синонимичен «физике элементарных частиц», поскольку создание частиц требует высоких энергий: это происходит только в результатекосмические лучи или в ускорителях частиц . Феноменология частиц систематизирует знания о субатомных частицах, полученные в результате этих экспериментов. [11]
История [ править ]
Термин « субатомная частица» - это в значительной степени ретроним 1960-х годов, используемый для различения большого количества барионов и мезонов (которые включают адроны ) от частиц, которые теперь считаются действительно элементарными . До этого адроны обычно относили к «элементарным», потому что их состав был неизвестен.
Ниже приводится список важных открытий:
| Частицы | Состав | Теоретически | Обнаруженный | Комментарии |
|---|---|---|---|---|
| Электрон е- | элементарный ( лептон ) | Дж. Джонстон Стоуни (1874) | Дж. Дж. Томсон (1897) | Минимальная единица электрического заряда, название которой Стони предложил в 1891 году [12]. |
| альфа-частица α | композит (атомное ядро) | никогда | Эрнест Резерфорд (1899) | В 1907 году Резерфорд и Томас Ройдс доказали, что это ядра гелия. |
| Фотон γ | элементарный ( квантовый ) | Макс Планк (1900) Альберт Эйнштейн (1905) | Эрнест Резерфорд (1899) как γ- лучи | Необходимо решить термодинамическую проблему излучения черного тела . |
| Протон п | составной ( барионный ) | давно | Эрнест Резерфорд (1919, назван 1920) | Ядро 1ЧАС. |
| Нейтрон п | составной (барионный) | Эрнест Резерфорд ( ок. 1918) | Джеймс Чедвик (1932) | Второй нуклон . |
| Античастицы | Поль Дирак (1928) | Карл Д. Андерсон (е+, 1932 г.) | В пересмотренном объяснении используется симметрия CPT . | |
| Пионы π | композит ( мезоны ) | Хидэки Юкава (1935) | Сезар Латтес , Джузеппе Оккиалини , Сесил Пауэлл (1947) | Объясняет ядерное взаимодействие между нуклонами. Первый мезон (по современному определению), который должен быть открыт. |
| Мюон μ- | элементарный (лептон) | никогда | Карл Д. Андерсон (1936) | Сначала называли «мезон»; но сегодня классифицируется как лептон . |
| Kaons K | композит (мезоны) | никогда | Г. Д. Рочестер , К. К. Батлер (1947) | Обнаружен в космических лучах . Первая странная частица . |
| Лямбда-барионы Λ | композит (барионы) | никогда | Мельбурнский университет ( Λ0 , 1950) [13] | Открыт первый гиперон . |
| Нейтрино ν | элементарный (лептон) | Вольфганг Паули (1930), названный Энрико Ферми | Клайд Коуэн , Фредерик Рейнс (νе, 1956) | Решена проблема энергетического спектра в бета - распада . |
| Кварки ( ты , d , s ) | элементарный | Мюррей Гелл-Манн , Джордж Цвейг (1964) | Нет конкретного подтверждающего события для кварковой модели . | |
| очаровательный кварк c | элементарный (кварк) | Шелдон Глэшоу , Джон Илиопулос , Лучано Майани (1970) | B. Richter et al ., SCC Ting et al . (Дж / ψ, 1974) | |
| нижний кварк б | элементарный (кварк) | Макото Кобаяси , Тосихидэ Маскава (1973) | Леон М. Ледерман и др . (ϒ, 1977) | |
| Глюоны | элементарный (квантовый) | Харальд Фрич , Мюррей Гелл-Манн (1972) [14] | DESY (1979) | |
| Слабые калибровочные бозоны W± , Z0 | элементарный (квантовый) | Глэшоу , Вайнберг , Салам (1968) | ЦЕРН (1983) | Недвижимость проверена в 1990-х годах. |
| верхний кварк т | элементарный (кварк) | Макото Кобаяси , Тосихидэ Маскава (1973) | Фермилаб (1995) | Не адронизирует , но необходим для завершения Стандартной модели. |
| бозон Хиггса | элементарный (квантовый) | Питер Хиггс и др . (1964) | ЦЕРН (2012) | Предполагается, что это будет подтверждено в 2013 году. Дополнительные доказательства найдены в 2014 году [15] |
| Тетракварк | составной | ? | Z c (3900) , 2013, еще не подтвержден как тетракварк | Новый класс адронов. |
| Пентакварк | составной | ? | Еще один класс адронов. [Обновить]Считается, что по состоянию на 2019 год существует несколько. | |
| Гравитон | элементарный (квантовый) | Альберт Эйнштейн (1916) | Интерпретация гравитационной волны как частиц спорна. | |
| Магнитный монополь | элементарный (несекретный) | Поль Дирак (1931) | неоткрытый | |
См. Также [ править ]
- Атом: Путешествие через субатомный космос (книга)
- Атом: Одиссея от Большого взрыва к жизни на Земле ... и за ее пределами (книга)
- CPT-инвариантность
- Темная материя
- Эффект горячей точки в субатомной физике
- Список вымышленных элементов, материалов, изотопов и атомных частиц
- Список частиц
- Симметрия Пуанкаре
- Илем
Ссылки [ править ]
- ^ «Субатомные частицы» . NTD . Проверено 5 июня 2012 года .
- ^ Болонкина, Александр (2011). Вселенная, бессмертие человека и будущая человеческая оценка . Эльзевир . п. 25. ISBN 9780124158016.
- ^ Фрич, Харальд (2005). Элементарные частицы . World Scientific . стр. 11 -20. ISBN 978-981-256-141-1.
- ^ Гейзенберга, W. (1927), "Über ден anschaulichen Inhalt дер quantentheoretischen кинематика унд Mechanik", Zeitschrift für Physik (на немецком языке ), 43 (3-4): 172-198, Bibcode : 1927ZPhy ... 43..172H , DOI : 10.1007 / BF01397280 , S2CID 122763326 .
- ^ Арндт, Маркус; Наирз, Олаф; Вос-Андреэ, Джулиан; Келлер, Клаудиа; Ван дер Зоу, Гербранд; Цайлингер, Антон (2000). «Волново-частичный дуализм молекул C60». Природа . 401 (6754): 680–682. Bibcode : 1999Natur.401..680A . DOI : 10.1038 / 44348 . PMID 18494170 . S2CID 4424892 .
- ^ https://www.quantamagazine.org/what-is-a-particle-20201112/
- ^ Коттингем, WN; Гринвуд, Д.А. (2007). Введение в стандартную модель физики элементарных частиц . Издательство Кембриджского университета . п. 1. ISBN 978-0-521-85249-4.
- Перейти ↑ Walter Greiner (2001). Квантовая механика: введение . Springer . п. 29. ISBN 978-3-540-67458-0.
- ^ Eisberg, Р. и Резник Р. (1985). Квантовая физика атомов, молекул, твердых тел, ядер и частиц (2-е изд.). Джон Вили и сыновья . С. 59–60 . ISBN 978-0-471-87373-0.
Как для больших, так и для малых длин волн вещество и излучение имеют как частицы, так и волновые аспекты. [...] Но волновые аспекты их движения становится труднее наблюдать по мере того, как их длины волн становятся короче. [...] Для обычных макроскопических частиц масса настолько велика, что импульс всегда достаточно велик, чтобы сделать длину волны де Бройля достаточно малой, чтобы выйти за пределы диапазона экспериментального обнаружения, и классическая механика царит безраздельно.
- ^ Исаак Ньютон (1687). Законы движения Ньютона ( Philosophiae Naturalis Principia Mathematica )
- ^ Taiebyzadeh, Payam (2017). Теория струн; Единая теория и внутреннее измерение элементарных частиц (BazDahm). Риверсайд, Иран: Центр публикаций Шамлу. ISBN 978-600-116-684-6 .
- ^ Клемперер, Отто (1959). «Электронная физика: физика свободного электрона». Физика сегодня . 13 (6): 64–66. Bibcode : 1960PhT .... 13R..64K . DOI : 10.1063 / 1.3057011 .
- ^ Некоторые источники, такие как «Странный кварк» . укажите 1947 год.
- ^ Фрич, Harald; Гелл-Манн, Мюррей (1972). «Текущая алгебра: кварки и что еще?». EConf . C720906V2: 135–165. arXiv : hep-ph / 0208010 .
- ^ "Эксперименты ЦЕРН сообщают о новых измерениях бозона Хиггса" . cern.ch . 23 июня 2014 г.
Дальнейшее чтение [ править ]
- Обычные читатели
- Фейнман, Р.П. и Вайнберг, С. (1987). Элементарные частицы и законы физики: Лекции памяти Дирака 1986 года . Cambridge Univ. Нажмите.
- Брайан Грин (1999). Элегантная Вселенная . WW Norton & Company . ISBN 978-0-393-05858-1.
- Ортер, Роберт (2006). Теория почти всего: стандартная модель, невоспетый триумф современной физики . Плюм.
- Шумм, Брюс А. (2004). Вещи в глубине: захватывающая красота физики элементарных частиц . Издательство Университета Джона Хопкинса. ISBN 0-8018-7971-X .
- Мартинус Велтман (2003). Факты и загадки в физике элементарных частиц . World Scientific . ISBN 978-981-238-149-1.
- Учебники
- Кофлан, Г. Д., Дж. Э. Додд и Б. М. Грипайос (2006). Идеи физики элементарных частиц: введение для ученых , 3-е изд. Cambridge Univ. Нажмите. Текст для бакалавров для тех, кто не специализируется на физике.
- Гриффитс, Дэвид Дж. (1987). Введение в элементарные частицы . Джон Вили и сыновья . ISBN 978-0-471-60386-3.
- Кейн, Гордон Л. (1987). Современная физика элементарных частиц . Книги Персея . ISBN 978-0-201-11749-3.
Внешние ссылки [ править ]
 | Викискладе есть медиафайлы, связанные с субатомными частицами . |
- Субатомные частицы (физика) в Британской энциклопедии
- Particleadventure.org: Стандартная модель.
- cpepweb.org: Диаграмма частиц.
- Калифорнийский университет: Группа данных по частицам.
- Аннотированная физическая энциклопедия: квантовая теория поля.
- Хосе Гальвес: Глава 1 Электродинамика (pdf).
| vтеЧастицы в физике | |||||||||||||||||||||||||
|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|
| Элементарный |
| ||||||||||||||||||||||||
| Композитный |
| ||||||||||||||||||||||||
| Квазичастицы |
| ||||||||||||||||||||||||
| Списки |
| ||||||||||||||||||||||||
| Связанный |
| ||||||||||||||||||||||||
| Книги Википедии |
| ||||||||||||||||||||||||
 Физический портал | |||||||||||||||||||||||||
