Welche Eigenschaften haben Elementarteilchen? Elementarteilchen

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. Ladungen können in absteigender Reihenfolge der entsprechenden Kräfte angeordnet werden auf die folgende Weise: Farbladung (Wechselwirkungskräfte 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: negative 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. Somit sind Elektronen, die Photonen emittieren können, von elektrischem Strom umgeben Magnetfelder sowie Schwach- und Gravitationsfelder. 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. 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.

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, das Pion (oder Pi-Meson) genannt, in der kosmischen Strahlung entdeckt, und eine Zeit lang glaubte man, dass der Austausch dieser Teilchen - Hauptgrund Nuklearkräfte. 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 „Achtfacher 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. Im Gegensatz zu Planeten Sonnensystem, das Elektron kann nach den Gesetzen der Quantenmechanik nicht auf einer elliptischen Bahn kreisen; für es gibt es 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 materielle 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. Impuls - charakteristisch Rotationsbewegung, sowie der Gesamtimpuls – translatorisch. 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 dem sie alle zu unterschiedlichen Aspekten einer einzigen Realität würden – wie die Kanten eines Kristalls.

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 an ein fernes zu senden und zu sehen, wie es darauf 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“ folgt die gesamte Quantenelektrodynamik (Quantentheorie des Elektromagnetismus) sowie die Theorie elektromagnetisches Feld Maxwell ist eine der größten wissenschaftlichen Errungenschaften des 19. Jahrhunderts.

Warum ist ein so einfaches Prinzip so fruchtbar? Offenbar drückt es eine Art Korrelation aus verschiedene Teile Universum, das 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. Auf die Frage, wo genau das ist Innenraum Versuchen Sie, mehrdimensionale einheitliche Feldtheorien zu beantworten, die hier nicht berücksichtigt werden.

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 Denkaufwand 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.

Elementarteilchen, in genauer Wert dieses Begriffs sind die primären, weiteren unzerlegbaren Teilchen, aus denen vermutlich alle Materie besteht.

Elementarteilchen der modernen Physik erfüllen nicht die strenge Definition der Elementarität, da die meisten von ihnen nach modernen Vorstellungen zusammengesetzte Systeme sind. Die gemeinsame Eigenschaft dieser Systeme ist Folgendes: Dass es sich nicht um Atome oder Kerne handelt (mit Ausnahme des Protons). Daher werden sie manchmal als subnukleare Teilchen bezeichnet.

Teilchen, die behaupten, die primären Elemente der Materie zu sein, werden manchmal als „echte Elementarteilchen“ bezeichnet.

Das erste entdeckte Elementarteilchen war das Elektron. Es wurde 1897 vom englischen Physiker Thomson entdeckt.

Der erste entdeckte Antizystit war das Positron – ein Teilchen mit der Masse eines Elektrons, aber einer positiven elektrischen Ladung. Dieses Antiteilchen wurde 1932 vom amerikanischen Physiker Anderson in der kosmischen Strahlung entdeckt.

In der modernen Physik umfasst die Gruppe der Elementarteilchen mehr als 350 überwiegend instabile Teilchen, und ihre Zahl wächst weiter.

Wurden früher Elementarteilchen meist in der kosmischen Strahlung nachgewiesen, sind Beschleuniger seit den frühen 50er Jahren das wichtigste Instrument zur Untersuchung von Elementarteilchen.

Mikroskopische Massen und Größen von Elementarteilchen bestimmen die Quantenspezifität ihres Verhaltens: Quantengesetze sind entscheidend für das Verhalten von Elementarteilchen.

Die wichtigste Quanteneigenschaft aller Elementarteilchen ist die Fähigkeit, bei der Wechselwirkung mit anderen Teilchen geboren und zerstört (emittiert und absorbiert) zu werden. Alle Prozesse mit Elementarteilchen durchlaufen eine Abfolge von Absorptions- und Emissionsvorgängen.

Verschiedene Prozesse mit Elementarteilchen unterscheiden sich deutlich in der Intensität ihres Auftretens.

Entsprechend der unterschiedlichen Intensität der Wechselwirkung von Elementarteilchen werden sie phänomenologisch in mehrere Klassen eingeteilt: stark, elektromagnetisch und schwach. Darüber hinaus unterliegen alle Elementarteilchen einer gravitativen Wechselwirkung.

Die starke Wechselwirkung von Elementarteilchen führt zu Prozessen, die im Vergleich zu anderen Prozessen mit der größten Intensität ablaufen und zur stärksten Verbindung von Elementarteilchen führen. Dadurch wird die Verbindung zwischen Protonen und Neutronen in den Atomkernen bestimmt.

Elektromagnetische Wechselwirkungen unterscheiden sich von anderen durch die Beteiligung eines elektromagnetischen Feldes. Ein elektromagnetisches Feld (in der Quantenphysik ein Photon) wird entweder emittiert, bei der Wechselwirkung absorbiert oder überträgt die Wechselwirkung zwischen Körpern.

Elektromagnetische Wechselwirkung sorgt für die Verbindung von Kernen und Elektronen in Atomen und Molekülen der Materie und bestimmt damit (basierend auf den Gesetzen der Quantenmechanik) die Möglichkeit eines stabilen Zustands solcher Mikrosysteme.

Die schwache Wechselwirkung von Elementarteilchen führt zu sehr langsamen Prozessen mit Elementarteilchen, einschließlich Zerfällen quasistabiler Teilchen.

Die schwache Wechselwirkung ist nicht nur viel schwächer als die starke Wechselwirkung, sondern auch die elektromagnetische Wechselwirkung, aber viel stärker als die Gravitationswechselwirkung.

Die gravitative Wechselwirkung von Elementarteilchen ist die schwächste aller bekannten. Die Gravitationswechselwirkung in für Elementarteilchen charakteristischen Abständen führt aufgrund der geringen Massen der Elementarteilchen zu äußerst geringen Effekten.

Die schwache Wechselwirkung ist viel stärker als die Gravitationswechselwirkung, aber im Alltag ist die Rolle der Gravitationswechselwirkung viel stärker spürbar als die Rolle der schwachen Wechselwirkung. Dies geschieht, weil die Gravitationswechselwirkung (wie auch die elektromagnetische Wechselwirkung) einen unendlich großen Wirkungsradius hat. Daher unterliegen beispielsweise Körper, die sich auf der Erdoberfläche befinden, der Anziehungskraft aller Atome, aus denen die Erde besteht. Die schwache Wechselwirkung hat einen so geringen Wirkungsbereich, dass sie noch nicht gemessen wurde.

In der modernen Physik grundlegende Rolle spielt die relativistische Quantentheorie physikalischer Systeme mit unendlich vielen Freiheitsgraden – Quantenfeldtheorie. Diese Theorie wurde entwickelt, um eine der allgemeinsten Eigenschaften der Mikrowelt zu beschreiben – die universelle gegenseitige Konvertibilität von Elementarteilchen. Um Prozesse dieser Art zu beschreiben, war ein Übergang zu einem Quantenwellenfeld erforderlich. Die Quantenfeldtheorie ist zwangsläufig relativistisch, denn wenn ein System aus sich langsam bewegenden Teilchen besteht, reicht deren Energie möglicherweise nicht aus, um neue Teilchen mit einer Ruhemasse ungleich Null zu bilden. Teilchen mit der Ruhemasse Null (Photon, ggf. Neutrino) sind immer relativistisch, d. h. bewegt sich immer mit Lichtgeschwindigkeit.

Ein universeller Umgang mit allen Wechselwirkungen, basierend auf der Eichsymmetrie, ermöglicht es, diese zu kombinieren.

Die Quantenfeldtheorie erwies sich als das am besten geeignete Instrument, um die Natur der Wechselwirkung von Elementarteilchen und die Vereinheitlichung aller Arten von Wechselwirkungen zu verstehen.

Die Quantenelektrodynamik ist der Teil der Quantenfeldtheorie, der sich mit der Wechselwirkung des elektromagnetischen Feldes und geladenen Teilchen (oder Elektron-Positron-Feldes) befasst.

Derzeit wird die Quantenelektrodynamik als integraler Bestandteil einer einheitlichen Theorie schwacher und elektromagnetischer Wechselwirkungen betrachtet.

Abhängig von ihrer Beteiligung an bestimmten Wechselwirkungsarten werden alle untersuchten Elementarteilchen mit Ausnahme des Photons in zwei Hauptgruppen eingeteilt – Hadronen und Leptonen.

Hadronen (aus dem Griechischen – groß, stark) sind eine Klasse von Elementarteilchen, die an starken Wechselwirkungen teilnehmen (neben elektromagnetischen und schwachen). Leptonen (aus dem Griechischen – dünn, leicht) sind eine Klasse von Elementarteilchen, die keine starken Wechselwirkungen haben und nur an elektromagnetischen und schwachen Wechselwirkungen teilnehmen. (Das Vorhandensein einer Gravitationswechselwirkung für alle Elementarteilchen, einschließlich des Photons, wird vorausgesetzt).

Es gibt noch keine vollständige Theorie der Hadronen oder der starken Wechselwirkung zwischen ihnen, aber es gibt eine Theorie, die es uns erlaubt, ihre grundlegenden Eigenschaften zu erklären, obwohl sie weder vollständig noch allgemein akzeptiert ist. Diese Theorie ist die Quantenchromodynamik, nach der Hadronen aus Quarks bestehen und die Kräfte zwischen Quarks auf den Austausch von Gluonen zurückzuführen sind. Alle nachgewiesenen Hadronen bestehen aus fünf verschiedenen Arten von Quarks („Flavours“). Jedes „Flavour“-Quark kann in drei „Farb“-Zuständen vorliegen oder drei verschiedene „Farbladungen“ haben.

Wenn die Gesetze die Beziehung zwischen charakterisierenden Größen festlegen physikalisches System, oder die die Änderung dieser Größen im Laufe der Zeit bestimmen, sich unter bestimmten Transformationen, denen das System unterzogen werden kann, nicht ändern, dann sagt man, dass diese Gesetze Symmetrie (oder Invarianz) in Bezug auf diese Transformationen haben. Mathematisch gesehen bilden Symmetrietransformationen eine Gruppe.

In der modernen Theorie der Elementarteilchen ist das Konzept der Symmetrie von Gesetzen bezüglich bestimmter Transformationen führend. Symmetrie wird als Faktor betrachtet, der die Existenz verschiedener Gruppen und Familien von Elementarteilchen bestimmt.

Die starke Wechselwirkung ist symmetrisch bezüglich Rotationen in einem speziellen „Isotopenraum“. Aus mathematischer Sicht entspricht die Isotopensymmetrie Transformationen der einheitlichen Symmetriegruppe SU(2). Isotopensymmetrie ist keine exakte Symmetrie der Natur, weil es wird durch elektromagnetische Wechselwirkung und Unterschiede in den Quarkmassen gestört.

Die Isotopensymmetrie ist Teil einer umfassenderen Näherungssymmetrie der starken Wechselwirkung – der einheitlichen SU(3)-Symmetrie. Es stellt sich heraus, dass die Einheitssymmetrie viel stärker gebrochen ist als die Isotopensymmetrie. Es wird jedoch vermutet, dass diese Symmetrien, die bei den erreichten Energien sehr stark gebrochen sind, bei Energien wiederhergestellt werden, die der sogenannten „großen Vereinigung“ entsprechen.

Für die Klasse der internen Symmetrien feldtheoretischer Gleichungen (d. h. Symmetrien, die mit den Eigenschaften von Elementarteilchen und nicht mit den Eigenschaften der Raumzeit verbunden sind) wird ein gebräuchlicher Name verwendet: Eichsymmetrie.

Die Eichsymmetrie erfordert die Existenz von Vektor-Eichfeldern, deren Quantenaustausch die Wechselwirkungen der Teilchen bestimmt.

Die Idee der Eichsymmetrie erwies sich in der einheitlichen Theorie der schwachen und elektromagnetischen Wechselwirkungen als am fruchtbarsten.

Ein interessantes Problem in der Quantenfeldtheorie ist die Einbeziehung der starken Wechselwirkung („große Vereinheitlichung“) in ein einheitliches Eichschema.

Zu anderen vielversprechende Richtung Die Vereinheitlichung wird als Übermaßsymmetrie oder einfach als Supersymmetrie bezeichnet.

In den 60er Jahren schufen die amerikanischen Physiker S. Weinberg, S. Glashow, der pakistanische Physiker A. Salam und andere einheitliche Theorie schwache und elektromagnetische Wechselwirkungen, später als Standardtheorie der elektroschwachen Wechselwirkung bezeichnet. In dieser Theorie erscheinen zusammen mit dem Photon, das die elektromagnetische Wechselwirkung ausführt, intermediäre Vektorbosonen – Teilchen, die die schwache Wechselwirkung tragen. Diese Teilchen wurden 1983 am CERN experimentell entdeckt.

Die experimentelle Entdeckung intermediärer Vektorbosonen bestätigt die Richtigkeit der Grundidee (Eichidee) der Standardtheorie der elektroschwachen Wechselwirkung.

Um die Theorie vollständig zu überprüfen, ist es jedoch auch notwendig, den Mechanismus der spontanen Symmetriebrechung experimentell zu untersuchen. Wenn dieser Mechanismus tatsächlich in der Natur auftritt, dann müsste es elementare Skalarbosonen geben – die sogenannten Higgs-Bosonen. Die Standardtheorie der elektroschwachen Wechselwirkung sagt die Existenz mindestens eines Skalarbosons voraus.

Es gibt keine klare Definition des Begriffs „Elementarteilchen“; Normalerweise werden nur bestimmte Werte physikalischer Größen angegeben, die diese Partikel und einige ihrer sehr wichtigen charakteristischen Eigenschaften charakterisieren. Elementarteilchen haben:

1) elektrische Ladung

2) Eigendrehimpuls oder Spin

3) magnetisches Moment

4) Eigenmasse – „Ruhemasse“

In Zukunft könnten weitere Größen entdeckt werden, die Teilchen charakterisieren, daher sollte diese Liste der Haupteigenschaften von Elementarteilchen nicht als vollständig angesehen werden.

Allerdings verfügen nicht alle Elementarteilchen (eine Liste davon finden Sie unten) über alle oben genannten Eigenschaften. Einige von ihnen haben nur eine elektrische Ladung und Masse, aber keinen Spin (geladene Pionen und Kaonen); andere Teilchen haben Masse, Spin und magnetisches Moment, aber keine elektrische Ladung (Neutron, Lambda-Hyperon); wieder andere haben nur Masse (neutrale Pionen und Kaonen) oder nur Spin (Photonen, Neutrinos). Elementarteilchen müssen zwingend mindestens eine der oben aufgeführten Eigenschaften aufweisen. Beachten Sie, dass die wichtigsten Materieteilchen – Läufe und Elektronen – durch einen vollständigen Satz dieser Eigenschaften gekennzeichnet sind. Es muss betont werden: Elektrische Ladung und Spin sind grundlegende Eigenschaften von Materieteilchen, d. h. ihre Zahlenwerte bleiben unter allen Bedingungen konstant.

PARTIKEL UND ANTI-PARTIKEL

Jedes Elementarteilchen hat sein Gegenteil – ein „Antiteilchen“. Masse, Spin und magnetisches Moment von Teilchen und Antiteilchen sind gleich, aber wenn das Teilchen eine elektrische Ladung hat, dann hat sein Antiteilchen eine Ladung mit entgegengesetztem Vorzeichen. Proton, Positron und Antineutron haben die gleichen magnetischen Momente und Spins, während Elektron, Neutron und Antiproton entgegengesetzte Orientierungen haben.

Die Wechselwirkung eines Teilchens mit seinem Antiteilchen unterscheidet sich deutlich von der Wechselwirkung mit anderen Teilchen. Dieser Unterschied drückt sich darin aus, dass ein Teilchen und sein Antiteilchen zur Vernichtung fähig sind, also zu einem Prozess, bei dem sie verschwinden und an ihrer Stelle andere Teilchen erscheinen. So entstehen beispielsweise durch die Vernichtung eines Elektrons und eines Positrons Photonen, Protonen und Antiprotonen-Pionen usw.

LEBENSDAUER

Stabilität ist kein zwingendes Merkmal von Elementarteilchen. Nur Elektron, Proton, Neutrino und ihre Antiteilchen sowie Photonen sind stabil. Die übrigen Teilchen werden entweder direkt, wie es beispielsweise bei einem Neutron geschieht, oder durch eine Kette aufeinanderfolgender Umwandlungen in stabile umgewandelt; Beispielsweise verwandelt sich ein instabiles negatives Pion zunächst in ein Myon und ein Neutrino, und dann verwandelt sich das Myon in ein Elektron und ein weiteres Neutrino:

Die Symbole weisen auf „Myon“-Neutrinos und Antineutrinos hin, die sich von „elektronischen“ Neutrinos und Antineutrinos unterscheiden.

Die Instabilität von Teilchen wird anhand der Zeitspanne beurteilt, die sie vom Moment der „Geburt“ bis zum Moment des Zerfalls existieren. Beide Zeitpunkte werden durch Partikelspuren in Messanlagen markiert. Wenn es eine große Anzahl von Beobachtungen von Teilchen einer bestimmten „Art“ gibt, wird entweder die „durchschnittliche Lebensdauer“ oder die Halbwertszeit des Zerfalls berechnet. Nehmen wir an, dass zu einem bestimmten Zeitpunkt die Anzahl der zerfallenden Teilchen gleich ist, und in diesem Moment wird diese Zahl gleich. Unter der Annahme, dass der Zerfall von Teilchen einem Wahrscheinlichkeitsgesetz gehorcht

Sie können die durchschnittliche Lebensdauer (während der die Anzahl der Partikel um einen Faktor abnimmt) und die Halbwertszeit berechnen

(währenddessen wird diese Zahl halbiert).

Es ist interessant festzustellen, dass:

1) alle ungeladenen Teilchen, außer Neutrinos und Photonen, sind instabil (Neutrinos und Photonen zeichnen sich unter anderen Elementarteilchen dadurch aus, dass sie keine eigene Ruhemasse haben);

2) Von den geladenen Teilchen sind nur das Elektron und das Proton (und ihre Antiteilchen) stabil.

Hier ist eine Liste der wichtigsten Partikel (ihre Zahl nimmt derzeit weiter zu) mit Angabe der Bezeichnungen und Hauptbestandteile

Eigenschaften; Elektrische Ladung wird üblicherweise in Elementareinheiten, Masse – in Einheiten der Elektronenmasse, Spin – in Einheiten angegeben

(siehe Scan)

PARTIKELKLASSIFIZIERUNG

Die Untersuchung von Elementarteilchen hat gezeigt, dass es unzureichend ist, sie nach den Werten ihrer Grundeigenschaften (Ladung, Masse, Spin) zu gruppieren. Es erwies sich als notwendig, diese Partikel in deutlich unterschiedliche „Familien“ einzuteilen:

1) Photonen, 2) Leptonen, 3) Mesonen, 4) Baryonen

und neue Eigenschaften von Partikeln einführen, die zeigen würden, dass ein bestimmtes Partikel zu einer dieser Familien gehört. Diese Merkmale werden üblicherweise als „Ladungen“ oder „Zahlen“ bezeichnet. Es gibt drei Arten von Gebühren:

1) Lepton-Elektron-Ladung;

2) Lepton-Myon-Ladung

3) Baryonenladung

Diese Ladungen erhalten numerische Werte: und -1 (Teilchen haben ein Pluszeichen, Antiteilchen haben ein Minuszeichen; Photonen und Mesonen haben Nullladungen).

Elementarteilchen gehorchen den folgenden zwei Regeln:

Jedes Elementarteilchen gehört nur zu einer Familie und ist nur durch eine der oben genannten Ladungen (Zahlen) gekennzeichnet.

Zum Beispiel:

Allerdings kann eine Familie von Elementarteilchen mehrere verschiedene Teilchen enthalten; Zur Gruppe der Baryonen gehören beispielsweise Proton, Neutron und große Nummer Hyperonen. Stellen wir uns die Einteilung der Elementarteilchen in Familien vor:

Leptonen „elektronisch“: Dazu gehören Elektron-Positron-Elektron-Neutrino und Elektron-Antineutrino

Leptonen „myonisch“: Dazu gehören Myonen mit negativer und positiver elektrischer Ladung sowie Myonenneutrinos und -antineutrinos. Dazu gehören das Proton, das Neutron, die Hyperonen und alle ihre Antiteilchen.

Das Vorhandensein oder Fehlen einer elektrischen Ladung ist nicht mit der Zugehörigkeit zu einer der aufgeführten Familien verbunden. Es ist zu beachten, dass alle Teilchen, deren Spin gleich 1/2 ist, notwendigerweise eine der oben angegebenen Ladungen haben. Photonen (deren Spin gleich Eins ist), Mesonen – Pionen und Kaonen (deren Spin gleich Null ist) haben weder leptonische noch Baryonenladungen.

Insgesamt physikalische Phänomene an denen Elementarteilchen beteiligt sind – an Zerfallsprozessen; Geburt, Vernichtung und gegenseitige Transformationen, die zweite Regel wird beachtet:

algebraische Zahlensummen für jede einzelne Ladungsart werden immer konstant gehalten.

Diese Regel entspricht den drei Erhaltungssätzen:

Diese Gesetze bedeuten auch, dass gegenseitige Transformationen zwischen Teilchen verschiedener Familien verboten sind.

Für einige Teilchen – Kaonen und Hyperonen – erwies es sich als notwendig, zusätzlich ein weiteres Merkmal einzuführen, das als Fremdheit bezeichnet wird und mit Kaonen bezeichnet wird, die Lambda- und Sigma-Hyperonen haben – xi-Hyperonen – (oberes Vorzeichen für Teilchen, unteres Vorzeichen für Antiteilchen). Bei Prozessen, bei denen das Auftreten (Geburt) von Partikeln mit Fremdartigkeit beobachtet wird, gilt folgende Regel:

Gesetz der Erhaltung der Fremdheit. Dies bedeutet, dass das Erscheinen eines seltsamen Teilchens notwendigerweise mit dem Erscheinen eines oder mehrerer seltsamer Antiteilchen einhergehen muss, sodass die algebraische Summe der Zahlen davor und danach entsteht

der Geburtsvorgang blieb konstant. Es wird auch darauf hingewiesen, dass beim Zerfall seltsamer Teilchen das Gesetz der Erhaltung der Fremdheit nicht beachtet wird, d. h. dieses Gesetz wirkt nur bei Prozessen der Geburt seltsamer Teilchen. Somit sind die Entstehungs- und Zerfallsprozesse für seltsame Teilchen irreversibel. Zum Beispiel zerfällt ein Lambda-Hyperon (Fremdheit gleich) in ein Proton und ein negatives Pion:

Bei dieser Reaktion wird das Gesetz der Erhaltung der Fremdartigkeit nicht eingehalten, da das nach der Reaktion erhaltene Proton und Pion eine Fremdartigkeit von Null haben. Bei der umgekehrten Reaktion, wenn ein negatives Pion mit einem Proton kollidiert, erscheint jedoch kein einzelnes Lambda-Hyperon; Die Reaktion verläuft unter Bildung zweier Teilchen mit seltsamen entgegengesetzten Vorzeichen:

Folglich wird bei der Reaktion zur Bildung eines Lambda-Hyperons das Gesetz der Erhaltung der Fremdheit beachtet: Vor und nach der Reaktion ist die algebraische Summe der „seltsamen“ Zahlen gleich Null. Es ist nur eine Zerfallsreaktion bekannt, bei der die Konstanz der Summe seltsamer Zahlen beobachtet wird – dies ist der Zerfall eines neutralen Sigma-Hyperons in ein Lambda-Hyperon und ein Photon:

Ein weiteres Merkmal seltsamer Teilchen ist der starke Unterschied zwischen der Dauer der Geburtsprozesse (in der Größenordnung von ) und der durchschnittlichen Zeit ihrer Existenz (ungefähr); für andere (nicht fremde) Teilchen liegen diese Zeiten in der gleichen Größenordnung.

Beachten Sie, dass die Notwendigkeit, Lepton- und Baryonenzahlen oder -ladungen einzuführen, und die Existenz der oben genannten Erhaltungsgesetze uns zu der Annahme zwingen, dass diese Ladungen einen qualitativen Unterschied zwischen Teilchen unterschiedlicher Art sowie zwischen Teilchen und Antiteilchen ausdrücken. Die Tatsache, dass Teilchen und Antiteilchen Ladungen mit entgegengesetzten Vorzeichen zugewiesen werden müssen, weist darauf hin, dass gegenseitige Transformationen zwischen ihnen unmöglich sind.

ELEMENTARTEILCHEN

Einführung

E.-Teilchen im genauen Sinne dieses Begriffs sind primäre, unzersetzbare Teilchen, aus denen vermutlich alle Materie besteht. Im Konzept von „E. h.“ in der Moderne Die Physik findet ihren Ausdruck in der Idee primitiver Einheiten, die alle beobachtbaren Eigenschaften der materiellen Welt bestimmen, eine Idee, die in den frühen Stadien der Entwicklung der Naturwissenschaften entstand und immer eine Rolle gespielt hat wichtige Rolle in seiner Entwicklung.

Das Konzept von „E.h.“ entstanden in engem Zusammenhang mit der Feststellung der diskreten Natur der Struktur der Materie auf mikroskopischer Ebene. Ebene. Entdeckung an der Wende vom 19. zum 20. Jahrhundert. Die kleinsten Träger der Eigenschaften der Materie – Moleküle und Atome – und die Feststellung, dass Moleküle aus Atomen aufgebaut sind, ermöglichten erstmals die Beschreibung aller beobachteten Stoffe als Kombinationen einer endlichen, wenn auch großen Anzahl von Strukturelementen Komponenten - Atome. Die anschließende Identifizierung der Bestandteile von Atomen – Elektronen und Kerne – sowie die Feststellung der komplexen Natur der Kerne selbst, die sich als aus nur zwei Teilchen (Nukleonen) aufgebauten Atomen herausstellten: Protonen und Neutronen, reduzierten die Anzahl der diskreten Elemente erheblich die die Eigenschaften der Materie bilden, und gab Anlass zu der Annahme, dass die Kette der Bestandteile der Materie in diskreten strukturlosen Formationen gipfelt - E. h. Am Anfang offenbart. 20. Jahrhundert Möglichkeit der Interpretation von el-magn. Felder als Ansammlung spezieller Teilchen – Photonen – bestärkten die Überzeugung von der Richtigkeit dieses Ansatzes weiter.

Allerdings handelt es sich bei der formulierten Annahme im Allgemeinen um eine Extrapolation bekannter Tatsachen und kann nicht stichhaltig untermauert werden. Es ist unmöglich, mit Sicherheit zu sagen, dass es Elementarteilchen im Sinne der obigen Definition gibt. Es ist auch möglich, dass sich die Aussage „besteht aus...“ irgendwann im Studium der Materie als inhaltslos erweist. In diesem Fall muss auf die oben gegebene Definition von „elementar“ verzichtet werden. Die Existenz von E. ch. ist eine Art Postulat, und die Prüfung seiner Gültigkeit ist eines davon wichtigsten Aufgaben Physik.

In der Regel wird die Bezeichnung „E. h.“ verwendet. in der Moderne verwendet Physik nicht in ihrer genauen Bedeutung, sondern weniger streng – für den Namen große Gruppe die kleinsten beobachtbaren Materieteilchen, sofern es sich nicht um Atome oder Atomkerne handelt, also um Objekte offensichtlich zusammengesetzter Natur (Ausnahme ist das Proton – der Kern des Wasserstoffatoms). Untersuchungen haben gezeigt, dass diese Partikelgruppe ungewöhnlich breit ist. Außerdem Proton(R), Neutron(N), Elektron(f) und Photon(g) es umfasst: Pi-Mesonen(P), Myonen(M), Tau-Leptonen(T), Neutrino drei Typen (v e, v M, v t), sog seltsame Teilchen ( K-Mesonen Und Hyperonen), verzauberte Teilchen und schöne (schöne) Teilchen (D- und B-Mesonen und die entsprechenden Baryonen),abwechslungsreich Resonanzen, inkl. Mesonen mit verstecktem Charme und Charme ( ncu-häufig Upsilon-Partikel) und schließlich am Anfang geöffnet. 80er Jahre Zwischenvektorbosonen (W, Z)- Insgesamt mehr als 350 Partikel, hauptsächlich instabil. Die Zahl der Teilchen, die zu dieser Gruppe gehören, sobald sie entdeckt werden, wächst ständig, und wir können mit Sicherheit sagen, dass sie weiter wachsen wird. Es ist offensichtlich, dass eine so große Anzahl von Teilchen nicht als elementare Bestandteile der Materie fungieren kann, und zwar in den 70er Jahren. Es wurde gezeigt, dass die meisten der aufgeführten Teilchen (alle Mesonen und Baryonen) zusammengesetzte Systeme sind. Die in dieser letzten Gruppe enthaltenen Teilchen sollten genauer als „subnukleare“ Teilchen bezeichnet werden, da sie spezifische Existenzformen von Materie darstellen, die nicht zu Kernen aggregiert sind. Verwendung des Namens „E.h.“ Im Verhältnis zu allen genannten Partikeln ist dies hauptsächlich der Fall Geschichte, Gründe und ist mit der Zeit der Forschung (Anfang der 30er Jahre) verbunden, als die einzige Bekannte Vertreter dieser Gruppe waren das Proton, das Neutron, das Elektron und das elektronenmagnetische Teilchen. Felder - Photon. Dann könnten diese Teilchen mit einem gewissen Recht Anspruch auf die Rolle von E.-Teilchen erheben.

Entdeckung der neuen Mikroskopie. Partikel zerstörten dies nach und nach ein einfaches Bild Struktur der Materie. Allerdings ähnelten die neu entdeckten Teilchen in ihren Eigenschaften in mancher Hinsicht den ersten vier bekannten Teilchen: entweder dem Proton und Neutron oder dem Elektron oder dem Photon. Solange die Anzahl solcher Teilchen nicht sehr groß war, blieb die Annahme bestehen, dass sie alle das Fundament spielten. Rolle in der Struktur der Materie und wurden in die Kategorie der E.-Teilchen eingeordnet. Mit der Zunahme der Teilchenzahl musste dieser Glaube aufgegeben werden, aber traditionell. Name „Äh.“ war ihnen vorbehalten.

In Übereinstimmung mit der gängigen Praxis wird die Bezeichnung „E. h.“ verwendet. wird im Folgenden als allgemeiner Name für alle verwendet winzige Partikel Gegenstand. In Fällen, in denen es sich um Teilchen handelt, die behaupten, die primären Elemente der Materie zu sein, wird gegebenenfalls der Begriff „wahr“ verwendet Elementarteilchen".

Kurze historische Informationen

Die Entdeckung der Elektronenteilchen war eine natürliche Folge der allgemeinen Erfolge der Physik in den späten 1960er Jahren bei der Erforschung der Struktur der Materie. 19. Jahrhundert Es wurde durch detaillierte Studien der Spektren von Atomen und das Studium der Elektrizität vorbereitet. Phänomene in Flüssigkeiten und Gasen, die Entdeckung der Photoelektrizität, Röntgenstrahlen. Strahlen, natürlich Radioaktivität, was auf die Existenz einer komplexen Materiestruktur hinweist.

Historisch gesehen war das erste entdeckte Element das Elektron, der Träger negativer Elementarelektrizität. Ladung in Atomen. Im Jahr 1897 zeigte J. J. Thomson überzeugend, dass die sogenannte. Kathodenstrahlen stellen einen Ladungsstrom dar. Teilchen, die später Elektronen genannt wurden. Im Jahr 1911 verstarb E. Rutherford Alphateilchen aus der Natur radioaktiv. Quelle durch dünne Folienzersetzung. Substanzen, kam zu dem Schluss, dass er setzen würde. Die Ladung in Atomen ist in kompakten Formationen – Kernen – konzentriert, und 1919 entdeckte er Protonen – Teilchen mit einer positiven Einheit – unter den aus Atomkernen herausgeschlagenen Teilchen. Ladung und Masse sind 1840-mal größer als die Masse des Elektrons. Ein weiteres Teilchen, das Teil des Kerns ist, das Neutron, wurde 1932 von J. Chadwick entdeckt, als er die Wechselwirkung von Alphateilchen mit Beryllium untersuchte. Ein Neutron hat eine Masse, die der Masse eines Protons nahekommt, aber keine Elektrizität besitzt. Aufladung. Die Entdeckung des Neutrons vervollständigte die Identifizierung von Teilchen, die die Strukturelemente von Atomen und ihren Kernen darstellen.

Schlussfolgerung über die Existenz eines elektromagnetischen Teilchens. Felder - das Photon - stammt aus der Arbeit von M. Planck (M. Planck, 1900). Um eine korrekte Beschreibung des Strahlungsspektrums eines absolut schwarzen Körpers zu erhalten, musste Planck annehmen, dass die Strahlungsenergie in Teile zerlegt ist. Portionen (Quanten). A. Einstein entwickelte Plancks Idee weiter und schlug 1905 vor, dass el-magn. Strahlung ist ein Fluss von Quanten (Photonen) und erklärte auf dieser Grundlage die Gesetze des photoelektrischen Effekts. Direkte Experimente. Beweise für die Existenz des Photons wurden 1912–1915 von R. Millikan bei der Untersuchung des photoelektrischen Effekts und von A. Compton 1922 bei der Untersuchung der Streuung von Gammaquanten durch Elektronen erbracht (siehe. Compton-Effekt).

Die Idee der Existenz eines Neutrinos, eines Teilchens, das äußerst schwach mit Materie wechselwirkt, stammt von W. Pauli (W. Pauli, 1930), der darauf hinwies, dass eine solche Hypothese Schwierigkeiten mit dem Energieerhaltungssatz beseitigt die Beta-Zerfallsprozesse von Radioaktiven. Kerne. Die Existenz von Neutrinos wurde experimentell durch die Untersuchung des Umkehrprozesses bestätigt Beta-Zerfall erst 1956 [F. F. Reines und C. Cowan].

Von den 30er Jahren bis zu den Anfängen. 50er Jahre die Studie von E. h. war eng mit der Studie verbunden kosmische Strahlung. Im Jahr 1932 im Rahmen der Weltraummission. Strahlen von C. Anderson wurde entdeckt Positron(e +) - ein Teilchen mit der Masse eines Elektrons, aber mit einem positiven elektrischen Wert. Aufladung. Das Positron wurde als erstes entdeckt Antiteilchen. Die Existenz des Positrons ergibt sich direkt aus der relativistischen Theorie des Elektrons, die P. Dirac 1928–31 kurz vor der Entdeckung des Positrons entwickelte. 1936 entdeckten Anderson und S. Neddermeyer bei der Erforschung des Weltraums. Strahlen, Myonen (beides Zeichen elektrischer Ladung) sind Teilchen mit einer Masse von etwa 200 Massen eines Elektrons, ansonsten aber in ihren Eigenschaften überraschend ähnlich.

1947 auch im Weltraum. Strahlen von S. Powells Gruppe wurden entdeckt p + - und p-Mesonen mit einer Masse von 274 Elektronenmassen, die eine wichtige Rolle bei der Wechselwirkung von Protonen mit Neutronen in Kernen spielen. Die Existenz solcher Teilchen wurde 1935 von H. Yukawa vorgeschlagen.

Con. 40er-früh 50er Jahre waren geprägt von der Entdeckung einer großen Gruppe von Teilchen mit ungewöhnlichen Eigenschaften, genannt. "seltsam". Die ersten Teilchen dieser Gruppe – K + und K – Mesonen, L-Hyperonen – wurden im Weltraum entdeckt. Strahlen wurden später seltsame Teilchen entdeckt Beschleuniger für geladene Teilchen- Anlagen, die intensive Ströme hochenergetischer Protonen und Elektronen erzeugen. Wenn beschleunigte Protonen und Elektronen mit Materie kollidieren, entstehen neue Elektronenteilchen, die dann mit komplexen Detektoren erfasst werden.

Von Anfang an 50er Jahre Beschleuniger sind zum wichtigsten geworden Werkzeug zum Lernen von E. h. In den 90er Jahren. Max. Die Energien der an Beschleunigern beschleunigten Teilchen betrugen Hunderte Milliarden Elektronenvolt (GeV), und der Prozess der Energieerhöhung geht weiter. Der Wunsch, die Energien beschleunigter Teilchen zu erhöhen, beruht auf der Tatsache, dass dieser Weg Möglichkeiten zur Untersuchung der Struktur der Materie in kürzeren Entfernungen eröffnet, je höher die Energie kollidierender Teilchen ist, sowie die Möglichkeit der Entstehung immer schwererer Teilchen . Beschleuniger haben die Geschwindigkeit der Gewinnung neuer Daten erheblich erhöht kurzfristig unser Wissen über die Eigenschaften der Mikrowelt erweitert und bereichert.

Die Inbetriebnahme von Protonenbeschleunigern mit Energien von Milliarden eV ermöglichte die Entdeckung schwerer Antiteilchen: Antiproton (1955), Antineutron(1956), Anti-Sigmagi-Peron (1960). 1964 wurde das schwerste Teilchen aus der Gruppe der Hyperonen – W – (mit einer Masse von etwa der doppelten Masse eines Protons) entdeckt.

Seit den 60er Jahren. Mit Hilfe von Beschleunigern wurde eine große Anzahl extrem instabiler (im Vergleich zu anderen instabilen Elektronenteilchen) Teilchen, sogenannter Teilchen, identifiziert. Resonanzen. Die meisten Massen übersteigen die Masse eines Protons. [Der erste von ihnen, D (1232), der in ein p-Meson und ein Nukleon zerfällt, ist seit 1953 bekannt.] Es stellte sich heraus, dass Resonanzen die Hauptkomponente sind. Teil von E. h.

Im Jahr 1974 wurden massive (3-4 Protonenmassen) und gleichzeitig relativ stabile Psi-Teilchen entdeckt, deren Lebensdauer etwa 10 3 mal länger ist als die typische Lebensdauer von Resonanzen. Es stellte sich heraus, dass sie eng mit der neuen Familie der E.-Charmed-Partikel verwandt waren, deren erste Vertreter (D-Mesonen, L Mit-Baryonen) wurden 1976 entdeckt.

Im Jahr 1977 wurden noch schwerere (etwa 10 Protonenmassen) Upsilon-Teilchen sowie Psi-Teilchen entdeckt, die für Teilchen mit so großen Massen ungewöhnlich stabil waren. Sie kündigten die Existenz einer weiteren ungewöhnlichen Familie lieblicher oder wunderschöner Teilchen an. Seine Vertreter – B-Mesonen – wurden 1981-83 entdeckt, L B-Baryonen - im Jahr 1992.

1962 wurde festgestellt, dass es in der Natur nicht nur eine Art von Neutrino gibt, sondern mindestens zwei: Elektronen v e und Myon v M. 1975 wurde das t-Lepton entdeckt, ein Teilchen, das fast zweimal schwerer als das Proton ist, aber ansonsten die Eigenschaften von Elektron und Myon nachahmt. Es wurde schnell klar, dass damit eine andere Art von Neutrino verbunden war v T.

Schließlich wurden 1983 bei Experimenten am Proton-Antiproton-Kollider (einer Anlage zur Durchführung kollidierender Strahlen beschleunigter Teilchen) die schwersten bekannten Elektronenteilchen entdeckt: geladene Zwischenbosonen W b (m W 80 GeV) und ein neutrales Zwischenboson Z 0 (m Z = 91 GeV).

So wurde in fast 100 Jahren seit der Entdeckung des Elektrons eine Vielzahl verschiedener Mikroteilchen der Materie entdeckt. Die Welt von E. h. erwies sich als recht komplex. Unerwartet im Plural. Beziehungen erwiesen sich als Eigenschaften der entdeckten E.-Teile. Um sie zusätzlich zu den aus dem Klassiker entlehnten Merkmalen zu beschreiben. Physik, wie zum Beispiel Elektrik Ladung, Masse, Drehimpuls, es war notwendig, viele neue Besonderheiten einzuführen. Eigenschaften, insbesondere zur Beschreibung seltsamer, verzauberter und bezaubernder (schöner) E. h.- Seltsamkeit[ZU. Nishijima (K. Nishijima), M. Gell-Mann (M. Gell-Mann), 1953], Charme[J. Bjorken (J. Bjorken), Sh. Glashow (Sh. Glashow), 1964], Schönheit. Die Namen der angegebenen Merkmale spiegeln bereits die Außergewöhnlichkeit der von ihnen beschriebenen Eigenschaften wider.

Studieren intern Die Struktur der Materie und die Eigenschaften der Elektronen gingen von ihren ersten Schritten an mit einer radikalen Überarbeitung vieler etablierter Konzepte und Ideen einher. Es stellte sich heraus, dass die Gesetze, die das Verhalten der Materie im Kleinen regeln, sich stark von den klassischen Gesetzen unterschieden. Mechanik und dass sie zu ihrer Beschreibung völlig neue theoretische Theorien benötigten. Konstruktionen. Solche neuen Theorien waren zunächst einmal besonders (speziell) Relativitätstheorie(Einstein, 1905) und Quantenmechanik(H. Bohr, L. de Broglie, W. Heisenberg, E. Schrödinger, M. Born; 1924-27). Die Relativitätstheorie und die Quantenmechanik markierten eine wahre Revolution in der Naturwissenschaft und legten den Grundstein für die Beschreibung der Phänomene der Mikrowelt. Es erwies sich jedoch als unzureichend, um die bei E. h. ablaufenden Prozesse zu beschreiben. Der nächste Schritt war erforderlich – die Quantisierung der Klassik. Felder (sog Sekundärquantisierung) und Entwicklung Quantenfeldtheorie. Die wichtigsten Etappen auf dem Weg seiner Entwicklung waren: Formulierung Quantenelektrodynamik(Dirac, 1929), Quantentheorie des Betazerfalls [E. Fermi (E. Fermi), 1934] – Vorläufer der Moderne. Phänomenologische Theorie schwacher Wechselwirkungen, Quantenmesodynamik (X. Yukawa, 1935). Dieser Zeitraum endete mit der Schaffung einer Nachfolge. werde berechnen. Apparat der Quantenelektrodynamik [S. Tomona-ga (S. Tomonaga), P. Feynman (R. Feynman), J. Schwinger (J. Schwinger); 1944-49], basierend auf dem Einsatz von Technologie Renormalisierung Diese Technik wurde später auf andere Varianten der Quantenfeldtheorie verallgemeinert.

Ein bedeutender Schritt in der weiteren Entwicklung der Quantenfeldtheorie war mit der Entwicklung von Ideen über das sogenannte verbunden. Kalibrierungsfelder oder Young - Mills-Felder(C. Young, P. Mills, 1954), was es ermöglichte, die Beziehung zwischen Eigenschaften herzustellen Symmetrie Interaktionen mit Feldern. Die Quantentheorie der Eichfelder stellt derzeit die Grundlage für die Beschreibung der Wechselwirkungen von Elektronenteilchen dar. Diese Theorie hat eine Reihe ernsthafter Erfolge vorzuweisen, ist aber noch lange nicht abgeschlossen und kann noch nicht den Anspruch erheben, eine umfassende Theorie der Elektronenteilchen zu sein. Mehr Möglicherweise sind mehr als eine Umstrukturierung aller Ideen und ein viel tieferes Verständnis der Beziehung zwischen den Eigenschaften von Mikropartikeln und den Eigenschaften der Raumzeit erforderlich, bevor eine solche Theorie aufgestellt wird.

Grundlegende Eigenschaften von Elementarteilchen. Interaktionsklassen

Alle E. h sind Objekte von außergewöhnlich geringer Masse und Größe. Bei den meisten von ihnen liegen die Massen m in der Größenordnung der Protonenmasse und betragen 1,6·10 -24 g (nur die Elektronenmasse ist deutlich kleiner: 9·10 -28 g). Die experimentell ermittelten Größen der Protonen, Neutronen, p- und K-Mesonen liegen in der Größenordnung von 10 -13 cm (vgl. „Größe“ eines Elementarteilchens). Die Größe von Elektron und Myon konnte nicht bestimmt werden, es ist nur bekannt, dass sie weniger als 10 -16 cm betragen. Mikroskopisch. Die Massen und Abmessungen von Elektronenteilchen liegen der Quantenspezifität ihres Verhaltens zugrunde. Charakteristisch Wellenlängen, was in der Quantentheorie E.-Teilchen zugeschrieben werden sollte (= /tc-Compton-Wellenlänge), in der Größenordnung nahe an den typischen Größen, bei denen ihre Wechselwirkung auftritt (zum Beispiel für das p-Meson). /ts 1,4 10 -13 cm). Dies führt dazu, dass Quantengesetze entscheidend für das Verhalten von Elektronenteilchen sind.

Naib. Eine wichtige Quanteneigenschaft aller Elektronen ist ihre Fähigkeit, bei der Wechselwirkung mit anderen Teilchen erzeugt und zerstört (emittiert und absorbiert) zu werden. In dieser Hinsicht sind sie völlig analog zu Photonen. E. h. ist spezifisch. Quanten der Materie, genauer gesagt - Quanten des Entsprechenden physikalische Felder. Alle Prozesse, an denen Elektronenteilchen beteiligt sind, durchlaufen eine Abfolge von Absorptions- und Emissionsvorgängen. Nur auf dieser Grundlage kann man beispielsweise den Prozess der Entstehung eines p + -Mesons beim Zusammenstoß zweier Protonen (p+pp+ n + p +) oder den Prozess eines Elektrons und eines Positrons verstehen, wenn statt Teilchen verschwinden , zum Beispiel erscheinen zwei g-Quanten (e + +e - g+ g). Aber auch die Prozesse der elastischen Streuung von Teilchen beispielsweise. e - +p- > e - + p, sind auch mit der Absorption des Anfangs verbunden. Teilchen und die Geburt endgültiger Teilchen. Der Zerfall instabiler Elektronenteilchen in leichtere Teilchen, begleitet von der Freisetzung von Energie, folgt dem gleichen Muster und ist ein Prozess, bei dem Zerfallsprodukte im Moment des Zerfalls selbst entstehen und bis zu diesem Moment nicht existieren. In dieser Hinsicht ähnelt der Zerfall eines Elektrons dem Zerfall eines angeregten Atoms in eine Base. Zustand und Photon. Beispiele für Zerfälle von Elektronenteilchen sind (das „Tilde“-Zeichen über dem Teilchensymbol entspricht hier und im Folgenden dem Antiteilchen).

Diff. Prozesse mit Elektronenteilchen bei relativ niedrigen Energien [bis zu 10 GeV im Schwerpunktsystem (cm)] unterscheiden sich deutlich in der Intensität ihres Auftretens. Dementsprechend lassen sich die Wechselwirkungen der sie erzeugenden E.-Partikel phänomenologisch in mehrere einteilen. Klassen: starke Kraft, elektromagnetische Kraft Und schwache Interaktion Alle E. h. haben zusätzlich Gravitationswechselwirkung.

Unter starker Wechselwirkung versteht man die Wechselwirkung, die für Prozesse unter Beteiligung von Elektronenteilchen verantwortlich ist, die im Vergleich zu anderen Prozessen mit der größten Intensität ablaufen. Es führt zur stärksten Bindung des Elektronenelements. Es ist die starke Wechselwirkung, die die Bindung von Protonen und Neutronen in den Atomkernen bestimmt und für den Ausschluss sorgt. die Stärke dieser Formationen, die der Stabilität der Materie unter terrestrischen Bedingungen zugrunde liegt.

El-magn. Interaktion wird als Interaktion bezeichnet, deren Grundlage die Verbindung mit dem elektrischen Magneten ist. Feld. Die dadurch verursachten Prozesse sind weniger intensiv als die Prozesse der starken Wechselwirkung und die Verbindung zwischen den dadurch erzeugten Elektronenkräften ist deutlich schwächer. El-magn. Insbesondere die Wechselwirkung ist für die Prozesse der Photonenemission, für die Verbindung von Atomelektronen mit Kernen und die Verbindung von Atomen in Molekülen verantwortlich.

Wie der Name schon sagt, beeinflusst die schwache Wechselwirkung das Verhalten von Elektronenteilchen nur schwach oder verursacht sehr langsam ablaufende Prozesse der Zustandsänderung. Diese Aussage kann beispielsweise durch die Tatsache veranschaulicht werden, dass Neutrinos, die nur an schwachen Wechselwirkungen teilnehmen, beispielsweise die Dicke der Erde und der Sonne ungehindert durchdringen. Die schwache Wechselwirkung ist für den relativ langsamen Zerfall der sogenannten verantwortlich. quasistabile Elektronenteilchen. Die Lebensdauern dieser Teilchen liegen in der Regel im Bereich von 10 -8 -10 -12 s, während typische Übergangszeiten für die starke Wechselwirkung von Elektronenteilchen bei 10 -23 s liegen.

Schwere Wechselwirkungen, die für ihre makroskopische Natur bekannt sind. Im Fall von E.-Partikeln führen die Manifestationen aufgrund der extrem geringen Masse ihrer Massen in charakteristischen Abständen von ~10–13 cm zu außergewöhnlich geringen Auswirkungen. Auf sie wird nicht weiter eingegangen (mit Ausnahme von Abschnitt 7).

„Stärke“-Dekomp. Klassen von Wechselwirkungen können näherungsweise durch dimensionslose Parameter charakterisiert werden, die den Quadraten der entsprechenden Wechselwirkungen zugeordnet sind Interaktionskonstanten. Für stark, elektromagnetisch, schwach und gravitativ. Wechselwirkungen von Protonen bei Prozessenergien von ~ 1 GeV BC. C. m. Diese Parameter korrelieren mit 1:10 -2:10 -10:10 -38. Die Notwendigkeit der Angabe vgl. Energie des Prozesses ist mit der Tatsache verbunden, dass in phänomenologischen. In der Theorie der schwachen Wechselwirkung hängt der dimensionslose Parameter von der Energie ab. Außerdem die Intensität der Zersetzung Prozesse hängen sehr unterschiedlich von der Energie ab, und die phänomenologische Theorie der schwachen Wechselwirkung bei hohen Energien M W im Dorf C. m. hört auf, fair zu sein. All dies führt zu dem, was sich darauf bezieht. Rollenunterschied Wechselwirkungen ändern sich im Allgemeinen mit zunehmender Energie wechselwirkender Teilchen, und die Einteilung der Wechselwirkungen in Klassen, basierend auf einem Vergleich der Intensitäten von Prozessen, erfolgt zuverlässig bei nicht zu hohen Energien.

Nach modernen Ideen, bei höheren Energien M W(d. h. 80 GeV in cm) schwach und elektromagnetisch. Interaktionen werden in ihrer Stärke verglichen und wirken als Manifestation eines Einzelnen Elektroschwache Wechselwirkung. Es wurde auch eine attraktive Annahme über die mögliche Übereinstimmung der Konstanten aller drei Arten von Wechselwirkungen, einschließlich der starken, bei ultrahohen Energien über 10 16 GeV aufgestellt (das sogenannte Modell). Große Vereinigung).

Abhängig von ihrer Beteiligung an bestimmten Arten von Wechselwirkungen können alle untersuchten Elektronenteilchen mit Ausnahme des Photons W- und Z-Bosonen werden in zwei Hauptbosonen unterteilt. Gruppen: Hadronen Und Leptonen. Hadronen zeichnen sich vor allem dadurch aus, dass sie neben der elektromagnetischen und schwachen Wechselwirkung auch an der starken Wechselwirkung teilnehmen, während Leptonen nur an der elektromagnetischen und schwachen Wechselwirkung teilnehmen. (Das Vorhandensein einer Gravitationswechselwirkung, die beiden Gruppen gemeinsam ist, wird impliziert.) Die Hadronenmassen liegen größenordnungsmäßig nahe an der Protonenmasse ( T R ) , manchmal um mehrere überschreiten. einmal; Mindest. Das p-Meson hat unter den Hadronen Masse: T S. 1 / 7 M P , . Die vor 1975–76 bekannten Leptonenmassen waren gering (0,1). M p) - daher ihr Name. Neuere Daten deuten jedoch auf die Existenz schwerer T-Leptonen mit einer Masse von ca. zwei Protonenmassen.

Hadronen stellen die umfangreichste Gruppe bekannter Elektronenteilchen dar. Sie umfassen alle Baryonen und Mesonen sowie die sogenannten. Resonanzen (d. h. die meisten der genannten 350 E.-Stunden). Wie bereits erwähnt, haben diese Teilchen eine komplexe Struktur und können tatsächlich nicht als elementar angesehen werden. Leptonen werden durch drei geladene (e, m, m) und drei neutrale Teilchen ( v e, v M, v T). Photon, W + und Z 0 -Bosonen bilden zusammen eine wichtige Gruppe von Eichbosonen, die die Übertragung der elektronenschwachen Wechselwirkung durchführen. Die Elementarität der Teilchen dieser beiden letzten Gruppen wurde bisher nicht ernsthaft angezweifelt.

Eigenschaften von Elementarteilchen

Jedes Element wird zusammen mit der Spezifität seiner inhärenten Wechselwirkungen durch eine Reihe diskreter Werte der Definition beschrieben. körperlich Mengen oder deren Eigenschaften. In einigen Fällen werden diese diskreten Werte durch ganze oder gebrochene Zahlen und einen bestimmten gemeinsamen Faktor – eine Maßeinheit – ausgedrückt; Diese Zahlen werden als bezeichnet Quantenzahlen E. h. und stellen Sie nur diese ein und lassen Sie die Maßeinheiten weg.

Allgemeine Eigenschaften aller E. h - Masse ( T), Lebensdauer (t), Spin ( J) und elektrisch Aufladung ( Q).

Abhängig von der Lebensdauer werden Elektronenteilchen in stabile, quasistabile und instabile (Resonanzen) unterteilt. Stabil im Rahmen moderner Genauigkeit. Messungen sind Elektron (t>2 · 10 22 Jahre), Proton (t>5 · 10 32 Jahre), Photon und alle Arten von Neutrinos. Zu den quasistabilen Partikeln gehören Partikel, die aufgrund des elektrischen Magnetismus zerfallen. und schwache Wechselwirkungen. Ihre Lebensdauer reicht von 900 s für ein freies Neutron bis zu 10 -20 s für ein S 0 -Hyperon. Resonanzen werden genannt Elektronenteilchen, die aufgrund starker Wechselwirkungen zerfallen. Ihre charakteristische Lebensdauer beträgt 10 -22 -10 -24 s. In der Tabelle 1 sind sie mit * gekennzeichnet und anstelle von m wird ein bequemerer Wert angegeben: Resonanzbreite Г=/т.

Spin E. h. J ist ein ganzzahliges oder halbzahliges Vielfaches des Werts. In diesen Einheiten ist der Spin von p- und K-Mesonen 0, für das Proton, das Neutron und alle Leptonen J= 1/2, am Photon, Wb- und Z-Bosonen J= 1. Es gibt Teilchen mit hohem Spin. Die Größe des Spins eines Elektronenteilchens bestimmt das Verhalten eines Ensembles identischer (identischer) Teilchen oder deren Statistiken (Pauli, 1940). Die Teilchen des halbzahligen Spins gehorchen Fermi-Dirac-Statistik(daher der Name Fermionen), was eine Antisymmetrie der Wellenfunktion des Systems in Bezug auf die Permutation eines Teilchenpaares (oder einer ungeraden Anzahl solcher Permutationen) erfordert und daher zwei Teilchen mit halbzahligem Spin „verbietet“. aus dem gleichen Zustand ( Paulis Prinzip). Teilchen des gesamten Spins gehorchen Baze – Einstein-Statistiken(daher der Name Bosonen), der eine Wellenfunktion in Bezug auf Permutationen von Teilchen erfordert und es ermöglicht, dass sich eine beliebige Anzahl von Teilchen eines ganzen Spins im gleichen Zustand befindet. Statistisch Die Eigenschaften von E.-Partikeln erweisen sich dann als bedeutsam, wenn bei der Geburt oder beim Zerfall mehrere Partikel entstehen. identische Teilchen.

Hinweis: Partikel sind links mit * gekennzeichnet (in der Regel Resonanzen), für die statt der Zeit Lebensdauer t ist die Breite Г=/t gegeben. Wirklich neutralDiese Partikel werden in der Mitte zwischen den Partikeln platziert und Antiteilchen. Mitglieder eines IsotopenmultisZöpfe befinden sich auf einer Linie (in diesen Fällen)., wenn die Eigenschaften jedes Mitglieds der Multi bekannt sindGeflecht - mit leichter vertikaler Verschiebung). Izmefehlendes Paritätszeichen P für Antibaryonen ist nicht angegeben, gleichaber wie wechselnde Zeichen S, C, geb Ihr seid alle Antiteilchen. Für Leptonen und Zwischenbosonen gilt das Innere Parität ist kein exaktes (erhaltendes) QuantumNummer und daher nicht angegeben. Zahlen in Klammern Am Ende bezeichnen sie die angegebenen physikalischen Größen bestehender Fehler in der Bedeutung dieser Größen, bezogen auf die letzte der angegebenen Zahlen.

Elektrisch die Ladungen der untersuchten Elektronenteilchen (außer ) sind ganzzahlige Vielfache von e= 1,6 · 10 -19 C (4,8 · 10 -10 CGS), genannt. elementare elektrische Ladung. In bekannten E. h. Q = 0, + 1, b2.

Zusätzlich zu den angegebenen Größen werden Elektronenteilchen zusätzlich durch eine Reihe von Quantenzahlen charakterisiert, genannt. „intern“. Leptonen tragen spezifische Leptonenzahl (L)drei Typen: elektronisch L e, gleich +1 für e - Und v e, Myon L m gleich +1 für m - und v m, und L t gleich +1 für t - und v T.

Für Hadronen L= 0, und dies ist ein weiterer Ausdruck ihres Unterschieds zu Leptonen. Das bedeutet wiederum. Teile von Hadronen sind den sogenannten zuzuordnen. Baryonenzahl B (|B| = ICH ) . Hadronen mit B=+ 1 bilden eine Untergruppe von Baryonen (dazu gehören Protonen, Neutronen, Hyperonen; bezaubernde und schöne Baryonen; Baryonenresonanzen) und Hadronen mit B= 0 – eine Untergruppe von Mesonen (p-Mesonen, K-Mesonen, bezauberte und bezauberte Mesonen, bosonische Resonanzen). Name Untergruppen von Hadronen stammen aus dem Griechischen. Wörter baruV – schwer und mEsоV – mittel, was am Anfang steht. Stand der Forschung E. h. reflektierter Vergleich. die Massenwerte der damals bekannten Baryonen und Mesonen. Spätere Daten zeigten, dass die Massen von Baryonen und Mesonen vergleichbar sind. Für Leptonen B=0. Für ein Photon, Wb- und Z-Bosonen B= 0 und L= 0.

Die untersuchten Baryonen und Mesonen werden in die bereits erwähnten Aggregate unterteilt: gewöhnliche (nicht seltsame) Teilchen (Proton, Neutron, p-Mesonen), seltsame Teilchen (Hyperonen, K-Mesonen), bezauberte und bezauberte Teilchen. Diese Aufteilung entspricht dem Vorhandensein spezieller Quantenzahlen in Hadronen: Fremdheit S, Charms C und Charms (Schönheit) B mit akzeptablen Werten (Modulo) 0, 1, 2, 3. Für gewöhnliche Teilchen S=C= B=0, für seltsame Teilchen S 0,C= B= 0, für verzauberte Teilchen C0, B= 0, und für die Lieben B O. Neben diesen Quantenzahlen wird häufig auch die Quantenzahl verwendet Hyperladung Y=B+S+C + b, das offenbar über mehr Mittel verfügt. Bedeutung.

Bereits die ersten Untersuchungen gewöhnlicher Hadronen zeigten das Vorhandensein von Teilchenfamilien mit ähnlicher Masse und sehr ähnlichen Eigenschaften in Bezug auf die starke Wechselwirkung, jedoch mit unterschiedlichen Eigenschaften. elektrische Werte Aufladung. Das Proton und das Neutron (Nukleonen) waren das erste Beispiel einer solchen Familie. Solche Familien wurden später unter den seltsamen, verzauberten und liebenswerten Hadronen entdeckt. Die Gemeinsamkeit der Eigenschaften von Teilchen, die in solchen Familien enthalten sind, spiegelt die Existenz derselben Quantenzahl in ihnen wider – Isotopenspin I, der wie ein gewöhnlicher Spin ganzzahlige und halbzahlige Werte akzeptiert. In der Regel werden die Familien selbst angerufen Isotopenmultipletts. Anzahl der Teilchen in einem Multiplett N verbunden mit ICH Verhältnis N = 2ICH+1. Teilchen desselben Isotops Multipletts unterscheiden sich voneinander im Wert der „Projektion“ des Isotops. zurück ICH 3 und entsprechende Werte Q sind durch den Ausdruck gegeben

Ein wichtiges Merkmal von Hadronen ist interne Parität P, verbunden mit der Bedienung von Räumen. Umkehrungen: P nimmt Werte an + 1.

Für alle Elektronenzahlen mit von Null verschiedenen Werten mindestens einer der Quantenzahlen Q, L, B, S, C, b Es gibt Antiteilchen mit gleichen Massenwerten T, Lebensdauer t, Spin J und für Hadronen isotopisch. zurück ICH, aber mit entgegengesetzten Vorzeichen der angegebenen Quantenzahlen, und für Baryonen mit umgekehrtem Vorzeichen intern. Parität R. Teilchen, die keine Antiteilchen haben, nennt man. echte neutrale Teilchen. Wirklich neutrale Hadronen haben besondere Eigenschaften. - Ladungsparität(d. h. Parität in Bezug auf die Ladungskonjugationsoperation) C mit Werten + 1; Beispiele für solche Teilchen sind p 0 - und h-Mesonen (C = +1), r 0 - und f-Mesonen (C = -1) usw.

Quantenzahlen von E.-Teilchen werden in präzise unterteilt (d. h. solche, für die die entsprechenden physikalischen Größen in einer Reihe von Prozessen nicht erhalten bleiben). Drehen J unterliegt einem strengen Erhaltungssatz und ist daher eine exakte Quantenzahl. Eine andere exakte Quantenzahl ist elektrisch. Aufladung Q. Im Rahmen der Genauigkeit der Messungen bleiben auch Quantenzahlen erhalten B Und L, obwohl es hierzu keine ernsthaften theoretischen Theorien gibt. Voraussetzungen. Darüber hinaus ist das beobachtete Baryonenasymmetrie des Universums max. kann natürlich unter der Annahme einer Verletzung der Baryonenzahlerhaltung interpretiert werden IN(A.D. Sacharow, 1967). Dennoch ist die beobachtete Stabilität des Protons ein Spiegelbild hochgradig Erhaltungsgenauigkeit B Und L(Nein, zum Beispiel Zerfall pe + + p 0). Die Zerfälle m - e - +g, m - m - +g usw. werden ebenfalls nicht beobachtet. Allerdings sind die meisten Hadronenquantenzahlen ungenau. Isotopisch Während der Spin bei der starken Wechselwirkung erhalten bleibt, bleibt er bei der El-Magn-Wechselwirkung nicht erhalten. und schwache Wechselwirkungen. Fremdartigkeit, Charme und Charme bleiben im Starken und El-Magnetischen erhalten. Wechselwirkungen, bleiben jedoch bei schwachen Wechselwirkungen nicht erhalten. Die schwache Wechselwirkung verändert auch das Innere und Ladungsparität der Menge der am Prozess beteiligten Teilchen. Die kombinierte Parität bleibt mit einem viel höheren Maß an Genauigkeit erhalten CP (CP-Parität) Es wird jedoch auch bei bestimmten Prozessen verletzt, die durch verursacht werden. Gründe, warum Pluralformen nicht erhalten bleiben. Die Quantenzahlen der Hadronen sind nicht klar und hängen offenbar sowohl mit der Natur dieser Quantenzahlen als auch mit der Tiefenstruktur der schwachen Wechselwirkung zusammen.

In der Tabelle 1 zeigt das Maximum gut untersuchte Elektronenteilchen aus Gruppen von Leptonen und Hadronen und ihre Quantenzahlen. Im Besonderen Gruppe werden Eichbosonen identifiziert. Teilchen und Antiteilchen werden getrennt angegeben (Änderung P nicht für Antibaryonen angezeigt). Echte Neutralteilchen werden in der Mitte der ersten Spalte platziert. Mitglieder eines Isotops Multipletts befinden sich in einer Zeile, manchmal mit einem leichten Versatz (in Fällen, in denen die Eigenschaften jedes Mitglieds des Multipletts angegeben sind).

Wie bereits erwähnt, ist die Gruppe der Leptonen sehr klein und die Teilchenmasse groß. klein. Es gibt recht strenge Obergrenzen für die Massen aller Arten von Neutrinos, aber was ihre wahren Werte sind, bleibt abzuwarten.

Basic Ein Teil der Elektronenteilchen sind Hadronen. Ein Anstieg der Zahl bekannter E. h. in den 60-70er Jahren. Dies geschah ausschließlich aufgrund der Erweiterung dieser Gruppe. Hadronen werden meist durch Resonanzen dargestellt. Bemerkenswert ist die Tendenz des Spins, mit zunehmender Resonanzmasse zuzunehmen; es ist in verschiedenen Richtungen deutlich zu erkennen. Gruppen von Mesonen und Baryonen mit gegeben ICH, S und C. Es sollte auch beachtet werden, dass seltsame Partikel etwas massereicher sind als normale Partikel, verzauberte Partikel massereicher sind als seltsame Partikel und bezaubernde Partikel massereicher sind als verzauberte Partikel.

Klassifizierung von Elementarteilchen. Quark-Modell von Hadronen

Wenn die Klassifizierung von Eichbosonen und Leptonen keine besonderen Probleme bereitet, dann ist eine große Anzahl von Hadronen bereits am Anfang. 50er Jahre war die Grundlage für die Suche nach Mustern in der Massen- und Quantenzahlverteilung von Baryonen und Mesonen, die die Grundlage für deren Klassifizierung bilden könnten. Isotopenauswahl Hadronen-Multipletts war der erste Schritt auf diesem Weg. Mit Mathe. Gesichtspunkt, Gruppierung von Hadronen in Isotope. Multipletts spiegeln das Vorhandensein von Symmetrie in der damit verbundenen starken Wechselwirkung wider Gruppenrotation, formeller, mit einer einheitlichen Gruppe S.U.(2) – eine Gruppe von Transformationen in einem komplexen zweidimensionalen Raum [siehe. Symmetrie SU ( 2 )] . Es wird angenommen, dass diese Transformationen auf eine bestimmte Weise wirken. intern Raum - sog Isotop Raum anders als normal. Existenz von Isotopen Der Raum manifestiert sich nur in den beobachtbaren Eigenschaften der Symmetrie. Auf Mathe. Isotopensprache Multipletts sind irreduzibel Gruppenbeiträge Symmetrie S.U. (2).

Das Konzept der Symmetrie als Faktor, der die Existenz verschiedener Faktoren bestimmt. Gruppen und Familien von E. h. in der Moderne. Theorie, dominiert bei der Klassifizierung von Hadronen und anderen Elektronenteilchen. Es wird angenommen, dass das Innere. Quantenzahlen von Elektronenteilchen, die es ermöglichen, bestimmte Teilchengruppen zusammenzufassen, sind mit einer besonderen Bedeutung verbunden. Arten von Symmetrien, die durch die Freiheit der Transformation in spezielle innere Symmetrien entstehen. Räume. Daher kommt auch der Name. „innere Quantenzahlen“.

Eine sorgfältige Untersuchung zeigt, dass seltsame und gewöhnliche Hadronen zusammen breitere Assoziationen von Teilchen mit ähnlichen Eigenschaften bilden als isotopische. Multipletts. Sie werden normalerweise aufgerufen Supermultiplets. Die Anzahl der in den beobachteten Supermultiplets enthaltenen Teilchen beträgt 8 und 10. Unter dem Gesichtspunkt der Symmetrie wird die Entstehung von Supermultiplets als Manifestation der Existenz einer Symmetriegruppe für die starke Wechselwirkung interpretiert, die über die Gruppe hinausgeht SU( 2) , nämlich die Einheitsgruppe S.U.(3) – Transformationsgruppen im dreidimensionalen komplexen Raum [Gell-Man, Y. Neeman, 1961]; cm. SU(3)-Symmetrie. Die entsprechende Symmetrie heißt einheitliche Symmetrie. Gruppe S.U.(3) hat insbesondere irreduzible Darstellungen mit der Anzahl der Komponenten 8 und 10, die mit den beobachtbaren Supermultiplets Oktett und Dekuplett verglichen werden können. Beispiele für Supermultiplets sind die folgenden Gruppen von Teilchen mit gleichen Werten JP(d. h. mit den gleichen Wertepaaren J Und P):

Die Einheitssymmetrie ist weniger genau als die Isotopensymmetrie. Symmetrie. Dementsprechend ist der Unterschied in der Masse der in Oktetten und Dekuplets enthaltenen Teilchen recht groß. Aus dem gleichen Grund ist die Aufteilung von Hadronen in Supermultiplets für Elektronenteilchen mit nicht sehr großen Massen relativ einfach. Bei großen Massen, wenn es viele verschiedene Typen gibt. Bei Teilchen mit ähnlicher Masse ist diese Einteilung schwieriger umzusetzen.

Nachweis ausgewählter Supermultiplets fester Dimensionen unter Hadronen, entsprechend der Definition. Darstellungen einer einheitlichen Gruppe S.U.(3) war der Schlüssel zur wichtigsten Schlussfolgerung über die Existenz spezieller Strukturelemente in Hadronen – Quarks.

Die Hypothese, dass beobachtete Hadronen aus Teilchen bestehen ungewöhnlicher Natur- Quarks mit Spin 1 / 2, die eine starke Wechselwirkung aufweisen, aber gleichzeitig nicht zur Klasse der Hadronen gehören, wurden 1964 von G. Zweig und unabhängig davon von Gell-Mann vorgeschlagen (siehe. Quark-Modelle). Die Idee der Quarks wurde von der Mathematik vorgeschlagen. Struktur der Darstellungen einheitlicher Gruppen. Ma-sie. Der Formalismus eröffnet die Möglichkeit, alle Darstellungen einer Gruppe zu beschreiben Sonne) (und folglich alle damit verbundenen Hadronenmultipletts) basierend auf der Multiplikation der einfachsten (fundamentalen) Darstellung der enthaltenden Gruppe N Komponente. Es ist lediglich erforderlich, die Existenz spezieller Teilchen anzunehmen, die mit diesen Komponenten verbunden sind, was Zweig und Gell-Mann für den Sonderfall der Gruppe getan haben SU( 3) . Diese Teilchen wurden Quarks genannt.

Die spezifische Quark-Zusammensetzung von Mesonen und Baryonen wurde aus der Tatsache abgeleitet, dass Mesonen in der Regel in Supermultipletts mit einer Teilchenzahl von 8 und Baryonen in 8 und 10 enthalten sind. Dieses Muster lässt sich leicht reproduzieren, wenn wir davon ausgehen, dass es sich um Mesonen handelt bestehen aus Quarks und Antiquitäten, symbolisch: M=(q) , und das Baryon besteht symbolisch aus drei Quarks: B = (qqq). Aufgrund der Eigenschaften der Gruppe S.U.(3) 9 Mesonen werden in Supermultiplets aus 1 und 8 Teilchen aufgeteilt, und 27 Baryonen werden in Supermultiplets mit 1, 10 und zweimal 8 Teilchen aufgeteilt, was die beobachtete Trennung von Oktetten und Dekupletts erklärt.

So ergaben Experimente in den 60er Jahren. Die Existenz von Supermultipletts, die aus gewöhnlichen und seltsamen Hadronen bestehen, führte zu der Schlussfolgerung, dass alle diese Hadronen aus drei Quarks bestehen, die normalerweise als bezeichnet werden u, d, s(Tabelle 2). Der gesamte damals bekannte Sachverhalt stimmte vollkommen mit diesem Vorschlag überein.

Tisch 2.-Eigenschaften von Quarks

*Vorläufige experimentelle Bewertung.

Die anschließende Entdeckung von Psi-Teilchen und dann von Upsilon-Teilchen, bezauberten und schönen Hadronen zeigte, dass drei Quarks zur Erklärung ihrer Eigenschaften nicht ausreichen und die Existenz von zwei weiteren Arten von Quarks zugeben muss C Und B, trägt neue Quantenzahlen: Charme und Schönheit. An den Grundprinzipien des Quark-Modells änderte dieser Umstand allerdings nichts. Insbesondere das Zentrum blieb erhalten. Punkt in ihrem Diagramm der Struktur von Hadronen: M=(q), B = (qqq). Darüber hinaus war es gerade auf der Grundlage der Annahme der Quarkstruktur von Psi- und Upsilonteilchen möglich, physikalische Ergebnisse zu liefern. Interpretation ihrer weitgehend ungewöhnlichen Eigenschaften.

Historisch gesehen war die Entdeckung von Psi- und Upsilon-Teilchen sowie neuer Arten von bezauberten und bezauberten Hadronen wichtige Etappe bei der Festlegung von Vorstellungen über die Quarkstruktur aller stark wechselwirkenden Teilchen. Nach modernen theoretisch Modelle (siehe unten), sollte man mit der Existenz eines weiteren - sechsten - rechnen T-Quark, das 1995 entdeckt wurde.

Die obige Quarkstruktur von Hadronen und Mathematik. Eigenschaften von Quarks als mit Fundamenten verbundene Objekte. Präsentation der Gruppe Sonne), führen zu den folgenden Quantenzahlen der Quarks (Tabelle 2). Bemerkenswert sind die ungewöhnlichen (gebrochenen) elektrischen Werte. Aufladung Q, und auch IN, kommt in keinem der untersuchten Elektronenteilchen vor. Mit Index a für jede Art von Quark q ich (ich= 1, 2, 3, 4, 5, 6) ist eine besondere Eigenschaft von Quarks damit verbunden - Farbe, was in den beobachteten Hadronen nicht vorhanden ist. Index a nimmt die Werte 1, 2, 3 an, d. h. jede Art von Quark ( q ich)in drei Sorten vertreten Q A ich. Die Quantenzahlen jeder Quarkart ändern sich nicht, wenn sich die Farbe ändert, also Tabelle. 2 gilt für Quarks jeder Farbe. Wie sich später zeigte, waren die Mengen Q a (für jeden ich), wenn sich a im Hinblick auf ihre Transformation ändert. Immobilien sollten als Bestandteile des Fonds betrachtet werden. Präsentation einer anderen Gruppe S.U.(3), Farbe, Betrieb im dreidimensionalen Farbraum [siehe. SU-Farbsymmetrie(3)].

Die Notwendigkeit, Farbe einzuführen, ergibt sich aus der Forderung nach Antisymmetrie der Wellenfunktion des Systems von Quarks, die Baryonen bilden. Quarks müssen als Teilchen mit Spin 1/2 der Fermi-Dirac-Statistik gehorchen. Mittlerweile gibt es Baryonen, die aus drei identischen Quarks mit gleicher Spinorientierung bestehen: D++(), W-(), die eindeutig symmetrisch in Bezug auf die Permutationen der Quarks sind, wenn diese keine Komplementarität aufweisen. Freiheitsgrad. Dies wird ergänzen. Der Freiheitsgrad ist die Farbe. Unter Berücksichtigung der Farbe lässt sich die erforderliche Antisymmetrie leicht wiederherstellen. Die verfeinerten Parameter der strukturellen Zusammensetzung von Mesonen und Baryonen sehen folgendermaßen aus:

wobei e abg ein vollständig antisymmetrischer Tensor ist ( Levi-Chi-Vita-Symbol)(1/ 1/ -Normalisierungsfaktoren). Es ist wichtig zu beachten, dass weder Mesonen noch Baryonen Farbindizes tragen (keine Farbe haben) und, wie manchmal gesagt wird, „weiße“ Teilchen sind.

In der Tabelle In Abb. 2 sind nur die „effektiven“ Quarkmassen dargestellt. Dies liegt daran, dass Quarks im freien Zustand trotz zahlreicher sorgfältiger Suche nicht beobachtet wurden. Dies offenbart übrigens ein weiteres Merkmal von Quarks als Teilchen völlig neuer, ungewöhnlicher Natur. Daher gibt es keine direkten Daten über die Massen der Quarks. Es gibt nur indirekte Schätzungen über die Massen der Quarks, die aus ihrem Zerfall gewonnen werden können. dynamische Manifestationen in den Eigenschaften von Hadronen (einschließlich deren Massen) sowie in der Zersetzung. Prozesse, die mit Hadronen ablaufen (Zerfälle usw.). Für die Masse T-Quark erhält einen Vorversuch. Grad.

Die gesamte Vielfalt der Hadronen entsteht durch Zersetzung. Kombinationen i-, d-, s-, s- Und B-Quarks, die gebundene Zustände bilden. Gewöhnliche Hadronen entsprechen gebundenen Zuständen, die nur daraus aufgebaut sind Und- Und D-Quarks [für Mesonen mit möglicher Beteiligung von Kombinationen ( S.), (Mit) Und ( B)]. Präsenz in einem gebundenen Zustand, zusammen mit u- Und D-Quarks, eins s-, s- oder B-quark bedeutet, dass das entsprechende Hadron seltsam ist ( S= - 1), verzaubert (C= + 1) oder bezaubernd ( B= - 1). Ein Baryon kann zwei oder drei enthalten S-Quark (bzw Mit- Und B-Quark), d. h. es sind doppelt und dreifach seltsame (charmante, charmante) Baryonen möglich. Auch Kombinationen verschiedener Typen sind zulässig. Zahlen S- Und Mit-, B-Quarks (insbesondere in Baryonen), die „hybriden“ Formen von Hadronen entsprechen (seltsam bezaubert, seltsam bezaubert). Offensichtlich umso mehr s-, s- oder B-Quarks das Hadron enthält, desto massereicher ist es. Wenn wir die (nicht angeregten) Grundzustände von Hadronen vergleichen, ist genau dieses Bild zu beobachten (Tabelle 1).

Da der Spin der Quarks 1 ist / Wie aus 2 hervorgeht, führt die obige Quarkstruktur von Hadronen zu einem ganzzahligen Spin für Mesonen und einem halbzahligen Spin für Baryonen, was vollständig mit dem Experiment übereinstimmt. Darüber hinaus in Zuständen, die dem Bahnimpuls entsprechen l=0, insbesondere in Basic. Staaten, die Meson-Spin-Werte sollten 0 oder 1 sein (für antiparallele und parallele Ausrichtung der Quark-Spins) und der Baryon-Spin: 1 / 2 oder 3/2 (für Spin-Konfigurationen Und ). Unter Berücksichtigung der Tatsache, dass intern die Parität des Quark-Antiquark-Systems ist negativ, die Werte JP für Mesonen bei l= 0 sind gleich 0 - und 1 - , für Baryonen: 1 / 2 + und 3 / 2 + . Es sind diese Werte, die für Hadronen beobachtet werden, die bei bestimmten Werten die kleinste Masse haben ICH Und S, MIT, B.

Zur Veranschaulichung in der Tabelle. 3 und 4 zeigen die Quarkzusammensetzung von Mesonen mit JP= 0 - und Baryonen JP = 1 / 2 + (Die notwendige Summierung über Quarkfarben wird durchgehend vorausgesetzt).

Tisch 3.- Quarkzusammensetzung der untersuchten Mesonen Mit JP=0 - ()

Tisch 4.- Quarkzusammensetzung der untersuchten Baryonen Mit JP= 1/2 + ()

Hinweis: Das Symbol () bedeutet Symmetrierung in Bezug auf variable Partikel; Symbol -Antisymmetrisierung.

Somit ist das Quark-Modell natürlich erklärt den Ursprung des Hauptteils Gruppen von Hadronen und ihre beobachteten Quantenzahlen. Eine detailliertere dynamische Betrachtung lässt auch eine Reihe nützlicher Rückschlüsse auf die Massenverhältnisse innerhalb der Zerlegung zu. Hadronenfamilien.

Die Spezifität von Hadronen mit den kleinsten Massen und Spins richtig vermitteln, das Quark-Modell der Naturalien. erklärt auch die insgesamt große Anzahl von Hadronen und das Überwiegen von Resonanzen zwischen ihnen. Die große Zahl der Hadronen spiegelt ihre komplexe Struktur und die Möglichkeit der Existenz unterschiedlicher Typen wider. angeregte Zustände von Quarksystemen. Alle angeregten Zustände von Quarksystemen sind aufgrund starker Wechselwirkungen in den zugrunde liegenden Zuständen im Vergleich zu schnellen Übergängen instabil. Sie bilden die Basis. Teil der Resonanzen. Ein kleiner Teil der Resonanzen besteht auch aus Quarksystemen mit paralleler Spinorientierung (mit Ausnahme von W -). Quarkkonfigurationen mit antiparalleler Spinorientierung, bezogen auf die Grundkonfiguration. Zustände bilden quasistabile Hadronen und ein stabiles Proton.

Anregungen von Quarksystemen erfolgen sowohl aufgrund von Rotationsänderungen. Bewegung von Quarks (orbitale Anregungen) und aufgrund von Veränderungen in ihren Räumen. Ort (radiale Anregungen). Im ersten Fall geht mit einer Zunahme der Masse des Systems eine Änderung des Gesamtspins einher J und Parität P System, im zweiten Fall erfolgt die Massenzunahme ohne Änderung JP .

Bei der Formulierung des Quark-Modells wurden Quarks als hypothetisch betrachtet. Strukturelemente, die die Möglichkeit einer sehr bequemen Beschreibung von Hadronen eröffnen. In den Folgejahren wurden Experimente durchgeführt, die es uns ermöglichten, von Quarks als realen Materialformationen innerhalb von Hadronen zu sprechen. Die ersten waren Experimente zur Streuung von Elektronen an Nukleonen in sehr großen Winkeln. Diese Experimente (1968) erinnern an den Klassiker. Rutherfords Experimente zur Streuung von Alphateilchen an Atomen zeigten das Vorhandensein von Punktladungen im Inneren des Nukleons. Formationen (vgl Die Partons). Der Vergleich der Daten aus diesen Experimenten mit ähnlichen Daten zur Neutrinostreuung an Nukleonen (1973-75) ermöglichte es uns, eine Schlussfolgerung zu ziehen, vgl. die Größe des Quadrats der elektrischen Verantwortlich für diese Punktformationen. Das Ergebnis lag nahe an den erwarteten Bruchwerten (2/3) 2 e 2 und (1/3)2 e 2. Die Untersuchung des Prozesses der Hadronenproduktion bei der Vernichtung eines Elektrons und eines Positrons, der angeblich die folgenden Phasen durchläuft:

deutete auf das Vorhandensein von zwei Gruppen von Hadronen hin, den sogenannten. Düsen (vgl Hadronenjet), genetisch mit jedem der resultierenden Quarks verbunden, und ermöglichte die Bestimmung des Spins der Quarks. Es stellte sich heraus, dass es 1/2 war. Die Gesamtzahl der in diesem Prozess entstehenden Hadronen zeigt auch, dass im Zwischenzustand jede Art von Quark durch drei Varianten repräsentiert wird, d. h. Quarks sind dreifarbig.

Somit sind die Quantenzahlen der Quarks auf theoretischer Grundlage gegeben Überlegungen, erhielt ein umfassendes Experiment. Bestätigung. Quarks haben tatsächlich den Status neuer Elektronenteilchen erlangt und sind ernsthafte Anwärter auf die Rolle echter Elektronenteilchen für stark wechselwirkende Materieformen. Nummer bekannte Arten Es gibt nur wenige Quarks. Bis zur Länge<=10 -16 см кварки выступают как точечные бесструктурные образования. Бесструктурность кварков, конечно, может отражать лишь достигнутый уровень исследования этих материальных образований. Однако ряд специфич. особенностей кварков даёт известные основания предполагать, что кварки являются частицами, замыкающими цепь структурных составляющих сильновзаимодействующей материи.

Quarks unterscheiden sich von allen anderen Elektronenteilchen dadurch, dass sie offenbar nicht im freien Zustand existieren, obwohl es eindeutige Hinweise auf ihre Existenz im gebundenen Zustand gibt. Dieses Merkmal von Quarks hängt höchstwahrscheinlich mit den Besonderheiten ihrer Wechselwirkung zusammen, die durch den Austausch spezieller Teilchen entsteht – Gluonen, was dazu führt, dass die Anziehungskräfte zwischen ihnen mit der Entfernung nicht schwächer werden. Folglich ist unendlich viel Energie erforderlich, um Quarks voneinander zu trennen, was offensichtlich unmöglich ist (die Theorie des sogenannten Einschlusses oder Einfangens von Quarks; vgl Farbbeständigkeit).In Wirklichkeit kommt es beim Versuch, Quarks voneinander zu trennen, zu einer Komplementbildung. Hadronen (sog. Hadronisierung von Quarks). Die Unmöglichkeit, Quarks im freien Zustand zu beobachten, macht sie zu einer völlig neuen Art von Struktureinheiten der Materie. Es ist beispielsweise unklar, ob in diesem Fall die Frage nach den Bestandteilen von Quarks gestellt werden kann und ob dadurch die Reihenfolge der Strukturbestandteile der Materie unterbrochen wird. All dies führt zu der Schlussfolgerung, dass Quarks zusammen mit Leptonen und Eichbosonen, die ebenfalls keine erkennbaren Strukturmerkmale aufweisen, eine Gruppe von Elektronenteilchen bilden, die den besten Anspruch auf die Rolle echter Elektronenteilchen haben.

Elementarteilchen und Quantenfeldtheorie. Standard-Interaktionsmodell

Beschreibung der Eigenschaften und Wechselwirkungen von E. h. in der Neuzeit. Kreaturentheorien. Entscheidend ist das Konzept eines physikalischen Feldes, das jedem Teilchen zugeordnet ist. Das Feld ist spezifisch. die Form der im Raum verteilten Materie; Es wird durch eine Funktion beschrieben, die an allen Punkten der Raumzeit angegeben ist und eine Definition hat. Transformation Eigenschaften in Bezug auf Transformationen Lorenz-Gruppe(Skalar, Spinor, Vektor usw.) und „interne“ Gruppen. Symmetrien (Isotopenskalar, Isotopenspinor usw.). El-magn. Feld mit den Eigenschaften eines vierdimensionalen Vektors A M( X)(m= 1, 2, 3, 4) ist historisch gesehen das erste Beispiel für physikalische. Felder. Die Felder, die von E.-Teilchen verglichen werden, sind Quantennatur, das heißt, ihre Energie und ihr Impuls bestehen aus vielen einzelnen Teilen. Portionen - Quanten und die Gesamtenergie e k und Schwung p k Quanten sind durch die Beziehung speziell verbunden. Relativitätstheorie: e 2 k =S 2 k s 2 + t 2 Mit 4 . Jedes dieser Quanten ist ein Elektronenteilchen mit Masse T, mit einer gegebenen Energie e k und Impuls p k. El-magnetische Quanten Felder sind Photonen, Quanten anderer Felder entsprechen allen anderen bekannten Elektronenteilchen-Ma-Themen. Der Apparat der Quantenfeldtheorie (QFT) ermöglicht es, die Entstehung und Zerstörung eines Teilchens an jedem Raum-Zeit-Punkt zu beschreiben.

Transformation Die Eigenschaften des Feldes bestimmen das Wesentliche Quantenzahlen von E.-Teilchen. Transformationseigenschaften in Bezug auf Transformationen der Lorentz-Gruppe werden durch den Spin der Teilchen bestimmt: Der Skalar entspricht dem Spin J= 0, spinor- drehen J= 1 / 2, Vektor - Spin J= 1 usw. Transformation Eigenschaften von Feldern in Bezug auf „interne“ Transformationen Räume („Ladungsraum“, „Isotopenraum“, „Einheitsraum“, „Farbraum“) bestimmen die Existenz solcher Quantenzahlen wie L, B, I, S, MIT, B, und für Quarks und Gluonen auch Farben. Einführung „intern“ Räume im Apparat der Theorie sind immer noch ein rein formales Mittel, das jedoch als Hinweis auf die Dimension des Physischen dienen kann. Die Raumzeit, die sich in den Eigenschaften des E.-Teilchens widerspiegelt, beträgt tatsächlich mehr als vier – d.h. größer als die Dimension der Raumzeit, charakteristisch für alles Makroskopische. körperlich Prozesse.

Die Masse der E.-Partikel steht nicht in direktem Zusammenhang mit der Transformation. Eigenschaften von Feldern. Dies ist ein zusätzliches Merkmal von ihnen, der Ursprung des Schnitts ist nicht vollständig geklärt.

Um die mit Elektronenteilchen ablaufenden Prozesse zu beschreiben, verwendet QFT Lagrange-Formalismus.IN Lagrange, aufgebaut aus den an der Wechselwirkung von Teilchen beteiligten Feldern, enthält alle Informationen über die Eigenschaften von Teilchen und die Dynamik ihres Verhaltens. Der Lagrange-Operator umfasst zwei Kapitel. Begriffe: Lagrange-Funktion, die das Verhalten freier Felder beschreibt, und Interaktions-Lagrange-Funktion, die die Wechselbeziehung von Zersetzung widerspiegelt. Felder und die Möglichkeit der Konvertierung von E. h. Die Kenntnis der genauen Form ermöglicht grundsätzlich den Einsatz des Gerätes Streumatrizen (S-Matrizen) berechnen die Wahrscheinlichkeiten von Übergängen von der anfänglichen Partikelmenge zu einer bestimmten endgültigen Partikelmenge, die unter dem Einfluss der zwischen ihnen bestehenden Wechselwirkung auftreten. Somit entsteht eine Struktur, die die Möglichkeit von Mengen eröffnet. Beschreibungen von Prozessen mit E. h. ist eines der Zentren. CTP-Probleme.

Kreaturen Fortschritte bei der Lösung dieses Problems wurden in den 50er und 70er Jahren erzielt. basierend auf der Entwicklung der Idee von Vektoreichfeldern, die in der bereits erwähnten Arbeit von Yang und Mills formuliert wurde. Basierend auf der bekannten These, dass jedes experimentell beobachtete Erhaltungsgesetz mit der Invarianz des Lagrange-Operators verbunden ist, der das System in Bezug auf Transformationen einer bestimmten Symmetriegruppe beschreibt ( Noethers Theorem), forderten Yang und Mills, dass diese Invarianz lokal durchgeführt wird, also für eine beliebige Abhängigkeit der Transformationen von einem Punkt in der Raumzeit erfolgt. Es stellte sich heraus, dass die Erfüllung dieser Anforderung, die physikalisch damit zusammenhängt, dass die Wechselwirkung nicht sofort von Punkt zu Punkt übertragen werden kann, nur durch die Einführung eines speziellen Typs in die Struktur des Lagrange-Operators möglich ist. Eichfelder vektorieller Natur, def. Transformation unter Transformationen der Symmetriegruppe. Darüber hinaus stellte sich heraus, dass die Strukturen des freien Lagrange-Operators in diesem Ansatz eng miteinander verbunden sind: Wissen in Mitteln. gewissermaßen das Erscheinungsbild vorbestimmt

Der letztgenannte Umstand ist auf die Tatsache zurückzuführen, dass das Erfordernis der lokalen Eichinvarianz kann nur durchgeführt werden, wenn in allen Ableitungen, die auf freie Felder in wirken, die Ersetzung vorgenommen wird Hier G- Interaktionskonstante; V a m - Spurfelder; T a - Generatoren der Symmetriegruppe in der Matrixdarstellung entsprechend dem freien Feld; R- Gruppengröße.

Aufgrund des oben Gesagten erscheinen im modifizierten Lagrange-Operator automatisch streng definierte Begriffe. Strukturen, die die Interaktion der ursprünglich in enthaltenen Felder mit den neu eingeführten Eichfeldern beschreiben. In diesem Fall fungieren Eichfelder als Träger der Interaktion zwischen den ursprünglichen Feldern. Da im Lagrange-Operator neue Eichfelder aufgetaucht sind, muss der freie Lagrange-Operator natürlich um einen damit verbundenen Begriff ergänzt und dem oben beschriebenen Modifikationsverfahren unterzogen werden. Wenn die Eichinvarianz strikt eingehalten wird, entsprechen Eichfelder Bosonen mit der Masse Null. Wenn die Symmetrie gebrochen ist, ist die Masse des Bosons ungleich Null.

Bei diesem Ansatz besteht die Aufgabe, einen Lagrange-Operator zu konstruieren, der die Dynamik interagierender Felder widerspiegelt, im Wesentlichen darin, das Feldsystem, aus dem der ursprüngliche freie Lagrange-Operator besteht, richtig auszuwählen und seine Form festzulegen. Letzteres wird jedoch bei gegebenen Transformationseigenschaften in Bezug auf die Lorentz-Gruppe eindeutig durch die Forderung der relativistischen Invarianz und die offensichtliche Forderung, nur Strukturen einzubeziehen, die quadratisch in den Feldern sind, bestimmt.

Die Hauptfrage zur Beschreibung der Dynamik ist daher die Wahl des Systems der Primärfelder, die tatsächlich dasselbe Zentrum bilden. Frage der Physik E. CH.: „Welche Teilchen (und dementsprechend Felder) sollten bei der Beschreibung beobachtbarer Materieteilchen als die grundlegendsten (elementarsten) angesehen werden?“

Modern Die Theorie identifiziert, wie bereits erwähnt, strukturlose Teilchen mit Spin 1/2 als solche Teilchen: Quarks und Leptonen. Diese Wahl ermöglicht es, basierend auf dem Prinzip der lokalen Eichinvarianz, ein sehr erfolgreiches Schema zur Beschreibung der starken und schwachen Wechselwirkungen von Elektronenteilchen zu konstruieren, das heißt. STANDARDMODELL.

Das Modell basiert hauptsächlich auf der Annahme, dass für die starke Wechselwirkung eine exakte Symmetrie vorliegt SU c(3), entsprechend Transformationen im dreidimensionalen „Farb“-Raum. Dabei wird davon ausgegangen, dass Quarks entsprechend den Mitteln umgewandelt werden. Vertretung der Gruppe SU c(3). Die Erfüllung der Anforderung der lokalen Eichinvarianz für den Quark-Lagrange-Operator führt dazu, dass in der Struktur der Theorie acht masselose Eichbosonen, sogenannte Gluonen, auftauchen, die auf streng definierte Weise mit Quarks (und untereinander) interagieren. Weg (Fritzsch, Goell-Man, 1972). Das auf dieser Grundlage entwickelte Schema zur Beschreibung der starken Wechselwirkung wurde aufgerufen Quantenchromodynamik. Die Richtigkeit ihrer Vorhersagen wurde mehrfach bestätigt. Experimente, einschließlich überzeugender Beweise für die Existenz von Gluonen. Es gibt auch ernsthafte Gründe zu der Annahme, dass der Apparat der Quantenchromodynamik eine Erklärung für das Phänomen des Einschlusses enthält.

Bei der Konstruktion der Theorie der el-schwachen Wechselwirkung wurde die Tatsache genutzt, dass die Existenz von Leptonenpaaren mit derselben Leptonenzahl ( L e, L v, L t), jedoch mit unterschiedlicher Elektrik Ladung (e - , v e; M - , v M; T - , v r) kann als Manifestation der mit der sogenannten Gruppe verbundenen Symmetrie interpretiert werden. schwacher Isospin S.U. sl (2) und die Paare selbst werden als Spinor-(Dublett-)Darstellungen dieser Gruppe betrachtet. Eine ähnliche Interpretation ist in Bezug auf Quarkpaare möglich, die an schwacher Wechselwirkung teilnehmen. Beachten Sie, dass im Rahmen dieses Schemas eine schwache Wechselwirkung unter Beteiligung eines Quarks berücksichtigt wird B führt zwangsläufig zu dem Schluss, dass es einen isotopischen Partnerquark hat T, ein Paar bildend ( t, b). Isolation durch schwache Wechselwirkung ist definiert. Helizität(links) für die daran beteiligten Fermionen kann zusätzlich als Ausdruck der Existenz von Symmetrie gewertet werden U cl (1), verbunden mit schwacher Überladung Y sl. In diesem Fall sollten den linken und rechten Fermionen unterschiedliche Hyperladungswerte zugewiesen werden Y sl und rechtshändige Fermionen sollten als Isotopenskalare betrachtet werden. In der übernommenen Konstruktion entsteht die Beziehung natürlich Q = ICH 3 cl + 1/2 Y sl, die wir bereits bei Hadronen kennengelernt haben.

Eine sorgfältige Analyse der el-schwachen Wechselwirkung von Leptonen und Quarks ermöglicht es also, zu erkennen, dass sie eine (allerdings deutlich gebrochene) Symmetrie aufweisen, die der Gruppe entspricht S.U. sl (2) U cl ( 1) . Wenn wir die Verletzung dieser Symmetrie ignorieren und die strenge Bedingung der lokalen Eichinvarianz verwenden, entsteht eine Theorie der schwachen Wechselwirkung von Quarks und Leptonen, die vier masselose Bosonen (zwei geladene und zwei neutrale) und zwei entsprechende Wechselwirkungskonstanten umfasst die Gruppen S.U. sl (2) und U sl (1). In dieser Theorie entsprechen die Terme des Lagrange-Operators der Wechselwirkung mit der Ladung. Bosonen reproduzieren die bekannte Struktur korrekt geladene Ströme, liefern aber nicht die bei schwachen Prozessen beobachtete Nahwirkung, was nicht überraschend ist, da die Nullmasse der Zwischenbosonen zu einer Wirkung mit großer Reichweite führt. Das folgt nur im Realismus. Schwache Wechselwirkungstheorien zufolge müssen die Massen der Zwischenbosonen endlich sein. Dies steht auch im Einklang mit der Tatsache, dass die Symmetrie gebrochen ist S.U. sl (2) U sl (1).

Die direkte Einführung endlicher Massen intermediärer Bosonen in die auf die oben beschriebene Weise konstruierte Lagrange-Funktion ist jedoch unmöglich, da sie der Forderung der lokalen Eichinvarianz widerspricht. Mit Hilfe einer wichtigen Annahme über die Existenz spezieller Skalarfelder F ( Higgs-Felder), interagiert mit Fermion- und Eichfeldern und weist eine spezifische Selbstinteraktion auf, die zu dem Phänomen führt spontane Symmetriebrechung[P. Higgs (P. Higgs), 1964]. Die Einführung eines Dubletts (in der schwachen Isospingruppe) von Higgs-Feldern in die Lagrange-Theorie führt in der einfachsten Version dazu, dass das gesamte Feldsystem in einen neuen, energieärmeren Vakuumzustand übergeht, der einer gebrochenen Symmetrie entspricht. Wenn zunächst Vakuumdurchschnitt aus Feld F war gleich Null<Ф>0 = 0, dann in einem neuen Zustand<Ф>0 = Ф 0 0. Verletzung der Symmetrie und das Auftreten endlicher F 0 in der Theorie resultiert aus Higgs-Mechanismus zur nicht verschwindenden Ladungsmasse. Zwischenbosonen W + und auf die Entstehung einer Mischung (Linearkombination) zweier neutraler Bosonen, die in der Theorie vorkommt. Durch die Vermischung entsteht ein masseloser Elektromagnet. Feld, das mit einem elektrischen Magneten interagiert. Strom von Quarks und Leptonen und das Feld eines massiven neutralen Bosons Z 0 interagiert mit Neutralstrom streng definierte Struktur. Blending-Parameter (Winkel) ( Weinberg-Ecke)neutrale Bosonen sind in diesem Schema durch das Verhältnis der Gruppenwechselwirkungskonstanten gegeben U sl (l) und S.U. sl (2) : tgq W =g"/g. Der gleiche Parameter bestimmt die Massenverbindung mW Und m Z (m Z = m W / cosq W) und elektrische Kommunikation Aufladung e s schwache Isospingruppenkonstante g: e = G sinq W. Die Entdeckung neutraler schwacher Ströme im Jahr 1973, die durch das oben beschriebene Schema vorhergesagt wurden, während der Untersuchung der Neutrinostreuung, und die anschließende Entdeckung im Jahr 1983 W- und Z-Bosonen mit Massen von 80 GeV bzw. 91 GeV bestätigten auf brillante Weise das gesamte Konzept einer einheitlichen Beschreibung von El-Magn. und schwache Wechselwirkungen. Lasst uns experimentieren. Bestimmung des Wertes von sin 2 q W= 0,23 zeigte, dass die Konstante G und elektrisch Aufladung e liegen in der Größe nahe beieinander. Es wurde deutlich, dass die „Schwäche“ der schwachen Wechselwirkung bei Energien deutlich geringer war mW Und m Z, hauptsächlich aufgrund der großen Masse an Zwischenbosonen. Tatsächlich die Konstante der phänomenologischen Vier-Fermionen-Theorie der schwachen Fermi-Wechselwirkung G F im obigen Diagramm ist es gleich G F =g 2 /8M 2 W. Das bedeutet, dass eff. schwache Wechselwirkungskonstante bei der Energie in s. C. M. ~t r gleich G F m p 2 10 -5, und sein Quadrat liegt nahe bei 10 -10, d.h. auf den oben angegebenen Wert. Bei Energien in cm, groß oder in der Größenordnung mW, der einzige Parameter, der die schwache Wechselwirkung charakterisiert, wird die Menge G 2 / 4p oder e 2 / 4p, d.h. schwach und el-magn. Interaktionen werden in ihrer Intensität vergleichbar und müssen gemeinsam betrachtet werden.

Aufbau einer einheitlichen Beschreibung von el-magn. und schwache Wechselwirkungen ist eine wichtige Errungenschaft der Theorie der Eichfelder, deren Bedeutung letztendlich mit der Entwicklung von Maxwell vergleichbar ist. 19. Jahrhundert einheitliche Theorie von El-Magn. Phänomene. Menge Die Vorhersagen der Theorie der schwachen Wechselwirkung wurden in allen durchgeführten Messungen mit einer Genauigkeit von 1 % bestätigt. Wichtige körperliche Eine Konsequenz dieser Konstruktion ist die Schlussfolgerung über die Existenz eines Teilchens eines neuen Typs in der Natur – neutral Higgs-Boson. Am Anfang 90er Jahre Es wurde kein solches Partikel gefunden. Die Untersuchungen ergaben, dass seine Masse 60 GeV übersteigt. Die Theorie liefert jedoch keine genaue Vorhersage für die Masse des Higgs-Bosons. Wir können nur sagen, dass seine Masse 1 TeV nicht überschreitet. Die geschätzte Masse dieses Teilchens liegt im Bereich von 300–400 GeV.

Das „Standardmodell“ wählt sich also als Fondsdame aus. Teilchen drei Quarkpaare ( und, d)(Mit, s) (t, b) und drei Leptonenpaare ( v e,e -)(v m ,m -) ( v t, m -), normalerweise nach der Größe ihrer Massen wie folgt in Familien (oder Generationen) eingeteilt:

und postuliert, dass ihre Wechselwirkungen die Symmetrie erfüllen S.U. sl (3) S.U. sl (2) U sl (l). Als Konsequenz erhält man eine Theorie, in der die Wechselwirkungsträger Eichbosonen sind: Gluonen, Photonen, Wb und Z. Und obwohl das „Standardmodell“ die Beschreibung aller bekannten Fakten im Zusammenhang mit E.H. sehr erfolgreich bewältigt, handelt es sich höchstwahrscheinlich dennoch um eine Zwischenstufe bei der Konstruktion einer vollkommeneren und umfassenderen Theorie von E.H. In der Struktur des „Standardmodells“ gibt es noch eine ganze Reihe willkürlicher, empirisch ermittelter Parameter (die Werte der Massen von Quarks und Leptonen, die Werte der Wechselwirkungskonstanten, Mischungswinkel usw.). Auch die Anzahl der Fermiongenerationen im Modell ist nicht bestimmt. Bisher bestätigt das Experiment nur mit Sicherheit, dass die Anzahl der Generationen drei nicht überschreitet, es sei denn, es gibt in der Natur schwere Neutrinos mit Massen von mehreren. Zehner GeV.

Aus der Sicht der Symmetrieeigenschaften von Wechselwirkungen wäre es natürlicher zu erwarten, dass in der umfassenden Theorie von E.H. Anstelle des direkten Produkts von Symmetriegruppen erscheint eine Symmetriegruppe G mit einer entsprechenden Wechselwirkungskonstante. Die Symmetriegruppen des „Standardmodells“ könnten in diesem Fall als Reduktionsprodukte einer großen Gruppe interpretiert werden, wenn die damit verbundene Symmetrie gebrochen wird. Auf diesem Weg könnte sich grundsätzlich die Möglichkeit einer großen Vereinheitlichung der Interaktionen ergeben. Die formale Grundlage für eine solche Kombination kann die Eigenschaft der Änderung mit Energieeff sein. Wechselwirkungskonstanten von Eichfeldern g i 2 /4p = a ich (ich=1, 2, 3), die sich unter Berücksichtigung der höheren Ordnungen der Theorie (der sogenannten Laufkonstanten) ergibt. In diesem Fall ist der Gruppe die Konstante a 1 zugeordnet U(I); a 2 - mit Gruppe SU( 2); eine 3er-Gruppe SU( 3) . Die erwähnten sehr langsamen (logarithmischen) Änderungen werden durch den Ausdruck beschrieben

Verbinden der Werte von eff. Konstanten a Ich bin) und ein ich(m) bei zwei verschiedenen Energiewerten: M und M( M> M). Die Art dieser Änderungen ist je nach Typ unterschiedlich. Symmetriegruppen (und damit verschiedene Wechselwirkungen) und wird durch die Koeffizienten angegeben b ich, wobei Informationen sowohl über die Struktur von Symmetriegruppen als auch über die an der Wechselwirkung beteiligten Teilchen enthalten sind. Weil das B 1 , B 2 und B 3 unterschiedlich sind, ist es möglich, dass trotz merklicher Abweichungen in den Werten von a ich-1 (m) bei den untersuchten Energien m, bei sehr hohen Energien M alle drei Werte von a ich -1 (M) werden zusammenfallen, d. h. die große Vereinheitlichung der Interaktionen wird verwirklicht. Eine sorgfältige Analyse zeigte jedoch, dass innerhalb des Standardmodells unter Verwendung bekannter Werte von a ich-1 (m), entspricht allen drei Werten von a ich -1 (M)im Großen und Ganzen M unmöglich, d.h. Die Version der Theorie mit der Großen Vereinigung ist in diesem Modell nicht realisierbar. Gleichzeitig wurde festgestellt, dass es sich bei den vom Standardmodell abweichenden Schemata um eine veränderte Grundzusammensetzung handelte. (fund.) Felder oder Teilchen, die Große Vereinigung kann stattfinden. Änderungen in der Zusammensetzung des Hauptteils Partikel führen zu Änderungen der Werte der Koeffizienten“ b ich" und bieten somit die Möglichkeit, a zuzuordnen ich (M) im Großen und Ganzen M.

Der Leitgedanke bei der Wahl einer modifizierten Grundkomposition. Die Teilchentheorie war die Idee der möglichen Existenz von E.-Teilchen auf der Welt. Supersymmetrie, die Kante legt eine Definition fest. Beziehungen zwischen ganzzahligen und halbzahligen Spinteilchen, die in der Theorie vorkommen. Um den Anforderungen der Supersymmetrie gerecht zu werden, z.B. Im Fall des Standardmodells muss jedem Teilchen ein Teilchen mit einem um die Hälfte verschobenen Spin zugeordnet sein. Darüber hinaus müssen im Fall der exakten Supersymmetrie alle diese Teilchen die gleichen Massen haben. Daher sollten Quarks und Leptonen mit Spin 1/2 ihren supersymmetrischen Partnern (Superpartnern) mit Spin Null zugeordnet werden, alle Eichbosonen mit Spin 1 mit Superpartnern mit Spin 1/2 und das Higgs-Boson mit Spin Null mit einem Superpartner mit Spin 1/ 2. Da Superpartner von Quarks, Leptonen und Eichbosonen im untersuchten Energiebereich sicherlich nicht beobachtet werden, sollte die Supersymmetrie, falls vorhanden, merklich gebrochen sein und die Massen der Superpartner sollten Werte aufweisen, die die Massen bekannter Fermionen und Bosonen deutlich übersteigen.

Ein konsequenter Ausdruck der Anforderungen der Supersymmetrie findet sich im minimalen supersymmetrischen Modell (MCCM), bei dem zusätzlich zu den bereits aufgeführten Änderungen in der Zusammensetzung der Teilchen des Standardmodells die Anzahl der Higgs-Bosonen auf fünf (davon) ansteigt zwei sind geladene und drei sind neutrale Teilchen). Dementsprechend erscheinen im Modell fünf Superpartner von Higgs-Bosonen mit Spin 1/2 – MCCM ist die einfachste Verallgemeinerung des Standardmodells auf den Fall der Supersymmetrie. Bedeutung M, wenn ein Zufall auftritt ich (M)(Große Vereinigung) beträgt in MCCM ungefähr 10 16 GeV.

Eine der vielversprechenden Möglichkeiten für die Entwicklung der Theorie der Eichfelder ist mit der Hypothese der Existenz der Supersymmetrie verbunden, die auch eine Reihe ihrer internen Probleme löst. Probleme im Zusammenhang mit der Stabilität der darin vorkommenden Parameter. Die Supersymmetrie ermöglicht es, wie bereits erwähnt, in der Theorie der Elektronenteilchen die attraktive Möglichkeit der Großen Vereinigung von Wechselwirkungen zu bewahren. Eine entscheidende Bestätigung der Existenz von Supersymmetrie wäre die Entdeckung von Superpartnern bekannter Teilchen. Ihre Massen werden auf Hunderte von GeV bis 1 TeV geschätzt. Teilchen dieser Massen werden in der nächsten Generation von Protonenbeschleunigern für Untersuchungen zur Verfügung stehen.

Die Überprüfung der Hypothese der Existenz von Supersymmetrie und die Suche nach supersymmetrischen Teilchen ist zweifellos eine der wichtigsten Aufgaben in der Physik der Elementarteilchen, die in naher Zukunft zweifellos vorrangige Aufmerksamkeit erhalten wird.

Einige allgemeine Probleme der Theorie der Elementarteilchen

Die neueste Entwicklung der Teilchenphysik hat aus allen Mikrokomponenten der Materie eindeutig eine Gruppe von Teilchen identifiziert, die eine besondere Rolle spielen und (zu Beginn der 90er Jahre) die größten Gründe haben, als echte Elektronenteilchen bezeichnet zu werden. Dazu gehören auch Grundlagen. Spin 1 Fermionen / 2 – Leptonen und Quarks, die drei Generationen bilden, und Eichbosonen von Spin 1 (Gluonen, Photonen und Zwischenbosonen), die Träger starker und schwacher Wechselwirkungen sind. Ein Teilchen mit Spin 2 sollte höchstwahrscheinlich zu dieser Gruppe hinzugefügt werden, Graviton, als Träger der Schwerkraft. Wechselwirkung, die alle Teilchen verbindet. Eine besondere Gruppe bilden Spin-0-Teilchen, Higgs-Bosonen, die allerdings noch nicht entdeckt wurden.

Dennoch bleiben viele Fragen unbeantwortet. Somit bleibt unklar, ob eine physische Existenz vorliegt. ein Kriterium, das die Anzahl der Generationen elementarer Fermionen festlegt. Es ist nicht klar, wie grundlegend der Unterschied in den Eigenschaften von Quarks und Leptonen ist, der mit dem Vorhandensein von Farbe in den ersteren zusammenhängt, oder ob dieser Unterschied nur für den untersuchten Energiebereich spezifisch ist. Mit dieser Frage verbunden ist die Frage des Physischen die Natur der Großen Vereinigung, da in ihrem Formalismus Quarks und Leptonen als Objekte mit ähnlichen Eigenschaften betrachtet werden.

Es ist wichtig zu verstehen, ob die Existenz verschiedener „Intrinsien“ vorliegt. Quantenzahlen von Quarks und Leptonen ( B, L, I, S, C, b usw.) zu einer komplexeren Geometrie der Mikrowelt, die einer größeren Anzahl von Dimensionen entspricht als die uns bekannte vierdimensionale Geometrie der makroskopischen Welt. Freizeit. Eng mit dieser Frage verbunden ist die Frage, wie hoch der Höchstwert ist. Symmetriegruppe G, die die Wechselwirkungen von Elementarteilchen erfüllen und in die Symmetriegruppen eingebettet sind, die sich im untersuchten Energiebereich manifestieren. Die Antwort auf diese Frage würde dazu beitragen, die begrenzte Anzahl von Trägern der Wechselwirkung zwischen E. h. zu bestimmen und ihre Eigenschaften zu klären. Es ist möglich, dass die max. Gruppe G spiegelt tatsächlich die Symmetrieeigenschaften eines bestimmten mehrdimensionalen Raums wider. Diese Bandbreite an Ideen spiegelt sich bekanntlich in der Theorie wider Superstrings, die Analoga gewöhnlicher Zeichenfolgen in Räumen mit mehr als vier Dimensionen sind (normalerweise in einem Raum mit 10 Dimensionen). Die Superstringtheorie interpretiert Elektronenteilchen als Manifestationen spezifischer Anregungen von Superstrings, die verschiedenen Typen entsprechen. Rücken. Es wird angenommen, dass zusätzliche (über vier) Dimensionen aufgrund der sogenannten nicht in Beobachtungen sichtbar werden. Verdichtung, d. h. die Bildung geschlossener Unterräume mit charakteristischen Abmessungen von ~10 -33 cm. Ext. Die Manifestation der Existenz dieser Unterräume ist das beobachtbare „Interne“. Quantenzahlen von Elektronenteilchen. Es gibt noch keine Daten, die die Richtigkeit des mit der Idee von Superstrings verbundenen Ansatzes zur Interpretation der Eigenschaften von Elektronenteilchen bestätigen.

Wie aus dem oben Gesagten hervorgeht, sollte eine vollständige Theorie der Elektronenteilchen im Idealfall nicht nur die Wechselwirkungen einer bestimmten als grundlegend ausgewählten Menge von Teilchen korrekt beschreiben, sondern auch eine Erklärung darüber enthalten, welche Faktoren die Anzahl dieser Teilchen und ihr Quantum bestimmen Zahlen, Wechselwirkungskonstanten, die Werte ihrer Massen usw. Auch die Gründe für die Hervorhebung der wichtigsten müssen verstanden werden. breite Symmetriegruppe G und gleichzeitig die Natur der Mechanismen, die die Verletzung der Symmetrie verursachen, wenn wir uns zu niedrigeren Energien bewegen. In diesem Zusammenhang ist die Aufklärung der Rolle der Higgs-Bosonen in der E.H.-Physik von größter Bedeutung. Von Modern angebotene Modelle Die Theorie von E. h. erfüllt noch lange nicht alle aufgeführten Kriterien.

Die Beschreibung der Wechselwirkungen von Elektronenteilchen ist, wie bereits erwähnt, mit Eichfeldtheorien verbunden. Diese Theorien haben die Mathematik entwickelt. ein Gerät, mit dem Sie Prozessberechnungen mit E.H. durchführen können. auf dem gleichen Maß an Genauigkeit wie in der Quantenelektrodynamik. Allerdings im Apparat der Eichfeldtheorien in ihrer modernen Form. Formulierung, da ist einer vorhanden. Ein gemeinsamer Fehler der Quantenelektrodynamik besteht darin, dass im Berechnungsprozess bedeutungslose, unendlich große Ausdrücke darin auftauchen. Mit Hilfe von Special Methode zur Neudefinition beobachtbarer Größen (Massen- und Wechselwirkungskonstanten) - Renormalisierung- schafft es, Unendlichkeiten aus den Enden zu eliminieren. Berechnungsergebnisse. Das Renormierungsverfahren ist jedoch eine rein formale Umgehung der im theoretischen Apparat bestehenden Schwierigkeiten, obwohl es bei einem gewissen Genauigkeitsgrad den Grad der Übereinstimmung zwischen den Vorhersagen der Theorie und den Messungen beeinflussen kann.

Das Auftreten von Unendlichkeiten in Berechnungen ist auf die Tatsache zurückzuführen, dass in der Lagrange-Wechselwirkung die Felder verschiedener Teilchen auf einen Punkt bezogen werden X, d. h. es wird angenommen, dass die Teilchen punktförmig sind und die vierdimensionale Raumzeit bis in kleinste Entfernungen flach bleibt. In Wirklichkeit sind diese Annahmen offenbar in mehrfacher Hinsicht falsch. Gründe dafür:

a) wahr E. h., als Träger endlicher Masse ist es am natürlichsten, zwar sehr kleine, aber endliche Dimensionen zuzuordnen, wenn wir die unendliche Dichte der Materie vermeiden wollen;

b) Die Eigenschaften der Raumzeit in kleinen Entfernungen unterscheiden sich höchstwahrscheinlich radikal von ihren makroskopischen Eigenschaften. Eigenschaften (ab einem bestimmten charakteristischen Abstand, üblicherweise genannt Grundlänge);

c) bei kleinsten Abständen (~ 10 -33 cm) werden geometrische Veränderungen beeinflusst. Eigenschaften der Raumzeit aufgrund des Einflusses der Quantengravitation Effekte (metrische Schwankungen; vgl Quantentheorie der Schwerkraft).

Vielleicht hängen diese Gründe eng zusammen. Es berücksichtigt also die Gravitation Effekte max. führt natürlich zur Größe des wahren E.h. ca. 10 -33 cm und Fundam. die Länge kann tatsächlich mit der sogenannten übereinstimmen. Planck-Länge l Pl = 10 -33 cm, wobei X-Schwere Konstante (M. Markov, 1966). Jeder dieser Gründe sollte zu einer Modifikation der Theorie und der Eliminierung von Unendlichkeiten führen, obwohl die praktische Umsetzung dieser Modifikation sehr schwierig sein kann.

Eine der interessanten Möglichkeiten, die Auswirkungen der Schwerkraft konsequent zu berücksichtigen, besteht in der Erweiterung der Ideen der Supersymmetrie auf die Gravitation. Interaktion (Theorie Supergravitation, insbesondere erweiterte Supergravitation). Gemeinsame Berücksichtigung der Gravitation und andere Arten von Wechselwirkungen führen zu einer spürbaren Verringerung der Anzahl divergenter Ausdrücke in der Theorie, aber ob die Supergravitation zur vollständigen Eliminierung von Divergenzen in Berechnungen führt, ist nicht eindeutig bewiesen.

Daher wird die logische Schlussfolgerung der Ideen der Großen Vereinigung höchstwahrscheinlich die Einbeziehung der Gravitationskräfte in das allgemeine Schema der Betrachtung der Wechselwirkungen von E. ch sein. Wechselwirkungen, deren Berücksichtigung bei sehr kurzen Entfernungen von grundlegender Bedeutung sein kann. Es basiert am meisten auf der gleichzeitigen Berücksichtigung aller Arten von Interaktionen Es ist wahrscheinlich, dass die Schaffung einer zukünftigen Theorie von E. h.

Zündete.: Elementarteilchen und Kompensationsfelder. Sa. Art., trans. aus Englisch, M., 1964; Kokkede Ya., Theorie der Quarks, trans. aus dem Englischen, M.. 1971; Markov M. A., Über die Natur der Materie, M., 1976; Gla-show Sh., Quarks mit Farbe und Aroma, trans. aus dem Englischen. „UFN“, 1976, Bd. 119, v. 4, S. 715; Bernstein J., Spontane Symmetriebrechung, Eichtheorien, der Higgs-Mechanismus usw., im Buch: Quantentheorie der Eichfelder. Sa. Art., trans. aus dem Englischen, M., 1977 (News of Fundamental Physics, V. 8); Bogolyubov N. N., Shirkov D. V., Quantenfelder, 2. Aufl., M., 1993; Okun L. B., Leptons and Quarks, 2. Aufl., M., 1990.

Nur wenige Menschen kennen so etwas wie „Elektron“ nicht, und genau das bedeutet „Elementarteilchen“. Natürlich haben die meisten Menschen keine Ahnung, was es ist und warum es benötigt wird. Im Fernsehen, in Büchern, in Zeitungen und Zeitschriften werden diese Partikel als kleine Punkte oder Kugeln dargestellt. Aus diesem Grund glauben unaufgeklärte Menschen, dass die Form der Teilchen tatsächlich kugelförmig ist und dass sie frei fliegen, interagieren, kollidieren usw. Aber ein solches Urteil ist grundsätzlich falsch. Das Konzept eines Elementarteilchens ist äußerst schwer zu verstehen, aber es ist nie zu spät, sich zumindest eine sehr grobe Vorstellung vom Wesen dieser Teilchen zu machen.

Zu Beginn des letzten Jahrhunderts rätselten Wissenschaftler ernsthaft darüber, warum das Elektron nicht auf den Kern fällt, da es nach der Newtonschen Mechanik, wenn seine gesamte Energie abgegeben wird, einfach auf den Kern fallen sollte. Überraschenderweise passiert dies nicht. Wie ist das zu erklären?

Tatsache ist, dass die Physik in ihrer klassischen Interpretation und ein Elementarteilchen unvereinbare Dinge sind. Es gehorcht keinen Gesetzen der gewöhnlichen Physik, da es nach den Prinzipien handelt. Das Grundprinzip ist die Unsicherheit. Er sagt, dass es unmöglich ist, zwei miteinander verbundene Größen genau und gleichzeitig zu bestimmen. Je mehr der erste von ihnen bestimmt ist, desto weniger kann der zweite bestimmt werden. Aus dieser Definition ergeben sich Quantenkorrelationen, Welle-Teilchen-Dualität, Wellenfunktion und vieles mehr.

Der erste wichtige Faktor ist die Unsicherheit des Ortsimpulses. Basierend auf den Grundlagen der klassischen Mechanik können wir uns daran erinnern, dass die Konzepte Impuls und Flugbahn eines Körpers untrennbar miteinander verbunden und immer klar definiert sind. Versuchen wir, dieses Muster auf die mikroskopische Welt zu übertragen. Beispielsweise hat ein Elementarteilchen einen exakten Impuls. Wenn wir dann versuchen, die Bewegungsbahn zu bestimmen, werden wir mit der Unbestimmtheit der Koordinaten konfrontiert. Dies bedeutet, dass das Elektron an allen Punkten eines kleinen Raumvolumens gleichzeitig erfasst wird. Wenn Sie versuchen, sich gezielt auf die Flugbahn seiner Bewegung zu konzentrieren, erhält der Impuls eine verschwommene Bedeutung.

Daraus folgt, dass, egal wie sehr man versucht, eine bestimmte Größe zu bestimmen, die zweite sofort unsicher wird. Dieses Prinzip liegt der Welleneigenschaft von Teilchen zugrunde. Das Elektron hat keine eindeutige Koordinate. Wir können sagen, dass es sich gleichzeitig an allen Punkten im Raum befindet, der durch die Wellenlänge begrenzt ist. Diese Darstellung ermöglicht es uns, besser zu verstehen, was ein Elementarteilchen ist.

Etwa die gleiche Unsicherheit entsteht im Energie-Zeit-Verhältnis. Das Teilchen interagiert ständig, auch wenn eine solche Wechselwirkung einige Zeit anhält. Wenn wir uns vorstellen, dass dieser Indikator mehr oder weniger definiert ist, wird die Energie unbestimmbar. Dies verstößt gegen die festgelegten kleinen Intervalle.

Das dargestellte Muster führt zu niederenergetischen Teilchen – Quanten fundamentaler Felder. Ein solches Feld ist keine kontinuierliche Substanz. Es besteht aus winzigen Partikeln. Die Wechselwirkung zwischen ihnen wird durch die Emission von Photonen gewährleistet, die von anderen Teilchen absorbiert werden. Dadurch bleibt das Energieniveau erhalten und es entstehen stabile Elementarteilchen, die nicht auf den Kern fallen können.

Elementarteilchen sind im Wesentlichen untrennbar, unterscheiden sich jedoch in ihrer Masse und bestimmten Eigenschaften. Daher wurden bestimmte Klassifizierungen entwickelt. Beispielsweise können wir anhand der Art der Wechselwirkung zwischen Leptonen und Hadronen unterscheiden. Hadronen wiederum werden in Mesonen, die aus zwei Quarks bestehen, und Baryonen, die drei Quarks enthalten, unterteilt. Die bekanntesten Baryonen sind Neutronen und Protonen.

Elementarteilchen und ihre Eigenschaften ermöglichen es uns, zwei weitere Klassen zu unterscheiden: Bosonen (mit ganzzahligem und Null-Spin), Fermionen (mit halbzahligem Spin). Jedes Teilchen hat sein eigenes Antiteilchen mit entgegengesetzten Eigenschaften. Nur Protonen, Leptonen und Neutronen sind stabil. Alle anderen Teilchen unterliegen dem Zerfall und werden zu stabilen Teilchen.