Quelles sont les propriétés des particules élémentaires. Particules élémentaires

Ces trois particules (ainsi que d'autres décrites ci-dessous) s'attirent et se repoussent mutuellement selon leur des charges, qui ne sont que quatre types selon le nombre des forces fondamentales de la nature. Les charges peuvent être classées par ordre décroissant des forces correspondantes de la manière suivante: charge de couleur (forces d'interaction entre quarks) ; charge électrique (forces électriques et magnétiques); charge faible (force dans certains processus radioactifs); enfin, la masse (force gravitationnelle, ou interaction gravitationnelle). Le mot « couleur » ici n'a rien à voir avec la couleur de la lumière visible ; c'est simplement une caractéristique de la charge la plus forte et des plus grandes forces.

Des charges persister, c'est à dire. La charge entrant dans le système est égale à la charge qui en sort. Si la charge électrique totale d'un certain nombre de particules avant leur interaction est, disons, de 342 unités, alors après l'interaction, quel que soit son résultat, elle sera égale à 342 unités. Ceci s'applique également aux autres charges : couleur (charge d'interaction forte), faible et masse (masse). Les particules diffèrent dans leurs charges : en substance, elles "sont" ces charges. Les charges sont, pour ainsi dire, un « certificat » du droit de répondre à la force correspondante. Ainsi, seules les particules colorées sont affectées par les forces de couleur, seules les particules chargées électriquement sont affectées par les forces électriques, etc. Les propriétés d'une particule sont déterminées par la plus grande force agissant sur elle. Seuls les quarks sont porteurs de toutes les charges et, par conséquent, sont soumis à l'action de toutes les forces, parmi lesquelles la couleur est dominante. Les électrons ont toutes les charges sauf la couleur, et la force dominante pour eux est la force électromagnétique.

Les plus stables dans la nature sont, en règle générale, des combinaisons neutres de particules dans lesquelles la charge des particules d'un signe est compensée par la charge totale des particules d'un autre signe. Cela correspond à l'énergie minimale de l'ensemble du système. (De même, deux barreaux aimantés sont alignés, le pôle nord de l'un faisant face au pôle sud de l'autre, ce qui correspond à l'énergie minimale du champ magnétique.) La gravité fait exception à cette règle : masse négative n'existe pas. Il n'y a pas de corps qui tomberaient.

TYPES DE MATIÈRES

La matière ordinaire est formée d'électrons et de quarks, regroupés en objets de couleur neutre, puis de charge électrique. La force de couleur est neutralisée, ce qui sera discuté plus en détail ci-dessous, lorsque les particules sont combinées en triplets. (D'où le terme "couleur" lui-même, tiré de l'optique : les trois couleurs primaires, lorsqu'elles sont mélangées, donnent du blanc.) Ainsi, les quarks, pour lesquels le pouvoir chromatique est le principal, forment des triplets. Mais les quarks, et ils sont subdivisés en tu-quarks (de l'anglais vers le haut) et ré-quarks (de l'anglais down - lower), ils ont aussi une charge électrique égale à tu-quark et pour ré-quark. Deux tu-quark et un ré-quark donnent une charge électrique +1 et forment un proton, et un tu-quark et deux ré-les quarks donnent une charge électrique nulle et forment un neutron.

Les protons et les neutrons stables, attirés les uns vers les autres par les forces de couleur résiduelles de l'interaction entre leurs quarks constitutifs, forment un noyau atomique de couleur neutre. Mais les noyaux portent une charge électrique positive et, en attirant les électrons négatifs qui tournent autour du noyau comme les planètes tournant autour du Soleil, tendent à former un atome neutre. Les électrons sur leurs orbites sont éloignés du noyau à des distances des dizaines de milliers de fois supérieures au rayon du noyau - preuve que les forces électriques qui les maintiennent sont beaucoup plus faibles que les forces nucléaires. En raison de la puissance de l'interaction des couleurs, 99,945% de la masse d'un atome est enfermée dans son noyau. Lester tu- et ré-les quarks ont environ 600 fois la masse d'un électron. Par conséquent, les électrons sont beaucoup plus légers et plus mobiles que les noyaux. Leur mouvement dans la matière provoque des phénomènes électriques.

Il existe plusieurs centaines de variétés naturelles d'atomes (y compris les isotopes) qui diffèrent par le nombre de neutrons et de protons dans le noyau et, par conséquent, par le nombre d'électrons en orbite. Le plus simple est l'atome d'hydrogène, composé d'un noyau sous la forme d'un proton et d'un seul électron tournant autour de lui. Toute matière "visible" dans la nature est constituée d'atomes et d'atomes partiellement "désassemblés", appelés ions. Les ions sont des atomes qui, ayant perdu (ou gagné) quelques électrons, sont devenus des particules chargées. La matière, composée presque d'un seul ion, est appelée plasma. Les étoiles qui brûlent en raison de réactions thermonucléaires se produisant dans les centres sont composées principalement de plasma, et puisque les étoiles sont la forme de matière la plus courante dans l'univers, on peut dire que l'univers entier se compose principalement de plasma. Plus précisément, les étoiles sont principalement constituées d'hydrogène gazeux entièrement ionisé, c'est-à-dire un mélange de protons et d'électrons individuels, et donc presque tout l'univers visible en est constitué.

C'est de la matière visible. Mais il y a encore de la matière invisible dans l'Univers. Et il y a des particules qui agissent comme des porteurs de forces. Il existe des antiparticules et des états excités de certaines particules. Tout cela conduit à une abondance manifestement excessive de particules "élémentaires". Dans cette abondance, on peut trouver une indication de la vraie nature des particules élémentaires et des forces agissant entre elles. Selon les théories les plus récentes, les particules peuvent être essentiellement des objets géométriques étendus - des "chaînes" dans un espace à dix dimensions.

Monde invisible.

Il n'y a pas que de la matière visible dans l'univers (mais aussi des trous noirs et de la "matière noire" comme les planètes froides qui deviennent visibles lorsqu'elles sont illuminées). Il y a aussi une matière vraiment invisible qui nous imprègne tous et l'Univers entier à chaque seconde. C'est un gaz rapide d'un type de particules - les neutrinos électroniques.

Le neutrino électronique est le partenaire de l'électron, mais n'a pas de charge électrique. Les neutrinos ne portent que la charge dite faible. Leur masse au repos est, selon toute vraisemblance, nulle. Mais ils interagissent avec le champ gravitationnel, car ils ont de l'énergie cinétique E, qui correspond à la masse effective m, selon la formule d'Einstein E = Mc 2 , où c est la vitesse de la lumière.

Le rôle clé du neutrino est qu'il contribue à la transformation et-quarks dans ré quarks, entraînant la transformation d'un proton en neutron. Le neutrino joue le rôle "d'aiguille de carburateur" pour les réactions thermonucléaires stellaires, dans lesquelles quatre protons (noyaux d'hydrogène) se combinent pour former un noyau d'hélium. Mais puisque le noyau d'hélium n'est pas constitué de quatre protons, mais de deux protons et de deux neutrons, pour une telle fusion nucléaire, il est nécessaire que deux et- les quarks se sont transformés en deux ré-quark. L'intensité de la transformation détermine la vitesse à laquelle les étoiles vont brûler. Et le processus de transformation est déterminé par des charges faibles et des forces d'interaction faible entre les particules. Où et-quark (charge électrique +2/3, charge faible +1/2), interagissant avec un électron (charge électrique - 1, charge faible -1/2), forme ré-quark (charge électrique -1/3, charge faible -1/2) et neutrino électronique (charge électrique 0, charge faible +1/2). Les charges de couleur (ou simplement les couleurs) des deux quarks s'annulent dans ce processus sans le neutrino. Le rôle du neutrino est d'emporter la charge faible non compensée. Par conséquent, le taux de transformation dépend de la faiblesse des forces faibles. S'ils étaient plus faibles qu'ils ne le sont, alors les étoiles ne brûleraient pas du tout. S'ils étaient plus forts, les étoiles se seraient éteintes depuis longtemps.

Mais qu'en est-il des neutrinos ? Comme ces particules interagissent extrêmement faiblement avec d'autres matières, elles quittent presque immédiatement les étoiles dans lesquelles elles sont nées. Toutes les étoiles brillent, émettant des neutrinos, et les neutrinos brillent à travers nos corps et la Terre entière jour et nuit. Alors ils errent dans l'Univers, jusqu'à entrer, peut-être, dans une nouvelle interaction de l'ETOILE).

Porteurs d'interactions.

Qu'est-ce qui cause les forces qui agissent entre les particules à distance ? La physique moderne répond : grâce à l'échange d'autres particules. Imaginez deux patineurs qui lancent une balle. Donner de l'élan au ballon lors du lancer et recevoir de l'élan avec le ballon reçu, les deux reçoivent une poussée dans la direction de l'autre. Cela peut expliquer l'émergence de forces répulsives. Mais en mécanique quantique, qui considère les phénomènes du micro-monde, un étirement et une délocalisation inhabituels des événements sont autorisés, ce qui conduit, semble-t-il, à l'impossible : l'un des patineurs lance la balle dans la direction de l'autre, mais celui-là quand même peut être attrape cette balle. Il n'est pas difficile d'imaginer que si cela était possible (et dans le monde des particules élémentaires c'est possible), il y aurait attirance entre les patineurs.

Les particules, en raison de l'échange desquelles des forces d'interaction apparaissent entre les quatre «particules de matière» décrites ci-dessus, sont appelées particules de jauge. Chacune des quatre interactions - forte, électromagnétique, faible et gravitationnelle - possède son propre ensemble de particules de jauge. Les particules porteuses d'interaction forte sont les gluons (il n'y en a que huit). Un photon est porteur d'interaction électromagnétique (il en est un, et nous percevons les photons comme de la lumière). Les particules-porteuses de l'interaction faible sont des bosons vecteurs intermédiaires (en 1983 et 1984 ont été découverts O + -, O- -bosons et neutre Z-boson). La particule porteuse de l'interaction gravitationnelle est encore un graviton hypothétique (il doit en être un). Toutes ces particules, à l'exception du photon et du graviton, qui peuvent parcourir des distances infinies, n'existent que dans le processus d'échange entre particules matérielles. Les photons remplissent l'Univers de lumière et les gravitons - d'ondes gravitationnelles (pas encore détectées avec certitude).

Une particule capable d'émettre des particules de jauge est dite entourée d'un champ de force approprié. Ainsi, les électrons capables d'émettre des photons sont entourés de particules électriques et champs magnétiques, ainsi que les champs faibles et gravitationnels. Les quarks sont également entourés par tous ces champs, mais aussi par le champ d'interaction forte. Les particules avec une charge de couleur dans le domaine des forces de couleur sont affectées par la force de couleur. Il en va de même pour les autres forces de la nature. Par conséquent, nous pouvons dire que le monde est constitué de matière (particules matérielles) et de champ (particules de jauge). Plus à ce sujet ci-dessous.

Antimatière.

Chaque particule correspond à une antiparticule, avec laquelle la particule peut s'annihiler mutuellement, c'est-à-dire "annihiler", à la suite de quoi de l'énergie est libérée. L'énergie « pure » par elle-même, cependant, n'existe pas ; à la suite de l'annihilation, de nouvelles particules (par exemple des photons) apparaissent, emportant cette énergie.

Une antiparticule a dans la plupart des cas des propriétés opposées par rapport à la particule correspondante : si une particule se déplace vers la gauche sous l'action de champs forts, faibles ou électromagnétiques, alors son antiparticule se déplacera vers la droite. En bref, l'antiparticule a des signes opposés de toutes les charges (sauf la charge de masse). Si une particule est composite, comme, par exemple, un neutron, alors son antiparticule est constituée de composants de signes de charge opposés. Ainsi, un antiélectron a une charge électrique de +1, une charge faible de +1/2 et s'appelle un positron. L'antineutron est composé de et-antiquarks à charge électrique –2/3 et ré-antiquarks à charge électrique +1/3. Les particules véritablement neutres sont leurs propres antiparticules : l'antiparticule du photon est le photon.

Selon les concepts théoriques modernes, chaque particule qui existe dans la nature doit avoir sa propre antiparticule. Et de nombreuses antiparticules, dont des positrons et des antineutrons, ont en effet été obtenues en laboratoire. Les conséquences en sont exceptionnellement importantes et sous-tendent toute la physique expérimentale des particules élémentaires. Selon la théorie de la relativité, la masse et l'énergie sont équivalentes et, sous certaines conditions, l'énergie peut être convertie en masse. Puisque la charge est conservée et que la charge du vide (espace vide) est nulle, n'importe quelle paire de particules et d'antiparticules (avec une charge nette nulle) peut émerger du vide, comme des lapins du chapeau d'un magicien, tant que l'énergie est suffisante pour créer leur Masse.

Des générations de particules.

Des expériences avec des accélérateurs ont montré que le quadruple (quatuor) de particules de matériau se répète au moins deux fois à des valeurs de masse plus élevées. Dans la deuxième génération, la place de l'électron est occupée par le muon (avec une masse environ 200 fois supérieure à la masse de l'électron, mais avec les mêmes valeurs de toutes les autres charges), la place du neutrino électronique est le muon (qui accompagne le muon dans les interactions faibles de la même manière que l'électron accompagne le neutrino électronique), place et- le quark occupe Avec-quark ( charmé), un ré-quark- s-quark ( étrange). A la troisième génération, le quatuor est constitué d'un lepton tau, d'un neutrino tau, t-quark et b-quark.

Lester t- le quark a environ 500 fois la masse du plus léger - ré-quark. Il a été établi expérimentalement qu'il n'existe que trois types de neutrinos légers. Ainsi, soit la quatrième génération de particules n'existe pas du tout, soit les neutrinos correspondants sont très lourds. Ceci est cohérent avec les données cosmologiques, selon lesquelles il ne peut y avoir plus de quatre types de neutrinos légers.

Dans les expériences avec des particules de haute énergie, l'électron, le muon, le tau-lepton et les neutrinos correspondants agissent comme des particules séparées. Ils ne portent pas de charge de couleur et n'entrent que dans des interactions faibles et électromagnétiques. Collectivement, ils sont appelés leptons.

Les quarks, d'autre part, sous l'influence des forces de couleur, se combinent en particules fortement interactives qui dominent la plupart des expériences de physique des hautes énergies. De telles particules sont appelées hadrons. Ils comprennent deux sous-classes : baryons(par exemple, proton et neutron), qui sont constitués de trois quarks, et mésons composé d'un quark et d'un antiquark. En 1947, le premier méson, appelé pion (ou pi-méson), a été découvert dans les rayons cosmiques, et pendant un certain temps, on a cru que l'échange de ces particules - raison principale forces nucléaires. Les hadrons oméga-moins, découverts en 1964 au Brookhaven National Laboratory (USA), et la particule j-psy ( J/y-méson), découvert simultanément à Brookhaven et au Stanford Center for Linear Accelerators (également aux États-Unis) en 1974. L'existence de la particule oméga-moins a été prédite par M. Gell-Mann dans son soi-disant " SU 3-théorie" (un autre nom est la "voie octuple"), dans laquelle la possibilité de l'existence de quarks a été suggérée pour la première fois (et ce nom leur a été donné). Une décennie plus tard, la découverte de la particule J/y confirmé l'existence Avec-quark et a finalement fait croire à la fois au modèle des quarks et à la théorie combinant les forces électromagnétiques et faibles ( voir ci-dessous).

Les particules des deuxième et troisième générations ne sont pas moins réelles que celles de la première. Certes, après avoir surgi, ils se désintègrent en millionièmes ou milliardièmes de seconde en particules ordinaires de la première génération: un électron, un neutrino électronique, et aussi et- et ré-quarks. La question de savoir pourquoi il existe plusieurs générations de particules dans la nature reste un mystère.

Différentes générations de quarks et de leptons sont souvent décrites (ce qui est, bien sûr, quelque peu excentrique) comme différentes "saveurs" de particules. La nécessité de les expliquer s'appelle le problème de la "saveur".

BOSONS ET FERMIONS, CHAMP ET SUBSTANCE

L'une des différences fondamentales entre les particules est la différence entre les bosons et les fermions. Toutes les particules sont divisées en ces deux classes principales. Comme les bosons peuvent se chevaucher ou se chevaucher, mais comme les fermions ne le peuvent pas. La superposition se produit (ou ne se produit pas) dans les états d'énergie discrets dans lesquels la mécanique quantique divise la nature. Ces états sont, pour ainsi dire, des cellules séparées dans lesquelles les particules peuvent être placées. Ainsi, dans une cellule, vous pouvez mettre n'importe quel nombre de bosons identiques, mais un seul fermion.

A titre d'exemple, considérons de telles cellules, ou "états", pour un électron tournant autour du noyau d'un atome. Contrairement aux planètes système solaire, un électron, selon les lois de la mécanique quantique, ne peut pas circuler sur une orbite elliptique, car il n'y a qu'un nombre discret "d'états de mouvement" autorisés. Des ensembles de tels états, regroupés selon la distance de l'électron au noyau, sont appelés orbitales. Dans la première orbitale, il y a deux états avec des moments cinétiques différents et, par conséquent, deux cellules autorisées, et dans les orbitales supérieures, huit cellules ou plus.

Comme un électron est un fermion, chaque cellule ne peut contenir qu'un seul électron. De là découlent des conséquences très importantes - toute la chimie, puisque les propriétés chimiques des substances sont déterminées par les interactions entre les atomes correspondants. Si vous parcourez le système périodique des éléments d'un atome à l'autre afin d'augmenter le nombre de protons dans le noyau par unité (le nombre d'électrons augmentera également en conséquence), alors les deux premiers électrons occuperont la première orbitale, la les huit suivants seront situés dans le second, etc. Ce changement successif de la structure électronique des atomes d'élément en élément détermine les régularités de leurs propriétés chimiques.

Si les électrons étaient des bosons, alors tous les électrons d'un atome pourraient occuper la même orbitale correspondant à l'énergie minimale. Dans ce cas, les propriétés de toute matière dans l'Univers seraient complètement différentes, et sous la forme sous laquelle nous la connaissons, l'Univers serait impossible.

Tous les leptons - électron, muon, tau-lepton et leur neutrino correspondant - sont des fermions. On peut dire la même chose des quarks. Ainsi, toutes les particules qui forment la "matière", principale charge de l'Univers, ainsi que les neutrinos invisibles, sont des fermions. Ceci est assez significatif : les fermions ne peuvent pas se combiner, il en va de même pour les objets monde matériel.

Dans le même temps, toutes les "particules de jauge" échangées entre particules matérielles en interaction et qui créent un champ de forces ( voir au dessus), sont des bosons, ce qui est également très important. Ainsi, par exemple, de nombreux photons peuvent être dans le même état, formant un champ magnétique autour d'un aimant ou un champ électrique autour d'une charge électrique. Grâce à cela, un laser est également possible.

Tournoyer.

La différence entre les bosons et les fermions est liée à une autre caractéristique des particules élémentaires - retour. Aussi surprenant que cela puisse paraître, toutes les particules fondamentales ont leur propre moment cinétique ou, en d'autres termes, tournent autour de leur propre axe. Moment angulaire - caractéristique mouvement rotatif, ainsi que l'impulsion totale - translationnelle. Dans toute interaction, le moment cinétique et la quantité de mouvement sont conservés.

Dans le microcosme, le moment cinétique est quantifié, c'est-à-dire prend des valeurs discrètes. Dans les unités appropriées, les leptons et les quarks ont un spin égal à 1/2, et les particules de jauge ont un spin égal à 1 (sauf pour le graviton, qui n'a pas encore été observé expérimentalement, mais devrait théoriquement avoir un spin égal à 2). Étant donné que les leptons et les quarks sont des fermions et que les particules de jauge sont des bosons, on peut supposer que la "fermionicité" est associée au spin 1/2 et que la "bosonicité" est associée au spin 1 (ou 2). En effet, l'expérience et la théorie confirment que si une particule a un spin demi-entier, alors c'est un fermion, et si c'est un nombre entier, alors c'est un boson.

THÉORIES DE JAUGE ET GÉOMÉTRIE

Dans tous les cas, les forces sont dues à l'échange de bosons entre fermions. Ainsi, la force de couleur de l'interaction entre deux quarks (quarks - fermions) est due à l'échange de gluons. Un tel échange a constamment lieu dans les protons, les neutrons et les noyaux atomiques. De la même manière, les photons échangés entre électrons et quarks créent des forces d'attraction électrique qui retiennent les électrons dans un atome, et les bosons vecteurs intermédiaires échangés entre leptons et quarks créent des forces d'interaction faibles responsables de la conversion des protons en neutrons lors des réactions thermonucléaires dans les étoiles.

La théorie d'un tel échange est élégante, simple et probablement correcte. On l'appelle théorie de jauge. Mais à l'heure actuelle, il n'existe que des théories de jauge indépendantes des interactions fortes, faibles et électromagnétiques et une théorie de jauge de la gravité similaire à celles-ci, bien que différente à certains égards. L'un des problèmes physiques les plus importants est la réduction de ces théories séparées en une seule et en même temps théorie simple, dans laquelle tous deviendraient différents aspects d'une même réalité - comme les facettes d'un cristal.

La plus simple et la plus ancienne des théories de jauge est la théorie de jauge de l'interaction électromagnétique. Dans celui-ci, la charge d'un électron est comparée (calibrée) avec la charge d'un autre électron éloigné de lui. Comment comparer les charges ? Vous pouvez, par exemple, rapprocher le deuxième électron du premier et comparer leurs forces d'interaction. Mais la charge d'un électron ne change-t-elle pas lorsqu'il se déplace vers un autre point de l'espace ? La seule façon de vérifier est d'envoyer un signal de l'électron proche à l'électron éloigné et de voir comment il réagit. Le signal est une particule de jauge - un photon. Afin de pouvoir vérifier la charge sur des particules distantes, un photon est nécessaire.

Mathématiquement, cette théorie se distingue par une extrême précision et beauté. Du "principe de jauge" décrit ci-dessus, toute l'électrodynamique quantique (la théorie quantique de l'électromagnétisme) découle, ainsi que la théorie Champ électromagnétique Maxwell est l'une des plus grandes réalisations scientifiques du XIXe siècle.

Pourquoi un principe aussi simple est-il si fructueux ? Apparemment, cela exprime une certaine corrélation Différents composants Univers, permettant des mesures dans l'Univers. En termes mathématiques, le champ est interprété géométriquement comme la courbure d'un espace "interne" concevable. La mesure de la charge est la mesure de la "courbure interne" totale autour de la particule. Les théories de jauge des interactions fortes et faibles ne diffèrent de la théorie de jauge électromagnétique que par la "structure" géométrique interne de la charge correspondante. Lorsqu'on lui a demandé où est exactement ce espace intérieur, tentent de répondre aux théories de champs unifiés multidimensionnels, qui ne sont pas considérées ici.

La physique des particules élémentaires n'est pas encore terminée. Il est encore loin d'être clair si les données disponibles sont suffisantes pour comprendre pleinement la nature des particules et des forces, ainsi que la vraie nature et les dimensions de l'espace et du temps. Avons-nous besoin d'expériences avec des énergies de 10 15 GeV pour cela, ou l'effort de réflexion suffira-t-il ? Il n'y a pas encore de réponse. Mais nous pouvons dire avec confiance que l'image finale sera simple, élégante et belle. Il est possible qu'il n'y ait pas tant d'idées fondamentales : le principe de jauge, les espaces de dimensions supérieures, l'effondrement et l'expansion, et, surtout, la géométrie.

Particules élémentaires, dans signification exacte de ce terme, sont les particules primaires, plus indécomposables, dont, par hypothèse, toute la matière est constituée.

Les particules élémentaires de la physique moderne ne satisfont pas à la définition stricte de l'élémentarité, puisque la plupart d'entre elles, selon les concepts modernes, sont des systèmes composites. La propriété commune de ces systèmes est que Qu'ils ne sont pas des atomes ou des noyaux (sauf pour le proton). Par conséquent, elles sont parfois appelées particules subnucléaires.

Les particules prétendant être les éléments primaires de la matière sont parfois appelées "particules véritablement élémentaires".

La première particule élémentaire découverte est l'électron. Il a été découvert par le physicien anglais Thomson en 1897.

La première antiparticule découverte était le positron - une particule ayant la masse d'un électron, mais une charge électrique positive. Cette antiparticule a été découverte dans les rayons cosmiques par le physicien américain Anderson en 1932.

En physique moderne, le groupe des particules élémentaires comprend plus de 350 particules, pour la plupart instables, et leur nombre ne cesse de croître.

Si les particules élémentaires antérieures se trouvaient généralement dans les rayons cosmiques, depuis le début des années 1950, les accélérateurs sont devenus le principal outil d'étude des particules élémentaires.

Les masses et tailles microscopiques des particules élémentaires déterminent la spécificité quantique de leur comportement : les régularités quantiques sont déterminantes dans le comportement des particules élémentaires.

La propriété quantique la plus importante de toutes les particules élémentaires est leur capacité à naître et à être détruites (émises et absorbées) lorsqu'elles interagissent avec d'autres particules. Tous les processus avec des particules élémentaires passent par une séquence d'actes d'absorption et d'émission.

Différents processus avec des particules élémentaires diffèrent sensiblement dans leur intensité.

Conformément à l'intensité différente du cours de l'interaction des particules élémentaires, elles sont phénoménologiquement divisées en plusieurs classes: fortes, électromagnétiques et faibles. De plus, toutes les particules élémentaires ont une interaction gravitationnelle.

La forte interaction des particules élémentaires provoque des processus qui se déroulent avec la plus grande intensité par rapport aux autres processus et conduit à la connexion la plus forte des particules élémentaires. C'est elle qui détermine la liaison entre les protons et les neutrons dans le noyau des atomes.

L'interaction électromagnétique diffère des autres par la participation d'un champ électromagnétique. Un champ électromagnétique (en physique quantique - un photon) est soit émis, soit absorbé lors de l'interaction, soit transfère l'interaction entre les corps.

L'interaction électromagnétique assure la connexion des noyaux et des électrons dans les atomes et les molécules de matière, et détermine ainsi (sur la base des lois de la mécanique quantique) la possibilité d'un état stable de tels microsystèmes.

Une faible interaction des particules élémentaires provoque des processus très lents avec les particules élémentaires, y compris la désintégration de particules quasi stables.

L'interaction faible est beaucoup plus faible que non seulement l'interaction forte, mais aussi l'interaction électromagnétique, mais beaucoup plus forte que l'interaction gravitationnelle.

L'interaction gravitationnelle des particules élémentaires est la plus faible de toutes connues. L'interaction gravitationnelle à des distances caractéristiques des particules élémentaires donne des effets extrêmement faibles en raison de la petitesse des masses des particules élémentaires.

L'interaction faible est beaucoup plus forte que l'interaction gravitationnelle, mais dans la vie de tous les jours, le rôle de l'interaction gravitationnelle est beaucoup plus perceptible que le rôle de l'interaction faible. En effet, l'interaction gravitationnelle (ainsi que l'interaction électromagnétique) a un rayon d'action infiniment grand. Ainsi, par exemple, les corps situés à la surface de la Terre sont affectés par l'attraction gravitationnelle de tous les atomes qui composent la Terre. L'interaction faible a un rayon d'action si petit qu'elle n'a pas encore été mesurée.

En physique moderne rôle fondamental joue la théorie quantique relativiste des systèmes physiques avec un nombre infini de degrés de liberté - la théorie quantique des champs. Cette théorie est construite pour décrire l'une des propriétés les plus générales du micromonde - la convertibilité mutuelle universelle des particules élémentaires. Pour décrire de tels processus, une transition vers un champ d'ondes quantiques était nécessaire. La théorie quantique des champs est nécessairement relativiste, car si le système est constitué de particules se déplaçant lentement, leur énergie peut ne pas être suffisante pour former de nouvelles particules avec une masse au repos non nulle. Les particules de masse au repos nulle (photon, éventuellement neutrino) sont toujours relativistes, c'est-à-dire se déplaçant toujours à la vitesse de la lumière.

La manière universelle de conduire toutes les interactions, basée sur la symétrie de jauge, permet de les combiner.

La théorie quantique des champs s'est avérée l'appareil le plus adéquat pour comprendre la nature de l'interaction des particules élémentaires et combiner tous les types d'interactions.

L'électrodynamique quantique est la partie de la théorie quantique des champs qui traite de l'interaction d'un champ électromagnétique et de particules chargées (ou d'un champ électron-positon).

À l'heure actuelle, l'électrodynamique quantique est considérée comme faisant partie intégrante de la théorie unifiée des interactions faibles et électromagnétiques.

En fonction de la participation à divers types d'interaction, toutes les particules élémentaires étudiées, à l'exception du photon, sont divisées en deux groupes principaux - les hadrons et les leptons.

Hadrons (du grec - gros, fort) - une classe de particules élémentaires impliquées dans une interaction forte (avec électromagnétique et faible). Leptons (du grec - mince, léger) - une classe de particules élémentaires qui n'ont pas d'interaction forte, ne participant qu'à une interaction électromagnétique et faible. (La présence d'interaction gravitationnelle dans toutes les particules élémentaires, y compris le photon, est implicite).

Il n'y a pas encore de théorie complète des hadrons, pas d'interaction forte entre eux, mais il existe une théorie qui, n'étant ni complète ni universellement reconnue, permet d'expliquer leurs propriétés fondamentales. Cette théorie est la chromodynamique quantique, selon laquelle les hadrons sont constitués de quarks, et les forces entre quarks sont dues à l'échange de gluons. Tous les hadrons découverts sont constitués de quarks de cinq types différents ("saveurs"). Le quark de chaque "saveur" peut être dans trois états de "couleur", ou avoir trois "charges de couleur" différentes.

Si les lois établissant le rapport entre les grandeurs caractérisant système physique, ou déterminant l'évolution de ces grandeurs dans le temps, ne changent pas sous certaines transformations auxquelles le système peut être soumis, alors ces lois sont dites symétriques (ou invariantes) par rapport à ces transformations. Mathématiquement, les transformations de symétrie constituent un groupe.

Dans la théorie moderne des particules élémentaires, le concept de la symétrie des lois par rapport à certaines transformations est le principal. La symétrie est considérée comme un facteur qui détermine l'existence de divers groupes et familles de particules élémentaires.

L'interaction forte est symétrique par rapport aux rotations dans un "espace isotopique" particulier. D'un point de vue mathématique, la symétrie isotopique correspond aux transformations du groupe de symétrie unitaire SU(2). La symétrie isotopique n'est pas une symétrie exacte de la nature, car il est rompu par l'interaction électromagnétique et la différence de masse des quarks.

La symétrie isotopique fait partie d'une symétrie d'interaction forte approchée plus large, la symétrie unitaire SU (3). La symétrie unitaire s'avère beaucoup plus brisée que la symétrie isotopique. Cependant, il est suggéré que ces symétries, qui sont très fortement violées aux énergies atteintes, seront restaurées aux énergies correspondant à la soi-disant "grande unification".

Pour la classe des symétries internes des équations de la théorie des champs (c'est-à-dire les symétries associées aux propriétés des particules élémentaires et non aux propriétés de l'espace-temps), un nom commun est utilisé - symétrie de jauge.

La symétrie de jauge conduit à la nécessité de l'existence de champs vectoriels de jauge dont l'échange de quanta détermine les interactions des particules.

L'idée de symétrie de jauge s'est avérée la plus fructueuse dans la théorie unifiée des interactions faibles et électromagnétiques.

Un problème intéressant de la théorie quantique des champs est l'inclusion de l'interaction forte ("grande unification") dans un schéma de jauge unifié.

Autre direction prometteuse l'unification est considérée comme une symétrie de superjauge, ou simplement une supersymétrie.

Dans les années 60, les physiciens américains S. Weinberg, S. Glashow, le physicien pakistanais A. Salam et d'autres ont créé théorie unifiée interactions faibles et électromagnétiques, appelées plus tard la théorie standard de l'interaction électrofaible. Dans cette théorie, avec le photon, qui réalise l'interaction électromagnétique, apparaissent des bosons vecteurs intermédiaires - des particules qui portent l'interaction faible. Ces particules ont été découvertes expérimentalement en 1983 au CERN.

La découverte expérimentale de bosons vecteurs intermédiaires confirme l'exactitude de l'idée de base (de jauge) de la théorie standard de l'interaction électrofaible.

Cependant, pour tester la théorie dans son intégralité, il est également nécessaire d'étudier expérimentalement le mécanisme de la rupture spontanée de symétrie. Si ce mécanisme est réellement mis en œuvre dans la nature, il doit alors exister des bosons scalaires élémentaires - les soi-disant bosons de Higgs. La théorie électrofaible standard prédit l'existence d'au moins un boson scalaire.

Il n'y a pas de définition claire du concept de « particule élémentaire » ; Habituellement, seuls un certain ensemble de valeurs de grandeurs physiques caractérisant ces particules, et certaines propriétés distinctives très importantes de celles-ci, sont indiquées. Les particules élémentaires ont :

1) charge électrique

2) moment cinétique ou spin approprié

3) moment magnétique

4) propre masse - "masse au repos"

À l'avenir, d'autres grandeurs caractérisant les particules pourraient être trouvées, cette liste des principales propriétés des particules élémentaires ne doit donc pas être considérée comme complète.

Cependant, toutes les particules élémentaires (dont la liste est donnée ci-dessous) ne possèdent pas l'ensemble complet des propriétés ci-dessus : certaines d'entre elles n'ont qu'une charge électrique et une masse, mais n'ont pas de spin (pions et kaons chargés) ; d'autres particules ont une masse, un spin et un moment magnétique, mais pas de charge électrique (neutron, hypéron lambda); d'autres n'ont que de la masse (pions neutres et kaons) ou que du spin (photons, neutrinos). Pour les particules élémentaires, la présence d'au moins une des propriétés énumérées ci-dessus est obligatoire. Notez que les particules de matière les plus importantes - les pistes et les électrons - sont caractérisées par un ensemble complet de ces propriétés. Il faut souligner que la charge électrique et le spin sont des propriétés fondamentales des particules de matière, c'est-à-dire que leurs valeurs numériques restent constantes dans toutes les conditions.

PARTICULES ET ANTIPARTICULES

Chaque particule élémentaire a son opposé - "antiparticule". La masse, le spin et le moment magnétique de la particule et de l'antiparticule sont les mêmes, mais si la particule a une charge électrique, alors son antiparticule a une charge de signe opposé. Le proton, le positron et l'antineutron ont les mêmes moments magnétiques et spins, tandis que l'électron, le neutron et l'antiproton ont des orientations opposées.

L'interaction d'une particule avec son antiparticule diffère considérablement de l'interaction avec d'autres particules. Cette différence s'exprime dans le fait qu'une particule et son antiparticule sont capables d'annihilation, c'est-à-dire un processus dans lequel elles disparaissent et d'autres particules apparaissent à la place. Ainsi, par exemple, à la suite de l'annihilation d'un électron et d'un positon, des photons, des protons et des antiprotons-pions, etc. apparaissent.

DURÉE DE VIE

La stabilité n'est pas une caractéristique obligatoire des particules élémentaires. Seuls l'électron, le proton, le neutrino et leurs antiparticules, ainsi que les photons, sont stables. Le reste des particules se transforme en particules stables soit directement, comme cela arrive par exemple avec un neutron, soit par une chaîne de transformations successives ; par exemple, un pion négatif instable se transforme d'abord en un muon et un neutrino, puis un muon se transforme en un électron et un autre neutrino :

Les symboles désignent les neutrinos et antineutrinos "muoniques", qui sont différents des neutrinos et antineutrinos "électroniques".

L'instabilité des particules est estimée par la durée de leur existence depuis le moment de la « naissance » jusqu'au moment de la désintégration ; ces deux points dans le temps sont marqués par des traces de particules dans les configurations de mesure. En présence d'un grand nombre d'observations de particules d'une « sorte » donnée, on calcule soit la « durée de vie moyenne », soit la demi-période de décroissance.

vous pouvez calculer la durée de vie moyenne (pendant laquelle le nombre de particules diminue d'un facteur) et la demi-vie

(pendant laquelle ce nombre est divisé par deux).

Il est intéressant de noter que :

1) toutes les particules non chargées, à l'exception des neutrinos et des photons, sont instables (les neutrinos et les photons se distinguent parmi les autres particules élémentaires en ce qu'ils n'ont pas leur propre masse au repos) ;

2) parmi les particules chargées, seuls l'électron et le proton (et leurs antiparticules) sont stables.

Voici une liste des particules les plus importantes (leur nombre ne cesse d'augmenter à l'heure actuelle) avec indication des appellations et principales

Propriétés; la charge électrique est généralement donnée en unités élémentaires masse - en unités de masse électronique spin - en unités

(voir scan)

CLASSIFICATION DES PARTICULES

L'étude des particules élémentaires a montré que leur regroupement selon les valeurs des propriétés principales (charge, masse, spin) est insuffisant. Il s'est avéré nécessaire de diviser ces particules en "familles" essentiellement différentes :

1) photons, 2) leptons, 3) mésons, 4) baryons

et introduire de nouvelles caractéristiques des particules qui montreraient qu'une particule donnée appartient à l'une de ces familles. Ces caractéristiques sont classiquement appelées "charges" ou "chiffres". Il existe trois types de frais :

1) charge lepton-électronique;

2) charge lepton-muon

3) charge baryonique

Des valeurs numériques sont données à ces charges : et -1 (les particules ont un signe plus, les antiparticules ont un signe moins ; les photons et les mésons ont des charges nulles).

Les particules élémentaires obéissent aux deux règles suivantes :

chaque particule élémentaire appartient à une seule famille et est caractérisée par une seule des charges (nombres) ci-dessus.

Par exemple:

Cependant, un certain ensemble de particules différentes peut appartenir à une même famille de particules élémentaires ; Par exemple, le groupe des baryons comprend le proton, le neutron et grand nombre hypérons. Nous présentons la division des particules élémentaires en familles :

les leptons « électroniques » : il s'agit notamment de l'électron positron, du neutrino électronique et de l'électron antineutrino

Leptons « muoniques » : Il s'agit des muons de charge électrique négative et positive et des neutrinos et antineutrinos muoniques, notamment le proton, le neutron, les hypérons et toutes leurs antiparticules.

L'existence ou l'absence d'une charge électrique n'est associée à l'appartenance à aucune des familles répertoriées. On note que toutes les particules dont le spin est égal à 1/2 ont nécessairement l'une des charges ci-dessus. Les photons (ayant un spin égal à l'unité), les mésons - pions et les kaons (dont le spin est égal à zéro) n'ont ni charge de lepton ni de baryon.

Dans tout phénomènes physiques, dans lequel les particules élémentaires participent - aux processus de désintégration; naissance, anéantissement et transformations mutuelles, - la deuxième règle est observée :

les sommes algébriques des nombres pour chaque type de charge séparément sont toujours maintenues constantes.

Cette règle est équivalente à trois lois de conservation :

Ces lois signifient également que les transformations mutuelles entre particules appartenant à des familles différentes sont interdites.

Pour certaines particules - kaons et hyperons - il s'est avéré nécessaire d'introduire en plus une autre caractéristique appelée étrangeté et notée Kaons ont des hyperons lambda et sigma - xi-hypérons - (signe supérieur pour les particules, signe inférieur pour les antiparticules). Dans les processus dans lesquels l'apparition (naissance) de particules étranges est observée, la règle suivante est observée:

La loi de conservation de l'étrangeté. Cela signifie que l'apparition d'une particule étrange doit nécessairement s'accompagner de l'apparition d'une ou plusieurs antiparticules étranges, de sorte que la somme algébrique des nombres avant et après

le processus de naissance est resté constant. Il a également été noté que la loi de conservation de l'étrangeté n'est pas observée dans la désintégration des particules étranges, c'est-à-dire que cette loi n'est valable que dans les processus de production de particules étranges. Ainsi, pour les particules étranges, les processus de création et de désintégration sont irréversibles. Par exemple, un hypéron lambda (l'étrangeté équivaut à se désintègre en un proton et un pion négatif :

Dans cette réaction, la loi de conservation de l'étrangeté n'est pas respectée, puisque le proton et le pion obtenus après la réaction ont des étrangetés égales à zéro. Cependant, dans la réaction inverse, lorsqu'un pion négatif entre en collision avec un proton, un seul hypéron lambda n'apparaît pas; la réaction se poursuit par la formation de deux particules de bizarreries de signes opposés :

Par conséquent, dans la réaction de naissance lambda-hypéron, la loi de conservation de l'étrangeté est observée : avant et après la réaction, la somme algébrique des nombres "étranges" est égale à zéro. Une seule réaction de désintégration est connue dans laquelle la constance de la somme des nombres étranges est satisfaite - il s'agit de la désintégration d'un hyperon sigma neutre en un hyperon lambda et un photon :

Une autre caractéristique des particules étranges est la nette différence entre la durée des processus de production (de l'ordre de ) et le temps moyen de leur existence (environ ) ; pour les autres particules (non étranges), ces temps sont du même ordre.

Notons que la nécessité d'introduire des nombres ou charges leptoniques et baryoniques et l'existence des lois de conservation ci-dessus nous font supposer que ces charges expriment une différence qualitative entre particules de types différents, ainsi qu'entre particules et antiparticules. Le fait qu'il soit nécessaire d'attribuer des charges de signes opposés aux particules et aux antiparticules indique l'impossibilité de transformations mutuelles entre elles.

PARTICULES ÉLÉMENTAIRES

Introduction

E. h., au sens exact de ce terme, sont des particules primaires, indécomposables, dont, par hypothèse, toute matière est constituée. Dans le concept de "E. h." dans le moderne la physique trouve son expression dans l'idée d'entités primitives qui déterminent toutes les propriétés observables du monde matériel, une idée qui est née dans les premiers stades de la formation des sciences naturelles et a toujours joué rôle important dans son développement.

Le concept de "E. h." a été formé en relation étroite avec l'établissement de la nature discrète de la structure de la matière sur le microscopique. niveau. Découverte au tournant des XIXe-XXe siècles. les plus petits porteurs des propriétés de la matière - molécules et atomes - et l'établissement du fait que les molécules sont construites à partir d'atomes, ont permis pour la première fois de décrire toutes les substances observées comme des combinaisons d'un nombre fini, bien que grand, de structures composants - atomes. L'identification plus poussée des éléments constitutifs des atomes - électrons et noyaux, l'établissement de la nature complexe des noyaux eux-mêmes, qui se sont avérés être construits à partir de seulement deux particules (nucléons): les protons et les neutrons, ont considérablement réduit le nombre d'éléments discrets qui forment les propriétés de la matière, et a donné des raisons de supposer que les éléments constitutifs de la chaîne de la matière se terminent par des formations discrètes sans structure - E. h. 20ième siècle la possibilité d'interpréter e-magn. champ comme une collection de particules spéciales - photons - a en outre renforcé la conviction de la justesse de cette approche.

Néanmoins, l'hypothèse formulée, d'une manière générale, est une extrapolation de faits connus et ne peut en aucun cas être justifiée. Il est impossible d'affirmer avec certitude que des particules élémentaires au sens de la définition ci-dessus existent. Il est également possible que l'énoncé "se compose de ..." à un certain stade de l'étude de la matière soit dépourvu de contenu. Dans ce cas, la définition d'"élémentaire" donnée ci-dessus devra être abandonnée. L'existence de E. h. est une sorte de postulat, et la vérification de sa validité est l'une des tâches critiques la physique.

En règle générale, le terme "E. h." utilisé dans le moderne physique, pas dans son sens exact, mais moins strictement - pour le nom grand groupe les plus petites particules observables de matière, à condition qu'elles ne soient pas des atomes ou des noyaux atomiques, c'est-à-dire des objets de nature délibérément composite (à l'exception du proton - le noyau de l'atome d'hydrogène). Des études ont montré que ce groupe de particules est exceptionnellement étendu. En dehors de proton(R), neutron(n), électron(e) et photon(g) il comprend : mésons pi(p), muons(m), leptons tau(t), neutrino trois sortes (v e , v moi, v t), soi-disant. particules étranges ( Mésons K et hypérons), particules charmées et belles (belles) particules (les mésons D et B et les baryons), divers résonances, y compris mésons avec charme caché et charme ( particules ncu, particules upsilon) et, enfin, ouvert au début. années 80 bosons vecteurs intermédiaires (W, Z)- plus de 350 particules au total, principalement instable. Le nombre de particules incluses dans ce groupe au fur et à mesure de leur découverte ne cesse de croître, et on peut affirmer avec confiance qu'il continuera de croître. De toute évidence, un si grand nombre de particules ne peuvent pas agir comme constituants élémentaires de la matière, et en effet, dans les années 70. il a été démontré que la plupart des particules répertoriées (tous les mésons et les baryons) sont des systèmes composites. Les particules incluses dans ce dernier groupe devraient être plus précisément appelées particules "subnucléaires", car elles représentent des formes spécifiques de l'existence de la matière qui ne s'agrègent pas en noyaux. L'utilisation du nom "E. h." par rapport à toutes les particules mentionnées a dans l'ensemble. l'histoire, les causes et est associée à la période de la recherche (début des années 30), quand l'unité. les représentants connus de ce groupe étaient les protons, les neutrons, les électrons et les particules el-magn. champs - photons. Alors, avec un certain droit, ces particules pourraient revendiquer le rôle d'E. h.

La découverte de nouveaux microscopiques les particules ont progressivement détruit ce une simple image la structure de la matière. Cependant, les particules nouvellement découvertes dans leurs propriétés étaient à plusieurs égards proches des quatre premières particules connues : soit du proton et du neutron, soit de l'électron, soit du photon. Tant que le nombre de telles particules n'était pas très grand, la croyance a été maintenue qu'elles jouaient toutes le rôle principal. rôle dans la structure de la matière, et ils ont été inclus dans la catégorie de E. h. Avec une augmentation du nombre de particules, cette croyance a dû être abandonnée, mais traditionnellement. Nom "E. h." gardé derrière eux.

Conformément à la pratique établie, le terme "E. h." sera utilisé ci-dessous comme nom commun pour tous les plus petites particules question. Dans les cas où nous parlons de particules qui prétendent être les éléments primaires de la matière, le terme "vrai" sera utilisé si nécessaire. particules élémentaires".

Brèves informations historiques

La découverte d'E. h. était un résultat naturel du succès général dans l'étude de la structure de la matière, obtenu par la physique en con. 19ème siècle Il a été préparé par des études détaillées des spectres des atomes, l'étude de l'électricité. phénomènes dans les liquides et les gaz, découverte de la photoélectricité, rayons X. rayons, naturel radioactivité, indiquant l'existence d'une structure complexe de la matière.

Historiquement, le premier E. h ouvert était un électron - le porteur d'un élément électrique négatif. charge en atomes. En 1897, J. J. Thomson (J. J. Thomson) a montré de manière convaincante que le soi-disant. les rayons cathodiques sont un flux de charge. particules, to-rye furent plus tard appelées électrons. En 1911, E. Rutherford, sautant particules alpha de la nature. radioactif source à travers une feuille mince déc. substances, est venu à la conclusion qu'il mettrait. la charge dans les atomes est concentrée dans des formations compactes - les noyaux, et en 1919, il découvrit parmi les particules éliminées des noyaux atomiques, les protons - des particules avec un seul positif. charge et masse, 1840 fois la masse d'un électron. Une autre particule faisant partie du noyau, le neutron, a été découverte en 1932 par J. Chadwick lors de l'étude de l'interaction des particules a avec le béryllium. Le neutron a une masse proche de celle du proton, mais n'a pas de charge électrique. charge. La découverte du neutron a complété l'identification des particules, qui sont les éléments structuraux des atomes et de leurs noyaux.

La conclusion sur l'existence des particules e-magn. champ - photon - trouve son origine dans les travaux de M. Planck (M. Planck, 1900). Pour obtenir une description correcte du spectre de rayonnement d'un corps absolument noir, Planck a été contraint d'admettre que l'énergie de rayonnement est divisée en deux. portions (quanta). Développant l'idée de Planck, A. Einstein suggéra en 1905 qu'el-magn. le rayonnement est un flux de quanta (photons) et explique sur cette base les lois de l'effet photoélectrique. Expériences directes. des preuves de l'existence du photon ont été données par R. Millikan en 1912-15 lors de l'étude de l'effet photoélectrique et par A. Compton en 1922 lors de l'étude de la diffusion des g-quanta par les électrons (cf. Effet Compton).

L'idée de l'existence d'un neutrino, une particule qui n'interagit que faiblement avec la matière, appartient à W. Pauli (1930), qui a souligné qu'une telle hypothèse permet d'éliminer les difficultés avec la loi de conservation de l'énergie dans les processus de désintégration bêta d'un acte radio. noyaux. L'existence de neutrinos a été confirmée expérimentalement dans l'étude du processus de désintégration bêta seulement en 1956 [F. Reines (F. Reines) et K. Cowan (S. Cowan)].

Des années 30 au début années 50 l'étude d'E. h. était étroitement liée à l'étude rayons cosmiques. En 1932, dans le cadre du cosmique. rayons par K. Anderson (S. Anderson) a été découvert positron(e +) - une particule avec une masse électronique, mais avec un positif, électrique. charge. Le positon a été le premier à être découvert antiparticule. L'existence du positron découle directement de la théorie relativiste de l'électron développée par P. Dirac en 1928-31 peu avant la découverte du positron. En 1936, Anderson et S. Neddermeyer (S. Neddermeyer) se sont retrouvés dans l'étude de l'espace. rayons muons (des deux signes de charge électrique) - particules d'une masse d'environ 200 masses d'électron, mais par ailleurs remarquablement proches en propriétés.

En 1947, également dans l'espace. rayons par le groupe de S. Powell (S. Powell) ont été découverts p + - et p - mésons d'une masse de 274 masses d'électrons, qui jouent un rôle important dans l'interaction des protons avec les neutrons dans les noyaux. L'existence de telles particules a été proposée par H. Yukawa en 1935.

Con. début des années 40 années 50 ont été marqués par la découverte d'un grand groupe de particules aux propriétés inhabituelles, appelées. "bizarre". Les premières particules de ce groupe - les mésons K + - et K -, les hyperons L - ont été découvertes dans l'espace. rayons, des découvertes ultérieures de particules étranges ont été faites sur accélérateurs de particules- des installations créant des flux intenses de protons et d'électrons de haute énergie. Lors d'une collision avec la matière, des protons et des électrons accélérés donnent naissance à de nouveaux E. h., to-rye sont alors enregistrés à l'aide de détecteurs complexes.

Depuis le début années 50 les accélérateurs sont devenus les principaux. outil pour l'étude de E. h. Dans les années 90. Max. les énergies des particules accélérées par les accélérateurs s'élevaient à des centaines de milliards d'électronvolts (GeV), et le processus d'augmentation des énergies se poursuit. Le désir d'augmenter les énergies des particules accélérées est dû au fait que cette voie ouvre la possibilité d'étudier la structure de la matière à des distances plus courtes, plus l'énergie des particules en collision est élevée, ainsi que la possibilité de produire plus et particules plus lourdes. Les accélérateurs ont considérablement augmenté le taux d'obtention de nouvelles données et, en court termeélargi et enrichi notre connaissance des propriétés du micromonde.

La mise en service d'accélérateurs de protons aux énergies de plusieurs milliards d'eV a permis de découvrir des antiparticules lourdes : antiproton (1955), antineutron(1956), antisigmagi-peron (1960). En 1964, la particule la plus lourde du groupe des hypérons, W, a été découverte (avec une masse d'environ deux masses d'un proton).

Depuis les années 60. à l'aide d'accélérateurs, un grand nombre de particules extrêmement instables (par rapport à d'autres E. h. instables), qui ont reçu le nom. résonances. Les masses de la plupart dépassent la masse d'un proton. [Le premier d'entre eux, D (1232), qui se désintègre en un méson p et un nucléon, est connu depuis 1953.] Il s'est avéré que les résonances sont principales. partie de E. h.

En 1974, des particules psi massives (3-4 masses de protons) et en même temps relativement stables ont été découvertes, avec une durée de vie environ 10 3 fois plus longue que la durée de vie typique des résonances. Ils se sont avérés étroitement apparentés à la nouvelle famille des E. h. charmés, dont les premiers représentants (mésons D, L Avec-baryons) ont été découverts en 1976.

En 1977, des particules upsilon encore plus lourdes (environ 10 masses de protons) ont été découvertes, ainsi que des particules psi, qui sont anormalement stables pour des particules d'aussi grandes masses. Ils annonçaient l'existence d'une autre famille inhabituelle de belles particules. Ses représentants - les mésons B - ont été découverts en 1981-83, L b-baryons - en 1992.

En 1962, on a découvert qu'il n'existe pas dans la nature un seul type de neutrinos, mais au moins deux : électronique v e et muonique v m. 1975 a vu la découverte du t-lepton, une particule presque 2 fois plus lourde qu'un proton, mais répétant par ailleurs les propriétés d'un électron et d'un muon. Il est vite devenu clair qu'un autre type de neutrino lui était associé. v t.

Enfin, en 1983, au cours d'expériences au collisionneur proton-antiproton (appareil permettant de faire entrer en collision des faisceaux de particules accélérées), les particules électroniques connues les plus lourdes ont été découvertes : les bosons intermédiaires chargés W b (m W 80 GeV) et un boson neutre intermédiaire Z 0 (m Z = 91 GeV).

Ainsi, en près de 100 ans qui se sont écoulés depuis la découverte de l'électron, un grand nombre de microparticules de matière diverses ont été découvertes. Le monde d'E. h. s'est avéré assez compliqué. Inattendu dans beaucoup les relations se sont avérées être les propriétés de la découverte E. h. Pour les décrire, en plus des caractéristiques empruntées au classique. physique, comme l'électricité charge, masse, moment cinétique, il a fallu beaucoup de nouvelles spéciales pour être introduites. caractéristiques, en particulier pour décrire l'étrange, enchanté et charmant (beau) E. h. étrangeté[À. Nishijima (K. Nishijima), M. Gell-Mann (M. Gell-Mann), 1953], le charme[J. Bjorken (J. Bjorken), Sh. Glashow (Sh. Glashow), 1964], la beauté. Les noms des caractéristiques ci-dessus reflètent déjà la nature inhabituelle des propriétés qu'ils décrivent.

L'étude de l'intérieur Dès ses premiers pas, l'évolution de la matière et des propriétés s'est accompagnée d'une révision radicale de nombreux concepts et idées établis. Les lois qui régissent le comportement de la matière dans le petit se sont avérées si différentes des lois du classique. mécanique et celle exigée pour leur description complètement nouvelle théorique. constructions. Ces nouvelles théories étaient, tout d'abord, privées (spéc.) théorie de la relativité(Einstein, 1905) et mécanique quantique(H. Bohr, L. de Broglie, W. Heisenberg, E. Schrödinger, M. Born; 1924-27). La théorie de la relativité et la mécanique quantique ont marqué une véritable révolution dans la science de la nature et jeté les bases pour décrire les phénomènes du micromonde. Cependant, il ne suffisait pas de décrire les processus se produisant avec E. h. Il a franchi l'étape suivante - la quantification du classique. champs (soi-disant. seconde quantification) et développement théorie quantique des champs. Les étapes les plus importantes sur la voie de son développement ont été : la formulation électrodynamique quantique(Dirac, 1929), la théorie quantique de la désintégration bêta [E. Fermi (E. Fermi), 1934] - les précurseurs du moderne. théorie phénoménologique des interactions faibles, mésodynamique quantique (X. Yukawa, 1935). Cette période s'est terminée par la création d'une succession. calculer. appareil d'électrodynamique quantique [S. Tomona-ga (S. Tomonaga), P. Feynman (R. Feynman), J. Schwinger (J. Schwinger); 1944-49], basée sur l'utilisation de la technologie renormalisation Cette technique a ensuite été généralisée à d'autres variantes de la théorie quantique des champs.

Une étape essentielle dans le développement ultérieur de la théorie quantique des champs a été associée au développement d'idées sur le soi-disant. champs d'étalonnage ou Yanga - Champs de moulins(Ch. Young, P. Mills, 1954), qui a permis d'établir la relation de propriétés symétrie interactions avec les terrains. La théorie quantique des champs de jauge est actuellement à la base de la description des interactions des électroaimants.Cette théorie a un certain nombre de succès sérieux, et pourtant elle est encore très loin d'être complète et ne peut pas encore prétendre au rôle d'une théorie globale de l'électromagnétisme. restructuration de toutes les idées et une compréhension beaucoup plus profonde de la relation entre les propriétés des microparticules et les propriétés de l'espace-temps avant qu'une telle théorie ne soit construite.

Propriétés fondamentales des particules élémentaires. Cours d'interaction

Tous les électrons sont des objets de masses et de tailles exceptionnellement petites. Pour la plupart d'entre eux, les masses m sont de l'ordre de grandeur de la masse du proton, égales à 1,6.10 -24 g (seule la masse de l'électron est sensiblement inférieure : 9.10 -28 g). Les tailles des protons, des neutrons, des mésons p et K déterminées par expérience sont égales en ordre de grandeur à 10 -13 cm (voir Fig. "Taille" d'une particule élémentaire). Il n'a pas été possible de déterminer les dimensions de l'électron et du muon, on sait seulement qu'elles sont inférieures à 10 -16 cm au microscope. Les masses et les dimensions d'E. h. sous-tendent la spécificité quantique de leur comportement. caractéristique longueurs d'onde, qu'il faudrait attribuer à E. h. en théorie quantique (= /ts-longueur d'onde de Compton), qui sont proches en ordre de grandeur des tailles typiques sur lesquelles s'effectue leur interaction (par exemple, pour le p-méson /ts 1,4 10 -13 cm). Cela conduit au fait que les régularités quantiques sont déterminantes dans le comportement de E. h.

Naïb. Une propriété quantique importante de tous les électrons est leur capacité à naître et à être détruits (émis et absorbés) lorsqu'ils interagissent avec d'autres particules. À cet égard, ils sont complètement analogues aux photons. E. h. est spécifique. quanta de matière, plus précisément - quanta du correspondant domaines de la physique. Tous les processus avec E. h. passent par une séquence d'actes d'absorption et d'émission. Ce n'est que sur cette base que l'on peut comprendre, par exemple, le processus de production du méson p + dans la collision de deux protons (p + pp + n + p +) ou le processus d'un électron et d'un positron, lorsque, par exemple, deux g-quanta apparaissent à la place des particules disparues (e + +e - g + g). Mais aussi les processus de diffusion élastique des particules, par exemple. e- + p- > e - + p, sont également associés à l'absorption du début. particules et la naissance des particules finies. La désintégration des particules électroniques instables en particules plus légères, accompagnée de la libération d'énergie, correspond à la même régularité et est un processus dans lequel les produits de désintégration naissent au moment de la désintégration elle-même et n'existent pas jusqu'à ce moment. À cet égard, la désintégration de Eh est similaire à la désintégration d'un atome excité dans le principal. état et photon. Des exemples de désintégrations de particules d'électrons peuvent servir (le signe "tilde" au-dessus du symbole de particule ici et dans ce qui suit correspond à l'antiparticule).

Diff. Les processus électromagnétiques à des énergies relativement basses [jusqu'à 10 GeV dans le système du centre de masse (c.m.)] diffèrent sensiblement dans l'intensité de leur apparition. Conformément à cela, les interactions qui les génèrent E. h. peuvent être phénoménologiquement divisées en plusieurs. Des classes: interaction forte, interaction électromagnétique et interaction faible.Tous les E. h. possèdent, en plus, interaction gravitationnelle.

L'interaction forte se distingue comme une interaction, une coupure est responsable des processus avec E. h., se déroulant avec la plus grande intensité par rapport aux autres processus. Cela conduit à la connexion la plus forte E. h. C'est l'interaction forte qui détermine la connexion des protons et des neutrons dans les noyaux des atomes et constitue une exception. la force de ces formations, qui sous-tend la stabilité de la matière dans les conditions terrestres.

El-magn. l'interaction est caractérisée comme une interaction dont la base est la connexion avec e-magn. champ. Les processus qui en résultent sont moins intenses que les processus d'interaction forte et la connexion E. h. générée par celui-ci est sensiblement plus faible. El-magn. l'interaction, en particulier, est responsable des processus d'émission de photons, de la liaison des électrons atomiques avec les noyaux et de la liaison des atomes dans les molécules.

Une interaction faible, comme son nom l'indique, a peu d'effet sur le comportement d'E. h. ou provoque des processus très lents de changement d'état. Cette affirmation peut être illustrée, par exemple, par le fait que les neutrinos, qui ne participent qu'aux interactions faibles, pénètrent librement, par exemple, l'épaisseur de la Terre et du Soleil. L'interaction faible est responsable des désintégrations relativement lentes de la soi-disant. quasi-stable E. h. En règle générale, les durées de vie de ces particules se situent dans la plage de 10 -8 -10 -12 s, tandis que les temps de transition typiques pour l'interaction forte de E. h. sont de 10 -23 s.

La gravité interactions, bien connues pour leur macroscopie. manifestations, dans le cas d'E. h., en raison de l'extrême petitesse de leurs masses à des distances caractéristiques de ~ 10 -13 cm, elles donnent des effets exceptionnellement faibles. Ils ne seront pas discutés plus avant (à l'exception de la section 7).

"Force" déc. les classes d'interactions peuvent être approximativement caractérisées par des paramètres sans dimension associés aux carrés des constantes d'interaction. Pour fort, e-magn., Faible et gravitationnel. interactions de protons à une énergie de processus ~ 1 GeV BC. c. M. ces paramètres sont liés comme 1:10 -2:10 -10:10 -38. La nécessité de préciser cf. l'énergie du processus est liée au fait que dans le phénoménologique. théorie de l'interaction faible, le paramètre sans dimension dépend de l'énergie. De plus, l'intensité de déc. les processus dépendent de l'énergie de manière très différente, et la théorie phénoménologique de l'interaction faible aux énergies de grande M F avec. c. m cesse d'être juste. Tout cela mène à ce qui s'y rapporte. différence de rôle les interactions, d'une manière générale, changent avec une augmentation de l'énergie des particules en interaction, et la division des interactions en classes, basée sur une comparaison des intensités des processus, est effectuée de manière fiable à des énergies pas trop élevées.

Selon la modernité représentations, aux énergies supérieures M F(c'est-à-dire 80 GeV en cm) faible et e-mag. les interactions sont comparées en force et agissent comme la manifestation d'un seul interaction électrofaible. Une hypothèse attrayante a également été avancée concernant l'égalisation possible des constantes des trois types d'interactions, y compris la forte, aux énergies ultra-élevées supérieures à 10 16 GeV (ce que l'on appelle le modèle Grande Unification).

En fonction de la participation à certains types d'interactions, toutes les particules E. étudiées, à l'exception du photon, O- et Z-bosons, sont divisés en deux principaux. groupes: hadrons et leptons. Les hadrons se caractérisent principalement par le fait qu'ils participent à l'interaction forte, en même temps que les interactions el-magnétique et faible, tandis que les leptons ne participent qu'aux interactions el-magnétique et faible. (La présence d'une interaction gravitationnelle commune aux deux groupes est implicite.) Les masses des hadrons sont proches par ordre de grandeur de la masse des protons ( t R ) , le dépassant parfois plusieurs fois. une fois que; min. p-méson a la masse parmi les hadrons : t p1 / 7 m p , . Les masses de leptons connues avant 1975-76 étaient faibles (0,1 m p) - d'où leur nom. Cependant, des données plus récentes indiquent l'existence de m-leptons lourds d'une masse d'env. deux masses de protons.

Les hadrons constituent le groupe le plus étendu d'E. h. Il comprend tous les baryons et mésons, ainsi que les soi-disant. résonances (c'est-à-dire la plupart des 350 e. h. mentionnés). Comme déjà mentionné, ces particules ont une structure complexe et ne peuvent en fait pas être considérées comme élémentaires. Les leptons sont représentés par trois particules chargées (e, m, m) et trois particules neutres ( v e , v moi, v t). Photon, O + et les bosons Z 0 forment ensemble un groupe important de bosons de jauge qui effectuent le transfert de l'interaction el-faible. L'élémentarité des particules de ces deux derniers groupes n'a pas encore été sérieusement remise en question.

Caractéristiques des particules élémentaires

Chaque E. h., ainsi que les spécificités de ses interactions inhérentes, est décrit par un ensemble de valeurs discrètes déterminées. physique quantités ou caractéristiques. Dans un certain nombre de cas, ces valeurs discrètes sont exprimées en termes de nombres entiers ou fractionnaires et d'un certain multiplicateur commun, une unité de mesure; ces numéros sont appelés nombres quantiques E. h. et ne les définissez qu'en omettant les unités de mesure.

Caractéristiques générales de tous les E. h - masse ( t), durée de vie (t), spin ( J) et électrique. charge ( Q).

En fonction de la durée de vie t, E. h. sont divisés en stables, quasi-stables et instables (résonances). Stable, dans la précision du moderne. les mesures sont l'électron (m > 2 · 10 22 ans), le proton (m > 5 · 10 32 ans), le photon et tous les types de neutrinos. Les particules quasi stables comprennent les particules qui se désintègrent en raison de l'aimant électronique. et interactions faibles. Leurs durées de vie vont de 900 s pour un neutron libre à 10 -20 s pour un S 0 -hypéron. Résonance appelée. E. h., se désintégrant en raison de la forte interaction. Leurs durées de vie caractéristiques sont de 10 -22 -10 -24 s. En tableau. 1 ils sont marqués d'un * et au lieu de m une valeur plus pratique est donnée : la largeur de la résonance Г=/т.

Spin E. h. J est un multiple entier ou demi-entier de la valeur. Dans ces unités, le spin des mésons p et K est égal à 0, pour le proton, le neutron et tous les leptons J= 1/2, pour un photon, Wb- et Z-bosons J= 1. Il existe également des particules avec un grand spin. La valeur du spin d'un E. h. détermine le comportement d'un ensemble de particules identiques (identiques) ou leurs statistiques (Pauli, 1940). Les particules de spin demi-entier obéissent Statistiques Fermi - Dirac(d'où le nom de fermions), qui nécessite l'antisymétrie de la fonction d'onde du système par rapport à la permutation d'une paire de particules (ou un nombre impair de telles permutations) et, par conséquent, "interdit" deux particules de demi-entier tourner pour être dans le même état ( Principe de Pauli).Les particules d'un spin entier obéissent Base - Statistiques d'Einstein(d'où le nom de bosons), qui nécessite une fonction d'onde par rapport aux permutations de particules et permet à n'importe quel nombre de particules de spin entier d'être dans le même état. Statistique Les propriétés d'E. h. particules identiques.

N o t e Les particules sont marquées d'un * à gauche. (en règle générale, des résonances), pour lesquelles au lieu de temps life t est la largeur Ã=/t. Vrai neutreles particules de nye sont placées au milieu entre les particules et antiparticules. Membres d'un multi isotopiqueles cils sont situés sur une ligne (dans ces cas, quand les caractéristiques de chaque membre du multifouet, - avec un léger décalage vertical). trahisonsigne de parité P pour les antibaryons il n'est pas indiqué, égal àmais comme changer de signes S, C, b y de toutes les antiparticules. Pour les leptons et les bosons intermédiaires, la la parité n'est pas un quanto exact (conservé)numéroté et donc non marqué. Chiffres entre parenthèses à la fin des grandeurs physiques données désignent l'erreur existante dans la signification de ces grandeurs, relative au dernier des chiffres donnés.

Électrique les charges des E. h. étudiés (sauf) sont des multiples entiers de e= 1,6 10 -19 C (4,8 10 -10 CGS), nas. charge électrique élémentaire. Dans le célèbre E. h. Q= 0, + 1, b2.

En plus de ces quantités, E. h. sont en outre caractérisés par un certain nombre de nombres quantiques, appelés. "interne". Les leptons sont spécifiques. nombre de leptons (L) trois types : électronique Le, égal à +1 pour e- et v e, muonique L m , égal à +1 pour m - et v m, et L t égal à +1 pour t - et v t.

Pour les hadrons L= 0, et ceci est une autre manifestation de leur différence avec les leptons. À son tour, cela signifie une partie des hadrons doit être attribuée à la soi-disant. nombre de baryons B (|B| = je ) . Hadrons avec B=+ 1 forment un sous-groupe de baryons (ceci inclut le proton, le neutron, les hypérons ; les baryons charmés et adorables ; les résonances des baryons) et les hadrons avec B= 0 - un sous-groupe de mésons (mésons p, mésons K, mésons charmés et adorables, résonances bosoniques). Nom les sous-groupes de hadrons viennent du grec. mots baruV - lourd et mEs®V - moyen, qui est au début. stade de recherche E. h. réfléchi comparer. les masses des baryons et des mésons alors connus. Des données plus récentes ont montré que les masses des baryons et des mésons sont comparables. Pour les leptons B=0. Pour un photon Wb- et Z-bosons B= 0 et L= 0.

Les baryons et mésons étudiés sont subdivisés dans les ensembles déjà mentionnés : particules ordinaires (non étranges) (proton, neutron, mésons p), particules étranges (hypérons, mésons K), particules charmées et adorables. Cette division correspond à la présence de nombres quantiques particuliers dans les hadrons : bizarreries S, charms C et charms (beauté) b avec des valeurs valides (modulo) 0, 1, 2, 3. Pour les particules ordinaires S=C= b=0, pour les particules étranges S 0, C= b= 0, pour les particules charmées С0, b= 0, et pour belle b O. Parallèlement à ces nombres quantiques, le nombre quantique est également souvent utilisé hypercharge Y=B+S+C + b ayant, apparemment, plus que fundam. sens.

Déjà les premières études sur les hadrons ordinaires ont révélé la présence parmi eux de familles de particules proches en masse et aux propriétés très similaires vis-à-vis de l'interaction forte, mais avec décomp. valeurs électriques. charge. Le proton et le neutron (nucléons) ont été le premier exemple d'une telle famille. De telles familles ont été découvertes plus tard parmi des hadrons étranges, enchantés et adorables. La similitude des propriétés des particules incluses dans ces familles est le reflet de l'existence de la même valeur du nombre quantique pour elles - spin isotopique I, qui, comme le spin habituel, prend des valeurs entières et demi-entières. Les familles elles-mêmes sont généralement appelées. multiplets isotopiques. Nombre de particules dans un multiplet n associé à je rapport n = 2je+1. Particules d'un isotope. multiplet diffèrent les uns des autres par la valeur de la "projection" isotopique. retour je 3 , et les valeurs correspondantes Q sont donnés par

Une caractéristique importante des hadrons est parité intérieure P liés à l'exploitation des espaces. inversions : P prend des valeurs + 1.

Pour tous les nombres d'électrons avec des valeurs non nulles d'au moins un des nombres quantiques Q, L, B, S, C, b il y a des antiparticules avec les mêmes valeurs de masse t, durée de vie t, spin J et pour les hadrons isotopiques. retour je, mais avec des signes opposés des nombres quantiques indiqués, et pour les baryons avec le signe opposé, ext. parité R. Les particules qui n'ont pas d'antiparticules sont appelées. vraies particules neutres. Les hadrons vraiment neutres ont une particularité - parité de charge(c'est-à-dire la parité par rapport à l'opération de conjugaison de charge) C avec les valeurs + une; des exemples de telles particules sont les mésons p 0 - et h (C=+1), les mésons r 0 - et f (C=-1), etc.

Les nombres quantiques de Eh sont divisés en nombres exacts (c'est-à-dire ceux qui sont associés à des quantités physiques conservées dans tous les processus) et inexacts (pour lesquels les quantités physiques correspondantes ne sont pas conservées dans un certain nombre de processus). Tournoyer J est associé à une loi de conservation stricte et est donc un nombre quantique exact. Un autre nombre quantique exact est électrique. charge Q. Dans les limites de la précision de mesure, les nombres quantiques sont également conservés B et L, bien qu'il n'y ait pas de théorie sérieuse conditions préalables. De plus, l'observation asymétrie baryonique de l'univers max. peut naturellement être interprété en supposant une violation de la conservation du nombre de baryons À(AD Sakharov, 1967). Cependant, la stabilité observée du proton est le reflet haut degré précision de conservation B et L(il n'y a pas de décroissance pe + p 0 , par exemple). On n'observe pas non plus les désintégrations m - e - + g, m - m - + g, etc.. Cependant, la plupart des nombres quantiques de hadrons sont imprécis. Isotope le spin, étant conservé dans l'interaction forte, n'est pas conservé dans l'e-magn. et interactions faibles. L'étrangeté, le charme et le charme sont préservés dans le fort et l'el-magn. interactions, mais ne sont pas conservées dans les interactions faibles. Une faible interaction modifie également l'ext. et la parité de charge de l'ensemble de particules impliquées dans le processus. La parité combinée est préservée avec un degré de précision beaucoup plus élevé CP (parité CP), cependant, il est également violé dans certains processus causés par . Raisons de la non-conservation pl. les nombres quantiques de hadrons ne sont pas clairs et, apparemment, sont liés à la fois à la nature de ces nombres quantiques et à la structure profonde de l'interaction el-faible.

En tableau. 1 montre max. particules d'électrons bien étudiées des groupes de leptons et de hadrons et leurs nombres quantiques. Dans la spéciale groupe, les bosons de jauge sont attribués. Les particules et les antiparticules sont données séparément (changement P non indiqué pour les antibaryons). Les vraies particules neutres sont placées au centre de la première colonne. Membres d'un isotope. multiplet sont situés sur une ligne, parfois avec un léger décalage (dans les cas où les caractéristiques de chaque membre du multiplet sont données).

Comme déjà noté, le groupe des leptons est très petit, et les masses de particules dans l'ensemble. petit. Pour les masses de tous les types de neutrinos, il existe des restrictions assez strictes d'en haut, mais quelles sont leurs vraies valeurs reste à voir.

Principal une partie de E. h. est constituée de hadrons. Une augmentation du nombre d'heures E. connues dans les années 60-70. s'est produite uniquement en raison de l'expansion de ce groupe. Les hadrons sont principalement représentés par des résonances. L'attention est attirée sur la tendance du spin à croître avec la croissance de la masse des résonances ; c'est bien tracé sur diff. groupes de mésons et de baryons avec je, S et C. Il convient également de noter que les particules étranges sont un peu plus massives que les particules ordinaires, les particules charmées sont plus massives que les particules étranges et les belles particules sont plus massives que les particules charmées.

Classification des particules élémentaires. Modèle quark des hadrons

Si la classification des bosons de jauge et des leptons ne pose pas de problèmes particuliers, alors un grand nombre de hadrons déjà au début. années 50 était la base de la recherche de modèles dans la distribution des masses et des nombres quantiques de baryons et de mésons, qui pourraient constituer la base de leur classification. La sélection des isotopes. multiplets de hadrons a été le premier pas dans cette direction. Avec ma mère. point de vue, le regroupement des hadrons en isotope. multiplets reflète la présence d'une forte symétrie d'interaction associée à roulement de groupe, plus formellement, avec le groupe unitaire SU(2) - un groupe de transformations dans un espace bidimensionnel complexe [voir. Symétrie SU ( 2 )] . On suppose que ces transformations opèrent d'une manière spécifique. interne espace - soi-disant. isotope espace autre que normal. L'existence d'isotopes l'espace ne se manifeste que dans les propriétés observables de la symétrie. Sur les maths. langage isotopique. les multiplets sont irréductibles représentations de groupe symétrie SU (2).

Le concept de symétrie en tant que facteur qui détermine l'existence de décomp. groupes et familles E. h. en moderne. théorie, est dominant dans la classification des hadrons et autres E. h. On suppose que ext. nombres quantiques E. h., vous permettant de combiner certains groupes de particules, associés à spécial. types de symétrie qui se posent en raison de la liberté de transformations en interne spéciale. les espaces. C'est de là que vient le nom. "nombres quantiques internes".

Un examen attentif montre que les hadrons étranges et ordinaires forment ensemble des associations plus larges de particules ayant des propriétés similaires à celles des particules isotopiques. multiplets. Ils sont généralement appelés supermulti-cils. Le nombre de particules incluses dans les super-multiplets observés est de 8 et 10. Du point de vue de la symétrie, l'apparition de super-multiplets est interprétée comme une manifestation de l'existence d'un groupe de symétrie dans l'interaction forte plus large que le groupe SU( 2) , à savoir le groupe unitaire SU(3) - groupes de transformation dans un espace complexe tridimensionnel [Gell-Man, Y. Neeman, 1961] ; cm. Symétrie SU(3). La symétrie correspondante est appelée symétrie unitaire. Groupe SU(3) a, en particulier, des représentations irréductibles au nombre de composantes 8 et 10, qui peuvent être associées aux supermultiplets observés : un octet et un décuplet. Des exemples de supermultiplets sont les groupes de particules suivants avec les mêmes valeurs JP(c'est-à-dire avec les mêmes paires de valeurs J et P):

La symétrie unitaire est moins précise que l'isotope. symétrie. Conformément à cela, la différence dans les masses de particules incluses dans les octets et les décuplets est assez importante. Pour la même raison, la partition des hadrons en supermultiplets est relativement facile à réaliser pour des particules électroniques de masses peu importantes. Aux grandes masses, quand il y a beaucoup de diff. particules de masses similaires, cette division est plus difficile à mettre en œuvre.

Détection parmi les hadrons de supermultiplets sélectionnés de dimensions fixes, correspondant à certains cas. représentations du groupe unitaire SU(3), était la clé de la conclusion la plus importante sur l'existence d'éléments structurels spéciaux dans les hadrons - quarks.

L'hypothèse que les hadrons observés sont construits à partir de particules caractère insolite- quarks de spin 1 / 2 , possédant une interaction forte, mais en même temps, n'appartenant pas à la classe des hadrons, a été proposée par G. Zweig et indépendamment par Gell-Mann en 1964 (cf. modèles de quarks). L'idée des quarks a été suggérée par Math. structure des représentations des groupes unitaires. Ma-eux. le formalisme ouvre la possibilité de décrire toutes les représentations du groupe Soleil) (et, par conséquent, tous les multiplets de hadrons associés) basée sur la multiplication de la représentation de groupe la plus simple (fundam.) contenant n composant. Il suffit d'admettre l'existence de particules spéciales associées à ces composants, ce qui a été fait par Zweig et Gell-Mann pour le cas particulier du groupe SU( 3) . Ces particules étaient appelées quarks.

La composition spécifique en quarks des mésons et des baryons découle du fait que les mésons, en règle générale, sont inclus dans des supermultiplets avec un nombre de particules égal à 8 et des baryons - 8 et 10. Ce modèle est facilement reproduit si nous supposons que les mésons sont composés d'un quark et d'un antiquark, symboliquement : M=(q) , et le baryon est composé de trois quarks, symboliquement : B = (qqq). Grâce aux propriétés du groupe SU(3) 9 mésons sont divisés en supermultiplets de 1 et 8 particules, et 27 baryons sont divisés en supermultiplets contenant 1, 10 et deux fois 8 particules, ce qui explique la séparation observée des octets et décuplets.

T. o., révélé par les expérimentations des années 60. l'existence de supermultiplets composés de hadrons ordinaires et étranges a conduit à la conclusion que tous ces hadrons sont construits à partir de 3 quarks, généralement notés je, j, s(Tableau 2). L'ensemble des faits connus à cette époque concordaient parfaitement avec cette proposition.

Languette. 2.-Caractéristiques des quarks

* Évaluation expérimentale préliminaire.

La détection ultérieure de particules psi, puis de particules upsilon, de hadrons charmés et charmés a montré que trois quarks ne suffisent pas à expliquer leurs propriétés et qu'il faut admettre l'existence de deux autres types de quarks c et b, porteuse de nouveaux nombres quantiques : charme et beauté. Cette circonstance n'a cependant pas ébranlé les principes fondamentaux du modèle des quarks. En particulier, le centre a été préservé. point de son diagramme de la structure des hadrons : M=(q), B = (qqq). De plus, c'est sur la base de l'hypothèse de la structure en quarks des particules psi et upsilon qu'il a été possible de donner une physique. l'interprétation de leurs propriétés largement inhabituelles.

Historiquement, la découverte des particules psi et upsilon, ainsi que de nouveaux types de hadrons charmés et adorables, a été Étape importante dans l'affirmation d'idées sur la structure en quarks de toutes les particules en interaction forte. Selon la modernité théorique modèles (voir ci-dessous), il faut s'attendre à l'existence d'un autre - le sixième t-quark, découvert en 1995.

La structure en quarks ci-dessus des hadrons et Mat. propriétés des quarks en tant qu'objets associés au fundam. représentation du groupe Soleil), conduisent aux nombres quantiques de quarks suivants (tableau 2). L'attention est attirée sur les valeurs inhabituelles (fractionnelles) de l'électricité. charge Q, aussi bien que À, qui ne se trouvent dans aucun des E. h étudiés Avec un indice a pour chaque type de quark q je (je= 1, 2, 3, 4, 5, 6) une caractéristique spéciale des quarks est associée - Couleur, ce que les hadrons observés n'ont pas. L'indice a prend les valeurs 1, 2, 3, soit chaque type de quark ( q je) est représenté par trois variétés q un je. Les nombres quantiques de chaque type de quark ne changent pas lorsque la couleur change, donc Tableau. 2 s'applique aux quarks de n'importe quelle couleur. Comme indiqué plus loin, les quantités q un (pour chaque je) lors de la modification de a en fonction de leurs transformations. les propriétés doivent être considérées comme des composants du fundam. représentations d'un autre groupe SU(3), couleur, opérant dans un espace tridimensionnel de couleur [voir. Symétrie des couleurs SU(3)].

La nécessité d'introduire la couleur découle de l'exigence d'antisymétrie de la fonction d'onde du système de quarks qui forment les baryons. Les quarks, en tant que particules de spin 1/2, doivent obéir aux statistiques de Fermi-Dirac. Pendant ce temps, il existe des baryons composés de trois quarks identiques avec la même orientation de spin: D ++ (), W - (), qui sont clairement symétriques par rapport aux permutations de quarks, si ces derniers n'ont pas de complément. degré de liberté. Un tel ajout. le degré de liberté est la couleur. Compte tenu de la couleur, l'antisymétrie requise est facilement restaurée. Les fonctions raffinées de la composition structurelle des mésons et des baryons ressemblent à ceci :

où e abg est le tenseur entièrement antisymétrique ( Symbole Levi-chi-vita)(1/ 1/ - facteurs de normalisation). Il est important de noter que ni les mésons ni les baryons ne portent d'indices de couleur (pas de couleur) et sont, comme on le dit parfois, des particules "blanches".

En tableau. 2 ne montre que les masses "effectives" des quarks. Cela est dû au fait que les quarks à l'état libre, malgré de nombreuses recherches minutieuses, n'ont pas été observés. Ceci, soit dit en passant, révèle une autre caractéristique des quarks en tant que particules d'une nature complètement nouvelle et inhabituelle. Par conséquent, il n'y a pas de données directes sur les masses des quarks. Il n'y a que des estimations indirectes des masses des quarks, qui peuvent être extraites de leur décomposition. manifestations dynamiques dans les caractéristiques des hadrons (y compris les masses de ces derniers), ainsi que dans la décomposition. processus se produisant avec les hadrons (désintégrations, etc.). Pour la masse t-quark, une expérience préliminaire est donnée. noter.

Toute la variété des hadrons est due à la décomposition. combinaisons je-, d-, s-, s- et b-quarks formant des états liés. Les hadrons ordinaires correspondent à des états liés construits uniquement à partir de et- et ré-quarks [pour les mésons avec la participation possible de combinaisons ( s.), (Avec) et ( b)]. La présence à l'état lié, ainsi que tu- et ré-quarks, un s-, avec- ou b-quark signifie que le hadron correspondant est étrange ( S= - 1), enchanté (C= + 1) ou adorable ( b= - 1). Un baryon peut être composé de deux ou trois s-quark (respectivement Avec- et b-quark), c'est-à-dire que deux et trois fois des baryons étranges (charmés, adorables) sont possibles. Les combinaisons sont également autorisées. Nombres s- et Avec-, b-les quarks (surtout dans les baryons), qui correspondent à des formes "hybrides" de hadrons (étrangement charmants, étrangement charmants). Évidemment, plus s-, avec- ou b-quarks contient un hadron, plus il est massif. Si l'on compare les états fondamentaux (non excités) des hadrons, c'est précisément l'image qui est observée (tableau 1).

Puisque le spin des quarks vaut 1 / 2, la structure en quarks ci-dessus des hadrons a pour conséquence un spin entier pour les mésons et un spin demi-entier pour les baryons, en parfait accord avec l'expérience. Dans ce cas, dans les états correspondant à la quantité de mouvement orbitale je=0, en particulier dans l'ensemble. états, les valeurs du spin du méson doivent être 0 ou 1 (pour l'orientation antiparallèle et parallèle des spins des quarks), et le spin des baryons : 1 / 2 ou 3/2 (pour les configurations d'essorage et ). Considérant que l'intérieur la parité du système quark-antiquark est négative, les valeurs JP pour les mésons à je= 0 sont égaux à 0 - et 1 - , pour les baryons : 1 / 2 + et 3 / 2 + . Ce sont ces valeurs qui sont observées pour les hadrons qui ont la plus petite masse à des valeurs données je et S, DE, b.

A titre d'illustration, dans le tableau. 3 et 4 montrent la composition en quarks des mésons avec JP= 0 - et baryons J P = 1 / 2 + (la sommation nécessaire sur les couleurs des quarks est supposée partout).

Languette. 3.- Composition en quarks des mésons étudiés Avec JP=0 - ()

Languette. 4.- Composition en quarks des baryons étudiés Avec JP= 1/2 + ()

Remarque : Le symbole () signifie symétrisation par rapport à particules variables; symbole - antisymétrisation.

T. o., modèle quark de la nature. façon explique l'origine de la principale. groupes de hadrons et leurs nombres quantiques observés. Une considération dynamique plus détaillée nous permet également de tirer un certain nombre de conclusions utiles concernant l'interrelation des masses au sein de déc. familles de hadrons.

Transmettre correctement les spécificités des hadrons avec les plus petites masses et spins, le modèle quark de la nature. explique aussi en quelque sorte le grand nombre total de hadrons et la prédominance des résonances entre eux. La multiplicité des hadrons est le reflet de leur structure complexe et de la possibilité d'existence décomposée. états excités des systèmes de quarks. Tous les états excités des systèmes de quarks sont instables par rapport aux transitions rapides en raison de la forte interaction avec les états sous-jacents. Ils forment la base. quelques résonances. Une petite fraction des résonances sont également des systèmes de quarks à spins parallèles (à l'exception de W -). Configurations de quarks avec orientation antiparallèle des spins liés au principal. états, forment des hadrons quasi-stables et un proton stable.

Les excitations des systèmes de quarks se produisent à la fois en raison d'un changement de rotation. mouvement des quarks (excitations orbitales), et en raison de changements dans leurs espaces. localisation (excitations radiales). Dans le premier cas, une augmentation de la masse du système s'accompagne d'une modification du spin total J et la parité P système, dans le second cas, l'augmentation de masse se produit sans changer JP .

Lors de la formulation du modèle des quarks, les quarks ont été considérés comme hypothétiques. des éléments structuraux qui ouvrent la possibilité d'une description très pratique des hadrons. Dans les années qui suivirent, des expériences furent réalisées qui permirent de parler des quarks comme de véritables formations matérielles à l'intérieur des hadrons. Les premières étaient des expériences sur la diffusion d'électrons par des nucléons sous de très grands angles. Ces expériences (1968), rappellent le classique. Les expériences de Rutherford sur la diffusion des particules a par les atomes ont révélé la présence de charges ponctuelles à l'intérieur du nucléon. formation (voir Partons La comparaison des données de ces expériences avec des données similaires sur la diffusion des neutrinos par les nucléons (1973-75) a permis de tirer une conclusion sur cf. la taille du carré de l'électrique la charge de ces formations ponctuelles. Le résultat était proche des valeurs fractionnaires attendues (2/3) 2 e 2 et (1/3) 2 e 2. L'étude du processus de production de hadrons lors de l'annihilation d'un électron et d'un positron, qui passe vraisemblablement par les étapes suivantes :

indiqué la présence de deux groupes de hadrons, les soi-disant. jets (voir Jet de hadrons), associée génétiquement à chacun des quarks résultants, et a permis de déterminer le spin des quarks. Il s'est avéré être égal à 1/2. Le nombre total de hadrons produits dans ce processus indique également qu'à l'état intermédiaire, chaque type de quark est représenté par trois variétés, c'est-à-dire que les quarks sont tricolores.

T. o., les nombres quantiques de quarks, donnés sur la base de la théorie. considérations, a reçu une expérience complète. la confirmation. Les quarks ont en fait acquis le statut de nouvelles particules E. et sont de sérieux prétendants au rôle de véritables particules E. pour les formes de matière en interaction forte. Numéro espèce connue les quarks sont peu nombreux. Jusqu'aux longueurs<=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.

Les quarks diffèrent de toutes les autres ondes électromagnétiques en ce qu'ils n'existent apparemment pas à l'état libre, bien qu'il existe des preuves claires de leur existence à l'état lié. Cette caractéristique des quarks est très probablement associée aux spécificités de leur interaction, générée par l'échange de particules spéciales - gluons, conduisant au fait que les forces d'attraction entre eux ne s'affaiblissent pas avec la distance. Par conséquent, une énergie infinie est nécessaire pour séparer les quarks les uns des autres, ce qui est évidemment impossible (théorie de ce qu'on appelle le confinement ou le piégeage des quarks ; voir ci-dessous). Rétention de couleur) En réalité, en essayant de séparer les quarks les uns des autres, la formation d'un complément se produit. hadrons (ce que l'on appelle l'hadronisation des quarks). L'impossibilité d'observer les quarks à l'état libre en fait un tout nouveau type d'unités structurelles de la matière. Il n'est pas clair, par exemple, s'il est possible dans ce cas de poser la question des parties constitutives des quarks et si la séquence des constituants structuraux de la matière s'en trouve interrompue. Tout ce qui précède conduit à la conclusion que les quarks, ainsi que les leptons et les bosons de jauge, qui n'ont pas non plus de signes observables de structure, forment un groupe de E. h., qui a la plus grande raison de revendiquer le rôle de vrai E. h.

Particules élémentaires et théorie quantique des champs. Modèle d'interaction standard

Décrire les propriétés et les interactions de E. h. en moderne. la théorie des êtres. Ce qui compte, c'est le concept de champ physique, qui est attribué à chaque particule. Le domaine est spécifique. la forme de la matière distribuée dans l'espace ; il est décrit par une f-tion, donnée en tout point de l'espace-temps et ayant une valeur définie. transformateur propriétés par rapport aux transformations Groupe Lorenz(scalaire, spineur, vecteur, etc.) et groupes "intrinsèques". symétries (scalaire isotopique, spineur isotopique, etc.). El-magn. un champ qui a les propriétés d'un vecteur à quatre dimensions UN m ( X)(m= 1, 2, 3, 4) - historiquement le premier exemple de physique. des champs. Les champs associés à E. h. sont de nature quantique, c'est-à-dire que leur énergie et leur quantité de mouvement sont composées d'un ensemble de champs séparés. portions - quanta, et l'énergie totale e k et l'élan paquet quantum sont liés par le rapport de spécial. relativité : e 2 k =p 2 ks 2 + t 2 Avec quatre. Chacun de ces quantum est un E. h. avec une masse t, avec une énergie donnée e k et l'élan paquet. quanta e-magn. les champs sont des photons, les quanta des autres champs correspondent à tous les autres thèmes E. h. Ma connus. L'appareil de la théorie quantique des champs (QFT) permet de décrire la naissance et l'annihilation d'une particule à chaque point de l'espace-temps.

Transformer. les propriétés du champ déterminent le principal. nombres quantiques d'unités électrochimiques Les propriétés de transformation par rapport aux transformations du groupe de Lorentz déterminent le spin des particules : un scalaire correspond à un spin J= 0, spineur- tournoyer J= 1 / 2 , vecteur - spin J= 1 etc Transformer. propriétés des champs en relation avec les transformations "internes". ("espace de charge", "espace isotopique", "espace unitaire", "espace de couleur") déterminent l'existence de nombres quantiques tels que L, B, I, S, DE, b, a pour les quarks et les gluons aussi les couleurs. L'introduction de "int." espaces dans l'appareil de la théorie est encore une technique purement formelle, qui, cependant, peut servir d'indication que la dimension physique. l'espace-temps, qui se reflète dans les propriétés de E. h., est en fait supérieur à quatre - c'est-à-dire plus que la dimension de l'espace-temps, caractéristique de tout macroscopique. physique processus.

La masse de E. h. n'est pas directement liée à la transformation. propriétés du champ. C'est leur caractéristique supplémentaire, dont l'origine n'est pas entièrement comprise.

Pour décrire les processus qui se produisent avec E. h., QFT utilise Formalisme lagrangien.À Lagrangiens, construit à partir des champs impliqués dans l'interaction des particules, contient toutes les informations sur les propriétés des particules et la dynamique de leur comportement. Le Lagrangien comprend deux Ch. termes : Lagrangien, décrivant le comportement des champs libres, et Lagrangien d'interaction, reflétant la relation decomp. champs et la possibilité de convertir E. h. La connaissance de la forme exacte permet, en principe, d'utiliser l'appareil matrices de diffusion (S-matrices), calculent les probabilités de transitions de l'ensemble initial de particules vers un ensemble fini de particules donné, se produisant sous l'influence de l'interaction existant entre elles. Ainsi, la mise en place d'une structure qui ouvre la possibilité des quantités. descriptions des processus avec E. h., est l'un des centre. tâches de KTP.

Créatures. des progrès dans la résolution de ce problème ont été réalisés dans les années 50-70. basé sur le développement de l'idée de champs de jauge vectorielle formulée dans les travaux déjà mentionnés de Yang et Mills. Partant de la position bien connue que toute loi de conservation observée expérimentalement est associée à l'invariance du lagrangien décrivant le système par rapport aux transformations d'un certain groupe de symétrie ( Théorème de Noether), Yang et Mills ont exigé que cette invariance soit satisfaite localement, c'est-à-dire ait lieu pour une dépendance arbitraire des transformations sur un point de l'espace-temps. Il s'est avéré que la satisfaction de cette exigence, qui est physiquement liée au fait que l'interaction ne peut pas être transmise instantanément d'un point à un autre, n'est possible qu'avec l'introduction d'un lagrangien spécial dans la structure. champs de jauge de nature vectorielle, déf. transformant sous les transformations du groupe de symétrie. De plus, les structures du lagrangien libre se sont révélées étroitement liées dans cette approche : la connaissance en moyens. mesurer prédéterminé la forme

Cette dernière circonstance est due au fait que l'exigence de invariance de jauge ne peut être satisfaite que si dans toutes les dérivées agissant sur les champs libres de , le remplacement Ici g- constante d'interaction ; V a m - champs d'étalonnage ; J a - générateurs du groupe de symétrie dans la représentation matricielle correspondant au champ libre ; r- la taille du groupe.

En vertu de ce qui a été dit dans le lagrangien modifié, des termes strictement définis apparaissent automatiquement. structures décrivant l'interaction des champs inclus à l'origine avec les champs de jauge nouvellement introduits. Dans ce cas, les champs de jauge jouent le rôle de porteurs de l'interaction entre les champs initiaux. Bien entendu, puisque de nouveaux champs de jauge sont apparus dans le Lagrangien, le Lagrangien libre doit être complété par un terme qui lui est associé et soumis à la procédure de modification décrite ci-dessus. Si l'invariance de jauge est strictement observée, les champs de jauge correspondent à des bosons de masse nulle. Lorsque la symétrie est brisée, la masse des bosons est non nulle.

Dans une telle approche, la tâche de construire un lagrangien qui reflète la dynamique des champs en interaction est essentiellement réduite à la sélection correcte du système de champs qui composent le lagrangien libre initial et à la fixation de sa forme. Ce dernier, cependant, pour des propriétés de transformation données par rapport au groupe de Lorentz, est uniquement déterminé par l'exigence d'invariance relativiste et l'exigence évidente que seules les structures qui sont quadratiques dans les champs se produisent.

Ainsi, la chose principale pour décrire la dynamique est la question de choisir un système de champs primaires qui forment , c'est-à-dire, en fait, tous le même centre. question de physique E. h.: "Quelles particules (et, par conséquent, champs) doivent être considérées comme les plus fondamentales (élémentaires) dans la description des particules de matière observées?".

Moderne la théorie, comme nous l'avons déjà noté, distingue comme telles les particules les particules sans structure de spin 1/2 : les quarks et les leptons. Un tel choix permet, en s'appuyant sur le principe d'invariance de jauge locale, de construire un schéma très réussi pour décrire les interactions fortes et élec-faibles de elec. MODÈLE STANDARD.

Le modèle part principalement de l'hypothèse que l'interaction forte a une symétrie exacte SU c(3), correspondant à des transformations dans l'espace tridimensionnel "couleur". On suppose que les quarks sont transformés en termes de fondamentaux. représentation du groupe SU c(3). La satisfaction de l'exigence d'invariance de jauge locale pour le quark lagrangien conduit à l'apparition dans la structure de la théorie de huit bosons de jauge sans masse, appelés gluons, interagissant avec des quarks (et entre eux) strictement définis. façon (Fritzsch et Göll-Man, 1972). Le schéma de description de l'interaction forte développé sur cette base a été appelé. chromodynamique quantique. L'exactitude de ses prédictions a été confirmée par beaucoup. expériences, y compris des preuves convaincantes de l'existence de gluons. Il y a aussi de sérieuses raisons de croire que l'appareil de la chromodynamique quantique contient une explication au phénomène de confinement.

Dans la construction de la théorie de l'interaction faible, le fait a été utilisé que l'existence de paires de leptons avec le même nombre de leptons ( L e , L v , L t), mais avec différents électriques. charge (e - , v e; m- , v m t- , v m) peut être interprété comme une manifestation de la symétrie associée au groupe du soi-disant. isospin faible SU cl (2), et considérons les paires elles-mêmes comme des représentations spineuses (doublet) de ce groupe. Une interprétation similaire est possible pour les paires de quarks participant à l'interaction faible. On constate que, dans le cadre de ce schéma, l'interaction faible avec la participation d'un quark b conduit nécessairement à la conclusion qu'il a un quark partenaire isotopique t, constituant un couple ( t, b). Isolement par l'interaction faible déf. hélicité(à gauche) les fermions qui y participent peuvent en outre être considérés comme une manifestation de l'existence de la symétrie tu cl (1) associé à une faible hypercharge Oui sl. Dans ce cas, les fermions gauche et droit doivent se voir attribuer des valeurs d'hypercharge différentes Oui cl, et les fermions droits doivent être considérés comme des scalaires isotopiques. Dans la construction adoptée, la relation apparaît naturellement Q = je 3cl + 1/2 Oui cl, que nous avons déjà rencontré avec les hadrons.

Ainsi, une analyse minutieuse de l'interaction el-faible des leptons et des quarks permet de révéler qu'ils ont une symétrie (notablement cependant brisée) correspondant au groupe SU ps (2) tu cl ( 1) . Si nous ignorons la violation de cette symétrie et utilisons la condition stricte d'invariance de jauge locale, alors une théorie de l'interaction faible des quarks et des leptons apparaît, dans laquelle apparaissent quatre bosons sans masse (deux chargés et deux neutres) et deux constantes d'interaction correspondant à les groupes SU sl (2) et tu sl (1). Dans cette théorie, les termes du lagrangien correspondent à l'interaction avec la charge. les bosons reproduisent correctement la structure connue courants chargés, mais ne fournissent pas l'action à courte portée observée dans les processus faibles, ce qui n'est pas surprenant, puisque la masse nulle des bosons intermédiaires conduit à une action à longue portée. Il ne s'ensuit que cela en réaliste. les théories de l'interaction faible de la masse des bosons intermédiaires doivent être finies. Ceci est également en accord avec le fait que la symétrie est brisée SU ps (2) tu sl (1).

Cependant, une introduction directe de masses finies de bosons intermédiaires dans le Lagrangien construit de la manière décrite ci-dessus est impossible, car elle contredit l'exigence d'invariance de jauge locale. Il a été possible de prendre en compte la rupture de symétrie de manière cohérente et d'obtenir l'apparition de bosons intermédiaires dans la théorie des masses finies en utilisant l'hypothèse importante sur l'existence dans la nature de champs scalaires spéciaux F ( champs de Higgs), interagissant avec les champs fermioniques et de jauge et ayant une auto-interaction spécifique conduisant au phénomène rupture spontanée de symétrie[P. Higgs (P. Higgs), 1964]. L'introduction d'un doublet (selon le groupe d'isospin faible) de champs de Higgs dans le lagrangien de la théorie dans la version la plus simple conduit à la transition de l'ensemble du système de champs vers un nouvel état de vide d'énergie inférieure correspondant à une symétrie brisée. Si initialement moyenne du vide du champ F était égal à zéro<Ф>0 = 0, alors dans le nouvel état<Ф>0 = Ф 0 0. La brisure de symétrie et l'apparition de F 0 fini dans la théorie conduisent à Mécanisme de Higgsà la masse de charge non nulle. bosons intermédiaires O + et à l'occurrence du mélange (combinaison linéaire) de deux bosons neutres qui apparaissent dans la théorie. À la suite du mélange, il y a un e-mag sans masse. champ interagissant avec e-magn. courant de quarks et de leptons, et le champ d'un boson neutre massif Z 0 interagir avec courant neutre structure strictement définie. Paramètre de mélange (angle) ( Angle de Weinberg) des bosons neutres dans ce schéma est donné par le rapport des constantes d'interaction de groupe tu sl(l) et SU ps (2) : tgq W=g"/g. Le même paramètre détermine la connexion des masses mW et m Z (m Z = m W / cosq O) et raccordement électrique. charge e s constante de groupe d'isospin faible g:e = g sinq O. Détection en 1973 dans l'étude de la diffusion des neutrinos des courants faibles neutres prédite par le schéma décrit ci-dessus, et la découverte ultérieure en 1983 O- et les bosons Z avec des masses de 80 GeV et 91 GeV, respectivement, ont brillamment confirmé tout le concept d'une description unifiée de l'e-magn. et interactions faibles. Expérience. détermination de la valeur sin 2 q W= 0,23 a montré que la constante g et électrique charge e de taille proche. Il est devenu clair que la "faiblesse" de l'interaction faible à des énergies sensiblement inférieures à mW et m Z, en général en raison de la grande masse de bosons intermédiaires. En effet, la constante de la théorie phénoménologique des quatre fermions de l'interaction de Fermi faible G F dans le schéma ci-dessus est égal à G F =g 2 /8m 2 O. Cela signifie que eff. constante d'interaction faible à l'énergie en sec. c. M. ~t p est égal à G F m p 2 10 -5 , et son carré est proche de 10 -10 , c'est-à-dire à la valeur indiquée ci-dessus. Aux énergies en cm, grandes ou de l'ordre mW, le seul paramètre caractérisant l'interaction faible est la quantité g 2 / 4p ou e 2 / 4p, soit faible et e-mag. les interactions deviennent comparables en intensité et doivent être considérées conjointement.

Construction d'une description unifiée d'e-magn. et les interactions faibles est une réalisation importante dans la théorie des champs de jauge, comparable en importance au développement de Maxwell dans con. 19ème siècle théorie unifiée de l'e-magn. phénomènes. Quantité. Les prédictions de la théorie de l'interaction el-faible ont été justifiées dans toutes les mesures effectuées avec une précision de 1 %. Un physique important une conséquence de cette construction est la conclusion sur l'existence dans la nature d'une particule d'un nouveau type - neutre le boson de Higgs. Au début années 90 aucune particule de ce type n'a été trouvée. Les recherches menées ont montré que sa masse dépasse 60 GeV. La théorie ne donne cependant pas une prédiction précise de la masse du boson de Higgs. On peut seulement affirmer que la valeur de sa masse ne dépasse pas 1 TeV. Les valeurs estimées de la masse de cette particule se situent entre 300 et 400 GeV.

Ainsi, le "modèle standard" sélectionne comme fonds-dames. particules trois paires de quarks ( et, d)(Avec, s) (t, b) et trois paires de leptons ( v e , e -)(v m ,m -) ( v t, t -), généralement regroupés selon leurs masses en familles (ou générations) comme suit :

et postule que leurs interactions satisfont la symétrie SU ps (3) SU ps (2) tu sl(l). En conséquence, on obtient une théorie dans laquelle les porteurs de l'interaction sont des bosons de jauge : gluons, photon, Wb et Z. Et bien que le "modèle standard" réussisse très bien à décrire tous les faits connus liés à E.ch., néanmoins, très probablement, il s'agit d'une étape intermédiaire dans la construction d'une théorie plus parfaite et plus complète de E. ch. Dans la structure du "modèle standard", il y a encore beaucoup de paramètres arbitraires déterminés empiriquement (masse de quarks et de leptons, valeurs des constantes d'interaction, angles de mélange, etc.). Le nombre de générations de fermions dans le modèle n'est pas non plus déterminé. Jusqu'à présent, l'expérience affirme avec confiance que le nombre de générations ne dépasse pas trois, s'il n'y a pas de neutrinos lourds avec des masses de plusieurs fois dans la nature. dizaines de GeV.

Du point de vue des propriétés de symétrie des interactions, il serait plus naturel de s'attendre à ce que dans la théorie compréhensive d'E.ch. au lieu d'un produit direct de groupes de symétrie, un groupe de symétrie apparaîtra g avec une constante d'interaction qui lui correspond. Les groupes de symétrie du "modèle standard" dans ce cas pourraient être interprétés comme des produits de la réduction d'un grand groupe lorsque la symétrie qui lui est associée est brisée. De cette façon, en principe, la possibilité d'une Grande Unification des interactions pourrait surgir. La propriété du changement avec l'énergie eff peut servir de base formelle à une telle union. constantes d'interaction des champs de jauge gi 2/4p = un je (je=1, 2, 3), qui survient lorsque les ordres supérieurs de la théorie sont pris en compte (les soi-disant constantes courantes). Dans ce cas, la constante a 1 est associée au groupe U(je); a 2 - avec un groupe SU( 2); un 3 - avec un groupe SU( 3) . Les changements très lents (logarithmiques) mentionnés sont décrits par l'expression

reliant les valeurs de eff. constantes un je suis) et un je(m) à deux valeurs d'énergie différentes : M et M( M > m). La nature de ces changements est différente pour la décomposition. groupes de symétrie (et, par conséquent, différentes interactions) et est donnée par les coefficients b je, qui intègrent des informations à la fois sur la structure des groupes de symétrie et sur les particules participant à l'interaction. Parce que le b 1 , b 2 et b 3 sont différents, il est possible que, malgré les différences notables dans les valeurs d'un je-1 (m) aux énergies étudiées m, aux très hautes énergies M les trois valeurs a je -1 (M) coïncidera, c'est-à-dire que la Grande Unification des Interactions sera réalisée. Une analyse minutieuse a cependant montré que dans le cadre du modèle standard, en utilisant les valeurs connues d'un je-1 (m), correspondent aux trois valeurs de a je -1 (M) pour certains grands M impossible, c'est-à-dire la variante de la théorie avec la Grande Unification n'est pas réalisable dans ce modèle. Dans le même temps, il a été constaté que dans des régimes autres que le modèle standard, avec une composition modifiée du principal (fonds.) champs ou particules, la grande unification peut avoir lieu. Changements dans la composition du principal les particules entraînent des changements dans les valeurs des coefficients " b je" et offrent ainsi la possibilité de faire correspondre un je (M) pour les grands M.

L'idée directrice lors du choix d'une composition modifiée du principal. la théorie des particules était l'idée de l'existence possible dans le monde d'E. h. supersymétrie, qui définit la définition. relations entre les particules de spin entier et demi-entier qui apparaissent dans la théorie. Pour répondre aux exigences de la supersymétrie, par exemple. dans le cas du modèle standard, il faut attribuer à chaque particule une particule de spin décalé de 1/2 - De plus, dans le cas de la supersymétrie exacte, toutes ces particules doivent avoir la même masse. Ainsi, les quarks et les leptons de spin 1/2 devraient être associés à leurs partenaires supersymétriques (superpartenaires) de spin zéro, tous les bosons de jauge de spin 1 devraient être associés à leurs superpartenaires de spin 1/2, et le boson de Higgs de spin zéro devrait être associé à un superpartenaire de spin 1/2. Étant donné que les superpartenaires des quarks, des leptons et des bosons de jauge ne sont évidemment pas observés dans la région d'énergie étudiée, la supersymétrie, si elle existe, doit être sensiblement brisée et les masses des superpartenaires doivent avoir des valeurs dépassant de manière significative les masses des fermions et des bosons connus. .

Une expression cohérente de l'exigence de supersymétrie se trouve dans le modèle supersymétrique minimal (MCCM), dans lequel, en plus des changements déjà répertoriés dans la composition des particules du modèle standard, le nombre de bosons de Higgs passe à cinq (deux d'entre eux sont chargées et trois sont des particules neutres). En conséquence, cinq superpartenaires de bosons de Higgs de spin 1/2 apparaissent dans le modèle - MCCM - la généralisation la plus simple du Modèle Standard au cas de la supersymétrie. Sens M, pour laquelle la coïncidence a je (M)(Grand Unification), dans le MCCM est approximativement égale à 10 16 GeV.

L'hypothèse de l'existence de la supersymétrie est associée à l'une des possibilités prometteuses pour le développement de la théorie des champs de jauge, qui, de plus, résout un certain nombre de ses valeurs intrinsèques. problèmes liés à la stabilité des paramètres qui y figurent. La supersymétrie, on l'a noté, permet de retenir dans la théorie des ondes électromagnétiques la séduisante possibilité d'une grande unification des interactions. Une confirmation décisive du fait de l'existence de la supersymétrie serait la découverte de superpartenaires de particules connues. Leurs masses sont estimées entre des centaines de GeV et 1 TeV. Des particules de telles masses pourront être étudiées dans la prochaine génération de collisionneurs de protons.

La vérification de l'hypothèse de l'existence de la supersymétrie et la recherche de particules supersymétriques est sans doute l'un des problèmes les plus importants de la physique des ondes électromagnétiques, qui sera sans doute prioritaire dans un avenir proche.

Quelques problèmes généraux de la théorie des particules élémentaires

Les derniers développements de la physique des particules ont clairement distingué parmi tous les microcomposants de la matière un groupe de particules qui jouent un rôle particulier et ont la plus grande raison (au début des années 90) de s'appeler véritablement E. h. Les Fundams lui appartiennent . fermions spin 1 / 2 - les leptons et les quarks, qui composent trois générations, et les bosons de jauge de spin 1 (gluons, photons et bosons intermédiaires), qui sont porteurs d'interactions fortes et e-faibles. Très probablement, une particule de spin 2 devrait être ajoutée à ce groupe, gravitons comme porteur de gravité. interaction qui lie toutes les particules. Un groupe particulier est constitué de particules de spin 0, les bosons de Higgs, qui n'ont cependant pas encore été découverts.

De nombreuses questions restent néanmoins sans réponse. Ainsi, on ne sait toujours pas s'il existe un lien physique un critère fixant le nombre de générations de fermions élémentaires. On ne sait pas à quel point la différence entre les propriétés des quarks et des leptons associée à la présence de couleur dans les premiers est fondamentale, ou si cette différence est spécifique uniquement à la région d'énergie étudiée. Liée à cette question est la question de la physique nature de la Grande Unification, puisque dans son formalisme les quarks et les leptons sont considérés comme des objets aux propriétés similaires.

Il est important de comprendre si l'existence de divers "ext." nombres quantiques de quarks et de leptons ( B, L, I, S, C, b etc.) à une géométrie plus complexe du micromonde, correspondant à un plus grand nombre de dimensions que la géométrie macroscopique à quatre dimensions à laquelle nous sommes habitués. espace-temps. Étroitement liée à cette question est ce qui est le max. groupe de symétrie g, qui satisfont les interactions de E. h. et dans lesquelles sont intégrés des groupes de symétrie, qui se manifestent dans la région d'énergie étudiée. La réponse à cette question permettrait de déterminer le nombre limite de porteurs de l'interaction d'E. h. et de préciser leurs propriétés. Il est possible que max. Groupe g reflète en fait les propriétés de symétrie d'un certain espace multidimensionnel. Ce cercle d'idées a trouvé un certain reflet dans la théorie supercordes, qui sont des analogues de chaînes ordinaires dans des espaces à plus de quatre dimensions (généralement dans un espace à 10 dimensions). La théorie des supercordes interprète E. h comme des manifestations d'excitations spécifiques des supercordes, correspondant à la décomp. dos. On pense que les dimensions supplémentaires (sur quatre) ne se révèlent pas dans les observations en raison de ce qu'on appelle. compactification, c'est-à-dire la formation de sous-espaces fermés avec des dimensions caractéristiques de ~10 -33 cm. manifestation de l'existence de ces sous-espaces sont les "ext." observés. Nombres quantiques de cristaux électrochimiques Il n'existe pas encore de données confirmant la justesse de l'approche d'interprétation des propriétés des supercordes électriques associées au concept de supercordes.

Comme on peut le voir d'après ce qui précède, idéalement, une théorie complète des particules électroniques devrait non seulement décrire correctement les interactions d'un ensemble donné de particules sélectionnées comme fondamentales, mais également contenir une explication des facteurs qui déterminent le nombre de ces particules, leur quantum les nombres, les constantes d'interaction, les valeurs de leurs masses, etc. Les raisons de la sélection du plus. groupe de symétrie large g et, en même temps, la nature des mécanismes qui provoquent la rupture de symétrie lorsque nous passons à des énergies plus basses. À cet égard, la clarification du rôle des bosons de Higgs dans la physique E.Ch. est d'une importance primordiale. Des modèles, des offres de seigle modernes. théorie de E. h., sont encore loin de satisfaire à tous les critères énumérés.

La description des interactions EC, comme nous l'avons déjà noté, est liée aux théories des champs de jauge. Ces théories ont un tapis développé. appareil, to-ry vous permet de faire des calculs de processus avec E.ch. au même niveau de rigueur qu'en électrodynamique quantique. Cependant, dans l'appareil des théories des champs de jauge, dans sa version moderne formulation, il y a un être. un défaut commun à l'électrodynamique quantique - dans le processus de calcul, des expressions infiniment grandes sans signification y apparaissent. Avec l'aide de spécialistes méthode de redéfinition des grandeurs observées (masses et constantes d'interaction) - renormalisation- il est possible d'éliminer les infinis des terminaisons. résultats de calcul. Cependant, la procédure de renormalisation est un contournement purement formel de la difficulté existant dans l'appareil de la théorie, qui, à un certain niveau de précision, peut affecter le degré d'accord entre les prédictions et les mesures de la théorie.

L'apparition des infinis dans les calculs est due au fait que dans les lagrangiens des interactions les champs des différentes particules sont référés à un point X, c'est-à-dire que l'on suppose que les particules sont ponctuelles et que l'espace-temps à quatre dimensions reste plat jusqu'aux plus petites distances. En fait, ces hypothèses, apparemment, sont incorrectes pour plusieurs. les raisons:

a) vraiment E. h., en tant que porteurs d'une masse finie, il est tout à fait naturel d'attribuer, quoique très petites, mais des dimensions finies, si l'on veut éviter la densité infinie de la matière;

b) les propriétés de l'espace-temps à de petites distances sont très probablement radicalement différentes de sa macroscopique. propriétés (à partir d'une certaine distance caractéristique, généralement appelée longueur fondamentale);

c) aux plus petites distances (~ 10 -33 cm) un changement dans le géome affecte. propriétés de l'espace-temps dues à l'influence de la gravité quantique. effets (fluctuations de la métrique ; voir théorie quantique de la gravité).

Ces raisons sont peut-être étroitement liées. Donc, c'est la comptabilité de la gravité. effets max. conduit naturellement à de vraies tailles E.ch. environ 10 -33 cm, et des fonds. longueur peut effectivement coïncider avec le soi-disant. Longueur de Planck l Pl \u003d 10 -33 cm, où X-la gravité constante (M. Markov, 1966). Chacune de ces raisons devrait conduire à une modification de la théorie et à l'élimination des infinis, bien que la mise en œuvre pratique de cette modification puisse être très difficile.

L'une des possibilités intéressantes de prise en compte cohérente des effets de la gravité est liée à l'extension des notions de supersymétrie à la gravité. interaction (théorie supergravité, en particulier la supergravité étendue). Comptabilité conjointe de la gravité. et d'autres types d'interactions conduisent à une réduction notable du nombre d'expressions divergentes dans la théorie, mais la question de savoir si la supergravité conduit à l'élimination complète des divergences dans les calculs n'a pas été rigoureusement prouvée.

Ainsi, la conclusion logique des idées de la Grande Unification sera très probablement l'inclusion dans le schéma général de la prise en compte des interactions d'E. h. également gravitationnelles. interactions, compte tenu de celles qui peuvent s'avérer fondamentales aux plus petites distances. C'est sur la base de la prise en compte simultanée de tous les types d'interactions que Naib. susceptibles d'attendre la création d'une future théorie d'E. h.

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Peu de gens ne connaissent pas une chose telle qu'un "électron", mais c'est lui qui signifie "particule élémentaire". Bien sûr, la plupart des gens n'ont aucune idée de ce que c'est et pourquoi c'est nécessaire. À la télévision, dans les livres, dans les journaux et les magazines, ces particules sont représentées sous forme de petits points ou de boules. Pour cette raison, les personnes non éclairées croient que la forme des particules est en effet sphérique et qu'elles volent, interagissent, se heurtent librement, etc. Mais un tel jugement est fondamentalement faux. Le concept de particule élémentaire est extrêmement difficile à appréhender, mais il n'est jamais trop tard pour tenter d'acquérir au moins une idée très approximative de l'essence de ces particules.

Au début du siècle dernier, les scientifiques se demandaient sérieusement pourquoi l'électron ne tombe pas dessus, puisque, selon la mécanique newtonienne, lorsqu'il dégage toute son énergie, il devrait simplement tomber sur le noyau. Étonnamment, cela ne se produit pas. Comment l'expliquer ?

Le fait est que la physique dans son interprétation classique et une particule élémentaire sont des choses incompatibles. Il n'obéit à aucune loi de la physique ordinaire, car il fonctionne selon les principes, le principe fondamental dans ce cas étant l'incertitude. Il dit qu'il est impossible de déterminer avec précision et simultanément deux quantités interdépendantes. Plus le premier d'entre eux est défini, moins il est possible de définir le second. Les corrélations quantiques, la dualité onde-particule, la fonction d'onde et bien d'autres découlent de cette définition.

Le premier facteur important est l'incertitude de la coordonnée du moment. Sur la base des fondements de la mécanique classique, on peut rappeler que les notions de quantité de mouvement et de trajectoire d'un corps sont indissociables et sont toujours clairement définies. Essayons de transférer cette régularité au monde microscopique. Par exemple, une particule élémentaire a une quantité de mouvement exacte. Ensuite, en essayant de déterminer la trajectoire du mouvement, nous rencontrerons l'indéfinissabilité de la coordonnée. Cela signifie que l'électron est détecté à la fois en tous les points d'un petit volume d'espace. Si vous essayez de vous concentrer sur la trajectoire de son mouvement, l'élan devient flou.

Il s'ensuit que, peu importe à quel point on essaie de définir une quantité particulière, la seconde devient immédiatement indéfinie. Ce principe est à la base de la propriété ondulatoire des particules. L'électron n'a pas de coordonnée claire. On peut dire qu'il est localisé simultanément en tous points de l'espace, qui est limité par la longueur d'onde. Cette représentation permet de mieux comprendre ce qu'est une particule élémentaire.

Approximativement la même incertitude apparaît dans la relation énergie-temps. La particule est en interaction constante, même si elle existe, et cette interaction dure un certain temps. Si on imagine que cet indicateur est plus ou moins défini, alors l'énergie devient indéfinissable. Cela viole les petites lacunes établies.

Le modèle présenté génère des particules de faible énergie - des quanta de champs fondamentaux. Un tel champ n'est pas une substance continue. Il est composé de minuscules particules. L'interaction entre eux est assurée par l'émission de photons, qui sont absorbés par d'autres particules. Cela maintient le niveau d'énergie et des particules élémentaires stables se forment qui ne peuvent pas tomber sur le noyau.

Les particules élémentaires sont essentiellement inséparables, bien qu'elles diffèrent les unes des autres par leur masse et certaines caractéristiques. Par conséquent, certaines classifications ont été développées. Par exemple, selon le type d'interaction, on peut distinguer les leptons et les hadrons. Les hadrons, à leur tour, sont divisés en mésons, qui se composent de deux quarks, et en baryons, qui contiennent trois quarks. Les baryons les plus connus sont les neutrons et les protons.

Les particules élémentaires et leurs propriétés permettent de distinguer deux autres classes : les bosons (de spin entier et nul), les fermions (de spin demi-entier). Chaque particule a sa propre antiparticule avec des caractéristiques opposées. Seuls les protons, les leptons et les neutrons sont stables. Toutes les autres particules sont sujettes à la désintégration et se transforment en particules stables.