Care sunt proprietățile particulelor elementare. Particule elementare

Aceste trei particule (precum și altele descrise mai jos) se atrag și se resping reciproc în funcție de ele taxe, care sunt doar patru tipuri în funcție de numărul forțelor fundamentale ale naturii. Sarcinile pot fi aranjate în ordinea descrescătoare a forțelor corespunzătoare în felul următor: sarcina de culoare (forțe de interacțiune între quarci); sarcină electrică (forțe electrice și magnetice); sarcină slabă (tăria în unele procese radioactive); în cele din urmă, masa (forța gravitațională sau interacțiunea gravitațională). Cuvântul „culoare” de aici nu are nimic de-a face cu culoarea luminii vizibile; este pur și simplu o caracteristică a celei mai puternice sarcini și a celor mai mari forțe.

Taxe persista, adică Taxa care intră în sistem este egală cu taxa care iese din acesta. Dacă sarcina electrică totală a unui anumit număr de particule înainte de interacțiunea lor este, să zicem, 342 de unități, atunci după interacțiune, indiferent de rezultatul acesteia, va fi egală cu 342 de unități. Acest lucru se aplică și altor sarcini: culoare (sarcină de interacțiune puternică), slabă și masă (masă). Particulele diferă în ceea ce privește încărcăturile lor: în esență, ele „sunt” aceste sarcini. Acuzațiile sunt, parcă, un „certificat” al dreptului de a răspunde la forța corespunzătoare. Astfel, numai particulele colorate sunt afectate de forțele de culoare, numai particulele încărcate electric sunt afectate de forțele electrice și așa mai departe. Proprietățile unei particule sunt determinate de cea mai mare forță care acționează asupra ei. Doar quarcii sunt purtători ai tuturor sarcinilor și, prin urmare, sunt supuși acțiunii tuturor forțelor, printre care culoarea este dominantă. Electronii au toate sarcinile, cu excepția culorii, iar forța dominantă pentru ei este forța electromagnetică.

Cele mai stabile în natură sunt, de regulă, combinațiile neutre de particule în care sarcina particulelor de un semn este compensată de sarcina totală a particulelor de alt semn. Aceasta corespunde energiei minime a întregului sistem. (În mod similar, doi magneți de bară sunt în linie, cu polul nord al unuia îndreptat spre polul sud al celuilalt, ceea ce corespunde energiei minime a câmpului magnetic.) Gravitația este o excepție de la această regulă: masa negativă nu exista. Nu există corpuri care să cadă.

TIPURI DE MATERIE

Materia obișnuită este formată din electroni și quarci, grupate în obiecte care sunt neutre la culoare și apoi în sarcină electrică. Forța de culoare este neutralizată, ceea ce va fi discutat mai detaliat mai jos, atunci când particulele sunt combinate în tripleți. (De aici și termenul „culoare” însuși, luat din optică: cele trei culori primare, atunci când sunt amestecate, dau alb.) Astfel, quarcurile, pentru care puterea culorii este cea principală, formează triplete. Dar quarci și ei sunt subdivizați în u-quarci (din engleză sus - superior) și d-quarci (din engleza in jos - mai jos), au si o sarcina electrica egala cu u-quarc și pentru d-quarc. Două u-quarc și unul d-quarcul da o sarcina electrica +1 si formeaza un proton, iar unul u-quarc și doi d-cuarcii dau sarcina electrica zero si formeaza un neutron.

Protonii și neutronii stabili, atrași unul de celălalt de forțele de culoare reziduale ale interacțiunii dintre quarcii lor constituenți, formează un nucleu atomic neutru de culoare. Dar nucleele poartă o sarcină electrică pozitivă și, prin atragerea de electroni negativi care se învârt în jurul nucleului, precum planetele care se rotesc în jurul Soarelui, tind să formeze un atom neutru. Electronii de pe orbitele lor sunt îndepărtați din nucleu la distanțe de zeci de mii de ori mai mari decât raza nucleului - dovadă că forțele electrice care îi țin sunt mult mai slabe decât cele nucleare. Datorită puterii interacțiunii culorilor, 99,945% din masa unui atom este închisă în nucleul său. Greutate u- Și d-cuarcii sunt de aproximativ 600 de ori masa unui electron. Prin urmare, electronii sunt mult mai ușori și mai mobili decât nucleele. Mișcarea lor în materie provoacă fenomene electrice.

Există câteva sute de soiuri naturale de atomi (inclusiv izotopi) care diferă în ceea ce privește numărul de neutroni și protoni din nucleu și, în consecință, prin numărul de electroni pe orbite. Cel mai simplu este atomul de hidrogen, format dintr-un nucleu sub forma unui proton si un singur electron care se roteste in jurul lui. Toată materia „vizibilă” din natură constă din atomi și atomi parțial „dezasamblați”, care se numesc ioni. Ionii sunt atomi care, după ce au pierdut (sau câștigat) câțiva electroni, au devenit particule încărcate. Materia, constând aproape dintr-un ioni, se numește plasmă. Stelele care ard din cauza reacțiilor termonucleare care au loc în centre sunt compuse în principal din plasmă și, deoarece stelele sunt cea mai comună formă de materie din univers, se poate spune că întregul univers este format în principal din plasmă. Mai precis, stelele sunt predominant hidrogen gazos complet ionizat, adică. un amestec de protoni și electroni individuali și, prin urmare, aproape întregul univers vizibil este format din el.

Aceasta este materie vizibilă. Dar există încă materie invizibilă în Univers. Și există particule care acționează ca purtători de forțe. Există antiparticule și stări excitate ale unor particule. Toate acestea duc la o abundență în mod clar excesivă de particule „elementare”. În această abundență, se poate găsi o indicație a naturii reale, adevărate a particulelor elementare și a forțelor care acționează între ele. Conform celor mai recente teorii, particulele pot fi practic obiecte geometrice extinse - „șiruri” în spațiu zece-dimensional.

Lumea invizibilă.

Nu există doar materie vizibilă în univers (ci și găuri negre și „materie întunecată”, cum ar fi planetele reci care devin vizibile atunci când sunt iluminate). Există, de asemenea, o materie cu adevărat invizibilă care pătrunde pe noi toți și întregul Univers în fiecare secundă. Este un gaz cu mișcare rapidă de un fel de particule - neutrinii electronici.

Neutrinul electronic este partenerul electronului, dar nu are sarcină electrică. Neutrinii poartă doar așa-numita sarcină slabă. Masa lor de repaus este, după toate probabilitățile, zero. Dar ele interacționează cu câmpul gravitațional, pentru că au energie cinetică E, care corespunde masei efective m, conform formulei Einstein E = mc 2, unde c este viteza luminii.

Rolul cheie al neutrinului este că contribuie la transformare Și-cuarcuri în d quarci, având ca rezultat transformarea unui proton într-un neutron. Neutrinul joacă rolul „acului de carburator” pentru reacțiile termonucleare stelare, în care patru protoni (nuclee de hidrogen) se combină pentru a forma un nucleu de heliu. Dar, deoarece nucleul de heliu este format nu din patru protoni, ci din doi protoni și doi neutroni, pentru o astfel de fuziune nucleară este necesar ca două Și-quarcurile transformate în doi d-quarc. Intensitatea transformării determină cât de repede vor arde stelele. Și procesul de transformare este determinat de sarcini slabe și forțe de interacțiune slabă între particule. în care Și-quarc (sarcină electrică +2/3, sarcină slabă +1/2), interacționând cu un electron (sarcină electrică - 1, sarcină slabă -1/2), formează d-quarc (sarcină electrică -1/3, sarcină slabă -1/2) și neutrin electronic (sarcină electrică 0, sarcină slabă +1/2). Încărcările de culoare (sau pur și simplu culorile) celor doi quarci se anulează în acest proces fără neutrin. Rolul neutrinului este de a transporta sarcina slabă necompensată. Prin urmare, rata de transformare depinde de cât de slabe sunt forțele slabe. Dacă ar fi mai slabe decât sunt, atunci stelele nu ar arde deloc. Dacă ar fi fost mai puternice, atunci stelele s-ar fi ars de mult.

Dar ce zici de neutrini? Deoarece aceste particule interacționează extrem de slab cu altă materie, ele părăsesc aproape imediat stelele în care s-au născut. Toate stelele strălucesc, emitând neutrini, iar neutrinii strălucesc prin corpurile noastre și pe întregul Pământ zi și noapte. Așa că rătăcesc prin Univers, până când intră, poate, într-o nouă interacțiune a Stelei).

Purtători de interacțiune.

Ce cauzează forțele care acționează între particule la distanță? Răspunsurile fizicii moderne: datorită schimbului de alte particule. Imaginează-ți doi patinatori care aruncă o minge. Dând impuls mingii atunci când aruncă și primind impuls cu mingea primită, ambele primesc o împingere în direcția unul față de celălalt. Acest lucru poate explica apariția forțelor de respingere. Dar în mecanica cuantică, care ia în considerare fenomenele din microlume, sunt permise întinderea și delocalizarea neobișnuite a evenimentelor, ceea ce duce, s-ar părea, la imposibil: unul dintre patinatori aruncă mingea în direcție. din celălalt, dar unul totuși Pot fi prinde mingea asta. Nu este greu de imaginat că dacă acest lucru ar fi posibil (și în lumea particulelor elementare este posibil), ar exista atracție între patinatori.

Particulele, datorită schimbului cărora apar forțe de interacțiune între cele patru „particule de materie” discutate mai sus, se numesc particule gauge. Fiecare dintre cele patru interacțiuni - puternică, electromagnetică, slabă și gravitațională - are propriul său set de particule gauge. Particulele puternice purtătoare de interacțiune sunt gluoni (există doar opt dintre ele). Un foton este un purtător de interacțiune electromagnetică (este unul, iar noi percepem fotonii ca lumină). Particulele-purtători ai interacțiunii slabe sunt bosonii vectori intermediari (în 1983 și 1984 au fost descoperiți W + -, W- -bosoni și neutri Z-bozon). Purtătorul de particule al interacțiunii gravitaționale este încă un graviton ipotetic (trebuie să fie unul). Toate aceste particule, cu excepția fotonului și gravitonului, care pot călători pe distanțe infinit de lungi, există doar în procesul de schimb între particulele materiale. Fotonii umplu Universul cu lumină, iar gravitonii - cu unde gravitaționale (nedetectate încă cu certitudine).

Se spune că o particulă capabilă să emită particule de măsurare este înconjurată de un câmp de forță adecvat. Astfel, electronii capabili să emită fotoni sunt înconjurați de electrice și campuri magnetice, precum și câmpurile slabe și gravitaționale. Cuarcii sunt, de asemenea, înconjurați de toate aceste câmpuri, dar și de câmpul de interacțiune puternică. Particulele cu încărcătură de culoare în câmpul forțelor de culoare sunt afectate de forța de culoare. Același lucru este valabil și pentru alte forțe ale naturii. Prin urmare, putem spune că lumea este formată din materie (particule materiale) și câmp (particule de măsurare). Mai multe despre asta mai jos.

Antimaterie.

Fiecare particulă corespunde unei antiparticule, cu care particula se poate anihila reciproc, adică. „anihilați”, în urma căreia se eliberează energie. Energia „pură” în sine, însă, nu există; ca urmare a anihilării, apar noi particule (de exemplu, fotoni), care duc această energie.

O antiparticulă are în cele mai multe cazuri proprietăți opuse față de particula corespunzătoare: dacă o particulă se mișcă spre stânga sub acțiunea câmpurilor puternice, slabe sau electromagnetice, atunci antiparticula ei se va deplasa spre dreapta. Pe scurt, antiparticula are semne opuse tuturor sarcinilor (cu excepția sarcinii de masă). Dacă o particulă este compozită, cum ar fi, de exemplu, un neutron, atunci antiparticula sa constă din componente cu semne de sarcină opuse. Astfel, un antielectron are o sarcină electrică de +1, o sarcină slabă de +1/2 și se numește pozitron. Antineutronul este alcătuit din Și-antiquarci cu sarcina electrica –2/3 si d-antiquarci cu sarcina electrica +1/3. Particulele cu adevărat neutre sunt propriile lor antiparticule: antiparticula fotonului este fotonul.

Conform conceptelor teoretice moderne, fiecare particulă care există în natură trebuie să aibă propria antiparticulă. Și multe antiparticule, inclusiv pozitroni și antineutroni, au fost într-adevăr obținute în laborator. Consecințele acestui lucru sunt excepțional de importante și stau la baza întregii fizice experimentale a particulelor elementare. Conform teoriei relativității, masa și energia sunt echivalente și, în anumite condiții, energia poate fi transformată în masă. Deoarece sarcina este conservată și sarcina vidului (spațiul gol) este zero, orice pereche de particule și antiparticule (cu sarcină netă zero) poate ieși din vid, ca iepurii din pălăria unui magician, atâta timp cât energia este suficientă pentru a-și crea. masa.

Generații de particule.

Experimentele cu accelerație au arătat că cvadruplu (cvartetul) de particule de material se repetă de cel puțin două ori la valori de masă mai mari. În a doua generație, locul electronului este ocupat de muon (cu o masă de aproximativ 200 de ori mai mare decât masa electronului, dar cu aceleași valori ale tuturor celorlalte sarcini), locul neutrinului electronic este muonul (care însoțește muonul în interacțiuni slabe în același mod în care electronul însoțește neutrinul electronic), plasează Și-cuarcul ocupă Cu-quarc ( Fermecat), A d-quarc - s-quarc ( ciudat). În a treia generație, cvartetul este format dintr-un lepton tau, un neutrin tau, t-quarc și b-quarc.

Greutate t-cuarcul este de aproximativ 500 de ori masa celui mai ușor - d-quarc. S-a stabilit experimental că există doar trei tipuri de neutrini ușori. Astfel, a patra generație de particule fie nu există deloc, fie neutrinii corespunzători sunt foarte grei. Acest lucru este în concordanță cu datele cosmologice, conform cărora nu pot exista mai mult de patru tipuri de neutrini ușori.

În experimentele cu particule de înaltă energie, electronul, muonul, tau-leptonul și neutrinii corespunzători acționează ca particule separate. Ele nu poartă o încărcătură de culoare și intră doar în interacțiuni slabe și electromagnetice. În mod colectiv, se numesc leptoni.

Cuarcii, pe de altă parte, sub influența forțelor de culoare, se combină în particule care interacționează puternic, care domină majoritatea experimentelor din fizica energiilor înalte. Astfel de particule sunt numite hadronii. Acestea includ două subclase: barionii(de exemplu, protoni și neutroni), care sunt formate din trei quarci și mezonii format dintr-un quarc și un antiquarc. În 1947, primul mezon, numit pion (sau pi-meson), a fost descoperit în razele cosmice și de ceva timp s-a crezut că schimbul acestor particule - Motivul principal forte nucleare. Hadronii omega-minus, descoperiți în 1964 la Brookhaven National Laboratory (SUA), și particula j-psy ( J/y-meson), descoperit simultan la Brookhaven și la Centrul Stanford pentru Acceleratoare Liniare (tot în SUA) în 1974. Existența particulei omega-minus a fost prezisă de M. Gell-Mann în așa-numitul său „ SU 3-teoria” (un alt nume este „modul de opt ori”), în care a fost sugerată mai întâi posibilitatea existenței quarcilor (și acest nume le-a fost dat). Un deceniu mai târziu, descoperirea particulei J/y a confirmat existența Cu-quark și în cele din urmă a făcut pe toată lumea să creadă atât în ​​modelul cuarcului, cât și în teoria care combina forțele electromagnetice și slabe ( vezi mai jos).

Particulele din a doua și a treia generație nu sunt mai puțin reale decât cele din prima. Adevărat, după ce au apărut, ele se descompun în milionimi sau miliarde de secundă în particule obișnuite din prima generație: un electron, un neutrin electronic și, de asemenea, Și- Și d-cuarcuri. Întrebarea de ce există mai multe generații de particule în natură este încă un mister.

Deseori se vorbește despre diferite generații de quarci și leptoni (ceea ce, desigur, este oarecum excentric) ca fiind „arome” diferite de particule. Nevoia de a le explica se numește problema „aromei”.

BOSONI ȘI FERMIONI, CÂMP ȘI SUBSTANȚĂ

Una dintre diferențele fundamentale dintre particule este diferența dintre bozoni și fermioni. Toate particulele sunt împărțite în aceste două clase principale. Asemenea bosonilor se pot suprapune sau se suprapune, dar asemenea fermionilor nu se pot suprapune. Suprapunerea apare (sau nu are loc) în stările de energie discrete în care mecanica cuantică împarte natura. Aceste stări sunt, parcă, celule separate în care pot fi plasate particule. Deci, într-o celulă puteți pune orice număr de bozoni identici, dar doar un fermion.

Ca exemplu, luați în considerare astfel de celule, sau „stări”, pentru un electron care se rotește în jurul nucleului unui atom. Spre deosebire de planete sistem solar, un electron, conform legilor mecanicii cuantice, nu poate circula pe nicio orbită eliptică, pentru el există doar un număr discret de „stări de mișcare” permise. Se numesc seturi de astfel de stări, grupate în funcție de distanța de la electron la nucleu orbitali. În primul orbital, există două stări cu momente unghiulare diferite și, prin urmare, două celule permise, iar în orbitalii superiori, opt sau mai multe celule.

Deoarece un electron este un fermion, fiecare celulă poate conține doar un electron. De aici rezultă consecințe foarte importante - întreaga chimie, deoarece proprietățile chimice ale substanțelor sunt determinate de interacțiunile dintre atomii corespunzători. Dacă treceți prin sistemul periodic de elemente de la un atom la altul în ordinea creșterii numărului de protoni din nucleu pe unitate (numărul de electroni va crește și el în consecință), atunci primii doi electroni vor ocupa primul orbital, cel următoarele opt vor fi situate în al doilea etc. Această modificare succesivă a structurii electronice a atomilor de la element la element determină regularitățile în proprietățile lor chimice.

Dacă electronii ar fi bosoni, atunci toți electronii unui atom ar putea ocupa același orbital corespunzător energiei minime. În acest caz, proprietățile întregii materie din Univers ar fi complet diferite, iar în forma în care o cunoaștem, Universul ar fi imposibil.

Toți leptonii - electroni, muoni, tau-leptoni și neutrinii corespunzători lor - sunt fermioni. Același lucru se poate spune despre quarci. Astfel, toate particulele care formează „materie”, principala umplutură a Universului, precum și neutrinii invizibili, sunt fermioni. Acest lucru este destul de semnificativ: fermionii nu se pot combina, așa că același lucru este valabil și pentru obiecte Lumea materială.

În același timp, toate „particulele de măsurare” sunt schimbate între particulele de material care interacționează și care creează un câmp de forțe ( Vezi deasupra), sunt bosoni, ceea ce este de asemenea foarte important. Deci, de exemplu, mulți fotoni pot fi în aceeași stare, formând un câmp magnetic în jurul unui magnet sau un câmp electric în jurul unei sarcini electrice. Datorită acestui fapt, este posibil și un laser.

A învârti.

Diferența dintre bozoni și fermioni este legată de o altă caracteristică a particulelor elementare - înapoi. Oricât de surprinzător ar părea, dar toate particulele fundamentale au propriul moment unghiular sau, cu alte cuvinte, se rotesc în jurul propriei axe. Momentul unghiular - caracteristic mișcare de rotație, precum și impulsul total - translațional. În orice interacțiune, momentul unghiular și momentul sunt conservate.

În microcosmos, momentul unghiular este cuantificat, adică. ia valori discrete. În unitățile adecvate, leptonii și quarcii au un spin egal cu 1/2, iar particulele gauge au un spin egal cu 1 (cu excepția gravitonului, care nu a fost încă observat experimental, dar teoretic ar trebui să aibă un spin egal cu 2). Deoarece leptonii și quarcii sunt fermioni, iar particulele gauge sunt bosoni, se poate presupune că „fermionicitatea” este asociată cu spin 1/2, iar „bosonicitatea” este asociată cu spin 1 (sau 2). Într-adevăr, atât experimentul, cât și teoria confirmă că, dacă o particulă are un spin pe jumătate întreg, atunci este un fermion, iar dacă este întreg, atunci este un boson.

TEORII ȘI GEOMETRIE GAUGE

În toate cazurile, forțele apar din cauza schimbului de bosoni între fermioni. Astfel, forța de interacțiune a culorii dintre doi quarci (quarci - fermioni) apare din cauza schimbului de gluoni. Un astfel de schimb are loc constant în protoni, neutroni și nuclee atomice. În același mod, fotonii schimbați între electroni și quarci creează forțe electrice atractive care rețin electronii într-un atom, iar bosonii vectori intermediari schimbați între leptoni și quarci creează forțe de interacțiune slabe responsabile de conversia protonilor în neutroni în timpul reacțiilor termonucleare în stele.

Teoria unui astfel de schimb este elegantă, simplă și probabil corectă. Se numeste teoria gauge. Dar în prezent există doar teorii gauge independente ale interacțiunilor puternice, slabe și electromagnetice și o teorie gauge a gravitației similară cu acestea, deși diferită în anumite privințe. Una dintre cele mai importante probleme fizice este reducerea acestor teorii separate într-o singură și în același timp teorie simplă, în care toate ar deveni aspecte diferite ale unei singure realități - ca fațetele unui cristal.

Cea mai simplă și mai veche dintre teoriile gauge este teoria gauge a interacțiunii electromagnetice. În ea, sarcina unui electron este comparată (calibrată) cu sarcina altui electron aflat la distanță de acesta. Cum pot fi comparate tarifele? Puteți, de exemplu, să apropiați al doilea electron de primul și să comparați forțele de interacțiune ale acestora. Dar încărcătura unui electron nu se schimbă atunci când se deplasează în alt punct din spațiu? Singura modalitate de a verifica este să trimiteți un semnal de la electronul apropiat la cel îndepărtat și să vedeți cum reacționează. Semnalul este o particulă gauge - un foton. Pentru a putea verifica încărcarea particulelor îndepărtate, este necesar un foton.

Din punct de vedere matematic, această teorie se distinge prin precizie și frumusețe extremă. Din „principiul gabaritului” descris mai sus, urmează toată electrodinamica cuantică (teoria cuantică a electromagnetismului), precum și teoria câmp electromagnetic Maxwell este una dintre cele mai mari realizări științifice ale secolului al XIX-lea.

De ce este un principiu atât de simplu atât de fructuos? Aparent, exprimă o oarecare corelație părți diferite Univers, permițând măsurători în Univers. În termeni matematici, câmpul este interpretat geometric ca curbura unui spațiu „intern” imaginabil. Măsurarea sarcinii este măsurarea „curburii interne” totale în jurul particulei. Teoriile gauge ale interacțiunilor puternice și slabe diferă de teoria gauge electromagnetică numai în „structura” geometrică internă a sarcinii corespunzătoare. Când a fost întrebat unde este asta exact spațiu interior, încercați să răspundeți la teoriile câmpului unificat multidimensional, care nu sunt luate în considerare aici.

Fizica particulelor elementare nu este încă finalizată. Este încă departe de a fi clar dacă datele disponibile sunt suficiente pentru a înțelege pe deplin natura particulelor și forțelor, precum și adevărata natură și dimensiunile spațiului și timpului. Avem nevoie de experimente cu energii de 10 15 GeV pentru asta sau va fi suficient efortul gândirii? Nu există încă un răspuns. Dar putem spune cu încredere că poza finală va fi simplă, elegantă și frumoasă. Este posibil să nu existe atât de multe idei fundamentale: principiul gabaritului, spații de dimensiuni mai mari, colaps și expansiune și, mai presus de toate, geometrie.

Particule elementare, în sens exact din acest termen, sunt particulele primare, în continuare indecompuse, din care, prin presupunere, constă toată materia.

Particulele elementare ale fizicii moderne nu satisfac definiția strictă a elementarității, deoarece majoritatea dintre ele, conform conceptelor moderne, sunt sisteme compozite. Proprietatea comună a acestor sisteme este aceea că Că nu sunt atomi sau nuclee (cu excepția protonului). Prin urmare, uneori sunt numite particule subnucleare.

Particulele care pretind a fi elementele primare ale materiei sunt uneori numite „particule cu adevărat elementare”.

Prima particulă elementară descoperită a fost electronul. A fost descoperit de fizicianul englez Thomson în 1897.

Prima antiparticulă descoperită a fost pozitronul - o particulă cu masa unui electron, dar cu sarcină electrică pozitivă. Această antiparticulă a fost descoperită în razele cosmice de către fizicianul american Anderson în 1932.

În fizica modernă, grupul de particule elementare include mai mult de 350 de particule, majoritatea instabile, iar numărul lor continuă să crească.

Dacă particulele elementare anterioare au fost de obicei găsite în razele cosmice, atunci de la începutul anilor 1950 acceleratorii au devenit instrumentul principal pentru studierea particulelor elementare.

Masele și dimensiunile microscopice ale particulelor elementare determină specificitatea cuantică a comportamentului lor: regularitățile cuantice sunt decisive în comportamentul particulelor elementare.

Cea mai importantă proprietate cuantică a tuturor particulelor elementare este capacitatea de a fi născut și distrus (emis și absorbit) atunci când interacționează cu alte particule. Toate procesele cu particule elementare decurg printr-o succesiune de acte de absorbție și emisie a acestora.

Diferite procese cu particule elementare diferă semnificativ în intensitatea lor.

În conformitate cu intensitatea diferită a cursului de interacțiune a particulelor elementare, acestea sunt împărțite fenomenologic în mai multe clase: puternice, electromagnetice și slabe. În plus, toate particulele elementare au interacțiune gravitațională.

Interacțiunea puternică a particulelor elementare determină procese care decurg cu cea mai mare intensitate în comparație cu alte procese și duce la cea mai puternică conexiune a particulelor elementare. Acesta este cel care determină legătura dintre protoni și neutroni din nucleele atomilor.

Interacțiunea electromagnetică diferă de altele prin participarea unui câmp electromagnetic. Un câmp electromagnetic (în fizica cuantică - un foton) este fie emis, fie absorbit în timpul interacțiunii, fie transferă interacțiunea între corpuri.

Interacțiunea electromagnetică asigură conectarea nucleelor ​​și electronilor în atomii și moleculele materiei și, prin urmare, determină (pe baza legilor mecanicii cuantice) posibilitatea unei stări stabile a unor astfel de microsisteme.

Interacțiunea slabă a particulelor elementare determină procese foarte lente cu particulele elementare, inclusiv dezintegrarea particulelor cvasi-stabile.

Interacțiunea slabă este mult mai slabă decât nu numai cea puternică, ci și interacțiunea electromagnetică, dar mult mai puternică decât cea gravitațională.

Interacțiunea gravitațională a particulelor elementare este cea mai slabă dintre toate cunoscute. Interacțiunea gravitațională la distanțe caracteristice particulelor elementare dă efecte extrem de mici datorită dimensiunii mici a maselor de particule elementare.

Interacțiunea slabă este mult mai puternică decât cea gravitațională, dar în viața de zi cu zi rolul interacțiunii gravitaționale este mult mai vizibil decât rolul interacțiunii slabe. Acest lucru se datorează faptului că interacțiunea gravitațională (precum și cea electromagnetică) are o rază de acțiune infinit de mare. Prin urmare, de exemplu, corpurile situate la suprafața Pământului sunt afectate de atracția gravitațională a tuturor atomilor care alcătuiesc Pământul. Interacțiunea slabă are o rază de acțiune atât de mică încât nu a fost încă măsurată.

În fizica modernă rol fundamental joacă teoria cuantică relativistă a sistemelor fizice cu un număr infinit de grade de libertate - teoria cuantică a câmpului. Această teorie este construită pentru a descrie una dintre cele mai generale proprietăți ale microlumii - convertibilitatea reciprocă universală a particulelor elementare. Pentru a descrie astfel de procese, a fost necesară o tranziție la un câmp de unde cuantice. Teoria cuantică a câmpului este neapărat relativistă, deoarece dacă sistemul constă din particule care se mișcă încet, atunci energia lor poate să nu fie suficientă pentru a forma noi particule cu masă de repaus diferită de zero. Particulele cu masă de repaus zero (foton, posibil neutrin) sunt întotdeauna relativiste, adică. mereu în mișcare cu viteza luminii.

Modul universal de a conduce toate interacțiunile, bazat pe simetria gabaritului, face posibilă combinarea acestora.

Teoria cuantică a câmpului s-a dovedit a fi cel mai adecvat aparat pentru înțelegerea naturii interacțiunii particulelor elementare și pentru combinarea tuturor tipurilor de interacțiuni.

Electrodinamica cuantică este acea parte a teoriei câmpului cuantic care se ocupă cu interacțiunea unui câmp electromagnetic și a particulelor încărcate (sau a unui câmp electron-pozitron).

În prezent, electrodinamica cuantică este considerată o parte integrantă a teoriei unificate a interacțiunilor slabe și electromagnetice.

În funcție de participarea la diferite tipuri de interacțiuni, toate particulele elementare studiate, cu excepția fotonului, sunt împărțite în două grupuri principale - hadroni și leptoni.

Hadroni (din greacă - mare, puternic) - o clasă de particule elementare implicate în interacțiuni puternice (împreună cu electromagnetice și slabe). Leptoni (din greacă - subțire, ușor) - o clasă de particule elementare care nu au o interacțiune puternică, participând doar la interacțiunea electromagnetică și slabă. (Este implicată prezența interacțiunii gravitaționale în toate particulele elementare, inclusiv fotonul).

Nu există încă o teorie completă a hadronilor, nicio interacțiune puternică între ei, dar există o teorie care, nefiind nici completă, nici universal recunoscută, face posibilă explicarea proprietăților lor de bază. Această teorie este cromodinamica cuantică, conform căreia hadronii sunt formați din quarci, iar forțele dintre quarci se datorează schimbului de gluoni. Toți hadronii descoperiți constau din quarci de cinci tipuri diferite ("arome"). Cuarcul fiecărui „aromă” poate fi în trei stări de „culoare” sau poate avea trei „încărcări de culoare” diferite.

Dacă legile care stabilesc relaţia dintre mărimile care caracterizează sistem fizic, sau determinarea modificării acestor mărimi în timp, nu se modifică în cazul anumitor transformări la care poate fi supus sistemul, atunci se spune că aceste legi sunt simetrice (sau invariante) în raport cu aceste transformări. Din punct de vedere matematic, transformările de simetrie constituie un grup.

În teoria modernă a particulelor elementare, conceptul de simetrie a legilor în raport cu anumite transformări este cel mai important. Simetria este considerată ca un factor care determină existența diferitelor grupuri și familii de particule elementare.

Interacțiunea puternică este simetrică în raport cu rotațiile într-un „spațiu izotopic” special. Din punct de vedere matematic, simetria izotopică corespunde transformărilor grupului unitar de simetrie SU(2). Simetria izotopică nu este o simetrie exactă a naturii, deoarece este rupt de interacțiunea electromagnetică și diferența de mase de quarci.

Simetria izotopică face parte dintr-o simetrie de interacțiune puternică aproximativă mai largă, simetria unitară SU(3). Simetria unitară se dovedește a fi mult mai ruptă decât cea izotopică. Cu toate acestea, se sugerează că aceste simetrii, care sunt încălcate foarte puternic la energiile obținute, vor fi restaurate la energiile corespunzătoare așa-numitei „mare unificare”.

Pentru clasa de simetrii interne ale ecuațiilor teoriei câmpurilor (adică simetrii asociate cu proprietățile particulelor elementare și nu cu proprietățile spațiu-timpului), se folosește un nume comun - simetria gauge.

Simetria gauge duce la necesitatea existenței unor câmpuri gauge vectoriale, schimbul de cuante ale cărora determină interacțiunile particulelor.

Ideea simetriei gabaritului s-a dovedit a fi cea mai fructuoasă în teoria unificată a interacțiunilor slabe și electromagnetice.

O problemă interesantă a teoriei câmpurilor cuantice este includerea interacțiunii puternice („marea unificare”) într-o schemă de gabarit unificat.

Alte direcție promițătoare unificarea este considerată simetrie supergauge, sau pur și simplu supersimetrie.

În anii 60, fizicienii americani S. Weinberg, S. Glashow, fizicianul pakistanez A. Salam și alții au creat teorie unificată interacțiunile slabe și electromagnetice, numite mai târziu teoria standard a interacțiunii electroslabe. În această teorie, alături de fotonul, care realizează interacțiunea electromagnetică, apar bosonii vectori intermediari - particule care poartă interacțiunea slabă. Aceste particule au fost descoperite experimental în 1983 la CERN.

Descoperirea experimentală a bosonilor vectori intermediari confirmă corectitudinea ideii de bază (gabaritice) a teoriei standard a interacțiunii electroslabe.

Cu toate acestea, pentru a testa teoria în întregime, este, de asemenea, necesar să se studieze experimental mecanismul ruperii spontane a simetriei. Dacă acest mecanism este cu adevărat implementat în natură, atunci trebuie să existe bosoni scalari elementari - așa-numiții bosoni Higgs. Teoria standard electroslabă prezice existența a cel puțin unui boson scalar.

Nu există o definiție clară a conceptului de „particulă elementară”; De obicei, sunt indicate doar un anumit set de valori ale mărimilor fizice care caracterizează aceste particule și unele proprietăți distinctive foarte importante ale acestora. Particulele elementare au:

1) sarcina electrica

2) momentul unghiular adecvat sau spin

3) moment magnetic

4) masa proprie - „masă de odihnă”

În viitor, pot fi găsite și alte cantități care caracterizează particulele, așa că această listă a principalelor proprietăți ale particulelor elementare nu ar trebui considerată completă.

Cu toate acestea, nu toate particulele elementare (o listă a acestora este dată mai jos) au un set complet al proprietăților de mai sus.Unele dintre ele au doar o sarcină electrică și o masă, dar nu au spin (pioni și kaoni încărcați); alte particule au masă, spin și moment magnetic, dar nu au sarcină electrică (neutron, hiperon lambda); altele au doar masă (pioni și kaoni neutri) sau doar spin (fotoni, neutrini). Obligatorie pentru particulele elementare este prezența a cel puțin uneia dintre proprietățile enumerate mai sus. Rețineți că cele mai importante particule de materie - alergări și electroni - sunt caracterizate printr-un set complet al acestor proprietăți. Trebuie subliniat că sarcina electrică și spinul sunt proprietăți fundamentale ale particulelor de materie, adică valorile lor numerice rămân constante în toate condițiile.

PARTICLE ŞI ANTIPARTICULE

Fiecare particulă elementară are opusul său - „antiparticulă”. Masa, spinul și momentul magnetic al particulei și antiparticulei sunt aceleași, dar dacă particula are o sarcină electrică, atunci antiparticulă are o sarcină de semn opus. Protonul, pozitronul și antineutronul au aceleași momente magnetice și spini, în timp ce electronul, neutronul și antiprotonul au orientări opuse.

Interacțiunea unei particule cu antiparticula ei diferă semnificativ de interacțiunea cu alte particule. Această diferență este exprimată în faptul că o particulă și antiparticula ei sunt capabile de anihilare, adică un proces în care dispar și apar în schimb alte particule. Deci, de exemplu, ca urmare a anihilării unui electron și a unui pozitron, apar fotoni, protoni și antiprotoni-pioni etc.

DURATA DE VIAȚĂ

Stabilitatea nu este o caracteristică obligatorie a particulelor elementare. Doar electronul, protonul, neutrinul și antiparticulele lor, precum și fotonii, sunt stabili. Restul particulelor sunt transformate în unele stabile fie direct, cum se întâmplă, de exemplu, cu un neutron, fie printr-un lanț de transformări succesive; de exemplu, un pion negativ instabil se transformă mai întâi într-un muon și un neutrin, apoi un muon se transformă într-un electron și un alt neutrin:

Simbolurile denotă neutrini și antineutrini „muoni”, care sunt diferiți de neutrini și antineutrini „electronici”.

Instabilitatea particulelor este estimată prin durata existenței lor din momentul „nașterii” până în momentul dezintegrarii; ambele aceste momente în timp sunt marcate de urme de particule în configurațiile de măsurare. În prezența unui număr mare de observații ale particulelor de un „sort” dat, se calculează fie „durata medie de viață”, fie jumătatea perioadei de dezintegrare.

puteți calcula durata medie de viață (în timpul căreia numărul de particule scade cu un factor) și timpul de înjumătățire

(în timpul căreia acest număr se reduce la jumătate).

Este interesant de observat că:

1) toate particulele neîncărcate, cu excepția neutrinilor și fotonilor, sunt instabile (neutrinii și fotonii se remarcă printre alte particule elementare prin faptul că nu au propria lor masă de repaus);

2) dintre particulele încărcate, doar electronul și protonul (și antiparticulele lor) sunt stabile.

Iată o listă cu cele mai importante particule (numărul lor continuă să crească în prezent) cu indicarea denumirilor și a principalelor

proprietăți; sarcina electrica este de obicei data in unitati elementare masa - in unitati de spin masa electronilor - in unitati

(vezi scanare)

CLASIFICAREA PARTICILELOR

Studiul particulelor elementare a arătat că gruparea lor în funcție de valorile principalelor proprietăți (sarcină, masă, spin) este insuficientă. S-a dovedit a fi necesară împărțirea acestor particule în „familii” esențial diferite:

1) fotoni, 2) leptoni, 3) mezoni, 4) barioni

și introduceți noi caracteristici ale particulelor care ar arăta că o anumită particulă aparține uneia dintre aceste familii. Aceste caracteristici sunt denumite în mod convențional „încărcări” sau „numere”. Există trei tipuri de taxe:

1) lepton-încărcare electronică;

2) sarcina lepton-muon

3) sarcina barionică

Aceste încărcături sunt date valori numerice: și -1 (particulele au semnul plus, antiparticulele au semnul minus; fotonii și mezonii au sarcini zero).

Particulele elementare respectă următoarele două reguli:

fiecare particulă elementară aparține unei singure familii și este caracterizată doar de una dintre sarcinile (numerele) de mai sus.

De exemplu:

Cu toate acestea, un anumit set de particule diferite poate aparține unei familii de particule elementare; De exemplu, grupul de barioni include protonii, neutronii și număr mare hiperonii. Prezentăm împărțirea particulelor elementare în familii:

leptoni „electronici”: aceștia includ electroni pozitroni electron neutrin și electroni antineutrin

leptoni „muoni”: Aceștia includ muonii cu sarcină electrică negativă și pozitivă și neutrini și antineutrini muoni.Aceștia includ protonii, neutronii, hiperonii și toate antiparticulele lor.

Existența sau absența unei sarcini electrice nu este asociată cu apartenența la nici una dintre familiile enumerate. Se observă că toate particulele al căror spin este egal cu 1/2 au în mod necesar una dintre sarcinile de mai sus. Fotonii (care au un spin egal cu unitatea), mezonii - pioni și kaonii (al căror spin este egal cu zero) nu au încărcături nici de lepton, nici de barion.

In toate fenomene fizice, la care participă particulele elementare - la procesele de dezintegrare; nașterea, anihilarea și transformările reciproce, - se respectă a doua regulă:

sumele algebrice ale numerelor pentru fiecare tip de sarcină separat sunt întotdeauna menținute constante.

Această regulă este echivalentă cu trei legi de conservare:

Aceste legi mai înseamnă că transformările reciproce între particulele aparținând unor familii diferite sunt interzise.

Pentru unele particule - kaoni și hiperoni - s-a dovedit a fi necesară introducerea suplimentară a unei alte caracteristici numită ciudățenie și notată de Kaoni au hiperoni lambda și sigma - xi-hiperoni - (semn superior pentru particule, semn inferior pentru antiparticule). În procesele în care se observă apariția (nașterea) particulelor cu ciudățenie, se respectă următoarea regulă:

Legea conservării stranietății. Aceasta înseamnă că apariția unei particule ciudate trebuie în mod necesar să fie însoțită de apariția uneia sau mai multor antiparticule ciudate, astfel încât suma algebrică a numerelor înainte și după

procesul nașterii a rămas constant. S-a remarcat, de asemenea, că legea conservării ciudățeniei nu este respectată în dezintegrarea particulelor ciudate, adică această lege este valabilă numai în procesele de producere a particulelor ciudate. Astfel, pentru particulele ciudate, procesele de creație și dezintegrare sunt ireversibile. De exemplu, un hiperon lambda (ciudățenia este egală cu descompunerea într-un proton și un pion negativ:

În această reacție, legea de conservare a ciudățeniei nu este respectată, deoarece protonul și pionul obținute după reacție au ciudățenii egale cu zero. Totuși, în reacția inversă, atunci când un pion negativ se ciocnește cu un proton, nu apare un singur hiperon lambda; reacția continuă cu formarea a două particule cu ciudățenii de semne opuse:

În consecință, în reacția de naștere lambda-hiperon se respectă legea conservării stranietății: înainte și după reacție, suma algebrică a numerelor „ciudate” este egală cu zero. Se cunoaște o singură reacție de dezintegrare în care este satisfăcută constanța sumei numerelor ciudate - aceasta este dezintegrarea unui hiperon sigma neutru într-un hiperon lambda și un foton:

O altă caracteristică a particulelor ciudate este diferența puternică dintre durata proceselor de producție (de ordinul ) și timpul mediu de existență a acestora (aproximativ ); pentru alte particule (nu ciudate), acești timpi sunt de aceeași ordine.

Rețineți că necesitatea introducerii numerelor sau sarcinilor de lepton și barion și existența legilor de conservare de mai sus ne fac să presupunem că aceste sarcini exprimă o diferență calitativă între particule de diferite tipuri, precum și între particule și antiparticule. Faptul că este necesar să se atribuie sarcini cu semne opuse particulelor și antiparticulelor indică imposibilitatea transformărilor reciproce între ele.

PARTICILE ELEMENTARE

Introducere

E. h. în sensul exact al acestui termen sunt particule primare, necompuse, din care, prin presupunere, constă toată materia. În conceptul de "E. h." în modern fizica își găsește expresie ideea de entități primitive care determină toate proprietățile observabile ale lumii materiale, idee care a luat naștere în etapele incipiente ale formării științelor naturale și a jucat întotdeauna rol importantîn dezvoltarea sa.

Conceptul de "E. h." s-a format în strânsă legătură cu stabilirea naturii discrete a structurii materiei la microscop. nivel. Descoperire la începutul secolelor XIX-XX. cei mai mici purtători ai proprietăților materiei - molecule și atomi - și stabilirea faptului că moleculele sunt construite din atomi, a făcut pentru prima dată posibilă descrierea tuturor substanțelor observate ca combinații ale unui număr finit, deși mare, de structuri structurale. componente – atomi. Identificarea ulterioară a părților constitutive ale atomilor - electroni și nuclee, stabilirea naturii complexe a nucleelor ​​în sine, care s-au dovedit a fi construite din doar două particule (nucleoni): protoni și neutroni, au redus semnificativ numărul de elemente discrete. care formează proprietățile materiei și au dat motive să presupunem că părțile constitutive ale lanțului de materie se termină cu formațiuni discrete fără structură - E. h. Secolului 20 posibilitatea de a interpreta e-magn. câmpul ca o colecție de particule speciale - fotoni - a întărit suplimentar convingerea în corectitudinea acestei abordări.

Cu toate acestea, ipoteza formulată, în general, este o extrapolare a unor fapte cunoscute și nu poate fi justificată în niciun fel. Este imposibil să se afirme cu certitudine că există particule care sunt elementare în sensul definiției de mai sus. De asemenea, este posibil ca afirmația „constă din...” la un moment dat al studiului materiei să fie lipsită de conținut. În acest caz, definiția „elementar” dată mai sus va trebui abandonată. Existenţa lui E. h. este un fel de postulat, iar verificarea validităţii lui este una dintre sarcini critice fizică.

De regulă, termenul "E. h." folosit în modern fizică, nu în sensul ei exact, dar mai puțin strict - pentru nume grup mare cele mai mici particule observabile de materie, cu condiția ca acestea să nu fie atomi sau nuclee atomice, adică obiecte de natură deliberat compusă (excepția este protonul - nucleul atomului de hidrogen). Studiile au arătat că acest grup de particule este neobișnuit de extins. În afară de proton(R), neutroni(n), electron(e) și foton(g) include: pi mezoni(p), muonii(m), tau leptoni(T), neutrini trei tipuri (v e, v m, v t), așa-numitele. particule ciudate ( K-mezoniȘi hiperonii), particule fermecateși particule minunate (frumoase) (mezonii D și B și corespunzătoare barionii), variat rezonanțe, inclusiv mezonii cu farmec ascuns și farmec ( particule ncu, particule upsilon) și, în final, deschis la început. anii 80 bosoni vectori intermediari (W, Z)- peste 350 de particule în total, în principal instabil. Numărul de particule incluse în acest grup pe măsură ce sunt descoperite este în continuă creștere și se poate afirma cu încredere că va continua să crească. Evident, un număr atât de mare de particule nu poate acționa ca constituenți elementari ai materiei și, într-adevăr, în anii 70. s-a demonstrat că majoritatea particulelor enumerate (toți mezonii și barionii) sunt sisteme compozite. Particulele incluse în acest ultim grup ar trebui să fie mai precis numite particule „subnucleare”, deoarece reprezintă forme specifice ale existenței materiei care nu este agregată în nuclee. Utilizarea numelui "E. h." în raport cu toate particulele menţionate are în principal. istoria, cauzează și se asociază cu perioada cercetării (începutul anilor 30), când unitatea. reprezentanți cunoscuți ai acestui grup au fost protonii, neutronii, electronii și particulele el-magn. câmpuri - foton. Apoi, cu un anumit drept, aceste particule ar putea revendica rolul lui E. h.

Descoperirea de noi microscopice particulele au distrus treptat acest lucru o poză simplă structura materiei. Cu toate acestea, particulele nou descoperite în proprietățile lor erau, în multe privințe, apropiate de primele patru particule cunoscute: fie de proton și neutron, fie de electron, fie de foton. Atâta timp cât numărul acestor particule nu era foarte mare, s-a menținut credința că toate joacă fundam. rol în structura materiei și au fost incluse în categoria E. h. Odată cu creșterea numărului de particule, această credință a trebuit să fie abandonată, dar în mod tradițional. Nume "E. h." tinut in urma lor.

În conformitate cu practica consacrată, termenul "E. h." va fi folosit mai jos ca nume comun pentru toți cele mai mici particule materie. În acele cazuri când vorbim despre particule care pretind a fi elementele primare ale materiei, termenul „adevărat” va fi folosit dacă este necesar. particule elementare".

Scurte informații istorice

Descoperirea lui E. h. a fost un rezultat firesc al succesului general în studierea structurii materiei, realizat de fizică în con. secolul al 19-lea A fost pregătit prin studii detaliate ale spectrelor atomilor, studiul electricității. fenomene în lichide și gaze, descoperirea fotoelectricității, raze X. razele, naturale radioactivitate, indicând existența unei structuri complexe a materiei.

Din punct de vedere istoric, primul E. h. deschis a fost un electron - purtătorul unui electric elementar negativ. sarcina in atomi. În 1897, J. J. Thomson (J. J. Thomson) a arătat în mod convingător că așa-numitul. razele catodice sunt un flux de sarcină. particule, to-rye au fost numite mai târziu electroni. În 1911 E. Rutherford, sărind particule alfa din natură. radioactiv sursa prin folie subtire desc. substante, a ajuns la concluzia ca ar pune. sarcina în atomi este concentrată în formațiuni compacte - nuclee, iar în 1919 a descoperit printre particulele scoase din nuclee atomice, protoni - particule cu un singur pozitiv. sarcină și masă, de 1840 de ori masa unui electron. O altă particulă care face parte din nucleu, neutronul, a fost descoperită în 1932 de J. Chadwick în timp ce studia interacțiunea particulelor a cu beriliul. Neutronul are o masă apropiată de cea a protonului, dar nu are sarcină electrică. încărca. Descoperirea neutronului a finalizat identificarea particulelor, care sunt elementele structurale ale atomilor și nucleele acestora.

Concluzia despre existența particulelor e-magn. câmp - foton - provine din lucrarea lui M. Planck (M. Planck, 1900). Pentru a obține o descriere corectă a spectrului de radiații al unui corp absolut negru, Planck a fost nevoit să admită că energia radiației este împărțită în separat. porțiuni (quanta). Dezvoltând ideea lui Planck, A. Einstein a sugerat în 1905 că el-magn. radiația este un flux de cuante (fotoni) și pe această bază au explicat legile efectului fotoelectric. Experimente directe. dovezi ale existenței fotonului au fost date de R. Millikan în 1912-15 când studia efectul fotoelectric și de A. Compton în 1922 când studia împrăștierea g-quantelor de către electroni (vezi. Efectul Compton).

Ideea existenței unui neutrin, o particulă care interacționează doar slab cu materia, îi aparține lui W. Pauli (1930), care a subliniat că o astfel de ipoteză face posibilă eliminarea dificultăților cu legea conservării energiei în procesele de dezintegrare beta a unui act radio. nuclee. Existența neutrinilor a fost confirmată experimental în studiul procesului invers dezintegrare beta abia în 1956 [F. Reines (F. Reines) și K. Cowan (S. Cowan)].

Din anii 30 până la începutul anilor anii 50 studiul lui E. h. a fost strâns legat de studiu raze cosmice. În 1932, ca parte a cosmicului. raze de K. Anderson (S. Anderson) a fost descoperită Pozitron(e +) - o particulă cu o masă de electroni, dar cu o masă electrică pozitivă. încărca. Pozitronul a fost primul descoperit antiparticulă. Existența pozitronului decurge direct din teoria relativistă a electronului dezvoltată de P. Dirac în 1928-31 cu puțin timp înainte de descoperirea pozitronului. În 1936, Anderson și S. Neddermeyer (S. Neddermeyer) au găsit în studiul spațiului. raze muoni (din ambele semne de sarcină electrică) - particule cu o masă de aproximativ 200 de mase ale unui electron, dar de altfel remarcabil de aproape de acesta în proprietăți.

În 1947, tot în spațiu. razele de către grupul S. Powell (S. Powell) au fost descoperite p + - și p - mesoni cu o masă de 274 de mase de electroni, care joacă un rol important în interacțiunea protonilor cu neutronii din nuclee. Existența unor astfel de particule a fost propusă de H. Yukawa în 1935.

Con. Anii 40-început anii 50 au fost marcate de descoperirea unui grup mare de particule cu proprietăți neobișnuite, numite. "ciudat". Primele particule din acest grup - K + - și K - mezoni, L-hiperoni - au fost descoperite în spațiu. razele, au fost făcute descoperiri ulterioare de particule ciudate acceleratori de particule- instalații care creează fluxuri intense de protoni și electroni de mare energie. La ciocnirea cu materia, protonii și electronii accelerați dau naștere la noi E. h., to-rye sunt apoi înregistrate cu ajutorul unor detectoare complexe.

De la inceput anii 50 acceleratoarele au devenit principalele. instrument pentru studiul lui E. h. În anii '90. Max. energiile particulelor accelerate la acceleratori s-au ridicat la sute de miliarde de electroni volți (GeV), iar procesul de creștere a energiilor continuă. Dorința de a crește energiile particulelor accelerate se datorează faptului că astfel se deschide posibilitatea studierii structurii materiei la distanțe mai scurte, cu atât mai mare este energia particulelor care se ciocnesc, precum și posibilitatea de a produce mai mult și mai mult. particule mai grele. Acceleratoarele au crescut semnificativ rata de obținere a datelor noi și, în Pe termen scurt ne-a extins și ne-a îmbogățit cunoștințele despre proprietățile microlumii.

Punerea în funcțiune a acceleratoarelor de protoni cu energii de miliarde de eV a făcut posibilă descoperirea de antiparticule grele: antiproton (1955), antineutron(1956), antisigmagi-peron (I960). În 1964, a fost descoperită cea mai grea particulă din grupul de hiperoni, W (cu o masă de aproximativ două mase de proton).

Din anii 60. cu ajutorul acceleratoarelor, un număr mare de particule extrem de instabile (în comparație cu alte E. h. instabile), care au primit numele. rezonanțe. Masele celor mai mulți depășesc masa unui proton. [Primul dintre ele, D (1232), care se descompune într-un p-mezon și un nucleon, este cunoscut din 1953.] S-a dovedit că rezonanța este principală. parte din E. h.

În 1974, au fost descoperite particule psi masive (3-4 mase de protoni) și în același timp relativ stabile, cu o durată de viață de aproximativ 10 3 ori mai mare decât durata de viață tipică rezonanțelor. S-au dovedit a fi strâns înrudiți cu noua familie a fermecaților E. h., primii reprezentanți ai cărei (D mesons, L Cu-barioni) au fost descoperite în 1976.

În 1977, au fost descoperite particule upsilon și mai grele (aproximativ 10 mase de protoni), precum și particule psi, care sunt anormal de stabile pentru particulele cu mase atât de mari. Ei au anunțat existența unei alte familii neobișnuite de particule drăguțe sau frumoase. Reprezentanții săi - B-mesoni - au fost descoperiți în 1981-83, L b-barioni - în 1992.

În 1962, s-a constatat că în natură nu există un singur tip de neutrin, ci cel puțin două: electronice. v e şi muonic v m . 1975 a adus descoperirea t-leptonului, o particulă de aproape 2 ori mai grea decât un proton, dar în rest repetând proprietățile unui electron și ale unui muon. Curând a devenit clar că un alt tip de neutrin a fost asociat cu acesta. v T.

În sfârșit, în 1983, în cursul experimentelor la ciocnitorul proton-antiproton (un aparat pentru efectuarea ciocnirii fasciculelor de particule accelerate), au fost descoperite cele mai grele particule de electroni cunoscute: bosoni intermediari încărcați. W b (m W 80 GeV) și un boson intermediar neutru Z 0 (m Z = 91 GeV).

Astfel, în aproape 100 de ani care au trecut de la descoperirea electronului, au fost descoperite un număr imens de diverse microparticule de materie. Lumea lui E. h. s-a dovedit a fi destul de complicată. Neașteptat în mulți relaţiile s-au dovedit a fi proprietăţile descoperite E. h. Pentru a le descrie, pe lângă caracteristicile împrumutate de la clasic. fizică, cum ar fi electricitatea sarcină, masă, moment unghiular, a fost nevoie de o mulțime de noi specialități pentru a fi introduse. caracteristici, în special pentru a descrie ciudatul, fermecat și minunat (frumos) E. h. ciudățenie[LA. Nishijima (K. Nishijima), M. Gell-Mann (M. Gell-Mann), 1953], Farmec[J. Bjorken (J. Bjorken), Sh. Glashow (Sh. Glashow), 1964], frumuseţe. Numele caracteristicilor de mai sus reflectă deja natura neobișnuită a proprietăților pe care le descriu.

Studiul intern Încă de la primii pași, evoluția materiei și a proprietăților a fost însoțită de o revizuire radicală a multor concepte și concepte consacrate. Legile care guvernează comportamentul materiei în mic, s-au dovedit a fi atât de diferite de legile clasicului. mecanică și care a cerut pentru descrierea lor teoretică complet nouă. constructii. Astfel de teorii noi au fost, în primul rând, private (spec.) teoria relativității(Einstein, 1905) și mecanica cuantică(H. Bohr, L. de Broglie, W. Heisenberg, E. Schrödinger, M. Born; 1924-27). Teoria relativității și mecanica cuantică au marcat o adevărată revoluție în știința naturii și au pus bazele descrierii fenomenelor microlumii. Cu toate acestea, nu a fost suficient să descriem procesele care au loc cu E. h. A făcut următorul pas - cuantizarea clasicului. câmpuri (așa-numitele. a doua cuantizare) și dezvoltare teoria câmpului cuantic. Cele mai importante etape pe calea dezvoltării sale au fost: formularea electrodinamică cuantică(Dirac, 1929), teoria cuantică a dezintegrarii beta [E. Fermi (E. Fermi), 1934] - precursorii modernului. teoria fenomenologică a interacțiunilor slabe, mezodinamica cuantică (X. Yukawa, 1935). Această perioadă s-a încheiat cu crearea unei succesiuni. calculati. aparat de electrodinamică cuantică [S. Tomona-ga (S. Tomonaga), P. Feynman (R. Feynman), J. Schwinger (J. Schwinger); 1944-49], bazată pe utilizarea tehnologiei renormalizare Această tehnică a fost ulterior generalizată la alte variante ale teoriei câmpurilor cuantice.

O etapă esențială în dezvoltarea ulterioară a teoriei câmpurilor cuantice a fost asociată cu dezvoltarea ideilor despre așa-numitul. câmpuri de calibrare sau Yanga - Câmpuri de mori(Ch. Young, P. Mills, 1954), care a făcut posibilă stabilirea relației de proprietăți simetrie interacțiunile cu câmpurile. Teoria cuantică a câmpurilor gauge stă în prezent la baza descrierii interacțiunilor electromagneților.Această teorie are o serie de succese serioase și, totuși, este încă foarte departe de a fi completă și nu poate încă pretinde rolul unei teorii cuprinzătoare a electromagnetismului. restructurarea tuturor ideilor și o înțelegere mult mai profundă a relației dintre proprietățile microparticulelor și proprietățile spațiu-timp înainte de construirea unei astfel de teorii.

Proprietățile de bază ale particulelor elementare. Clasele de interacțiune

Toți electronii sunt obiecte de mase și dimensiuni excepțional de mici. Pentru majoritatea dintre ele, masele m sunt de ordinul mărimii masei protonilor, egale cu 1,6·10 -24 g (doar masa electronilor este vizibil mai mică: 9·10 -28 g). Dimensiunile protonilor, neutronilor, p- și K-mezonilor determinate din experiență sunt egale în ordinul mărimii cu 10 -13 cm (vezi Fig. „Mărimea” unei particule elementare). Nu s-a putut determina dimensiunile electronului și muonului, se știe doar că acestea sunt mai mici de 10 -16 cm.Microscopice. Masele și dimensiunile lui E. h. stau la baza specificului cuantic al comportamentului lor. caracteristică lungimi de undă, care ar trebui atribuit lui E. h. în teoria cuantică (= /ts-Lungime de undă Compton), care sunt apropiate în ordinea mărimii de dimensiunile tipice pe care are loc interacțiunea lor (de exemplu, pentru p-mezonul /ts 1,4 10 -13 cm). Aceasta duce la faptul că regularitățile cuantice sunt decisive în comportamentul lui E. h.

Naib. O proprietate cuantică importantă a tuturor electronilor este capacitatea lor de a fi născut și distrus (emis și absorbit) atunci când interacționează cu alte particule. În acest sens, ei sunt complet analogi cu fotonii. E. h. este specific. cuante de materie, mai precis - cuante ale corespondentei domeniile fizice. Toate procesele cu E. h. decurg printr-o succesiune de acte de absorbție și emisie a acestora. Numai pe această bază se poate înțelege, de exemplu, procesul de producere a p + -mezonului în ciocnirea a doi protoni (p + pp + n + p +) sau procesul unui electron și al unui pozitron, când, de exemplu, două g-quante apar în loc de particule dispărute (e + +e - g + g). Dar și procesele de împrăștiere elastică a particulelor, de exemplu. e - + p- > e - + p, sunt de asemenea asociate cu absorbția începutului. particule și nașterea particulelor finite. Dezintegrarea particulelor de electroni instabile în particule mai ușoare, însoțită de eliberarea de energie, corespunde aceleiași regularități și este un proces în care produsele de descompunere se nasc în momentul dezintegrarii în sine și nu există până în acel moment. În acest sens, dezintegrarea lui E. h. este similară cu dezintegrarea unui atom excitat în principal. stare și foton. Pot servi exemple de dezintegrare a particulelor de electroni (semnul „tilde” deasupra simbolului particulei aici și în cele ce urmează corespunde antiparticulei).

Diff. Procesele electromagnetice la energii relativ scăzute [până la 10 GeV în sistemul centrului de masă (c.m.)] diferă considerabil în intensitatea apariției lor. În conformitate cu aceasta, interacțiunile care le generează E. h. pot fi împărțite fenomenologic în mai multe. clase: interacțiune puternică, interacțiune electromagneticăȘi interacțiune slabă.Toți E. h. posedă, în plus, interacțiune gravitațională.

Interacțiunea puternică se remarcă ca interacțiune, o tăietură este responsabilă pentru procesele cu E. h., decurgând cu cea mai mare intensitate în comparație cu alte procese. Conduce la cea mai puternică conexiune E. h. Este interacțiunea puternică care determină legătura protonilor și neutronilor în nucleele atomilor și oferă o excepție. puterea acestor formațiuni, care stă la baza stabilității materiei în condiții terestre.

El-magn. interacțiunea este caracterizată ca o interacțiune, a cărei bază este legătura cu e-magn. camp. Procesele provocate de acesta sunt mai puțin intense decât procesele de interacțiune puternică, iar legătura E. h. generată de acesta este vizibil mai slabă. El-magn. interacțiunea, în special, este responsabilă pentru procesele de emisie de fotoni, pentru legarea electronilor atomici cu nucleele și pentru legarea atomilor din molecule.

Interacțiunea slabă, așa cum arată și numele, are un efect redus asupra comportamentului lui E. h. sau provoacă procese foarte lente de schimbare a stării lor. Această afirmație poate fi ilustrată, de exemplu, prin faptul că neutrinii, care participă doar la interacțiuni slabe, pătrund liber, de exemplu, în grosimea Pământului și a Soarelui. Interacțiunea slabă este responsabilă pentru decăderile relativ lente ale așa-numitelor. cvasi-stabil E. h. De regulă, durata de viață a acestor particule se află în intervalul 10 -8 -10 -12 s, în timp ce timpii tipici de tranziție pentru interacțiunea puternică a E. h. sunt de 10 -23 s.

Gravitatie interacțiuni, bine cunoscute pentru macroscopicitatea lor. manifestări, în cazul E. h., datorită micimii extreme a maselor lor la distanțe caracteristice de ~ 10 -13 cm, dau efecte excepțional de mici. Acestea nu vor fi discutate în continuare (cu excepția Secțiunii 7).

„Forța” dec. clasele de interacțiuni pot fi aproximativ caracterizate prin parametrii adimensionali asociați cu pătratele corespondentei constante de interacțiune. Pentru puternic, e-magn., slab și gravitațional. interacțiunile protonilor la o energie a proceselor ~ 1 GeV BC. c. m. acești parametri sunt relaționați ca 1:10 -2:10 -10:10 -38. Necesitatea de a preciza cf. energia procesului este legată de faptul că în fenomenologic. teoria interacțiunii slabe, parametrul adimensional depinde de energie. În plus, intensitatea dec. procesele depind de energie în moduri foarte diferite, iar teoria fenomenologică a interacțiunii slabe la energii mari M WÎnăuntru cu. c. m încetează să mai fie corect. Toate acestea conduc la ceea ce se referă. dif. rol. interacțiunile, în general, se modifică odată cu creșterea energiei particulelor care interacționează, iar împărțirea interacțiunilor în clase, pe baza unei comparații a intensităților proceselor, se realizează în mod fiabil la energii nu prea mari.

Conform modernului reprezentări, la energii mai mari M W(adică, 80 GeV în cm) slab și e-mag. interacțiunile sunt comparate în putere și acționează ca o manifestare a unui singur interacțiune electroslabă. De asemenea, a fost prezentată o ipoteză atractivă cu privire la posibila egalizare a constantelor tuturor celor trei tipuri de interacțiuni, inclusiv cea puternică, la energii ultraînalte de peste 10 16 GeV (așa-numitul model). Marea Unire).

În funcție de participarea la anumite tipuri de interacțiuni, toate particulele de E. au studiat, cu excepția fotonului, W- și bosonii Z, sunt împărțiți în două principale. grupuri: hadroniiȘi leptoni. Hadronii se caracterizează în primul rând prin faptul că participă la interacțiunea puternică, alături de interacțiunile el-magnetice și slabe, în timp ce leptonii participă doar la interacțiunile el-magnetice și slabe. (Este implicată prezența unei interacțiuni gravitaționale comune ambelor grupuri.) Masele de hadron sunt apropiate, în ordinea mărimii, de masa protonilor ( T R ) , uneori depășindu-l de câteva ori. o singura data; min. p-mezonul are masa printre hadroni: T p1 / 7 m p , . Masele de leptoni cunoscute înainte de 1975-76 au fost mici (0,1 m p) - de unde numele lor. Cu toate acestea, date mai recente indică existența m-leptonilor grei cu o masă de cca. două mase de protoni.

Hadronii sunt cel mai extins grup de E. h cunoscute. Include toți barionii și mezonii, precum și așa-numiții. rezonanțe (adică majoritatea celor 350 e. h. menționate). După cum sa menționat deja, aceste particule au o structură complexă și, de fapt, nu pot fi considerate elementare. Leptonii sunt reprezentați de trei particule încărcate (e, m, m) și trei neutre ( v e, v m, v T). Foton, W + și bosonii Z 0 împreună formează un grup important de bosoni gauge care efectuează transferul interacțiunii el-slab. Elementaritatea particulelor din aceste ultime două grupe nu a fost încă serios pusă la îndoială.

Caracteristicile particulelor elementare

Fiecare E. h., împreună cu specificul interacțiunilor sale inerente, este descrisă de un set de valori discrete determinate. fizic cantități sau caracteristici. Într-un număr de cazuri, aceste valori discrete sunt exprimate în termeni de numere întregi sau fracționale și un anumit multiplicator comun, o unitate de măsură; aceste numere sunt denumite numere cuantice E. h. și setați numai ele, omițând unitățile de măsură.

Caracteristicile generale ale tuturor E. h - masa ( T), durata de viață (t), rotație ( J) și electrice. taxa ( Q).

În funcție de durata de viață t, E. h. sunt împărțite în stabile, cvasistabile și instabile (rezonanțe). Stabil, în acuratețea modernului. măsurătorile sunt electronul (m > 2 · 10 22 ani), protonul (m > 5 · 10 32 ani), fotonul și toate tipurile de neutrini. Particulele cvasi-stabile includ particule care se descompun datorită e-magnetului. și interacțiuni slabe. Durata lor de viață variază de la 900 s pentru un neutron liber până la 10 -20 s pentru un S 0 -hiperon. Resonance a sunat. E. h., dezintegrandu-se datorita interactiunii puternice. Duratele lor de viață caracteristice sunt 10 -22 -10 -24 s. În tabel. 1 se notează cu * și în loc de m se dă o valoare mai convenabilă: lățimea rezonanței Г=/т.

Spin E. h. J este un multiplu întreg sau jumătate întreg al valorii. În aceste unități, spin-ul mezonilor p și K este egal cu 0, pentru proton, neutron și toți leptonii J= 1/2, pentru un foton, Wb-și bosonii Z J= 1. Există și particule cu un spin mare. Valoarea spin-ului unei E. h. determină comportamentul unui ansamblu de particule identice (identice) sau statisticile acestora (Pauli, 1940). Particulele de spin semiîntreg se supun Statistici Fermi - Dirac(de unde și denumirea de fermioni), care necesită antisimetria funcției de undă a sistemului în raport cu permutarea unei perechi de particule (sau un număr impar de astfel de permutări) și, prin urmare, „interzice” două particule de jumătate întreg. rotirea să fie în aceeași stare ( principiul Pauli).Particulele unui întreg spin se supun Baza - statistici Einstein(de unde denumirea de bozoni), care necesită o funcție de undă în ceea ce privește permutările particulelor și permite oricărui număr de particule de spin întreg să fie în aceeași stare. Statistic Proprietățile lui E. h. particule identice.

No t e. Particulele sunt marcate cu * în stânga. (de regulă, rezonanțe), pentru care în loc de timp durata de viață t este lățimea Г=/t. Adevărat neutruparticulele nye sunt plasate la mijloc între particule și antiparticule. Membrii unui multi izotopicgenele sunt situate pe o singură linie (în acele cazuri, când caracteristicile fiecărui membru al multibici, - cu un ușor decalaj vertical). trădaresemn de paritate P pentru antibarioni nu este indicat, egal cudar ca schimbarea semnelor S, C, b y din toate antiparticulele. Pentru leptoni și bosoni intermediari, interiorul paritatea nu este un quanto exact (conservat).număr și deci nemarcat. Numerele între paranteze la sfârşitul mărimilor fizice date notează eroarea existentă în sensul acestor cantități, referitoare la ultima dintre cifrele date.

Electric sarcinile E. h. studiate (cu excepția) sunt multipli întregi ai e= 1,6 10 -19 C (4,8 10 -10 CGS), nas. sarcina electrica elementara. În celebrul E. h. Q= 0, + 1, b2.

Pe lângă aceste mărimi, E. h. se caracterizează suplimentar printr-un număr de numere cuantice, numite. "intern". Leptonii sunt specifici. număr lepton (L) trei tipuri: electronice Le, egal cu +1 pentru e -Și v e, muonic L m , egal cu +1 pentru m - și v m, și L t egal cu +1 pentru t - și v t .

Pentru hadroni L= 0, iar aceasta este o altă manifestare a diferenței lor față de leptoni. La rândul său, asta înseamnă o parte din hadroni ar trebui să fie atribuită așa-numitului. numărul barionului B (|B| = eu ) . Hadroni cu B=+ 1 formează un subgrup de barioni (acesta include protonii, neutronii, hiperonii; barionii fermecați și drăgălașii; rezonanțe barionice) și hadronii cu B= 0 - un subgrup de mezoni (p-mezoni, K-mezoni, mezoni fermecați și drăguți, rezonanțe bosonice). Nume subgrupurile de hadroni provin din greacă. cuvintele baruV - grele și mEsоV - mediu, care este la început. etapa de cercetare E. h. reflectat compara. masele barionilor și mezonilor cunoscuți atunci. Date mai recente au arătat că masele de barioni și mezoni sunt comparabile. Pentru leptoni B=0. Pentru un foton Wb- și bosonii Z B= 0 și L= 0.

Barionii și mezonii studiați sunt împărțiți în seturile deja menționate: particule obișnuite (ne-stranii) (protoni, neutroni, p-mezoni), particule ciudate (hiperoni, K-mezoni), particule fermecate și drăguțe. Această împărțire corespunde prezenței numerelor cuantice speciale în hadroni: ciudățenii S, farmecele C și farmecele (frumusețe) b cu valori valide (modulo) 0, 1, 2, 3. Pentru particule obișnuite S=C= b=0, pentru particule ciudate S 0, C= b= 0, pentru particulele fermecate С0, b= 0 și pentru minunat b O. Alături de aceste numere cuantice, este adesea folosit și numărul cuantic hipersarcina Y=B+S+C + b având, aparent, mai mult decât fundam. sens.

Deja primele studii asupra hadronilor obișnuiți au relevat prezența printre aceștia a unor familii de particule apropiate ca masă și cu proprietăți foarte asemănătoare în ceea ce privește interacțiunea puternică, dar cu descompunere. valorile electrice. încărca. Protonul și neutronul (nucleonii) au fost primul exemplu de astfel de familie. Astfel de familii au fost descoperite mai târziu printre hadroni ciudați, fermecați și drăgălași. Caracterul comun al proprietăților particulelor incluse în astfel de familii este o reflectare a existenței aceleiași valori a numărului cuantic pentru ele - spin izotopic I, care, ca și spinul obișnuit, ia valori întregi și jumătate întregi. Familiile înseși sunt de obicei numite. multiplete izotopice. Numărul de particule dintr-un multiplet n asociat cu eu raport n = 2eu+1. Particule ale unui izotopic. multipletul diferă unul de celălalt prin valoarea izotopului de „proiecție”. înapoi eu 3 și valorile corespunzătoare Q sunt date de

O caracteristică importantă a hadronilor este paritatea interioară P asociate cu exploatarea spatiilor. inversiuni: P ia valori + 1.

Pentru toate numerele de electroni cu valori diferite de zero ale cel puțin unuia dintre numerele cuantice Q, L, B, S, C, b există antiparticule cu aceleași valori de masă T, durata de viață t, rotire J iar pentru hadronii izotopici. înapoi eu, dar cu semne opuse numerelor cuantice indicate, iar pentru barionii cu semn opus, ext. paritate R. Se numesc particule care nu au antiparticule. particule neutre adevărate. Hadronii cu adevărat neutri au o specialitate - paritatea taxei(adică, paritatea în raport cu operația de conjugare a sarcinii) C cu valorile + 1; exemple de astfel de particule sunt p 0 - și h-mezoni (C=+1), r 0 - și f-mezoni (C=-1), etc.

Numerele cuantice ale E. h. sunt împărțite în exacte (adică cele care sunt asociate cu mărimi fizice care sunt conservate în toate procesele) și inexacte (pentru care mărimile fizice corespunzătoare nu sunt conservate într-un număr de procese). A învârti J este asociat cu o lege de conservare strictă și, prin urmare, este un număr cuantic exact. Un alt număr cuantic exact este electric. încărca Q. În limitele preciziei măsurătorii, numerele cuantice sunt de asemenea păstrate BȘi L, deși nu există teoretice serioase premise. Mai mult, observat asimetria barionică a universului max. poate fi interpretat în mod natural presupunând o încălcare a conservării numărului barion ÎN(A.D. Saharov, 1967). Cu toate acestea, stabilitatea observată a protonului este o reflexie grad înalt acuratețea conservării BȘi L(nu există dezintegrare pe + p 0, de exemplu). Nu se observă nici descompunerea m - e - + g, m - m - + g etc.. Cu toate acestea, majoritatea numerelor cuantice ale hadronilor sunt inexacte. izotopic spinul, fiind conservat în interacțiunea puternică, nu se conserva în e-magn. și interacțiuni slabe. Ciudația, farmecul și farmecul se păstrează în puternic și el-magn. interacțiuni, dar nu sunt conservate în interacțiuni slabe. Interacțiunea slabă modifică și ext. și paritatea de încărcare a setului de particule implicate în proces. Paritatea combinată este păstrată cu un grad mult mai mare de precizie CP (paritate CP), este însă încălcat și în anumite procese cauzate de . Motive pentru neconservare pl. numerele cuantice ale hadronilor nu sunt clare și, aparent, sunt legate atât de natura acestor numere cuantice, cât și de structura profundă a interacțiunii el-slab.

În tabel. 1 arată max. particule de electroni bine studiate din grupurile de leptoni și hadroni și numerele lor cuantice. În special grup, bosonii gauge sunt alocați. Particulele și antiparticulele sunt date separat (modificare P nu este indicat pentru antibarioni). Particulele neutre adevărate sunt plasate în centrul primei coloane. Membrii unui izotopic. multipletele sunt situate pe o singură linie, uneori cu o ușoară deplasare (în acele cazuri când sunt date caracteristicile fiecărui membru al multipletului).

După cum sa menționat deja, grupul de leptoni este foarte mic, iar masele de particule în principal. mic. Pentru masele tuturor tipurilor de neutrini, există restricții destul de stricte de sus, dar care sunt adevăratele lor valori rămâne de văzut.

Principal o parte a E. h. este formată din hadroni. O creștere a numărului de E. ore cunoscute în anii 60-70. a avut loc numai datorită extinderii acestui grup. Hadronii sunt reprezentați în mare parte prin rezonanțe. Se atrage atenția asupra tendinței de creștere a spinului odată cu creșterea masei de rezonanțe; este bine urmărit pe dif. grupuri de mezoni si barioni cu date eu, Sși C. De asemenea, trebuie remarcat faptul că particulele ciudate sunt ceva mai masive decât particulele obișnuite, particulele fermecate sunt mai masive decât cele ciudate și particulele minunate sunt mai masive decât cele fermecate.

Clasificarea particulelor elementare. Modelul cuarc al hadronilor

Dacă clasificarea bosonilor și leptonilor gauge nu provoacă probleme speciale, atunci un număr mare de hadroni deja la început. anii 50 a stat la baza căutării modelelor de distribuție a maselor și numerelor cuantice de barioni și mezoni, care ar putea sta la baza clasificării lor. Selectarea izotopilor. multipletele de hadron a fost primul pas în această direcție. Cu mama. din punct de vedere, gruparea hadronilor în izotop. multipletele reflectă prezența unei puternice simetrii de interacțiune asociată cu rotația grupului, mai formal, cu grupul unitar SU(2) - un grup de transformări într-un spațiu complex bidimensional [vezi. simetria SU ( 2 )] . Se presupune că aceste transformări operează într-un fel specific. intern spațiu – așa-numitul. izotopic alt spațiu decât cel normal. Existența izotopului spațiul se manifestă numai în proprietățile observabile ale simetriei. La matematică. limbaj izotopic. multipletele sunt ireductibile reprezentări de grup simetrie SU (2).

Conceptul de simetrie ca factor care determină existența decomp. grupuri şi familii E. h. în modern. teorie, este dominantă în clasificarea hadronilor și a altor E. h. Se presupune că ext. numere cuantice E. h., permițându-vă să combinați anumite grupuri de particule, asociate cu speciale. tipuri de simetrie care iau naştere datorită libertăţii de transformări în special interne. spatii. De aici vine numele. „numerele cuantice interne”.

O analiză atentă arată că hadronii ciudați și obișnuiți formează împreună asociații mai largi de particule cu proprietăți similare decât cele izotopice. multiplete. De obicei sunt numiti super multi-gene. Numărul de particule incluse în super-multipletele observate este de 8 și 10. Din punct de vedere al simetriei, apariția super-multipletelor este interpretată ca o manifestare a existenței unui grup de simetrie în interacțiunea puternică care este mai largă decât grupul SU( 2) , şi anume grupul unitar SU(3) - grupuri de transformare în spațiul complex tridimensional [Gell-Man, Y. Neeman, 1961]; cm. Simetrie SU(3). Simetria corespunzătoare se numește simetrie unitară. grup SU(3) are, în special, reprezentări ireductibile cu numărul de componente 8 și 10, care pot fi asociate cu supermultipletele observate: un octet și un decuplet. Exemple de supermultipleturi sunt următoarele grupuri de particule cu aceleași valori JP(adică cu aceleași perechi de valori JȘi P):

Simetria unitară este mai puțin precisă decât izotopică. simetrie. În conformitate cu aceasta, diferența dintre masele de particule incluse în octeți și decupleți este destul de semnificativă. Din același motiv, împărțirea hadronilor în supermultipleturi este relativ ușor de realizat pentru particulele de electroni cu mase nu foarte mari. La mase mari, când sunt multe dif. particule cu mase similare, această diviziune este mai dificil de implementat.

Detectarea printre hadroni a supermultiplets selectate de dimensiuni fixe, corespunzătoare anumitor cazuri. reprezentări ale grupului unitar SU(3), a fost cheia celei mai importante concluzii despre existența elementelor structurale speciale în hadroni - quarcuri.

Ipoteza că hadronii observați sunt construiți din particule natură neobișnuită- quarci care poartă spin 1 / 2, care posedă o interacțiune puternică, dar în același timp, care nu aparține clasei hadronilor, a fost propusă de G. Zweig și independent de Gell-Mann în 1964 (vezi. modele de cuarci). Ideea de quarci a fost sugerată de Math. structura reprezentărilor grupurilor unitare. Ma-ei. formalismul deschide posibilitatea de a descrie toate reprezentările grupului Soare) (și, în consecință, toți multipleții de hadron asociați) pe baza înmulțirii celei mai simple (fundam.) reprezentări de grup care conține n componentă. Este necesar doar să admitem existența unor particule speciale asociate acestor componente, ceea ce a fost făcut de Zweig și Gell-Mann pentru cazul special al grupului. SU( 3) . Aceste particule au fost numite quarci.

Compoziția specifică de quarc a mezonilor și barionilor a fost derivată din faptul că mezonii, de regulă, sunt incluși în supermultipleturi cu un număr de particule egal cu 8 și barionii - 8 și 10. Acest model este ușor de reprodus dacă presupunem că mezonii sunt compuse dintr-un quarc și un antiquarc, simbolic: M=(q) , iar barionul este format din trei quarci, simbolic: B = (qqq). În virtutea proprietăților grupului SU(3) 9 mezoni sunt împărțiți în supermultipleți de 1 și 8 particule, iar 27 de barioni sunt împărțiți în supermultipleți care conțin 1, 10 și de două ori 8 particule, ceea ce explică separarea observată a octeților și decupleților.

T. o., relevat de experimentele anilor 60. existența supermultipletelor compuse din hadroni obișnuiți și ciudați a condus la concluzia că toți acești hadroni sunt construiți din 3 quarci, denumiți de obicei i, d, s(Masa 2). Întregul set de fapte cunoscute la acel moment era în perfect acord cu această propunere.

Tab. 2.-Caracteristicile quarcilor

* Evaluare experimentală preliminară.

Detectarea ulterioară a particulelor psi, apoi a particulelor upsilon, a hadronilor fermecați și fermecați a arătat că trei quarci nu sunt suficiente pentru a-și explica proprietățile și este necesar să admitem existența a încă două tipuri de quarci. cȘi b, purtând noi numere cuantice: farmec și frumusețe. Această împrejurare nu a zdruncinat, totuși, principiile fundamentale ale modelului cuarcului. În special, centrul a fost păstrat. punctul din diagrama ei a structurii hadronilor: M=(q), B = (qqq). Mai mult, pe baza ipotezei structurii de quarc a particulelor psi și upsilon a fost posibil să se ofere fizice. interpretarea proprietăților lor în mare măsură neobișnuite.

Din punct de vedere istoric, descoperirea particulelor psi și upsilon, precum și a unor noi tipuri de hadroni fermecați și drăgălași, a fost piatră de hotarîn afirmarea ideilor despre structura cuarcilor tuturor particulelor care interacționează puternic. Conform modernului teoretic modele (vezi mai jos), ar trebui să se aștepte la existența unuia mai mult - al șaselea t-quarc, care a fost descoperit în 1995.

Structura quarcului de mai sus a hadronilor și Mat. proprietățile quarcilor ca obiecte asociate cu fundam. reprezentarea grupului Soare), conduc la următoarele numere cuantice de quarci (Tabelul 2). Se atrage atenția asupra valorilor neobișnuite (fracționale) ale electricității. încărca Q, și ÎN, care nu se regăsesc în niciunul dintre E. h. studiate Cu indice a pentru fiecare tip de cuarc q i (i= 1, 2, 3, 4, 5, 6) este asociată o caracteristică specială a quarcilor - culoare, pe care hadronii observați nu le au. Indicele a ia valorile 1, 2, 3, adică fiecare tip de quarc ( q i) este reprezentată de trei soiuri q A i. Numerele cuantice ale fiecărui tip de quarc nu se schimbă atunci când culoarea se schimbă, deci Tabel. 2 se aplică quarcilor de orice culoare. După cum se arată mai târziu, cantitățile q a (pentru fiecare i) la schimbarea a în ceea ce privește transformările lor. proprietățile ar trebui considerate componente ale fundam. reprezentări ale altui grup SU(3), culoare, care operează într-un spațiu tridimensional de culoare [vezi. Simetria culorii SU(3)].

Necesitatea introducerii culorii decurge din cerința de antisimetrie a funcției de undă a sistemului de quarci care formează barionii. Quarcii, ca particule de spin 1/2, trebuie să se supună statisticilor Fermi-Dirac. Între timp, există barioni alcătuiți din trei quarci identici cu aceeași orientare de spin: D ++ (), W - (), care sunt clar simetrici față de permutările quarcilor, dacă aceștia din urmă nu au complement. grad de libertate. O astfel de completare. gradul de libertate este culoarea. Având în vedere culoarea, antisimetria necesară este restabilită cu ușurință. Funcțiile rafinate ale compoziției structurale a mezonilor și barionilor arată astfel:

unde e abg este tensorul complet antisimetric ( Simbol Levi-chi-vita)(1/ 1/ - factori de normalizare). Este important de menționat că nici mezonii, nici barionii nu poartă indici de culoare (fără culoare) și sunt, așa cum se spune uneori, particule „albe”.

În tabel. 2 arată doar masele de quarci „eficiente”. Acest lucru se datorează faptului că quarcurile în stare liberă, în ciuda numeroaselor căutări atente ale acestora, nu au fost observate. Aceasta, apropo, dezvăluie o altă caracteristică a quarcilor ca particule de o natură complet nouă, neobișnuită. Prin urmare, nu există date directe despre masele cuarcilor. Există doar estimări indirecte ale maselor de quarci, care pot fi extrase din descompunerea lor. manifestări dinamice în caracteristicile hadronilor (inclusiv masele acestora din urmă), precum și în decomp. procesele care au loc cu hadronii (desintegrari etc.). Pentru masa t-quark, se dă un experiment preliminar. nota.

Toată varietatea de hadroni ia naștere din cauza decomp. combinatii i-, d-, s-, s- Și b-quarci care formează stări legate. Hadronii obișnuiți corespund stărilor legate numai din Și- Și d-quarci [pentru mezoni cu posibila participare a combinațiilor ( s.), (Cu) Și ( b)]. Prezența în stare legată, împreună cu u- Și d-quarci, unul s-, cu- sau b-quark înseamnă că hadronul corespunzător este ciudat ( S= - 1), fermecat (C= + 1) sau adorabil ( b= - 1). Un barion poate fi format din doi sau trei s-quarc (respectiv Cu- Și b-quark), adică de două ori sau de trei ori barioni ciudați (fermecați, drăguți) sunt posibili. Sunt permise și combinații. numere s- Și Cu-, b-quarci (mai ales în barioni), care corespund unor forme „hibride” de hadroni (ciudat de fermecător, ciudat de fermecător). Evident, cu atât mai mult s-, cu- sau b-quarcii conțin un hadron, cu atât este mai masiv. Dacă comparăm stările fundamentale (neexcitate) ale hadronilor, aceasta este tocmai imaginea care se observă (Tabelul 1).

Deoarece spinul quarcilor este 1 / 2, structura cuarcilor de mai sus a hadronilor are drept consecință un spin întreg pentru mezoni și un spin semiîntreg pentru barioni, în deplină concordanță cu experimentul. În acest caz, în stările corespunzătoare impulsului orbital l=0, în special în principal. stări, valorile spinului mezonului ar trebui să fie 0 sau 1 (pentru orientarea antiparalelă și paralelă a spinurilor cuarcului), iar spinul barionilor: 1 / 2 sau 3 / 2 (pentru configurații de centrifugare Și ). Avand in vedere ca intern paritatea sistemului quarc-antiquarc este negativă, valorile JP pentru mezoni la l= 0 sunt egale cu 0 - și 1 - , pentru barioni: 1 / 2 + și 3 / 2 + . Aceste valori sunt observate pentru hadronii care au cea mai mică masă la valori date euȘi S, CU, b.

Ca o ilustrare, în Tabel. 3 şi 4 arată compoziţia cuarci a mezonilor cu JP= 0 - și barioni J P = 1 / 2 + (sumarea necesară asupra culorilor cuarcilor este presupusă peste tot).

Tab. 3.- Compoziția cuarcă a mezonilor studiați Cu JP=0 - ()

Tab. 4.- Compoziția cuarcă a barionilor studiați Cu JP= 1/2 + ()

Notă. Simbolul () înseamnă simetrizare în raport cu particule variabile; simbol - antisimetrizare.

T. o., modelul cuarci al naturii. mod explică originea principalului. grupuri de hadroni și numerele lor cuantice observate. O considerație dinamică mai detaliată ne permite, de asemenea, să tragem o serie de concluzii utile cu privire la interrelația maselor în dec. familii de hadroni.

Transmiterea corectă a specificului hadronilor cu cele mai mici mase și spini, modelul cuarci al naturii. explică de asemenea într-un fel numărul total mare de hadroni și predominanța rezonanțelor între aceștia. Multiplicitatea hadronilor este o reflectare a structurii lor complexe și a posibilității de decompunere a existenței. stările excitate ale sistemelor de cuarci. Toate stările excitate ale sistemelor de quarci sunt instabile în ceea ce privește tranzițiile rapide datorită interacțiunii puternice cu stările subiacente. Ele formează baza. unele dintre rezonanţe. O mică parte din rezonanțe sunt, de asemenea, sisteme de quarci cu spinuri paralele (cu excepția lui W -). Configurații Quark cu orientare antiparalelă a spinurilor legate de principal. stări, formează hadroni cvasistabili și un proton stabil.

Excitațiile sistemelor de quarci apar atât datorită unei schimbări a rotației. mișcarea quarcilor (excitații orbitale) și datorită modificărilor spațiilor lor. localizare (excitații radiale). În primul caz, o creștere a masei sistemului este însoțită de o modificare a spinului total Jși paritate P sistem, în al doilea caz, creșterea de masă are loc fără modificare JP .

La formularea modelului cuarcilor, cuarcurile au fost considerate ca fiind ipotetice. elemente structurale care deschid posibilitatea unei descrieri foarte convenabile a hadronilor. În anii care au urmat, au fost efectuate experimente care au făcut posibil să se vorbească despre quarci ca formațiuni materiale reale în interiorul hadronilor. Primele au fost experimente privind împrăștierea electronilor de către nucleoni la unghiuri foarte mari. Aceste experimente (1968), amintesc de clasic. Experimentele lui Rutherford privind împrăștierea particulelor a de către atomi au relevat prezența sarcinilor punctiforme în interiorul nucleonului. formațiuni (vezi Partons).Compararea datelor acestor experimente cu date similare privind împrăștierea neutrinilor de către nucleoni (1973-75) a făcut posibilă tragerea unei concluzii despre cf. dimensiunea pătratului electricului sarcina acestor formațiuni punctuale. Rezultatul a fost apropiat de valorile fracționale așteptate (2 / 3) 2 e 2 și (1 / 3) 2 e 2. Studiul procesului de producere a hadronului în timpul anihilării unui electron și a unui pozitron, care probabil trece prin următoarele etape:

a indicat prezența a două grupe de hadroni, așa-numitele. jeturi (vezi Jet de hadron), asociat genetic cu fiecare dintre quarcii rezultați și a făcut posibilă determinarea spinului quarcurilor. S-a dovedit a fi egal cu 1/2. Numărul total de hadroni produși în acest proces indică, de asemenea, că în starea intermediară fiecare tip de quarc este reprezentat de trei soiuri, adică quarcurile sunt tricolore.

T. o., numerele cuantice ale quarcilor, date pe baza teoreticii. considerații, a primit un experiment cuprinzător. confirmare. Quarcii au dobândit de fapt statutul de noi particule de E. și sunt concurenți serioși pentru rolul adevăratelor particule de E. pentru formele de materie care interacționează puternic. Număr specii cunoscute quarcii sunt puțini. Până la lungimi<=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.

Quarcii diferă de toate celelalte unde electromagnetice prin faptul că aparent nu există în stare liberă, deși există dovezi clare pentru existența lor într-o stare legată. Această caracteristică a quarcilor este cel mai probabil asociată cu specificul interacțiunii lor, generate de schimbul de particule speciale - gluoni, ceea ce duce la faptul că forțele de atracție dintre ele nu slăbesc odată cu distanța. În consecință, este necesară o energie infinită pentru a separa quarcii unul de celălalt, ceea ce este evident imposibil (teoria așa-numitei confinări sau capcane a quarcilor; vezi mai jos). Reținerea culorii).În realitate, atunci când se încearcă separarea quarcilor unul de celălalt, are loc formarea unui complement. hadronii (așa-numita hadronizare a quarcilor). Imposibilitatea observării cuarcilor în stare liberă îi face un tip complet nou de unități structurale ale materiei. Nu este clar, de exemplu, dacă este posibil în acest caz să se ridice problema părților constitutive ale quarcilor și dacă secvența constituenților structurali ai materiei este astfel întreruptă. Toate cele de mai sus conduc la concluzia că quarcurile, împreună cu leptonii și bosonii gauge, care, de asemenea, nu au semne observabile de structură, formează un grup de E. h., care are cel mai mare motiv să pretindă rolul adevăratului E. h.

Particule elementare și teoria câmpului cuantic. Model de interacțiune standard

Pentru a descrie proprietățile și interacțiunile lui E. h. în modern. teoria fiinţelor. Ceea ce contează este conceptul de câmp fizic, care este atribuit fiecărei particule. Domeniul este specific. forma materiei distribuite în spațiu; este descris printr-o f-țiune, dată în toate punctele spațiu-timp și având un definit. transformator proprietăţi cu privire la transformări grupul Lorenz(scalar, spinor, vector etc.) și grupuri „intrinseci”. simetrii (scalar izotopic, spinor izotopic etc.). El-magn. un câmp care are proprietățile unui vector cu patru dimensiuni A m ( X)(m= 1, 2, 3, 4) - din punct de vedere istoric, primul exemplu de fizică. câmpuri. Câmpurile asociate cu E. h. sunt de natură cuantică, adică energia și impulsul lor sunt compuse dintr-un set de câmpuri separate. porțiuni - cuante, iar energia totală e kși impuls p k cuantice sunt legate prin raportul de special. relativitatea: e 2 k =p 2 k s 2 + t 2 Cu 4 . Fiecare astfel de cuantă este un E. h. cu o masă T, cu o energie dată e kși impuls p k. quanta e-magn. câmpurile sunt fotoni, cuantele altor câmpuri corespund tuturor celorlalte teme cunoscute E. h. Ma. Aparatul de teorie cuantică a câmpului (QFT) face posibilă descrierea nașterii și anihilării unei particule în fiecare punct spațiu-timp.

Transforma. proprietățile câmpului determină principalul. numere cuantice de unități electrochimice.Proprietățile de transformare în raport cu transformările grupului Lorentz determină spinul particulelor: unui scalar corespunde unui spin J= 0, spinor- a învârti J= 1 / 2 , vector - spin J= 1 etc. Transforma. proprietăţile câmpurilor în raport cu transformările „interne”. spațiile ("spațiu de încărcare", "spațiu izotopic", "spațiu unitar", "spațiu de culoare") determină existența unor numere cuantice precum L, B, I, S, CU, b, a pentru quarci și gluoni, de asemenea, culori. Introducerea lui „int”. spațiile în aparatul teoriei este încă o tehnică pur formală, care, totuși, poate servi ca un indiciu că dimensiunea fizică. spațiu-timp, care se reflectă în proprietățile lui E. h., este de fapt mai mult de patru - i.e. mai mult decât dimensiunea spațiu-timp, caracteristică tuturor macroscopice. fizic proceselor.

Masa lui E. h. nu este direct legată de transformare. proprietățile câmpului. Aceasta este caracteristica lor suplimentară, a cărei origine nu este pe deplin înțeleasă.

Pentru a descrie procesele care au loc cu E. h., QFT folosește formalismul lagrangian.ÎN lagrangieni, construit din câmpurile implicate în interacțiunea particulelor, conține toate informațiile despre proprietățile particulelor și dinamica comportamentului lor. Lagrangianul include două Ch. termeni: Lagrangian, care descrie comportamentul câmpurilor libere, și Lagrangian al interacțiunii, reflectând relația decomp. câmpuri și posibilitatea conversiei E. h. Cunoașterea formei exacte permite, în principiu, utilizarea aparatului matrice de împrăștiere (S-matrice), calculează probabilitățile de tranziție de la setul inițial de particule la un set finit de particule dat, care au loc sub influența interacțiunii existente între ele. Astfel, constituirea unei structuri care să deschidă posibilitatea cantităților. descrieri ale proceselor cu E. h., este unul din centru. sarcinile KTP.

Creaturi. progrese în rezolvarea acestei probleme s-au realizat în anii 50-70. bazat pe dezvoltarea ideii de câmpuri de gabarit vectorial formulate în lucrarea deja menționată a lui Yang și Mills. Pornind de la poziția binecunoscută că orice lege de conservare observată experimental este asociată cu invarianța Lagrangianului care descrie sistemul în raport cu transformările unui anumit grup de simetrie ( Teorema Noether), Yang și Mills au cerut ca această invarianță să fie satisfăcută local, adică să aibă loc pentru o dependență arbitrară a transformărilor de un punct din spațiu-timp. S-a dovedit că îndeplinirea acestei cerințe, care este legată fizic de faptul că interacțiunea nu poate fi transmisă instantaneu de la un punct la altul, este posibilă numai cu introducerea unui Lagrangian special în structură. câmpuri de măsurare de natură vectorială, def. transformându-se sub transformări ale grupului de simetrie. Mai mult, structurile lagrangianului liber s-au dovedit a fi strâns legate în această abordare: cunoașterea în mijloace. masura predeterminata forma

Această din urmă împrejurare se datorează faptului că cerința de local invarianța gabaritului poate fi satisfăcută numai dacă în toate derivatele care acționează pe câmpuri libere în , înlocuirea Aici g- constanta de interactiune; V a m - câmpuri de calibrare; T a - generatoare ale grupului de simetrie în reprezentarea matriceală corespunzătoare câmpului liber; r- dimensiunea grupului.

În virtutea a ceea ce s-a spus în Lagrangianul modificat, apar automat termeni strict definiți. structuri care descriu interacțiunea câmpurilor incluse inițial cu câmpurile de gabarit nou introduse. În acest caz, câmpurile gauge joacă rolul de purtători ai interacțiunii dintre câmpurile inițiale. Desigur, deoarece în Lagrangian au apărut noi câmpuri de gabarit, Lagrangianul liber trebuie completat cu un termen asociat acestora și supus procedurii de modificare descrise mai sus. Dacă invarianța gauge este respectată cu strictețe, câmpurile gauge corespund bosonilor cu masă zero. Când simetria este întreruptă, masa bosonilor este diferită de zero.

Într-o astfel de abordare, sarcina de a construi un Lagrangian care să reflecte dinamica câmpurilor care interacționează se reduce în esență la selectarea corectă a sistemului de câmpuri care alcătuiesc Lagrangianul liber inițial și la fixarea formei acestuia. Acesta din urmă, totuși, pentru proprietățile de transformare date în raport cu grupul Lorentz, este determinat în mod unic de cerința invarianței relativiste și de cerința evidentă ca doar structurile care sunt pătratice în câmpuri să apară.

Astfel, principalul lucru pentru descrierea dinamicii este problema alegerii unui sistem de câmpuri primare care formează, adică, de fapt, toate același centru. întrebarea de fizică E. h.: „Care particule (și, în consecință, câmpuri) ar trebui considerate cele mai fundamentale (elementare) în descrierea particulelor de materie observate?”.

Modern teoria, așa cum sa menționat deja, evidențiază ca astfel de particule particulele fără structură cu spin 1/2: quarci și leptoni. O astfel de alegere face posibilă, bazându-se pe principiul invarianței gabaritului local, să se construiască o schemă de succes pentru descrierea interacțiunilor puternice și elec-slabe ale elec. MODEL STANDARD.

Modelul pornește în primul rând de la presupunerea că interacțiunea puternică are o simetrie exactă SU c(3), corespunzătoare transformărilor în spațiul tridimensional „culoare”. Se presupune că quarkurile sunt transformate din punct de vedere fundamental. reprezentarea grupului SU c(3). Îndeplinirea cerinței de invarianță locală de gauge pentru quarcul lagrangian duce la apariția în structura teoriei a opt bosoni gauge fără masă, numiți gluoni, care interacționează cu quarci (și între ei) strict definiți. mod (Fritzsch și Göll-Man, 1972). S-a numit schema de descriere a interacțiunii puternice dezvoltate pe această bază. cromodinamica cuantică. Corectitudinea predicțiilor ei a fost confirmată de mulți. experimente, inclusiv dovezi convingătoare ale existenței gluonilor. Există, de asemenea, motive serioase de a crede că aparatul de cromodinamică cuantică conține o explicație pentru fenomenul de izolare.

În construirea teoriei interacțiunii slabe s-a folosit faptul că existența perechilor de leptoni cu același număr de leptoni ( L e , L v , L t), dar cu electrice diferite. taxa (e - , v e; m - , v m T - , v m) poate fi interpretat ca o manifestare a simetriei asociate grupului așa-numitelor. isospin slab SU cl (2) și consideră perechile în sine drept reprezentări spinor (dublet) ale acestui grup. O interpretare similară este posibilă pentru perechile de quarci care participă la interacțiunea slabă. Remarcăm că, în cadrul acestei scheme, interacțiunea slabă cu participarea unui quark b conduce în mod necesar la concluzia că are un quark partener izotopic t, constituind o pereche ( t, b). Izolarea prin interacțiunea slabă def. helicitatea(stânga) fermionii care participă la acesta pot fi considerați în plus ca o manifestare a existenței simetriei U cl (1) asociat cu o hiperîncărcare slabă Y sl. În acest caz, fermionilor din stânga și din dreapta ar trebui să li se atribuie valori diferite de hiperîncărcare Y cl, iar fermionii drepti ar trebui considerați scalari izotopici. În construcția adoptată, relația ia naștere firesc Q = eu 3 cl + 1/2 Y cl, pe care l-am întâlnit deja cu hadronii.

Astfel, o analiză atentă a interacțiunii el-slabe a leptonilor și quarcilor face posibilă dezvăluirea faptului că aceștia au o simetrie (marcabil, totuși, întreruptă) corespunzătoare grupului. SU sl (2) U cl ( 1) . Dacă ignorăm încălcarea acestei simetrii și folosim condiția strictă a invarianței gauge locale, atunci apare o teorie a interacțiunii slabe a quarcilor și leptonilor, în care apar patru bosoni fără masă (doi încărcați și doi neutri) și două constante de interacțiune corespunzătoare grupurile SU sl (2) și U sl (1). În această teorie, termenii lagrangianului corespunzător interacțiunii cu sarcina. bosonii reproduc corect structura cunoscută curenti incarcati, dar nu furnizează acțiunea pe rază scurtă observată în procesele slabe, ceea ce nu este surprinzător, deoarece masa zero a bosonilor intermediari duce la acțiune pe rază lungă. Rezultă doar că în realitate. teoriile interacțiunii slabe a masei bosonilor intermediari trebuie să fie finite. Acest lucru este, de asemenea, în conformitate cu faptul că simetria este întreruptă SU sl (2) U sl (1).

Cu toate acestea, o introducere directă a maselor finite de bosoni intermediari în Lagrangianul construit în modul descris mai sus este imposibilă, deoarece contrazice cerința invarianței gabaritului local. A fost posibil să se țină cont de ruperea simetriei într-un mod consistent și să se realizeze apariția bosonilor intermediari în teoria maselor finite folosind ipoteza importantă despre existența în natură a câmpurilor scalare speciale F ( câmpuri Higgs), interacționând cu câmpurile fermionice și gauge și având o auto-interacțiune specifică care duce la fenomen ruperea spontană a simetriei[P. Higgs (P. Higgs), 1964]. Introducerea unui dublet (conform grupului de izospin slab) de câmpuri Higgs în Lagrangianul teoriei în cea mai simplă versiune duce la tranziția întregului sistem de câmpuri la o stare de vid nouă, cu energie mai mică, corespunzătoare simetriei întrerupte. Dacă iniţial vid mediu din câmpul F a fost egal cu zero<Ф>0 = 0, apoi în noua stare<Ф>0 = Ф 0 0. Ruperea simetriei și apariția lui F 0 finit în teorie duce la Mecanismul Higgs la masa de sarcină care nu dispare. bozoni intermediari W + și la apariția amestecării (combinației liniare) a doi bosoni neutri care apar în teorie. Ca rezultat al amestecării, există un e-mag fără masă. câmp care interacționează cu e-magn. curent de quarci și leptoni și câmpul unui boson neutru masiv Z 0 interacționând cu curent neutru structura strict definita. Parametru de amestecare (unghi) ( Unghiul Weinberg) a bosonilor neutri din această schemă este dat de raportul constantelor de interacțiune de grup U sl(l) și SU sl (2) : tgq W=g"/g. Același parametru determină legătura maselor m VȘi m Z (m Z = m W / cosq W) și conexiunea electrică. încărca e s constantă slabă a grupului de izospin GE = g sinq W. Detectarea în 1973 în studiul împrăștierii neutrinilor a curenților neutri slabi prezis de schema descrisă mai sus și descoperirea ulterioară în 1983 W- și bosonii Z cu mase de 80 GeV și, respectiv, 91 GeV, au confirmat cu brio întregul concept al unei descrieri unificate a e-magn. și interacțiuni slabe. Experiment. determinarea valorii sin 2 q W= 0,23 a arătat că constanta g si electrice încărca e apropiată ca mărime. A devenit clar că „slăbiciunea” interacțiunii slabe la energii vizibil mai mici decât m VȘi mZ, în principal datorită masei mari de bosoni intermediari. Într-adevăr, constanta teoriei fenomenologice a patru fermioni a interacțiunii Fermi slabe G Fîn schema de mai sus este egală cu G F =g 2 /8m 2 W. Aceasta înseamnă că eff. constantă de interacțiune slabă la energie în sec. c. m. ~t p este egal cu G F m p 2 10 -5 , iar pătratul său este aproape de 10 -10 , adică. la valoarea dată mai sus. La energii în c.m., mari sau de ordin m V, singurul parametru care caracterizează interacțiunea slabă este cantitatea g 2 / 4p sau e 2 / 4p, adică slab si e-mag. interacțiunile devin comparabile ca intensitate și trebuie luate în considerare în comun.

Construirea unei descrieri unificate a e-magn. iar interacțiunile slabe este o realizare importantă în teoria câmpurilor gauge, comparabilă ca importanță cu dezvoltarea de către Maxwell în con. secolul al 19-lea teoria unificată a e-magn. fenomene. Cantitate. Predicțiile teoriei interacțiunii el-slab au fost justificate în toate măsurătorile efectuate cu o precizie de 1%. Un fizic important o consecință a acestei construcții este concluzia despre existența în natură a unei particule de tip nou - neutru bosonul Higgs. La inceput anii 90 nu a fost găsită o astfel de particule. Căutările efectuate au arătat că masa sa depășește 60 GeV. Teoria nu oferă totuși o predicție precisă pentru masa bosonului Higgs. Se poate afirma doar că valoarea masei sale nu depășește 1 TeV. Valorile estimate ale masei acestei particule se află în intervalul 300-400 GeV.

Deci, „modelul standard” selectează ca fond-doamne. particule trei perechi de quarci ( și, d)(Cu, s) (t, b) și trei perechi de leptoni ( v e ,e -)(v m ,m -) ( v t, t -), de obicei grupate în funcție de masele lor în familii (sau generații), după cum urmează:

și postulează că interacțiunile lor satisfac simetria SU sl (3) SU sl (2) U sl(l). În consecință, se obține o teorie în care purtătorii interacțiunii sunt bosoni gauge: gluoni, fotoni, Wbși Z. Și deși „modelul standard” face față cu mare succes descrierii tuturor faptelor cunoscute legate de E.ch., cu toate acestea, cel mai probabil, este o etapă intermediară în construirea unei teorii mai perfecte și mai cuprinzătoare a lui E. cap. În structura „modelului standard” există încă destul de mulți parametri arbitrari, determinați empiric (masele de quarci și leptoni, valori ale constantelor de interacțiune, unghiuri de amestecare etc.). Numărul de generații de fermioni din model nu este, de asemenea, determinat. Până acum, experimentul afirmă cu încredere doar că numărul de generații nu depășește trei, dacă nu există neutrini grei cu mase de mai multe ori în natură. zeci de GeV.

Din punctul de vedere al proprietăților de simetrie ale interacțiunilor, ar fi mai firesc să ne așteptăm ca în teoria cuprinzătoare a lui E.ch. în loc de un produs direct al grupurilor de simetrie, va apărea un grup de simetrie G cu o constantă de interacțiune corespunzătoare acesteia. Grupurile de simetrie ale „modelului standard” în acest caz ar putea fi interpretate ca produse ale reducerii unui grup mare atunci când simetria asociată acestuia este întreruptă. În acest fel, în principiu, ar putea apărea posibilitatea unei Mari Unificări a interacțiunilor. Proprietatea schimbării cu energia eff poate servi ca bază formală pentru o astfel de uniune. constantele de interacțiune ale câmpurilor gauge gi 2/4p = a i (i=1, 2, 3), care apare atunci când sunt luate în considerare ordinele superioare ale teoriei (așa-numitele constante de rulare). În acest caz, constanta a 1 este asociată cu grupul U(I); a 2 - cu un grup SU( 2); a 3 - cu un grup SU( 3) . Modificările foarte lente (logaritmice) menționate sunt descrise prin expresie

legând valorile eff. constante a Sunt) și a i(m) la două valori energetice diferite: M si m( M > m). Natura acestor modificări este diferită pentru decomp. grupuri de simetrie (și, în consecință, interacțiuni diferite) și este dată de coeficienți b i, care încorporează informații atât despre structura grupurilor de simetrie, cât și despre particulele care participă la interacțiune. Deoarece b 1 , b 2 și b 3 sunt diferite, este posibil ca, în ciuda diferențelor vizibile între valorile lui a i-1 (m) la energiile investigate m, la energii foarte mari M toate cele trei valori a i -1 (M) va coincide, adică se va realiza Marea Unire a Interacțiunilor. O analiză atentă, totuși, a arătat că, în cadrul modelului standard, folosind valorile cunoscute ale a i-1 (m), potriviți toate cele trei valori ale lui a i -1 (M) pentru unele mari M imposibil, adică varianta teoriei cu Marea Unificare nu este realizabilă în acest model. În același timp, s-a constatat că în alte scheme decât modelul standard, cu o compoziție modificată a principalului (fund.) câmpuri sau particule, Marea unificare poate avea loc. Modificări în compoziția principalului particulele duc la modificări ale valorilor coeficienților " b i" și astfel oferă posibilitatea de a potrivi a i (M) pentru mare M.

Ideea călăuzitoare atunci când alegeți o compoziție modificată a principalului. teoria particulelor a fost ideea existenței posibile în lumea lui E. h. supersimetrie, care stabilește definiția. relațiile dintre particulele de spin întreg și semiîntreg care apar în teorie. Pentru a îndeplini cerințele supersimetriei, de exemplu. în cazul modelului standard, fiecărei particule trebuie să i se atribuie o particulă cu un spin deplasat cu 1/2 - Mai mult, în cazul supersimetriei exacte, toate aceste particule trebuie să aibă aceeași masă. Astfel, quarcii și leptonii de spin 1/2 ar trebui să fie asociați cu partenerii lor supersimetrici (superparteneri) cu spin zero, toți bosonii gauge cu spin 1 ar trebui să fie asociați cu superpartenerii lor cu spin 1/2, iar bosonul Higgs cu spin zero ar trebui să fie asociați. fi asociat cu un superpartener cu spin 1/2. Deoarece super-partenerii cuarcilor, leptonilor și bosonilor gauge nu sunt observați în mod evident în regiunea energetică studiată, supersimetria, dacă există, trebuie să fie vizibil ruptă, iar masele superpartenerilor trebuie să aibă valori care depășesc semnificativ masele fermionilor și bosonilor cunoscuți. .

O expresie consistentă a cerinței de supersimetrie se găsește în modelul supersimetric minim (MCCM), în care, pe lângă modificările deja enumerate în compoziția particulelor modelului standard, numărul de bosoni Higgs crește la cinci (doi dintre ei sunt încărcate și trei sunt particule neutre). În consecință, cinci superparteneri ai bosonilor Higgs cu spin 1 / 2 apar în model - MCCM - cea mai simplă generalizare a Modelului Standard în cazul supersimetriei. Sens M, pentru care coincidenta a i (M)(Marea Unificare), în MCCM este aproximativ egal cu 10 16 GeV.

Ipoteza existenței supersimetriei este asociată cu una dintre posibilitățile promițătoare de dezvoltare a teoriei câmpurilor gauge, care, în plus, rezolvă o serie de valori intrinseci ale acesteia. probleme asociate cu stabilitatea parametrilor care apar în acesta. Supersimetria, după cum s-a notat, face posibilă reținerea în teoria undelor electromagnetice a posibilității atractive a unei mari unificări a interacțiunilor. O confirmare decisivă a faptului existenței supersimetriei ar fi descoperirea unor superparteneri ai particulelor cunoscute. Se estimează că masele lor variază de la sute de GeV la 1 TeV. Particulele de astfel de mase vor fi disponibile pentru studiu la următoarea generație de ciocnitori de protoni.

Verificarea ipotezei existenței supersimetriei și căutarea particulelor supersimetrice este, fără îndoială, una dintre cele mai importante probleme din fizica undelor electromagnetice, căreia, fără îndoială, va primi prioritate în viitorul apropiat.

Câteva probleme generale ale teoriei particulelor elementare

Cea mai recentă dezvoltare a fizicii particulelor a evidențiat în mod clar din toate microcomponentele materiei un grup de particule care joacă un rol special și au cel mai mare motiv (la începutul anilor 90) să fie numite cu adevărat E. h. Fundams îi aparțin. . spinul fermionilor 1 / 2 - leptonii și quarcii, care alcătuiesc trei generații, și bosonii gauge de spin 1 (gluoni, fotoni și bosoni intermediari), care sunt purtători de interacțiuni puternice și e-slabe. Cel mai probabil, la acest grup ar trebui adăugată o particulă cu spin 2, graviton ca purtător de gravitație. interacțiune care leagă toate particulele. Un grup special este format din particule de spin 0, bosonii Higgs, care, totuși, nu au fost încă descoperite.

Cu toate acestea, multe întrebări rămân fără răspuns. Astfel, rămâne neclar dacă există un fizic un criteriu de fixare a numărului de generaţii de fermioni elementari. Nu este clar cât de fundamentală este diferența dintre proprietățile quarcilor și leptonilor asociate cu prezența culorii în primii sau dacă această diferență este specifică doar regiunii energetice studiate. Legat de această întrebare este problema fizică natura Marii Uniri, deoarece în formalismul ei quarcii și leptonii sunt considerați obiecte cu proprietăți similare.

Este important să înțelegem dacă existența diferitelor „ext”. numere cuantice de quarci și leptoni ( B, L, I, S, C, b etc.) la o geometrie mai complexă a microlumii, corespunzătoare unui număr mai mare de dimensiuni decât geometria macroscopică cu patru dimensiuni cu care suntem obișnuiți. spațiu timp. Strâns legat de această întrebare este care este valoarea maximă. grup de simetrie G, care satisfac interacțiunile lui E. h. și în care sunt înglobate grupuri de simetrie, care se manifestă în regiunea energetică studiată. Răspunsul la această întrebare ar ajuta la determinarea numărului limită de purtători ai interacțiunii lui E. h. și la clarificarea proprietăților acestora. Este posibil ca max. grup G reflectă de fapt proprietățile de simetrie ale unui anumit spațiu multidimensional. Acest cerc de idei și-a găsit o anumită reflectare în teorie superstringuri, care sunt analogi ale șirurilor obișnuite în spații cu mai mult de patru dimensiuni (de obicei într-un spațiu de 10 dimensiuni). Teoria superstringurilor interpretează E. h. ca manifestări ale excitațiilor specifice ale superstringurilor, corespunzătoare decomp. spatele. Se crede că dimensiunile suplimentare (peste patru) nu se dezvăluie în observații datorită așa-numitelor. compactificare, adică formarea de subspații închise cu dimensiuni caracteristice de ~10 -33 cm. manifestare a existenței acestor subspații sunt „ext”. Numerele cuantice ale cristalelor electrochimice Nu există încă date care să confirme corectitudinea abordării interpretării proprietăților superstringurilor electrice asociate conceptului de superstringuri.

După cum se poate observa din cele de mai sus, în mod ideal, o teorie completă a particulelor de electroni ar trebui nu numai să descrie corect interacțiunile unui anumit set de particule selectate ca fiind fundamentale, ci și să conțină o explicație a factorilor care determină numărul acestor particule, cuantumul lor. numere, constante de interacțiune, valorile maselor lor etc. Motivele pentru selecția celor mai multe. grup de simetrie largă Gși, în același timp, natura mecanismelor care provoacă ruperea simetriei pe măsură ce trecem la energii inferioare. În acest sens, clarificarea rolului bosonilor Higgs în fizica E.Ch. este de o importanță capitală. Modele, to-rye oferă moderne. teoria lui E. h., sunt încă departe de a satisface toate criteriile enumerate.

Descrierea interacțiunilor EC, așa cum sa menționat deja, este legată de teoriile câmpului gauge. Aceste teorii au un covor dezvoltat. aparat, to-ry vă permite să faceți calcule ale proceselor cu E.ch. la acelaşi nivel de rigoare ca în electrodinamica cuantică. Cu toate acestea, în aparatul teoriilor câmpului gauge, în modern formularea, există o singură ființă. un defect comun cu electrodinamica cuantică - în procesul de calcule, în ea apar expresii fără sens infinit de mari. Cu ajutorul special metoda de redefinire a mărimilor observate (mase și constante de interacțiune) - renormalizare- este posibilă eliminarea infiniturilor din terminații. rezultatele calculelor. Cu toate acestea, procedura de renormalizare este o eludare pur formală a dificultății existente în aparatul teoriei, care la un anumit nivel de precizie poate afecta gradul de acord între predicțiile și măsurătorile teoriei.

Apariția infinităților în calcule se datorează faptului că în lagrangienii interacțiunilor câmpurile diferitelor particule sunt raportate la un singur punct. X, adică se presupune că particulele sunt punctiforme, iar spațiul-timp cu patru dimensiuni rămâne plat până la cele mai mici distanțe. De fapt, aceste presupuneri, aparent, sunt incorecte pentru mai mulți. motive:

a) cu adevărat E. h., ca purtători ai unei mase finite, cel mai firesc este să atribuim dimensiuni, deși foarte mici, dar finite, dacă vrem să evităm densitatea infinită a materiei;

b) proprietățile spațiului-timp la distanțe mici, cel mai probabil, sunt radical diferite de cele macroscopice ale acestuia. proprietăți (începând de la o anumită distanță caracteristică, care se numește de obicei lungime fundamentală);

c) la cele mai mici distante (~ 10 -33 cm) afecteaza o modificare a geomei. proprietățile spațiu-timp datorită influenței gravitației cuantice. efecte (fluctuații ale metricii; vezi teoria cuantică a gravitației).

Poate că aceste motive sunt strâns legate. Deci, este contabilitatea gravitației. efecte max. duce în mod natural la adevărate mărimi E.ch. aproximativ 10 -33 cm, și fonduri. lungimea poate coincide de fapt cu așa-numita. Lungime Planck l Pl \u003d 10 -33 cm, unde X-gravitatie constantă (M. Markov, 1966). Oricare dintre aceste motive ar trebui să conducă la o modificare a teoriei și la eliminarea infinitatelor, deși implementarea practică a acestei modificări poate fi foarte dificilă.

Una dintre posibilitățile interesante de a lua în considerare în mod consecvent efectele gravitației este legată de extinderea ideilor de supersimetrie la gravitație. interacțiune (teorie supragravitație, în special supergravitația extinsă). Contabilitatea în comun a gravitației. iar alte tipuri de interacțiuni conduc la o reducere vizibilă a numărului de expresii divergente în teorie, dar dacă supergravitația duce la eliminarea completă a divergențelor în calcule nu a fost dovedit riguros.

Astfel, concluzia logică a ideilor Marii Uniri, cel mai probabil, va fi includerea în schema generală de considerare a interacțiunilor lui E. h. tot gravitaționale. interacțiuni, ținând cont de care se pot dovedi fundamentale la cele mai mici distanțe. Pe baza luării în considerare simultană a tuturor tipurilor de interacțiuni, Naib. probabil să se aștepte la crearea unei viitoare teorii a lui E. h.

Lit.: Particule elementare și câmpuri compensatoare. sat. st., trad. din engleză, M., 1964; Kokkede Ya., Teoria quarcilor, trad. din engleză, M.. 1971; Markov M. A., Despre natura materiei, M., 1976; Gle-show Sh., Quarci cu culoare și aromă, trad. din engleză.UFN, 1976, v. 119, c. 4, p. 715; Bernstein, J., Ruperea spontană a simetriei, teorii gauge, mecanismul Higgs etc., în: Teoria cuantică a câmpurilor gauge. sat. st., trad. din engleză, M., 1977 (News of Fundamental Physics, v. 8); Bogolyubov H. H., Shirkov D. V., Câmpuri cuantice, ed. a II-a, M., 1993; Okun L. B., Leptons and Quarks, ed. a 2-a, M., 1990.

Puțini oameni nu cunosc așa ceva ca un „electron”, dar el este cel care înseamnă „particulă elementară”. Desigur, majoritatea oamenilor nu au nicio idee despre ce este și de ce este nevoie. La televizor, în cărți, în ziare și reviste, aceste particule sunt descrise ca puncte mici sau bile. Din această cauză, oamenii neluminați cred că forma particulelor este într-adevăr sferică și că zboară liber, interacționează, se ciocnesc etc. Dar o astfel de judecată este fundamental greșită. Conceptul de particule elementare este extrem de dificil de înțeles, dar niciodată nu este prea târziu să încerci să dobândești cel puțin o idee foarte aproximativă despre esența acestor particule.

La începutul secolului trecut, oamenii de știință erau serios nedumeriți de ce nu cade electronul, deoarece, conform mecanicii newtoniene, atunci când își eliberează toată energia, ar trebui pur și simplu să cadă pe nucleu. În mod surprinzător, acest lucru nu se întâmplă. Cum să explic?

Faptul este că fizica în interpretarea sa clasică și o particulă elementară sunt lucruri incompatibile. Nu se supune nici unei legi ale fizicii obișnuite, deoarece funcționează conform principiilor.Principiul fundamental în acest caz este incertitudinea. El spune că este imposibil să se determine cu exactitate și simultan două cantități interdependente. Cu cât primul dintre ele este mai definit, cu atât este mai puțin posibil să se definească al doilea. Corelațiile cuantice, dualitatea undă-particulă, funcția de undă și multe altele decurg din această definiție.

Primul factor important este incertitudinea coordonatei impulsului. Pe baza bazelor mecanicii clasice, putem aminti că conceptele de impuls și traiectorie ale unui corp sunt inseparabile și sunt întotdeauna clar definite. Să încercăm să transferăm această regularitate în lumea microscopică. De exemplu, o particulă elementară are un impuls exact. Apoi, când încercăm să determinăm traiectoria mișcării, vom întâlni indefinibilitatea coordonatei. Aceasta înseamnă că electronul este detectat imediat în toate punctele unui volum mic de spațiu. Dacă încercați să vă concentrați pe traiectoria mișcării sale, atunci impulsul devine neclar.

De aici rezultă că, oricât de greu s-ar strădui cineva să definească o anumită cantitate, a doua devine imediat nedefinită. Acest principiu stă la baza proprietății de undă a particulelor. Electronul nu are o coordonată clară. Putem spune că este situat simultan în toate punctele din spațiu, care este limitat de lungimea de undă. Această reprezentare ne permite să înțelegem mai clar ce este o particulă elementară.

Aproximativ aceeași incertitudine apare în relația energie-timp. Particula interacționează în mod constant, chiar dacă există. O astfel de interacțiune durează ceva timp. Dacă ne imaginăm că acest indicator este mai mult sau mai puțin definit, atunci energia devine indefinibilă. Acest lucru încalcă micile decalaje stabilite.

Modelul prezentat generează particule cu energie scăzută - cuante de câmpuri fundamentale. Un astfel de câmp nu este o substanță continuă. Este format din particule minuscule. Interacțiunea dintre ele este asigurată de emisia de fotoni, care sunt absorbiți de alte particule. Acest lucru menține nivelul de energie și se formează particule elementare stabile care nu pot cădea pe nucleu.

Particulele elementare sunt în esență inseparabile, deși diferă unele de altele prin masă și anumite caracteristici. Prin urmare, au fost elaborate anumite clasificări. De exemplu, în funcție de tipul de interacțiune, se pot distinge leptoni și hadronii. Hadronii, la rândul lor, sunt împărțiți în mezoni, care constau din doi quarci și barioni, care conțin trei quarci. Cei mai cunoscuți barioni sunt neutronii și protonii.

Particulele elementare și proprietățile lor fac posibilă evidențierea a încă două clase: bozoni (cu spin întreg și zero), fermioni (cu spin semiîntreg). Fiecare particulă are propria sa antiparticulă cu caracteristici opuse. Doar protonii, leptonii și neutronii sunt stabili. Toate celelalte particule sunt supuse descompunerii și se transformă în particule stabile.