Елементарні частинки

Елементарні частинки, у точному значенні цього терміна, - це первинні, далі нерозкладних частинки, з яких, за припущенням, складається вся матерія.

Елементарні частки сучасної фізики не задовольняють строгому визначенню елементарності, оскільки більшість з них за сучасними уявленнями є складовими системами. Загальна властивість цих систем полягає в тому. Що вони не є атомами або ядрами (виняток становить протон). Тому іноді їх називають суб'ядерних частинок.

Частинки, претендують на роль первинних елементів матерії, іноді називають "істинно елементарні частинки ".

Першої відкритою елементарною частинкою був електрон. Його відкрив англійський фізик Томсон в 1897 році.

Першої відкритої антіцастіцей був позитрон - частинка з масою електрона, але позитивним електричним зарядом. Це античастинка була виявлена в складі космічних променів американським фізиком Андерсоном у 1932 році.

В сучасному фізики в групу елементарних ставляться більш 350 часток, в основному нестабільних, і їх число продовжує зростати.

Якщо раніше елементарні частинки звичайно виявляли в космічних променях, то з початку 50-х років прискорювачі перетворилися на основний інструмент для дослідження елементарних часток.

Мікроскопічні маси і розміри елементарних часток обумовлюють квантову специфіку їх поведінки: квантові закономірності є визначальними у поведінці елементарних частинок.

Найбільш важливе квантове властивість всіх елементарних частинок - це здатність народжуватися і знищуватися (випускається і поглинається) при взаємодії з іншими частками. Усі процеси з елементарними частинками протікають через послідовність актів їх поглинання і випускання.

Різні процеси з елементарними частинками помітно відрізняються за інтенсивністю протікання.

В відповідно з різною інтенсивністю протікання взаємодії елементарних частинок феноменологічні ділять на кілька класів: сильне, електромагнітне і слабке. Крім того, всі елементарні частки мають гравітаційним взаємодією.

Сильне взаємодія елементарних частинок викликає процеси, що протікають з найбільшою в порівнянні з іншими процесами інтенсивністю і призводить до найсильнішої зв'язку елементарних частинок. Саме воно обумовлює зв'язок протонів і нейтронів в ядрах атомів.

Електромагнітне взаємодія відрізняється від інших участю електромагнітного поля. Електромагнітне поле (у квантовій фізиці - фотон) або випромінюється, або поглинається при взаємодії, або переносить взаємодію між тілами.

Електромагнітне взаємодія забезпечує зв'язок ядер і електронів в атомах і молекулах речовини, і тим самим визначає (на основі законів квантової механіки) можливість стійкого стану таких мікросистем.

Слабке взаємодія елементарних частинок викликає дуже повільно протікають процеси з елементарними частками, у тому числі розпади квазістабільних частинок.

Слабке взаємодія набагато слабкіше не тільки сильного, а й електромагнітного взаємодії, але набагато сильніше гравітаційного.

Гравітаційне взаємодія елементарних частинок є найбільш слабким із всіх відомих. Гравітаційне взаємодія на характерних для елементарних частинок відстанях дає надзвичайно малі ефекти через малість мас елементарних частинок.

Слабке взаємодія набагато сильніше гравітаційного, але в повсякденному житті роль гравітаційної взаємодії набагато помітніше ролі слабкої взаємодії. Це відбувається тому, що гравітаційне взаємодія (як, втім, і електромагнітне) має нескінченно великий радіус дії. Тому, наприклад, на тіла, що знаходяться на поверхні Землі, діє гравітаційне тяжіння з боку всіх атомів, з яких складається Земля. Слабка ж взаємодія володіє настільки малим радіусом дії, що він до цих пір не заміряний.

В сучасної фізики фундаментальну роль відіграє релятивістська квантова теорія фізичних систем з нескінченним числом ступенів свободи - квантова теорія поля. Ця теорія побудована для опису одного з найбільш загальних властивостей мікросвіту - Універсальної взаємної перетворюваність елементарних частинок. Для опису такого роду процесів був потрібний перехід до квантовому хвильовому полю. Квантова теорія поля з необхідністю є релятивістської, оскільки якщо система складається з повільно рухаються часток, то їх енергія може виявитися недостатньою для утворення нових частинок з ненульовий масою спокою. Частинки ж з нульовою масою спокою (фотон, можливо нейтрино) завжди релятивістські, тобто завжди рухаються зі швидкістю світла.

Універсальний спосіб ведення всіх взаємодій, заснований на калібрувальною симетрії, дає можливість їх об'єднання.

Квантова теорія поля виявилася найбільш адекватним апаратом для розуміння природи взаємодії елементарних частинок та об'єднання всіх видів взаємодій.

Квантова електродинаміка - та частина квантової теорії поля, в якій розглядається взаємодія електромагнітного поля і заряджених частинок (або електронно-позитронного поля).

В Нині квантова електродинаміка розглядається як складова частина єдиної теорії слабкого та електромагнітного взаємодій.

В залежно від участі в тих чи інших видах взаємодії всі вивчені елементарні частинки, за винятком фотона, розбиваються на дві основні групи - Адрони і лептони.

Адрони (від грец. - великий, сильний) - клас елементарних частинок, що беруть участь в сильній взаємодії (поряд з електромагнітним і слабким). Лептони (від грец. - Тонкий, легкий) - клас елементарних часток, що не володіють сильним взаємодією, що беруть участь тільки в електромагнітному і слабкій взаємодії. (Наявність гравітаційної взаємодії у всіх елементарних частинок, включаючи фотон, мається на увазі).

Закінчена теорія адронів, сильної взаємодії між ними поки відсутня, однак є теорія, яка, не будучи ні закінченою, ні загальновизнаною, дозволяє пояснити їх основні властивості. Ця теорія - квантова хромодинаміка, згідно з якою адрони складаються з кварків, а сили між кварками обумовлені обміном глюонів. Всі виявлені адрони складаються з кварків п'яти різних типів ( "ароматів"). Кварк кожного "аромату" може знаходитися в трьох "колірних" станах, або володіти трьома різними "колірними зарядами".

Якщо закони, що встановлюють співвідношення між величинами, що характеризують фізичну систему, або визначають зміна цих величин з часом, не змінюються при певних перетвореннях, яким може бути піддана система, то говорять, що ці закони мають симетрією (або інваріантні) щодо даних перетворень. У математичному відношенні перетворення симетрії складають групу.

В сучасної теорії елементарних частинок концепція симетрії законів щодо деяких перетворень є провідною. Симетрія розглядається як чинник, що визначає існування різних груп і родин елементарних частинок.

Сильне взаємодія симетрично щодо поворотів в особливому "Ізотопічний просторі ". З математичної точки зору Ізотопічний симетрія відповідає перетворенням групи унітарної симетрії SU (2). Ізотопічний симетрія не є точною симетрією природи, тому що вона порушується електромагнітним взаємодією і відмінністю в масах кварків.

Ізотопічний симетрія є частиною більш широкої наближеної симетрії сильної взаємодії - унітарної SU (3) - симетрії. Унітарна симетрія виявляється значно більш порушеною, ніж Ізотопічний. Однак висловлюється припущення, що ці симетрії, які виявляються дуже сильно порушеними при досягнутих енергіях, будуть відновлюватися при енергіях, що відповідають так званому "великому об'єднанню".

Для класу внутрішніх симетрій рівнянь теорії поля (тобто симетрій, пов'язаних з властивостями елементарних частинок, а не з властивостями простору-часу), застосовується загальна назва - калібрувальна симетрія.

Калібрувальна симетрія призводить до необхідності існування векторних калібрувальних полів, обмін квантами яких обумовлює взаємодії часток.

Ідея калібрувальною симетрії виявилася найбільш плідною в єдиній теорії слабкої і електромагнітних взаємодій.

Цікавою проблемою квантової теорії поля є включення в єдину калібрувальних схему і сильної взаємодії ( "велике об'єднання").

Іншим перспективним напрямком об'єднання вважається суперкалібровочная симетрія, або просто суперсиметрія.

В 60-х роках американськими фізиками С. Вайнбергом, Ш. Глешоу, пакистанським фізиком А. Саламом та ін була створена єдина теорія слабкого та електромагнітного взаємодій, пізніше отримала назву стандартної теорії електрослабкої взаємодії. У цій теорії поряд з фотоном, що здійснюють електромагнітне взаємодія, з'являються проміжні векторні бозони - частки, переносять слабку взаємодію. Ці частинки були експериментально виявлені в 1983 році в ЦЕРНі.

Відкриття на досвіді проміжних векторних бозонів підтверджує правильність основний (калібрувальною) ідеї стандартної теорії електрослабкої взаємодії.

Однак для перевірки теорії в повному обсязі необхідно також експериментально досліджувати механізм спонтанного порушення симетрії. Якщо цей механізм дійсно здійснюється в природі, то повинні існувати елементарні скалярні бозони - так звані хіггсови бозони. Стандартна теорія електрослабкої взаємодії передбачає існування, як мінімум, одного скалярного бозона.

Механізм спонтанного порушення симетрії, який зустрічається в різноманітних фізичних ситуаціях, набув широкого поширення в квантової теорії поля. Було показано, що у калібрувальних теоріях цей механізм може призводити до появи кінцевої маси у безмассових калібрувальних частинок (так званий ефект Хіггса).

В моделях "Великого об'єднання" група симетрії електрослабкої взаємодії і група симетрії сильної взаємодії є підгрупами єдиної групи, яка характеризується єдиною константою калібрувального взаємодії.

В основі "Великого об'єднання" - той факт, що при переході до малих відстані (тобто до високих енергій) збільшується константа електрослабкої взаємодії і зменшується константа сильної взаємодії. Екстраполяція такої тенденції на надвисокі енергії призводить до рівності констант всіх трьох взаємодій при деякому енергетичному масштабі, при якому відбувається спонтанне порушення симетрії "великого об'єднання", що призводить до виникнення у мас частинок, що описують змішані калібрувальні поля.

В різних моделях "великого об'едінеія" передбачається різна величина енергетичного масштабу, але в будь-якому випадку такі енергії недосяжні в доступному для огляду майбутньому ні на прискорювачах, ні в космічних променях. Для перевірки моделей "Великого об'єднання" можуть використовуватися або їх передбачення в низькоенергетичне області, або космологічні наслідки цих моделей (за сучасними уявленнями, на дуже ранніх стадіях розширення Всесвіту могли досягатися температури багато більші, ніж енергетичний масштаб "Великого об'єднання").

Одним з прогнозів моделей "Великого об'єднання" є незбереження баріонів заряду і, як наслідок, нестабільність протона.

супергравітації - Калібрувальна теорія суперсиметрії, що представляє собою суперсімметрічное узагальнення загальної теорії відносності (теорії тяжіння).

Розширена теорія супергравітації володіє симетрією, в принципі дозволяє об'єднати всі відомі види взаємодій - гравітаційне, слабке, електромагнітне і сильне. Однак наявні моделі наразі далекі від реальної дійсності (в Зокрема, в них немає місця деяких фундаментальних частинок).

Список літератури

Для підготовки даної роботи були використані матеріали з сайту http://nrc.edu.ru/