Лептоны и кварки реферат

Обновлено: 07.07.2024

Термином “элементарные частицы” в физике принято называть частицы, которые являются основой для всего материального, и кроме того обладающие очень важным свойством - неделимостью. В разные исторические эпохи такими базовыми неделимыми частицами считались сначала атомы, потом - ядро, затем - его составные части - нуклоны.

В конце XIX - начале XX века наукой было доказано, что при радиоактивных преобразованиях атомы могут превращаться друг в друга. Кроме того, в то время были открыты рентгеновское и катодное излучения. Источниками этих типов излучения могли быть различные атомы, из чего следовал тот факт, что все атомы построены по одному принципу. Поэтому, начиная с того времени, стало господствующим утверждение о том, что любой атом состоит из неких элементарных частиц.

Затем были открыты составные части атома: атомное ядро (1911 г.) - его заряженный тяжелый центр, в свою очередь состоящий из протона (1919 г.) и нейтрона (1932 г.).

Согласно понятиям современной физики принято условно считать, что термин элементарные частицы охватывает большую группу мельчайших микрочастиц, в которые не входят атомы, а также атомные ядра (кроме протона, являющегося ядром атома водорода). Ну а истинно элементарными частицами являются электрон, позитрон, все виды нейтрино, фотоны и кварки, поскольку в настоящее время их принято считать неделимыми, т.е. их нельзя составить ни из каких других известных нынешней физике частиц.

На основе кварковой модели была создана классификация адронов - частиц с сильным взаимодействием. Это разделение частиц на группы в последние годы пользуется огромным успехом, хотя предложено было еще в 60-х годах. Как следует из данной модели, любой адрон включает в себя две-три действительно элементарные частицы - кварки, - обладающие весьма необычными характеристиками. Предположительно существует шесть типов (ароматов) кварков и антикварков, которые взаимодействуют между собой посредством глюонов. Глюоны, как и кварки обладают особенным зарядом, именуемым цветом. Каждому типу кварка свойственны три разновидности цвета, а каждому типу глюона - восемь.

Количество элементарных частиц

Число открытых и исследованных частиц к настоящему времени огромно. Уже весь греческий алфавит и большая часть латинского алфавита использованы под обозначение элементарных частиц. Более того, зачастую в обозначениях вновь открытых частиц встречаются штрихи, звездочки и цифры. Это говорит о том, что их количество значительно превосходит совокупный размер греческого и латинского алфавитов.

В настоящее время число элементарных частиц (включая нестабильные частицы - резонансы) вместе с античастицами в несколько раз превышает число элементов периодической системы Менделеева. А согласно подсчетам одного физика, число открытых элементарных частиц, удваивается через каждые 11 лет и если так пойдет дальше, через некоторое время превысит число физиков.

Существование кварков

Кварки были придуманы в 1964 г. американскими физиками Гелл-Маном и независимо Цвейгом для объяснения существующей в природе симметрии в свойствах сильновзаимодействующих частиц - адронов.

Кварки - общее название для нескольких фундаментальных частиц, из которых можно составить любую сильновзаимодействующую частицу. При этом такие “составные” частицы будут обладать всеми основными свойствами реальных частиц. Следует заметить, что сильновзаимодействующие частицы составляют абсолютное большинство среди всех типов частиц. Столь необычное название “кварки” заимствовано из книги Джеймса Джойса “Поминки по Финнигану”, где встречается словосочетание “три кварка” как таинственный крик чаек, который слышится герою романа в кошмарном бреду.

Гипотеза о существовании таких фундаментальных частиц, как кварков, решила весьма важную задачу о упорядочивании всех известных к тому времени элементарных частиц.

Супермультиплеты

Супермультиплетами или унитарными мультиплетами называются группы известных адронов, отсортированные по значениям их спина и внутренней четности. Существует несколько таких групп достаточно большого размера, внутри которых наблюдаются интересные закономерности, и каждая группа содержит около десяти частиц.

Число таких групп к тому времени определялось равным четырем. Это мезонные адроны с нулевым спином и отрицательной четностью, образующие нонет - группу из девяти частиц. Масса, электрический заряд и странность составляющих этой девятки закономерно изменяются от частицы к частице. Мезонные адроны со спином, равным единице, и отрицательной четностью также образуют аналогичную девятку. Барионные адроны с оспином 3/2 и положительной четностью образуют декуплет -десятку. Наконец, октет образуется барионами с положительной четностью и спином Ѕ.

Свойства супермультиплетов

В 1962 г. Гелл-Маном были однозначно предугаданы все известные характеристики десятой частицы по свойствам девяти известных частиц. Приведем набор параметров для этой частицы: масса, странность, изотопический спин, четность. Кроме того, в их число также входят электрический заряд, барионный заряд, схема рождения, схема распада, время жизни. В начале 1964 г. был найден гиперон с предсказанными свойствами. Это стало возможным благодаря исчерпывающей информации об искомой частице, заключенной в перечне, приведенном выше. Это, вероятно, самый маленький интервал времени между моментами предсказания и обнаружения “настоящей” (долгоживущей) элементарной частицы.

В других супермультиплетах также прослеживаются определенные закономерности. Несколько различных теорий было предложено для объяснения упомянутых закономерностей. У всех этих теорий есть одна общая черта, поскольку все они предполагают существование двух разновидностей сильного взаимодействия. Эти две разновидности таковы: очень сильное и умеренно сильное взаимодействие. Наряду с магнитным взаимодействием они определяют основные свойства адронов.

Умеренно сильное взаимодействие зависит от странности, а значит различно для членов разных изотопических мультиплетов, т.е. для частиц, стоящих в разных строках. Для всех членов унитарного мультиплета очень сильное взаимодействие является одинаковым и определяющим главную часть их энергии взаимодействия (а значит, и массы).

Три кошмарные частицы

Наиболее естественно существование унитарных мультиплетов можно было объяснить, введя в рассмотрение три гипотетические частицы - кварки - с довольно экзотическими свойствами, а именно с дробными барионным и электрическим зарядами. В связи с такой экзотичностью свойств и с тем, что их три, кварки и получили свое необычное название. Словосочетание “три кварка” встречается в романе Джеймса Джойса “Поминки по Финнегану” как таинственный крик чаек, который слышится герою романа во время кошмарного бреда.

Если кваркам приписывать некоторые известные свойства, то достаточно всего трех кварков и трех антикварков, чтобы из них, как из деталей конструктора, построить любой из перечисленных выше адронов, причем можно показать, что адроны. “слепленные” из кварков, будут группироваться в те самые супермультиплеты, которые были известны в то время.

Парк, нарк, ларк

В более ранней и довольно успешной теории Сакаты в качестве трех основных фундаментальных частиц для построения адронов использовались протон (p), нейтрон (n) и лямбда-частица (^). Поэтому те же самые символы используют и в современной теории для обозначения трех кварков. Назовем эти кварки парком (p), нарком (n) и ларком (^). Кварки не надо путать с адронами, которые обозначаются теми же самыми символами.

Электрические заряды кварков и значения других квантовых чисел для них

Название кварка Символ Q S Y Iz B o

Парк p +2/3 0 1/3 1/2 1/3 1/2

Нарк n - 1/3 0 1/3 -1/2 1/3 1/2

Ларк ^ - 1/3 - 1 - 2/3 0 1/3 1/2

Q - электрический заряд в единицах заряда электрона;

S - квантовое число странности;

Y - квантовое число гиперзаряда (Y=B+S);

Iz - квантовое число z-компоненты изоспина;

B - барионное число;

о - внутренний момент импульса (спин).

Для всех кварков барионное число B и спин o одинаковы.

Позднее в кварковую модель ввели четвертый и пятый кварки.

Предполагается, что существует еще один, шестой кварк.

Сама тройка кварков (а также тройка антикварков) тоже образует супермультиплет - унитарный триплет.

с-Кварк (очарованный)

В конце 1974 г. одновременно в двух лабораториях была открыта новая частица, свойства которой оказались таковы, что их не удалось объяснить в рамках трехкварковой модели. Для интерпретации этих свойств потребовалось ввести четвертый кварк - с-кварк, названный очарованным ( от слова charm - очарование).

с-Кварк оказался вполне равноправной частицей по отношению к остальным трем кваркам. Комбинируя с-кварк с антикварками u, d, s, можно получить новые мезоны, которые были названы очарованными.

В настоящее время уже обнаружены представители всех очарованных мезонов и некоторые очарованные барионы. На этом основании, казалось бы, можно было считать, что кварковая модель достигла совершенства, т.е. описывает все существующие частицы и не конструирует лишних, не встречающихся в природе.

b-Кварк (прелестный)

Однако, в 1977 г. была открыта еще одна частица, названная ипсилон-мезоном, свойства которой не укладывались в четырехкварковую модель. Новый, пятый кварк b, названный прелестным (от слова beauty - прелесть, иногда название b-кварка производят от слова botom - низ).

t-Кварк (правдивый)

Наконец, имеются основания считать, что должен существовать еще и шестой кварк t, названный правдивым (от слова truth) или верхним (от слова top). Одним из таких оснований является предсказываемая теорией электрослабого взаимодействия симметрия в числе кварков и лептонов (которых открыто шесть).

Поиски кварков

Существование кварков в настоящее время еще не доказано и вполне возможно, что они являются всего лишь математическими измышлениями нужными только для классификации адронов. Однако не исключено, что их существование в ближайшем будущем докажут. Пока не подтверждено наличие кварков в космических лучах, как о том говорилось в начале 1970 г. в нескольких научных работах.

Если кварки и в самом деле существуют в природе, то из этого факта мы сможем вывести целый ряд замечательных следствий. Нужно будет полностью пересмотреть теории источников энергии, а также космогонические теории и излучения звезд. Не исключена возможность того, что хотя бы из трех кварков один не будет распадаться (т.е. окажется стабильным), а может быть, стабильными окажутся и все три кварка. Другое возможное использование кварков - эффективные катализаторы ядерных реакций.

Кварки природные и созданные человеком

Благодаря успеху кварковой модели возникает желание описать всё существующее многообразие частиц несколькими фундаментальными, такими, как кварки. А для этого необходимо подтвердить их существование в природе.

Наиболее вероятно предположить, что кварки имеют большую массу. Однако для рождения частиц с большой массой требуются большие кинетические энергии. Поэтому кварки нужно искать в таких условиях (естественно или искусственно созданных), когда имеется возможность трансформации большой порции кинетической энергии в энергию покоя (массу). Согласно законам сохранения, кварк может образовываться только в паре с антикварком. Связь между массой кварка m _q и минимальной кинетической энергией, бомбардирующей частицы Тмин, необходимой для рождения кварка этой массы, определяется типом реакции, в которой образуется кварк.

Имеется следующая зависимость Тмин от предполагаемого значения m _q для реакции образования кварка при соударении двух протонов:

Значения Тмин, вычисленные по данной формуле при разных значениях массы кварка приводятся в таблице. Из таблицы видно, что кварки массой m _q 15m _p .

Кстати, чем тяжелее кварки, тем заманчивее становится мечта их открыть. Ведь если протон образован тремя кварками массой 5m _p каждый, то “энергия связи” протона равна: 14 m _pc , или 13 ГэВ, т.е. в процессе образования протона из кварков должно освобождаться 14/15 = 93% энергии покоя кварков.

Современная физика о проблеме кварков

В настоящее время большинство ученых, занимающихся данной проблемой, считают, что кварки существуют только в связанном состоянии внутри адронов. Они не могут вылететь из адронов и существовать в свободном виде.

Адроны участвуют в электромагнитных, слабых и сильных взаимодействиях. Их можно сгруппировать в два больших семейства: семейство мезонов (спин 0,1 и т.д.) и семейство барионов (спин Ѕ, 3/2 и т.д.). Название “адрон” означает “сильно взаимодействующая частица”. Оказалось, что адроны можно более детально классифицировать, объединяя их в подсемейства (называемые супермультиплетами) по признаку одинаковости спина и четности входящих в подсемейство частиц.

Пленение кварков внутри адронов

Цвет и аромат кварков

Главная трудность кварковой модели заключается в пленении кварков внутри адронов. Другая трудность этой модели связана с тем, что она допускает барионные комбинации из трех тождественных кварков, находящихся в одинаковых состояниях. Однако принцип Паули, согласно которому два (и тем более три) фермиона с одинаковыми квантовыми числами не могут находиться в одном и том же состоянии, запрещает такие комбинации. Благодаря введению еще одной характеристики кварков, называемой условно цветом обе эти трудности были преодолены. Здесь следует заметить, что термин “цвет”, употребляемый как характеристика сильного взаимодействия, не имеет никакого отношения (кроме терминологического) к оптическим цветам.

Каждый кварк имеет три цветовые разновидности, соответствующие трем основным цветам: “красному”, “синему” и “зеленому”. Эти разновидности не зависят от его типа (u, d, s, c, b, t), который называется ароматом (flavour),.

Любой барион обязательно включает в себя “разноцветные” кварки, так что гиперон, например, является “бесцветной” (“белой”) комбинацией, которая не противоречит принципу Паули. Соответственно каждый мезон представляет собой комбинацию кварков и антикварков с “дополнительными цветами” (например, “красный” и “антикрасный” и т.п.), которые также в сумме дают “белый” цвет.

Квантовая хромодинамика

Согласно современной теории сильных взаимодействий (квантовой хромодинамике), кварками взаимодействие между собой посредством восьми цветных глюонов (от слова glue - клей). Глюоны являются квантами, т.е. переносчиками сильного взаимодействия между кварками любых ароматов и цветов и как бы склеивают кварки между собой. Цвет играет очень важную роль нового заряда.

Между глюонами и фотонами (их еще называют квантами электромагнитного взаимодействия) есть одна существенная разница: глюоны имеют цветной заряд, а фотоны им не обладают. В отличие от фотона глюон может испускать новые глюоны. Это приводит к росту эффективного заряда кварка при увеличении расстояния, а значит, к возрастанию энергии взаимодействия между кварками.

В результате пленения кварки не могут освободиться друг от друга и существуют в природе только в связанном виде - в форме “белых”, “бесцветных” адронов. Наоборот, на очень малых расстояниях кварки можно рассматривать как практически свободные частицы (центральная свобода), так как они взаимодействуют относительно слабо. Из этого предположения вытекают несколько количественных соотношений, подтвержденных экспериментами.

В настоящее время физика элементарных частиц развивается, в основном, за счет изучения структуры различных элементарных частиц, и в первую очередь протона и нейтрона. Из обеих этих частиц построены все атомные ядра, находящиеся в своих основных состояниях. Они являются окончательными основными состояниями всех барионов.

Недавно появилась новая теория элементарных частиц, которая называется “теорией зашнуровки”. Согласно этой теории, каждая элементарная частица существует благодаря тому, что существуют все остальные частицы, и ни одна из известных частиц не является более фундаментальной и элементарной, чем остальные.

Была проведена классификация адронов, согласно которой они состоят из кварков. Она оказалась очень успешной, поскольку удалось рассмотреть структуру адронов. Однако многое предстоит еще выяснить в процессе исследований.

Список использованной литературы:

В.Акоста, К.Кован, Б.Грэм “ Основы современной физики”, М. Просвещение, 1981;

И.Розенталь “Элементарные частицы и структура Вселенной”, М. Наука, 1984;

Впервые об элементарных частицах как о составных частях любого атома стали говорить в конце XIX – начале XX столетия. Именно в это время было показано, что атомы могут преобразовываться друг в друга при радиоактивных превращениях. В эти же годы были открыты катодное и рентгеновское излучения, испускание которых различными атомами свидетельствовало о сходном строении всех атомов.

Следующими этапами в познании строения атома было открытие тяжелой заряженной сердцевины атома – атомного ядра (1911 г.) и его составных частей: протона (1919 г.) и нейтрона (1932 г.).

Элементарными частицами современная физика условно называет большую группу мельчайших микрочастиц, не являющихся атомами или атомными ядрами (за исключением протона, который является ядром атома водорода). В настоящее время истинно элементарными, т.е. такими, которые нельзя составить ни из каких других известных нам ныне частиц, являются электрон, позитрон, все виды нейтрино, фотоны и кварки .

В последние годы очень большого успеха достигла классификация сильновзаимодействующих частиц – адронов – на основе кварковой модели . Согласно этой модели (которая была предложена еще в 60-е годы) любой адрон состоит из двух-трех истинно элементарных частиц – кварков – с весьма необычными свойствами. Предполагается, что существует шесть типов (ароматов) кварков (и столько же антикварков), взаимодействие между которыми осуществляется глюонами. Кварки и глюоны имеют специфический заряд, который называется цветом. Каждый тип кварка имеет по три цветовых разновидности, глюоны – восемь.

В настоящее время открыто и исследовано так много элементарных частиц, что для их обозначения уже использованы все свободные буквы греческого алфавита и много букв латинского алфавита. Причем это не означает, что частиц известно столько же, сколько использованных букв. Гораздо больше! Кроме простых букв для обозначения частиц используются буквы со штрихами, со звездочками и с цифрами.

Число открытых элементарных частиц, согласно подсчетам одного физика, удваивается каждые 11 лет и (если так пойдет дальше) через некоторое время превзойдет число физиков! Во всяком случае, в настоящее время число элементарных частиц (включая нестабильные частицы – резонансы) вместе с античастицами в несколько раз превышает число элементов периодической системы Менделеева.

Супермультиплеты

Оказывается, если известные адроны рассортировать по значениям их спина и внутренней четности, то образуется несколько больших групп адронов (в среднем по десятку частиц в одной группе), внутри которых наблюдаются интересные закономерности. Такие группы называют супермультиплетами или унитарными мультиплетами .

В это время можно было вполне четко выделить четыре большие группы частиц.

Мезонные адроны с нулевым спином и отрицательной четностью образуют группу из девяти частиц (нонет). Электрический заряд, странность и масса членов этой девятки закономерно изменяются от частицы к частице. Аналогичную девятку образуют также мезонные адроны со спином, равным единице, и отрицательной четностью. Барионы со спином ½ и положительной четностью образуют сходный октет. Наконец, барионные адроны с оспином 3/2 и положительной четностью составляют десятку – декуплет.

Свойства

Закономерности можно проследить также и в других супермультиплетах. Для объяснения закономерностей было предложено несколько различных теорий. Общим для всех этих теорий является предположение о существовании двух разновидностей сильного взаимодействия: очень сильного и умеренно сильного, которые вместе с электромагнитным определяют основные свойства адронов. Очень сильное взаимодействие одинаково для всех членов унитарного мультиплета и определяет главную часть их энергии взаимодействия (а значит, и массы). Умеренно сильное взаимодействие зависит от странности и потому различно для членов разных изотопических мультиплетов, т.е. для частиц, стоящих в разных строках.

Три кошмарные частицы

Парк, нарк, ларк

Электрические заряды кварков и значения других квантовых чисел для них

Название кварка Символ Q S Y Iz B o

Парк p +2/3 0 1/3 1/2 1/3 1/2

Нарк n - 1/3 0 1/3 -1/2 1/3 1/2

Ларк ^ - 1/3 - 1 - 2/3 0 1/3 1/2

Q – электрический заряд в единицах заряда электрона;

S – квантовое число странности;

Y – квантовое число гиперзаряда (Y=B+S);

Iz – квантовое число z-компоненты изоспина;

B – барионное число;

о – внутренний момент импульса (спин).

Для всех кварков барионное число B и спин o одинаковы.

Позднее в кварковую модель ввели четвертый и пятый кварки.

Предполагается, что существует еще один, шестой кварк.

Сама тройка кварков (а также тройка антикварков) тоже образует супермультиплет – унитарный триплет.

с-Кварк (очарованный)

В конце 1974 г. одновременно в двух лабораториях была открыта новая частица, свойства которой оказались таковы, что их не удалось объяснить в рамках трехкварковой модели. Для интерпретации этих свойств потребовалось ввести четвертый кварк – с-кварк, названный очарованным ( от слова charm – очарование).

b-Кварк (прелестный)

Однако, в 1977 г. была открыта еще одна частица, названная ипсилон-мезоном, свойства которой не укладывались в четырехкварковую модель. Новый, пятый кварк b, названный прелестным (от слова beauty – прелесть, иногда название b-кварка производят от слова botom – низ).

t-Кварк (правдивый)

Являются ли кварки реальными частицами или просто математическими измышлениями, нужными только для классификации адронов, еще неясно. В начале 1970 г. в научных журналах было опубликовано несколько работ, авторы которых заявляли об обнаружении кварков в космических лучах, однако пока что это не подтверждено. Если кварки и в самом деле существуют в природе, то из этого факта мы сможем вывести целый ряд замечательных следствий. В частности, космогонические теории и теории источников энергии излучения звезд придется коренным образом пересмотреть. Далее, кварки смогут выступать в роли эффективных катализаторов ядерных реакций. Вполне возможно, что по крайней мере один из трех кварков окажется стабильным и не будет распадаться, а может быть, и все три кварка будут стабильными.

Успех кварковой модели и желание свести многообразие частиц к нескольким фундаментальным заставляют физиков искать кварки в природе.

Кваркам естественно приписать большую массу. Но рождение частиц с большой массой требует больших кинетических энергий, поэтому поиски кварков следует вести в таких условиях (естественно или искусственно созданных), когда имеется возможность трансформации большой порции кинетической энергии в энергию покоя (массу). Связь между массой кварка m q и минимальной кинетической энергией, бомбардирующей частицы Тмин, необходимой для рождения кварка этой массы, зависит от типа реакции, в которой образуется кварк. В соответствии с законами сохранения образование кварка может происходить только в паре с антикварком.

Минимальная энергия, необходимая для рождения кварка массой m q

m q m p 3m p 5m p 10m p 20m p

Тмин’m p c 6 30 70 240 880

Тмин’ ГэВ 5,6 28 65 225 825

Для реакции образования кварка при соударении двух протонов получается следующая зависимость Тмин от предполагаемого значения m q:

Тмин=2(m q /m p) (2m p + m q) c

Во что верит большинство физиков в настоящее время?

Наконец, еще одна возможность, в которую в настоящее время верит большинство физиков, заключается в следующем: кварки существуют, но только в связанном состоянии внутри адронов. Вылететь из адронов и существовать в свободном виде кварки не могут.

ПЛЕНЕНИЕ КВАРКОВ ВНУТРИ АДРОНОВ

Цвет и аромат кварков

Пленение кварков внутри адронов является, пожалуй, главной трудностью кварковой модели. Другая трудность этой модели связана с тем, что она допускает барионные комбинации из трех тождественных кварков, находящихся в одинаковых состояниях. А это запрещено принципом Паули, согласно которому два (и тем более три) фермиона с одинаковыми квантовыми числами не могут находиться в одном и том же состоянии. Обе эти трудности удалось преодолеть введением еще одной характеристики кварков, которая условно называется ЦВЕТОМ .

Квантовая хромодинамика

Кроме этой функции нового квантового числа цвет играет очень важную роль нового заряда. Согласно современной теории сильных взаимодействий – КВАНТОВОЙ ХРОМОДИНАМИКЕ , взаимодействие между кварками осуществляется при помощи восьми цветных глюонов (от слова glue – клей. Глюоны как бы склеивают кварки между собой), которые являются квантами, т.е. переносчиками сильного взаимодействия между кварками любых ароматов и цветов.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Изучение структуры различных элементарных частиц, и в первую очередь протона и нейтрона, находится на самом переднем крае фронта исследований в физике элементарных частиц. Протон и нейтрон – это окончательные основные состояния всех барионов. Из обеих этих частиц построены все атомные ядра, находящиеся в своих основных состояниях.

Классификация адронов оказалась очень успешной, при этом удалось немного заглянуть в структуру адронов, представить их состоящими из кварков. Но многое еще предстоит выяснить.

СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННОЙ ЛИТЕРАТУРЫ:

* Данная работа не является научным трудом, не является выпускной квалификационной работой и представляет собой результат обработки, структурирования и форматирования собранной информации, предназначенной для использования в качестве источника материала при самостоятельной подготовки учебных работ.

Содержание:

Количество элементарных частиц

Три кошмарные частицы

Кварки природные и созданные человеком

Минимальная энергия, необходимая для рождения кварка

Кварки, созданные космическим излучением

Содержание кварков в земных водоемах

Где еще ищут кварки?

Современная физика о проблеме кварков

Пленение кварков внутри адронов

Цвет и аромат кварков

Список использованной литературы

Введение

Термином “элементарные частицы” в физике принято называть частицы, которые являются основой для всего материального, и кроме того обладающие очень важным свойством - неделимостью. В разные исторические эпохи такими базовыми неделимыми частицами считались сначала атомы, потом – ядро, затем – его составные части – нуклоны.

В конце XIX – начале XX века наукой было доказано, что при радиоактивных преобразованиях атомы могут превращаться друг в друга. Кроме того, в то время были открыты рентгеновское и катодное излучения. Источниками этих типов излучения могли быть различные атомы, из чего следовал тот факт, что все атомы построены по одному принципу. Поэтому, начиная с того времени, стало господствующим утверждение о том, что любой атом состоит из неких элементарных частиц.

Затем были открыты составные части атома: атомное ядро (1911 г.) – его заряженный тяжелый центр, в свою очередь состоящий из протона (1919 г.) и нейтрона (1932 г.).

На основе кварковой модели была создана классификация адронов – частиц с сильным взаимодействием. Это разделение частиц на группы в последние годы пользуется огромным успехом, хотя предложено было еще в 60-х годах. Как следует из данной модели, любой адрон включает в себя две-три действительно элементарные частицы – кварки, – обладающие весьма необычными характеристиками. Предположительно существует шесть типов (ароматов) кварков и антикварков, которые взаимодействуют между собой посредством глюонов. Глюоны, как и кварки обладают особенным зарядом, именуемым цветом. Каждому типу кварка свойственны три разновидности цвета, а каждому типу глюона – восемь.

Количество элементарных частиц

В настоящее время число элементарных частиц (включая нестабильные частицы – резонансы) вместе с античастицами в несколько раз превышает число элементов периодической системы Менделеева. А согласно подсчетам одного физика, число открытых элементарных частиц, удваивается через каждые 11 лет и если так пойдет дальше, через некоторое время превысит число физиков.

Существование кварков

Кварки – общее название для нескольких фундаментальных частиц, из которых можно составить любую сильновзаимодействующую частицу. При этом такие “составные” частицы будут обладать всеми основными свойствами реальных частиц. Следует заметить, что сильновзаимодействующие частицы составляют абсолютное большинство среди всех типов частиц. Столь необычное название “кварки” заимствовано из книги Джеймса Джойса “Поминки по Финнигану”, где встречается словосочетание “три кварка” как таинственный крик чаек, который слышится герою романа в кошмарном бреду.

Супермультиплеты

Супермультиплетами или унитарными мультиплетами называются группы известных адронов, отсортированные по значениям их спина и внутренней четности. Существует несколько таких групп достаточно большого размера, внутри которых наблюдаются интересные закономерности, и каждая группа содержит около десяти частиц.

Число таких групп к тому времени определялось равным четырем. Это мезонные адроны с нулевым спином и отрицательной четностью, образующие нонет - группу из девяти частиц. Масса, электрический заряд и странность составляющих этой девятки закономерно изменяются от частицы к частице. Мезонные адроны со спином, равным единице, и отрицательной четностью также образуют аналогичную девятку. Барионные адроны с оспином 3/2 и положительной четностью образуют декуплет –десятку. Наконец, октет образуется барионами с положительной четностью и спином Ѕ.

Свойства супермультиплетов

Три кошмарные частицы

Наиболее естественно существование унитарных мультиплетов можно было объяснить, введя в рассмотрение три гипотетические частицы – кварки – с довольно экзотическими свойствами, а именно с дробными барионным и электрическим зарядами. В связи с такой экзотичностью свойств и с тем, что их три, кварки и получили свое необычное название. Словосочетание “три кварка” встречается в романе Джеймса Джойса “Поминки по Финнегану” как таинственный крик чаек, который слышится герою романа во время кошмарного бреда.

Парк, нарк, ларк

В более ранней и довольно успешной теории Сакаты в качестве трех основных фундаментальных частиц для построения адронов использовались протон (p), нейтрон (n) и лямбда-частица (^). Поэтому те же самые символы используют и в современной теории для обозначения трех кварков. Назовем эти кварки парком (p), нарком (n) и ларком (^). Кварки не надо путать с адронами, которые обозначаются теми же самыми символами.

Позднее в кварковую модель ввели четвертый и пятый кварки.

Предполагается, что существует еще один, шестой кварк.

Сама тройка кварков (а также тройка антикварков) тоже образует супермультиплет – унитарный триплет.

НОВЫЕ КВАРКИ

с-Кварк (очарованный)

В конце 1974 г. одновременно в двух лабораториях была открыта новая частица, свойства которой оказались таковы, что их не удалось объяснить в рамках трехкварковой модели. Для интерпретации этих свойств потребовалось ввести четвертый кварк – с-кварк, названный очарованным ( от слова charm – очарование).

b-Кварк (прелестный)

Однако, в 1977 г. была открыта еще одна частица, названная ипсилон-мезоном, свойства которой не укладывались в четырехкварковую модель. Новый, пятый кварк b, названный прелестным (от слова beauty – прелесть, иногда название b-кварка производят от слова botom – низ).

t-Кварк (правдивый)

Наконец, имеются основания считать, что должен существовать еще и шестой кварк t, названный правдивым (от слова truth) или верхним (от слова top). Одним из таких оснований является предсказываемая теорией электрослабого взаимодействия симметрия в числе кварков и лептонов (которых открыто шесть).

Поиски кварков

Если кварки и в самом деле существуют в природе, то из этого факта мы сможем вывести целый ряд замечательных следствий. Нужно будет полностью пересмотреть теории источников энергии, а также космогонические теории и излучения звезд. Не исключена возможность того, что хотя бы из трех кварков один не будет распадаться (т.е. окажется стабильным), а может быть, стабильными окажутся и все три кварка. Другое возможное использование кварков – эффективные катализаторы ядерных реакций.

Кварки природные и созданные человеком

Наиболее вероятно предположить, что кварки имеют большую массу. Однако для рождения частиц с большой массой требуются большие кинетические энергии. Поэтому кварки нужно искать в таких условиях (естественно или искусственно созданных), когда имеется возможность трансформации большой порции кинетической энергии в энергию покоя (массу). Согласно законам сохранения, кварк может образовываться только в паре с антикварком. Связь между массой кварка m q и минимальной кинетической энергией, бомбардирующей частицы Тмин, необходимой для рождения кварка этой массы, определяется типом реакции, в которой образуется кварк.

Имеется следующая зависимость Тмин от предполагаемого значения m q для реакции образования кварка при соударении двух протонов:

Значения Тмин, вычисленные по данной формуле при разных значениях массы кварка приводятся в таблице. Из таблицы видно, что кварки массой m q 15m p .

Кстати, чем тяжелее кварки, тем заманчивее становится мечта их открыть. Ведь если протон образован тремя кварками массой 5m p каждый, то “энергия связи” протона равна: 14 m pc , или 13 ГэВ, т.е. в процессе образования протона из кварков должно освобождаться 14/15 = 93% энергии покоя кварков.

Современная физика о проблеме кварков

Пленение кварков внутри адронов

Цвет и аромат кварков

Каждый кварк имеет три цветовые разновидности, соответствующие трем основным цветам: “красному”, “синему” и “зеленому”. Эти разновидности не зависят от его типа (u, d, s, c, b, t), который называется ароматом (flavour),.

Квантовая хромодинамика

Согласно современной теории сильных взаимодействий (квантовой хромодинамике), кварками взаимодействие между собой посредством восьми цветных глюонов (от слова glue – клей). Глюоны являются квантами, т.е. переносчиками сильного взаимодействия между кварками любых ароматов и цветов и как бы склеивают кварки между собой. Цвет играет очень важную роль нового заряда.

В результате пленения кварки не могут освободиться друг от друга и существуют в природе только в связанном виде – в форме “белых”, “бесцветных” адронов. Наоборот, на очень малых расстояниях кварки можно рассматривать как практически свободные частицы (центральная свобода), так как они взаимодействуют относительно слабо. Из этого предположения вытекают несколько количественных соотношений, подтвержденных экспериментами.

Заключение

Список использованной литературы:

В.Акоста, К.Кован, Б.Грэм “ Основы современной физики”, М. Просвещение, 1981;

И.Розенталь “Элементарные частицы и структура Вселенной”, М. Наука, 1984;

Основные подходы к классификации элементарных частиц, которые по видам взаимодействий делятся на: составные, фундаментальные (бесструктурные) частицы. Особенности микрочастиц с полуцелым и целым спином. Условно истинно и истинно элементарные частицы.
Краткое сожержание материала:

Негосударственное образовательное учреждение высшего профессионального образования

по Основам безопасности жизнедеятельности

ТЕМА: Классификация микрочастиц: фермионы и бозоны; лептоны; кварки; адроны; нуклоны.

Работа выполнена студентом

Введение
1. Основные подходы к классификации частиц. Их общая характеристика
2. Микрочастицы с полуцелым и целым спином
3. Условно истинно и истинно элементарные частицы и их характеристика
Заключение
Литература
Введение

В 60-70-е годы физики были совершенно сбиты с толку многочисленностью, разнообразием и необычностью вновь открытых субатомных частиц. Казалось, им не будет конца. Совершенно непонятно, для чего столько частиц. Являются ли эти элементарные частицы хаотическими и случайными осколками материи? Или, возможно, они таят в себе ключ к познанию структуры Вселенной? Развитие физики в последующие десятилетия показало, что в существовании такой структуры нет никаких сомнений. В конце ХХ в. физика начинает понимать, каково значение каждой из элементарных частиц.

Миру субатомных частиц присущ глубокий и рациональный порядок. В основе этого порядка - фундаментальные физические взаимодействия.

Элементарная частица -- собирательный термин, относящийся к микрообъектам в субъядерном масштабе, которые невозможно расщепить (или пока это не доказано) на составные части. Их строение и поведение изучается физикой элементарных частиц. Понятие элементарных частиц основывается на факте дискретного строения вещества. Ряд элементарных частиц имеет сложную внутреннюю структуру, однако разделить их на части невозможно. Другие элементарные частицы на данный момент считаются бесструктурными и рассматриваются как первичные фундаментальные частицы.

Современная наука выявила единство на самом глубоком уровне: наблюдаемое вещество состоит из фотонов, лептонов (электроны, мюоны, нейтрино) и кварков. Помимо переносимых фотонами электромагнитных взаимодействий существуют сильные ядерные взаимодействия, связывающие кварки в барионы (протоны, нейтроны и пр.) и мезоны. Слабые ядерные взаимодействия ответственны за распад нейтронов, например. Все они описываются единой нелинейной теорией, обобщающей уравнения Максвелла. Такое обобщение было сделано в 1954 г. Ч.Янгом и Р. Миллсом, и другие обобщения называются также теорией Янга -- Миллса. Ранее подобные теории выдвигали Г. Ми и М. Борн, А. Эйнштейн и Я. И.Френкель. Хотя проблема элементарных частиц связана с самими основами науки, их изучение ведется в некотором отрыве от других областей физики.

1. Основные подходы к классификации частиц. Их общая характеристика

Спин -- одна из важнейших характеристик элементарных частиц. Она определяется собственным моментом импульса частицы. Спин фотона равен 1; это означает, что частица примет тот же вид после полного оборота на 360°. Частица со спином -- 1/2 примет прежний вид при обороте, в 2 раза большем, т. е. в 720°. Спин протона, нейтрона и электрона -- 1/2. Существуют частицы со спином 3/2, 5/2 и т.д. Частица со спином, равным нулю, одинаково выглядит при любом угле поворота. В зависимости от значения спина все частицы делят на две группы:

1. фермионы (название дано в честь Энрико Ферми) -- с полуцелыми (1/2, 3/3, . ) спинами. Фермионы составляют вещество и, в свою очередь, делятся на два класса -- лептоны (от греч. leptos -- легкий) и кварки. Кварки входят в состав протонов, нейтронов и других подобных им частиц, называемых в совокупности адрона-ми (от греч. adros -- сильный). Заряженные лептоны могут так же, как и электроны, вращаться вокруг ядер, образуя атомы. Лептоны, не имеющие заряда, могут, как и нейтрино, проходить сквозь всю Землю, ни с чем не взаимодействуя. У каждой частицы есть и античастица, отличающаяся только зарядом;

2. бозоны (названные в честь индийского ученого Шатьендраната Бозе, одного из создателей квантовой статистики) -- это частицы с целыми спинами (0, 1, 2), бозоны переносят взаимодействие.

По видам взаимодействий элементарные частицы делятся на следующие группы:

1. Составные частицы:

1.1 адроны -- частицы, участвующие во всех видах фундаментальных взаимодействий. Они состоят из кварков и подразделяются, в свою очередь, на:

1.1.1 мезоны (адроны с целым спином, т. е. бозоны);

1.1.2 барионы (адроны с полуцелым спином, т. е. фермионы). К ним, в частности, относятся частицы, составляющие ядро атома, -- протон и нейтрон.

2. Фундаментальные (бесструктурные) частицы:

2.1 лептоны -- фермионы, которые имеют вид точечных частиц (т. е. не состоящих ни из чего) вплоть до масштабов порядка 10?18 м. Не участвуют в сильных взаимодействиях. Участие в электромагнитных взаимодействиях экспериментально наблюдалось только для заряженных лептонов (электроны, мюоны, тау-лептоны) и не наблюдалось для нейтрино. Известны 6 типов лептонов.

2.2 кварки -- дробнозаряженные частицы, входящие в состав адронов. В свободном состоянии не наблюдались (для объяснения отсутствия таких наблюдений предложен механизм конфайнмента). Как и лептоны, делятся на 6 типов и являются бесструктурными, однако, в отличие от лептонов, участвуют в сильном взаимодействии.

2.3 калибровочные бозоны -- частицы, посредством обмена которыми осуществляются взаимодействия:

2.3.1 фотон -- частица, переносящая электромагнитное взаимодействие;

2.3.2 восемь глюонов -- частиц, переносящих сильное взаимодействие;

2.3.3 три промежуточных векторных бозона W+, W? и Z0, переносящие слабое взаимодействие;

2.3.4 гравитон -- гипотетическая частица, переносящая гравитационное взаимодействие. Существование гравитонов, хотя пока не доказано экспериментально в связи со слабостью гравитационного взаимодействия, считается вполне вероятным; однако гравитон не входит в Стандартную модель.

Адроны и лептоны образуют вещество. Калибровочные бозоны -- это кванты разных видов излучения.

Кроме того, в Стандартной Модели с необходимостью присутствует хиггсовский бозон, который, впрочем, пока ещё не обнаружен экспериментально.

Между частицами существуют четыре типа взаимодействий, каждое из которых переносится своим типом бозонов: фотон, квант света -- электромагнитные взаимодействия, гравитон -- силы тяготения, действующие между любыми телами, имеющими массу. Восемь глюонов переносят сильные ядерные взаимодействия, связывающие кварки. Промежуточные векторные бозоны переносят слабые взаимодействия, ответственные за некоторые распады частиц. Считается, что к этим четырем взаимодействиям сводятся все силы в природе. Одним из самых ярких достижений нашего века стало доказательство того, что при очень высоких температурах (или энергиях) все четыре взаимодействия сливаются в одно.

Среди лептонов наиболее известен электрон, вероятно, он не состоит из других частиц, т. е. элементарен. Другой лептон -- нейтрино. Это с.

Адроны
Виды фундаментальных взаимодействий в физике. Классификация, характеристика и свойства элементарных частиц. Несохранение чётности в слабых взаимодейст.

Мир элементарных частиц
Фундаментальные физические взаимодействия. Гравитация. Электромагнетизм. Слабое взаимодействие. Проблема единства физики. Классификация элементарных ч.

Элементарные частицы
Основные понятия, механизмы элементарных частиц, виды их физических взаимодействий (гравитационных, слабых, электромагнитных, ядерных). Частицы и анти.

Элементарные частицы
Основные характеристики и классификация элементарных частиц. Виды взаимодействий между ними: сильное, электромагнитное, слабое и гравитационное. Соста.

Некоторые характеристики и свойства микрообъектов
Микрообъекты. К микрообъектам относятся молекулы, атомные ядра, элементарные частицы. Довольно богатый сегодня список элементарных частиц включает в с.

Читайте также: