Элементарные частицы

Что относится к элементарным частицам?
Частицы, из которых состоят атомы различных веществ- электрон, протон и нейтрон, назвали элементарными.
Слово «элементарный» подразумевало, что эти частицы являются первичными, простейшими, далее неделимыми и неизменяемыми.

История открытия элементарных частиц

Открытие электрона
На основании опытов по электролизу
Майкл Фарадей установил: заряды имеются в атомах всех химических элементов.

Открытие электрона
В 1899 г.
Джозеф Джон Томсон доказал реальность существования электронов.

Открытие электрона
В 1909 г.
Роберт Милликен впервые измерил заряд электрона:
q e = 1,602·10-19 Кл

Открытие протона
В 1919 г.
Эрнест Резерфорд при бомбардировке азота альфа-частицами обнаружил протон: 147N + 42He →
→ 178O + 11 p

Открытие нейтрона
В 1932 г. Джеймс Чедвик открыл новую частицу, которая не имеет электрического заряда, и назвал ее нейтроном.
В свободном состоянии нейтрон живет около 1000 с, потом распадается на протон, электрон и нейтрино:
n → p + 0-1e + ν
Существование нейтрона доказывает опыт, проведенный супругами Кюри

Открытие позитрона
В 1928 г. Поль Дирак предсказал,
а в 1932 г. Карл Андерсон открыл позитрон (е+ ), фотографируя следы космических частиц в камере Вильсона. Позитрон рождается в паре с электроном и является его античастицей.

Альберт Эйнштейн предположил, что свет распространяется в виде потока элементарных частиц – фотонов.
Фотоны не имеют массы.
Существуют только в движении со скоростью в вакууме
Энергия фотона прямо пропорциональна частоте ЭМВ
Открытие фотона

В 1931 г. Вольфганг Паули предсказал, а в 1955 г. экспериментально зарегистрировал нейтрино («нейтрончик») и антинейтрино.
Нейтрино появляется в ходе распада нейтрона.
Нейтрино – это легкие нейтральные частицы, очень слабо взаимодействующие с веществом.
Открытие нейтрино

Опыты Резерфорда и явление радиоактивности показали, что атомы не являются простейшими неделимыми частицами.
Было установлено, что атомы состоят из электронов, протонов и нейтронов, которые считались неспособными ни к каким изменениям и превращениям, т. е. элементарными или простейшими.
Но вскоре выяснилось, что эти частицы вовсе не являются неизменными!

Открытие других
элементарных частиц
Начало физике элементарных частиц в современном виде было положено в 1935 г. японским физиком Хидэки Юкава.
В 1947 г. Юкава открыл π- мезон, который является переносчиком сильного взаимодействия и удерживает нуклоны внутри ядра.
В 1955 г. был открыт антипротон,
а в 1959 г. – антинейтрон.

Дальнейшие исследования частиц показали, что их нельзя считать элементарными. Каждая из этих частиц при взаимодействии с другими частицами и атомными ядрами может превращаться в новые частицы.
Поэтому термин «элементарная частица» является условным.
Сегодня обнаружено около 400 элементарных частиц.

В основе классификации элементарных частиц лежат различия в массах покоя:

Фотон

Лептоны
Группа лептоны состоит из 12 частиц.
Лептоны являются истинно элементарными.

Мезоны
Группа мезоны состоит из 8 частиц.

Барионы
Группа барионы состоит из 18 частиц.
Легкие барионы – протон и нейтрон образуют группу нуклоны.
Тяжелые барионы – это гипероны.

Античастицы
Античастицы найдены у всех элементарных частиц (массы равны, заряды противоположны, закрутка спина по направлению движения – спиральность, противоположна).
В некоторых случаях частица и античастица совпадают (например у -мезона)
При встрече частицы со своей античастицей происходит аннигиляция – обе частицы исчезают, превратившись в ЭМ излучение.
Существует антивещество, у которого ядра атомов состоят из антипротона и антинейтрона, а оболочка из позитронов (в 1969г получен экспериментально антигелий).

Барионы и мезоны образуют большую группу адронов («сильные»). Адроны участвуют в сильных взаимодействиях. Адроны не являются истинно элементарными – они состоят из кварков.

В 1964 г. американские физики-теоретики Джордж Цвейг и Мюррей Гелл-Манн выдвинули гипотезу о том, что адроны состоят из кварков («бесы»).
В 1969 г. экспериментальное подтверждение кварковой структуры адронов пришло из Стэнфорда (в свободном состоянии кварки не обнаружены).

По совокупности многих косвенных "улик", кварки были признаны реально существующими и бесструктурными объектами.
Подобно лептонам кварки представляют собой истинно элементарные частицы.
Три «сорта» кварков были обозначены буквами
u (up – вверх),
d (down – вниз),
s (strange – странный).
Все известные в то время адроны теоретически можно было построить из кварков трёх видов:
u, d, s.

Кварк-лептонная симметрия

Барионы состоят из трех кварков:
p= (u;u;d), n= (u; d; d)
Мезоны состоят из кварка и антикварка:
П+=(u; d )
Кварковая структура адронов

Непривычное свойство - дробные заряды
Заряд составной частицы равен сумме зарядов кварков
нейтрон
u
d d

Непривычное свойство - дробные заряды
Заряд составной частицы равен сумме зарядов кварков
протон
d
u u
+1

Непривычное свойство - пленение кварков:
Межкварковые силы в отличие от всех других сил в природе при увеличении расстояния возрастают.
При удалении кварка из частицы потенциальная энергия достигает достаточно высокого уровня и за счет этой энергии произойдет рождение пары кварк-антикварк. Полученный кварк останется и восстановит частицу, а антикварк объединится с удаляемым кварком и произойдет рождение мезона.
Кварки существуют только в сочетаниях по два или по три.

х
Вскоре после возникновения модели кварков было выдвинуто предположение, что кварки обладают ещё одним свойством (или качеством), которое получило название цвет.
Различие между шестью кварками u,d,s,c,b,t стали называть аромат.
Согласно существующим представлениям, каждый из ароматов кварка может иметь три цвета, обычно обозначаемых как КРАСНЫЙ (R), ЗЕЛЁНЫЙ (G) и СИНИЙ (B).
Непривычные свойства - цвет и аромат кварков

Так как существует 6 кварков и 6 антикварков, каждый из которых может иметь 3 цвета, то полное число кварков равно 36.
Антикварки имеют цвета дополнительные к кваркам: желтый, пурпурный и сине-зеленый.

Барионы содержат три кварка – по одному каждого цвета.
Мезоны состоят из пары кварк определенного цвета и антикварк дополнительного к нему цвета.
Принцип бесцветности
Принцип бесцветности: все адроны состоят из такой комбинации кварков, что должны быть бесцветными.

Квантовая хромодинамика
Цвет кварков непрерывно меняется.
Кварки внутри адронов взаимодействуют друг с другом сильным взаимодействием посредством обмена частицами – глюонами («клей»).
Непрерывный обмен глюонами приводит к тому, что кварки в адронах меняют свой цвет (но не аромат), оставляя адрон во все моменты времени бесцветным.
Теория взаимодействия между кварками называется квантовой хромодинамикой.

Глюоны
Глюоны не имеют заряда и массы.
Существует восемь глюонов, но их не возможно обнаружить в свободном состоянии.
Глюоны взаимодействуют друг с другом и могут превратиться в пару в пару кварк-антикварк, т.е. виртуальный мезон, который осуществляет связь между протонами и нейтронами в ядре.
Сильное взаимодействие глюонов друг с другом и кварками приводит к удержанию кварков внутри адрона.

Слабое взаимодействие
Слабое взаимодействие между кварками осуществляется за счет обмена промежуточными бозонами
Этот обмен приводит к изменению аромата кварка, т.е. приводит к превращениям элементарных частиц.
Фундаментальные взаимодействия осуществляющие взаимные превращения элементарных частиц друг в друга называются слабыми взаимодействиями.

Фундаментальные взаимодействия
Во Вселенной материя существует в виде вещества и поля. На фундаментальном уровне им соответствуют элементарные частицы – фермионы и бозоны

Фундаментальные взаимодействия
Все наблюдаемые взаимодействия в природе сводятся к четырем фундаментальным взаимодействиям: сильное, электромагнитное, слабое, гравитационное.
Все элементарные частицы могут быть или участниками или переносчиками этих взаимодействий.
Все фундаментальные взаимодействия происходят по одной схеме – обмен фермионов бозонами

Классификация частиц
по взаимодействию:

Резюмируя все выше изложенное, можно сделать вывод, что в современных теориях истинно элементарными частицами являются фотон, лептоны, кварки, глюоны, промежуточные бозоны.