Фундаментални частици
от Уикипедия, свободната енциклопедия
Елементарни частици е събирателно понятие. В атомната физика това е всичко, по-малко от атомното ядро, тоест, частиците, от които са съставени други, по-големи частици.
Например, атомите са съставени от други, по-малки частици — електрони, протони и неутрони. Протоните и неутроните от своя страна са съставени от още по-елементарни частици, наричани с общото име кварки. Днес са известни няколко стотици елементарни частици — фактически повече от атомите в периодичната система на елементите. До 70-те години на 20-ти век, се е считало, че един от най-важните въпроси на атомната физика е кои частици са най-елементарни — така наречените фундаментални частици — от които са съставени всички други частици в природата и които не са изградени от други, по-малки частици. Днес подобни опити за единно обяснение на всички частици и явления в микро-света се наричат Теория на всичко. Такава е Суперструнната теория, но тя има своите конкуренти и е много далеч от каквото и да е експериментално потвърждение. Днес основната парадигма относно елементарните частици е, че всяка теория като стандартния модел има максимален мащаб на енергиите при която тя е валидна. При изучаването на по-високи енергии (което съответства на по-малки разстояния) е необходима нова теория, която може да съдържа нови частици или други обекти, например "струни". Тази нова теория е подложена на едно много силно ограничение: старата теория, наречена още ефективна теория, заедно с нейните частици, трябва да се получи като нискоенергетична граница на новата. Понякога това може да означава, че "старите" частици са съставни и са изградени от "новите" такива, но може и "старите" (нискоенергетични) частици да съответствуват на "новите", но да придобиват нови свойства, например не-нулева маса. Двете явления се срещат и вътре в стандартния модел, при преход от по-високи енергии към по-ниски. Пример за първото е изгражденето на адроните от кварки и глуони а пример за второто е придобиването на маса от кварките чрез механизма на Хигс или придобиването на маса от адроните. Тези явления са споменати накратко по-долу.
[редактиране] Класификация на елементарните частици. Стандартен модел.
Преди създаването на стандартния модел (началото на 70-те години на 20 век) елементарните частици са били класифицирани въз основа на масата им.
- лептони (от гр. лептос — малък, лек) - тук влизат например електроните
- бариони (от гр. барис — тежък) - протоните и неутроните са част от това семейство
- мезони (от гр. мезос — среден) - по маса заемат междинно положение
В днешно време елементарните частици се класифицират въз основа на стандартния модел — теория, която систематизира и обяснява всички експериментални наблюдения във физиката на високите енергии и ядрената физика до този момент.
Известни са 4 взаимодействия (сили), между елементарните частици. Подредени по намаляваща сила, те са: силно, електромагнитно, слабо и гравитационно. Стандартният модел обединява електромагнитното и слабото взаимодействие в единно електрослабо взаимодействие. Съществуват все още непотвърдени експериментално теории, които разширяват стандартния модел и обединяват и другите взаимодействия. Теориите на Великото обединение (началото на 80-те години) обединяват силното и електрослабото взаимодействие. Суперструнната теория (края на 80-те години) обединява всичките 4 взаимодействия. Същото се стреми да направи нейната конкурентна Примкова квантова гравитация (края на 90-те години).
Стандартния модел разделя частиците на три групи: частици на взаимодействието, частици на материята и частици, които дават маса на останалите частици. Суперсиметричните модели, които се очаква да бъдат потвърдени или отхвърлени експериментално до 2015 г. обединяват тези три групи в една.
- Частиците на взаимодействието имат целочислен спин и са свързани с вътрешни (не пространствено-временни) симетрии на теорията, наречени калибровъчни симетрии. Всички частици с целочислен спин се наричат бозони. Частиците от един и същ вид са неразличими една от друга и могат да се намират в едно и също квантово състояние.
- Носителят на електромагнитното взаимодействие е фотонът γ, който е безмасов и има спин 1.
- Носителите на слабото взаимодействие са W+, W- и Z0 бозоните с маси съответно 80,4 и 91,2 GeV и спин 1. Тези частици са нестабилни и се разпадат.
- Носителите на силното взаимодействие са безмасовите глуони g, които имат спин 1, но те както и кварките, споменати по-долу имат „цветен“ заряд и поради явленията удържане и асимптотична свобода съществуват като свободни частици само на малки разстояния от други цветни заряди, докато всеки опит, цветен заряд да се отдели на голямо разстояние води до образуването на цветно-неутрален адрон. Съществуват 8 глуона и 8 антиглуона.
- Носителят на гравитационното взаимодействие е безмасовия гравитон G със спин 2, но поради изключително слабото им взаимодействие с останалите частици, гравитоните не са наблюдавани експериментално и гравитационните взаимодействия не са включени в стандартния модел. За разлика от гравитоните, касически гравитационни вълни се очаква да бъдат наблюдавани в най-близко бъдеще чрез детектори на гравитационни вълни, като новопостроеният LIGO.
- Частиците на материята имат спин 1/2 и се наричат фермиони. Това означава, че частиците от един и същ вид са неразличими една от друга но не могат да се намират в едно и също квантово състояние. Частиците на материята се разделят по два признака: „аромат“ и поколение. Освен това, за всяка една от тези частици съществува античастица, която има същата маса и спин, но противоположни електрически заряд и други квантови числа.
- Всяко поколение съдържа следните аромати:
- Двойка лептони (частици неучастващи в силните взаимодействия). Първият лептон има отрицателен заряд, а вторият е неутрален и се нарича неутрино. Наскоро беше открито, че неутрината не са безмасови, а имат изключително малка маса (от порядъка на 10-12 GeV). Зареденият лептон от първото поколение е електронът с маса 0,000511 GeV. Антиелектронът е по-популярен под името позитрон.
- Двойка кварки, първият с електрически заряд 1/3, а вторият -2/3 от този на протона. Кварките от първото поколвниe се наричат горен (u, с маса около 0,005 GeV) и долен (d, с маса около 0,007 GeV)
- Всяка двойка каварки се среща в три варианта, наречени „цветове“ — син, червен и зелен. Те са аналогът на електрическия заряд при силните взаимодействия. За разлика от електрическия заряд, който е два вида (положителен или отрицателен), цветния заряд е 6 вида (3 цвята и 3 антицвята). Наименованията цвят и аромат са съвсем условни и няма нищо общо обикновените понятия за цвят и аромат. Думата цвят е избрана по аналогия с физиологичната теория за цвета.
- Съществуват само 3 поколения частици и това е доказано експериментално. Лептоните от второто поколение са мюонът (µ) и мюонното неутрино (νμ). Съответните кварки се наричат очарован (c) и странен (s). Лептоните от третото поколение са тау-лептонът (τ)и тауонното неутрино (ντ). Съответните кварки се наричат върховен (t) и дънен (b). Частиците от второто и третото поколение са нестабилни и се разпадат на други по-леки частици измежду изброените по-горе. Най-тежката от частиците на материята е t-кваркът, който има маса около 170 GeV и най-кратък живот.
- Всяко поколение съдържа следните аромати:
- Третият вид частици са тези, които дават маса на останалите. Поради важни симетрии, теорията изисква всички частици да са първоначално безмасови. Масата се появява чрез специфичен вариант на спонтанно нарушение на симетрията, наречен механизъм на Хигс. Тези частици имат спин 0 и са бозони. Единствената такава частица в стандартния модел и единствената, която все още не е открита е бозонът на Хигс (H). Неговата маса е вече определена в ясни граници — между 150 и 300 GeV. Очаква се той да бъде открит в европейския ускорител LHC, след пускането му през 2007 г. Ако той не бъде открит, това ще доведе до криза стандартния модел. В LHC се очаква да бъдат открити и първите суперсиметрични частици, което ще доведе до разширяване на стандартния модел.
[редактиране] Адрони. Квантова хромодинамика
Както споменахме по-горе, частиците, които участват в силните взаимодействия и могат да бъдат изолирани пространсвено от други такива частици (т.е. нямат цветен заряд) се наричат адрони и се състоят от кварки и глуони. Теорията, която описва образуването на адроните от цветни кварки и глуони и техните взаимодействия е част от Стандартния модел и се нарича квантова хромодинамика (от хромос, гр. "цвят"). Тя е създадена в началото на 70-те години въз основа на експериментите по дълбоко нееластично разсейване, проведени в края на 60-те години. Адроните се делят на бариони и мезони:
- Тези които съдържат 3 кварка се наричат бариони и имат полуцял спин. Типични представители са протонът p и неутронът n, които имат маса съответно 0,938 и 0,940 GeV. От тях са изградени атомните ядра.
- Тези, които съдържат кварк и антикварк, са с цял спин и се наричат мезони. Типичен представител са π мезоните, които играят важна роля при описание на силите, които действуват в атомните ядра.
- Предполага се съществуването на адрони изградени изцяло от глуони или пък с екзотичен брой кварки (напр.5). Експерименталните сигнали за тях за сега са неясни. Основната причина за това е че те са нестабилни и живеят много кратко време.
- Известни са над 900 адрона. Всички, с изключение на протона, когато са на свобода са нестабилни и се разпадат. Разпадът може да се дължи на силни, електромагнитни или слаби взаимодействия. Адроните, които се разпадат поради слаби взаимодействия живеят милиони пъти по-дълго от тези, които се разпадат поради силни такива. Затова понякога те също се разглежадат като стабилни, от гледна точка на силните взаимодействия.
- Масата на адроните не се дължи на масата на кварките от които те са изградени, а на специфично свойство на силните взаимодействия, наречено спонтанно нарушение на хиралната симетрия. Така например, протонът и неутронът са около 500 пъти по-тежки от съставящите ги 3 кварка. През 2002 г. в ускорителя RHIC, САЩ, чрез челно сблъскване на тежки ядра, движещи се почти със скоростта на светлината, беше получено ново състояние на материята — кварк-глуонна плазма в което, поради високата температура, адроните се „разтапят“ на съставляващите ги кварки и глуони, при това цветните заряди вече не са удържани на малки разстояния, а хиралната симетрия е възстановена и адроните (ако се появят в плазмата) имат малка маса. Размерите на областта с кварк-глуонна плазма са много малки (от 3 до 10)х10-15 метра а времето на живот (от 1 до 3)х10-22 секунди.
Списък на частиците Това е списък на частиците във физика на частиците, включващ понастоящем всички познати и хипотетични елементарни частици и всички частици които са изградени от тях.
Нова частица е открита: Първото засичане на позитрона е осъществено през 1932 в камера построена от Карл Андерсън. Следата от позитрона може да бъде видяна откъм върха до дъното и извиваща се надясно.
Елементарни частици
Елементарната частица е частица с неизмерима вътрешна структура,която не е съставена от други частици. Те са фундаментални обекти на теорията за квантовото поле.Елементарните частици могат да бъдат класифицирани съгласно своя спин, с фермиони имащи полуцял спин и бозони с цял спин.
Стандартен модел
Стандартния модел на физиката на частиците е нашето сегашно разбиране на физиката на елементарните частици. Всички частици на Стандартния модел изключват бозона на Хигс който е бил наблюдаван.
Фермиони(полуцял спин)
Фермионите имат полуцял спин; за всички познати елементарни фермиони той е ½. Всеки фермион си има собствена отделна античастица. Фермионите са основните строителни „блокчета” на цялата материя. Те се класифицират съгласно с това дали участват с цветни взаимодействия или не. Съгласно Стандартния модел има 12 разновидности на елементарните фермиони: шест кварка и шест лептона.
Кваркова структура на протон: 2 горни и един долен кварк.
- Кварките взаимодействат чрез цветните взаимодействия. Техните съответни античастици са познати като антикварки. Кварките съществуват в шест разновидности:
Поколение Име/Означение Електричен заряд (е) Маса (MeV) Антикварк
1 Горен (u) +2/3 1.5 до 4 Антигорен кварк
Долен (d) −1/3 4 до 8 Антидолен кварк
2 Странен (s) −1/3 80 до 130 Антистранен кварк
Чаровен (c) +2/3 1,150 до 1,350 Античаровен кварк
3 Дънен (b) −1/3 4,100 до 4,400 Антидънен кварк
Върховен (t) +2/3 178,000 ± 4,300 Антивърховен кварк
- Лептоните не взаимодействат с цветните взаимодействия.Техните съответни античастици са познати като антилептони(Макар че античастицата на електрона се нарича позитрон поради исторически причини).Лептоните също съществуват в 6 разновидности:
Заредени лептони / античастици Неутрино / антинеутрино Име Означение Електричен заряд (е) Маса (MeV) Име Означение Електричен заряд (е Маса (MeV) Електрон / Позитрон −1 / +1 0.511 Електронно неутрино/ Електронно антинеутрино 0 < 0.000003 Мюон −1 / +1 105.7 Мюонно неутрино/ Мюонно антинеутрино 0 < 0.19 Тау лептон −1 / +1 1,777 Тау неутрино/ Тау антинеутрино 0 < 18.3 Забележка:Масата на неутриното е нула поради неутринните осцилации, но техните маси са достатъчно леки,за да не могат да бъдат измерени директно до 2006 година.
Бозони(цял спин))
Бозоните имат целочислен спин. Фундаменталните взаимодействия в природата се осъществяват от калибрирани бозони и маса, хипотетично създавана от бозона на Хигс. Съгласно Стандартния модел елементарните бозони са:
Име Заряд (e) Спин Маса (GeV) Сили на взаимодействие
Фотон 0 1 0 Електромагнитна
W± ±1 1 80.4 Слаба ядрена
Z0 0 1 91.2 Слаба ядрена
Глуон 0 1 0 Силна ядрена
Хигс 0 0 >112 Виж отдолу
Хигс бозона(спин-0) е предсказан от електрослабата теория и е единствената частица от Стандартния модел която още не е наблюдавана.В устройството на Хигс на Стандартния модел,масивния Хигс бозон е създаден при спонтанно нарушаване на симетрията на Хигсовото поле. Съществената маса на елементарните частици(особено на масивните W± и Z0 бозони)би могла да се обясни от техните взаимодействия с това поле. Много физици очакват Хигс да се открие от големия адронен ускорител на частици,който сега е пред изграждане в ЦЕРН.
Хипотетични частици
Суперсиметричните теории предсказват съществуването на още частици,нито една от които не е потвърдена експериментално до 2006.
- Неутралино (спин-½) е суперпозиция на суперпартньорите на няколко неутрални на Стандартния модел частици.Водещ кандидат за тъмната материя.Партньорите на заредените бозони се наричат чарджинос. charginos.
- Фотиното (спин-½) е суперпартньор на фотона.
- Гравитиното (спин-3⁄2) е суперпартньор на бозона гравитон в супергравитационните теории.
- Слептоните и скварките (спин-0) са суперсиметрични партньори на фермионите от Стандартния модел.Върховния скварк (суперпартньор на върховния кварк) се мисли че е лек и често е обект на експериментални изследвания.
Други теории предсказващи съществуването на допълнителни бозони.
- Гравитона (спин-2) е предложен като частица-посредник на гравитацията в теориите на квантовата гравитация.
- Аксионът (спин-0) е представен от теорията на Песи-Куин за разрешаване на силния-CP проблем.
- X бозона и Y бозона са предсказани от теориите на GUT да бъдат тежки варианти на W и Z.
- Гравискаларът (спин-0) и гравифотона (спин-1).
- Магнитен фотон
- Стерилните неутрина са представени от много разтягания на Стандартния модел и може би са нужни да обяснят LSND резултати..
Магнитния монопол е общо име за частици с ненулев магнитен заряд. Те са предсказани от някои GUT теории. Прионът е предложена субструктура на кварките и лептони, но модерни експерименти със сблъскване не доказват тяхното съществуване.
Сложни частици
Адрони
Адроните се определят като силно взаимодействащи сложни частици.Адроните са:
- Фермиони,в този случай се наричат бариони.
- Бозони,в този случай се наричат мезони.
Кварковият модел първо предложен през 1964 независимо от Мурай Гел-Ман и Джордж Цвейк(които наричат кварките "aces"), описващи познатите адрони като образувани от цветни кварки и/или антикварки,здраво държани от цветните сили, които се осъществяват от глуоните. „Море” от виртуални кварк-антикварк двойки също са представени във всеки адрон. Бариони(фермиони)
Комбинацията от трите горен,долен и странен кварк с общия спин 3/2 форми още се нарича барионен decuplet. Обикновените бариони (фермиони) съдържат три разноцветни кварки или три разноцветни антикварка всеки.
- Нуклеоните са фермионните съставни части на нормалното атомно ядро.
- Протони
- Неутрони
- Хипероните като Λ, Σ, Ξ, и Ω частици,които съдържат един или повече странни кварки са с кратък живот и по-тежки от нуклеоните. Те не се виждат нормално в атомното ядро.
- Количеството чаровни и дънни бариони също са наблюдавани.
Някои загатвания за съществуването на екзотични бариони са били открити напоследък;обаче отрицателните резултати също са били съобщени. Тяхното съществуване е несигурно.
- Пентакварките състоящи се от четири разноцветни кварка и един разноцветен антикварк.
Мезони(бозони)
Мезоните със спин-0 формират нонет. Обикновените мезони (бозони) са съставени от разноцветен кварк и разноцветен антикварк и включващи пионът,каонът и J/ψ и други видове мезони. В моделите на Квантовата адродинамика, силните сили между нуклеоните са подпомагани от мезоните. Екзотичните мезони може също да съществуват. Положителни известия са били съобщавани за всички тези частици от време на време, но тяхното съществуване е все още до известна степен несигурно.
- Тетракварките са съставени от два разноцветни кварка и два разноцветни антикварка.
- Глуболите са гранично състояние на глуоните без разноцветни кварки.
- Хибридите се състоят от една или повече кварк-антикварк двойки и един или повече реални глуони.
Атомно ядро
Атомното ядро се състои от протони и неутрони. Всеки вид ядро съдържа специфичен брой протони и специфичен брой неутрони и се казва нуклеоид или изотоп. Ядрените реакции могат да променят един нуклеоид в друг.
Атоми
Атомите са най-малките неутрални частици във всяка материя,делящи се при химични реакции. Атомът съдържа малко, тежко ядро обградено от относително широк,лек облак от електрони.Всеки вид атом отговаря на специфичен химичен елементи, от които 111 са с официални имена.
Сгъстена материя
Уравнението на полето на физиката на сгъстената материя се забележително подобни на тези на физиката на високо енергийните частици. Като резултат има избор на заредени полета, наречени квази-частици,които могат да бъдат създадени и изследвани. Те включват:
- Фононите са вибрационни начини в кристалната решетка.
- Екскитоните са граничното положение между електрон и дупка
- Плазмоните са последователно възбуждане на плазма
- Поларитоните са смесица от фотони и други квази-частици
- Полароните движат заредени (квази-) частици които са обградени от йони материята
- Магноните са последователни зареждания на електронни спин в материята.
Други
- СВМЧ (слабо взаимодействаща масивна частица) е една от няколко частици,които може да обяснят тъмната материя (като неутралиното или аксионът).
- Померонът,се използва да се обясни еластичното разсейване на адроните и мястото на полетата на Рег в теорията на Рег.
- Скирмионът е топологично решение на полето на пиона,използвана като модел на нискоенергийните свойства на нуклеона,подобно на сегашния осов вектор сдвояващ се и масата
- Голдстонния бозон е безтегловно възбуждане на полето което е било спонтанно нарушено. Пионите са квази-голдстонни бозони (квази - защото те не са точно безтегловни) на нарушената спирална изоспин симетрия на квантовата хромодинамика.
- Голдстиното е голдстонен фермион създаден при спонтанно нарушаване на суперсиметрията.
Инстантона е конфигурация на поле,което е локален минимум на Евклидовото действие.Инстантоните са използвани в непертурбативни изчисления на тунелни размери.
- Oh-My-God частиците са ултрависоки енергетични космически лъчи(вероятно протони) падащи зад GZK прекъсването,енергийната граница зад която виртуално няма космически лъчи ще бъде засечена.
- Спуриона е хипотетична частица,която запазва процеса на разпадане изоспин.
Категоризация по скорост
- Тардиона или брадиона се движат по-бавно от светлината и имат по-голяма маса от нула при покой.
- Луксоните се движат със скоростта на светлината и нямат маса на покой.
- Тахионът е хипотетична частица която се движи по-бързо от скоростта на светлината и мат въображаема маса на покой.
[редактиране] Вижте също
- Електрически заряд
- Спин
- Ядро
- Маса
- Време на живот
- Фотон