Подписаться

Элементарная частица

Последняя правка сделана 2021-05-19 06:09:52 Править
Субатомная частица, не имеющая известной субструктуры Элементарные частицы, включенные в Стандартную модель

В частица физика, элементарная частица или фундаментальная частица - это субатомная частица без субструктуры, то есть она не состоит из других частиц. Частицы, которые в настоящее время считаются элементарными, включают фундаментальные фермионы (кварки, лептоны, антикварки и антилептоны ), которые обычно представляют собой «частицы материи» и «частицы антивещества », а также фундаментальные бозоны (калибровочные бозоны и бозоны Хиггса ), которые обычно являются «силовыми частицами», которые опосредуют взаимодействия между фермионами. Частица, содержащая две или более элементарных частиц, называется составной частицей.

Обычная материя состоит из атомов, которые когда-то считались элементарными частицами - атом означает «неспособный к cut "по-гречески - хотя существование атома оставалось спорным примерно до 1905 года, поскольку некоторые ведущие физики считали молекулы математическими иллюзиями, а материю, в конечном счете, состоящей из энергии. Субатомные составляющие атома были впервые идентифицированы в начале 1930-х годов; электрон и протон, вместе с фотоном, частица электромагнитного излучения. В то время недавнее появление квантовой механики радикально изменило представление о частицах, поскольку отдельная частица могла бы, казалось бы, охватывать поле , равно как и волна, парадокс, все еще ускользающий от удовлетворительного объяснения..

С помощью квантовой теории было обнаружено, что протоны и нейтроны содержат кварки - верхние кварки и нижние кварки - теперь рассматриваются элементарные частицы. А внутри молекулы три степени свободы электрона (заряд, спин, орбитальная ) могут разделиться через волновую функцию на три квазичастицы (холон, спинон и орбитон ). Тем не менее, свободный электрон - тот, который не вращается вокруг атомного ядра и, следовательно, лишен орбитального движения - кажется неразделимым и остается элементарной частицей.

Примерно в 1980 году Статус элементарной частицы как действительно элементарной - конечной составляющей вещества - по большей части отбрасывался в пользу более практического взгляда, воплощенного в физике элементарных частиц »Стандартной модели, известной как наиболее успешная в экспериментальном отношении теория. Многие разработки и теории помимо Стандартной модели, в том числе популярная суперсимметрия, удваивают количество элементарных частиц, предполагая, что каждая известная частица ассоциируется с «теневым» партнером, гораздо более массивным, хотя все такие суперпартнеры остаются нераскрытыми. Между тем, элементарный бозон, опосредующий гравитацию - гравитон - остается гипотетическим. Кроме того, как показывают гипотезы, пространство-время, вероятно, квантовано, поэтому, скорее всего, существуют «атомы» пространства и самого времени.

Содержание

  • 1 Обзор
  • 2 Космическое изобилие элементарных частиц
  • 3 Стандартная модель
    • 3.1 Фундаментальные фермионы
      • 3.1.1 Поколения
      • 3.1.2 Масса
      • 3.1.3 Античастицы
      • 3.1.4 Кварки
    • 3.2 Фундаментальные бозоны
      • 3.2.1 Глюоны
      • 3.2.2 Электрослабые бозоны
      • 3.2.3 Бозон Хиггса
      • 3.2.4 Гравитон
  • 4 За пределами стандартной модели
    • 4.1 Великое объединение
    • 4.2 Суперсимметрия
    • 4.3 Теория струн
    • 4.4 Цветной
    • 4.5 Теория Преона
    • 4.6 Теория Acceleron
  • 5 См. Также
  • 6 Примечания
  • 7 Дополнительная литература
    • 7.1 Обычные читатели
    • 7.2 Учебники
  • 8 Внешние ссылки

Обзор

Все элементарные частицы являются либо бозонами, либо фермионами. Эти классы отличаются своей квантовой статистикой : фермионы подчиняются статистике Ферми – Дирака, а бозоны подчиняются статистике Бозе-Эйнштейна. Их спин дифференцируется с помощью теоремы спин-статистики : это полуцелое число для фермионов и целое число для бозонов.

Элементарные частицы
Элементарные фермионы Полуцелые спин Подчиняются статистике Ферми – Дирака Элементарные бозоны Целочисленные спин Соблюдайте статистику Бозе – Эйнштейна
Кварки и антикварки Спин = 1/2 Имеют цветной заряд Участвуют в сильные взаимодействия лептоны и антилептоны спин = 1/2 отсутствие цветного заряда электрослабые взаимодействиякалибровочные бозоны Спин = 1 Носители силыСкалярные бозоны Спин = 0
Три поколения
  1. Up (u),. Вниз (d)
  2. Очарование (c),. Странный (s)
  3. Верх (t),. Низ (b)
Три поколения
  1. Электрон (. e.),. Электронное нейтрино (. ν. e)
  2. Мюон (. μ.),. Мюонное нейтрино (. ν. μ)
  3. Тау (. τ.),. Тау-нейтрино (. ν. τ)
Четыре вида . (четыре фундаментальных взаимодействия)
  1. Фотон. (. γ., электромагнитное взаимодействие )
  2. W и Z бозоны. (. W.,. W.,. Z., слабое взаимодействие )
  3. Восемь типов глюонов. (. g., сильное взаимодействие )
  4. Гравитон. (. G., гравитация, гипогликемия теоретический)
Уникальный .. бозон Хиггса (. H.)

Примечания:. [†] Антиэлектрон (. e.) принято называть «позитроном ».. [‡ ] Все известные бозоны-носители силы имеют спин = 1 и поэтому являются векторными бозонами. Гипотетический гравитон имеет спин = 2 и является тензорным бозоном; неизвестно, является ли это также калибровочным бозоном.

В Стандартной модели элементарные частицы представлены для прогнозной полезности как точечные частицы. Хотя Стандартная модель чрезвычайно успешна, она ограничена микрокосмом из-за отсутствия гравитации и имеет некоторые параметры, произвольно добавленные, но необъяснимые.

Космическое изобилие элементарных частиц

Согласно согласно нынешним моделям нуклеосинтеза большого взрыва, первичный состав видимого вещества Вселенной должен составлять около 75% водорода и 25% гелия-4 (по массе). Нейтроны состоят из одного верхнего и двух нижних кварков, а протоны состоят из двух верхних и одного нижнего кварка. Поскольку другие обычные элементарные частицы (такие как электроны, нейтрино или слабые бозоны) настолько легки или так редки по сравнению с атомными ядрами, мы можем пренебречь их массовым вкладом в общую массу наблюдаемой Вселенной. Следовательно, можно сделать вывод, что большая часть видимой массы Вселенной состоит из протонов и нейтронов, которые, как и все барионы, в свою очередь, состоят из верхних и нижних кварков.

По некоторым оценкам, в наблюдаемой Вселенной примерно 10 барионов (почти полностью протоны и нейтроны).

Число протонов в наблюдаемой Вселенной называется числом Эддингтона.

Что касается количества частиц, по некоторым оценкам, почти вся материя, за исключением темной материи, находится в нейтрино, которые составляют большинство из примерно 10 элементарных частиц материи, существующих в видимой Вселенной.. По другим оценкам, в видимой Вселенной существует примерно 10 элементарных частиц (не считая темной материи ), в основном фотоны и другие безмассовые носители силы.

Стандартная модель

Стандарт Модель физики элементарных частиц содержит 12 разновидностей элементарных фермионов, плюс соответствующие им античастицы, а также элементарные бозоны, которые являются посредниками сил, и бозон Хиггса, который был сообщил 4 июля 2012 г., как вероятно обнаруженный в двух основных экспериментах на Большом адронном коллайдере (ATLAS и CMS ). Однако Стандартная модель широко считается предварительной теорией, а не действительно фундаментальной, поскольку неизвестно, совместима ли она с общей теорией относительности Эйнштейна . Могут существовать гипотетические элементарные частицы, не описываемые Стандартной моделью, такие как гравитон, частица, несущая гравитационную силу, и частицы, суперсимметричные партнеры обычных частиц.

Фундаментальные фермионы

12 фундаментальных фермионов разделены на 3 поколения по 4 частицы в каждом. Половина фермионов - это лептоны, три из которых имеют электрический заряд −1, называемые электроном (. e.), мюоном (. μ.) и тау (. τ.); остальные три лептона - это нейтрино (. ν. e,. ν. μ,. ν. τ), которые являются единственными элементарными фермионами, не имеющими ни электрического, ни цветного заряда. Остальные шесть частиц - это кварки (обсуждаются ниже).

Поколения

Поколения частиц
Лептоны
Первое поколениеВторое поколениеТретье поколение
ИмяСимволИмяСимволИмяСимвол
электрон . e.мюон . μ.тау . τ.
электронное нейтрино . ν. eмюонное нейтрино . ν. μтау нейтрино . ν. τ
Кварки
Первое поколениеВторое поколениеТретье поколение
верхний кварк . u.очарованный кварк cверхний кварк . t.
нижний кварк . d.странный кварк . s.нижний кварк . b.

Масса

В следующей таблице перечислены текущие измеренные массы и оценки масс для всех фермионов с использованием той же шкалы измерений: миллионы электрон-вольт относительно квадрата скорости света (МэВ / c). Например, наиболее точно известная масса кварка - это верхний кварк (. t.) при 172,7 ГэВ / c или 172700 МэВ / c, оцененная с использованием On -shell scheme.

Текущие значения масс элементарных фермионов
Символ частицыИмя частицыЗначение массыСхема оценки массы кварка (точка)
. ν. e,. ν. μ,. ν. τНейтрино. (любой тип)< 2 эВ / c
. e.Электрон 0,511 МэВ / c
. u.Up-кварк 1,9 МэВ / c Схема MSbar (μMS= 2 ГэВ)
. d.Нижний кварк 4,4 МэВ / c Схема MSbar (μMS= 2 ГэВ)
. s.Странный кварк 87 МэВ / cMSbar схема (μMS= 2 ГэВ)
. μ.Мюон. (Мю лептон )105,7 МэВ / c
. c.Чарм-кварк 1320 МэВ / c Схема MSbar (μMS= m c)
. τ.Тауон (тау-лептон )1780 МэВ / c
. b.Нижний кварк 4 240 МэВ / c Схема MSbar (μMS= m b)
. t.Топ-кварк 172700 МэВ / c Схема на оболочке

Оценки значений масс кварков зависят от используемой версии квантовой хромодинамики описать кварт k взаимодействий. Кварки всегда заключены в оболочку из глюонов, которые придают значительно большую массу мезонам и барионам, где встречаются кварки, поэтому значения масс кварков не могут быть измерены напрямую. Поскольку их массы настолько малы по сравнению с эффективной массой окружающих глюонов, небольшие различия в расчетах приводят к большим различиям в массах.

Античастицы

Есть также 12 фундаментальных фермионных античастиц, которые соответствуют этим 12 частицам. Например, антиэлектрон (позитрон). e. является античастицей электрона и имеет электрический заряд +1.

Поколения частиц
Антилептоны
Первое поколениеВторое поколениеТретье поколение
ИмяСимволИмяСимволИмяСимвол
позитрон . e.антимюон . μ.антитау . τ.
электронный антинейтрино . ν. eмюонный антинейтрино . ν. μтау антинейтрино . ν. τ
антикварки
Первое поколениеВторое поколениеТретье поколение
вверх антикварк . u.очарование антикварк . c.вверху антикварк . t.
вниз антикварк . d.странный антикварк . s.внизу antiquark . b.

Кварки

Изолированные кварки и антикварки никогда не были обнаружены, что объясняется ограничением. Каждый кварк несет один из трех цветовых зарядов сильного взаимодействия ; антикварки также несут антицвет. Цветные заряженные частицы взаимодействуют посредством обмена глюоном так же, как заряженные частицы взаимодействуют посредством обмена фотонами. Однако глюоны сами заряжены по цвету, что приводит к усилению сильной силы по мере разделения заряженных по цвету частиц. В отличие от электромагнитной силы, которая уменьшается по мере разделения заряженных частиц, цветные заряженные частицы ощущают возрастающую силу.

Однако цветные заряженные частицы могут объединяться с образованием нейтральных по цвету составных частиц, называемых адронами. Кварк может образовывать пару с антикварком: кварк имеет цвет, а антикварк имеет соответствующий антицвет. Цвет и антицвет уравновешиваются, образуя нейтральный по цвету мезон. В качестве альтернативы, три кварка могут существовать вместе: один кварк является «красным», другой «синим», а третий - «зеленым». Эти три цветных кварка вместе образуют нейтральный по цвету барион. Симметрично, три антикварка с цветами «анти-красный», «анти-синий» и «анти-зеленый» могут образовывать нейтральный по цвету антибарион.

. Кварки также несут дробные электрические заряды, но, поскольку они ограничены внутри адронов, все заряды которых являются целыми, дробные заряды никогда не выделялись. Обратите внимание, что кварки имеют электрические заряды либо + ⁄ 3, либо - ⁄ 3, тогда как антикварки имеют соответствующие электрические заряды - ⁄ 3 или + ⁄ 3.

Свидетельством существования кварков является глубоконеупругое рассеяние : запуск электронов в ядер для определения распределения заряда в нуклонах (которые являются барионами). Если заряд однороден, электрическое поле вокруг протона должно быть однородным, и электрон должен упруго рассеиваться. Электроны с низкой энергией рассеиваются таким образом, но выше определенной энергии протоны отклоняют некоторые электроны на большие углы. Отдающийся электрон имеет гораздо меньшую энергию, и он испускает струю частиц. Это неупругое рассеяние предполагает, что заряд в протоне не однороден, а разделен между более мелкими заряженными частицами: кварками.

Фундаментальные бозоны

В Стандартной модели векторные (спин -1) бозоны (глюоны, фотоны и W- и Z-бозоны ) обеспечивают силы, тогда как бозон Хиггса (спин-0) отвечает за внутреннюю массу частиц. Бозоны отличаются от фермионов тем, что несколько бозонов могут занимать одно и то же квантовое состояние (принцип исключения Паули ). Кроме того, бозоны могут быть элементарными, как фотоны, или их комбинацией, как мезоны. Спин бозонов - это целые числа, а не полуцелые.

Глюоны

Глюоны опосредуют сильное взаимодействие, которое объединяет кварки и тем самым формирует адроны, которые являются либо барионами ( три кварка) или мезоны (один кварк и один антикварк). Протоны и нейтроны - это барионы, соединенные глюонами с образованием атомного ядра. Как и кварки, глюоны обладают цветом и антицветностью - не связанными с концепцией визуального цвета и, скорее, с сильными взаимодействиями частиц - иногда в комбинациях, всего восемь вариантов глюонов.

Электрослабые бозоны

Есть три слабых калибровочных бозона : W, W и Z; они опосредуют слабое взаимодействие. W-бозоны известны своим посредничеством в ядерном распаде: W превращает нейтрон в протон, а затем распадается на электрон и пару электрон-антинейтрино. Z не преобразует аромат или заряды частиц, а скорее изменяет импульс; это единственный механизм упругого рассеяния нейтрино. Слабые калибровочные бозоны были открыты из-за изменения импульса электронов в результате обмена нейтрино-Z. Безмассовый фотон опосредует электромагнитное взаимодействие. Эти четыре калибровочных бозона образуют электрослабое взаимодействие между элементарными частицами.

Бозон Хиггса

Хотя слабые и электромагнитные силы кажутся нам совершенно разными при обычных энергиях, предполагается, что эти две силы объединяются как одна электрослабая сила при высоких энергиях.. Это предсказание было четко подтверждено измерениями сечений рассеяния электрон-протонов высоких энергий на коллайдере HERA в DESY. Различия при низких энергиях являются следствием больших масс W- и Z-бозонов, которые, в свою очередь, являются следствием механизма Хиггса. В процессе спонтанного нарушения симметрии, Хиггс выбирает особое направление в электрослабом пространстве, в результате чего три электрослабые частицы становятся очень тяжелыми (слабые бозоны), а одна остается с неопределенной массой покоя, как всегда. в движении (фотон). 4 июля 2012 года, после многих лет экспериментального поиска доказательств своего существования, было объявлено, что бозон Хиггса наблюдался на Большом адронном коллайдере ЦЕРНа. Питер Хиггс, который первым заявил о существовании бозона Хиггса, присутствовал при объявлении. Считается, что бозон Хиггса имеет массу примерно 125 ГэВ. Статистическая значимость этого открытия составила 5 сигм, что подразумевает достоверность примерно 99,99994%. В физике элементарных частиц это уровень значимости, необходимый для того, чтобы официально обозначить экспериментальные наблюдения как открытие. Исследования свойств недавно открытой частицы продолжаются.

Гравитон

Гравитон - это гипотетическая элементарная частица со спином 2, предложенная как посредник для гравитации. Хотя он остается неоткрытым из-за трудностей, связанных с его обнаружением, его иногда включают в таблицы элементарных частиц. Обычный гравитон не имеет массы, хотя существуют модели, содержащие массивные Калуза – Клейн гравитоны.

За пределами Стандартной модели

Хотя экспериментальные данные в подавляющем большинстве подтверждают предсказания, сделанные на основе Стандартная модель, некоторые из ее параметров были добавлены произвольно, не определены конкретным объяснением, которые остаются загадочными, например проблема иерархии. Теории , выходящие за рамки Стандартной модели, пытаются устранить эти недостатки.

Великое объединение

Одно расширение Стандартной модели пытается объединить электрослабое взаимодействие с сильным взаимодействием в единую «теорию великого объединения» (GUT). Такая сила была бы спонтанно разбита на три силы с помощью хиггсовского механизма. Теоретически этот пробой происходит при высоких энергиях, что затрудняет наблюдение объединения в лаборатории. Самым драматичным предсказанием великого объединения является существование X- и Y-бозонов, которые вызывают распад протона. Однако отсутствие наблюдения за распадом протона на нейтринной обсерватории Супер-Камиоканде исключает простейшие GUT, включая SU (5) и SO (10).

Суперсимметрия

Суперсимметрия расширяет Стандартную модель, добавляя другой класс симметрии к лагранжиану. Эти симметрии обменивают фермионные частицы на бозонные частицы. Такая симметрия предсказывает существование суперсимметричных частиц, сокращенно частиц, которые включают слептоны, скварки, нейтралино и чарджино. Каждая частица в Стандартной модели будет иметь суперпартнера, чей спин отличается на ⁄ 2 от обычной частицы. Из-за нарушения суперсимметрии частицы намного тяжелее своих обычных аналогов; они настолько тяжелы, что существующие коллайдеры частиц не будут достаточно мощными, чтобы их произвести. Однако некоторые физики считают, что частицы будут обнаружены Большим адронным коллайдером в ЦЕРН.

Теория струн

Теория струн - это физическая модель, в которой все «частицы» составляют материя состоят из струн (измеряемых на планковской длине), которые существуют в 11-мерном (согласно М-теории, ведущей версии) или 12-мерном (согласно к F-теории ) Вселенной. Эти струны колеблются на разных частотах, которые определяют массу, электрический заряд, цветовой заряд и вращение. «Струна» может быть открытой (линия) или замкнутой в петлю (одномерная сфера, например круг). Когда строка движется в пространстве, она сметает нечто, называемое мировым листом. Теория струн предсказывает от 1 до 10-бран (1- брана - это струна, а 10-брана - 10-мерный объект), которые предотвращают разрывы в «ткани» пространства с помощью принцип неопределенности (например, электрон, вращающийся вокруг атома водорода, имеет вероятность, хотя и небольшую, что он может быть где угодно во Вселенной в любой данный момент).

Теория струн предполагает, что наша Вселенная представляет собой всего лишь 4-брану, внутри которых существуют 3 пространственных измерения и 1 временное измерение, которые мы наблюдаем. Остальные 7 теоретических измерений либо очень крошечные и свернуты вверх (и слишком малы, чтобы быть макроскопически доступными), либо просто не существуют / не могут существовать в нашей Вселенной (потому что они существуют в более грандиозной схеме, называемой «мультивселенная » вне нашей известной вселенной).

Некоторые предсказания теории струн включают существование чрезвычайно массивных аналогов обычных частиц из-за вибрационных возбуждений фундаментальной струны и существование безмассовой частицы со спином 2, ведущей себя как гравитон.

Technicolor

Теории Technicolor пытаются минимизировать стандартную модель, вводя новое взаимодействие, подобное КХД. Это означает, что добавляется новая теория так называемых техникварков, взаимодействующих через так называемые техниглюоны. Основная идея состоит в том, что бозон Хиггса - это не элементарная частица, а связанное состояние этих объектов.

Теория Преонов

Согласно теории Преонов существует один или несколько порядков частиц более фундаментальных, чем те (или большинство из них), найденные в Стандартной модели. Наиболее фундаментальные из них обычно называются преонами, которые происходят от «докварков». По сути, теория преонов пытается сделать для Стандартной модели то, что Стандартная модель сделала для зоопарка частиц, который был до нее. Большинство моделей предполагают, что почти все в Стандартной модели можно объяснить с помощью трех-полудюжины более фундаментальных частиц и правил, управляющих их взаимодействиями. Интерес к преонам снизился с тех пор, как в 1980-х годах были экспериментально исключены простейшие модели.

Теория акселеронов

Акселероны - это гипотетические субатомные частицы, которые интегрально связывают вновь обнаруженную массу нейтрино с темной энергией предположительно ускоряет расширение Вселенной.

В этой теории нейтрино подвержены влиянию новой силы, возникающей в результате их взаимодействия с акселеронами, что приводит к возникновению темной энергии. Темная энергия возникает, когда Вселенная пытается разделить нейтрино. Считается, что акселероны реже взаимодействуют с материей, чем с нейтрино.

См. Также

Примечания

Дополнительная литература

Обычные читатели

Учебники

  • Беттини, Алессандро (2008) Введение в физику элементарных частиц. Cambridge Univ. Нажмите. ISBN 978-0-521-88021-3
  • Кофлан, Г.Д., Дж. Э. Додд и Б.М. Грипайос (2006) Идеи физики элементарных частиц: введение для ученых, 3-е изд. Cambridge Univ. Нажмите. Текст для студентов, не специализирующихся в области физики.
  • Гриффитс, Дэвид Дж. (1987) Введение в элементарные частицы. Джон Вили и сыновья. ISBN 0-471-60386-4.
  • Кейн, Гордон Л. (1987). Современная физика элементарных частиц. Книги Персея. ISBN 978-0-201-11749-3.
  • Перкинс, Дональд Х. (2000) Введение в физику высоких энергий, 4-е изд. Cambridge Univ. Press.

Внешние ссылки

Самым важным адресом относительно текущих экспериментальных и теоретических знаний о физике элементарных частиц является Группа данных о частицах, где различные международные организации собирают все экспериментальные данные и предоставляют краткие обзоры современного теоретического понимания.

другие страницы:

Содержание доступно по лицензии CC BY-SA 3.0 (если не указано иное).
Обратная связь: mail@alphapedia.ru
Соглашение
О проекте
Список материалов:
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
11
12
13
14
15
16
17
18
19
20
21
22
23
24
25
26