Владимир Голощапов - Физика элементарных частиц материи

По величине спинавсе элементарные частицы делятся на два класса: 1. бозоны – частицы с целым спином (например, фотон, глюон, мезоны). 2. фермионы – частицы с полуцелым спином (например, электрон, протон, нейтрон, нейтрино); Спин это характеристика, отражающая внутреннее состояние элементарной частицы. По видам взаимодействий.Элементарные частицы делятся на следующие группы: Составные частицы. адроны – частицы, участвующие во всех видах фундаментальных взаимодействий. Они состоят из кварков и подразделяются, в свою очередь, на: мезоны – адроны с целым спином, то есть являющиеся бозонами; барионы – адроны с полуцелым спином, то есть фермионы. К ним, в частности, относятся частицы, составляющие ядро атома, – протон и нейтрон. Фундаментальные (бесструктурные) частицы.Лептоны – фермионы, которые имеют вид точечных частиц (т. е. не состоящих ни из чего) вплоть до масштабов порядка 10 −18м. 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. 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 считаются бесструктурными, однако, в отличие от лептонов, участвуют в сильном взаимодействии. Калибровочные бозоны– частицы, посредством обмена которыми осуществляются взаимодействия: фотон– частица, переносящая электромагнитное взаимодействие; восемь глюонов– частиц, переносящих сильное взаимодействие; три промежуточных векторных бозона W +, W −и Z 0, переносящие слабое взаимодействие; 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 элементарных частиц. Адроны и лептоны образуют вещество. Калибровочные бозоны – это кванты разных типов взаимодействий. Кроме того, в Стандартной модели с необходимостью присутствует хиггсовский бозон, который, впрочем, пока ещё не обнаружен экспериментально. Первоначально термин «элементарная частица» подразумевал нечто абсолютно элементарное, первокирпичик материи. Однако, когда в 1950-х и 1960-х годах были открыты сотни адронов с похожими свойствами, стало ясно, что по крайней мере адроны обладают внутренними степенями свободы, то есть не являются в строгом смысле слова элементарными. Это подозрение в дальнейшем подтвердилось, когда выяснилось, что адроны состоят из кварков. Таким образом, физики продвинулись ещё немного вглубь строения вещества: самыми элементарными, точечными частями вещества сейчас считаются лептоны и кварки?. Для них (вместе с калибровочными бозонами) применяется термин « фундаментальныечастицы». Стандартная модель элементарных частиц включает в себя 12 ароматов фермионов, соответствующие им античастицы, а также калибровочные бозоны (фотон, глюоны, W – и Z -бозоны), которые переносят взаимодействия между частицами, и не обнаруженный на данный момент бозон Хиггса, отвечающий за наличие массы у частиц. Однако Стандартная модель в значительной степени рассматривается скорее как теория временная, а не действительно фундаментальная, поскольку она не включает в себя гравитацию и содержит несколько десятков свободных параметров (массы частиц и т. д.), значения которых не вытекают непосредственно из теории. Возможно, существуют элементарные частицы, которые не описываются Стандартной моделью – например, такие, как гравитон (частица, переносящая гравитационные силы) или суперсимметричные партнёры обычных частиц. Фермионы.12 ароматов фермионов разделяются на 3 семейства (поколения) по 4 частицы в каждом. Шесть из них – кварки. Другие шесть – лептоны, три из которых являются нейтрино, а оставшиеся три несут единичный отрицательный заряд: электрон, мюон и тау-лептон.

Поколения частиц

Также существуют 12 фермионных античастиц, соответствующих вышеуказанным двенадцати частицам. Кварки и антикваркиникогда не были обнаружены в свободном состоянии – это объясняется явлением конфайнмента . На основании симметрии между лептонами и кварками, проявляемой в электромагнитном взаимодействии , выдвигаются гипотезы о том, что эти частицы состоят из более фундаментальных частиц преонов . Строение и поведение элементарных частиц изучается физикой элементарных частиц.

Как видно из приведённого перечня, элементарных частиц множество. При делении или бомбардировке ядро атома распадается на нуклоны(составляющие ядра), перечень которых мы Вам поведали раньше. Здесь описания ещё ряда частиц, но эти частицы виртуальные. Не распадаются только электроны (позитроны), нейтрино и фотоны. Так может быть какая-то из этих частиц, которые не распадаются, и есть та самая элементарная частица, из которых состоит вся материя? Какая же из них самая элементарная? Вольфганг Паули “изобрел” частицу «нейтрино» для того, чтобы объяснить, куда девается часть энергии, выделяемая при радиоактивном распаде ядер с испусканием электронов. Такой распад называют бета-распадом. Масса нейтрино измерена. Массы покоя электронных нейтрино составляет примерно 6 ● 10 -32 грамма. Так может быть нейтрино это и есть то, из чего состоит материя? Может быть нейтрино – элементарная частица материи? Однако нет. Мы знаем, что атом состоит из заряженных частиц, нейтрино же не имеет электрического заряда. Значит, нейтрино не может быть элементарной частицей материи. Электрон (позитрон) слишком массивен. На место частицы, из которой состоит материя, остаётся одна кандидатура, – фотон. Согласно Википедии Фотон – частица, переносящая электромагнитное взаимодействие. Итак, фотон это элементарная частица; но частица чего, – материи или поля?

Фотон – самая распространённая по численности частица во Вселенной. На один нуклон приходится не менее 20 миллиардов фотонов Первым, исторически зафиксированным сообщением о фотоне как о частице, было описание фотона в труде великого учёного и мыслителя Египта Ибн ал – Хайсама «Книга об оптике» в 1021 г. Ибн ал-Хайсам (965 – 1039), известный в Европе под именем Алхазена, не был физиком, и у него не было приборов для исследования света, но он был офтальмологом и исследовал самый совершенный световой прибор созданный природой – глаз животного и человека. В «Книге об оптике» учёный представил световой луч в виде потока мельчайших частиц, которые «испытывают нехватку всех заметных качеств, кроме энергии». Заметьте, Ибн ал Хайсам связывает в одно целое материальную частичку, из которых состоит свет, и её энергию. Это в 1021 году! Какова сила и прозорливость мысли!!! Стремление понять физическую природу света было лейтмотивом всех исследований И. Ньютона. Сначала Ньютон склонялся к мысли о том, что свет – это волны во всепроникающем эфире. Позже он отказался от этой идеи. Размышления привели Ньютона к представлению, что свет – это поток особых частиц, корпускул, вылетающих из источника и движущихся прямолинейно, пока они не встретят препятствия. Корпускулярная модель объясняла не только прямолинейность распространения света, но и закон отражения, и, правда, не без дополнительного предположения, закон преломления. У Ньютона нашлись противники, которые никак не могли примирить теорию Ньютона и волновые свойства света. Это и Христиан Гюйгенс и Томас Юнг и др. Окончательно волновая природа света утвердилась трудами Джеймса-Клерка Максвелла. В 1900 году волновая теория Максвелла, рассматривающая электро- магнитное излучение как колебания электрического и магнитного полей выглядела законченной. Однако некоторые эксперименты, проведённые позже, в рамках этой теории объяснения не нашли. Макс Планк фактически признал, что осциллятор, колеблющийся с частотой ν, излучает свет дискретными порциями (квантами), энергия которых пропорциональна частоте Е=hν. Полученную формулу для распределения энергии в спектре электромагнитного излучения абсолютно черного тела Планк доложил 19 декабря 1900 на заседании Берлинского физического общества. Этот день по праву называют днем рождения квантовой теории. Дальнейшие эксперименты показали, что эти световые кванты также обладают импульсом , (Но импульса без массы не может быть!) поэтому оказалось возможным рассматривать их как элементарные частицы электромагнитного поля . Фотон изначально был назван Альбертом Эйнштейном «световым квантом» (нем. das Lichtquant). В 1905 году Эйнштейн предположил, что квантование энергии – свойство самого электромагнитного излучения. Признавая справедливость теории Максвелла, Эйнштейн указал, что многие аномальные в то время результаты экспериментов могут быть объяснены, если энергию световой волны локализовать в подобные частицам кванты, которые движутся независимо друг от друга, даже если волна непрерывно распространяется в пространстве. Но всякие сгустки поля выравнивают свои характеристики до уровня характеристик основного поля. Поле собирается только вокруг материи (см. разд. материя). В 1909 и 1916 годах, Эйнштейн показал, исходя из справедливости закона излучения абсолютно чёрного тела, что квант энергии должен также обладать импульсом р=һ/λ. Импульс фотона был обнаружен экспериментально Артуром Комптоном, за эту работу он получил Нобелевскую премию по физике в 1927 году. Сейчас фотон представляется так. Фото́н (от др. – греч. φῶς, род. пад. φωτός, «свет») это элементарная частица, квант электромагнитного излучения (в узком смысле – света). Современное название, которое фотон получил от греческого слова φῶς, «phōs» («свет»), было введено в 1926 химиком Гилбертом Н. Льюисом, опубликовавшим свою теорию, в которой он высказал своё мнение, что фотоны это «несоздаваемые и неуничтожимые частицы ». [Вик. http: ru.wikipedia.org/wiki/%D0%A 4%D0%BE%D1%82%D0%BE%D0%BD]. Считается, что фотон это безмассовая частица, способная существовать только двигаясь со скоростью света. Электрический заряд фотона также равен нулю. Справедливости ради стоит заметить, что хромодинамика наделяет фотон цветом (зарядом) в отличие от электродинамики. Фотон может находиться только в двух спиновых состояниях с проекцией спина на направление движения (спиральностью) ±1. Этому свойству в классической электродинамике соответствует круговая правая или левая поляризация электромагнитной волны. Фотоны обозначаются буквой γ, поэтому их часто называют гамма-квантами (особенно фотоны высоких энергий); эти термины практически синонимичны. В современной Стандартной модели физики элементарных частиц существование фотонов является следствием того, что физические законы инвариантны относительно локальной калибровочной симметрии в любой точке пространства-времени. Этой же симметрией определяются внутренние свойства фотона, такие как электрический заряд, масса? (но частица же безмассовая!) и спин. Считается, что виртуальные фотоны являются переносчиками электромагнитного взаимодействия, таким образом обеспечивая взаимодействие, например, между двумя электрическими зарядами. Фотон это квант электромагнитной энергии волны света. Эйнштейном принято суждение, что фотоны не имеют массы покоя, что свет, как только зарождается, так и движется с постоянной скоростью и эта скорость является наивысшей скоростью Вселенной. Частота и длина волны светового излучения постоянны на всём протяжении его жизни. А как зарождается свет, откуда зарождается свет, какая сила двигает фотоны? Этого Эйнштейну не было известно. Что же мы имеем на самом деле. «Электрический заряд фотона также равен нулю». Этот пункт уже не соответствует современным данным. Уже известен заряд фотона. Наибольшая точность, с которой удалось измерить заряд фотона равна 5×10 −52 Кл (или 3×10 −33 e ). Уже подсчитана масса (количество материи) фотона. Наибольшая точность, с которой удалось измерить массу фотона, m=1,1×10 −52 кг. (6×10 −17 эВ/c 2 или 1×10 −22 m e ) то есть в электроне 10 22 фотонов. [http://ru.wikipedia.org/wiki/%D0%A4%D0%BE%D1%82%D0%BE% D0%BD «Первая из элементарных частиц, у которой стало известно ее строение, – это частица фотон, состоящая из двух квантов – кванта электрического потока (1.602·10 -19Кл) и кванта магнитного потока 2.068· 10 -15Вб.» (Алеманов С.Б. «Теория поля»). Здесь мы видим прямое указание на присутствие электрического и магнитного поля. Присутствие магнитного поля у фотонов признаётся и квантовой теорией, но квантовая теория объясняет наличие магнитного поля вращением «спин» электрического поля. В 1924 году Вольфган Паули вводит в квантовую механику новую степень свободы, чтобы устранить имевшуюся несостоятельность в интерпретации наблюдаемых молекулярных спектров. Паули этот спин сам не наблюдал и ни в каких других опытах это явление не описывалось. Но Паули был мыслящий учёный и он пришёл к выводу, что существует ещё не известная степень свободы частиц. Этот вывод оказался правильным и определил дальнейшее развитие физики.