Элементарные частицы

 

Оглавление

 

 

• 1 История
• 2 Классификация элементарных частиц
• 3 Систематизация элементарных частиц
• 4 Разное
• 5 Литература

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Элементарные  частицы (англ. Elementary particles) - мельчайшие неделимые объекты в микромире (в атомном, ядерном и субъядерном масштабе). Из элементарных частиц состоят атомы и атомные ядра. Экспериментально установлено, что элементарные частицы одновременно обладают корпускулярными и волновыми свойствами (корпускулярно-волновой дуализм).

 

ИСТОРИЯ

 

 С открытием элементарных  частиц физика задалась вопросом  об их количестве и строении. Пока элементарных частиц было  открыто порядка 10 – каждая  элементарная частица считалась  истинно элементарной, и делались  попытки объяснить строение элементарных  частиц исходя из электромагнитного поля. Но построить сходу полевую теорию элементарных частиц не получилось и постепенно это направление физики ушло в тень, хотя работы в нем продолжаются.

Параллельно классической полевой  теории в физике велись работы по созданию квантовой теории поля, которые и вышли на передний план. В основе квантовой теории лежит утверждение, что взаимодействия носят дискретный характер и передаются с помощью переносчиков – квантов. Но реально в природе были обнаружены только фотон и другие элементарные частицы. Поэтому в качестве не обнаруженных переносчиков взаимодействий элементарных частиц были выбраны сами элементарные частицы, которым приписывалась возможность временного существования и в виртуальном состоянии в нарушение закона сохранения энергии. Ну а поскольку существование виртуальных частиц кратковременное то доказать или опровергнуть экспериментально данное утверждения не представляется возможным.

Так вот квантовая теория утверждает, что элементарные частицы (участвующие с точки зрения квантовой  теории в сильных взаимодействиях) имеют сложную структуру и состоят из кварков. В качестве математического обоснования гипотезы кварков была разработана унитарная симметрия. Но кварки в свободном виде не были обнаружены, ни при каких энергиях и тогда квантовой теории пришлось придумать механизм препятствующий появлению кварков в свободном виде. Для этого глюоны (предполагаемые переносчики сильных взаимодействий также не найденные в природе) были наделены уникальными свойствами (конфайнмент) – способностью создавать себе подобных при движении (такой способностью не обладает ни одна элементарная частица). Понятно, что закон сохранения энергии опять был проигнорирован.

Несмотря на определенный успех квантовой теории работы над полевой теорией элементарных частиц не прекращались. Прогресс в данном направлении наметился в середине 70-х годов прошлого века, когда была сделана попытка объединить классику с не противоречащей ей частью квантовой механики. Так в результате ввода квантовых чисел удалось получить правильный спектр основных состояний элементарных частиц (включающий фотон, лептоны без тау-лептона, мезоны, барионы, векторные мезоны). Стало ясно, что данное направление является перспективным. Дальнейшая работа, подкрепленная развитием вычислительной техники и появлением компьютеров позволяющих рассчитывать взаимодействия магнитных полей привела к значительному продвижению полевой теории элементарных частиц.

Теперь полевая теория элементарных частиц описывает весь спектр элементарных частиц, в котором естественно не нашлось места для вымышленных кварков, глюонов, гравитона, гравитино, бозонов Хиггса. Кроме того она объяснила откуда берется электрический заряд элементарных частиц и почему он квантуется, магнитные поля элементарных частиц и чем на самом деле являются ядерные силы. Но самое главное – это то, что все законы природы действуют, в том числе и такой нелюбимый квантовой теорией и ее калибровочными бозонами закон сохранения энергии.

 Классификация  элементарных частиц

 

Классификация элементарных частиц в квантовой теории.

С точки зрения квантовой теории все элементарные частицы делятся на два класса:

фермионы - элементарные частицы с полуцелым спином;

бозоны - элементарные частицы с целым спином.

По видам взаимодействий квантовая теория разделяет элементарные частицы на следующие группы:

адроны - элементарные частицы, участвующие во всех видах фундаментальных взаимодействий;

лептоны - фермионы, участвующие в электромагнитном и слабом взаимодействиях;

калибровочные бозоны - фотон, промежуточные векторные бозоны и предполагаемые переносчики взаимодействий.

Здесь указаны предполагаемые, но не найденные в природе: кварки, глюоны, гравитон, бозон Хиггса, но не указаны мезоны и барионы, поскольку квантовая теория не считает данные элементарные частицы истинно элементарными. Кроме того часть векторных мезонов квантовая теория отнесла к элементарным частицам поскольку она считает, что они являются переносчиками слабого взаимодействия (постулированного квантовой теорией) - это W- и Z-бозоны. Остальные векторные мезоны квантовая теория не считает элементарными частицами.

 

Классификация элементарных частиц в полевой теории

 

Элементарные частицы: фрагмент спектра основных состояний (по полевой  теории)

.

С точки зрения полевой теории элементарных частиц все элементарные частицы делятся на группы по квантовому числу L лежащему в основе спина. Из бесконечного набора возможных значений спина выделяется только нуль (L=1) поскольку в этой группе мезонов невозможно отличить нейтральную частицу от античастицы.

Все элементарные частицы  можно разбить на следующие основные группы:

фотон

лептоны

мезоны

барионы

векторные мезоны

При этом число барионов и векторных мезонов в основном состоянии в природе бесконечно. Данная классификация разбивает элементарные частицы по квантовому числу L.

Каждая элементарная частица  с квантовым числом L>0 имеет  набор возбужденных состояний, определяемый правилами квантования квантового числа V. В результате этого у каждого векторного мезона имеется одно возбужденное состояние с нулевым спином. Данное состояние обладает характерными каналами распада (в том числе на два фотона γγ или лептонные e^-e⁺, µ^-µ⁺, мезонные 2π⁰, π⁺π⁻ и другие пары) и его легко спутать с бозоном Хиггса..

Слабых взаимодействий в природе нет, а степень участия элементарных частиц в ядерных силах определяется квантовым числом L и энергией сосредоточенной в постоянном магнитном поле. С ростом квантового числа L растет процент энергии сосредоточенной в постоянном магнитном поле элементарных частиц, а также величина массы покоя - следовательно, растет и степень участия частицы в "сильных" взаимодействиях. Так что из четырех (предполагаемых квантовой теорией) типов фундаментальных взаимодействий в природе реально существует только два - электромагнитные и гравитационные, как и соответствующие им поля.

При этом электромагнитные взаимодействия отличаются от электромагнитного взаимодействия, учитываемого квантовой теорией, поскольку электромагнитные взаимодействия учитывают взаимодействия не только электрических но и магнитных полей.

 

Систематизация  элементарных частиц

Имеется только одна систематизация элементарных частиц и их возбужденных состояний вытекающая из полевой теории элементарных частиц.

 

Разное

Сторонники квантовой  теории уверены, что в экспериментах  по рассеянию наблюдаются следы кварков в протоне. - Но это одно из возможных объяснений.

Возьмем число гипотетических кварков в адроне и разделим его на два - получится главное квантовое число (L) элементарных частиц в полевой теории. И это не просто совпадение. Дело в следующем: поскольку внутри элементарных частиц вращается переменное электромагнитное поле - в них будут стоячие волны (это описано в волновых теориях, например ). А в стоячих волнах имеются участки с максимальной интенсивностью (пучности), но также имеются точки, в которых интенсивность всегда равна нулю (узлы). Если рассматривать стоячую волнус точки зрения плотности массы, то ее математически можно условно разбить на несколько равных частей (равно числу пучностей) - и это оказывается равным числу кварков в адронах.

Отсюда следует еще  одно объяснение экспериментов: В экспериментах по рассеянию наблюдаются стоячие волны переменного электромагнитного поля внутри элементарных частиц. Этим и объясняется невозможность их разбиения на отдельные участки - электромагнитное поле непрерывно и не рассыпается на осколки, а преобразуется по законам природы.