Елементарна частица

В атомната и яредна физика, под елементарна частица се разбира сборно понятие - всички частици, от които са съставени други, по-големи частици и за която не е известно дали имат вътрешна структура, т.е. са съставени от други частици. В Стандартния модел като елементарни частици се разглеждат кварките, лептоните и калибровъчните бозони.^[1]^[2]

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 1970-те години се е считало, че един от най-важните въпроси на атомната физика е кои частици са елементарните, с други думи фундаменталните 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 са обединени в теория на всичко. Такава е например суперструнната теория, но тя е все още 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 ненулева маса. Двете явления се срещат и 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.

Общ преглед и стандартен модел

Основна статия: Стандартен модел

В зависимост от спина си, елементарните частици се делят на бозони и фермиони, подчиняващи се съответно на статистиката на Бозе-Айнщайн и статистиката на Ферми-Дирак. Частиците, изграждащи материята са фермиони (имащи полуцял спин). Те са разделени на 12 групи (аромата). Частиците, асоциирани с фундаменталните полета на взаимодействие са бозоните (имащи цял спин).^[3]

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

Основни взаимодействия в стандартния модел

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 (от края на 90-те години).

Фермиони:

Кварки — горен кварк, долен кварк, очарован кварк, странен кварк, топ кварк, дънен кварк

Лептони — електронно неутрино, електрон, мюонно неутрино, мюон, тау-неутрино, тау-лептон

Бозони:

Калибровъчни бозони — глуон, W и Z бозони, фотон

Други бозони — бозон на Хигс, гравитон

Стандартния модел (СМ) съдържа 12 типа (аромата) елементарни фермиони и техните античастици, както и елементарните бозони, които носят фундаменталните взаимодействия. СМ съдържа също все още неоткрития бозон на Хигс.

Експериментален и теоретичен статут на стандартния модел

Стандартният модел е подкрепен с огромен експериментален материал. Някои негови предсказания, като например аномалният магнитен момент на електрона, са едни от най-точните в човешкото познание. Съвпадението между теория и експеримент в този случай е 10 части на трилион (10^-11). Като всяка добра физическа теория, стандартният модел има граници на валидност. Експериментално той е изучен до енергии от около 150 GeV, които съответствуват на разстояния не по-малки от около 10^-20m. Теоретично, той би могъл да бъде валиден до много по-високи енергии(тъй като всички негови взаимодействия са пренормируеми и константите на взаимодействие се изменят само логаритмично с енергията). В крайна сметка, съществува енергетичен мащаб, при който дори теоретично стандартният модел престава да бъде валиден и трябва да бъде заместен от друга теория, на която той е ниско-енергетична граница. Стандартният модел, както и всяка друга квантова теория на полето е фундаментално несъвместим с Общата теория на относителността (ОТО). Последната обаче, може да бъде линеаризирана и в този орязан вариант да бъде квантувана. Тази теория е непренормируема и бързо губи предсказателна стойност. Частицата, която пренася гравитационното взаимодействие в тази квантова теория се нарича гравитон. Той, както и всички останали ефекти на квантовата гравитация не са наблюдавани експериментално и няма особени надежди това да се случи скоро. Опити да се създаде високо-енергетична теория, която включва стандарния модел и пълната "квантова версия" на ОТО са Суперструнната теория и Примковата квантова гравитация. Тези теории също страдат от това, че не се очертава никаква надежда за експериментално потвърждение в близкото бъдеще.

Много от физиците очакват, че скоро (например в експериментите с Големия адронен колайдер в ЦЕРН), ще бъде открита физика отвъд стандарният модел. Една от възможностите е за проявяване на суперсиметрия при мащаба на слабите взаимодействия (който е и енергетичният мащаб на експериментите). Точният вид на теорията, която включва тази суперсиметрия е неизвестен, но е възможно да се формулира най-малкото възможно суперсиметрично разширение на стандарния модел. То се нарича Минимален суперсиметричен стандартен модел (МССМ) и съдъжа на порядък повече свободни параметри от стандарния модел. Това не е особен теоретичен проблем, тъй като МССМ не претендира да бъде фундаменатална теория, а само параметризация на очакваните експериментални резултати. Повече от половината от частиците в МССМ не са още открити. Това е защото, както във всички суперсиметрични теории, в МССМ на всеки бозон съответствува суперсиметричен партньор - фермион, чието име завтршва на -ино (например фотон - фотино) и на всеки фермион съответствува суперсиметричен партньор - бозон, чието име започва със с- (например електрон - селектрон). Един от най-популярните кандидати за състава на тъмната материя е масивният суперсиметричен партньор на някой от неутралните бозони в стандартния модел . Тъй като не е известно на кой точно, тази частица се нарича неутралино.

Фундаментални фермиони

Основна статия: фермион

12-те фундаментални фермиона (6 кварка и 6 лептона) са разделени на 3 поколения (по 4 частици във всяко от тях). Заредените лептони имат отрицателен единичен заряд.

**Поколение елементарни частици**
Първо поколение електрон: e⁻ електронно неутрино: ν_e горен кварк: u долен кварк: d	Второ поколение мюон: μ⁻ мюонно неутрино: ν_μ чаровен кварк: c странен кварк: s	Трето поколение тау-лептон: τ⁻ тау-неутрино: ν_τ топ (върхов, истинен) кварк: t дънен (красив) кварк: b

Античастици

Основна статия: антиматерия

На 12-те елементарни фермиона отговарят 12 антифермиона. Трите заредени лептона имат положителен единичен заряд.

**Античастици**
Първо поколение позитрон: e⁺ електронно антинеутрино: $\bar{\nu}_e$ горен антикварк: $\bar{u}$ долен антикварк: $\bar{d}$	Второ поколение положителен мюон: μ⁺ мюонно антинеутрино: $\bar{\nu}_\mu$ очарован антикварк: $\bar{c}$ странен антикварк: $\bar{s}$	Трето поколение положителен тау лептон: τ⁺ тау антинеутрино: $\bar{\nu}_\tau$ топ (върхов, истинен) антикварк: $\bar{t}$ дънен (красив) антикварк: $\bar{b}$

Кварки

Основна статия: кварк

Кварките и антикварките не съществуват в свободни състояния поради свойството на силното взаимодействие, наречено конфайнмънт. Всеки кварк е носител на един от трите цвята на силното взаимодействие (наречени условно "червен", "зелен" и "син"), а антикварките носят съответно три антицвята ("античервен", "антизелен", "антисин"). Цветните частици взаимодействат чрез обмяна на глуони (така както заредените частици взаимодействат чрез обмяна на фотони) - също носители на цветове. Основно свойство на силното взаимодействие с обмен на цветни частици е, че силата му се увеличава с нарастване на разстоянието между частиците (за разлика от електромагнитното взаимодействие, където се наблюдава обратното).

Като свободни частици в природата се наблюдават само безцветни (или бели) състояния, наречени адрони. Безцветна частица би могла да се получи при взаимодействие на кварк и антикварк, носещи определен цвят и съответния му антицвят. Такива структури се наричат мезони. Друг вариант за получаване на безцветна частица е комбинирането на три кварка (или три антикварка), които носят трите различни цвята (или антицвята). Такива структури се наричат бариони (или съответно антибариони). Протонът и неутронът са примери за адрони - бариони. Съществуват и по-екзотични начини за образуване на стабилни безцветни състояния, които обаче все още са експериментално ненаблюдавани - пентакваркът, например, се състои от 4 кварка и 1 антикварк.

Кварките носят дробен електричен заряд ( $+{2 \over 3}$ или ( $-{1 \over 3}$ ), който не се наблюдава самостоятелно поради конфайнмънта. Структурите, които образуват имат сумарен целочислен или нулев заряд. Антикварките носят противоположния на съответния кварк заряд ( $-{2 \over 3}$ или $+{1 \over 3}$ ).

Фундаментални бозони

В Стандартния модел векторните бозони (със спин 1) (глуоните, фотонът, W и Z бозоните) са преносители на взаимодействията, а скаларният бозон на Хигс (нулев спин) осъществява получаването на маса при частиците.

Глуони

Глуоните са носители на силното взаимодействие и носят едновременно цвят и антицвят. Глуоните са безмасови частици, но никога не са наблюдавани експериментално, поради конфайнмънта на силното взаимодействие. Тяхното съществуване е доказано по косвен начин от ражданите от тях адронни струи.

Електрослаби бозони

Слабите взаимодействия се пренасят от три масивни калибровъчни бозона - два електрически заредени и един неутрален: W⁺, W⁻ и Z⁰. Електромагнитното взаимодействие се пренася от безмасов фотон.

Допълнителна информация

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 поколвние 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 (ν_μ). Съответните кварки се наричат очарован (c) и странен (s). Лептоните от третото поколение са тау-лептонът (τ)и тау-неутриното (ν_τ). Съответните кварки се наричат топ (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.
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.

Вижте също

Източници

↑ Gribbin, John (2000). Q is for Quantum - An Encyclopedia of Particle Physics. Simon & Schuster. ISBN 0-684-85578-X.
↑ Clark, John, E.O. (2004). The Essential Dictionary of Science. Barnes & Noble. ISBN 0-7607-4616-8.
↑ Veltman, Martinus (2003). Facts and Mysteries in Elementary Particle Physics. World Scientific. ISBN 981-238-149-X.

Елементарни частици
Фермиони: Кварки: Горен (u-кварк) · Долен (d-кварк) · Странен (s-кварк) · Чаровен (c-кварк) · Дънен (b-кварк) · Топ (t-кварк) · Лептони: Електрон · Позитрон · Мюон · Таон · Неутрино
Бозони: Фотон · W бозон · Z бозон · X бозон · Y бозон · Хигс бозон · Гравитон · Глуон
Адрони: Мезони: Пион · Бариони: Протон · Неутрон

Категория: Елементарни частици

stock | retire | vm
Why are we here?
All text is available under the terms of the GNU Free Documentation License
This page is cache of Wikipedia. History