Субатомная частица
Субатомная частица — частица, намного меньшая, чем атом[1]. Рассматриваются два типа субатомных частиц: фундаментальные частицы, которые согласно современным теориям не состоят из других частиц; и составные частицы[2]. Физика частиц и ядерная физика изучают эти частицы и как они взаимодействуют[3]. Идея частицы подверглась серьёзному переосмыслению, когда эксперименты показали, что свет может вести себя как поток частиц (называемых фотонами), а также проявлять свойства волны. Это привело к появлению концепции корпускулярно-волнового дуализма, отражающей, что «частицы» в квантовом масштабе ведут себя как частицы и волны. Другая концепция, принцип неопределённости, утверждает, что некоторые их свойства, такие как их одновременное положение и импульс, будучи взятыми вместе, не могут быть точно измерены[4]. Позднее было показано, что дуальность волны и частицы применима не только к фотонам, но и к более массивным частицам[5].
Взаимодействия частиц в рамках квантовой теории поля понимаются как создание и уничтожение квантов соответствующих фундаментальных взаимодействий. Это объединяет физику элементарных частиц с теорией поля.
Классификация править
По составу править
Субатомные частицы являются либо «элементарными», то есть не состоят из множества других частиц, либо «составными» и состоят из более чем одной элементарной частицы, связанной вместе.
Элементарными частицами Стандартной Модели являются[6]:
- шесть «ароматов» кварков: верхний, нижний, странный, очарованный, красивый и истинный;
- шесть типов лептонов: электрон, электронное нейтрино, мюон, мюонное нейтрино, тау-лептон, тау-нейтрино;
- двенадцать калибровочных бозонов (переносчики взаимодействий): фотон электромагнетизма, три W и Z-бозона слабого взаимодействия и восемь глюонов сильного взаимодействия;
- бозон Хиггса.
Все они были обнаружены экспериментами, последними были истинный кварк (1995), тау-нейтрино (2000) и бозон Хиггса (2012).
Различные расширения Стандартной модели предсказывают существование элементарной частицы гравитона и многих других элементарных частиц, но по состоянию на 2019 год они не были обнаружены.
Адроны править
Почти все составные частицы содержат несколько кварков (антикварков), связанных вместе глюонами (за редким исключением, таким как позитроний и мюоний). Те, которые содержат мало (≤ 5) [анти]кварков, называются адронами. Из-за свойства, известного как удержание цвета, кварки никогда не обнаруживаются по отдельности, но всегда встречаются в адронах, содержащих несколько кварков. Адроны делятся по количеству кварков (включая антикварки) на барионы, содержащие нечётное число кварков (почти всегда 3), наиболее известные из которых это протон и нейтрон; и мезоны, содержащие четное число кварков (почти всегда 2, один кварк и один антикварк), наиболее известными из которых являются пи-мезоны и к-мезоны.
За исключением протона и нейтрона, все другие адроны нестабильны и распадаются на другие частицы в течение микросекунд или меньше. Протон состоит из двух верхних кварков и одного нижнего кварка, а нейтрон состоит из двух нижних кварков и одного верхнего кварка. Они обычно связываются вместе в атомное ядро, например, ядро гелия-4 состоит из двух протонов и двух нейтронов. Большинство адронов не живут достаточно долго, чтобы образовать ядрообразные композитами; те, что могут (кроме протона и нейтрона) образуют гиперядра.
По статистике править
Любая субатомная частица, как любая частица в трёхмерном пространстве, которая подчиняется законам квантовой механики, может быть либо бозоном (с целочисленным спином), либо фермионом (с нечётным полуцелым спином).
В Стандартной модели все элементарные фермионы имеют спин 1/2 и делятся на кварки, которые несут цветовой заряд и, следовательно, чувствуют сильное взаимодействие, и лептоны, которые этого не делают. Элементарные бозоны включают калибровочные бозоны (фотон, W и Z, глюоны) со спином 1, в то время как бозон Хиггса является единственной элементарной частицей с нулевым спином.
Гипотетический гравитон теоретически должен иметь спин 2, но не является частью стандартной модели. Некоторые расширения, такие как суперсимметрия, предсказывают существование дополнительных элементарных частиц со спином 3/2, но по состоянию на 2019 год они не были обнаружены.
Из-за законов спина составных частиц барионы (3 кварка) имеют спин 1/2 или 3/2 и поэтому являются фермионами; мезоны (2 кварка) имеют целочисленный спин 0 или 1 и поэтому являются бозонами.
По массе править
В специальной теории относительности энергия покоящейся частицы равна её массе, умноженной на квадрат скорости света, E = mc². То есть масса может быть выражена в терминах энергии и наоборот. Если есть система отсчёта, в которой частица находится в покое, то она имеет положительную массу покоя и называется массивной.
Все составные частицы являются массивными. Барионы (что означает «тяжёлый») имеют большую массу, чем мезоны (что означает «промежуточный»), которые, в свою очередь, тяжелее лептонов (что означает «лёгкий»), но самый тяжёлый лептон (частица тау) тяжелее, чем два самых лёгких аромата барионов (нуклонов). Также очевидно, что любая частица с электрическим зарядом является массивной.
При первоначальном описании в 1950-х годах термины барионы, мезоны и лептоны относились к массам; однако после того, как в 1970-х годах была принята кварковая модель, было признано, что барионы — это композиты из трех кварков, мезоны — это композиты из одного кварка и одного антикварка, а лептоны являются элементарными и определяются как элементарные фермионы без цветового заряда.
Все безмассовые частицы (частицы, инвариантная масса которых равна нулю) являются элементарными. К ним относятся фотон и глюон, хотя последний не может быть изолирован.
По распаду править
Большинство субатомных частиц не являются стабильными. Все мезоны, а также барионы — кроме протона — распадаются под действием сильных или слабых взаимодействий. Распад протона не зафиксирован, хотя «действительно» ли он стабилен, неизвестно. Заряженные лептоны мю и тау распадаются от слабого взаимодействия; то же самое для их античастиц. Нейтрино (и антинейтрино) не распадаются, но считается, что явление нейтринных осцилляций существует даже в вакууме. Электрон и его античастица позитрон теоретически устойчивы благодаря сохранению заряда, если только не существует более лёгкой частицы, имеющей величину электрического заряда ≤e (что маловероятно).
Из субатомных частиц, которые не несут цветовой заряд (и, следовательно, могут быть изолированы), только фотон, электрон, нейтрино, несколько атомных ядер (включая протон) и их античастицы могут оставаться в одном и том же состоянии неопределённо долго.
Другие свойства править
Все наблюдаемые субатомные частицы имеют электрический заряд, целочисленный и кратный элементарному заряду. Кварки Стандартной Модели имеют «нецелые» электрические заряды, а именно кратные 1⁄3 e, но кварки (и другие комбинации с нецелым электрическим зарядом) не могут быть изолированы из-за конфайнмента. Для барионов, мезонов и их античастиц заряды составляющих кварков суммируются до целого кратного e.
Благодаря работам Альберта Эйнштейна, Сатьендры Ната Бозе, Луи де Бройля и многих других, современная научная теория утверждает, что все частицы также имеют волновую природу[7]. Это было проверено не только для элементарных, но и для составных частиц, таких как атомы и даже молекулы. Фактически, согласно традиционным формулировкам нерелятивистской квантовой механики, дуальность волны и частицы применима ко всем объектам, даже к макроскопическим; хотя волновые свойства макроскопических объектов не могут быть обнаружены из-за их малых длин волн[8].
Взаимодействия между частицами тщательно изучались на протяжении многих веков, и в основе поведения частиц при столкновениях и взаимодействиях лежат несколько простых законов. Наиболее фундаментальными из них являются законы сохранения энергии и сохранения импульса, которые позволяют проводить расчёты взаимодействия частиц в масштабах, варьирующихся от звёзд до кварков.
См. также править
Примечания править
- ↑ Subatomic particles. NTD. Дата обращения: 5 июня 2012. Архивировано из оригинала 16 февраля 2014 года.
- ↑ Bolonkin, Alexander. Universe, Human Immortality and Future Human Evaluation (англ.). — Elsevier, 2011. — P. 25. — ISBN 9780124158016.
- ↑ Fritzsch, Harald. Elementary Particles (неопр.). — World Scientific, 2005. — С. 11—20. — ISBN 978-981-256-141-1. Архивировано 31 октября 2020 года.
- ↑ Heisenberg, W. (1927), "Über den anschaulichen Inhalt der quantentheoretischen Kinematik und Mechanik", Zeitschrift für Physik (нем.), 43 (3—4): 172—198, Bibcode:1927ZPhy...43..172H, doi:10.1007/BF01397280.
- ↑ Arndt, Markus; Nairz, Olaf; Vos-Andreae, Julian; Keller, Claudia; Van Der Zouw, Gerbrand; Zeilinger, Anton. Wave-particle duality of C60 molecules (англ.) // Nature. — 2000. — Vol. 401, no. 6754. — P. 680—682. — doi:10.1038/44348. — . — PMID 18494170.
- ↑ Cottingham, W.N.; Greenwood, D.A. An introduction to the standard model of particle physics (англ.). — Cambridge University Press, 2007. — P. 1. — ISBN 978-0-521-85249-4. Архивировано 19 августа 2020 года.
- ↑ Walter Greiner. Quantum Mechanics: An Introduction (неопр.). — Springer, 2001. — С. 29. — ISBN 978-3-540-67458-0. Архивировано 18 августа 2020 года.
- ↑ Eisberg, R.; Resnick, R. Quantum Physics of Atoms, Molecules, Solids, Nuclei, and Particles (англ.). — 2nd. — John Wiley & Sons, 1985. — P. 59—60. — ISBN 978-0-471-87373-0.