Список частиц

Список частиц в материи, включая фермионы и бозоны

Это список известных и предполагаемых частиц.

Стандартная модель элементарных частиц

Элементарные частицы — это частицы без измеримой внутренней структуры; то есть неизвестно, состоят ли они из других частиц. ^[1] Они являются фундаментальными объектами квантовой теории поля . Существует множество семейств и подсемейств элементарных частиц. Элементарные частицы классифицируются в соответствии с их спином . Фермионы имеют полуцелый спин, в то время как бозоны имеют целый спин. Все частицы Стандартной модели были экспериментально обнаружены, включая бозон Хиггса в 2012 году. ^{[2] [3]} Многие другие гипотетические элементарные частицы, такие как гравитон , были предложены, но не наблюдались экспериментально.

Фермионы

Фермионы — один из двух фундаментальных классов частиц, другой — бозоны . Фермионные частицы описываются статистикой Ферми–Дирака и имеют квантовые числа , описываемые принципом исключения Паули . К ним относятся кварки и лептоны , а также любые составные частицы, состоящие из нечетного числа этих частиц, такие как все барионы и многие атомы и ядра.

Фермионы имеют полуцелый спин; для всех известных элементарных фермионов это ⁠1/2⁠ . Все известные фермионы, за исключением нейтрино , также являются фермионами Дирака ; то есть каждый известный фермион имеет свою собственную отличную античастицу . Неизвестно, является ли нейтрино фермионом Дирака или фермионом Майораны . ^[4] Фермионы являются основными строительными блоками всей материи . Они классифицируются в зависимости от того, взаимодействуют ли они посредством сильного взаимодействия или нет. В Стандартной модели существует 12 типов элементарных фермионов: шесть кварков и шесть лептонов .

Кварки

Кварки являются фундаментальными составляющими адронов и взаимодействуют посредством сильного взаимодействия . Кварки являются единственными известными носителями дробного заряда , но поскольку они объединяются в группы по три кварка (барионы) или в пары из одного кварка и одного антикварка (мезоны), в природе наблюдается только целый заряд. Их соответствующие античастицы — антикварки , которые идентичны, за исключением того, что несут противоположный электрический заряд (например, верхний кварк несет заряд + ⁠2/3⁠ , в то время как верхний антикварк несет заряд − ⁠2/3⁠ ), цветовой заряд и барионное число. Существует шесть разновидностей кварков; три положительно заряженных кварка называются «кварками верхнего типа», а три отрицательно заряженных кварка называются «кварками нижнего типа».

Лептоны

Лептоны не взаимодействуют посредством сильного взаимодействия . Их соответствующие античастицы — антилептоны , которые идентичны, за исключением того, что они несут противоположный электрический заряд и лептонное число. Античастица электрона — антиэлектрон, который почти всегда называют « позитроном » по историческим причинам. Всего существует шесть лептонов; три заряженных лептона называются «электроноподобными лептонами», в то время как нейтральные лептоны называются « нейтрино ». Известно, что нейтрино колеблются , поэтому нейтрино определенного аромата не имеют определенной массы: вместо этого они существуют в суперпозиции собственных массовых состояний . Гипотетическое тяжелое правостороннее нейтрино, называемое « стерильным нейтрино », было опущено.

1. Точное значение массы электрона равно0,510 998 950 69 (16)  МэВ/ c ² . ^[10]
2. Точное значение массы мюона равно105,658 3755 (23)  МэВ/ c ² . ^[11]

Бозоны

Бозоны являются одной из двух фундаментальных частиц, имеющих целочисленные спиновые классы частиц, другие — фермионы . Бозоны характеризуются статистикой Бозе–Эйнштейна и все имеют целочисленные спины. Бозоны могут быть либо элементарными, как фотоны и глюоны , либо составными, как мезоны .

Согласно Стандартной модели , элементарными бозонами являются:

Бозон Хиггса постулируется электрослабой теорией в первую очередь для объяснения происхождения масс частиц . В процессе, известном как « механизм Хиггса », бозон Хиггса и другие калибровочные бозоны в Стандартной модели приобретают массу посредством спонтанного нарушения симметрии калибровочной симметрии SU(2). Минимальная суперсимметричная стандартная модель (MSSM) предсказывает несколько бозонов Хиггса. 4 июля 2012 года открытие новой частицы с массой междуБыло объявлено о 125 и 127 ГэВ/ c ² ; физики подозревали, что это бозон Хиггса. С тех пор было показано, что частица ведет себя, взаимодействует и распадается многими способами, предсказанными для частиц Хиггса Стандартной моделью, а также имеет четную четность и нулевой спин, два фундаментальных атрибута бозона Хиггса. Это также означает, что это первая элементарная скалярная частица, обнаруженная в природе.

Элементарные бозоны, ответственные за четыре фундаментальные силы природы, называются силовыми частицами ( калибровочными бозонами ). Сильное взаимодействие опосредуется глюоном , слабое взаимодействие опосредуется W- и Z-бозонами, электромагнетизм опосредуется фотоном, а гравитация — гравитоном, который пока является гипотетическим.

Гипотетические частицы

Гравитон

Гравитон — это гипотетическая частица, которая была включена в некоторые расширения стандартной модели для передачи гравитационной силы. Он находится в особой категории между известными и гипотетическими частицами: как ненаблюдаемая частица, которая не предсказывается и не требуется Стандартной моделью , он принадлежит к таблице гипотетических частиц ниже. Но сама гравитационная сила — это определенность, и выражение этой известной силы в рамках квантовой теории поля требует бозона для ее передачи.

Если он существует, ожидается, что гравитон будет безмассовым , поскольку гравитационная сила имеет очень большой радиус действия и, по-видимому, распространяется со скоростью света. Гравитон должен быть бозоном со спином -2 , поскольку источником гравитации является тензор энергии-импульса , тензор второго порядка (по сравнению с фотоном со спином 1 электромагнетизма , источником которого является 4-ток , тензор первого порядка). Кроме того, можно показать, что любое безмассовое поле со спином 2 породит силу, неотличимую от гравитации, поскольку безмассовое поле со спином 2 будет связываться с тензором энергии-импульса таким же образом, как это делают гравитационные взаимодействия. Этот результат предполагает, что если будет обнаружена безмассовая частица со спином 2, то это должен быть гравитон. ^[12]

Частицы, предсказанные суперсимметричными теориями

Суперсимметричные теории предсказывают существование большего количества частиц, ни одна из которых не подтверждена экспериментально.

Так же, как фотон, Z-бозон и W ^±  -бозоны являются суперпозициями полей B0 ^, W0 ^, W1 ^и W2 ^, фотино, зино и вино ^± являются суперпозициями бино0 , вино0 ^, вино1 ^и вино2 ^{. Независимо от того, используем ли мы исходные гейджино или эти} суперпозиции в качестве основы, единственными предсказанными физическими частицами являются нейтралино и чарджино как их суперпозиция вместе с хиггсино.

Другие гипотетические бозоны и фермионы

Другие теории предсказывают существование дополнительных элементарных бозонов и фермионов, а некоторые теории также постулируют наличие дополнительных суперпартнеров для этих частиц:

Другие гипотетические элементарные частицы

• Дублеты Хиггса предполагаются некоторыми физическими теориями, выходящими за рамки стандартной модели .
• Башни Калуцы–Клейна частиц предсказываются некоторыми моделями дополнительных измерений. Импульс дополнительных измерений проявляется как дополнительная масса в четырехмерном пространстве-времени.
• Лептокварки — это бозоны, несущие как барионные , так и лептонные числа, предсказанные различными расширениями Стандартной модели, такими как теории техниколора .
• Зеркальные частицы предсказываются теориями, восстанавливающими симметрию четности .
• " Магнитный монополь " - это общее название для частиц с ненулевым магнитным зарядом. Они предсказываются некоторыми теориями великого объединения.
• Предполагалось, что преоны являются субчастицами кварков и лептонов, но современные эксперименты на коллайдерах практически исключили их существование.

Композитные частицы

Составные частицы — это связанные состояния элементарных частиц.

Адроны

Адроны определяются как сильно взаимодействующие составные частицы . Адроны бывают:

• Составные фермионы (особенно 3 кварка), в этом случае они называются барионами .
• Составные бозоны (особенно 2 кварка), в этом случае они называются мезонами .

Кварковые модели , впервые предложенные в 1964 году независимо друг от друга Мюрреем Гелл-Манном и Джорджем Цвейгом (называвшим кварки «асами»), описывают известные адроны как состоящие из валентных кварков и/или антикварков, тесно связанных цветовой силой , которая передается глюонами . (Взаимодействие между кварками и глюонами описывается теорией квантовой хромодинамики .) В каждом адроне также присутствует «море» виртуальных пар кварк-антикварк.

Барионы

Комбинация трех u, d или s-кварков с общим спином ⁠3/2⁠ образуют так называемый «барионный декуплет».

Структура кварка протона: 2 верхних кварка и 1 нижний кварк.

Обычные барионы (составные фермионы ) содержат по три валентных кварка или по три валентных антикварка каждый.

• Нуклоны — это фермионные составляющие обычных атомных ядер:
  • Протоны , состоящие из двух верхних и одного нижнего кварка (uud)
  • Нейтроны , состоящие из двух нижних и одного верхнего кварка (ddu)
• Гипероны , такие как частицы Λ, Σ, Ξ и Ω, которые содержат один или несколько странных кварков , являются короткоживущими и тяжелее нуклонов. Хотя они обычно не присутствуют в атомных ядрах, они могут появляться в короткоживущих гиперядрах .
• Также было обнаружено некоторое количество очарованных и нижних барионов.
• Пентакварки состоят из четырех валентных кварков и одного валентного антикварка.
• Могут существовать и другие экзотические барионы .

Мезоны

Мезоны со спином 0 образуют нонет.

Обычные мезоны состоят из валентного кварка и валентного антикварка . Поскольку мезоны имеют целый спин (0 или 1) и сами по себе не являются элементарными частицами, они классифицируются как «составные» бозоны , хотя и состоят из элементарных фермионов . Примерами мезонов являются пион , каон и J/ψ . В квантовой адродинамике мезоны являются посредниками остаточного сильного взаимодействия между нуклонами.

В то или иное время сообщалось о положительных сигнатурах всех перечисленных ниже экзотических мезонов , но их существование еще не подтверждено.

• Тетракварк состоит из двух валентных кварков и двух валентных антикварков ;
• Глюбол — это связанное состояние глюонов без валентных кварков;
• Гибридные мезоны состоят из одной или нескольких валентных пар кварк-антикварк и одного или нескольких реальных глюонов.

Атомные ядра

Полуточное изображение атома гелия . В ядре протоны красные, а нейтроны фиолетовые. В действительности ядро ​​также сферически симметрично .

Атомные ядра обычно состоят из протонов и нейтронов, хотя экзотические ядра могут состоять из других барионов, таких как гипертритон , который содержит гиперон . Эти барионы (протоны, нейтроны, гипероны и т. д.), которые составляют ядро, называются нуклонами. Каждый тип ядра называется « нуклидом », и каждый нуклид определяется определенным числом каждого типа нуклонов.

• « Изотопы » — это нуклиды, имеющие одинаковое число протонов, но разное число нейтронов.
• Наоборот, « изотонами » называют нуклиды, имеющие одинаковое число нейтронов, но разное число протонов.
• " Изобары " - это нуклиды, которые имеют одинаковое общее число нуклонов, но различаются числом каждого типа нуклонов. Ядерные реакции могут превращать один нуклид в другой.

Атомы

Атомы — это мельчайшие нейтральные частицы, на которые можно разделить материю с помощью химических реакций . Атом состоит из небольшого тяжелого ядра, окруженного относительно большим легким облаком электронов. Атомное ядро ​​состоит из 1 или более протонов и 0 или более нейтронов. Протоны и нейтроны, в свою очередь, состоят из кварков. Каждый тип атома соответствует определенному химическому элементу . На сегодняшний день открыто или создано 118 элементов.

Экзотические атомы могут состоять из частиц в дополнение к протонам, нейтронам и электронам или вместо них, например, гипероны или мюоны. Примеры включают пионий (
π⁻
 
π⁺
) и атомы кваркония .

Лептонные атомы

Лептонные атомы, называемые с помощью - оний , являются экзотическими атомами, образованными связанным состоянием лептона и антилептона. Примерами таких атомов являются позитроний (
е⁻
 
е⁺
), мюоний (
е⁻
 
μ⁺
), и " истинный мюоний " (
μ⁻
 
μ⁺
). Из них позитроний и мюоний были обнаружены экспериментально, тогда как «истинный мюоний» остаётся лишь теоретическим.

Молекулы

Молекулы — это мельчайшие частицы, на которые можно разделить вещество, сохранив его химические свойства. Каждый тип молекул соответствует определенному химическому веществу . Молекула — это соединение двух или более атомов. Атомы объединяются в фиксированной пропорции, образуя молекулу. Молекула — одна из самых основных единиц материи.

Ионы

Ионы — это заряженные атомы ( одноатомные ионы ) или молекулы ( многоатомные ионы ). Они включают катионы, которые имеют суммарный положительный заряд, и анионы, которые имеют суммарный отрицательный заряд.

Квазичастицы

Квазичастицы — это эффективные частицы, которые существуют во многих системах частиц. Уравнения поля физики конденсированных сред удивительно похожи на уравнения физики частиц высоких энергий. В результате большая часть теории физики частиц применима и к физике конденсированных сред; в частности, существует выбор возбуждений поля, называемых квазичастицами , которые можно создавать и исследовать. К ним относятся:

• Энионы представляют собой обобщение фермионов и бозонов в двумерных системах, таких как листы графена , которые подчиняются статистике кос .
• Дислоны представляют собой локализованные коллективные возбуждения кристаллической дислокации вокруг статического смещения.
• Экситоны — это связанные состояния электрона и дырки .
• Хопфионы — это топологические солитоны, являющиеся трехмерным аналогом скирмиона.
• Магноны — это когерентные возбуждения электронных спинов в материале.
• Фононы — это колебательные моды в кристаллической решетке .
• Плазмоны — это когерентные возбуждения плазмы .
• Плектоны — это теоретический тип частиц, рассматриваемый как обобщение статистики кос анионов на более чем два измерения.
• Поляритоны представляют собой смеси фотонов с другими квазичастицами.
• Поляроны — это движущиеся заряженные (квази-)частицы, окруженные ионами в материале.
• Скирмионы представляют собой топологическое решение пионного поля, используемое для моделирования низкоэнергетических свойств нуклона , таких как связь аксиального векторного тока и масса.

Кандидаты на темную материю

Следующие категории не являются уникальными или отдельными: например, либо WIMP , либо WISP также являются FIP .

• WIMP (слабо взаимодействующая массивная частица) — это любая из множества частиц, которые могли бы объяснить темную материю (например, нейтралино или стерильное нейтрино ).
• Слабовзаимодействующая тонкая частица (WISP ) — это любая из множества частиц малой массы, которые могли бы объяснить темную материю (например, аксион ).
• GIMP (гравитационно взаимодействующая массивная частица) — это частица, которая дает альтернативное объяснение темной материи, вместо вышеупомянутого WIMP.
• SIMP (сильно взаимодействующая массивная частица) — это частица, которая сильно взаимодействует между собой и слабо с обычной материей и может образовывать темную материю.
• СМП (стабильная массивная частица) — это частица, которая является долгоживущей и имеет значительную массу, которая может быть темной материей .
• Слабовзаимодействующая частица (СВП ) — это частица, которая очень слабо взаимодействует с обычной материей и может быть причиной темной материи.
• LSP (легчайшая суперсимметричная частица ) — это частица, обнаруженная в суперсимметричных моделях как претендент на WIMP.

Кандидаты на темную энергию

• Частица- хамелеон — возможный кандидат на темную энергию
• Частица Акселерона — еще один кандидат на темную энергию

Классификация по скорости

• Брадион ( или тардион) движется в вакууме медленнее скорости света и имеет ненулевую, действительную массу покоя .
• Люксон движется со скоростью света в вакууме и не имеет массы покоя .
• Тахион — гипотетическая частица, которая движется быстрее скорости света , поэтому она парадоксальным образом испытывает время в обратном направлении (из-за инверсии теории относительности ) и нарушает известные законы причинности . Тахион имеет мнимую массу покоя .

Другой

• Калороны , конечнотемпературное обобщение инстантонов.
• Дионы — гипотетические частицы, обладающие как электрическими, так и магнитными зарядами.
• Геоны — это электромагнитные или гравитационные волны, удерживаемые в ограниченной области гравитационным притяжением их собственного поля энергии.
• Голдстоуновские бозоны — это безмассовое возбуждение поля, которое было спонтанно нарушено . Пионы — это квазиголдстоуновские бозоны (квази-, потому что они не совсем безмассовые) нарушенной хиральной изоспиновой симметрии квантовой хромодинамики .
• Голдстино — это фермионы, возникающие в результате спонтанного нарушения суперсимметрии ; они являются суперсимметричным аналогом голдстоуновских бозонов.
• Сфалероны — это конфигурация поля, которая является седловой точкой уравнений поля Янга–Миллса . Сфалероны используются в непертурбативных расчетах нетуннельных скоростей.
• Инстантоны , конфигурация поля, которая является локальным минимумом уравнения поля Янга–Миллса. Инстантоны используются в непертурбативных расчетах скоростей туннелирования.
• Мерон , полевая конфигурация, которая является несамодуальным решением уравнения поля Янга–Миллса. Считается, что инстантон состоит из двух меронов.
• Партон — это общий термин, придуманный Фейнманом для субчастиц, составляющих составную частицу (в то время барион), поэтому изначально он относился к тому, что сейчас называется « кварками » и « глюонами ».
• Помероны , используемые для объяснения упругого рассеяния адронов и расположения полюсов Редже в теории Редже . Аналог оддеронов.
• Оддерон — частица, состоящая из нечетного числа глюонов, обнаруженная в 2021 году. Аналог померонов.
• Минизаряженные частицы — это гипотетические субатомные частицы, заряженные незначительной долей заряда электрона.
• Частицы с непрерывным спином — гипотетические безмассовые частицы, относящиеся к классификации представлений группы Пуанкаре.

Смотрите также

• Альтернативы стандартной модели Хиггса
• Хронон
• Хиральность и спиральность
• Список вымышленных элементов, материалов, изотопов и субатомных частиц
• Зоопарк частиц
• Шпурион – фиктивная «частица», математически вставленная в распад, чтобы проанализировать его так, как будто он сохраняет изоспин.
• Хронология открытий частиц

Ссылки

1. Сильви Брайбант; Джорджио Джакомелли; Маурицио Спурио (2012). Частицы и фундаментальные взаимодействия: Введение в физику элементарных частиц (1-е изд.). Springer . стр. 1. ISBN 978-94-007-2463-1.
2. Хачатрян, В.; и др. (CMS Collaboration) (2012). «Наблюдение нового бозона с массой 125 ГэВ с помощью эксперимента CMS на LHC». Physics Letters B . 716 (2012): 30–61. arXiv : 1207.7235 . Bibcode :2012PhLB..716...30C. doi :10.1016/j.physletb.2012.08.021.
3. Абаджян, Т.; и др. (Сотрудничество ATLAS) (2012). «Наблюдение новой частицы в ходе поиска бозона Хиггса Стандартной модели с помощью детектора ATLAS на Большом адронном коллайдере». Physics Letters B. 716 ( 2012): 1–29. arXiv : 1207.7214 . Bibcode : 2012PhLB..716....1A. doi : 10.1016/j.physletb.2012.08.020. S2CID  119169617.
4. Кайзер, Борис (2010). «Два вопроса о нейтрино». arXiv : 1012.4469 [hep-ph].
5. "Легкие кварки (u, d, s)". pdglive.lbl.gov . Particle Data Group . Получено 24 сентября 2024 г. .
6. "c quark". pdglive.lbl.gov . Particle Data Group . Получено 24 сентября 2024 г. .
7. "b quark". pdglive.lbl.gov . Particle Data Group . Получено 24 сентября 2024 г. .
8. "t quark". pdglive.lbl.gov . Particle Data Group . Получено 24 сентября 2024 г. .
9. Particle Data Group (2016). "Обзор физики элементарных частиц". Chinese Physics C. 40 ( 10): 100001. Bibcode :2016ChPhC..40j0001P. doi :10.1088/1674-1137/40/10/100001. hdl : 1983/c6dc3926-daee-4d0e-9149-5ff3a8120574 . S2CID  125766528.
10. "2022 CODATA Value: эквивалент энергии массы электрона в МэВ". Справочник NIST по константам, единицам и неопределенности . NIST . Май 2024. Получено 2024-05-18 .
11. "2022 CODATA Value: мюонная масса, эквивалентная энергии в МэВ". Справочник NIST по константам, единицам и неопределенности . NIST . Май 2024. Получено 2024-05-18 .
12. Для сравнения геометрического вывода и (негеометрического) вывода поля спина 2 общей теории относительности см. вставку 18.1 (а также 17.2.5) Misner, CW ; Thorne, KS ; Wheeler, JA (1973). Гравитация . WH Freeman . ISBN 0-7167-0344-0.
13. Maartens, R. (2004). "Brane-worldgravity" (PDF) . Living Reviews in Relativity . 7 (1): 7. arXiv : gr-qc/0312059 . Bibcode :2004LRR.....7....7M. doi : 10.12942/lrr-2004-7 . PMC 5255527 . PMID  28163642. 
14. Салам, А. (1966). «Магнитный монополь и двухфотонные теории нарушения С». Physics Letters . 22 (5): 683–684. Bibcode : 1966PhL....22..683S. doi : 10.1016/0031-9163(66)90704-9.