В физике субатомная частица — это частица меньше атома . [1] Согласно Стандартной модели физики элементарных частиц , субатомная частица может быть либо сложной частицей , состоящей из других частиц (например, барионом , таким как протон или нейтрон , состоящим из трех кварков ; или мезоном ). , состоящая из двух кварков), или элементарная частица , не состоящая из других частиц (например, кварков ; или электронов , мюонов и тау- частиц, которые называются лептонами ). [2] Физика элементарных частиц и ядерная физика изучают эти частицы и то, как они взаимодействуют. [3] Большинство частиц, несущих силу, таких как фотоны или глюоны , называются бозонами и, хотя они имеют дискретные кванты энергии, не имеют массы покоя или дискретных диаметров (кроме длины волны чистой энергии) и отличаются от первых частиц, которые имеют массу покоя и не могут перекрываться или объединяться, которые называются фермионами .
Эксперименты показывают, что свет может вести себя как поток частиц (называемых фотонами ), а также проявлять волновые свойства. Это привело к появлению концепции корпускулярно-волнового дуализма , отражающей то, что частицы квантового масштаба ведут себя как как частицы, так и как волны ; чтобы отразить это, их иногда называют волнами . [4]
Другая концепция, принцип неопределенности , утверждает, что некоторые из их свойств, вместе взятые, такие как их одновременное положение и импульс , не могут быть точно измерены. [5] Было показано, что корпускулярно-волновой дуализм применим не только к фотонам, но и к более массивным частицам. [6]
Взаимодействия частиц в рамках квантовой теории поля понимаются как рождение и уничтожение квантов соответствующих фундаментальных взаимодействий . Это объединяет физику элементарных частиц с теорией поля .
Даже среди физиков элементарных частиц точное определение частицы имеет различные описания. Эти профессиональные попытки дать определение частицы включают: [7]
Субатомные частицы либо «элементарные», то есть не состоящие из множества других частиц, либо «составные» и состоящие из более чем одной элементарной частицы, связанной вместе.
Элементарными частицами Стандартной модели являются: [8]
Все они теперь открыты посредством экспериментов, последними из которых являются топ-кварк (1995 г.), тау-нейтрино (2000 г.) и бозон Хиггса (2012 г.).
Различные расширения Стандартной модели предсказывают существование элементарной частицы гравитона и многих других элементарных частиц , но по состоянию на 2021 год ни одна из них не была обнаружена.
Слово «адрон» происходит от греческого языка и было введено в 1962 году Львом Окуном . [9] Почти все составные частицы содержат несколько кварков (и/или антикварков), связанных между собой глюонами (за некоторыми исключениями, в которых кварки отсутствуют, например, позитроний и мюоний ). Те, которые содержат мало (≤ 5) кварков (включая антикварки), называются адронами . Из-за свойства, известного как ограничение цвета , кварки никогда не встречаются по отдельности, а всегда встречаются в адронах, содержащих несколько кварков. Адроны делятся по числу кварков (включая антикварки) на барионы , содержащие нечетное число кварков (почти всегда 3), из которых наиболее известны протон и нейтрон (два нуклона ); и мезоны , содержащие четное число кварков (почти всегда 2, один кварк и один антикварк), из которых наиболее известны пионы и каоны .
За исключением протона и нейтрона, все остальные адроны нестабильны и распадаются на другие частицы за микросекунды или меньше. Протон состоит из двух верхних кварков и одного нижнего кварка , а нейтрон — 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 композиты, подобные ядру; те, которые это делают (кроме протона и нейтрона), образуют экзотические ядра .
Любая субатомная частица, как и любая частица в трёхмерном пространстве , подчиняющаяся законам квантовой механики , может быть либо бозоном (с целым спином ), либо фермионом (с нечётным полуцелым спином).
В Стандартной модели все элементарные фермионы имеют спин 1/2 и делятся на кварки , несущие цветовой заряд и, следовательно, ощущающие сильное взаимодействие, и лептоны , которые этого не делают. К элементарным бозонам относятся калибровочные бозоны (фотоны, W и Z, глюоны) со спином 1, а бозон Хиггса — единственная элементарная частица со спином ноль.
Гипотетический гравитон теоретически должен иметь спин 2, но не является частью Стандартной модели. Некоторые расширения, такие как суперсимметрия , предсказывают дополнительные элементарные частицы со спином 3/2, но по состоянию на 2021 год ни одна из них не была обнаружена.
В соответствии с законами спина составных частиц барионы (3 кварка) имеют спин либо 1/2, либо 3/2 и, следовательно, являются фермионами; мезоны (2 кварка) имеют целый спин 0 или 1 и, следовательно, являются бозонами.
В специальной теории относительности энергия покоящейся частицы равна произведению ее массы на квадрат скорости света , E = mc 2 . То есть массу можно выразить через энергию и наоборот. Если частица имеет систему отсчета , в которой она покоится , то она имеет положительную массу покоя и называется массивной .
Все составные частицы массивны. Барионы (что означает «тяжелый»), как правило, имеют большую массу, чем мезоны (что означает «промежуточные»), которые, в свою очередь, имеют тенденцию быть тяжелее, чем лептоны (что означает «легкий»), но самый тяжелый лептон ( тау-частица ) тяжелее, чем два легчайших аромата барионов ( нуклонов ). Также несомненно, что любая частица с электрическим зарядом является массивной.
При первоначальном определении в 1950-х годах термины «барионы», «мезоны» и «лептоны» относились к массам; однако после того, как в 1970-х годах была принята модель кварков, было признано, что барионы представляют собой составные части трех кварков, мезоны представляют собой составные части 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 изолировать невозможно.
Большинство субатомных частиц нестабильны. Все лептоны, а также барионы распадаются либо под действием сильного, либо слабого взаимодействия (кроме протона). Протоны, как известно, не распадаются , хотя неизвестно, являются ли они «действительно» стабильными, поскольку некоторые очень важные Теории Великого Объединения (GUT) фактически требуют этого. Мюоны μ и τ, как и их античастицы, распадаются под действием слабого взаимодействия. Нейтрино (и антинейтрино) не распадаются, но считается, что родственное явление нейтринных осцилляций существует даже в вакууме. Электрон и его античастица, позитрон , теоретически стабильны из-за сохранения заряда , если только не существует более легкой частицы с величиной электрического заряда ≤ e (что маловероятно). Его заряд пока не показан.
Все наблюдаемые субатомные частицы имеют электрический заряд, кратный элементарному заряду . Кварки Стандартной модели имеют «нецелые» электрические заряды, а именно кратные1/3 e , но кварки (и другие комбинации с нецелым электрическим зарядом) не могут быть изолированы из-за ограничения цвета . Для барионов, мезонов и их античастиц заряды составляющих кварков в сумме составляют целое число, кратное e .
Благодаря работам Альберта Эйнштейна , Сатьендры Нат Бозе , Луи де Бройля и многих других современная научная теория утверждает, что все частицы также имеют волновую природу. [10] Это было подтверждено не только для элементарных частиц, но и для сложных частиц, таких как атомы и даже молекулы. Фактически, согласно традиционным формулировкам нерелятивистской квантовой механики, корпускулярно-волновой дуализм применим ко всем объектам, даже к макроскопическим; хотя волновые свойства макроскопических объектов не могут быть обнаружены из-за их малых длин волн. [11]
Взаимодействия между частицами изучались на протяжении многих столетий, и несколько простых законов лежат в основе того, как частицы ведут себя при столкновениях и взаимодействиях. Наиболее фундаментальными из них являются законы сохранения энергии и сохранения импульса , которые позволяют нам производить расчеты взаимодействий частиц в масштабах от звезд до кварков . [12] Это обязательные основы ньютоновской механики , серия утверждений и уравнений в Philosophiae Naturalis Principia Mathematica , первоначально опубликованной в 1687 году.
Отрицательно заряженный электрон имеет массу около1/1836 г.чем у атома водорода . Остальная часть массы атома водорода принадлежит положительно заряженному протону . Атомный номер элемента — это число протонов в его ядре. Нейтроны — это нейтральные частицы, имеющие массу, немного превышающую массу протона. Разные изотопы одного и того же элемента содержат одинаковое количество протонов, но разное количество нейтронов. Массовое число изотопа — это общее число нуклонов (нейтронов и протонов вместе взятых).
Химия занимается изучением того, как обмен электронами связывает атомы в такие структуры, как кристаллы и молекулы . Субатомными частицами, которые считаются важными для понимания химии, являются электрон , протон и нейтрон . Ядерная физика изучает, как протоны и нейтроны располагаются в ядрах. Для изучения субатомных частиц, атомов и молекул, их структуры и взаимодействий необходима квантовая механика . Для анализа процессов, которые изменяют количество и типы частиц, необходима квантовая теория поля . Изучение субатомных частиц как таковое называется физикой элементарных частиц . Термин «физика высоких энергий » почти синоним «физики элементарных частиц», поскольку создание частиц требует высоких энергий: это происходит только в результате космических лучей или в ускорителях частиц . Феноменология частиц систематизирует знания о субатомных частицах, полученные в результате этих экспериментов. [13]
Термин « субатомная частица» во многом является ретронимом 1960-х годов, который использовался для того, чтобы отличать большое количество барионов и мезонов (которые включают адроны ) от частиц, которые сейчас считаются действительно элементарными . До этого адроны обычно относили к «элементарным», поскольку их состав был неизвестен.
Список важных открытий следующий:
Модель фотона с конечным полем является одновременно частицей и волной, и поэтому мы называем ее Эддингтоновым именем «волна».
И для больших, и для малых длин волн материя и излучение имеют как корпускулярный, так и волновой аспекты. [...] Но волновые аспекты их движения становится труднее наблюдать, поскольку их длины волн становятся короче. [...] Для обычных макроскопических частиц масса настолько велика, что импульс всегда достаточно велик, чтобы сделать длину волны де Бройля достаточно маленькой, чтобы выйти за пределы экспериментального обнаружения, и классическая механика безраздельно господствует.
