В физике субатомная частица — это частица , которая меньше атома . [1] Согласно Стандартной модели физики элементарных частиц , субатомная частица может быть либо составной частицей , которая состоит из других частиц (например, барион , как протон или нейтрон , состоящий из трех кварков ; или мезон , состоящий из двух кварков), либо элементарной частицей , которая не состоит 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, переносящих силу, таких как фотоны или глюоны, называются бозонами и, хотя они имеют кванты энергии, не имеют массы покоя или дискретных диаметров (кроме чистой длины волны энергии) и в отличие от прежних частиц, которые имеют массу покоя и не могут перекрываться или объединяться, которые называются фермионами . Однако W- и Z-бозоны являются исключением из этого правила и имеют относительно большие массы покоя, приблизительно 80 ГэВ и 90 ГэВ соответственно.
Эксперименты показывают, что свет может вести себя как поток частиц (называемых фотонами ), а также проявлять волноподобные свойства. Это привело к концепции дуализма волна-частица, отражающей, что частицы квантового масштаба ведут себя и как частицы, и как волны ; иногда их называют волниками, чтобы отразить это. [4]
Другая концепция, принцип неопределенности , утверждает, что некоторые из их свойств, взятые вместе, такие как их одновременное положение и импульс , не могут быть измерены точно. [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 совмещает физику элементарных частиц с теорией поля .
Даже среди физиков-частиц точное определение частицы имеет различные описания. Эти профессиональные попытки определения частицы включают: [7]
Субатомные частицы являются либо «элементарными», т.е. не состоящими из множества других частиц, либо «составными», то есть состоящими из более чем одной элементарной частицы, связанной вместе.
Элементарные частицы Стандартной модели : [8]
Все они были обнаружены в ходе экспериментов, последними из которых стали топ-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 2021 год ни одна из них не была обнаружена.
Слово адрон происходит от греческого языка и было введено в 1962 году Львом Окунем . [9] Почти все составные частицы содержат несколько кварков (и/или антикварков), связанных вместе глюонами (за несколькими исключениями без кварков, такими как позитроний и мюоний ). Те, которые содержат несколько (≤ 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 количеству кварков (включая антикварки) на барионы , содержащие нечетное количество кварков (почти всегда 3), из которых протон и нейтрон (два нуклона ) являются наиболее известными; и мезоны, содержащие четное количество кварков (почти всегда 2, один кварк и один антикварк), из которых пионы и каоны являются наиболее известными.
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 , в то время как 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 связываться в ядерно-подобные композиты; те, которые это делают (кроме протона и нейтрона), образуют экзотические ядра .
Любая субатомная частица, как и любая частица в трехмерном пространстве , подчиняющаяся законам квантовой механики , может быть либо бозоном (с целым спином ), либо фермионом (с нечетным 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 его не чувствуют. Элементарные бозоны включают калибровочные бозоны (фотон, W и Z, глюоны) со спином 1, в то время как бозон Хиггса является единственной элементарной частицей 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 ни одна из них не была обнаружена по состоянию на 2021 год.
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, равный либо 0, либо 1, и, следовательно, являются бозонами.
В специальной теории относительности энергия покоящейся частицы равна ее массе, умноженной на квадрат скорости света , E = mc 2 . То есть, масса может быть выражена через энергию и наоборот. Если у частицы есть система отсчета , в которой она находится в состоянии покоя , то она имеет положительную массу покоя и называется массивной .
Все составные частицы массивны. Барионы (что означает «тяжелые»), как правило, имеют большую массу, чем мезоны (что означает «промежуточные»), которые, в свою очередь, имеют тенденцию быть тяжелее лептонов (что означает «легкие»), но самый тяжелый лептон ( частица тау ) тяжелее двух самых легких разновидностей барионов ( нуклонов ). Также несомненно, что любая частица с электрическим зарядом массивна.
Первоначально термины барионы, мезоны и лептоны были определены в 1950-х годах и относились к массам. Однако после того, как в 1970-х годах была принята кварковая модель, было признано, что барионы состоят из трех кварков, мезоны состоят из одного кварка и одного антикварка, а лептоны являются элементарными частицами 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.
Большинство субатомных частиц нестабильны. Все лептоны, а также барионы распадаются либо под действием сильного, либо слабого взаимодействия (за исключением протона). Известно, что протоны не распадаются , хотя неизвестно, являются ли они «истинно» стабильными, поскольку некоторые очень важные теории великого объединения (GUT) на самом деле требуют этого. Мюоны μ и τ, а также 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 легкая частица с величиной электрического заряда ≤ e (что маловероятно). Его заряд пока не показан.
Все наблюдаемые субатомные частицы имеют свой электрический заряд, 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 ограничения цвета . Для барионов, мезонов и их античастиц заряды составляющих кварков в сумме составляют целое кратное e .
Благодаря работам Альберта Эйнштейна , Сатьендраната Бозе , Луи де Бройля и многих других современная научная теория утверждает, что все частицы также имеют волновую природу. [10] Это было проверено 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 макроскопическим; хотя волновые свойства макроскопических объектов не могут быть обнаружены из-за их малых длин волн. [11]
Взаимодействия между частицами тщательно изучались в течение 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 величин, которые варьируются от звезд до кварков . [12] Это предварительные основы ньютоновской механики , серии утверждений и уравнений в Philosophiae Naturalis Principia Mathematica , первоначально опубликованных в 1687 году.
Отрицательно заряженный электрон имеет массу около 1/1836 массы атома водорода . Остальная часть массы атома водорода приходится на положительно заряженный протон . Атомный номер элемента — это число протонов в его ядре. Нейтроны — это нейтральные частицы, масса которых немного больше массы протона. Различные изотопы одного и того же элемента содержат одинаковое число протонов, но разное число нейтронов. Массовое число изотопа — это общее число нуклонов (нейтронов и протонов вместе взятых).
Химия занимается тем, как электронное совместное использование связывает атомы в такие структуры, как кристаллы и молекулы . Субатомные частицы, которые считаются важными для понимания химии, — это электрон , протон и нейтрон . Ядерная физика занимается тем, как протоны и нейтроны располагаются в ядрах. Изучение субатомных частиц, атомов и молекул, а также их структуры и взаимодействий требует квантовой механики . Анализ процессов, которые изменяют количество и типы частиц, требует квантовой теории поля . Изучение субатомных частиц как таковых называется физикой частиц . Термин физика высоких энергий почти синонимичен «физике частиц», поскольку создание частиц требует высоких энергий: оно 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» в значительной степени является ретронимом 1960-х годов, используемым для различения большого количества барионов и мезонов (которые составляют адроны ) от частиц, которые теперь считаются истинно элементарными . До этого адроны обычно классифицировались как «элементарные», поскольку их состав был неизвестен.
Ниже приведен список важных открытий:
Модель фотона с конечным полем является как частицей, так и волной, и поэтому мы называем ее именем Эддингтона «волновка».
Как для больших, так и для малых длин волн, как материя, так и излучение имеют как корпускулярные, так и волновые аспекты. [...] Но волновые аспекты их движения становится все труднее наблюдать по мере того, как их длины волн становятся короче. [...] Для обычных макроскопических частиц масса настолько велика, что импульс всегда достаточно велик, чтобы сделать длину волны де Бройля достаточно малой, чтобы она находилась за пределами диапазона экспериментального обнаружения, и классическая механика господствует безраздельно.
