В физике элементарных частиц элементарная частица или фундаментальная частица — это субатомная частица , не состоящая из других частиц. [1] В настоящее время Стандартная модель признает семнадцать различных частиц — двенадцать фермионов и пять бозонов . Известно , что в результате сочетания ароматов и цветов , а также антиматерии фермионы и бозоны имеют 48 и 13 вариаций соответственно. [2] Среди 61 элементарной частицы, входящей в число Стандартной модели: электроны и другие лептоны , кварки и фундаментальные бозоны . Субатомные частицы, такие как протоны или нейтроны , которые содержат две или более элементарные частицы, известны как составные частицы .
Обычная материя состоит из атомов , которые когда-то считались неделимыми элементарными частицами. Название атом происходит от древнегреческого слова ἄτομος (атомос), что означает неделимый или неразрезаемый . Несмотря на теории об атомах , существовавшие тысячи лет , фактическое существование атомов оставалось спорным до 1905 года. В этом году Альберт Эйнштейн опубликовал свою статью о броуновском движении , положив конец теориям, которые считали молекулы математическими иллюзиями и утверждали, что материя в конечном итоге состоял из различных концентраций энергии . [1] [3]
Субатомные составляющие атома были впервые идентифицированы в конце XIX века , начиная с электрона , за ним следовали протон в 1919 году, фотон в 1920-х годах и нейтрон в 1932 году . механика радикально изменила определение «частицы», выдвинув понимание, согласно которому они одновременно существуют в виде волн материи . [4] [5]
Многие теоретические разработки по Стандартной модели и за ее пределами были сделаны с момента ее кодификации в 1970-х годах. К ним относятся понятия суперсимметрии , которые удваивают число элементарных частиц, предполагая, что каждая известная частица связана с «теневым» партнером, гораздо более массивным. [6] [7] Однако, как и дополнительный элементарный бозон , обеспечивающий гравитацию, такие суперпартнеры остаются неоткрытыми по состоянию на 2024 год. [8] [9] [1]
Все элементарные частицы являются либо бозонами , либо фермионами . Эти классы отличаются своей квантовой статистикой : фермионы подчиняются статистике Ферми – Дирака , а бозоны подчиняются статистике Бозе – Эйнштейна . [1] Их спин дифференцируется с помощью теоремы о спин-статистике : он полуцелый для фермионов и целый для бозонов.
Примечания :
[†]Антиэлектрон (
е+
) условно называют « позитроном ».
[‡]Все известные бозоны-носители силы имеют спин = 1. Гипотетический гравитон имеет спин = 2; неизвестно, является ли это также калибровочным бозоном.
В Стандартной модели элементарные частицы для целей прогнозирования представлены как точечные частицы . Хотя Стандартная модель чрезвычайно успешна, она ограничена отсутствием гравитации и произвольно добавленными, но необъяснимыми параметрами. [10]
Согласно современным моделям нуклеосинтеза Большого взрыва , первичный состав видимой материи Вселенной должен составлять около 75% водорода и 25% гелия-4 (по массе). Нейтроны состоят из одного верхнего и двух нижних кварков, а протоны — из двух верхних и одного нижнего кварка. Поскольку другие распространенные элементарные частицы (такие как электроны, нейтрино или слабые бозоны) настолько легки или настолько редки по сравнению с атомными ядрами, мы можем пренебречь их массовым вкладом в общую массу наблюдаемой Вселенной. Следовательно, можно сделать вывод, что большая часть видимой массы Вселенной состоит из протонов и нейтронов, которые, как и все барионы , в свою очередь состоят из верхних и нижних кварков.
По некоторым оценкам, их около 10.80 барионов (почти полностью протонов и нейтронов) в наблюдаемой Вселенной. [ нужна цитата ]
Число протонов в наблюдаемой Вселенной называется числом Эддингтона .
Что касается количества частиц, некоторые оценки подразумевают, что почти вся материя, за исключением темной материи , находится в нейтрино, которые составляют большую часть из примерно 10 частиц.86 элементарных частиц материи, существующих в видимой Вселенной. [11] По другим оценкам, примерно 10В видимой Вселенной существует 97 элементарных частиц (не считая темной материи ), в основном фотоны и другие безмассовые носители силы. [11]
Стандартная модель физики элементарных частиц содержит 12 разновидностей элементарных фермионов плюс соответствующие им античастицы , а также элементарные бозоны, которые являются посредниками в взаимодействиях, и бозон Хиггса , о котором сообщалось 4 июля 2012 года, который, вероятно, был обнаружен двумя основными эксперименты на Большом адронном коллайдере ( ATLAS и CMS ). [1] Однако широко распространено мнение, что Стандартная модель является предварительной теорией , а не действительно фундаментальной, поскольку неизвестно, совместима ли она с общей теорией относительности Эйнштейна . Могут существовать гипотетические элементарные частицы, не описываемые Стандартной моделью, такие как гравитон , частица, переносящая гравитационную силу , и счастицы , суперсимметричные партнеры обычных частиц. [12]
12 фундаментальных фермионов делятся на 3 поколения по 4 частицы в каждом. Половина фермионов — лептоны , три из которых имеют электрический заряд −1, называемый электроном (
е−
), мюон (
мкм−
) и тау (
τ−
); остальные три лептона — нейтрино (
ν
е,
ν
мкм,
ν
τ), которые являются единственными элементарными фермионами, не имеющими ни электрического, ни цветового заряда. Остальные шесть частиц — кварки (обсуждаются ниже).
В следующей таблице перечислены текущие измеренные массы и оценки масс для всех фермионов, используя одну и ту же шкалу измерения: миллионы электрон-вольт относительно квадрата скорости света (МэВ/с 2 ). Например, наиболее точно известная масса кварка принадлежит топ-кварку (
т
) в172,7 ГэВ/ c 2 или172 700 МэВ/ c 2 , оценено по схеме на оболочке .
Оценки значений масс кварков зависят от версии квантовой хромодинамики , используемой для описания кварковых взаимодействий. Кварки всегда заключены в оболочку из глюонов , которая придает гораздо большую массу мезонам и барионам , в которых встречаются кварки, поэтому значения масс кварков не могут быть измерены напрямую. Поскольку их массы настолько малы по сравнению с эффективной массой окружающих глюонов, небольшие различия в расчетах приводят к большим различиям в массах.
Есть также 12 фундаментальных фермионных античастиц, соответствующих этим 12 частицам. Например, антиэлектрон (позитрон)
е+
является античастицей электрона и имеет электрический заряд +1.
Изолированные кварки и антикварки никогда не были обнаружены, и этот факт объясняется конфайнментом . Каждый кварк несет один из трех цветных зарядов сильного взаимодействия ; антикварки также несут антицвет. Частицы с цветным зарядом взаимодействуют посредством глюонного обмена точно так же, как заряженные частицы взаимодействуют посредством обмена фотонами . Однако глюоны сами по себе заряжены цветом, что приводит к усилению сильного взаимодействия по мере разделения частиц с цветовым зарядом. В отличие от электромагнитной силы , которая уменьшается по мере разделения заряженных частиц, частицы с цветовым зарядом ощущают возрастающую силу.
Тем не менее, частицы с цветовым зарядом могут объединяться, образуя составные частицы нейтрального цвета , называемые адронами . Кварк может образовывать пару с антикварком: у кварка есть цвет, а у антикварка — соответствующий антицвет. Цвет и антицвет взаимно компенсируются, образуя нейтральный по цвету мезон . Альтернативно, три кварка могут существовать вместе: один кварк «красный», другой «синий», третий «зеленый». Эти три цветных кварка вместе образуют нейтральный по цвету барион . Симметрично три антикварка цветов «антикрасный», «антисиний» и «антизеленый» могут образовывать нейтральный по цвету антибарион .
Кварки также несут дробные электрические заряды , но, поскольку они заключены в адроны, заряды которых являются целыми, дробные заряды никогда не были изолированы. Обратите внимание, что кварки имеют электрические заряды либо + 2 ⁄ 3 , либо - 1 ⁄ 3 , тогда как антикварки имеют соответствующие электрические заряды либо - 2 ⁄ 3 , либо + 1 ⁄ 3 .
Доказательства существования кварков получены в результате глубоко неупругого рассеяния : стрельбы электронами по ядрам для определения распределения заряда внутри нуклонов (которые являются барионами). Если заряд однороден, электрическое поле вокруг протона должно быть однородным и электрон должен упруго рассеиваться. Электроны с низкой энергией действительно рассеиваются таким образом, но при энергии выше определенной протоны отклоняют некоторые электроны на большие углы. Откатывающийся электрон имеет гораздо меньшую энергию и испускает струю частиц . Это неупругое рассеяние предполагает, что заряд протона не однороден, а разделен между более мелкими заряженными частицами: кварками.
В Стандартной модели векторные бозоны ( спин -1) ( глюоны , фотоны , а также W- и Z-бозоны ) передают силы, тогда как бозон Хиггса (спин-0) отвечает за внутреннюю массу частиц. Бозоны отличаются от фермионов тем, что несколько бозонов могут занимать одно и то же квантовое состояние ( принцип Паули ). Кроме того, бозоны могут быть как элементарными, как фотоны, так и комбинацией, как мезоны . Спин бозонов является целым числом, а не полуцелым числом.
Глюоны опосредуют сильное взаимодействие , которое соединяет кварки и таким образом образует адроны , которые являются либо барионами (три кварка), либо мезонами (один кварк и один антикварк). Протоны и нейтроны — это барионы, соединенные глюонами и образующие атомное ядро . Подобно кваркам, глюоны проявляют цвет и антицвет – не связанные с концепцией визуального цвета, а скорее с сильными взаимодействиями частиц – иногда в комбинациях, всего восемь вариаций глюонов.
Существует три слабых калибровочных бозона : W + , W− и Z0 ; они опосредуют слабое взаимодействие . Бозоны W известны своим посредничеством в ядерном распаде: W - преобразует нейтрон в протон, а затем распадается на электрон и пару электрон-антинейтрино. Z 0 не преобразует аромат или заряд частиц, а скорее меняет импульс; это единственный механизм упругого рассеяния нейтрино. Слабые калибровочные бозоны были открыты благодаря изменению импульса электронов в результате обмена нейтрино-Z. Безмассовый фотон является посредником в электромагнитном взаимодействии . Эти четыре калибровочных бозона образуют электрослабое взаимодействие между элементарными частицами.
Хотя слабое и электромагнитное взаимодействия кажутся нам совершенно разными при повседневных энергиях, теоретически эти две силы объединяются в одно электрослабое взаимодействие при высоких энергиях. Это предсказание было четко подтверждено измерениями сечений рассеяния электронов-протонов высоких энергий на коллайдере HERA в DESY . Различия при низких энергиях являются следствием больших масс W- и Z-бозонов, которые, в свою очередь, являются следствием механизма Хиггса . В процессе спонтанного нарушения симметрии Хиггс выбирает особое направление в электрослабом пространстве, в результате чего три электрослабые частицы становятся очень тяжелыми (слабые бозоны), а одна остается с неопределенной массой покоя, поскольку она всегда находится в движении (фотон). . 4 июля 2012 года, после многих лет экспериментального поиска доказательств его существования, было объявлено, что бозон Хиггса наблюдался на Большом адроном коллайдере ЦЕРН. На объявлении присутствовал Питер Хиггс , который первым предположил существование бозона Хиггса. [14] Считается, что бозон Хиггса имеет массу около 125 ГэВ. [15] Статистическая значимость этого открытия была оценена как 5 сигм, что предполагает достоверность примерно 99,99994%. В физике элементарных частиц это уровень значимости, необходимый для того, чтобы официально назвать экспериментальные наблюдения открытием . Исследования свойств вновь открытой частицы продолжаются.
Гравитон — это гипотетическая элементарная частица со спином 2, которая, как предполагается, является посредником в гравитации . Хотя он остается неоткрытым из-за сложности его обнаружения , его иногда включают в таблицы элементарных частиц. [1] Обычный гравитон не имеет массы, хотя существуют некоторые модели, содержащие массивные гравитоны Калуцы–Клейна . [16]
Хотя экспериментальные данные в подавляющем большинстве подтверждают предсказания, полученные на основе Стандартной модели , некоторые из ее параметров были добавлены произвольно, не определены конкретным объяснением и остаются загадочными, например, проблема иерархии . Теории, выходящие за рамки Стандартной модели, пытаются устранить эти недостатки.
Одно из расширений Стандартной модели пытается объединить электрослабое и сильное взаимодействие в единую «теорию великого объединения» (GUT). Такая сила будет спонтанно расщеплена на три силы с помощью механизма, подобного Хиггсу . Предполагается, что этот распад происходит при высоких энергиях, что затрудняет наблюдение объединения в лаборатории. Самым драматичным предсказанием Великого объединения является существование X- и Y-бозонов , которые вызывают распад протона . Однако отсутствие наблюдения распада протона в нейтринной обсерватории Супер-Камиоканде исключает простейшие GUT, включая SU(5) и SO(10).
Суперсимметрия расширяет Стандартную модель, добавляя к лагранжиану еще один класс симметрий . Эти симметрии обменивают фермионные частицы на бозонные . Такая симметрия предсказывает существование суперсимметричных частиц , сокращенно счастиц , к которым относятся слептоны , скварки , нейтралино и чаргино . У каждой частицы в Стандартной модели должен быть суперпартнер, спин которого отличается на 1/2 от спина обычной частицы. Из-за нарушения суперсимметрии частицы намного тяжелее своих обычных аналогов; они настолько тяжелы, что существующие коллайдеры частиц не будут достаточно мощными для их производства. Некоторые физики полагают, что частицы будут обнаружены Большим адронным коллайдером в ЦЕРНе .
Теория струн — это модель физики, согласно которой все «частицы», составляющие материю , состоят из струн (размером с планковскую длину), которые существуют в 11-мерном (согласно М-теории , ведущей версии) или 12-мерном ( согласно F-теории [17] ) Вселенной. Эти струны вибрируют на разных частотах, которые определяют массу, электрический заряд, цветовой заряд и вращение. «Струна» может быть разомкнутой (линия) или замкнутой в петлю (одномерная сфера, то есть круг). Когда струна движется в пространстве, она сметает нечто, называемое мировым листом . Теория струн предсказывает наличие от 1 до 10 бран (1- брана представляет собой струну, а 10-брана представляет собой 10-мерный объект), которые предотвращают разрывы «ткани» пространства, используя принцип неопределенности (например, электрон, вращающийся вокруг У атома водорода есть вероятность, хотя и небольшая, что он может находиться где угодно во Вселенной в любой данный момент).
Теория струн предполагает, что наша Вселенная — это всего лишь 4-брана, внутри которой существуют три пространственных измерения и одно временное измерение, которое мы наблюдаем. Остальные семь теоретических измерений либо очень малы и свернуты (и слишком малы, чтобы быть доступными макроскопически), либо просто не существуют/не могут существовать в нашей Вселенной (потому что они существуют в более широкой схеме, называемой «мультивселенной » , за пределами нашей известной Вселенной).
Некоторые предсказания теории струн включают существование чрезвычайно массивных аналогов обычных частиц из-за колебательных возбуждений фундаментальной струны и существование безмассовой частицы со спином 2, ведущей себя как гравитон .
Теории Technicolor пытаются минимально модифицировать Стандартную модель, вводя новое взаимодействие, подобное КХД. Это означает, что добавляется новая теория так называемых техникварков, взаимодействующих через так называемые техниглюоны. Основная идея состоит в том, что бозон Хиггса — это не элементарная частица, а связанное состояние этих объектов.
Согласно теории преонов, существует один или несколько порядков частиц, более фундаментальных, чем те (или большинство из них), которые обнаружены в Стандартной модели. Наиболее фундаментальные из них обычно называют преонами, что происходит от «прекварков». По сути, теория преонов пытается сделать для Стандартной модели то же, что Стандартная модель сделала для зоопарка частиц , существовавшего до нее. Большинство моделей предполагают, что почти все в Стандартной модели можно объяснить с помощью трех-шести дополнительных фундаментальных частиц и правил, управляющих их взаимодействием. Интерес к преонам угас после того, как в 1980-х годах экспериментально были исключены простейшие модели.
Акселероны — это гипотетические субатомные частицы , которые неразрывно связывают вновь обретенную массу нейтрино с темной энергией, которая, как предполагается, ускоряет расширение Вселенной . [18]
Согласно этой теории, на нейтрино влияет новая сила, возникающая в результате их взаимодействия с акселеронами, что приводит к образованию темной энергии. Темная энергия возникает, когда Вселенная пытается разделить нейтрино. [18] Считается, что акселероны взаимодействуют с материей реже, чем с нейтрино. [19]
Наиболее важным адресом текущих экспериментальных и теоретических знаний о физике элементарных частиц является Группа данных о частицах , где различные международные учреждения собирают все экспериментальные данные и дают краткие обзоры современного теоретического понимания.
другие страницы:
