stringtranslate.com

Элементарная частица

В физике элементарных частиц элементарная частица или фундаментальная частица — это субатомная частица , которая не состоит из других частиц. [1] В настоящее время Стандартная модель распознает семнадцать различных частиц — двенадцать фермионов и пять бозонов . В результате сочетаний вкусов и цветов и антиматерии известно, что фермионы и бозоны имеют 48 и 13 вариаций соответственно. [2] Среди 61 элементарной частицы, охваченной Стандартной моделью, есть электроны и другие лептоны , кварки и фундаментальные бозоны . Субатомные частицы , такие как протоны или нейтроны , которые содержат две или более элементарных частиц, известны как составные частицы .

Обычная материя состоит из атомов , которые когда-то считались неделимыми элементарными частицами. Название атом происходит от древнегреческого слова ἄτομος (atomos), что означает неделимый или неразрезаемый . Несмотря на теории об атомах , которые существовали на протяжении тысяч лет , фактическое существование атомов оставалось спорным до 1905 года. В том году Альберт Эйнштейн опубликовал свою статью о броуновском движении , положив конец теориям, которые считали молекулы математическими иллюзиями. Впоследствии Эйнштейн определил материю как в конечном итоге состоящую из различных концентраций энергии . [1] [3]

Субатомные составляющие атома были впервые идентифицированы в конце 19 века , начиная с электрона , за которым в 1919 году последовал протон , в 1920-х годах фотон и в 1932 году нейтрон . [1] К тому времени появление квантовой механики радикально изменило определение «частицы», выдвинув понимание, в котором они осуществляют одновременное существование как волны материи . [4] [5]

Многие теоретические разработки Стандартной модели и за ее пределами были сделаны с момента ее кодификации в 1970-х годах. Они включают понятия суперсимметрии , которые удваивают число элементарных частиц, выдвигая гипотезу, что каждая известная частица ассоциируется с «теневым» партнером, гораздо более массивным. [6] [7] Однако, как и дополнительный элементарный бозон, опосредующий гравитацию, такие суперпартнеры остаются неоткрытыми по состоянию на 2024 год. [8] [9] [1]

Обзор

Все элементарные частицы являются либо бозонами , либо фермионами . Эти классы различаются по своей квантовой статистике : фермионы подчиняются статистике Ферми–Дирака , а бозоны подчиняются статистике Бозе–Эйнштейна . [1] Их спин дифференцируется с помощью теоремы о спиновой статистике : он является полуцелым числом для фермионов и целым числом для бозонов.

Примечания :
[†]Антиэлектрон (
е+
) условно называют « позитроном ».
[‡]Все известные бозоны-переносчики силы имеют спин = 1. Гипотетический гравитон имеет спин = 2; неизвестно, является ли он также калибровочным бозоном.

В Стандартной модели элементарные частицы представлены для предсказательной полезности как точечные частицы . Хотя Стандартная модель чрезвычайно успешна, она ограничена отсутствием гравитации и имеет некоторые параметры, добавленные произвольно, но необъясненные. [10]

Космическое изобилие элементарных частиц

Согласно современным моделям нуклеосинтеза Большого взрыва , изначальный состав видимой материи Вселенной должен состоять примерно на 75% из водорода и на 25% из гелия-4 (по массе). Нейтроны состоят из одного верхнего и двух нижних кварков, в то время как протоны состоят 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 насчитывается около 1080 барионов (почти полностью протоны и нейтроны) в наблюдаемой Вселенной. [ необходима цитата ]

Число протонов в наблюдаемой Вселенной называется числом Эддингтона .

Что касается числа частиц, то некоторые оценки предполагают, что почти вся материя, за исключением темной материи , находится в нейтрино, которые составляют большую часть из примерно 1086 элементарных частиц материи, которые существуют в видимой Вселенной. [11] Другие оценки подразумевают, что примерно 10В видимой Вселенной существует 97 элементарных частиц (не включая темную материю ), в основном фотоны и другие безмассовые носители силы. [11]

Стандартная модель

Стандартная модель физики элементарных частиц содержит 12 разновидностей элементарных фермионов , а также соответствующие им античастицы , а также элементарные бозоны, которые являются посредниками между силами, и бозон Хиггса , который, как было сообщено 4 июля 2012 года, вероятно, был обнаружен двумя основными экспериментами на Большом адронном коллайдере ( ATLAS и CMS ). [1] Однако Стандартная модель широко рассматривается как предварительная теория, а не как истинно фундаментальная, поскольку неизвестно, совместима ли она с общей теорией относительности Эйнштейна . Могут существовать гипотетические элементарные частицы, не описанные Стандартной моделью, такие как гравитон , частица, которая могла бы переносить гравитационную силу , и сверхчастицы , суперсимметричные партнеры обычных частиц. [12]

Фундаментальные фермионы

12 фундаментальных фермионов делятся на 3  поколения по 4 частицы в каждом. Половина фермионов — лептоны , три из которых имеют электрический заряд −1  e , называемый электроном (
е−
), мюон (
μ−
), и тау (
τ−
); остальные три лептона — нейтрино (
ν
е,
ν
μ,
ν
τ), которые являются единственными элементарными фермионами, не имеющими ни электрического, ни цветового заряда . Остальные шесть частиц — кварки (обсуждаются ниже).

Поколения

Масса

В следующей таблице перечислены текущие измеренные массы и оценки масс для всех фермионов, используя ту же шкалу измерения: миллионы электрон-вольт относительно квадрата скорости света (МэВ/ c 2 ). Например, наиболее точно известная масса кварка принадлежит верхнему кварку (
т
) в172,7  ГэВ/ c2 , оценено с использованием схемы on-shell .

Оценки значений масс кварков зависят от версии квантовой хромодинамики , используемой для описания взаимодействия кварков. Кварки всегда заключены в оболочку глюонов , которые придают значительно 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.

Античастицы

Существуют также 12 фундаментальных фермионных античастиц, которые соответствуют этим 12 частицам. Например, антиэлектрон (позитрон)
е+
является античастицей электрона и имеет электрический заряд +1  е .

Кварки

Изолированные кварки и антикварки никогда не были обнаружены, что объясняется конфайнментом . Каждый кварк несет один из трех цветовых зарядов сильного взаимодействия ; антикварки также несут антицвет. Цветные заряженные частицы взаимодействуют посредством обмена глюонами таким же образом, как заряженные частицы взаимодействуют посредством обмена фотонами . Однако глюоны сами по себе имеют цветовой заряд, что приводит к усилению сильного взаимодействия по мере разделения цветных заряженных частиц. В отличие от электромагнитной силы , которая уменьшается по мере разделения заряженных частиц, цветные заряженные частицы ощущают возрастающую силу.

Тем не менее, цветные заряженные частицы могут объединяться, образуя цветные нейтральные составные частицы, называемые адронами . Кварк может объединяться с антикварком: у кварка есть цвет, а у антикварка — соответствующий антицвет. Цвет и антицвет взаимно уничтожаются, образуя цветной мезон . В качестве альтернативы три кварка могут существовать вместе, один кварк будет «красным», другой «синим», третий «зеленым». Эти три цветных кварка вместе образуют цветно-нейтральный барион . Симметрично, три антикварка с цветами «антикрасный», «антисиний» и «антизеленый» могут образовать цветно-нейтральный антибарион .

Кварки также несут дробные электрические заряды , но, поскольку они заключены в адронах, все заряды которых являются целыми, дробные заряды никогда не были изолированы. Обратите внимание, что кварки имеют электрические заряды либо ⁠++2/3⁠  е или ⁠−+1/3⁠  e , тогда как антикварки имеют соответствующие электрические заряды либо ⁠−+2/3⁠  е или  ⁠++1/3⁠  е .

Доказательства существования кварков получены в результате глубокого неупругого рассеяния : обстрела электронами ядер для определения распределения заряда внутри нуклонов (которые являются барионами). Если заряд однороден, электрическое поле вокруг протона должно быть однородным, и электрон должен рассеиваться упруго. Низкоэнергетические электроны рассеиваются таким образом, но выше определенной энергии протоны отклоняют некоторые электроны на большие углы. Отскакивающий электрон имеет гораздо меньшую энергию, и испускается струя частиц . Это неупругое рассеяние предполагает, что заряд в протоне не однороден, а разделен между более мелкими заряженными частицами: кварками.

Фундаментальные бозоны

В Стандартной модели векторные ( спин -1) бозоны ( глюоны , фотоны , а также W- и Z-бозоны ) являются посредниками сил, тогда как бозон Хиггса (спин -0) отвечает за собственную массу частиц. Бозоны отличаются от фермионов тем, что несколько бозонов могут занимать одно и то же квантовое состояние ( принцип исключения Паули ). Кроме того, бозоны могут быть либо элементарными, как фотоны, либо комбинацией, как мезоны . Спин бозонов — это целые числа, а не полуцелые.

Глюоны

Глюоны опосредуют сильное взаимодействие , которое объединяет кварки и тем самым образует адроны , которые являются либо барионами (три кварка), либо мезонами (один кварк и один антикварк). Протоны и нейтроны являются барионами, соединенными глюонами для формирования атомного ядра . Подобно кваркам, глюоны проявляют цвет и антицвет — не связанный с концепцией визуального цвета, а скорее с сильным взаимодействием частиц — иногда в комбинациях, всего восемь вариаций глюонов.

Электрослабые бозоны

Существует три слабых калибровочных бозона : W + , W − и Z 0 ; они опосредуют слабое взаимодействие . W-бозоны известны своей посредничеством в ядерном распаде: W − преобразует нейтрон в протон, а затем распадается на пару электрон и электрон-антинейтрино. Z 0 не преобразует аромат или заряд частицы, а скорее изменяет импульс; это единственный механизм упругого рассеяния нейтрино. Слабые калибровочные бозоны были обнаружены из-за изменения импульса электронов при обмене нейтрино-Z. Безмассовый фотон опосредует электромагнитное взаимодействие . Эти четыре калибровочных бозона образуют электрослабое взаимодействие между элементарными частицами.

бозон Хиггса

Хотя слабые и электромагнитные силы кажутся нам совершенно разными при обычных энергиях, предполагается, что эти две силы объединяются в одну электрослабую силу при высоких энергиях. Это предсказание было четко подтверждено измерениями сечений рассеяния электронов и протонов при высоких энергиях 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 бозон Хиггса выбирает особое направление в электрослабом пространстве, которое заставляет три электрослабые частицы становиться очень тяжелыми (слабые бозоны), а одну — оставаться с неопределенной массой покоя, поскольку она всегда находится в движении (фотон). 4 июля 2012 года, после многих лет экспериментальных поисков доказательств его существования, было объявлено, что бозон Хиггса был обнаружен на Большом адронном коллайдере ЦЕРНа. Питер Хиггс , который первым предположил существование бозона Хиггса, присутствовал на объявлении. [14] Считается, что бозон Хиггса имеет массу приблизительно125 ГэВ/ c2 . [15] Статистическая значимость этого открытия была оценена как 5 сигм, что подразумевает достоверность примерно 99,99994%. В физике элементарных частиц это уровень значимости, необходимый для того, чтобы официально маркировать экспериментальные наблюдения как открытие . Исследования свойств недавно обнаруженной частицы продолжаются.

Гравитон

Гравитон — гипотетическая элементарная частица со спином 2, предложенная для передачи гравитации. Хотя она остается необнаруженной из-за трудностей , присущих ее обнаружению , ее иногда включают в таблицы элементарных частиц. [1] Обычный гравитон не имеет массы, хотя существуют некоторые модели, содержащие массивные гравитоны Калуцы–Клейна . [16]

За пределами стандартной модели

Хотя экспериментальные данные в подавляющем большинстве подтверждают предсказания, полученные из Стандартной модели , некоторые из ее параметров были добавлены произвольно, не обусловленные конкретным объяснением, что остается загадочным, например, проблема иерархии . Теории за пределами Стандартной модели пытаются разрешить эти недостатки.

Великое объединение

Одно из расширений Стандартной модели пытается объединить электрослабое взаимодействие с сильным взаимодействием в единую «теорию великого объединения» (GUT). Такая сила спонтанно расщепляется на три силы механизмом, подобным механизму Хиггса . Предполагается, что этот распад происходит при высоких энергиях, что затрудняет наблюдение объединения в лаборатории. Самым драматичным предсказанием великого объединения является существование бозонов X и Y , которые вызывают распад протона . Однако отсутствие наблюдения распада протона в нейтринной обсерватории Супер-Камиоканде исключает простейшие GUT, включая SU(5) и SO(10).

Суперсимметрия

Суперсимметрия расширяет Стандартную модель, добавляя еще один класс симметрий к лагранжиану . Эти симметрии обменивают фермионные частицы с бозонными . Такая симметрия предсказывает существование суперсимметричных частиц , сокращенно называемых счастицами , которые включают слептоны , скварки , нейтралино и чарджино . Каждая частица в Стандартной модели будет иметь суперпартнера, спин которого отличается на 1 ⁄ 2 от спина обычной частицы. Из-за нарушения суперсимметрии счастицы намного тяжелее своих обычных аналогов; они настолько тяжелы, что существующие коллайдеры частиц не будут достаточно мощными, чтобы их произвести. Некоторые физики полагают, что счастицы будут обнаружены Большим адронным коллайдером в ЦЕРНе .

Теория струн

Теория струн — это модель физики, в которой все «частицы», составляющие материю, состоят из струн (измерения которых соответствуют длине Планка), которые существуют в 11-мерной (согласно М-теории , ведущей версии) или 12-мерной (согласно F-теории [17] ) вселенной. Эти струны вибрируют на разных частотах, которые определяют массу, электрический заряд, цветовой заряд и спин. «Струна» может быть открытой (линия) или замкнутой в петлю (одномерная сфера, то есть круг). Когда струна движется в пространстве, она выметает нечто, называемое мировым листом . Теория струн предсказывает существование от 1 до 10 бран (1- брана — это струна, а 10-брана — это 10-мерный объект), которые предотвращают разрывы в «ткани» пространства, используя принцип неопределенности (например, электрон, вращающийся вокруг атома водорода, имеет вероятность, хотя и небольшую, что в любой момент времени он может оказаться в любом другом месте Вселенной).

Теория струн предполагает, что наша вселенная — это всего лишь 4-брана, внутри которой существуют три пространственных измерения и одно временное измерение, которые мы наблюдаем. Остальные 7 теоретических измерений либо очень малы и свернуты (и слишком малы, чтобы быть макроскопически доступными), либо просто не существуют/не могут существовать в нашей вселенной (потому что они существуют в более грандиозной 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 подобно гравитону .

Техниколор

Теории Technicolor пытаются модифицировать Стандартную модель минимальным образом, вводя новое взаимодействие, подобное QCD. Это означает, что добавляется новая теория так называемых Techniquarks, взаимодействующих через так называемые Technigluons. Основная идея заключается в том, что бозон Хиггса не является элементарной частицей, а связанным состоянием этих объектов.

Преонная теория

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 называются преонами, что происходит от «прекварков». По сути, теория преонов пытается сделать для Стандартной модели то, что Стандартная модель сделала для зоопарка частиц , который был до нее. Большинство моделей предполагают, что почти все в Стандартной модели можно объяснить в терминах трех-шести более фундаментальных частиц и правил, которые управляют их взаимодействиями. Интерес к преонам угас с тех пор, как простейшие модели были экспериментально исключены в 1980-х годах.

Теория акселерона

Акселероны — это гипотетические субатомные частицы , которые неразрывно связывают новообретенную массу нейтрино с темной энергией, которая, как предполагается, ускоряет расширение Вселенной . [18]

В этой теории на нейтрино влияет новая сила, возникающая в результате их взаимодействия с акселеронами, что приводит к темной энергии. Темная энергия возникает, когда вселенная пытается разорвать нейтрино. [18] Считается, что акселероны взаимодействуют с материей реже, чем с нейтрино. [19]

Смотрите также

Примечания

  1. ^ abcdefg Braibant, Sylvie; Giacomelli, Giorgio; Spurio, Maurizio (2012). Частицы и фундаментальные взаимодействия: введение в физику элементарных частиц (2-е изд.). Springer . стр. 1–3. ISBN 978-94-007-2463-1.
  2. ^ Braibant, S.; Giacomelli, G.; Spurio, M. (2009). Частицы и фундаментальные взаимодействия: Введение в физику элементарных частиц. Springer . С. 313–314. ISBN 978-94-007-2463-1. Архивировано из оригинала 15 апреля 2021 г. . Получено 19 октября 2020 г. .
  3. ^ Ньюберг, Рональд; Пейдл, Джозеф; Рюкнер, Вольфганг (2006). «Эйнштейн, Перрен и реальность атомов: 1905 год снова в моде» (PDF) . American Journal of Physics . 74 (6): 478–481. Bibcode :2006AmJPh..74..478N. doi :10.1119/1.2188962. Архивировано из оригинала (PDF) 3 августа 2017 года . Получено 17 августа 2013 года .
  4. ^ Вайнерт, Фридель (2004). Ученый как философ: философские последствия великих научных открытий. Springer . стр. 43, 57–59. Bibcode :2004sapp.book.....W. ISBN 978-3-540-20580-7.
  5. ^ Кульман, Мейнард (24 июля 2013 г.). «Физики спорят о том, состоит ли мир из частиц или полей — или из чего-то совершенно иного». Scientific American .
  6. ^ "Неразгаданные тайны: Суперсимметрия". Приключение частиц . Berkeley Lab . Получено 28 августа 2013 г.
  7. ^ Раскрытие скрытой природы пространства и времени: прокладывание курса для физики элементарных частиц. National Academies Press . 2006. стр. 68. Bibcode :2006rhns.book....... ISBN 978-0-309-66039-6.
  8. ^ О'Нил, Иэн (24 июля 2013 г.). «Открытие LHC снова калечит суперсимметрию». Discovery News . Архивировано из оригинала 13 марта 2016 г. Получено 28 августа 2013 г.
  9. ^ "Последние данные ЦЕРНа не показывают никаких признаков суперсимметрии – пока". Phys.Org . 25 июля 2013 г. Получено 28 августа 2013 г.
  10. ^ Брайбант, Джакомелли и Спурио 2012, стр. 384
  11. ^ ab Munafo, Robert (24 июля 2013 г.). "Значительные свойства определенных чисел" . Получено 28 августа 2013 г.
  12. ^ Холстейн, Барри Р. (ноябрь 2006 г.). «Физика гравитонов». American Journal of Physics . 74 (11): 1002–1011. arXiv : gr-qc/0607045 . Bibcode : 2006AmJPh..74.1002H. doi : 10.1119/1.2338547. S2CID  15972735.
  13. ^ Танабаши, М.; Хагивара, К.; Хикаса, К.; Накамура, К.; Сумино, И.; Такахаши, Ф.; и др. (Particle Data Group) (17 августа 2018 г.). «Обзор физики частиц». Physical Review D. 98 ( 3): 030001. Bibcode : 2018PhRvD..98c0001T. doi : 10.1103/physrevd.98.030001 . hdl : 10044/1/68623 . PMID  10020536.
  14. ↑ Дэвис, Лиззи (4 июля 2014 г.). «Объявление о бозоне Хиггса в прямом эфире: ученые ЦЕРНа открывают субатомную частицу». The Guardian . Получено 6 июля 2012 г.
  15. ^ Тейлор, Лукас (4 июля 2014 г.). «Наблюдение новой частицы с массой 125 ГэВ». CMS . Получено 6 июля 2012 г.
  16. ^ Кальмет, Ксавье; де Акино, Присцила; Риццо, Томас Г. (2010). «Безмассовые гравитоны Калуцы-Клейна на БАКе». Буквы по физике Б. 682 (4–5): 446–449. arXiv : 0910.1535 . Бибкод : 2010PhLB..682..446C. doi :10.1016/j.physletb.2009.11.045. hdl : 2078/31706. S2CID  16310404.
  17. ^ Vafa, Cumrun (1996). «Доказательства F-теории». Nuclear Physics B. 469 ( 3): 403–415. arXiv : hep-th/9602022 . Bibcode : 1996NuPhB.469..403V. doi : 10.1016/0550-3213(96)00172-1. S2CID  6511691.
  18. ^ ab "Новая теория связывает небольшую массу нейтрино с ускоряющимся расширением Вселенной". ScienceDaily . 28 июля 2004 г. Получено 5 июня 2008 г.
  19. ^ Редди, Фрэнсис (27 июля 2004 г.). «Acceleron, anyone?». Астрономия . Получено 20 апреля 2020 г.

Дальнейшее чтение

Обычные читатели

Учебники

Внешние ссылки

Самым важным источником современных экспериментальных и теоретических знаний в области физики элементарных частиц является Группа данных по частицам , где различные международные институты собирают все экспериментальные данные и дают краткие обзоры современных теоретических знаний.

другие страницы: