Элементарные частицы – Стандартная модель (1978) – общепринятая теория элементарных частиц. Компоненты Стандартной модели: • • Кварковая модель адронов • Квантовая хромодинамика – аналог квантовой электродинамики для сильных взаимодействий Электрослабая теория – объединенная теория электромагнитных и слабых взаимодействий
Кварки Проблемы классификации частиц: • лептоны – небольшое количество – 3 поколения (частица, нейтрино и их античастицы) • адроны – с 1960 -х гг. было открыто более 100 Современное представление об адронах: • • • это составные частицы (1964 г. , М. Гелл-Манн) состоят из кварков – фермионов со спином ½ барион состоит из трех кварков (qqq) антибарион состоит из трех антикварков ( ) мезон состоит из пары кварк-антикварк (q ) Свойства кварков: • • • спин 1/2 дробный электрический заряд 1/3 и 2/3 от заряда e дробное значение барионного числа B = 1/3 (кварк/антикварк)
Три первых кварка В первоначальной теории кварков (1964 г. ) – три типа (аромата) кварков: • • • верхний u-кварк и его антикварк нижний d-кварк и странный s-кварк и Обозначе ние u Q/e Спин 2/3 1/2 Барионное число, B 1/3 Странность, Очарован Прелесть, S ие, C B' 0 0 0 d – 1/3 1/2 1/3 0 0 s – 1/3 ½ 1/3 – 1 0 0 0 Антикварки: противоположные значения Q, B, S Из трех кварков можно построить: • • нуклоны – протон (uud) и нейтрон (udd ), антипротон ( ) -мезон ( +-мезон – u , –-мезон – d ) К-мезон (K+-мезон – u ) несколько гиперонов Истиннос ть, T 0
Три первых кварка Пример: кварковая структура четырех различных адронов Протон p Положительный пион ( +-мезон) Нейтрон p Отрицательный пион ( --мезон)
Три первых кварка
Восьмеричный путь Рассмотрим восемь барионов со спином 1/2: • • • нуклоны – протон и нейтрон странные частицы 0, +, 0 и – частицы 0 и – График зависимости значений S и Q для барионов со спином 1/2 демонстрирует симметричный образ с восьмеричной структурой (6 частиц в углах шестиугольника и две в центре). Кварковая структура каждого бариона со спином 1/2. Кварковая структура 0 и 0 одинакова. 0 – возбужденное состояние 0 и может переходить в нее с испусканием фотона.
Восьмеричный путь Аналогичный шестиугольник получается для 9 мезонов со спином 0. График зависимости значений S и Q для 9 мезонов со спином 0. Каждая частица находится на противоположной стороне шестиугольника со своей античастицей. Каждая из трех частиц в центре является собственной античастицей. Кварковая структура каждого из мезонов со спином 0. Частицы в центре являются комбинациями кваркантикварк из кварков разных типов.
Восьмеричный путь 1961 г. – М. Гелл-Манн, Ю. Нееман – восьмеричный путь. 10 барионов со спинами 3/2 также образуют симметричную фигуру (треугольник). В нем не хватало одной частицы – – (открыта позже). Связь между кварками: силы притяжения посредством обмена глюонами Отдельно кварки не наблюдаются: явление конфайнмента Глюоны – безмассовые бозоны со спином 1
Цвет кварков Кварки со спином ½ – фермионы и на них действует принцип запрета. Проблема: запрет бариона с двумя или тремя кварками с одинаковым ароматом и спином. Решение: гипотеза о том, что каждый кварк имеет 3 разновидности – цвета Свойства цветов: • • • 3 цвета – красный, зеленый синий 3 разных цвета в сумме дают бесцветный (белый) цвет принцип запрета независимо действует на каждый цвет Цветность частиц: • • барион бесцветен – содержит по одному кварку каждого цвета глюон – цвет-антицвет для переноса цвета при обменном взаимодействии при испускании/поглощении глюона цвет сохраняется цвет кварков непрерывно меняется при обмене глюонами
Цвет кварков: глюонный обмен в пи-мезонах Строение пи-мезона: • • • пары кварк-антикварк имеют взаимно-уничтожающиеся цвет-антицвет сохраняется при каждом испускании/поглощении глюона пи-мезон может состоять из кварков синий-антисиний, красный-антикрасный, зеленый-антизеленый Пион содержит синий кварк и антисиний антикварк. Синий кварк испускает синеантикрасный глюон, меняя цвет на красный. Глюон поглощается антисиним антикварком, который становится антикрасным антикварком.
Еще три кварка: очарованный кварк
Пятый – прелестный кварк
Шестой – истинный кварк
Характеристики кварков Обозначе ние u Q/e Спин 2/3 1/2 Барионное число, B 1/3 Странность, Очарован Прелесть, S ие, C B' 0 0 0 d – 1/3 1/2 1/3 0 0 s – 1/3 1/2 1/3 – 1 0 0 0 с 2/3 1/2 1/3 0 +1 0 0 b – 1/3 1/2 1/3 0 0 +1 0 t 2/3 1/2 1/3 0 0 0 +1 Может ли существовать барион с зарядом Q = +e и странностью S = – 2? Истиннос ть, T 0
Адронные супермультиплеты (а) Мезоны (в) Барионы (б) Мезоны (г) Барионы со спином 1/2 (д) Барионы со спином 3/2 Супермультиплеты, построенные из u, d, s и c-кварков. Окружности отмечают пары частиц с одинаковой структурой, но различными энергиями.
Стандартная модель включает в себя: • • • шесть лептонов, не участвующих в сильных взаимодействиях шесть кварков, из которых состоят все адроны частицы-переносчики различных взаимодействий Частицы-переносчики: • • глюоны – сильное взаимодействие между кварками фотоны – электромагнитное взаимодействие частицы W± и Z 0 – слабое взаимодействие гравитон – гравитационное взаимодействие (не обнаружен)
Унификация взаимодействий Проблема: объединить фундаментальные взаимодействия в единую теорию. Эйнштейн: попытки объединения гравитации и электромагнетизма в единой теории поля. Электрослабая теория: унификация слабых и электромагнитных сил (Шелдон Глэшоу, Абдус Салам, Стивен Вайнберг – 1960 -е гг. , Нобелевская премия 1979 г. ). Успехи электрослабой теории: • • • Предсказание Z 0 - и W±-бозонов – переносчиков слабого взаимодействия. • • различие между шесть кварков, из которых состоят все адроны Разность взаимодействий – различие масс фотонов и слабых бозонов. При больших энергиях (>100 Гэ. В) пара взаимодействий объединяются – проверка в ЦЕРН в 1983 г. частицы-переносчики различных взаимодействий Сложность теории: • • Большая разность масс фотонов (m=0) и слабых бозонов (≈100 Гэ. В/с2) Для объяснение предсказана частицы – бозон Хиггса
Унификация взаимодействий Теории Великого объединения: предположительно, при больших энергиях сильное электрослабое взаимодействие объединяются. Некоторые из таких теорий предсказывают распад протона – нарушение сохранения барионного числа. Оценка времени жизни: >1028 лет (Вселенная – время существования 1. 37 1010 лет). Пока не обнаружено. В стандартной модели – у нейтрино нулевая масса. В большинстве теорий объединения: у нейтрино масса должна быть. Обнаружено на опыте – 1998 г.
Унификация взаимодействий Если у нейтрино есть масса, то должны происходить нейтринные осцилляции – реакции изменения типа нейтрино ( e, , ) Нейтринные осцилляции объясняют экспериментальные данные о том, что поток электронных нейтрино от Солнца в три раза слабее, чем должен быть. Нейтринный детектор: заполняется 5 107 кг воды. При прохождении сквозь детектор нейтрино может генерировать слабые световые вспышки, которые детектируются с помощью 13000 фотоумножителей, установленных на стенках детектора. Внутренняя часть нейтринного детектора Супер-Камиоканде (Япония). На нем были получены данные о массе нейтрино.
Унификация взаимодействий Суперсимметричные теории ( «Теории Всего» ) – теории унификации всех четырех видов фундаментальных взаимодействий. Предполагается число измерений пространства-времени больше 4. Пока не обнаружено. Суперсимметрия – предполагает, что у каждого бозона и фермиона есть «суперпартнер» с другим типом спина. Предполагаемый суперпартнер электрона со спином ½ – селектрон со спином 0. Суперпартнер фотона со спином 1 – фотино со спином 1/2. Пока частицы-суперпартнеры не обнаружены.
Скачать презентацию Элементарные частицы Стандартная модель 1978 общепринятая
10 Элементарные частицы - Стандартная модель.pptx