Мир элементарных частиц Ученые продолжают поиск ответа

Мир элементарных частиц • Ученые продолжают поиск ответа на вопрос: • из каких частиц состоит вся материя? • Путь «вглубь материи» не завершен…

Как обнаружить элементарную частицу? • Обычно изучают и анализируют следы (траектории или треки), оставленные частицами.

Самый большой в мире детектор элементарных частиц

Треки элементарных частиц в детекторе

• Все частицы делятся на два класса: • Фермионы, которые составляют вещество; • Бозоны, через которые осуществляется взаимодействие. • Фермионы подразделяются на лептоны и кварки.

Этапы в развитии физики элементарных частиц • 1897 -1932 г. г. От электрона до позитрона. • 1932 – 1970 г. г. От позитрона до кварков. • От гипотезы о кварках (1964 г) до «Великого объединения» , т. е. до наших дней

• • Протон нейтрон элементарные частицы Электрон Фотон Элементарная частица – микрообъект, который невозможно разделить на части, но может иметь внутреннюю структуру.

Элементарные частицы – «кирпичики мироздания» , из которых состоит атом 1906 г. Эрнест Резерфорд предложил планетарную модель атома. 1913 г. Нильс Бор объяснил излучение и поглощение энергии атомом водорода. 1931 г. П. Дирак предсказал существование позитрона и аннигиляции электрона и позитрона при их взаимодействии.

Все элементарные частицы превращаются друг в друга 1932 г. Карл Андерсон «встретился» с позитроном Начиная с 1932 года было открыто более 400 элементарных частиц. Каждая элементарная частица имеет античастицу. 1969 г. - В СССР получен антигелий

Элементарные частицы существуют в 2 х разновидностях: частицы и античастицы • Античастицы(ā) – элементарная частица имеющая (по отношению к а) равную массу покоя, одинаковый спин, время жизни и противоположный заряд. • Первая античастица обноружена в 1932 г. Американским физиком К. Андерсоном в космическом излучении.

Открытие античастиц В 1947 г. – антипион 1955 г. - антипротон 1956 г. – антинейтрон Получены атомы антидейтерия, антитрития, антигелия. Истинно нейтральной частицей является фотон, совпадающий со своей античастицей.

Большинство элементарных частиц имеют сложную структуру • 1963 г. Мюррей Геллман и Джордж Цвейг предположили, что нуклоны состоят из кварков. • 1969 г. Кварки были обнаружены экспериментально

Структура атома

Кварковый состав протона и нейтрона

КВАРКИ • – это точечные, бесструктурные образования, относящиеся к истинно элементарным частицам, которые были введены для систематизации многочисленных (более сотни) элементарных частиц, открытых в XX веке (электрон, протон, нейтрон и т. д. ). Характерной особенностью кварков, не встречающейся у других частиц, является дробный электрический заряд, кратный 1/3 элементарного. Попытки обнаружить кварки в свободном состоянии к успеху не привели.

Кварки имеют дробный электрический заряд u – кварк +2/3 е, d – кварк -1/3 е Протон uud, нейтрон udd При увеличении расстояния между ними сила притяжения неограниченно возрастает, при разрыве связи рождаются новые кварки и антикварки, которые могут объединиться в новые адроны.

Кварки

Кварки (цвет) Каждый аромат (тип) кварков может иметь три цветовых заряда: КРАСНЫЙ, ЗЕЛЕНЫЙ, СИНИЙ. Антикварки имеют антицвета, как бы нейтрализующие цвета: АНТИКРАСНЫЙ-ФИОЛЕТОВЫЙ, АНТИЗЕЛЕНЫЙ-КРАСНЫЙ, АНТИСИНИЙ-ЖЕЛТЫЙ. Цветные кварки образуют бесцветные комплексы

Характеристики кварков • Цветовой заряд (цвет): красный, зеленый, синий. • Аромат кварков: s - странный, c очаровательный, b - красивый, t правдивый Существуют 6 кварков и 6 антикварков, каждый из которых может иметь три цвета. Свободные кварки не наблюдаемы.

Гипотезы…

Кварки (аромат) Кварк (аромат) Заряд кварка Антикварк (аромат) Заряд антикварка u +2/3 е ũ -2/3 е c +2/3 е c -2/3 е t +2/3 е t -2/3 е d -1/3 е d +1/3 е s -1/3 е s +1/3 е b -1/3 е b +1/3 е

С 1932 г. Открыто более 400 элементарных частиц. Для классификации используют электрический заряд, спин (собственный момент количества движения), время жизни виды взаимодействия.

Виды взаимодействий • ГРАВИТАЦИОННОЕ • ЭЛЕКТРОМАГНИТНОЕ • СИЛЬНОЕ • СЛАБОЕ Теория, которая дает единое объяснение сильному, слабому и электромагнитному взаимодействию, называют «Великое объединение» . Ученые работают над созданием единой теории взаимодействий

Фундаментальные взаимодействия • Сильное - взаимодействие между кварками (глюоны). • Электромагнитное- взаимодействие между электрически заряженными телами. Слабое – взаимодействие между лептонами , а также между лептона и кварками (бозоны). • Гравитационное – взаимодействие между всеми частицами (гравитоны).

Всего открыто более 364 элементарных частиц

Гравитационное – взаимодействие между всеми частицами (гравитоны).

Классификация элементарных частиц По отношению к сильному взаимодействию лептоны (легкий) не участвуют 6 частиц, 6 античастиц адроны (большой) участвуют 300 частиц

Лептоны

• • • Адроны – элементарные частицы, участвующие в сильном взаимодействии. Лептоны – фундаментальная частица, не участвующая в сильном взаимодействии (12 частиц – 6 частиц и 6 античастиц). Все лептоны – фермионы – полуцелый спин. В реакциях слабого взаимодействия лептонов участвуют лептон – нейтринные дублеты. Нейтрино всегда возникает в реакции вместе с определенным лептоном. Для выделения класса лептонов вводят квантовое число – лептонный заряд L. L=1 – для лептонов L=-1 – для антилептонов L=0 – для адронов

Структура адронов Адроны барионы кварки мезоны кварки и антикварки

Адроны имеют сложную внутреннюю структуру, но разделить их на части невозможно. Ряд элементарных частиц являются бесструктурными (фундаментальные) частицами – это частицы, которые до настоящего момента времени не удалось описать как составные.

К классу адронов относится около 300 элементарных частиц, участвующих в сильном взаимодействии Барионы – фермионы со спином ħ/2, 3/2ħ , участвующие в сильном взаимодействии. Мезоны – бозоны со спином 0, ħ участвующие в сильном взаимодействии. Барионы – фермионы со спином ħ/2, 3/2ħ, участвующие в сильном взаимодействии. Барионы – нуклоны, гипероны

ПРОТОН Время жизни протона (1031 лет) – стабильная частица, все другие адроны распадаются. Американские физики-теоретики Геллман и Цвейг предположили, что адроны являются составными частицами (т. к. их “m” > чем “m” лептонов).

Нуклоны (p, n) состоят из 3 х фундаментальных, электрически заряженных частиц, называемых кварками. Экспериментально подтверждено в 1969 г. При рассеянии е- с энергией 20 Гэ. В на протонах и нейтронах. Было обнаружено пространственное распределение электрического заряда в нуклоне

Любое взаимодействие обусловлено обменом частиц. В 1956 г. Американский физик Швингер предположил, что переносчиком слабого взаимодействия являются 2 заряженных промежуточных векторных бозона W+ и W-. В 1961 г. – американский физик открыл Глэшоу отрицательный и нейтральный бозон. Бета – распад происходит с участием Wбозона. Сначала нейтрон распадается на протон и W-, затем промежуточный бозон Wраспадается на е- и vе.

Фундаментальные частицы – кварки и лептоны. Кварки (в сильном взаимодействии), лептоны (не участвующие в сильном взаимодействии) образуют начальный уровень материи • Вселенная состоит из 48 фундаментальных частиц

Стандартная модель элементарных частиц

Фундаментальные частицы • 6 лептонов и 6 антилептонов • 18 кварков( 6 кварков 3 цветов) и 18 антикварков • 13 переносчиков различных видов взаимодействий Многие физики еще «в пути» !

Элементарные частицы могут путешествовать во времени Исследования при помощи уникального прибора – Большого адронного коллайдера – позволят ученым отправлять элементарные частицы в прошлое. Это следует из теории, которую в ближайшее время планируют проверить на этом крупнейшем в мире ускорителе, находящемся на территории Женевы.