Елемента́рна части́нка — збірний термін, що стосується мікрооб'єктів в суб'ядерному масштабі, які неможливо розщепити на складові частини. Їх будова й поведінка вивчається фізикою елементарних частинок. Поняття елементарних частинок ґрунтується на факті дискретної будови речовини. Низка елементарних частинок має складну внутрішню структуру, проте розділити їх на частини неможливо. Інші елементарні частинки є безструктурні й можуть вважатися первиннимифундаментальними частинками.

Загальна інформація[ред. • ред. код]

Елементарні частинки – найдрібніші суб’ядерні частинки речовини або фізичного поля. Це дискретні структурні елементи, що можуть існувати в неасоційованому стані. Найхарактернішою особливістю елементарних частинок є їхня здатність до перетворень і взаємодії. При цьому дочірні частинки - це не структурні складові материнських, вони народжуються при актах перетворення. За властивостями елементарні частинки поділяють на такі групи: фотони, лептони, мезони й баріони (нуклони йгіперони). Майже всі елементарні частинки нестабільні (за винятком електрона, протона, нейтрона, нейтрино, фотона). Основні характеристики елементарних частинок: електричний заряд, маса, тривалість життя, спін, лептонний і баріонний заряди,дивність (квантове число).

Починаючи з 1932 року було відкрито понад 400 елементарних частинок і це число зростає й надалі.

Дослідження останніх десятиліть ХХ ст. показали відносність вживання терміну “елементарні” до ряду частинок. Зокрема виявлено внутрішню структуру протона, нейтрона, інших частинок. Вони складаються з кварків, пар “кварк-антикварк” та глюонів(кванти поля). В свою чергу кварки, можливо, теж мають свою структуру, хоча на сучасному рівні знань вони є фундаментальними складовими адронів.

Сучасний нам набір елементарних частинок не був таким протягом всього існування Всесвіту. На самих його початках у момент часу 10^-33 c після Великого вибуху існували частинки-прабатьки, так звані преони, з енергією понад 10¹⁵ ГеВ. Прямими “нащадками” преонів стали кварки, що близько 10^-6 с після Великого вибуху утворили вже згадані протони і нейтрони. За цими уявленнями через приблизно 3 хв. після початку процесу утворилася більша частина ядер гелію, які існують у Всесвіті.

Класифікація[ред. • ред. код]

За величиною спіну всі елементарні частинки поділяють на два класи:

• ферміони — частинки з напівцілим спіном (наприклад, електрон, протон, нейтрон, нейтрино);

• бозони — частинки з цілим спином (наприклад, фотон).

За видами взаємодій елементарні частинки поділяють на такі групи:

• адрони — частинки, що беруть участь у всіх видах фундаментальних взаємодій. Вони складаються з кварків і поділяються, у свою чергу, на:

  • мезони (адрони з цілим спіном, тобто бозони);

  • баріони (адрони з напівцілим спіном, тобто ферміони). До них, зокрема, відносяться частинки, що становлять ядро атома, — протон і нейтрон.

• лептони — ферміони, які мають вид точкових частинок (тобто, що не складаються ні з чого) аж до масштабів порядку 10⁻¹⁸ м. Не беруть участь в сильних взаємодіях. Участь в електромагнітних взаємодіях експериментально спостерігалася тільки для заряджених лептонів (електрони, мюони, тау-лептони) і не спостерігалася для нейтрино. Відомі 6 типів лептонів.

• кварки — дробовозаряджені частинки, що входять до складу адронів. У вільному стані не спостерігалися. Як і лептони, діляться на 6 типів і є безструктурними, проте, на відміну від лептонів, беруть участь у сильній взаємодії.

• калібрувальні бозони — частинки, за допомогою обміну якими здійснюються взаємодії:

  • фотон — частинка, що переносить електромагнітну взаємодію;

  • вісім глюонів — частинок, що переносять сильну взаємодію;

  • три проміжні векторні бозони W⁺, W^- і Z⁰, що переносять слабку взаємодію;

  • гравітон — частинка, що переносить гравітаційну взаємодію. Існування гравітонів, хоча поки не доведено експериментально, у зв'язку зі слабкістю гравітаційної взаємодії, вважається цілком імовірним.

Адрони і лептони утворюють речовину. Калібрувальні бозони — це кванти різних видів випромінювання.

Крім того, в Стандартній Моделі з необхідності присутній бозон Хігса, який, втім, поки що не знайдений експериментально.

Спочатку термін «елементарна частинка» мав на увазі щось абсолютно елементарне, першоцеглинка матерії. Проте, коли в 1950-х і 1960-х роках були відкриті сотні адронів зі схожими властивостями, стало ясно, що принаймні адрони мають внутрішні ступені свободи, тобто не є в строгому значенні слова елементарними. Ця підозра надалі підтвердилася, коли з'ясувалося, щоадрони складаються з кварків.

Таким чином, наука просунулася ще трошки вглиб будови речовини: найелементарнішими, точковими частинами речовини зараз вважаються лептони і кварки. Саме щодо них (разом із калібрувальними бозонами) застосовується термін «фундаментальні частинки».

Ферміо́н (від прізвища фізика Фермі) — у фізиці, частинка (або квазічастинка) з напівцілим значенням спіну. Ферміони підкоряються статистиці Фермі-Дірака: в одному квантовому стані може знаходитися не більше однієї частинки. Хвильова функція системи однакових ферміонів антисиметрична щодо перестановки будь-яких двох ферміонів. Квантова система, що складається з непарного числа ферміонів, сама є ферміоном.

Приклади ферміонів: кварки (вони формують протони і нейтрони, які також є ферміонами), лептони (електрони, мюони,нейтрино), дірки (квазічастинки в напівпровіднику). Принцип заборони Паулі відповідальний за стабільність електронних оболонок атомів, що робить можливим існування складних хімічних елементів. Він також дозволяє існувати виродженій матерії під дією високого тиску (нейтронні зірки).

Комутаційні співвідношення[ред. • ред. код]

Оператори народження та знищення ферміонів антикомутують:

.

Композитні ферміони[ред. • ред. код]

Композитні частки (такі, як адрони, ядра, та атоми) можуть бути бозонами або ферміонами в залежності від їхніх складових часток. Більш детально, в залежності від відношення між спіном та статистиками, частка яка має непарне число ферміонів - залишається ферміоном, оскільки має "напівцілий" (дробний) спін.

На сьогодні маємо такі приклади:

• Баріон, такий як протон чи нейтрон, містить три ферміонні кварки і тому є ферміоном;

• ядра, наприклад атоми вуглецю-13 містять 6 протонів та 7 нейтронів і тому також є ферміонами;

• Атоми гелій-3 (³He) містять два протони та один нейтрон, а також два електрони, і тому також є ферміони.

Число бозонів всередині композитної частки, що містить прості частки пов'язані потенціалом, не має значення чи вони бозони, чи ферміони.

Ферміонну або бозонну поведінку композитної частки (чи системи) можна побачити на великих (в порівнянні з розмірами системи) відстанях. На відстанях, де проявляється тонка структура композитної частки, остання веде себе відповідно до того, з яких складових часток вона створена.

Ферміони можуть проявляти бозонну поведінку, коли слабо пов'язуються в пари. Це має місце в основі надпровідність танадплинність в гелій-3: в надпровідних матеріалах, електрони взаємодіють між собою за допомогою обміну фононами, формуючи куперівські пари, оскільки в гелій-3 куперівські пари формуються через флюктуації спіна.

Бозо́н (від прізвища фізика Шатьєндраната Бозе^[1]) — частинка з цілим значенням спіну.

Хвильова функція системи бозонів симетрична щодо перестановки частинок.

Бозони підпорядковуються статистиці Бозе — Ейнштейна: у одному квантовому стані може перебувати необмежена кількість однакових частинок. До бозонів належать: гіпотетичний гравітон (спін 2), фотон (спін 1), W і Z бозони, мезони і мезонні резонанси, а також античастинки всіх перерахованих частинок.

Комутаційні співвідношення[ред. • ред. код]

Для операторів народження та знищення бозонів виконуються комутаційні співвідношення:

.

Адрони — клас елементарних частинок, до якого належать лише частинки, що беруть участь у сильних взаємодіях. Як правило, беруть участь і в інших взаємодіях — електромагнітних і слабких. Згідно з сучасною теорією (див. Квантова хромодинаміка) адрони складаються з кварків та антикварків, тобто не є елементарними у первісному значенні цього слова, однак за традицією їх продовжують називати елементарними частинками.

Як і інші елементарні частинки, адрони характеризуються квантовими числами: масою, електричним зарядом, спіном, парністютощо. Крім цього адрони характеризуються ароматовими квантовими числами: дивністю, чарівністю та красою.

Адрони — найчисленніша група елементарних частинок — їх нараховується біля 400.

За значенням спіну адрони поділяють на дві великі групи:

• Баріони мають напівцілий спін, тобто є ферміонами. Баріони характеризуються адитивним квантовим числом — баріонним зарядом . У баріонів , у антибаріонів . Баріонами є, наприклад, складові атомного ядра — протони танейтрони.

• Мезони мають цілий спін, тобто є бозонами. Баріонний заряд у мезонів відсутній: . До мезонів належать піони, каонитощо.

Розрізняють стабільні (точніше, мета-стабільні) адрони з середніми часом життя Т > 10⁻²³ с і резонанси, часи життя яких Т ~ 10⁻²⁴ — 10⁻²³ с. Всі адрони, за винятком протона, є нестабільними частинками, тобто вони розпадаються на інші частинки.

Згідно з кварковою моделлю, мезони складаються з кварка та антикварка, а баріони — з трьох кварків (антибаріони, відповідно, — з трьох антикварків). Адрони, які не вписуються у цю схему, називають екзотичними.

До екзотичних адронів належать:

• глюболи,

• тетракварки,

• пентакварки тощо.

На сьогодні існування екзотичних адронів не є встановленим фактом. Ведуться інтенсивні експериментальні пошуки таких частинок. Серед теоретиків йдуть дискусії щодо екзотичності деяких відомих мезонів.

Мезони[ред. • ред. Код]

Матеріал з Вікіпедії — вільної енциклопедії.

Неперевірена версія

Мезони (рос. мезоны, англ. mesons, нім. Mesone n pl) - родина елементарних частинок,адрони з цілим спіном, які складаються з кварка та антикварка. Нестабільні частинки.

Зміст

  [сховати] 

• 1 Назва

• 2 Історія відкриття

• 3 Взаємодії

• 4 Різновиди

• 5 Властивості

• 6 Див. також

• 7 Література

Назва[ред. • ред. код]

Історично назва пов’язана з тим, що маса перших відкритих мезонів була більша за масу електрона, але менша за масу нуклона.

Історія відкриття[ред. • ред. код]

Хідекі Юкава запропонував ідею про те, що ядерна взаємодія опосередкована певним полем (ввів потенціал Юкави для його опису). Він розрахував, що маси частинок, які переносять цю взаємодію, повинні бути порядку 250 мас електрона. Потім справді спостерігали піони, що мають масу 273 мас електрона для заряджених піонів і 264 мас електрона - для нейтральних.

Взаємодії[ред. • ред. код]

Беруть участь у всіх трьох видах взаємодії – сильній, електромагнітній та слабкій, при цьому сильна взаємодія превалює (на близьких відстанях).

Різновиди[ред. • ред. код]

Розрізняють піони (π-мезони), каони (К-мезони), етони (η-мезон) та багато інших.

Властивості[ред. • ред. код]

Від класу баріонів (які теж є адронами) відрізняються відсутністю баріонного заряду. Мають цілий спін. Бувають електрично зарядженими і нейтральними, дивними і чарівними (в залежності від аромату кварків, з яких складається мезон), мають цілий і напівцілий ізотопічний спін. Існують у вигляді частинок і античастинок. Вперше відкриті у космічних променях.

Як частинки із цілим спіном мезони належать до бозонів і підкоряються статистиці Бозе-Айнштайна.

Баріони - елементарні частинки, адрони із напівцілим значення спіну.

Баріони підкоряються статистиці Фермі-Дірака, тобто є ферміонами. Іншою характеристикою баріонів є баріонний заряд, квантове число, що приймає цілі значення.

Баріони складаються із трьох кварків таким чином, що баріонні числа кварків (1/3 або -1/3) додаються, утворюючи значення 1 або -1.

Найлегшим із баріонів є протон. Протон також - єдина стабільна частинка серед баріонів. Експериментально підтверджене значення часу життя протона щодо розпаду або зникнення перевищує 10³³ років.

Лепто́н (грец. λεπτός — легкий) — елементарна частинка, ферміон, що не бере участі в сильній взаємодії. Назва «лептон» була запропонована Леоном Розенфельдом у 1948 році і відображала той факт, що всі відомі у той час лептони були значно легшими за важкі частинки, що входять в клас баріонів (грец. βαρύς — важкий). Зараз етимологія терміну вже не цілком узгоджується з дійсним положенням справ, оскільки відкритий в 1977 тау-лептон приблизно в два рази важчий за найлегші баріони (протон інейтрон).

Існує три покоління лептонів:

• перше покоління: електрон, електронне нейтрино

• друге покоління: мюон, мюонне нейтрино

• третє покоління: тау-лептон, тау-нейтрино (плюс відповідні античастинки)

Кількість можливих поколінь «класичних лептонів» встановлена з експериментів по вимірюванню ширини розпаду Z⁰-бозона — вона дорівнює трьом. Строго кажучи, це не виключає можливості існування «стерильних (таких, що не беруть участі у слабкій взаємодії) або дуже важких (масою понад кілька десятків ГеВ, всупереч назві) поколінь» лептонів.

Лептони разом із кварками (які беруть участь у всіх чотирьох взаємодіях, включаючи сильну) складають клас фундаментальнихферміонів — частинок, з яких складається речовина.

Кварки (від англ. quark - квак, кряк) — фундаментальні частинки, з яких за сучасними уявленнями складаються адрони, зокремапротони та нейтрони. На сьогодні відомо 6 сортів (їх прийнято називати «ароматами») кварків: d,u,s,c,b і t.

Кварки мають спін 1/2ħ де ħ - зведена стала Планка, та дробовий електричний заряд. Кожен кварк має також один з трьохкольорів (ще одне квантове число, подібно до спіну чи аромату). Кожному з шести кварків відповідає своя античастинка -антикварк.

Властивості кварків[ред. • ред. код]

На відміну від інших елементарних частинок, кварки мають не цілий, а дробовий електричний заряд кратний 1/3 елементарного заряду.

Усім кваркам, крім d та u, приписується певне ароматове квантове число (ароматовий заряд): дивність, чарівність, красу таправдивість. За абсолютною величиною цей заряд приймається рівним 1, а знак прийнято вибирати таким, як і знак електричного заряду кварка.

Ізоспін кварків дорівнює 1/2, а отже його проекція, в залежності від аромату кварка, може приймати два значення: -1/2 та +1/2.

Кварки можна згрупувати у три покоління. До кожного покоління належать два кварки, які мають протилежні за знаком проекціїізоспіну, один з них має заряд -1/3, а другий +2/3.

Кваркам приписується також баріонний заряд величиною 1/3, антикваркам, відповідно, -1/3. Таким чином, баріони, що складаються з трьох кварків, мають баріонний заряд 1, їхні античастинки, що складаються з трьох антикварків, -1, а мезони, що складаються з кварка і антикварка, мають баріонний заряд 0.

За масою розрізняють легкі: d,u,s та важкі: c,b і t кварки.

Позначення та назва		елек- тричний заряд	Ароматові квантові числа				про- екція ізо- спіну	барі- онний заряд	маса
			див- ність	чарів- ність	краса	прав- дивість
Перше покоління
d	нижній (down)	−1/3	0	0	0	0	−1/2	1/3	~ 5 МеВ
u	верхній (up)	+2/3	0	0	0	0	1/2	1/3	~ 3 МеВ
Друге покоління
s	дивний (strange)	−1/3	− 1	0	0	0	−1/2	1/3	120 МеВ
c	чарівний (charm)	+2/3	0	1	0	0	1/2	1/3	1.8 ГеВ
Третє покоління
b	красивий (beauty, bottom)	−1/3	0	0	−1	0	−1/2	1/3	4.5 ГеВ
t	правдивий (true, top)	+2/3	0	0	0	1	1/2	1/3	175 ГеВ

Кожному кварку відповідає антикварк, що має протилежний за знаком електричний заряд, ароматове число, проекцію ізоспіну та баріонний заряд −1/3 (див. також Античастинка).

Взаємодія кварків[ред. • ред. код]

Кварки беруть участь у кожному з чотирьох типів фундаментальних взаємодій.

Протони та нейтрони, які дають найбільний внесок у масу видимої матерії Всесвіту, складаються із кварків. Отже, явищегравітаційної взаємодії між зірками, планетами та іншими астрономічними об’єктами це значною мірою прояв участі кварків у гравітаційній взаємодії.

Участь кварків у електромагнітній взаємодії проявляється у глибоко непружному розсіянні електронів або мюонів на адронах, у перетвореннях (анігіляції) електрон-позитронної пари в адрони тощо, а також у властивостях адронів: наявності у нихелектричних зарядів та магнітних моментів. Електромагнітна взаємодія не змінює квантових чисел: аромат, колір, проекція ізоспіну тощо залишаються незмінними.

Завдяки слабкій взаємодії відбувається перетворення кварків із зміною їхніх ароматів, однак колір кварка при цьому не міняється.Проекція ізоспіну внаслідок слабкої взаємодії може міняти знак, однак може залишатись й незмінною. Зміна ароматів кварків проявляє себе, зокрема, у слабких розпадах адронів, наприклад у розпаді вільного нейтрона на електрон і антинейтрино. Зі слабкими взаємодіями кварків пов’язане також глибоко непружне розсіяння нейтрино на адронах.

Сильна взаємодія утримує кварки всередині адронів. Кварки взаємодіють між собою шляхом обміну глюонами. При цьому відбувається зміна кольору кварка, однак його інші квантові числа, а саме аромат та проекція ізоспіну, залишаються незмінними. Властивості сильної взаємодії не дозволяють кварку вилетіти за межі адрона. Це явище отримало назву конфайнменту. Воно має наслідком відсутність у природі вільних кварків.

Кварки як складові адронів — валентні кварки[ред. • ред. код]

Гіпотеза про існування кварків виникла на початку шістдесятих років двадцятого століття, коли робилися спроби побудувати схему класифікації відомих на той час адронів. Найвдаліша схема класифікації була запропонована у 1961 році Мюрреєм Ґелл-Манном та, незалежно від нього, Казухіко Нішіджимою. Вона дозволила не лише класифікувати відомі на той час адрони, але й дозволила передбачити існування та описати властивості на той час ще невідомої Ω^--частинки.

Пізніше Мюррей Ґелл-Манн та Джордж Цвейг прийшли до висновку, що все різноманіття відомих на той час адронів можна пояснити, постулювавши існування лише трьох частинок, які були названі кварками. У сучасних позначеннях це — u-, d- та s-кварки. Адрони інтерпретувалися як зв’язані стани цих частинок та їхніх античастинок:

• мезони — кварка та антикварка;

• баріони — трьох кварків.

Гіпотеза субкварків - припущення, яке полягає в тому, що кварки і лептони повинні були бути зроблені з дрібніших часток, названих субкварками (рішонами). Кожен кварк або лептон буде складатися з трьох рішонів. Ця теорія була популярна в 1970-х і 1980-х.

В якості альтернативних назв для передбачуваних найпростіших частинок (або взагалі часток, відповідних нижчим по відношенню до кварків структурним рівням), використовувалися субкварки, маон, альфони, кінкі, рішон, твідл, гелони, гаплони і Y-частинки. Преон є найбільш часто вживаною назвою.

Калібрува́льні бозо́ни — бозони, які переносять фундаментальні взаємодії. Елементарні частинки, взаємодії яких описуютьсякалібрувальною теорією, взаємодіють між собою за допомогою обміну калібрувальними бозонами, зазвичай як віртуальними частинками.

Зміст

  [сховати] 

• 1 Калібрувальні бозони в рамках Стандартної моделі

  • 1.1 Кількість калібрувальних бозонів

  • 1.2 Масивні калібрувальні бозони

• 2 За рамками Стандартної моделі

  • 2.1 Теорії великого об'єднання

  • 2.2 Гравітони

• 3 Див. також