Загрузка...
Учебная работа. Реферат: Элементарные частицы
Частички, претендующие на роль первичных частей материи, время от времени именуют «поистине простые частички».
Первой открытой простой частичкой был электрон. Его открыл британский физик Томсон в 1897 году.
Первой открытой антицастицей был позитрон — частичка с массой электрона, но положительным электронным зарядом. Это античастица была найдена в составе галлактических лучей южноамериканским физиком Андерсоном в 1932 году.
В современном физике в группу простых относятся наиболее 350 частиц, в главном нестабильных, и их число продолжает расти.
Если ранее простые частички обычно находили в галлактических лучах, то с начала 50-х годов ускорители перевоплотился в главный инструмент для исследования простых частиц.
Микроскопичные массы и размеры простых частиц обусловливают квантовую специфику их поведения: квантовые закономерности являются определяющими в поведении простых частиц.
Более принципиальное квантовое свойство всех простых частиц — это способность рождаться и уничтожаться (испускаться и поглощаться) при содействии с иными частичками. Все процессы с простыми частичками протекают через последовательность актов их поглощения и испускания.
Разные процессы с простыми частичками приметно различаются по интенсивности протекания.
В согласовании с различной интенсивностью протекания взаимодействия простых частиц феноменологически делят на несколько классов: мощное, электромагнитное и слабенькое. Не считая того, все простые частички владеют гравитационным взаимодействием.
Мощное взаимодействие простых частиц вызывает процессы, протекающие с большей по сопоставлению с иными действиями интенсивностью и приводит к самой мощной связи простых частиц. Конкретно оно обусловливает связь протонов и нейтронов в ядрах атомов.
Электромагнитное взаимодействие различается от остальных ролью электромагнитного поля. Электромагнитное поле (в квантовой физике — фотон) или излучается, или поглощается при содействии, или переносит взаимодействие меж телами.
Электромагнитное взаимодействие обеспечивает связь ядер и электронов в атомах и молекулах вещества, и тем описывает (на базе законов квантовой механики) возможность устойчивого состояния таковых микросистем.
Слабенькое взаимодействие простых частиц вызывает весьма медлительно протекающие процессы с простыми частичками, в том числе распады квазистабильных частиц.
Слабенькое взаимодействие еще слабее не только лишь мощного, да и электромагнитного взаимодействия, но еще посильнее гравитационного.
Гравитационное взаимодействие простых частиц является более слабеньким из всех узнаваемых. Гравитационное взаимодействие на соответствующих для простых частиц расстояниях дает очень малые эффекты из-за малости масс простых частиц.
Слабенькое взаимодействие еще посильнее гравитационного, но в ежедневной жизни роль гравитационного взаимодействия еще заметнее роли слабенького взаимодействия. Это происходит поэтому, что гравитационное взаимодействие (как, вообщем, и электромагнитное) имеет нескончаемо большенный радиус деяния. Потому, к примеру, на тела, находящиеся на поверхности Земли, действует гравитационное притяжение со стороны всех атомов, из которых состоит Земля. Слабенькое же взаимодействие владеет так малым радиусом деяния, что он до сего времени не измерен.
В современной физике фундаментальную роль играет релятивистская квантовая теория физических систем с нескончаемым числом степеней свободы — квантовая теория поля. Эта теория построена для описания 1-го из самых общих параметров микромира — всепригодной обоюдной превращаемости простых частиц. Для описания такового рода действий требовался переход к квантовому волновому полю. Квантовая теория поля с необходимостью является релятивистской, так как если система состоит из медлительно передвигающихся частиц, то их энергия может оказаться недостаточной для образования новейших частиц с ненулевой массой покоя. Частички же с нулевой массой покоя (фотон, может быть нейтрино) постоянно релятивистские, т.е. постоянно движутся со скоростью света.
Всепригодный метод ведения всех взаимодействий, основанный на калибровочной симметрии, дает возможность их объединения.
Квантовая теория поля оказалась более адекватным аппаратом для осознания природы взаимодействия простых частиц и объединения всех видов взаимодействий.
Квантовая электродинамика — та часть квантовой теории поля, в какой рассматривается взаимодействие электромагнитного поля и заряженных частиц (либо электронно-позитронного поля).
В истинное время квантовая электродинамика рассматривается как составная часть единой теории слабенького и электромагнитного взаимодействий.
Зависимо от роли в тех либо других видах взаимодействия все изученные простые частички, кроме фотона, разбиваются на две главные группы — адроны и лептоны.
Адроны (от греч. — большенный, мощный) — класс простых частиц, участвующих в сильном содействии (вместе с электромагнитным и слабеньким). Лептоны (от греч. — узкий, легкий) — класс простых частиц, не владеющих мощным взаимодействием, участвующих лишь в электромагнитном и слабеньком содействии. (наличие гравитационного взаимодействия у всех простых частиц, включая фотон, предполагается).
Законченная теория адронов, мощного взаимодействия меж ними пока отсутствует, но имеется теория, которая, не являясь ни законченной, ни общепризнанной, дозволяет разъяснить их главные характеристики. Эта теория — квантовая хромодинамика, согласно которой адроны состоят из кварков, а силы меж кварками обоснованы обменом глюонами. Все обнаруженные адроны состоят из кварков 5 разных типов («запахов»). Кварк всякого «запаха» может находиться в 3-х «цветовых» состояниях, либо владеть 3-мя разными «цветовыми зарядами».
Если законы, устанавливающие соотношение меж величинами, характеризующими физическую систему, либо определяющие изменение этих величин со временем, не изменяются при определенных преобразованиях, которым быть может предана система, то молвят, что эти законы владеют симметрией (либо инвариантны) относительно данных преобразований. В математическом отношении преобразования симметрии составляют группу.
В современной теории простых частиц теория симметрии законов относительно неких преобразований является ведущей. Симметрия рассматривается как фактор, определяющий существование разных групп и семейств простых частиц.
Мощное взаимодействие симметрично относительно поворотов в особенном «изотопическом пространстве». С математической точки зрения изотопическая симметрия отвечает преобразованиям группы унитарной симметрии SU(2). Изотопическая симметрия не является четкой симметрией природы, т.к. она нарушается электромагнитным взаимодействием и различием в массах кварков.
Изотопическая симметрия представляет собой часть наиболее широкой приближенной симметрии мощного взаимодействия — унитарной SU(3)- симметрии. Унитарная симметрия оказывается существенно наиболее нарушенной, чем изотопическая. Но высказывается предположение, что эти симметрии, которые оказываются весьма очень нарушенными при достигнутых энергиях, будут восстанавливаться при энергиях, отвечающих так именуемому «величавому объединению».
Для класса внутренних симметрий уравнений теории поля (т.е. симметрий, связанных со качествами простых частиц, а не со качествами пространства-времени), применяется общее заглавие — калибровочная симметрия.
Калибровочная симметрия приводит к необходимости существования векторных калибровочных полей, обмен квантами которых обусловливает взаимодействия частиц.
Мысль калибровочной симметрии оказалась более плодотворной в единой теории слабенького и электромагнитного взаимодействий.
Увлекательной неувязкой квантовой теории поля является включение в единую калибровочную схему и мощного взаимодействия («величавое объединение»).
Иным многообещающим направлением объединения считается суперкалибровочная симметрия, либо просто суперсимметрия.
В 60-х годах южноамериканскими физиками С.Вайнбергом, Ш.Глэшоу, пакистанским физиком А.Саламом и др. была сотворена единая теория слабенького и электромагнитного взаимодействий, позже получившая заглавие обычной теории электрослабого взаимодействия. В данной для нас теории вместе с фотоном, осуществляющим электромагнитное взаимодействие, возникают промежные векторные бозоны — частички, переносящие слабенькое взаимодействие. Эти частички были экспериментально обнаружены в 1983 году в ЦЕРНе.
Открытие на опыте промежных векторных бозонов подтверждает корректность главный (калибровочной) идеи обычной теории электрослабого взаимодействия.
Но для проверки теории в полном объеме нужно также экспериментально изучить механизм спонтанного нарушения симметрии. Если этот механизм вправду осуществляется в природе, то должны существовать простые скалярные бозоны — так именуемые хиггсовы бозоны. Обычная теория электрослабого взаимодействия предвещает существование, как минимум, 1-го скалярного бозона.
Механизм спонтанного нарушения симметрии, который встречается в различных физических ситуациях, получил обширное распространение в квантовой теории поля. Было показано, что в калибровочных теориях этот механизм может приводить к возникновению конечной массы у безмассовых калибровочных частиц (т.н. эффект Хиггса).
В моделях «Величавого объединения» группа симметрии электрослабого взаимодействия и группа симметрии мощного взаимодействия являются подгруппами единой группы, характеризующейся единой константой калибровочного взаимодействия.
В базе «Величавого объединения» — тот факт, что при переходе к малым расстояниям (т.е. к высочайшим энергиям) возрастает константа электрослабого взаимодействия и миниатюризируется константа мощного взаимодействия. Экстраполяция таковой тенденции на сверхвысокие энергии приводит к равенству констант всех 3-х взаимодействий при неком энергетическом масштабе, при котором происходит спонтанное нарушение симметрии «величавого объединения», приводящее к появлению масс у частиц, описывающих смешанные калибровочные поля.
В различных моделях «величавого объединеия» предсказывается разная величина энергетического масштаба, но в любом случае такие энергии недосягаемы в обозримом будущем ни на ускорителях, ни в галлактических лучах. Для проверки моделей «Величавого объединения» могут употребляться или их пророчества в низкоэнергетической области, или космологические следствия этих моделей (по современным представлениям, на весьма ранешних стадиях расширения Вселенной могли достигаться температуры много огромные, чем энергетический масштаб «Величавого объединения»).
Одним из пророчеств моделей «Величавого объединения» является несохранение барионного заряда и, как следствие, непостоянность протона.
Супергравитация — калибровочная теория суперсимметрии, представляющая собой суперсимметричное обобщение общей теории относительности (теории тяготения).
Расширенная теория супергравитации владеет симметрией, в принципе позволяющей соединить все известные виды взаимодействий — гравитационное, слабенькое, электромагнитное и мощное. Но имеющиеся модели пока далеки от настоящей реальности (а именно, в их нет места неким базовым частичкам).
]]>