Субатомная частица

Материал из Википедии — свободной энциклопедии
Перейти к навигации Перейти к поиску

В физике субатомные частицы — это частицы, намного меньшие, чем атомы[1]. Рассматриваются два типа субатомных частиц: элементарные частицы, которые согласно современным теориям не состоят из других частиц; и составные частицы[2]. Физика частиц и ядерная физика изучают эти частицы и как они взаимодействуют[3]. Идея частицы подверглась серьезному переосмыслению, когда эксперименты показали, что свет может вести себя как поток частиц (называемых фотонами), а также проявлять свойства волны. Это привело к появлению концепции корпускулярно-волнового дуализма, отражающей то, что «частицы» в квантовом масштабе ведут себя как частицы и волны. Другая концепция, принцип неопределённости, утверждает, что некоторые их свойства, такие как их одновременное положение и импульс, будучи взятыми вместе, не могут быть точно измерены[4]. Позднее было показано, что дуальность волны и частицы применима не только к фотонам, но и к более массивным частицам[5].

Взаимодействия частиц в рамках квантовой теории поля понимаются как создание и уничтожение квантов соответствующих фундаментальных взаимодействий. Это объединяет физику элементарных частиц с теорией поля.

Классификация[править | править код]

По составу[править | править код]

Субатомные частицы являются либо «элементарными», то есть не состоят из множества других частиц, либо «составными» и состоят из более чем одной элементарной частицы, связанной вместе.

Элементарными частицами Стандартной Модели являются[6]:

Все они были обнаружены экспериментами, последними были истинный кварк (1995), тау-нейтрино (2000) и бозон Хиггса (2012).

Различные расширения Стандартной модели предсказывают существование элементарной частицы гравитона и многих других элементарных частиц, но по состоянию на 2019 г. они не были обнаружены.

Адроны[править | править код]

Почти все составные частицы содержат несколько кварков (антикварков), связанных вместе глюонами (за редким исключением, таким как позитроний и мюоний). Те, которые содержат мало (≤ 5) [анти]кварков, называются адронами. Из-за свойства, известного как удержание цвета, кварки никогда не обнаруживаются по отдельности, но всегда встречаются в адронах, содержащих несколько кварков. Адроны делятся по количеству кварков (включая антикварки) на барионы, содержащие нечетное число кварков (почти всегда 3), наиболее известные из которых это протон и нейтрон; и мезоны, содержащие четное число кварков (почти всегда 2, один кварк и один антикварк), наиболее известными из которых являются пи-мезоны и к-мезоны.

За исключением протона и нейтрона, все другие адроны нестабильны и распадаются на другие частицы в течение микросекунд или меньше. Протон состоит из двух верхних кварков и одного нижнего кварка, а нейтрон состоит из двух нижних кварков и одного верхнего кварка. Они обычно связываются вместе в атомное ядро, например, ядро гелия-4 состоит из двух протонов и двух нейтронов. Большинство адронов не живут достаточно долго, чтобы образовать ядрообразные композитами; те, что могут (кроме протона и нейтрона) образуют гиперядра.

По статистике[править | править код]

Основная статья: Теорема Паули

Любая субатомная частица, как любая частица в трехмерном пространстве, которая подчиняется законам квантовой механики, может быть либо бозоном (с целочисленным спином), либо фермионом (с нечетным полуцелым спином).

В Стандартной модели все элементарные фермионы имеют спин 1/2 и делятся на кварки, которые несут цветной заряд и, следовательно, чувствуют сильное взаимодействие, и лептоны, которые этого не делают. Элементарные бозоны включают калибровочные бозоны (фотон, W и Z, глюоны) со спином 1, в то время как бозон Хиггса является единственной элементарной частицей с нулевым спином.

Гипотетический гравитон теоретически должен иметь спин 2, но не является частью стандартной модели. Некоторые расширения, такие как суперсимметрия, предсказывают существование дополнительных элементарных частиц со спином 3/2, но по состоянию на 2019 г. они не были обнаружены.

Из-за законов спина составных частиц барионы (3 кварка) имеют спин 1/2 или 3/2 и поэтому являются фермионами; мезоны (2 кварка) имеют целочисленный спин 0 или 1 и поэтому являются бозонами.

По массе[править | править код]

В специальной теории относительности энергия покоящейся частицы равна ее массе, умноженной на квадрат скорости света, E = mc². То есть масса может быть выражена в терминах энергии и наоборот. Если есть система отсчета, в которой частица находится в покое, то она имеет положительную массу покоя и называется массивной.

Все составные частицы являются массивными. Барионы (что означает «тяжелый») имеют большую массу, чем мезоны (что означает «промежуточный»), которые, в свою очередь, тяжелее лептонов (что означает «легкий»), но самый тяжелый лептон (частица тау) тяжелее, чем два самых легких аромата барионов (нуклонов). Также очевидно, что любая частица с электрическим зарядом является массивной.

При первоначальном описании в 1950-х годах термины барионы, мезоны и лептоны относились к массам; однако после того, как в 1970-х годах была принята кварковая модель, было признано, что барионы — это композиты из трех кварков, мезоны — это композиты из одного кварка и одного антикварка, а лептоны являются элементарными и определяются как элементарные фермионы без цветового заряда.

Все безмассовые частицы (частицы, инвариантная масса которых равна нулю) являются элементарными. К ним относятся фотон и глюон, хотя последний не может быть изолирован.

По распаду[править | править код]

Большинство субатомных частиц не являются стабильными. Все мезоны, а также барионы — кроме протона — распадаются под действием сильных или слабых взаимодействий. Распад протона не зафиксирован, хотя «действительно» ли он стабилен, неизвестно. Заряженные лептоны мю и тау распадаются от слабого взаимодействия; то же самое для их античастиц. Нейтрино (и антинейтрино) не распадаются, но считается, что явление нейтринных осцилляций существует даже в вакууме. Электрон и его античастица позитрон теоретически устойчивы благодаря сохранению заряда, если только не существует более легкой частицы, имеющей величину электрического заряда ≤e (что маловероятно).

Из субатомных частиц, которые не несут цветовой заряд (и, следовательно, могут быть изолированы), только фотон, электрон, нейтрино, несколько атомных ядер (включая протон) и их античастицы могут оставаться в одном и том же состоянии неопределенно долго.

Другие свойства[править | править код]

Все наблюдаемые субатомные частицы имеют электрический заряд, целочисленный и кратный элементарному заряду. Кварки Стандартной Модели имеют «нецелые» электрические заряды, а именно кратные 13e, но кварки (и другие комбинации с нецелым электрическим зарядом) не могут быть изолированы из-за конфайнмента. Для барионов, мезонов и их античастиц заряды составляющих кварков суммируются до целого кратного e.

Благодаря работам Альберта Эйнштейна, Сатьендры Ната Бозе, Луи де Бройля и многих других, современная научная теория утверждает, что все частицы также имеют волновую природу[7]. Это было проверено не только для элементарных, но и для составных частиц, таких как атомы и даже молекулы. Фактически, согласно традиционным формулировкам нерелятивистской квантовой механики, дуальность волны и частицы применима ко всем объектам, даже к макроскопическим; хотя волновые свойства макроскопических объектов не могут быть обнаружены из-за их малых длин волн[8].

Взаимодействия между частицами тщательно изучались на протяжении многих веков, и в основе поведения частиц при столкновениях и взаимодействиях лежат несколько простых законов. Наиболее фундаментальными из них являются законы сохранения энергии и сохранения импульса, которые позволяют проводить расчеты взаимодействия частиц в масштабах, варьирующихся от звезд до кварков.

См. также[править | править код]

Примечания[править | править код]

  1. Subatomic particles (недоступная ссылка). NTD. Дата обращения 5 июня 2012. Архивировано 16 февраля 2014 года.
  2. Bolonkin, Alexander. Universe, Human Immortality and Future Human Evaluation. — Elsevier, 2011. — P. 25. — ISBN 9780124158016.
  3. Fritzsch, Harald. Elementary Particles. — World Scientific, 2005. — P. 11–20. — ISBN 978-981-256-141-1.
  4. Heisenberg, W. (1927), "Über den anschaulichen Inhalt der quantentheoretischen Kinematik und Mechanik", Zeitschrift für Physik Т. 43 (3–4): 172–198, DOI 10.1007/BF01397280 
  5. Arndt, Markus; Nairz, Olaf; Vos-Andreae, Julian; Keller, Claudia; Van Der Zouw, Gerbrand; Zeilinger, Anton. Wave-particle duality of C60 molecules (англ.) // Nature. — 2000. — Vol. 401, no. 6754. — P. 680—682. — DOI:10.1038/44348. — Bibcode1999Natur.401..680A. — PMID 18494170.
  6. Cottingham, W.N. An introduction to the standard model of particle physics / W.N. Cottingham, D.A. Greenwood. — Cambridge University Press, 2007. — P. 1. — ISBN 978-0-521-85249-4.
  7. Walter Greiner. Quantum Mechanics: An Introduction. — Springer, 2001. — P. 29. — ISBN 978-3-540-67458-0.
  8. Eisberg, R. Quantum Physics of Atoms, Molecules, Solids, Nuclei, and Particles. — 2nd. — John Wiley & Sons, 1985. — P. 59–60. — ISBN 978-0-471-87373-0.

Ссылки[править | править код]