Фундаментальная частица

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

Фундамента́льная части́ца — бесструктурная элементарная частица[1], которую до настоящего времени не удалось описать как составную[2]. Частицы, которые в настоящее время считаются элементарными, включают фундаментальные фермионы (кварки, лептоны, антикварки и антилептоны), которые обычно представляют собой «частицы вещества» и «частицы антивещества», а также фундаментальные бозоны (калибровочные бозоны и бозон Хиггса), которые, как правило, являются «частицами силы», которые опосредуют взаимодействия между фермионами[3][2]. Частица, содержащая две или более элементарных частиц, представляет собой составную частицу.

Обычная материя состоит из атомов, когда-то считавшихся элементарными частицами — в переводе с греческого «атом» означает «неделимый, неразрезаемый», хотя существование атома оставалось спорным примерно до 1910 года, так как некоторые ведущие физики рассматривали молекулы как математические иллюзии, а материя в конечном итоге состояла из энергии[2][4]. Субатомные составляющие атома были определены в начале 1930-х годов; электроны и протоны, наряду с фотоном, частицей электромагнитного излучения[2]. В то время недавнее появление квантовой механики радикально изменило концепцию частиц, так как отдельная частица могла бы, казалось бы, охватить поле, как волна. Этот парадокс все ещё не получил удовлетворительного объяснения[5][6].

С помощью квантовой теории было обнаружено, что протоны и нейтроны содержат кварки (верхний и нижний) считающиеся элементарными частицами[2]. В пределах молекулы электрон имеет три степени свободы (заряд, спин, орбиталь), которые можно отделить с помощью волновой функции на три квазичастицы (холон, спинон, орбитон)[7]. Тем не менее, свободный электрон, который не вращается вокруг атомного ядра и не имеет орбитального движения, кажется неделимым и остается элементарной частицей[7].

Приблизительно в 1980 году статус элементарной частицы как действительно элементарного — конечной составляющей вещества — был в основном отвергнут для более практического взгляда[2], который воплотился в Стандартную модель физики элементарных частиц, известную как наиболее экспериментально успешную теорию науки[6][8]. Многие разработки и теории за пределами Стандартной модели, включая популярную суперсимметрию, удваивают число элементарных частиц, выдвигая гипотезу о том, что каждая известная частица ассоциируется с «теневым» партнёром гораздо более массивным[9][10], хотя все такие суперпартнёры остаются нераскрытыми[8][11]. Между тем элементарный бозон, опосредующий гравитацию (гравитон), остается гипотетическим[2]. Кроме того, как показывают гипотезы, пространство-время, вероятно, квантуется, поэтому, скорее всего, существуют «атомы» пространства и самого времени[12].

Элементарные частицы, включенные в «Стандартную модель»

Фундаментальные бозоны[править | править код]

Фундаментальные бозоны:

Название Заряд (e) Спин Масса (ГэВ) Переносимое взаимодействие
Фотон 0 1 0 Электромагнитное взаимодействие
W± ±1 1 80,4 Слабое взаимодействие
Z0 0 1 91,2 Слабое взаимодействие
Глюон 0 1 0 Сильное взаимодействие
Бозон Хиггса 0 0 ≈125,09±0,24[13] Инертная масса

Фундаментальные фермионы[править | править код]

Фундаментальные фермионы:

Поколение Кварки с зарядом (+2/3)e Кварки с зарядом (−1/3)e
Название/ аромат кварка/ антикварка Символ кварка/ антикварка Масса (МэВ) Название/ аромат кварка/ антикварка Символ кварка/ антикварка Масса (МэВ)
1 u-кварк (up-кварк) / анти-u-кварк от 1,5 до 3 d-кварк (down-кварк) / анти-d-кварк 4,79±0,07
2 c-кварк (charm-кварк) / анти-c-кварк 1250 ± 90 s-кварк (strange-кварк) / анти-s-кварк 95 ± 25
3 t-кварк (top-кварк) / анти-t-кварк 174 340 ± 790[14] b-кварк (bottom-кварк) / анти-b-кварк 4200 ± 70

У всех кварков есть также электрический заряд, кратный 1/3 элементарного заряда. В каждом поколении один кварк имеет электрический заряд +2/3 (это u-, c- и t-кварки) и один — заряд −1/3 (d-, s- и b-кварки); у антикварков заряды противоположны по знаку. Кроме сильного и электромагнитного взаимодействия, кварки участвуют в слабом взаимодействии.

  • Лептоны не участвуют в сильном взаимодействии. Их античастицы — антилептоны (античастица электрона называется позитрон по историческим причинам). Существуют лептоны шести ароматов:
Поколение Заряженный лептон / античастица Нейтрино / антинейтрино
Название Символ Электрический заряд (e) Масса (МэВ) Название Символ Электрический заряд (e) Масса (МэВ)
1 Электрон / Позитрон −1 / +1 0,511 Электронное нейтрино / Электронное антинейтрино 0 < 0,0000022[15]
2 Мюон −1 / +1 105,66 Мюонное нейтрино / Мюонное антинейтрино 0 < 0,17[15]
3 Тау-лептон −1 / +1 1776,99 Тау-нейтрино / тау-антинейтрино 0 < 15,5[15]

История[править | править код]

До XVII века фундаменальными частицами считались 4 стихии/элемента[16].

До начала XX века фундаментальными частицами считались атомы[17]. Далее фундаментальными частицами стали считать атомное ядро и электрон[18]. Далее было открыто, что атомное ядро состоит из протонов и нейтронов и они стали считаться фундаментальными, а не ядро[19]. Потом было открыто, что протоны и нейтроны состоят из кварков[20].

Примечания[править | править код]

  1. Что является фундаментальным? Поиск фундаментального Официальный сайт детектора КЕДР
  2. 1 2 3 4 5 6 7 Sylvie Braibant; Giorgio Giacomelli; Maurizio Spurio. Particles and Fundamental Interactions: An Introduction to Particle Physics (англ.). — 2nd. — Springer, 2012. — P. 1—3. — ISBN 978-94-007-2463-1.
  3. Что является фундаментальным? Стандартная модель — вопросы для проверки Официальный сайт детектора КЕДР
  4. Ronald Newburgh; Joseph Peidle; Wolfgang Rueckner. Einstein, Perrin, and the reality of atoms: 1905 revisited (англ.) // American Journal of Physics (англ.) : journal. — 2006. — Vol. 74, no. 6. — P. 478—481. — doi:10.1119/1.2188962. — Bibcode2006AmJPh..74..478N. Архивировано 3 августа 2017 года.
  5. Friedel Weinert. The Scientist as Philosopher: Philosophical Consequences of Great Scientific Discoveries (англ.). — Springer, 2004. — P. 43, 57—59. — ISBN 978-3-540-20580-7.
  6. 1 2 Meinard Kuhlmann. Physicists debate whether the world is made of particles or fields—or something else entirely (англ.) // Scientific American : magazine. — Springer Nature, 2013. — 24 July.
  7. 1 2 Zeeya Merali. Not-quite-so elementary, my dear electron: Fundamental particle 'splits' into quasiparticles, including the new 'orbiton' (англ.) // Nature : journal. — 2012. — 18 April. — doi:10.1038/nature.2012.10471.
  8. 1 2 Ian O'Neill. LHC discovery maims supersymmetry, again. Discovery News (24 июля 2013). Дата обращения 28 августа 2013.
  9. Particle Data Group. Unsolved mysteries—supersymmetry. The Particle Adventure. Berkeley Lab. Дата обращения 28 августа 2013.
  10. National Research Council (англ.). Revealing the Hidden Nature of Space and Time: Charting the Course for Elementary Particle Physics (англ.). — National Academies Press (англ.), 2006. — P. 68. — ISBN 978-0-309-66039-6.
  11. CERN latest data shows no sign of supersymmetry—yet. Phys.Org (25 июля 2013). Дата обращения 28 августа 2013.
  12. Smolin, Lee Atoms of Space and Time. Scientific American (2006).
  13. ATLAS и CMS обнародовали совместное измерение массы хиггсовского бозона (недоступная ссылка). Дата обращения 8 мая 2015. Архивировано 2 апреля 2015 года.
  14. Э. Э. Боос, О. Брандт, Д. Денисов, С. П. Денисов, П. Граннис. Top-кварк (к 20-летию открытия) (рус.) // Успехи физических наук. — Российская академия наук, 2015. — Т. 185. — С. 1241—1269. — doi:10.3367/UFNr.0185.201512a.1241.
  15. 1 2 3 Лабораторные измерения и ограничения на свойства нейтрино (англ.). Дата обращения 25 сентября 2009. Архивировано 21 февраля 2012 года.
  16. Что является фундаментальным?
  17. Что является фундаментальным? Атом Официальный сайт детектора КЕДР
  18. Что является фундаментальным? Является ли атом фундаментальным Официальный сайт детектора КЕДР
  19. Что является фундаментальным? Является ли ядро фундаментальным? Официальный сайт детектора КЕДР
  20. Что является фундаментальным? Являются ли протоны и нейтроны фундаментальными частицами? Официальный сайт детектора КЕДР

Ссылки[править | править код]