PARTICILE ELEMENTARE

Introducere

E. h. în sensul exact al acestui termen sunt particule primare, necompuse, din care, prin presupunere, constă toată materia. În conceptul de "E. h." în modern În fizică, își găsește expresie ideea de entități primitive care determină toate proprietățile observabile ale lumii materiale, idee care și-a luat naștere în etapele incipiente ale formării științei naturale și a jucat întotdeauna un rol important în dezvoltarea acesteia.

Conceptul de "E. h." s-a format în strânsă legătură cu stabilirea naturii discrete a structurii materiei la microscop. nivel. Descoperire la începutul secolelor XIX-XX. cei mai mici purtători ai proprietăților materiei - molecule și atomi - și stabilirea faptului că moleculele sunt construite din atomi, a făcut pentru prima dată posibilă descrierea tuturor substanțelor observate ca combinații ale unui număr finit, deși mare, de structuri structurale. componente – atomi. Detectare în viitor părțile constitutive atomi - electroni și nuclee, stabilirea naturii complexe a nucleelor ​​în sine, care s-a dovedit a fi construită din doar două particule (nucleoni): protoni și neutroni, a redus semnificativ numărul de elemente discrete care formează proprietățile materiei și a dat motive să presupunem că lanțul de părți constitutive ale materiei se termină cu formațiuni discrete fără structură - E. h. Secolului 20 posibilitatea de a interpreta e-magn. câmpul ca o colecție de particule speciale - fotoni - a întărit suplimentar convingerea în corectitudinea acestei abordări.

Cu toate acestea, ipoteza declarată, în general, este o extrapolare fapte cunoscuteși nu poate fi justificată în niciun fel. Este imposibil să se afirme cu certitudine că există particule care sunt elementare în sensul definiției de mai sus. De asemenea, este posibil ca afirmația „constă din...” la o anumită etapă a studiului materiei să fie lipsită de conținut. În acest caz, definiția de „elementar” dată mai sus va trebui să fie abandonată. Existența lui E. h. este un fel de postulat, iar verificarea validității acestuia este una dintre cele mai importante sarcini ale fizicii.

De regulă, termenul "E. h." folosit în modern fizica nu în sensul ei exact, ci mai puțin strict - pentru a numi un grup mare de cele mai mici particule observabile de materie, cu condiția ca acestea să nu fie atomi sau nuclee atomice, adică obiecte de natură compozită în mod deliberat (excepția este protonul - nucleul unui atom de hidrogen). Studiile au arătat că acest grup de particule este neobișnuit de extins. Inafara de proton(R), neutroni(n), electron(e) și foton(g) include: pi mezoni(p), muonii(m), tau leptoni(t), neutrini trei tipuri ( v e, v m, v t), așa-numitele. particule ciudate ( K-mezoniși hiperonii), particule fermecateși particule minunate (frumoase) (mezonii D și B și corespunzătoare barionii), variat rezonanțe, inclusiv mezonii cu farmec ascuns și farmec ( particule ncu, particule upsilon) și, în sfârșit, deschis la început. anii 80 bosoni vectori intermediari (W, Z)- peste 350 de particule în total, în principal instabil. Numărul de particule incluse în cursul descoperirii lor în acest grup este în continuă creștere și se poate afirma cu încredere că va continua să crească în viitor. Evident, un număr atât de mare de particule nu poate acționa ca constituenți elementari ai materiei și, într-adevăr, în anii 70. s-a demonstrat că majoritatea particulelor enumerate (toți mezonii și barionii) sunt sisteme compozite. Particulele incluse în acest ultim grup ar trebui mai precis numite particule „subnucleare”, deoarece reprezintă forme specifice ale existenței materiei care nu este agregată în nuclee. Utilizarea numelui "E. h." în raport cu toate particulele menţionate are în principal. istoria, cauzează și se asociază cu perioada cercetării (începutul anilor 30), când unitatea. reprezentanți cunoscuți ai acestui grup au fost protonii, neutronii, electronii și particulele el-magn. câmpuri - foton. Apoi, cu un anumit drept, aceste particule ar putea revendica rolul lui E. h.

Descoperirea de noi microscopice particulele au distrus treptat această imagine simplă a structurii materiei. Cu toate acestea, particulele nou descoperite în proprietățile lor erau, în multe privințe, apropiate de primele patru particule cunoscute: fie de proton și neutron, fie de electron, fie de foton. Atâta timp cât numărul acestor particule nu era foarte mare, s-a menținut credința că toate joacă fundam. rol în structura materiei și au fost incluse în categoria E. h. Odată cu creșterea numărului de particule, această credință a trebuit să fie abandonată, dar în mod tradițional. Nume "E. h." tinut in urma lor.

În conformitate cu practica consacrată, termenul "E. h." va fi folosit mai jos ca denumire generală pentru toate cele mai mici particule de materie. În cazurile în care vorbim despre particule care pretind a fi elementele primare materie, termenul „adevărat particule elementare".

Scurte informații istorice

Descoperirea lui E. h. a fost un rezultat firesc al succesului general în studierea structurii materiei, realizat de fizică în con. secolul al 19-lea A fost pregătit prin studii detaliate ale spectrelor atomilor, studiul electricității. fenomene în lichide și gaze, descoperirea fotoelectricității, raze X. razele, naturale radioactivitate, indicând existența unei structuri complexe a materiei.

Din punct de vedere istoric, primul E. h. deschis a fost un electron - purtătorul unui electric elementar negativ. sarcina in atomi. În 1897, J. J. Thomson (J. J. Thomson) a arătat în mod convingător că așa-numitul. razele catodice sunt un flux de sarcină. particule, to-secara au fost numite mai târziu electroni. În 1911 E. Rutherford, sărind particule alfa din natura. radioactiv sursa prin folie subtire desc. substante, a ajuns la concluzia ca ar pune. sarcina în atomi este concentrată în formațiuni compacte - nuclee, iar în 1919 a descoperit printre particulele eliminate din nuclee atomice, protoni - particule cu o unitate pusă. sarcină și masă, de 1840 de ori masa unui electron. O altă particulă care face parte din nucleu, neutronul, a fost descoperită în 1932 de J. Chadwick în timp ce studia interacțiunea particulelor a cu beriliul. Neutronul are o masă apropiată de cea a protonului, dar nu are sarcină electrică. încărca. Descoperirea neutronului a finalizat identificarea particulelor, care sunt elementele structurale ale atomilor și nucleele acestora.

Concluzia despre existența particulelor e-magn. câmp - foton - provine din lucrarea lui M. Planck (M. Planck, 1900). Pentru a obține o descriere corectă a spectrului de radiații al unui corp absolut negru, Planck a fost nevoit să admită că energia radiației este împărțită în separat. porțiuni (quanta). Dezvoltând ideea lui Planck, A. Einstein a sugerat în 1905 că el-magn. radiația este un flux de cuante (fotoni) și pe această bază au explicat legile efectului fotoelectric. Experimente directe. dovezi ale existenței fotonului au fost date de R. Millikan în 1912-15 când studia efectul fotoelectric și de A. Compton în 1922 când studia împrăștierea g-quanta de către electroni (vezi. Efectul Compton).

Ideea existenței unui neutrin, o particulă care interacționează doar slab cu materia, îi aparține lui W. Pauli (1930), care a subliniat că o astfel de ipoteză face posibilă eliminarea dificultăților cu legea conservării energiei în procesele de dezintegrare beta a unui act radio. nuclee. Existența neutrinilor a fost confirmată experimental în studiul procesului de invers dezintegrare beta abia în 1956 [F. Reines (F. Reines) și K. Cowan (S. Cowan)].

Din anii 30 până la începutul anilor anii 50 studiul lui E. h. a fost strâns legat de studiu raze cosmice. În 1932, ca parte a cosmicului. razele de K. Anderson (S. Anderson) a fost descoperită Pozitron(e +) - o particulă cu o masă de electroni, dar cu o masă electrică pozitivă. încărca. Pozitronul a fost primul descoperit antiparticulă. Existența pozitronului decurge direct din teoria relativistă a electronului dezvoltată de P. Dirac în 1928-31 cu puțin timp înainte de descoperirea pozitronului. În 1936, Anderson și S. Neddermeyer (S. Neddermeyer) au găsit în studiul spațiului. raze muoni (din ambele semne de sarcină electrică) - particule cu o masă de aproximativ 200 de mase de electron, dar de altfel remarcabil de aproape de acesta în proprietăți.

În 1947, tot în spațiu. razele de către grupul S. Powell (S. Powell) au fost descoperite p + - și p - mesoni cu o masă de 274 de mase de electroni, care joacă un rol important în interacțiunea protonilor cu neutronii din nuclee. Existența unor astfel de particule a fost propusă de H. Yukawa în 1935.

Con. Anii 40-început anii 50 au fost marcate de descoperirea unui grup mare de particule cu proprietăți neobișnuite, numite. "ciudat". Primele particule din acest grup - K + - și K - mezoni, L-hiperoni - au fost descoperite în spațiu. razele, au fost făcute descoperiri ulterioare de particule ciudate acceleratori de particule- instalații care creează fluxuri intense de protoni și electroni de mare energie. La ciocnirea cu materia, protonii și electronii accelerați dau naștere la noi E. h., to-rye sunt apoi înregistrate cu ajutorul unor detectoare complexe.

De la inceput anii 50 acceleratoarele au devenit principalele. instrument pentru studiul lui E. h. În anii '90. Max. energiile particulelor accelerate la acceleratori s-au ridicat la sute de miliarde de electron volți (GeV), iar procesul de creștere a energiilor continuă. Dorința de a crește energiile particulelor accelerate se datorează faptului că astfel se deschide posibilitatea studierii structurii materiei la distanțe mai scurte, cu atât mai mare este energia particulelor care se ciocnesc, precum și posibilitatea de a produce din ce în ce mai multe. particule grele. Acceleratoarele au crescut semnificativ rata de obținere a datelor noi și, în scurt timp, ne-au extins și ne-au îmbogățit cunoștințele despre proprietățile microlumii.

Punerea în funcțiune a acceleratoarelor de protoni cu energii de miliarde de eV a făcut posibilă descoperirea de antiparticule grele: antiproton (1955), antineutron(1956), antisigmagi-peron (I960). În 1964, a fost descoperită cea mai grea particulă din grupul de hiperoni, W (cu o masă de aproximativ două mase de proton).

Din anii 60. cu ajutorul acceleratoarelor relevate număr mare particule extrem de instabile (în comparație cu alte E. h. instabile), care au primit numele. rezonanțe. Masele celor mai mulți depășesc masa unui proton. [Primul dintre ele, D (1232), care se descompune într-un p-mezon și un nucleon, este cunoscut din 1953.] S-a dovedit că rezonanța este principală. parte din E. h.

În 1974, au fost descoperite particule psi masive (3-4 mase de protoni) și în același timp relativ stabile, cu o durată de viață de aproximativ 10 3 ori mai mare decât durata de viață tipică rezonanțelor. S-au dovedit a fi strâns înrudiți cu noua familie a fermecaților E. h., primii reprezentanți ai cărei (D mesons, L Cu-barioni) au fost descoperite în 1976.

În 1977, au fost descoperite particule upsilon și mai grele (aproximativ 10 mase de protoni), precum și particule psi, care sunt anormal de stabile pentru particulele cu mase atât de mari. Ei au anunțat existența unei alte familii neobișnuite de particule drăguțe sau frumoase. Reprezentanții săi - B-mesoni - au fost descoperiți în 1981-83, L b-barioni - în 1992.

În 1962, s-a constatat că în natură nu există un singur tip de neutrin, ci cel puțin două: electronice. v e şi muonic v m . 1975 a adus descoperirea t-leptonului, o particulă de aproape 2 ori mai grea decât un proton, dar în rest repetând proprietățile unui electron și ale unui muon. Curând a devenit clar că un alt tip de neutrin a fost asociat cu acesta. v t.

În sfârșit, în 1983, în cursul experimentelor la ciocnitorul proton-antiproton (un aparat pentru efectuarea ciocnirii fasciculelor de particule accelerate), au fost descoperite cele mai grele particule de electroni cunoscute: bosoni intermediari încărcați W b (m W 80 GeV) și un boson intermediar neutru Z 0 (m Z = 91 GeV).

Astfel, în aproape 100 de ani care au trecut de la descoperirea electronului, au fost descoperite un număr imens de diverse microparticule de materie. Lumea lui E. h. s-a dovedit a fi destul de complicată. Neașteptat în mulți relaţiile s-au dovedit a fi proprietăţile descoperite E. h. Pentru a le descrie, pe lângă caracteristicile împrumutate de la clasic. fizică, cum ar fi electrice sarcină, masă, moment unghiular, a fost nevoie de o mulțime de noi specialități pentru a fi introduse. caracteristici, în special pentru a descrie ciudatul, fermecat și minunat (frumos) E. h. ciudățenie[LA. Nishijima (K. Nishijima), M. Gell-Mann (M. Gell-Mann), 1953], șarmul[J. Bjorken (J. Bjorken), Sh. Glashow (Sh. Glashow), 1964], frumusetea. Numele caracteristicilor de mai sus reflectă deja natura neobișnuită a proprietăților pe care le descriu.

Studiul intern Încă de la primii pași, evoluția materiei și a proprietăților a fost însoțită de o revizuire radicală a multor concepte și idei consacrate. Legile care guvernează comportamentul materiei în mic, s-au dovedit a fi atât de diferite de legile clasicului. mecanică și care a cerut pentru descrierea lor teoretică complet nouă. constructii. Astfel de teorii noi au fost, în primul rând, private (spec.) teoria relativității(Einstein, 1905) și mecanica cuantică(H. Bohr, L. de Broglie, W. Heisenberg, E. Schrödinger, M. Born; 1924-27). Teoria relativității și mecanica cuantică au marcat o adevărată revoluție în știința naturii și au pus bazele descrierii fenomenelor microlumii. Cu toate acestea, nu a fost suficient să descriem procesele care au loc cu E. h. A urmat pasul următor - cuantizarea clasicului. câmpuri (așa-numitele. a doua cuantizare) și dezvoltare teoria câmpului cuantic. Cele mai importante etape pe calea dezvoltării sale au fost: formularea electrodinamică cuantică(Dirac, 1929), teoria cuantica dezintegrare beta [E. Fermi (E. Fermi), 1934] - precursorii modernului. teoria fenomenologică a interacțiunilor slabe, mezodinamica cuantică (X. Yukawa, 1935). Această perioadă s-a încheiat cu crearea unei succesiuni. calculati. aparat de electrodinamică cuantică [S. Tomona-ga (S. Tomonaga), P. Feynman (R. Feynman), J. Schwinger (J. Schwinger); 1944-49], bazată pe utilizarea tehnologiei Această tehnică a fost ulterior generalizată la alte variante ale teoriei câmpurilor cuantice.

O etapă esențială în dezvoltarea ulterioară a teoriei câmpurilor cuantice a fost asociată cu dezvoltarea ideilor despre așa-numitul. câmpuri de calibrare sau Yanga - Câmpuri de mori(Ch. Young, P. Mills, 1954), care a făcut posibilă stabilirea relației de proprietăți simetrie interacțiunile cu câmpurile. Teoria cuantică a câmpurilor gauge stă în prezent la baza descrierii interacțiunilor electromagneților.Această teorie are o serie de succese serioase, dar este încă foarte departe de a fi completă și nu poate încă pretinde rolul unei teorii cuprinzătoare a electromagnetismului.nici unul. restructurarea tuturor ideilor și o înțelegere mult mai profundă a relației dintre proprietățile microparticulelor și proprietățile spațiu-timp înainte de construirea unei astfel de teorii.

Proprietățile de bază ale particulelor elementare. Clase de interacțiune

Toți electronii sunt obiecte de mase și dimensiuni excepțional de mici. Pentru majoritatea dintre ele, masele m sunt de ordinul mărimii masei protonilor, egale cu 1,6·10 -24 g (doar masa electronilor este vizibil mai mică: 9·10 -28 g). Dimensiunile protonului, neutronului, mezonilor p și K determinate din experiență sunt egale în ordinul mărimii cu 10 -13 cm (vezi Fig. „Mărimea” unei particule elementare). Nu s-a putut determina dimensiunile electronului și muonului, se știe doar că sunt mai mici de 10 -16 cm.Microscopice. Masele și dimensiunile lui E. h. stau la baza specificului cuantic al comportamentului lor. caracteristică lungimi de undă, care ar trebui atribuit lui E. h. în teoria cuantică (= /ts-Lungime de undă Compton), care sunt apropiate în ordinea mărimii de dimensiunile tipice pe care are loc interacțiunea lor (de exemplu, pentru p-mezonul /ts 1,4 10 -13 cm). Aceasta duce la faptul că regularitățile cuantice sunt decisive în comportamentul lui E. h.

Naib. O proprietate cuantică importantă a tuturor electronilor este capacitatea lor de a se naște și de a fi distruși (emis și absorbiți) atunci când interacționează cu alte particule. În acest sens, ei sunt complet analogi cu fotonii. E. h. este specific. cuante de materie, mai precis - cuante ale corespondentei domeniile fizice. Toate procesele cu E. h. decurg printr-o succesiune de acte de absorbție și emisie a acestora. Numai pe această bază se poate înțelege, de exemplu, procesul de producere a p + -mezonului în ciocnirea a doi protoni (p + pp + n + p +) sau procesul unui electron și al unui pozitron, când, de exemplu, două g-quanta apar în loc de particule dispărute (e + +e - g + g). Dar și procesele de împrăștiere elastică a particulelor, de exemplu. e - + p- > e - + p, sunt de asemenea asociate cu absorbția începutului. particule și nașterea particulelor finite. Dezintegrarea particulelor de electroni instabile în particule mai ușoare, însoțită de eliberarea de energie, corespunde aceleiași regularități și este un proces în care produsele de descompunere se nasc în momentul dezintegrarii în sine și nu există până în acel moment. În acest sens, dezintegrarea lui E. h. este similară cu dezintegrarea unui atom excitat în principal. stare și foton. Exemple de dezintegrari ale particulelor de electroni pot servi (semnul „tilde” deasupra simbolului particulei aici și în cele ce urmează corespunde antiparticulei).

Diff. Procesele electromagnetice la energii relativ scăzute [până la 10 GeV în sistemul centrului de masă (c.m.)] diferă considerabil în intensitatea apariției lor. În conformitate cu aceasta, interacțiunile care le generează E. h. pot fi împărțite fenomenologic în mai multe. clase: interacțiune puternică, interacțiune electromagneticăși interacțiune slabă.Toți E. h. posedă, în plus, interacțiune gravitațională.

Interacțiunea puternică se remarcă ca interacțiune, o tăietură este responsabilă pentru procesele cu E. h., decurgând cu cea mai mare intensitate în comparație cu alte procese. Conduce la cea mai puternică conexiune E. h. Este interacțiunea puternică care determină legătura protonilor și neutronilor în nucleele atomilor și oferă o excepție. puterea acestor formațiuni, care stă la baza stabilității materiei în condiții terestre.

El-magn. interacțiunea este caracterizată ca o interacțiune, a cărei bază este legătura cu e-magn. camp. Procesele provocate de acesta sunt mai puțin intense decât procesele de interacțiune puternică, iar legătura E. h. generată de acesta este vizibil mai slabă. El-magn. interacțiunea, în special, este responsabilă pentru procesele de emisie de fotoni, pentru legarea electronilor atomici cu nucleele și pentru legarea atomilor din molecule.

În funcție de participarea la anumite tipuri de interacțiuni, toate particulele de E. au studiat, cu excepția fotonului, W- și bosonii Z, sunt împărțiți în două principale. grupuri: hadroniiși leptoni. Hadronii se caracterizează în primul rând prin faptul că participă la interacțiunea puternică, alături de interacțiunile el-magnetice și slabe, în timp ce leptonii participă doar la interacțiunile el-magnetice și slabe. (Este implicată prezența unei interacțiuni gravitaționale comune ambelor grupuri.) Masele hadronilor sunt apropiate, în ordinea mărimii, de masa protonilor ( t R ) , uneori depășindu-l de câteva ori. o singura data; min. p-mezonul are masa printre hadroni: t p1 / 7 m p , . Masele de leptoni cunoscute înainte de 1975-76 au fost mici (0,1 m p) - de unde numele lor. Cu toate acestea, date mai recente indică existența m-leptonilor grei cu o masă de cca. două mase de protoni.

Hadronii sunt cel mai extins grup de E. h. Cuprind toți barionii și mezonii, precum și așa-numitele. rezonanțe (adică majoritatea celor 350 e. h. menționate). După cum sa menționat deja, aceste particule au o structură complexă și de fapt nu pot fi considerate elementare. Leptonii sunt reprezentați de trei particule încărcate (e, m, m) și trei neutre ( v e, v m, v t). Foton, W + și bosonii Z 0 împreună formează un grup important de bosoni gauge care efectuează transferul interacțiunii el-slab. Elementaritatea particulelor din aceste ultime două grupe nu a fost încă serios pusă la îndoială.

Caracteristicile particulelor elementare

Fiecare E. h., împreună cu specificul interacțiunilor sale inerente, este descrisă de un set de valori discrete determinate. fizic cantități sau caracteristici. Într-un număr de cazuri, aceste valori discrete sunt exprimate în termeni de numere întregi sau fracționale și un anumit multiplicator comun, o unitate de măsură; aceste numere sunt denumite numere cuantice E. h. și setați numai ele, omițând unitățile de măsură.

Caracteristicile generale ale tuturor E. h - masa ( t), durata de viață (t), rotație ( J) și electrice. taxa ( Q).

În funcție de durata de viață t, E. h. sunt împărțite în stabile, cvasistabile și instabile (rezonanțe). Stabil, în acuratețea modernului. măsurătorile sunt electronul (m > 2 · 10 22 ani), protonul (m > 5 · 10 32 ani), fotonul și toate tipurile de neutrini. Particulele aproape stabile includ particule care se descompun datorită e-magnetului. și interacțiuni slabe. Durata lor de viață variază de la 900 s pentru un neutron liber până la 10 -20 s pentru un S 0 -hiperon. Rezonanta a sunat. E. h., dezintegrandu-se datorita interactiunii puternice. Duratele lor de viață caracteristice sunt 10 -22 -10 -24 s. În tabel. 1 se notează cu * și în loc de m se dă o valoare mai convenabilă: lățimea rezonanței Г=/т.

Spin E. h. J este un multiplu întreg sau jumătate întreg al valorii. În aceste unități, spin-ul mezonilor p și K este egal cu 0, pentru proton, neutron și toți leptonii J= 1/2, pentru un foton, Wb-și bosonii Z J= 1. Există și particule cu un spin mare. Valoarea spin-ului unui E. h. determină comportamentul unui ansamblu de particule identice (identice) sau statisticile acestora (Pauli, 1940). Particulele de spin semiîntreg se supun Statistici Fermi - Dirac(de unde și denumirea de fermioni), care necesită antisimetria funcției de undă a sistemului în raport cu permutarea unei perechi de particule (sau un număr impar de astfel de permutări) și, prin urmare, „interzice” două particule de jumătate întreg. rotirea să fie în aceeași stare ( principiul Pauli).Particulele unui întreg spin se supun Baza - statistici Einstein(de unde denumirea de bosoni), care necesită o funcție de undă în ceea ce privește permutările particulelor și permite oricărui număr de particule de spin întreg să fie în aceeași stare. Statistic Proprietățile lui E. h. particule identice.

No t e. Particulele sunt marcate cu * în stânga. (de regulă, rezonanțe), pentru care în loc de timp durata de viață t este lățimea Г=/t. Adevărat neutruparticulele nye sunt plasate la mijloc între particule și antiparticule. Membrii unui multi izotopicgenele sunt situate pe o singură linie (în acele cazuri, când caracteristicile fiecărui membru al multibici, - cu un ușor decalaj vertical). trădaresemn de paritate P pentru antibarioni nu este indicat, egal cudar ca schimbarea semnelor S, C, b y a tuturor antiparticulelor. Pentru leptoni și bosoni intermediari, interiorul paritatea nu este un quanto exact (conservat).număr și deci nemarcat. Numerele între paranteze la sfârșitul mărimi fizice desemna eroarea existentă în sensul acestor cantități, referitoare la ultima dintre cifrele date.

Electric sarcinile E. h. studiate (cu excepția) sunt multipli întregi ai e= 1,6 10 -19 C (4,8 10 -10 CGS), nas. sarcina electrica elementara. În celebrul E. h. Q= 0, + 1, b2.

Pe lângă aceste mărimi, E. h. se caracterizează suplimentar printr-un număr de numere cuantice, numite. "intern". Leptonii sunt specifici. număr lepton (L) trei tipuri: electronice Le, egal cu +1 pentru e -și v e, muonic L m , egal cu +1 pentru m - și v m, și L t egal cu +1 pentru t - și v t .

Pentru hadroni L= 0, iar aceasta este o altă manifestare a diferenței lor față de leptoni. La rândul său, asta înseamnă o parte din hadroni ar trebui să fie atribuită așa-numitului. numărul barion B (|B| = eu ) . Hadroni cu B=+ 1 formează un subgrup de barioni (acesta include protonii, neutronii, hiperonii; barionii fermecați și drăgălașii; rezonanțe barionice) și hadronii cu B= 0 - un subgrup de mezoni (p-mezoni, K-mezoni, mezoni fermecați și drăguți, rezonanțe bosonice). Nume subgrupurile de hadroni provin din greacă. cuvintele baruV - grele și mEsоV - mediu, care este la început. etapa de cercetare E. h. reflectat compara. masele barionilor și mezonilor cunoscuți atunci. Date mai recente au arătat că masele de barioni și mezoni sunt comparabile. Pentru leptoni B=0. Pentru un foton Wb- și bosonii Z B= 0 și L= 0.

Barionii și mezonii studiati sunt împărțiți în seturile deja menționate: particule obișnuite (ne-stranii) (protoni, neutroni, p-mezoni), particule ciudate (hiperoni, K-mezoni), particule fermecate și drăguțe. Această împărțire corespunde prezenței numerelor cuantice speciale în hadroni: ciudățenii S, farmecele C și farmecele (frumusețe) b cu valori valide (modulo) 0, 1, 2, 3. Pentru particule obișnuite S=C= b=0, pentru particule ciudate S 0, C= b= 0, pentru particulele fermecate С0, b= 0 și pentru minunat b O. Alături de aceste numere cuantice, este adesea folosit și numărul cuantic hipersarcina Y=B+S+C + b având, aparent, mai mult decât fundam. sens.

Deja primele studii asupra hadronilor obișnuiți au relevat prezența printre aceștia a unor familii de particule apropiate ca masă și cu proprietăți foarte asemănătoare în ceea ce privește interacțiunea puternică, dar cu descompunere. valorile electrice. încărca. Protonul și neutronul (nucleonii) au fost primul exemplu de astfel de familie. Astfel de familii au fost descoperite mai târziu printre hadroni ciudați, fermecați și drăgălași. Caracterul comun al proprietăților particulelor incluse în astfel de familii este o reflectare a existenței aceleiași valori a numărului cuantic pentru ele - spin izotopic I, care, ca și spinul obișnuit, ia valori întregi și jumătate întregi. Familiile înseși sunt de obicei numite. multiplete izotopice. Numărul de particule dintr-un multiplet n asociat cu eu raport n = 2eu+1. Particule ale unui singur izotopic. multipletul diferă unul de celălalt prin valoarea izotopului de „proiecție”. înapoi eu 3 și valorile corespunzătoare Q sunt date de

O caracteristică importantă a hadronilor este paritatea interioară P asociate cu exploatarea spatiilor. inversiuni: P ia valori + 1.

Pentru toate numerele de electroni cu valori diferite de zero ale cel puțin unuia dintre numerele cuantice Q, L, B, S, C, b există antiparticule cu aceleași valori de masă t, durata de viață t, rotire J iar pentru hadronii izotopici. înapoi eu, dar cu semne opuse numerelor cuantice indicate, iar pentru barionii cu semn opus, ext. paritate R. Se numesc particulele care nu au antiparticule. particule neutre adevărate. Hadronii cu adevărat neutri au o specialitate - paritatea taxei(adică, paritatea față de operația de conjugare a sarcinii) C cu valorile + unu; exemple de astfel de particule sunt p 0 - și h-mezoni (C=+1), r 0 - și f-mezoni (C=-1), etc.

Numerele cuantice ale lui E. h. sunt împărțite în exacte (adică acelea care sunt asociate cu mărimi fizice care sunt conservate în toate procesele) și inexacte (pentru care mărimile fizice corespunzătoare nu sunt conservate într-un număr de procese). A învârti J este asociat cu o lege strictă de conservare și, prin urmare, este un număr cuantic exact. Un alt număr cuantic exact este electric. încărca Q. În limitele preciziei măsurătorilor efectuate, numere cuantice Bși L, deși nu există teoretice serioase premise. Mai mult, observat asimetria barionică a universului max. poate fi interpretat în mod natural presupunând o încălcare a conservării numărului barion LA(A.D. Saharov, 1967). Cu toate acestea, stabilitatea observată a protonului este o reflectare a gradului ridicat de precizie de conservare. Bși L(nu există dezintegrare pe + p 0, de exemplu). Nu se observă nici descompunerea m - e - + g, m - m - + g etc.. Cu toate acestea, majoritatea numerelor cuantice ale hadronilor sunt inexacte. izotopic spinul, fiind conservat în interacțiunea puternică, nu se conserva în e-magn. și interacțiuni slabe. Ciudația, farmecul și farmecul se păstrează în puternic și el-magn. interacțiuni, dar nu sunt conservate în interacțiuni slabe. Interacțiunea slabă modifică și ext. și paritatea de încărcare a setului de particule implicate în proces. Paritatea combinată este păstrată cu un grad mult mai mare de precizie CP (paritate CP), este însă încălcat și în anumite procese din cauza interacțiunii slabe. Motive pentru neconservare pl. numerele cuantice ale hadronilor nu sunt clare și, aparent, sunt legate atât de natura acestor numere cuantice, cât și de structura profundă a interacțiunii el-slab.

În tabel. 1 arată max. particule de electroni bine studiate din grupurile de leptoni și hadroni și numerele lor cuantice. În special grup, bosonii gauge sunt alocați. Particulele și antiparticulele sunt date separat (modificare P nu este indicat pentru antibarioni). Particulele neutre adevărate sunt plasate în centrul primei coloane. Membrii unui izotopic. multipletele sunt situate pe o singură linie, uneori cu o ușoară deplasare (în acele cazuri când sunt date caracteristicile fiecărui membru al multipletului).

După cum sa menționat deja, grupul de leptoni este foarte mic, iar masele de particule în principal. mic. Pentru masele tuturor tipurilor de neutrini, există restricții destul de stricte de sus, dar care sunt adevăratele lor valori rămâne de văzut.

Principal o parte a E. h. este formată din hadroni. O creștere a numărului de E. ore cunoscute în anii 60-70. a avut loc numai datorită extinderii acestui grup. Hadronii sunt reprezentați în mare parte prin rezonanțe. Se atrage atenția asupra tendinței de creștere a spinului odată cu creșterea masei de rezonanțe; este bine urmărit pe dif. grupuri de mezoni si barioni cu date eu, Sși C. De asemenea, trebuie remarcat faptul că particulele ciudate sunt oarecum mai masive decât particulele obișnuite, particulele fermecate sunt mai masive decât cele ciudate și particulele minunate sunt mai masive decât cele fermecate.

Clasificarea particulelor elementare. Modelul cuarc al hadronilor

Dacă clasificarea bosonilor și leptonilor gauge nu provoacă probleme speciale, atunci un număr mare de hadroni deja la început. anii 50 a stat la baza căutării regularităților în distribuția maselor și a numerelor cuantice de barioni și mezoni, care ar putea sta la baza clasificării acestora. Selectarea izotopilor. Hadron multiplets a fost primul pas în această direcție. Cu mama. din punct de vedere, gruparea hadronilor în izotop. multipletele reflectă prezența unei puternice simetrii de interacțiune asociată cu rotația grupului, mai formal, cu grupul unitar SU(2) - un grup de transformări într-un spațiu complex bidimensional [vezi. simetria SU ( 2 )] . Se presupune că aceste transformări operează într-un fel specific. intern spațiu – așa-numitul. izotopic alt spațiu decât cel normal. Existența izotopului spațiul se manifestă numai în proprietățile observabile ale simetriei. La matematică. limbaj izotopic. multipletele sunt ireductibile reprezentări de grup simetrie SU (2).

Conceptul de simetrie ca factor care determină existența decomp. grupuri şi familii E. h. în modern. teorie, este dominantă în clasificarea hadronilor și a altor E. h. Se presupune că ext. numere cuantice E. h., permițându-vă să combinați anumite grupuri de particule, asociate cu speciale. tipuri de simetrie care apar datorita libertatii de transformari in special interne. spatii. De aici vine numele. „numere cuantice interne”.

O analiză atentă arată că hadronii ciudați și obișnuiți formează împreună asociații mai largi de particule cu proprietăți similare decât cele izotopice. multiplete. De obicei sunt numiti super multi-gene. Numărul de particule incluse în super-multipletele observate este de 8 și 10. Din punct de vedere al simetriei, apariția super-multipletelor este interpretată ca o manifestare a existenței unui grup de simetrie în interacțiunea puternică care este mai largă decât grupul SU( 2) , şi anume grupul unitar SU(3) - grupuri de transformare în spațiul complex tridimensional [Gell-Man, Y. Neeman, 1961]; cm. Simetrie SU(3). Simetria corespunzătoare se numește simetrie unitară. grup SU(3) are, în special, reprezentări ireductibile cu numărul de componente 8 și 10, care pot fi asociate cu supermultipleții observate: un octet și un decuplet. Exemple de supermultipleturi sunt următoarele grupuri de particule cu aceleași valori JP(adică cu aceleași perechi de valori Jși P):

Simetria unitară este mai puțin precisă decât izotopică. simetrie. În consecință, diferența în mase de particule inclus în octeți și decupleți este destul de semnificativ. Din același motiv, împărțirea hadronilor în supermultipleturi este relativ ușor de realizat pentru particulele de electroni cu mase nu foarte mari. La mase mari, când sunt multe dif. particule cu mase similare, această diviziune este mai dificil de implementat.

Detectarea printre hadroni a supermultiplets selectate de dimensiuni fixe, corespunzătoare anumitor cazuri. reprezentări ale grupului unitar SU(3), a fost cheia celei mai importante concluzii despre existența elementelor structurale speciale în hadroni - quarcuri.

Ipoteza conform căreia hadronii observați sunt construiți din particule de natură neobișnuită - quarci care poartă spin 1 / 2, care posedă o interacțiune puternică, dar în același timp, care nu aparține clasei hadronilor, a fost propusă de G. Zweig și independent de Gell-Mann în 1964 (vezi. modele de cuarci). Ideea de quarci a fost sugerată de Math. structura reprezentărilor grupurilor unitare. Ma-ei. formalismul deschide posibilitatea de a descrie toate reprezentările grupului Soare) (și, în consecință, toți multipleții de hadron asociați) pe baza înmulțirii celei mai simple (fundam.) reprezentări de grup care conține n componentă. Este necesar doar să admitem existența unor particule speciale asociate cu aceste componente, ceea ce a fost făcut de Zweig și Gell-Mann pentru cazul particular al grupului. SU( 3) . Aceste particule au fost numite quarci.

Compoziția specifică de quarc a mezonilor și barionilor a fost derivată din faptul că mezonii, de regulă, sunt incluși în supermultipleturi cu un număr de particule egal cu 8 și barionii - 8 și 10. Acest model este ușor de reprodus dacă presupunem că mezonii sunt compuse dintr-un quarc și un antiquarc, simbolic: M=(q) , iar barionul este format din trei quarci, simbolic: B = (qqq). În virtutea proprietăților grupului SU(3) 9 mezoni se descompun în supermultipleți de 1 și 8 particule și 27 de barioni în supermultipleți care conțin 1, 10 și de două ori 8 particule, ceea ce explică separarea observată a octeților și decupleților.

T. o., relevat de experimentele anilor '60. existența supermultipletelor compuse din hadroni obișnuiți și ciudați a condus la concluzia că toți acești hadroni sunt construiți din 3 quarci, denumiți de obicei i, d, s(Masa 2). Întregul set de fapte cunoscute la acea vreme era în perfect acord cu această propunere.

Tab. 2.-Caracteristicile quarcurilor

* Evaluare experimentală preliminară.

Descoperirea ulterioară a particulelor psi, apoi a particulelor upsilon, a hadronilor fermecați și fermecați a arătat că trei quarci nu sunt de ajuns pentru a le explica proprietățile și este necesar să admitem existența a încă două tipuri de quarci. cși b, purtând noi numere cuantice: farmec și frumusețe. Această împrejurare nu a zdruncinat, totuși, principiile fundamentale ale modelului cuarcului. În special, centrul a fost păstrat. punctul din diagrama ei a structurii hadronilor: M=(q), B = (qqq). Mai mult, pe baza ipotezei structurii cuarci a particulelor psi și upsilon a fost posibil să se ofere fizice. interpretarea proprietăților lor în mare măsură neobișnuite.

Din punct de vedere istoric, descoperirea particulelor psi și upsilon, precum și a noilor tipuri de hadroni fermecați și drăgălași, a fost un pas important în confirmarea ideilor despre structura cuarcilor tuturor particulelor care interacționează puternic. Conform modernului teoretic modele (vezi mai jos), ar trebui să ne așteptăm la existența unuia mai mult - al șaselea t-quarc, care a fost descoperit în 1995.

Structura quarcului de mai sus a hadronilor și Mat. proprietățile quarcilor ca obiecte asociate cu fundam. reprezentarea grupului Soare), conduc la următoarele numere cuantice de quarci (Tabelul 2). Se atrage atenția asupra valorilor neobișnuite (fracționale) ale electricității. încărca Q, precum și LA, care nu se regăsesc în niciunul din E. h. studiate Cu indice a pentru fiecare tip de cuarc q i (i= 1, 2, 3, 4, 5, 6) este asociată o caracteristică specială a quarcilor - culoare, pe care hadronii observați nu le au. Indicele a ia valorile 1, 2, 3, adică fiecare tip de quarc ( q i) este reprezentată de trei soiuri q A i. Numerele cuantice ale fiecărui tip de quarc nu se schimbă atunci când culoarea se schimbă, deci Tabel. 2 se aplică quarcilor de orice culoare. După cum se arată mai târziu, cantitățile q a (pentru fiecare i) la schimbarea a în ceea ce privește transformările lor. proprietățile ar trebui considerate componente ale fundam. reprezentări ale altui grup SU(3), culoare, care operează într-un spațiu tridimensional de culoare [vezi. Simetria culorii SU(3)].

Necesitatea introducerii culorii decurge din cerința de antisimetrie a funcției de undă a sistemului de quarci care formează barionii. Quarcii, ca particule de spin 1/2, trebuie să se supună statisticilor Fermi-Dirac. Între timp, există barioni alcătuiți din trei quarci identici cu aceeași orientare de spin: D ++ (), W - (), care sunt clar simetrici față de permutările quarcilor, dacă aceștia din urmă nu au complement. grad de libertate. O astfel de completare. gradul de libertate este culoarea. Având în vedere culoarea, antisimetria necesară este restabilită cu ușurință. Funcțiile rafinate ale compoziției structurale a mezonilor și barionilor arată astfel:

unde e abg este tensorul complet antisimetric ( Simbol Levi-chi-vita)(1/ 1/ - factori de normalizare). Este important de menționat că nici mezonii, nici barionii nu poartă indici de culoare (fără culoare) și sunt, așa cum se spune uneori, particule „albe”.

În tabel. 2 arată doar masele de quarci „eficiente”. Acest lucru se datorează faptului că quarcii în stare liberă, în ciuda numeroaselor căutări atente ale acestora, nu au fost observați. Acest lucru, apropo, dezvăluie o altă caracteristică a quarcilor ca particule de o natură complet nouă, neobișnuită. Prin urmare, nu există date directe despre masele cuarcilor. Există doar estimări indirecte ale maselor de quarci, care pot fi extrase din descompunerea lor. manifestări dinamice în caracteristicile hadronilor (inclusiv masele acestora din urmă), precum și în decomp. procesele care au loc cu hadronii (desintegrari etc.). Pentru masa t-quark, se dă un experiment preliminar. nota.

Toată varietatea de hadroni ia naștere din cauza decomp. combinatii i-, d-, s-, s- și b-quarci care formează stări legate. Hadronii obișnuiți corespund stărilor legate construite numai din și- și d-quarci [pentru mezoni cu posibila participare a combinațiilor ( s.), (Cu) și ( b)]. Prezența în stare legată, împreună cu u- și d-quarci, unul s-, cu- sau b-quark înseamnă că hadronul corespunzător este ciudat ( S= - 1), fermecat (C= + 1) sau adorabil ( b= - 1). Un barion poate fi format din doi sau trei s-quarc (respectiv Cu- și b-quark), adică de două ori sau de trei ori barionii ciudați (fermecați, drăguți) sunt posibili. Sunt permise și combinații. numerele s- și Cu-, b-quarci (mai ales în barioni), care corespund unor forme „hibride” de hadroni (ciudat de fermecător, ciudat de fermecător). Evident, cu atât mai mult s-, cu- sau b-quarcurile conțin un hadron, cu atât este mai masiv. Dacă comparăm stările fundamentale (neexcitate) ale hadronilor, aceasta este tocmai imaginea care se observă (Tabelul 1).

Deoarece spinul quarcilor este 1 / 2, structura cuarcilor de mai sus a hadronilor are drept consecință un spin întreg pentru mezoni și un spin semiîntreg pentru barioni, în deplină concordanță cu experimentul. În acest caz, în stările corespunzătoare impulsului orbital l=0, în special în principal. stări, valorile spinului mezonului ar trebui să fie egale cu 0 sau 1 (pentru orientarea antiparalelă și paralelă a spinurilor cuarcilor), iar spinul barionilor: 1 / 2 sau 3 / 2 (pentru configurații de centrifugare și ). Avand in vedere ca intern paritatea sistemului quarc-antiquarc este negativă, valorile JP pentru mezoni la l= 0 sunt egale cu 0 - și 1 - , pentru barioni: 1 / 2 + și 3 / 2 + . Aceste valori sunt observate pentru hadronii care au cea mai mică masă la valori date euși S, DE LA, b.

Ca o ilustrare, în Tabel. 3 şi 4 arată compoziţia cuarci a mezonilor cu JP= 0 - și barioni J P = 1 / 2 + (sumarea necesară asupra culorilor cuarcilor este presupusă peste tot).

Tab. 3.- Compoziția cuarci a mezonilor studiați Cu JP=0 - ()

Tab. 4.- Compoziția cuarcă a barionilor studiați Cu JP= 1/2 + ()

Notă. Simbolul () înseamnă simetrizare în raport cu particule variabile; simbol - antisimetrizare.

T. o., modelul cuarci al naturii. mod explică originea principalului. grupuri de hadroni și numerele lor cuantice observate. O considerație dinamică mai detaliată ne permite, de asemenea, să tragem o serie de concluzii utile cu privire la interrelația maselor în dec. familii de hadroni.

Transmiterea corectă a specificului hadronilor cu cele mai mici mase și spini, modelul cuarci al naturii. explică de asemenea într-un fel numărul total mare de hadroni și predominanța rezonanțelor între aceștia. Multiplicitatea hadronilor este o reflectare a structurii lor complexe și a posibilității de decompunere a existenței. stările excitate ale sistemelor de cuarci. Toate stările excitate ale sistemelor de quarci sunt instabile în raport cu tranzițiile rapide datorită interacțiunii puternice cu stările subiacente. Ele formează baza. unele dintre rezonanţe. O mică parte din rezonanțe sunt, de asemenea, sisteme de quarci cu spinuri paralele (cu excepția lui W -). Configurații Quark cu orientare antiparalelă a spinurilor legate de principal. stări, formează hadroni cvasistabili și un proton stabil.

Excitațiile sistemelor de quarci apar atât datorită unei modificări a rotației. mișcarea cuarcilor (excitații orbitale) și datorită modificărilor spațiilor lor. localizare (excitații radiale). În primul caz, o creștere a masei sistemului este însoțită de o modificare a spinului total Jși paritate P sistem, în al doilea caz, creșterea de masă are loc fără modificare JP .

La formularea modelului cuarcilor, cuarcurile au fost considerate ipotetice. elemente structurale care deschid posibilitatea unei descrieri foarte convenabile a hadronilor. În anii care au urmat, au fost efectuate experimente care au făcut posibil să se vorbească despre quarci ca formațiuni materiale reale în interiorul hadronilor. Primele au fost experimente privind împrăștierea electronilor de către nucleoni la unghiuri foarte mari. Aceste experimente (1968), amintesc de clasic. Experimentele lui Rutherford privind împrăștierea particulelor a de către atomi au relevat prezența sarcinilor punctiforme în interiorul nucleonului. formațiuni (vezi Partons).Compararea datelor acestor experimente cu date similare privind împrăștierea neutrinilor de către nucleoni (1973-75) a permis tragerea unei concluzii despre cf. dimensiunea pătratului electricului sarcina acestor formațiuni punctuale. Rezultatul a fost apropiat de valorile fracționale așteptate (2 / 3) 2 e 2 și (1 / 3) 2 e 2. Studiul procesului de producere a hadronului în timpul anihilării unui electron și a unui pozitron, care probabil trece prin următoarele etape:

a indicat prezența a două grupe de hadroni, așa-numitele. jeturi (vezi Jet de hadron), asociat genetic cu fiecare dintre quarcurile rezultate și a făcut posibilă determinarea spinului quarcurilor. S-a dovedit a fi egal cu 1/2. Numărul total de hadroni produși în acest proces indică, de asemenea, că în starea intermediară fiecare tip de quarc este reprezentat de trei soiuri, adică quarcurile sunt tricolore.

T. o., numerele cuantice ale quarcilor, date pe baza teoreticii. considerații, a primit un experiment cuprinzător. confirmarea. Quarcii au dobândit de fapt statutul de noi particule de E. și sunt concurenți serioși pentru rolul adevăratelor particule de E. pentru formele de materie care interacționează puternic. Numărul de tipuri cunoscute de quarci este mic. Până la lungimi<=10 -16 см кварки выступают как точечные бесструктурные образования. Бесструктурность кварков, конечно, может отражать лишь достигнутый уровень исследования этих материальных образований. Однако ряд специфич. особенностей кварков даёт известные основания предполагать, что кварки являются частицами, замыкающими цепь структурных составляющих сильновзаимодействующей материи.

Quarcii diferă de toate celelalte unde electromagnetice prin faptul că aparent nu există în stare liberă, deși există dovezi clare pentru existența lor într-o stare legată. Această caracteristică a quarcilor este cel mai probabil asociată cu specificul interacțiunii lor, generate de schimbul de particule speciale - gluoni, ceea ce duce la faptul că forțele de atracție dintre ele nu slăbesc odată cu distanța. În consecință, este necesară o energie infinită pentru a separa quarcii unul de celălalt, ceea ce este evident imposibil (teoria așa-numitei confinări sau capcane a quarcilor; cf. Reținerea culorii).În realitate, atunci când se încearcă separarea quarcilor unul de celălalt, are loc formarea unui complement. hadronii (așa-numita hadronizare a quarcilor). Imposibilitatea observării cuarcilor în stare liberă îi face un tip complet nou de unități structurale ale materiei. Nu este clar, de exemplu, dacă este posibil în acest caz să se ridice problema părților constitutive ale quarcilor și dacă secvența constituenților structurali ai materiei este astfel întreruptă. Toate cele de mai sus conduc la concluzia că quarkurile, împreună cu leptonii și bosonii gauge, care, de asemenea, nu au semne observabile de structură, formează un grup de E. h., care are cel mai mare motiv să pretindă rolul adevăratului E. h.

Particule elementare și teoria câmpului cuantic. Model de interacțiune standard

Pentru a descrie proprietățile și interacțiunile lui E. h. în modern. teoria fiinţelor. Ceea ce contează este conceptul de câmp fizic, care este atribuit fiecărei particule. Domeniul este specific. forma materiei distribuite în spațiu; este descris printr-o f-țiune, dată în toate punctele spațiu-timp și având un definit. transformator proprietăţi cu privire la transformări grupul Lorenz(scalar, spinor, vector etc.) și grupuri „intrinseci”. simetrii (scalar izotopic, spinor izotopic etc.). El-magn. un câmp care are proprietățile unui vector cu patru dimensiuni A m ( X)(m= 1, 2, 3, 4) - din punct de vedere istoric, primul exemplu de fizică. câmpuri. Câmpurile asociate cu E. h. sunt de natură cuantică, adică energia și impulsul lor sunt compuse dintr-un set de câmpuri separate. porțiuni - cuante, iar energia totală e kși impuls p k cuantice sunt legate prin raportul de special. relativitatea: e 2 k =p 2 k s 2 + t 2 Cu patru . Fiecare astfel de cuantă este un E. h. cu o masă t, cu o energie dată e kși impuls p k. quanta e-magn. câmpurile sunt fotoni, cuantele altor câmpuri corespund tuturor celorlalte teme E. h. Ma cunoscute. Aparatul de teorie cuantică a câmpului (QFT) face posibilă descrierea nașterii și anihilării unei particule în fiecare punct spațiu-timp.

Transforma. proprietățile câmpului determină principalul. numere cuantice de unități electrochimice.Proprietățile de transformare în raport cu transformările grupului Lorentz determină spinul particulelor: unui scalar corespunde unui spin J= 0, spinor- a învârti J= 1 / 2 , vector - spin J= 1 etc. Transforma. proprietăţile câmpurilor în raport cu transformările „interne”. spațiile ("spațiu de încărcare", "spațiu izotopic", "spațiu unitar", "spațiu de culoare") determină existența unor numere cuantice precum L, B, I, S, DE LA, b, a pentru quarci și gluoni, de asemenea, culori. Introducerea lui „int”. spațiile în aparatul teoriei este încă o tehnică pur formală, care, totuși, poate servi ca un indiciu că dimensiunea fizică. spațiu-timp, care se reflectă în proprietățile lui E. h., este de fapt mai mult de patru - i.e. mai mult decât dimensiunea spațiu-timp, caracteristică tuturor macroscopice. fizic proceselor.

Masa lui E. h. nu este direct legată de transformare. proprietățile câmpului. Aceasta este caracteristica lor suplimentară, a cărei origine nu este pe deplin înțeleasă.

Pentru a descrie procesele care au loc cu E. h., QFT folosește formalismul lagrangian.LA lagrangieni, construit din câmpurile implicate în interacțiunea particulelor, conține toate informațiile despre proprietățile particulelor și dinamica comportamentului acestora. Lagrangianul include două Ch. termeni: Lagrangian, care descrie comportamentul câmpurilor libere, și Lagrangian al interacțiunii, reflectând relația decomp. câmpuri și posibilitatea conversiei E. h. Cunoașterea formei exacte permite, în principiu, utilizarea aparatului matrice de împrăștiere (S-matrice), calculează probabilitățile de tranziție de la mulțimea inițială de particule la un set finit de particule dat, care au loc sub influența interacțiunii existente între ele. Astfel, constituirea unei structuri care să deschidă posibilitatea cantităților. descrieri ale proceselor cu E. h., este unul dintre centre. sarcinile KTP.

Creaturi. progrese în rezolvarea acestei probleme s-au realizat în anii 50-70. bazat pe dezvoltarea ideii de câmpuri de gabarit vectorial formulate în lucrarea deja menționată a lui Yang și Mills. Pornind de la poziția binecunoscută că orice lege de conservare observată experimental este asociată cu invarianța Lagrangianului care descrie sistemul în raport cu transformările unui anumit grup de simetrie ( Teorema Noether), Yang și Mills au cerut ca această invarianță să fie satisfăcută local, adică să aibă loc pentru o dependență arbitrară a transformărilor de un punct din spațiu-timp. S-a dovedit că îndeplinirea acestei cerințe, care este legată fizic de faptul că interacțiunea nu poate fi transmisă instantaneu de la un punct la altul, este posibilă numai cu introducerea unui Lagrangian special în structură. câmpuri de măsurare de natură vectorială, def. transformându-se sub transformări ale grupului de simetrie. Mai mult, structurile lagrangianului liber s-au dovedit a fi strâns legate în această abordare: cunoașterea în mijloace. masura predeterminata forma

Această din urmă împrejurare se datorează faptului că cerința de local invarianța gabaritului poate fi satisfăcută numai dacă în toate derivatele care acționează pe câmpuri libere în , înlocuirea Aici g- constanta de interactiune; V a m - câmpuri de calibrare; T a - generatoare ale grupului de simetrie în reprezentarea matriceală corespunzătoare câmpului liber; r- dimensiunea grupului.

În virtutea a ceea ce s-a spus în Lagrangianul modificat, apar automat termeni strict definiți. structuri care descriu interacțiunea câmpurilor incluse inițial cu câmpurile de gabarit nou introduse. În acest caz, câmpurile gauge joacă rolul de purtători ai interacțiunii dintre câmpurile inițiale. Desigur, deoarece în Lagrangian au apărut noi câmpuri de gabarit, Lagrangianul liber trebuie completat cu un termen asociat acestora și supus procedurii de modificare descrise mai sus. Dacă invarianța gauge este respectată cu strictețe, câmpurile gauge corespund bosonilor cu masă zero. Când simetria este întreruptă, masa bosonilor este diferită de zero.

În această abordare, sarcina de a construi un Lagrangian care să reflecte dinamica câmpurilor care interacționează se reduce în esență la selectarea corectă a sistemului de câmpuri care alcătuiesc Lagrangianul liber inițial și la fixarea formei acestuia. Acesta din urmă, totuși, pentru proprietățile de transformare date în raport cu grupul Lorentz, este determinat în mod unic de cerința invarianței relativiste și de cerința evidentă ca doar structurile care sunt pătratice în câmpuri să apară.

Astfel, principalul lucru pentru descrierea dinamicii este problema alegerii unui sistem de câmpuri primare care formează, adică, de fapt, toate același centru. întrebarea de fizică E. h.: „Care particule (și, în consecință, câmpuri) ar trebui considerate cele mai fundamentale (elementare) în descrierea particulelor de materie observate?”.

Modern teoria, așa cum sa menționat deja, evidențiază ca astfel de particule particulele fără structură cu spin 1/2: quarci și leptoni. O astfel de alegere face posibilă, bazându-se pe principiul invarianței gabaritului local, să se construiască o schemă de succes pentru descrierea interacțiunilor puternice și electrice slabe ale unei particule electrice, care a primit numele. MODEL STANDARD.

Modelul pornește în primul rând de la presupunerea că interacțiunea puternică are o simetrie exactă SUc(3), corespunzătoare transformărilor în spațiul tridimensional „culoare”. Se presupune că quarkurile sunt transformate din punct de vedere fundamental. reprezentarea grupului SUc(3). Îndeplinirea cerinței de invarianță locală de gauge pentru quarcul lagrangian duce la apariția în structura teoriei a opt bosoni gauge fără masă, numiți gluoni, care interacționează cu quarci (și între ei) strict definiți. mod (Fritzsch și Göll-Man, 1972). S-a numit schema de descriere a interacțiunii puternice dezvoltate pe această bază. cromodinamica cuantică. Corectitudinea predicțiilor ei a fost confirmată de mulți. experimente, inclusiv dovezi convingătoare ale existenței gluonilor. Există, de asemenea, motive serioase de a crede că aparatul cromodinamicii cuantice conține o explicație pentru fenomenul de izolare.

În construirea teoriei interacțiunii slabe s-a folosit faptul că existența perechilor de leptoni cu același număr de leptoni ( L e , L v , L t), dar cu electrice diferite. taxa (e - , v e; m - , v m t - , v m) poate fi interpretat ca o manifestare a simetriei asociate grupului așa-numitelor. isospin slab SU cl (2) și consideră perechile în sine drept reprezentări spinor (dublet) ale acestui grup. O interpretare similară este posibilă pentru perechile de quarci care participă la interacțiunea slabă. Remarcăm că, în cadrul acestei scheme, interacțiunea slabă cu participarea unui quark b conduce în mod necesar la concluzia că are un quark partener izotopic t, constituind o pereche ( t, b). Izolarea prin interacțiunea slabă def. helicitatea(stânga) fermionii care participă la acesta pot fi considerați în plus ca o manifestare a existenței simetriei U cl (1) asociat cu o hiperîncărcare slabă Y sl. În acest caz, fermionilor din stânga și din dreapta ar trebui să li se atribuie valori diferite de hiperîncărcare Y cl, iar fermionii drepti ar trebui considerați scalari izotopici. În construcția adoptată, relația ia naștere firesc Q = eu 3 cl + 1/2 Y cl, pe care l-am întâlnit deja cu hadronii.

Astfel, o analiză atentă a interacțiunii el-slabe a leptonilor și quarcilor face posibilă dezvăluirea faptului că aceștia au o simetrie (marcabil, totuși, întreruptă) corespunzătoare grupului. SU sl (2) U cl ( 1) . Dacă ignorăm încălcarea acestei simetrii și folosim condiția strictă a invarianței gauge locale, atunci apare o teorie a interacțiunii slabe a quarcilor și leptonilor, în care apar patru bosoni fără masă (doi încărcați și doi neutri) și două constante de interacțiune corespunzătoare grupurile SU sl (2) și U sl (1). În această teorie, termenii lagrangianului corespunzător interacțiunii cu sarcina. bosonii reproduc corect structura cunoscută curenti incarcati, dar nu furnizează acțiunea cu rază scurtă observată în procesele slabe, ceea ce nu este surprinzător, deoarece masa zero a bosonilor intermediari duce la acțiune pe rază lungă. Rezultă doar că în realitate. teoriile interacțiunii slabe ale masei bosonilor intermediari trebuie să fie finite. Acest lucru este, de asemenea, în conformitate cu faptul că simetria este întreruptă SU sl (2) U sl (1).

Cu toate acestea, o introducere directă a maselor finite de bosoni intermediari în Lagrangianul construit în modul descris mai sus este imposibilă, deoarece contrazice cerința invarianței gabaritului local. S-a putut lua în considerare ruperea simetriei într-un mod consistent și a realiza apariția bosonilor intermediari în teoria maselor finite folosind ipoteza importantă despre existența în natură a câmpurilor scalare speciale F ( câmpuri Higgs), interacționând cu câmpurile fermionice și gauge și având o auto-interacțiune specifică care duce la fenomen ruperea spontană a simetriei[P. Higgs (P. Higgs), 1964]. Introducerea unui dublet (conform grupului slab de isospin) de câmpuri Higgs în Lagrangianul teoriei în versiunea cea mai simplă duce la tranziția întregului sistem de câmpuri la o nouă stare de vid cu energie mai mică, corespunzătoare simetriei întrerupte. Dacă iniţial vid mediu din câmpul F a fost egal cu zero<Ф>0 = 0, apoi în noua stare<Ф>0 = Ф 0 0. Ruperea simetriei și apariția în teorie a F 0 finit conduce la Mecanismul Higgs la masa de sarcină care nu dispare. bozoni intermediari W + și la apariția amestecării (combinației liniare) a doi bosoni neutri care apar în teorie. Ca rezultat al amestecării, există un e-mag fără masă. câmp care interacționează cu e-magn. curent de quarci și leptoni și câmpul unui boson neutru masiv Z 0 interacționând cu curent neutru structura strict definita. Parametru de amestecare (unghi) ( Unghiul Weinberg) a bosonilor neutri din această schemă este dat de raportul constantelor de interacțiune de grup U sl(l) și SU sl (2) : tgq W=g"/g. Același parametru determină legătura maselor m Vși m Z (m Z = m W / cosq W) și conexiunea electrică. încărca e s constantă slabă a grupului de izospin GE = g sinq W. Detectarea în 1973 în studiul împrăștierii neutrinilor a curenților neutri slabi prezis de schema descrisă mai sus și descoperirea ulterioară în 1983 W- și bosonii Z cu mase de 80 GeV și, respectiv, 91 GeV au confirmat în mod strălucit întregul concept al unei descrieri unificate a e-magn. și interacțiuni slabe. Experiment. determinarea valorii sin 2 q W= 0,23 a arătat că constanta g si electrice încărca e apropiată ca mărime. A devenit clar că „slăbiciunea” interacțiunii slabe la energii vizibil mai mici decât m Vși mZ, în principal datorită masei mari de bosoni intermediari. Într-adevăr, constanta teoriei fenomenologice a patru fermioni a interacțiunii Fermi slabe G Fîn schema de mai sus este egală cu G F =g 2 /8m 2 W. Aceasta înseamnă că eff. constantă de interacțiune slabă la energie în sec. c. m. ~t p este egal cu G F m p 2 10 -5 , iar pătratul său este aproape de 10 -10 , adică. la valoarea dată mai sus. La energii în c.m., mari sau de ordin m V, singurul parametru care caracterizează interacțiunea slabă este cantitatea g 2 / 4p sau e 2 / 4p, adică slab si e-mag. interacțiunile devin comparabile ca intensitate și trebuie luate în considerare în comun.

Construirea unei descrieri unificate a e-magn. iar interacțiunile slabe este o realizare importantă în teoria câmpurilor gauge, comparabilă ca importanță cu dezvoltarea de către Maxwell în con. secolul al 19-lea teoria unificată a e-magn. fenomene. Cantitate. Predicțiile teoriei interacțiunii el-slab au fost justificate în toate măsurătorile efectuate cu o precizie de 1%. Un fizic important o consecință a acestei construcții este concluzia despre existența în natură a unei particule de tip nou - neutru bosonul Higgs. La inceput anii 90 nu a fost găsită o astfel de particule. Căutările efectuate au arătat că masa sa depășește 60 GeV. Teoria nu oferă totuși o predicție precisă pentru masa bosonului Higgs. Se poate afirma doar că valoarea masei sale nu depășește 1 TeV. Valorile estimate ale masei acestei particule se află în intervalul 300-400 GeV.

Deci, „modelul standard” selectează ca fond-dame. particule trei perechi de quarci ( și, d)(Cu, s) (t, b) și trei perechi de leptoni ( v e ,e -)(v m ,m -) ( v t, t -), de obicei grupate în funcție de masele lor în familii (sau generații), după cum urmează:

și postulează că interacțiunile lor satisfac simetria SU sl (3) SU sl (2) U sl(l). În consecință, se obține o teorie în care purtătorii interacțiunii sunt bosoni gauge: gluoni, fotoni, Wbși Z. Și deși „modelul standard” face față cu mare succes la descrierea tuturor faptelor cunoscute legate de E.ch., cu toate acestea, cel mai probabil, este o etapă intermediară în construirea unei teorii mai perfecte și mai cuprinzătoare a lui E. cap. În structura „modelului standard” există încă destul de mulți parametri arbitrari, determinați empiric (valori ale maselor de quarci și leptoni, valori ale constantelor de interacțiune, unghiuri de amestecare etc.). Numărul de generații de fermioni din model nu este, de asemenea, determinat. Până acum, experimentul afirmă cu încredere doar că numărul de generații nu depășește trei, dacă nu există neutrini grei cu mase de mai multe ori în natură. zeci de GeV.

Din punctul de vedere al proprietăților de simetrie ale interacțiunilor, ar fi mai firesc să ne așteptăm ca în teoria cuprinzătoare a lui E.ch. în loc de un produs direct al grupurilor de simetrie, va apărea un grup de simetrie G cu o constantă de interacțiune corespunzătoare acesteia. Grupurile de simetrie ale „modelului standard” în acest caz ar putea fi tratate ca produse ale reducerii unui grup mare atunci când simetria asociată acestuia este întreruptă. În acest fel, în principiu, ar putea apărea posibilitatea unei Mari Unificări a interacțiunilor. Proprietatea schimbării cu energia eff poate servi ca bază formală pentru o astfel de uniune. constantele de interacțiune ale câmpurilor gauge gi 2/4p = a i (i=1, 2, 3), care apare atunci când sunt luate în considerare ordinele superioare ale teoriei (așa-numitele constante de rulare). În acest caz, constanta a 1 este asociată cu grupul U(I); a 2 - cu un grup SU( 2); a 3 - cu un grup SU( 3) . Modificările foarte lente (logaritmice) menționate sunt descrise prin expresie

legând valorile eff. constante a Sunt) și a i(m) la două valori energetice diferite: M si m( M > m). Natura acestor modificări este diferită pentru decomp. grupuri de simetrie (și, în consecință, interacțiuni diferite) și este dată de coeficienți b i, încorporând informații atât despre structura grupurilor de simetrie, cât și despre particulele care participă la interacțiune. Pentru că b 1 , b 2 și b 3 sunt diferite, este posibil ca, în ciuda diferențelor vizibile între valorile lui a i-1 (m) la energiile investigate m, la energii foarte mari M toate cele trei valori a i -1 (M) va coincide, adică se va realiza Marea Unire a Interacțiunilor. O analiză atentă, totuși, a arătat că, în cadrul modelului standard, folosind valorile cunoscute ale a i-1 (m), potriviți toate cele trei valori ale lui a i -1 (M) pentru unele mari M imposibil, adică varianta teoriei cu Marea Unificare nu este realizabilă în acest model. În același timp, s-a constatat că în alte scheme decât modelul standard, cu o compoziție modificată a principalului (fund.) câmpuri sau particule, Marea unificare poate avea loc. Modificări în compoziția principalului particulele duc la modificări ale valorilor coeficienților " b i" și astfel oferă posibilitatea de a potrivi a i (M) pentru mare M.

Ideea călăuzitoare atunci când alegeți o compoziție modificată a principalului. teoria particulelor a fost ideea existenței posibile în lumea lui E. h. supersimetrie, care stabilește definiția. relațiile dintre particulele de spin întreg și semiîntreg care apar în teorie. Pentru a îndeplini cerințele supersimetriei, de exemplu. în cazul modelului standard, fiecărei particule trebuie să i se atribuie o particulă cu un spin deplasat cu 1/2 - Mai mult, în cazul supersimetriei exacte, toate aceste particule trebuie să aibă aceeași masă. Astfel, quarcurile și leptonii de spin 1/2 ar trebui să fie asociați cu partenerii lor supersimetrici (superparteneri) cu spin zero, toți bosonii gauge cu spin 1 ar trebui să fie asociați cu superpartenerii lor cu spin 1/2, iar bosonul Higgs cu spin zero ar trebui să fie asociați. fi asociat cu un superpartener cu spin 1/2. Deoarece superpartenerii cuarcilor, leptonilor și bosonilor gauge nu sunt observați în regiunea energetică studiată, supersimetria, dacă există, trebuie să fie vizibil ruptă, iar masele superpartenerilor trebuie să aibă valori care depășesc semnificativ masele fermionilor și bosonilor cunoscuți. .

O expresie consistentă a cerinței de supersimetrie se găsește în modelul supersimetric minim (MCCM), în care, pe lângă modificările deja enumerate în compoziția particulelor modelului standard, numărul bosonilor Higgs crește la cinci (doi dintre ei sunt încărcate și trei sunt particule neutre). În consecință, cinci superparteneri ai bosonilor Higgs cu spin 1 / 2 apar în model - MCCM - cea mai simplă generalizare a Modelului Standard în cazul supersimetriei. Sens M, pentru care coincidenta a i (M)(Marea Unificare), în MCCM este aproximativ egal cu 10 16 GeV.

Ipoteza existenței supersimetriei este asociată cu una dintre posibilitățile promițătoare de dezvoltare a teoriei câmpurilor gauge, care, în plus, rezolvă o serie de valori intrinseci ale acesteia. probleme asociate cu stabilitatea parametrilor care apar în acesta. Supersimetria, după cum s-a notat, face posibilă reținerea în teoria undelor electromagnetice a posibilității atractive a unei mari unificări a interacțiunilor. O confirmare decisivă a existenței supersimetriei ar fi descoperirea unor superparteneri ai particulelor cunoscute. Se estimează că masele lor variază de la sute de GeV la 1 TeV. Particulele de astfel de mase vor fi disponibile pentru studiu la următoarea generație de ciocnitori de protoni.

Verificarea ipotezei existenței supersimetriei și căutarea particulelor supersimetrice este, fără îndoială, una dintre cele mai importante probleme din fizica electrochimică, căreia, fără îndoială, va primi prioritate în viitorul apropiat.

Câteva probleme generale ale teoriei particulelor elementare

Cea mai recentă dezvoltare a fizicii particulelor a evidențiat în mod clar din toate microcomponentele materiei un grup de particule care joacă un rol deosebit și au cel mai mare motiv (la începutul anilor 90) să fie numite cu adevărat E. h. Fundams îi aparțin. . spinul fermionilor 1 / 2 - leptonii și quarcii, care alcătuiesc trei generații, și bosonii gauge de spin 1 (gluoni, fotoni și bosoni intermediari), care sunt purtători de interacțiuni puternice și e-slabe. Cel mai probabil, la acest grup ar trebui adăugată o particulă cu spin 2, graviton ca purtător al gravitației. interacțiune care leagă toate particulele. Un grup special este format din particule de spin 0, bosonii Higgs, care, însă, nu au fost încă descoperite.

Cu toate acestea, multe întrebări rămân fără răspuns. Astfel, rămâne neclar dacă există un fizic un criteriu de fixare a numărului de generații de fermioni elementari. Nu este clar cât de fundamentală este diferența dintre proprietățile quarcilor și leptonilor asociate cu prezența culorii în primii sau dacă această diferență este specifică doar regiunii energetice studiate. Legat de această întrebare este problema fizică natura Marii Uniri, deoarece în formalismul ei quarcii și leptonii sunt considerați obiecte cu proprietăți similare.

Este important să înțelegem dacă existența diferitelor „ext”. numere cuantice de quarci și leptoni ( B, L, I, S, C, b etc.) la o geometrie mai complexă a microlumii, corespunzătoare unui număr mai mare de dimensiuni decât geometria macroscopică cu patru dimensiuni cu care suntem obișnuiți. spațiu timp. Strâns legat de această întrebare este care este valoarea maximă. grup de simetrie G, care satisfac interacțiunile lui E. h. și în care sunt înglobate grupuri de simetrie, care se manifestă în regiunea energetică studiată. Răspunsul la această întrebare ar ajuta la determinarea numărului limită de purtători ai interacțiunii lui E. h. și la clarificarea proprietăților acestora. Este posibil ca max. grup G reflectă de fapt proprietățile de simetrie ale unui anumit spațiu multidimensional. Acest cerc de idei și-a găsit o anumită reflectare în teorie superstringuri, care sunt analogi ale șirurilor obișnuite în spații cu mai mult de patru dimensiuni (de obicei într-un spațiu de 10 dimensiuni). Teoria superstringurilor interpretează E. h. ca manifestări ale excitațiilor specifice superstringurilor, corespunzătoare decomp. spatele. Se crede că dimensiunile suplimentare (peste patru) nu se dezvăluie în observații datorită așa-numitelor. compactare, adică formarea de subspații închise cu dimensiuni caracteristice de ~10 -33 cm. manifestare a existenței acestor subspații sunt „ext”. Numerele cuantice de electromagneți Nu există încă date care să confirme corectitudinea abordării interpretării proprietăților electromagneților asociate conceptului de superstringuri.

După cum se poate observa din cele de mai sus, în mod ideal, o teorie completă a particulelor de electroni ar trebui nu numai să descrie corect interacțiunile unui anumit set de particule selectate ca fiind fundamentale, ci și să conțină o explicație a factorilor care determină numărul acestor particule, cuantumul lor. numere, constante de interacțiune, valorile maselor lor etc. Motivele pentru selecția celor mai multe. grup de simetrie largă Gși, în același timp, natura mecanismelor care provoacă ruperea simetriei pe măsură ce trecem la energii inferioare. În acest sens, clarificarea rolului bosonilor Higgs în fizica E.Ch. este de o importanță capitală. Modele, to-rye oferte moderne. teoria lui E. h., sunt încă departe de a satisface toate criteriile enumerate.

Descrierea interacțiunilor EC, așa cum sa menționat deja, este legată de teoriile câmpului gauge. Aceste teorii au un covor dezvoltat. aparat, to-ry vă permite să faceți calcule ale proceselor cu E.ch. la acelaşi nivel de rigoare ca în electrodinamica cuantică. Cu toate acestea, în aparatul teoriilor câmpului gauge, în modern formularea, există o singură ființă. un defect comun cu electrodinamica cuantică - în procesul de calcule, în ea apar expresii fără sens infinit de mari. Cu ajutorul special metoda de redefinire a mărimilor observate (mase și constante de interacțiune) - - este posibilă eliminarea infiniturilor din terminații. rezultate de calcul. Cu toate acestea, procedura de renormalizare este o eludare pur formală a dificultății existente în aparatul teoriei, care la un anumit nivel de precizie poate afecta gradul de acord între predicțiile teoriei și măsurători.

Apariția infinităților în calcule se datorează faptului că în lagrangienii interacțiunilor câmpurile diferitelor particule sunt raportate la un singur punct. X, adică se presupune că particulele sunt punctiforme, iar spațiul-timp cu patru dimensiuni rămâne plat până la cele mai mici distanțe. De fapt, aceste presupuneri, aparent, sunt incorecte pentru mai multe. motive:

a) cu adevărat E. h., ca purtători ai unei mase finite, cel mai firesc este să atribuim dimensiuni, deși foarte mici, dar finite, dacă vrem să evităm densitatea infinită a materiei;

b) proprietățile spațiu-timpului la distanțe mici, cel mai probabil, sunt radical diferite de cele macroscopice ale acestuia. proprietăți (începând de la o anumită distanță caracteristică, care se numește de obicei lungime fundamentală);

c) la cele mai mici distante (~ 10 -33 cm) afecteaza o modificare a geomei. proprietățile spațiu-timp datorită influenței gravitației cuantice. efecte (fluctuații ale metricii; vezi teoria cuantică a gravitației).

Poate că aceste motive sunt strâns legate. Deci, este contabilitatea gravitației. efecte max. duce în mod natural la adevărate mărimi E.ch. aproximativ 10 -33 cm, și fonduri. lungimea poate coincide de fapt cu așa-numita. Lungime Planck l Pl \u003d 10 -33 cm, unde X-gravitatie constantă (M. Markov, 1966). Oricare dintre aceste motive ar trebui să conducă la o modificare a teoriei și la eliminarea infinitatelor, deși implementarea practică a acestei modificări poate fi foarte dificilă.

Una dintre posibilitățile interesante de a lua în considerare în mod consecvent efectele gravitației este legată de extinderea ideilor de supersimetrie la gravitație. interacțiune (teorie supragravitație, în special supergravitația extinsă). Contabilitatea în comun a gravitației. iar alte tipuri de interacțiuni conduc la o reducere vizibilă a numărului de expresii divergente în teorie, dar dacă supergravitația duce la eliminarea completă a divergențelor în calcule nu a fost dovedit riguros.

Astfel, concluzia logică a ideilor Marii Uniri, cel mai probabil, va fi includerea în schema generală de considerare a interacțiunilor lui E. h. tot gravitaționale. interacțiuni, ținând cont de care se pot dovedi fundamentale la cele mai mici distanțe. Pe baza luării în considerare simultană a tuturor tipurilor de interacțiuni, Naib. probabil să se aștepte la crearea unei viitoare teorii a lui E. h.

Lit.: Particule elementare și câmpuri compensatoare. sat. st., trad. din engleză, M., 1964; Kokkede Ya., Teoria quarcilor, trad. din engleză, M.. 1971; Markov M. A., Despre natura materiei, M., 1976; Gle-show Sh., Quarci cu culoare și aromă, trad. din engleză.UFN, 1976, v. 119, c. 4, p. 715; Bernstein, J., Ruperea spontană a simetriei, teorii gauge, mecanismul Higgs etc., în: Teoria cuantică a câmpurilor gauge. sat. st., trad. din engleză, M., 1977 (News of Fundamental Physics, v. 8); Bogolyubov H. H., Shirkov D. V., Câmpuri cuantice, ed. a II-a, M., 1993; Okun L. B., Leptons and Quarks, ed. a 2-a, M., 1990.

- obiecte materiale care nu pot fi împărțite în părți componente. În conformitate cu această definiție, moleculele, atomii și nucleele atomice care pot fi împărțite în părți constitutive nu pot fi atribuite particulelor elementare - un atom este împărțit într-un nucleu și electroni orbitali, un nucleu - în nucleoni. În același timp, nucleonii, constând din particule mai mici și mai fundamentale - quarci, nu pot fi împărțiți în acești quarci. Prin urmare, nucleonii sunt clasificați ca particule elementare. Având în vedere faptul că nucleonul și alți hadroni au o structură internă complexă, constând din particule mai fundamentale - quarci, este mai potrivit să numim hadronii nu particule elementare, ci pur și simplu particule.
Particulele sunt mai mici decât nucleele atomice. Dimensiunile nucleelor ​​sunt de 10 -13 - 10 -12 cm Cele mai mari particule (inclusiv nucleonii) constau din quarci (doi sau trei) și se numesc hadroni. Dimensiunile lor sunt ≈ 10 -13 cm. Există, de asemenea, fără structură (la nivelul actual de cunoaștere) tip punct (< 10 -17 см) частицы, которые называют фундаментальными. Это кварки, лептоны, фотон и некоторые другие. Всего известно несколько сот частиц. Это в подавляющем большинстве адроны.

tabelul 1

Particulele fundamentale sunt 6 quarci și 6 leptoni (Tabelul 1), care au spin 1/2 (aceștia sunt fermioni fundamentali) și mai multe particule cu spin 1 (gluon, foton, bosoni W ± și Z), precum și gravitonul ( spin 2), numiti bosoni fundamentali (Tabelul 2). Fermionii fundamentali sunt împărțiți în trei grupe (generații), fiecare dintre ele având 2 quarci și 2 leptoni. Toată materia observabilă este formată din particule de prima generație (cuarcuri u, d, electron e -): nucleonii constau din cuarcuri u și d, nucleii sunt formați din nucleoni. Nucleii cu electroni pe orbită formează atomi și așa mai departe.

masa 2

Rolul bosonilor fundamentali este că ei realizează interacțiunea dintre particule, fiind „purtători” de interacțiuni. În procesul diferitelor interacțiuni, particulele fac schimb de bozoni fundamentali. Particulele participă la patru interacțiuni fundamentale - puternice (1), electromagnetice (10 -2), slabe (10 -6) și gravitaționale (10 -38). Cifrele din paranteze caracterizează puterea relativă a fiecărei interacțiuni în intervalul de energie sub 1 GeV. Quarcii (și hadronii) participă la toate interacțiunile. Leptonii nu participă la interacțiunea puternică. Purtătorul interacțiunii puternice este gluonul (8 tipuri), cel electromagnetic este fotonul, cel slab este bosonii W ± și Z, iar cel gravitațional este gravitonul.
Marea majoritate a particulelor în stare liberă sunt instabile; se rupe. Durata de viață caracteristică a particulelor este de 10 -24 -10 -6 sec. Durata de viață a unui neutron liber este de aproximativ 900 de secunde. Electronul, fotonul, neutrinul electron și, eventual, protonul (și antiparticulele lor) sunt stabili.
Baza descrierii teoretice a particulelor este teoria cuantică a câmpului. Pentru a descrie interacțiunile electromagnetice, se folosește electrodinamica cuantică (QED), interacțiunile slabe și electromagnetice sunt descrise în comun de o teorie unificată - modelul electroslab (ESM), iar interacțiunea puternică - prin cromodinamica cuantică (QCD). QCD și ESM, care împreună descriu interacțiunile puternice, electromagnetice și slabe ale quarcilor și leptonilor, formează un cadru teoretic numit Modelul Standard.