Елементарна частица

от Уикипедия, свободната енциклопедия

Елементарни частици е събирателно понятие. В атомната физика това е всичко, по-малко от атомното ядро, тоест, частиците, от които са съставени други, по-големи частици.

Например, атомите са съставени от други, по-малки частици — електрони, протони и неутрони. Протоните и неутроните от своя страна са съставени от още по-елементарни частици, наричани с общото име кварки. Днес са известни няколко стотици елементарни частици — фактически повече от атомите в периодичната система на елементите. До 70-те години на 20-ти век, се е считало, че един от най-важните въпроси на атомната физика е кои частици са най-елементарни — така наречените фундаментални частици — от които са съставени всички други частици в природата и които не са изградени от други, по-малки частици. Днес подобни опити за единно обяснение на всички частици и явления в микро-света се наричат Теория на всичко. Такава е Суперструнната теория, но тя има своите конкуренти и е много далеч от каквото и да е експериментално потвърждение. Днес основната парадигма относно елементарните частици е, че всяка теория като стандартния модел има максимален мащаб на енергиите при която тя е валидна. При изучаването на по-високи енергии (което съответства на по-малки разстояния) е необходима нова теория, която може да съдържа нови частици или други обекти, например "струни". Тази нова теория е подложена на едно много силно ограничение: старата теория, наречена още ефективна теория, заедно с нейните частици, трябва да се получи като нискоенергетична граница на новата. Понякога това може да означава, че "старите" частици са съставни и са изградени от "новите" такива, но може и "старите" (нискоенергетични) частици да съответствуват на "новите", но да придобиват нови свойства, например не-нулева маса. Двете явления се срещат и вътре в стандартния модел, при преход от по-високи енергии към по-ниски. Пример за първото е изгражденето на адроните от кварки и глуони а пример за второто е придобиването на маса от кварките чрез механизма на Хигс или придобиването на маса от адроните. Тези явления са споменати накратко по-долу.

[редактиране] Класификация на елементарните частици. Стандартен модел.

Преди създаването на стандартния модел (началото на 70-те години на 20 век) елементарните частици са били класифицирани въз основа на масата им.

лептони (от гр. лептос — малък, лек) - тук влизат например електроните
бариони (от гр. барис — тежък) - протоните и неутроните са част от това семейство
мезони (от гр. мезос — среден) - по маса заемат междинно положение

В днешно време елементарните частици се класифицират въз основа на стандартния модел — теория, която систематизира и обяснява всички експериментални наблюдения във физиката на високите енергии и ядрената физика до този момент.

Известни са 4 взаимодействия (сили), между елементарните частици. Подредени по намаляваща сила, те са: силно, електромагнитно, слабо и гравитационно. Стандартният модел обединява електромагнитното и слабото взаимодействие в единно електрослабо взаимодействие. Съществуват все още непотвърдени експериментално теории, които разширяват стандартния модел и обединяват и другите взаимодействия. Теориите на Великото обединение (началото на 80-те години) обединяват силното и електрослабото взаимодействие. Суперструнната теория (края на 80-те години) обединява всичките 4 взаимодействия. Същото се стреми да направи нейната конкурентна Примкова квантова гравитация (края на 90-те години).

Стандартния модел разделя частиците на три групи: частици на взаимодействието, частици на материята и частици, които дават маса на останалите частици. Суперсиметричните модели, които се очаква да бъдат потвърдени или отхвърлени експериментално до 2015 г. обединяват тези три групи в една.

Частиците на взаимодействието имат целочислен спин и са свързани с вътрешни (не пространствено-временни) симетрии на теорията, наречени калибровъчни симетрии. Всички частици с целочислен спин се наричат бозони. Частиците от един и същ вид са неразличими една от друга и могат да се намират в едно и също квантово състояние.
- Носителят на електромагнитното взаимодействие е фотонът γ, който е безмасов и има спин 1.
- Носителите на слабото взаимодействие са W⁺, W^- и Z⁰ бозоните с маси съответно 80,4 и 91,2 GeV и спин 1. Тези частици са нестабилни и се разпадат.
- Носителите на силното взаимодействие са безмасовите глуони g, които имат спин 1, но те както и кварките, споменати по-долу имат „цветен“ заряд и поради явленията удържане и асимптотична свобода съществуват като свободни частици само на малки разстояния от други цветни заряди, докато всеки опит, цветен заяд да се отдели на голямо разстояние води до образуването на цветно-неутрален адрон. Съществуват 8 глуона и 8 антиглуона.
- Носителят на гравитационното взаимодействие е е безмасовия гравитон G със спин 2, но поради изключително слабото им взаимодействие с останалите частици, гравитоните не са наблюдавани експериментално и гравитационните взаимодействия не са включени в стандартния модел. За разлика от гравитоните, касически гравитационни вълни се очаква да бъдат наблюдавани в най-близко бъдеще чрез детектори на гравитационни вълни, като новопостроеният LIGO.
Частиците на материята имат спин 1/2 и се наричат фермиони. Това означава, че частиците от един и същ вид са неразличими една от друга но не могат да се намират в едно и също квантово състояние. Частиците на материята се разделят по два признака: „аромат“ и поколение. Освен това, за всяка една от тези частици съществува античастица, която има същата маса и спин, но противоположни електрически заряд и други квантови числа.
- Всяко поколение съдържа следните аромати:
  - Двойка лептони (частици неучастващи в силните взаимодействия). Първият лептон има отрицателен заряд, а вторият е неутрален и се нарича неутрино. Наскоро беше открито, че неутрината не са безмасови, а имат изключително малка маса (от порядъка на 10^-12 GeV). Зареденият лептон от първото поколение е електронът с маса 0,000511 GeV. Антиелектронът е по-популярен под името позитрон.
  - Двойка кварки, първият с електрически заряд 1/3, а вторият -2/3 от този на протона. Кварките от първото поколвниe се наричат горен (u, с маса около 0,005 GeV) и долен (d, с маса около 0,007 GeV)
  - Всякя двойка каварки се среща в три варианта, наречени „цветове“ — син, червен и зелен. Те са аналогът на електрическия заряд при силните взаимодействия. За разлика от електрическия заряд, който е два вида (положителен или отрицателен), цветния заряд е 6 вида (3 цвята и 3 антицвята). Наименованията цвят и аромат са съвсем условни и няма нищо общо обикновените понятия за цвят и аромат. Думата цвят е избрана по аналогия с физиологичната теория за цвета.
- Съществуват само 3 поколения частици и това е доказано експериментално. Лептоните от второто поколение са мюонът (µ) и мюонното неутрино (ν_μ). Съответните кварки се наричат очарован (c) и странен (s). Лептоните от третото поколение са тау-лептонът (τ)и тауонното неутрино (ν_τ). Съответните кварки се наричат върховен (t) и дънен (b). Частиците от второто и третото поколение са нестабилни и се разпадат на други по-леки частици измежду изброените по-горе. Най-тежката от частиците на материята е t-кваркът, който има маса около 170 GeV и най-кратък живот.
Третият вид частици са тези, които дават маса на останалите. Поради важни симетрии, теорията изисква всички частици да са първоначално безмасови. Масата се появява чрез специфичен вариант на спонтанно нарушение на симетрията, наречен механизъм на Хигс. Тези частици имат спин 0 и са бозони. Единствената такава частица в стандартния модел и единствената, която все още не е открита е бозонът на Хигс (H). Неговата маса е вече определена в ясни граници — между 150 и 300 GeV. Очаква се той да бъде открит в европейския ускорител LHC, след пускането му през 2007 г. Ако той не бъде открит, това ще доведе до криза стандартния модел. В LHC се очаква да бъдат открити и първите суперсиметрични частици, което ще доведе до разширяване на стандартния модел.

[редактиране] Адрони. Квантова хромодинамика

Както споменахме по-горе, частиците, които участват в силните взаимодействия и могат да бъдат изолирани пространсвено от други такива частици (т.е. нямат цветен заряд) се наричат адрони и се състоят от кварки и глуони. Теорията, която описва образуването на адроните от цветни кварки и глуони и техните взаимодействия е част от Стандартния модел и се нарича квантова хромодинамика (от хромос, гр. "цвят"). Тя е създадена в началото на 70-те години въз основа на експериментите по дълбоко нееластично разсейване, проведени в края на 60-те години. Адроните се делят на бариони и мезони:

Тези които съдържат 3 кварка се наричат бариони и имат полуцял спин. Типични представители са протонът p и неутронът n, които имат маса съответно 0,938 и 0,940 GeV. От тях са изградени атомните ядра.
Тези, които съдържат кварк и антикварк, са с цял спин и се наричат мезони. Типичен представител са π мезоните, които играят важна роля при описание на силите, които действуват в атомните ядра.
Предполага се съществуването на адрони изградени изцяло от глуони или пък с екзотичен брой кварки (напр.5). Експерименталните сигнали за тях за сега са неясни. Основната причина за това е че те са нестабилни и живеят много кратко време.
Известни са над 900 адрона. Всички, с изключение на протона, когато са на свобода са нестабилни и се разпадат. Разпадът може да се дължи на силни, електромагнитни или слаби взаимодейсвия. Адроните, които се разпадат поради слаби взаимодействия живеят милиони пъти по-дълго от тези, които се разпадат поради силни такива. Затова понякога те също се разглежадат като стабилни, от гледна точка на силните взаимодействия.
Масата на адроните не се дължи на масата на кварките от които те са изградени, а на специфично свойство на силните взаимодействия, наречено спонтанно нарушение на хиралната симетрия. Така например, протонът и неутронът са около 500 пъти по-тежки от съставящите ги 3 кварка. През 2002 г. в ускорителя RHIC, САЩ, чрез челно сблъскване на тежки ядра, движещи се почти със скоростта на светлината, беше получено ново състояние на материята — кварк-глуонна плазма в което, поради високата температура, адроните се „разтапят“ на съставляващите ги кварки и глуони, при това цветните заряди вече не са удържани на малки разстояния, а хиралната симетрия е възстановена и адроните (ако се появят в плазмата) имат малка маса. Размерите на областта с кварк-глуонна плазма са много малки (от 3 до 10)х10^-15 метра а времето на живот (от 1 до 3)х10^-22 секунди.