Részecskefizika
A részecskefizika vagy szubatomi fizika az ága a fizika , hogy a vizsgálatok az elemi összetevőinek az anyag és a sugárzás , valamint azok kölcsönhatások . Néha nagy energiájú fizikának is nevezik, mert sok elemi , instabil részecske természetesen nem létezik, és csak a részecskegyorsítók stabil részecskéi közötti nagy energiájú ütközések során mutatható ki .
A Higgs-bozon felfedezése lehetővé tette a konszenzust és az anyag összetevőinek táblázatának 2014-es frissítését, amelyet 2005-ben hoztak létre a fizikai világév alkalmából.
Történelmi
Az ötlet, hogy az anyag áll az elemi részecskék dátumokat legalább a VI -én század ie. Kr . U. Akkor alapvetően azon alapult, hogy képtelen elsajátítani a folytonosság fogalmát : lásd az eleai Zénó paradoxonjait .
Az atomizmus filozófiai doktrínáját olyan görög filozófusok tanulmányozták , mint Leucippus , Democritus és Epicurus . Bár a XVII th században , Isaac Newton azt hitték, hogy számít áll részecskék, John Dalton , aki 1802 , hivatalosan kinyilvánított hogy minden készült apró atomok. Ez a hipotézis csak akkor vált igazán tudományossá, amíg nem tudtuk, hogyan lehet megbecsülni az atomok méretét (1865, Loschmidt ; 1870, Lord Kelvin )
A 1869 első periódusos a Mengyelejev tette, hogy megszilárdítsa az uralkodó nézet az egész XIX th században, hogy az anyag készült tartalmaz.
Thomson munkája megállapította, hogy az atomok könnyű elektronokból és hatalmas protonokból állnak . Rutherford megállapítja, hogy a protonok egy kompakt magban koncentrálódnak. Kezdetben úgy gondolták, hogy a mag csak korlátozott protonokból és elektronokból áll (a töltés és a tömegszám közötti különbség magyarázata érdekében ), később azonban kiderült, hogy protonokból és neutronokból áll.
A XX -én század fejlődése atomfizika és a kvantum fizika, a látványos bizonyítéka maghasadás és magfúzió , szült egy ipari előállítására képes atom másik, még így lehetséges (de gazdaságilag nem kifizetődő) a transzmutáció a vezetnek be az arany .
Az ötvenes és hatvanas években az ütközési kísérletek során elképesztően sokféle részecskét találtak: egy "részecske-állatkertet" (lásd a történelmet). Ez a kifejezés az 1970-es években a standard modell megfogalmazása után elvesztette vonzerejét , mert ezen részecskék nagy száma úgy gondolható, hogy viszonylag kis számú alaprészecske kombinációjából származik, bár az összetett részecskék tulajdonságainak kiszámítása még mindig gyerekcipőben jár, és a standard modell számos paramétere nem talált kielégítő magyarázatot értékeikre.
A főbb dátumok
-
1873 : Maxwell négy területen végez fontos kutatást: színlátás, molekuláris elmélet, elektromosság és mágnesesség. Az utóbbi kettőt egyetlen elmélettel, az elektromágnesességgel sikerül egyesítenie . Ez a Maxwell-elmélet lehetővé teszi a fényhullámok vákuumban történő terjedésének leírását és egy elméletileg korlátlan frekvenciaspektrum előrejelzését.
-
1874 : George Stoney kidolgozza az elektron elméletét és megbecsüli annak tömegét.
-
1895 : Röntgen felfedezi a röntgensugarakat .
-
1896 : Becquerel felfedezi a radioaktivitás az urán .
-
1897 : Thomson felfedezi az elektront, és létrehoz egy modellt, ahol az atomot semleges töltésű entitásként írják le (amely pozitív negatív elektronokat tartalmaz).
-
1898 : Marie és Pierre Curie elválasztja a radioaktív elemeket.
-
1900 : Planck annak érdekében, hogy az izzó test színváltozatait a hőmérséklet függvényében értelmezze, és a problémához kapcsolódó bizonyos matematikai problémákat megoldjon, mesterséges művet javasol: a sugárzást kvantifikálják (minden frekvenciára kibocsátja energia, érték vagy kvantum csomagok, a frekvenciától függően).
-
1905 : Einstein azt javasolja, hogy a kvantum fény, ami lesz a neve 1926-ban „foton” viselkedik mint egy részecske. Einstein más elméletei megmagyarázzák a tömeg és az energia egyenértékűségét, a fotonok hullám-részecske kettősségét , az ekvivalencia és a speciális relativitáselmélet elvét .
-
1909 : Hans Geiger és Ernest Marsden , Rutherford felelősségére, alfa részecskéket küldenek egy vékony aranylemezre, és néha nagy szórási szögeket figyelnek meg, ami azt sugallja, hogy az atomban pozitív töltésű, kicsi és sűrű mag van (ütközés ritka). .
-
1911 : Rutherford arra a következtetésre jut, hogy a mag létezik a Geiger és Marsden által végzett alfa-szórási kísérlet eredményeként.
-
1913 : Bohr az atomszerkezet elméletét kvantumfeltevések alapján konstruálja.
-
1919 : Rutherford bizonyítja a proton létezését.
-
1921 : Chadwick és ES Bieler arra a következtetésre jutottak, hogy a nagy intenzitású erő egységben tartja a magot, annak ellenére, hogy a protonok közötti Coulomb elektrosztatikus taszítás megtörtént .
-
1923 : Compton felfedezi a röntgensugarak kvantum (részecske) jellegét , megerősítve, hogy a fotonok részecskék.
-
1924 : de Broglie hullámtulajdonságokat javasol az alkotó részecskék számára.
-
1925 : Pauli megfogalmazza az atom belsejében lévő elektronok kizárási elvét . W. Bothe és Geiger bizonyítja, hogy az atom és az energia megmarad az atomfolyamatokban.
-
1926 : Schrödinger kidolgozza a hullámmechanikát , amely leírja a kvantumrendszerek viselkedését a bozonok számára . A Born a kvantummechanika valószínűségi értelmezését adja. Lewis a foton nevét javasolja a fény kvantumára.
-
1927 : A β-bomlás felfedezése .
-
1928 : Dirac relativisztikus hullámegyenletét javasolja az elektron számára .
-
1930 : Pauli egy láthatatlan neutrino létezését javasolja annak érdekében, hogy értelmezze az energia látszólagos eltűnését a β bomlásban .
-
1930 : Elemi részecskék, köztük az elektron, a proton , a neutron (a magban), a neutrino a β bomlásában , a foton , az elektromágneses mező kvantuma.
-
1931 : A pozitron ( Anderson ) felfedezése. Dirac felfedezi, hogy a pozitront az egyenlete is leírja.e+{\ displaystyle e ^ {+}}
-
1932 : James Chadwick felfedezi a neutront .nem{\ displaystyle n}
-
1933-ban / 34 : Fermi képletű elméletét a β bomlás ( gyenge kölcsönhatás ): Ex. .nem→o+e-+v¯e{\ displaystyle n \ - p + e ^ {-} + {\ bar {\ nu}} _ {e}}
-
1935 : Yukawa megfogalmazza hipotézist mezonoknak : nukleáris erő cseréje miatt masszív részecskék mezonoknak.
-
1937 : Discovery lepton μ . Annak ellenére, hogy nagyjából a Yukawa mezon várható tömege van, nincs elég erős kölcsönhatása az anyaggal ahhoz, hogy ezt a szerepet betöltse.
-
1938 : Nyilatkozat a barionos szám megőrzésének törvényéről .
-
1946-ban / 1947-ben : Discovery of Meson betöltve , a PIN-kód ( Powell ), megjósolt 1935-ben által termelt β szétesés: .π±{\ displaystyle \ pi ^ {\ pm}}μ{\ displaystyle \ mu}π+→μ++vμ{\ displaystyle \ pi ^ {+} \ to \ mu ^ {+} + \ nu _ {\ mu}}
-
1946-ban / 1950-ben : Quantum Theory elektromágnesség (QED) ( Feynman , Schwinger és Tomonaga ).
-
1948 : Mesterséges előállítás .π+{\ displaystyle \ pi ^ {+}}
-
1949 : felfedezése .K+{\ displaystyle K ^ {+}}
-
1950 : A pion semleges felfedezése .π0→γ+γ{\ displaystyle \ pi ^ {0} \ to \ gamma + \ gamma}
-
1951 : Az " V " események felfedezése : részecskék felbomlása és "furcsán" hosszú átlagos élettartamuk. Ezt egy új kvantumszám , a „furcsaság” kifejezésével értelmezik , amelyet erős és elektromágneses interakciók konzerválnak.K0{\ displaystyle K ^ {0}}Λ{\ displaystyle \ Lambda}
-
1952 : Δ felfedezése (a nukleon gerjesztett állapota ).
-
1954 : Yang és Mills javasolja a nem abeli mérőeszközök elméletét .
-
1955 : Az antiproton felfedezése ( Chamberlain és Segrè ).o¯{\ displaystyle {\ bar {p}}}
-
1956 : Lee és Yang szerint a gyenge erő paritás megsértését okozhatja .
-
1956 : Discovery megsértésének paritás atomok 60 Co által Chien-Shiung Wu és Amber .
-
1960-as években / 1970-ben : Discovery több száz részecskét „elemi”(ρ, ω, K∗, Σ, Ξ, ...){\ displaystyle (\ rho, ~ \ omega, ~ K ^ {\ ast}, ~ \ Sigma, ~ \ Xi, ~ \ ldots)}
-
1961 : Murray Gell-Mann a „nyolcszoros utat” SU (3) javasolja e részecskék osztályozására.
-
1962 : A két neutrino felfedezése és .vμ{\ displaystyle \ nu _ {\ mu}}ve{\ displaystyle \ nu _ {e}}
-
1964 : Kvarkok és ( Gell-Mann és Zweig által feltételezett ) alkotóelemek, amelyek az SU osztályozásának alapját képezhetik (3).u, d{\ displaystyle u, ~ d}s{\ displaystyle s}
-
1964 : Egy új túró , javasolt.vs.{\ displaystyle c}
-
1964 : Discovery CP-sértés rendszerek által Cronin , Fitch , Christenson és Turlay .K0-K¯0{\ displaystyle K ^ {0} - {\ bar {K}} ^ {0}}
-
1965 : Javasoljuk a szín kvantumszámát: az összes megfigyelt részecske semleges színű. Ezért nem figyelhetünk meg színes kvarkokat.
-
1967 : Glashow , Salam és Weinberg az elektromágneses és a gyenge erők egyesítésének sémáját javasolják. Jóslás a Higgs-bozon és a nehéz-bozonok létezésére , és tízszer nagyobb tömegű, mint a mai napig ismert elemi részecskék.Z0{\ displaystyle Z ^ {0}}W±{\ displaystyle W ^ {\ pm}}
-
1968 - 1969 : Az SLAC kimutatja a nukleon pontszerkezetét.
-
1973 : Nyilatkozat a színes részecskék közötti erős kölcsönhatások elméletéről (QCD). Jóslás a gluonok létezéséről .
-
1973 : Aszimptotikus szabadság feltételezése.
-
1974 : Bájos kvarkot és részecskéket tartalmazó anyagok felfedezése a Stanford Egyetemen és Brookhavenben .J/ψ{\ displaystyle J / \ psi} vs.{\ displaystyle c}
-
1976 : Egy harmadik feltöltött lepton, a .τ-{\ displaystyle \ tau ^ {-}}
-
1976 : A bájos mezon felfedezése és a kvark létezésének megerősítése .D0{\ displaystyle D ^ {0}}vs.{\ displaystyle c}
-
1978 : Egy ötödik kvark, az alja felfedezése a Fermilabnál .b{\ displaystyle b}
-
1979 : Egy gluon bemutatása a DESY-n .
-
1983 : Discovery és a CERN .Z0{\ displaystyle Z ^ {0}}W±{\ displaystyle W ^ {\ pm}}
-
1990 : A tanulmány a felbomlása a LEP (CERN) azt mutatja, hogy a számos neutrínók „könnyű” ( GeV ) van korlátozva 3.Z0{\ displaystyle Z ^ {0}}m<45{\ displaystyle m \, <\, 45}
-
1995 : Egy hatodik kvark, a csúcs felfedezése a Fermilabban .t{\ displaystyle t}
-
1998 : Bizonyíték a nulla tömegű neutrínók létezésére a Szuper-Kamiokandénál .
-
2012 : A ATLAS és a CMS kísérletek a CERN LHC felfedezni egy bozon, amely hasonlít a Higgs-bozon tömegű 126 GeV / c 2 az egy egységen belül.
A szubatomi részecskék osztályozása
Az elemi részecskék tulajdonságaik szerint különböző alkategóriákba sorolhatók.
Leptonok
A leptonokat (a görög leptókból, könnyűek, így nevezik, mert tömegük viszonylag kicsi) a következő tulajdonságok jellemzik:
- Az erős interakció hiánya (nem viselnek színt ).
- Egész elektromos töltések (az elektron töltésének többszöröse).
- A "gyenge" töltés csoportokba sorolja őket, az úgynevezett gyenge interakciós dubletteknek .
- Engedelmesség a Fermi-Dirac statisztikának (ezek a fermionok ).
A leptonok három ismert párja, családja vagy generációja:
-
e - ve{\ displaystyle e ~ - ~ \ nu _ {e}} (az elektron és neutrínója)
-
μ - vμ{\ displaystyle \ mu ~ - ~ \ nu _ {\ mu}} (a müon és neutrínója)
-
τ - vτ{\ displaystyle \ tau ~ - ~ \ nu _ {\ tau}} (a tau és neutrínója)
Hadronok
A hadronokat (a görög hadrókból , "nagy, vastag") a következő tulajdonságok jellemzik:
- Erős kölcsönhatás jelenléte (az úgynevezett "maradék", hogy megkülönböztessük az erős színinterakciótól, amely megköti a kvarkokat és a gluonokat).
- Egész elektromos töltések (az elektron töltésének többszöröse).
- Gyenge interakciók.
- Alkotmány kvarkokból.
A hadronok tehát nem alapvető részecskék, hanem a kvarkok kötött állapota. Több mint 200 van belőlük. Két csoportba sorolhatók: barionok (a görög barusból , nehézek), amelyekhez egy speciális kvantumszámot (a barioni számot) társítunk, lényegében három kvarkból áll, és mezonok, (a görög mezoszból , "közepes") felelősek a hadronok közötti erős "maradék" kölcsönhatásokért, és amelyek barionos 0-s számot kapnak, mivel egy kvarkból és egy antikarkból állnak.
Itt vannak a leggyakrabban megfigyelt hadronok ( centrifugáljon 1/2 bariont , forgasson 0 mezont és forgasson 3/2 bariont) - ezeken az ábrákon a függőleges tengely lefelé irányulva az S furcsaságot , az I 3 vízszintes tengely az izospin komponenst adja, és a Q ferde tengelye az elektromos töltés; a részecskéket rózsaszín körök képviselik, és szimbólumuk (szimbólumaik) mellett jelennek meg; a két részre osztott körök az ellentétesen jelölt két részecskét képviselik, amelyek különféle tulajdonságokkal, különösen tömegükkel különböznek egymástól, amelyeket ezek a diagramok nem mutatnak be. Végül a fő kvarktartalmat minden körön feltüntetjük:
Spin barionok 1/2
8 meglehetősen hasonló barion „bájtja”. Ez megfelel a komponens kvarkok közötti szimmetria tulajdonságainak, különösen a két központi elem Λ 0 és Σ 0 tömegének különbségén tükröződik .
Baryon byte ( centrifugálás 1/2 )
Furcsaság 0
|
nem, o{\ displaystyle n, ~ p}
|
neutron és proton (nukleonok)
|
Furcsaság 1
|
Σ-, Σ0, Σ+{\ displaystyle \ Sigma ^ {-}, ~ \ Sigma ^ {0}, ~ \ Sigma ^ {+}}
|
3 Sigma
|
Furcsaság -1
|
Λ0{\ displaystyle \ Lambda ^ {0}}
|
1 Lambda
|
Furcsaság 2
|
Ξ-, Ξ0{\ displaystyle \ Xi ^ {-}, ~ \ Xi ^ {0}}
|
2 Xi
|
Spin mezonok 0
Ez a 9 elég hasonló mezonból álló "nonet" 8 bájtra és "szingulettre" oszlik.
Nem mezonok ( spin 0 )
Furcsaság -1
|
K0, K+{\ displaystyle K ^ {0}, ~ K ^ {+}}
|
2 kaon
|
Furcsaság 0
|
π-, π0, π+{\ displaystyle \ pi ^ {-}, ~ \ pi ^ {0}, ~ \ pi ^ {+}}
|
3 gyalog
|
Furcsaság 0
|
η{\ displaystyle \ eta}
|
2 állam
|
Furcsaság +1
|
K-, K¯0{\ displaystyle K ^ {-}, ~ {\ bar {K}} ^ {0}}
|
2 anti-kaon
|
Spin barionok 3/2
Itt szembetűnőbb a decuplet tagjai közötti szimmetria: a Q elektromos töltés tengelye állandó közelségnek felel meg az u kvarkok számának , az S furcsaságoké pedig az s kvarkok számának , a harmadik pedig tengely, nem követhető, felező a két előző között, a kvarkok számával d .
Baryon decuplet ( spin 3/2 )
Furcsaság 0
|
Δ-, Δ0, Δ+, Δ++{\ displaystyle \ Delta ^ {-}, ~ \ Delta ^ {0}, ~ \ Delta ^ {+}, ~ \ Delta ^ {++}}
|
4 Delta
|
Furcsaság 1
|
Σ∗-, Σ∗0, Σ∗+{\ displaystyle \ Sigma ^ {* -}, ~ \ Sigma ^ {* 0}, ~ \ Sigma ^ {* +}}
|
3 izgatott Sigma
|
Furcsaság 2
|
Ξ∗-, Ξ∗0{\ displaystyle \ Xi ^ {* -}, ~ \ Xi ^ {* 0}}
|
2 Xi izgatott
|
Furcsaság 3
|
Ω-{\ displaystyle \ Omega ^ {-}}
|
1 Omega
|
Quarks
A kvarkok azok az alapvető részecskék, amelyek a megfigyelt részecskéket alkotják.
- Erősen kölcsönhatásba lépnek (erős kölcsönhatásnak vannak kitéve)
- Töredékes elektromos töltéseket hordoznak.
- Alacsony töltésűek és gyenge kölcsönhatású dubletteket alkotnak.
- Ők is társul színű töltés (3 lehetséges színek, ezek triplettek), amellyel esnek át az erős kölcsönhatást.
- Engedelmeskednek a Fermi-Dirac statisztikának ( fermionok ).
A kvarkoknak hat típusa vagy íze van: fel , le , furcsa , varázsa , felül és lent (vagy igazság és szépség történelmi okokból). A leptonokhoz hasonlóan dublettekbe is csoportosíthatók, amelyek tömegük kivételével szén-másolatok.
Quark osztályozás
Quarks
|
Antikarkok
|
---|
Q = 2/3
|
Q = −1/3
|
Q = -2/3
|
Q = 1/3
|
u{\ displaystyle \ mathbf {u}} (fel)
|
d{\ displaystyle \ mathbf {d}} (le)
|
u¯{\ displaystyle \ mathbf {\ bar {u}}} (anti-up)
|
d¯{\ displaystyle \ mathbf {\ bar {d}}} (anti-down)
|
vs.{\ displaystyle \ mathbf {c}} (báj)
|
s{\ displaystyle \ mathbf {s}} (furcsa)
|
vs.¯{\ displaystyle \ mathbf {\ bar {c}}} (bájellenes)
|
s¯{\ displaystyle \ mathbf {\ bar {s}}} (furcsa)
|
t{\ displaystyle \ mathbf {t}} (felső)
|
b{\ displaystyle \ mathbf {b}} (alsó)
|
t¯{\ displaystyle \ mathbf {\ bar {t}}} (anti-top)
|
b¯{\ displaystyle \ mathbf {\ bar {b}}} (fenékellenes)
|
Általában azt gyanítják, hogy a kvarkok és a leptonok családjai rokonságban vannak; mindegyikből három van. 2007-ben úgy tűnik, hogy csak a szimmetria érvei támasztják alá ezt az állítást.
Gluonok
A gluonok azok az alapvető részecskék, amelyek megtartják a hadronokat a kvarkok összekapcsolásával.
- Erősen kölcsönhatásba lépnek (az erős kölcsönhatás hordozói)
- Elektromosan semlegesek.
- Nincs gyenge kölcsönhatásuk.
- Ők is társul színű töltés (8 lehetséges színek, ez egy bájt), és ezért mennek keresztül az erős kölcsönhatást.
- Engedelmeskednek a Bose-Einstein statisztikának (ők bozonok ).
Csak nyolc gluon van, amelyek kölcsönhatásba lépnek a kvarkok minden típusával vagy ízével , de egymással is, mivel maguk is színesek. Ez matematikailag nagyon bonyolulttá teszi a számításokat, ennélfogva az a tény, hogy a részecskék felépítésében nagyon lassú az előrelépés, bár az elmélet formailag ismert.
Az erős kölcsönhatás intenzitása miatt a kvarkok és a gluonok, mivel színezettek, színes bezártságon mennek keresztül , ami azt jelenti, hogy nem tekinthetők el külön. Csak azok a kombinációk képezhetnek szabad hadronokat, amelyekben az összes szín ellensúlyozza egymást ( fehér kombinációk ).
Három család létezik
Úgy tűnik, hogy az elemi részecskék halmaza három családra bontható (ez a három szám a standard modell alapvető paramétere , nem tévesztendő össze a kvarkok által hordozott színek számával, egy másik alapvető paraméterrel):
Boszonok és fermionok
A kvantummechanika bevezeti a részecske belső szögmomentuma, a spin fogalmát . Többszörös értékeket vehet fel . Meghatározza azt a statisztika típusát is, amelynek a részecske ki van téve.
ℏ/2=h/4π{\ displaystyle \ hbar / 2 = h / 4 \ pi}
-
Bosonok : Egész spin ( ) részecskék , amelyek engedelmeskednek a Bose-Einstein statisztikának , vagyis két azonos bozon rendszerét, amelyet az 1. és 2. index jelöl, egy függvényhullám írja le, amely szimmetrikus a felcserélni a részecskék: .0, ℏ, 2ℏ, 3ℏ, ...{\ displaystyle 0, ~ \ hbar, ~ 2 \ hbar, ~ 3 \ hbar, ~ \ ldots}ψ12.=+ψ21{\ displaystyle \ psi _ {12} = + \ psi _ {21}}
-
Fermionok : Ezek egy félig egész spin ( ) részecskék, amelyek engedelmeskednek a Fermi-Dirac statisztikának , vagyis két azonos fermion rendszerét, amelyet az 1. és 2. index jelöl, egy hullámfüggvény írja le, amely antiszimmetrikus a részecskék cseréje alatt: . Különösen két fermion nem lehet azonos állapotban, különben ez a kapcsolat azt mutatja, hogy hullámfüggvényük nulla lenne, ami abszurd ( Pauli kizárási elv ).ℏ/2, 3ℏ/2, 5.ℏ/2, ...{\ displaystyle \ hbar / 2, ~ 3 \ hbar / 2, ~ 5 \ hbar / 2, ~ \ ldots}ψ12.=-ψ21{\ displaystyle \ psi _ {12} = - \ psi _ {21}}
Részecskék és antirészecskék
A fogalom a antirészecskéje javasolta Paul Dirac az 1928 . Úgy tűnik, hogy a nevét viselő egyenlet néhány megoldása negatív energiát hordoz. Dirac ezeket a megoldásokat a következőképpen értelmezte: valójában az üres hely ezeknek a megoldásoknak a halmaza. Ha valaki elegendő energiát visz be a vákuum egy részébe, amelyet az egyik ilyen megoldás képvisel, akkor pozitív energiás oldattá válik, és üresen hagyja a helyét. A pozitív energia-megoldás által üresen hagyott lyuk negatív energia részecskeként jelenik meg, és amelynek tulajdonságai (például elektromos töltés) ellentétesek a normál megoldásokéval. Ezt antirészecskének nevezzük.
Az antirészecskéket tehát a következők jellemzik:
- a kapcsolódó részecske számával ellentétes töltés és kvantumszámok;
- a megfelelő részecske tömegével és élettartamával megegyező.
Megállapodás szerint az antirészecskét egy felső sáv jelöli, amely csak akkor hasznos, ha töltésével nem lehet megkülönböztetni. Írhatnánk például:e-¯ = e¯+ = e+{\ displaystyle {\ overline {e ^ {-}}} ~ = ~ {\ bar {e}} \, ^ {+} ~ = ~ e ^ {+}}
Interakciók és mezők
A klasszikus mechanika és a kvantumtér-elmélet eltérő megközelítésekkel rendelkezik az interakciók írásakor.
- A klasszikus mechanikában, ha van egy olyan mező, amelyet az 1. részecske állít elő a 2. részecske helyzetében, az utóbbi kölcsönhatásba lép ennek a mezőnek az értékével.
- A kvantumtérelméletben az interakciót kvantumok cseréjeként értelmezik. Engedelmeskedik a kvantumszámok és a quadri-impulzus megőrzésének törvényeinek. Ez engedelmeskedik a hullám egyenlet keretein belül a Heisenberg bizonytalansági elve :
ΔE×Δt>ℏ{\ displaystyle \ Delta E \ times \ Delta t \,> \, \ hbar} és Δx×Δo>ℏ{\ displaystyle \ Delta x \ times \ Delta p \,> \, \ hbar}
Az átmeneti állapotokat "virtuális" -nak nevezzük, például egy virtuális foton kvadrapulzusú lehet, ha: ha korlátozott, akkor az energia csak az eltéréseken belül konzerválódik .
o2≠0{\ displaystyle p ^ {2} \ neq 0}Δt{\ displaystyle \ Delta t}ΔE ∼ ℏ/Δt{\ displaystyle \ Delta E ~ \ sim ~ \ hbar / \ Delta t}
Elektromágneses kölcsönhatás
Az elektromágneses kölcsönhatást a következő tulajdonságok jellemzik:
- elektromos töltésű részecskék játékba hozása;
- csatolás ;α=e2/4πℏvs.ϵ0≈1/137{\ displaystyle \ alpha = e ^ {2} / 4 \ pi \ hbar c \ epsilon _ {0} \ kb 1/137}
- interakciós idő és / vagy átlagos átlagos élettartama ≈ 10 −20 s ;
-
tipikus keresztmetszet ≈ 10 −33 m 2 ;
- fotoncsere ( );γ{\ displaystyle \ gamma}
-
mγ=0{\ displaystyle m _ {\ gamma} = 0}, ezért hatálya (a bizonytalansági elv következménye).R = ∞{\ displaystyle R ~ = ~ \ infty}
Gyenge interakció
A gyenge interakció tipikus megnyilvánulásai:
- A neutron β bomlása, pl. ;nem→o+e-+v¯e{\ displaystyle n \ - p + e ^ {-} + {\ bar {\ nu}} _ {e}}
- Antineutrinok befogása, pl. ;o+v¯e→nem+e+{\ displaystyle p + {\ bar {\ nu}} _ {e} \ - n + e ^ {+}}
- A hadronos bomlások gyenge, elektromágneses vagy erős kölcsönhatásokon mehetnek keresztül, de jellemzőik a bomlás módjától függően különböznek:
A hadron bomlásának módjai
|
Interakciók
|
---|
gyenge ( )
Σ-→nem+π-{\ displaystyle \ Sigma ^ {-} \ to n + \ pi ^ {-}} |
elektromágneses ( )
Σ0→Λ+γ{\ displaystyle \ Sigma ^ {0} \ to \ Lambda + \ gamma} |
erős ( )
Δ++→o+π+{\ displaystyle \ Delta ^ {++} \ to p + \ pi ^ {+}} |
Reakció
|
ΔS{\ displaystyle \ Delta S}
|
1
|
0
|
0
|
---|
Δén{\ displaystyle \ Delta I}
|
1/2
|
1
|
0
|
τ{\ displaystyle \ tau}
|
10 −10 s
|
10 −19 s
|
5 × 10 −24 s
|
hol van a furcsaság kvantumszámának, az izotópos spinnek a változása , és a kölcsönhatások átlagos élettartama vagy időtartama. Az erős kölcsönhatásnak meg kell őriznie S-t és én , az elektromágneses S-t , de nem én , és a gyengék sem. Ezért az a lehetőség, hogy egyik vagy másik uralja a folyamatot.
ΔS{\ displaystyle \ Delta S}Δén{\ displaystyle \ Delta I}τ{\ displaystyle \ tau}
A gyenge kölcsönhatásokat a következő tulajdonságok jellemzik:
- neutrínók vagy kvarkok, amelyek megváltoztatják az ízt, vagyis "gyenge töltésű" részecskék játékba hozása;
- Csatlakozás alacsony (széles protonok) ;αFermén=GFmo2/4π(ℏvs.)3≈10.-6.{\ displaystyle \ alpha _ {\ mathrm {Fermi}} = G_ {F} m_ {p} ^ {2} / 4 \ pi (\ hbar c) ^ {3} \ kb. 10 ^ {- 6}}
- interakciós idő és / vagy átlagos átlagos élettartama ≈ 10 −8 s ;
-
≈ 10 −44 m 2 keresztmetszet ;
- boszonok cseréje W ± (töltött áramok) és Z 0 (semleges áram);
- m W = 80 GeV, ezért az R = 10 −18 m tartomány (továbbra is a bizonytalanság elve).
Az elektromágneses és a gyenge (elektromos gyenge) kölcsönhatások Glashow - Weinberg - Salam ( 1967 ) modelljében egyesülnek . De alacsony energia esetén a szimmetria megtörik, és a két erő meglehetősen különállónak tűnik. A gyenge kölcsönhatások gyenge g W kapcsolást és a W ± és Z 0 nyomtávú bozonok cseréjét jelentik . A gyenge reakciókat a forma valószínűségi amplitúdója jellemzi:
Amplitúdó ≈ g 2 W / (q 2 - M 2 W, Z )
ahol q 2 a négy impulzus négyzete, amelyet a kvantum cseréje ad át.
A q 2 → 0 határértékben a Glashow-Weinberg-Salam elmélet a gyenge kölcsönhatások elméletére redukálódik, Fermi (1935), ahol a négy részecskét érintő kölcsönhatások ad hoc és F , állandó Fermi- erő .
GF/(ℏvs.)3={\ displaystyle G_ {F} / (\ hbar c) ^ {3} =} 1,1×10.-5. GeV-2{\ displaystyle 1 {,} 1 \ szor 10 ^ {- 5} ~ \ mathrm {GeV} ^ {- 2}}
A Glashow-Weinberg-Salam modell előnye a Fermi- elmélettel szemben, hogy renormalizálható, vagyis magas energiánál (W és Z tömegénél és magasabb felett) számítható viselkedésű.
Ez is egy példa az erők (gyengék és em) egyesítésére.
Elektromos gyenge kölcsönhatás
A elektrogyenge kölcsönhatás van a kölcsönhatás, amely egyesíti elektromágnesesség és gyenge kölcsönhatás.
Erős interakció
Az erős kölcsönhatás gyakori a nagy energiájú hadronütközésekben . Alapvető szinten magában foglalja a kvarkok és a gluonok kölcsönhatásait . Megtalálhatók például az ütközésben , amelynek időtartama megközelítőleg τ = 10 −23 s . Az erős kölcsönhatásokat a következő tulajdonságok jellemzik:
K-+o→Σ0{\ displaystyle K ^ {-} + p \ \ Sigma ^ {0}}
- színtöltetet hordozó részecskék (kvarkok és / vagy gluonok) cseréje;
- nagyon erős kapcsolás: α s ≈ 1;
- interakciós idő és / vagy átlagos átlagos élettartama ≈ 10 −23 s ;
- tipikus keresztmetszet ≈ 10 −30 m 2 ;
- kvarkok és gluonok bezárása ;
-
aszimptotikus szabadság ;
- effektív tartománya R = 10 −15 m a bezárás miatt.
Gravitációs interakció
Jelenleg a fenomenológia szempontjából nincs kielégítő kvantumgravitációs elmélet , bár a szuperhúrelmélet jó jelölt (a hurokkvantumgravitáció azonban nem javasolja a gravitáció egységesítését a többi interakcióval. A standard modell ). Ezzel szemben a gravitációs kvantumelméletnek a következő jellemzőkkel kell rendelkeznie:
- vonjon be mindent, aminek van energiatömege, és ami ezért módosítja a tér-idő metrikáját (energia-lendület tenzor);
- szubatomi szinten nagyon gyenge a kapcsolása: a két proton közötti tipikus kapcsolás α G = G N m 2 p / 4π = 4,6 × 10 −40 ;
- a graviton , egy spin 2 kölcsönhatás bozon, a metrika kvantumingadozásának felel meg;
- a graviton nulla tömege, a gravitációnak végtelen tartománya van.
Összefoglaló táblázat
elemi
részecskék |
fermionok
|
leptonok
|
Töltött
|
elektron :e-{\ displaystyle e ^ {-}}
|
müon :μ-{\ displaystyle \ mu ^ {-}}
|
tauon :τ-{\ displaystyle \ tau ^ {-}}
|
Neutrinos
|
elektronikus: ve{\ displaystyle \ nu _ {e}}
|
dallam: vμ{\ displaystyle \ nu _ {\ mu}}
|
tauonic: vτ{\ displaystyle \ nu _ {\ tau}}
|
kvarkok
|
Töltés +2/3
|
fel: u{\ displaystyle u}
|
báj: vs.{\ displaystyle c}
|
teteje: t{\ displaystyle t}
|
Töltés -1/3
|
le: d{\ displaystyle d}
|
furcsa: s{\ displaystyle s}
|
fenék / szépség: b{\ displaystyle b}
|
bozonok
|
nyomtávú bozonok
|
Elektromágnesesség
|
foton :γ{\ displaystyle \ gamma}
|
Gyenge interakció
|
Boson Z :Z0{\ displaystyle Z ^ {0}}
|
Boson W -:W-{\ displaystyle W ^ {-}}
|
Boson W +:W+{\ displaystyle W ^ {+}}
|
Erős interakció |
gluon
|
hipotetikus / megerősített
bozonok |
Gravitáció |
graviton
|
Infláció |
inflaton
|
Int. alacsony-el |
Higgs-bozon
|
összetett részecskék ( hadronok )
|
barionok ( fermionok )
|
"Fény"
|
nukleonok
|
neutron :nem{\ displaystyle n}
|
proton :o{\ displaystyle p}
|
Egyéb
|
Delta: Δ++ ... Δ-{\ displaystyle \ Delta ^ {++} ~ \ ldots ~ \ Delta ^ {-}}
|
...
|
hiperonok
|
S = - 1
|
Lambda: Λ0{\ displaystyle \ Lambda ^ {0}}
|
Sigma: Σ+,Σ0,Σ-{\ displaystyle \ Sigma ^ {+}, \, \ Sigma ^ {0}, \, \ Sigma ^ {-}}
|
S = - 2 |
Xi: Ξ0,Ξ-{\ displaystyle \ Xi ^ {0}, \, \ Xi ^ {-}}
|
S = - 3 |
Omega: Ω-{\ displaystyle \ Omega ^ {-}}
|
elbűvölt barionok C = 1
|
S = 0
|
Lambda-C: Λvs.+{\ displaystyle \ Lambda _ {c} ^ {+}}
|
Sigma-C: Σvs.++,Σvs.+,Σvs.0{\ displaystyle \ Sigma _ {c} ^ {++}, \, \ Sigma _ {c} ^ {+}, \, \ Sigma _ {c} ^ {0}}
|
S = 1 |
Xi-C: Ξvs.+,Ξvs.0{\ displaystyle \ Xi _ {c} ^ {+}, \, \ Xi _ {c} ^ {0}}
|
S = 2 |
Omega-C: Ωvs.0{\ displaystyle \ Omega _ {c} ^ {0}}
|
Baryons alja |
B = 1 |
Lambda-B: Λb0{\ displaystyle \ Lambda _ {b} ^ {0}}
|
mezonok ( bozonok )
|
"Fény"
|
S = 0
|
gyalog :π+,π0,π-{\ displaystyle \ pi ^ {+}, \, \ pi ^ {0}, \, \ pi ^ {-}}
|
eta :η0{\ displaystyle \ eta ^ {0}}
|
rho :ρ+,ρ0,ρ-{\ displaystyle \ rho ^ {+}, \, \ rho ^ {0}, \, \ rho ^ {-}}
|
phi :ϕ0 (ss¯){\ displaystyle \ phi ^ {0} ~ (s {\ bar {s}})}
|
S = 1 |
kaon :K¯0(sd¯), K-(su¯){\ displaystyle {\ bar {K}} ^ {0} \, (s {\ bar {d}}), ~ K ^ {-} \, (s {\ bar {u}})}
|
Elbűvölt
|
"Látszólagos" |
Meson D :D+(vs.d¯), D0(vs.u¯){\ displaystyle D ^ {+} \, (c {\ bar {d}}), ~ D ^ {0} \, (c {\ bar {u}})}
|
"Rejtett" |
Meson J / ψ :J/ψ0(vs.vs.¯){\ displaystyle J / \ psi ^ {0} \, (c {\ bar {c}})}
|
Alsó
|
"Látszólagos" |
Meson B :B0(bd¯), B-(bu¯){\ displaystyle B ^ {0} \, (b {\ bar {d}}), ~ B ^ {-} \, (b {\ bar {u}})}
|
"Rejtett" |
Meson Upsilon :Υ0(bb¯){\ displaystyle \ Upsilon ^ {0} \, (b {\ bar {b}})}
|
és még sokan mások ...
|
Normál modell
Az elemi részecskék osztályozásának jelenlegi állapotát „ standard modellnek ” nevezzük .
Leírja az alapvető erőket : erős , gyenge és elektromágneses , a nyomtávos bozonként ismert közvetítő bozonokat használva . A nyomtávú bozonok a gluonok , a W ± és Z bozonok, valamint a fotonok .
A modell 12 alapvető részecskét is tartalmaz, amelyek az anyag alkotórészei : a fermionok családja, amely kvarkokból , leptonokból és antirészecskéikből áll.
Azt is megjósolja, hogy létezik egy Higgs-bozon néven ismert bozontípus .
Fő kölcsönhatások az anyaggal
A részecskék természetüktől és energiájuktól függően különböző módon lépnek kölcsönhatásba az anyaggal. Ezek a kölcsönhatások a következők:
Töltött részecskék
Fényrészecskék: elektronok, positronok
Nehéz részecskék: müonok, protonok, alfa, pionok
-
Rugalmas szórás az atomokkal (a kölcsönhatás domináns típusa).
-
Rugalmas diffúzió a magokkal: kevés energiát adnak át, mert a részecskék könnyebbek, mint a mag.
- Az úgynevezett para-statikus diffúzió a magok sugárzásának aggregációjával rugalmas állapotban és a Cherenkov-típus domináns kölcsönhatása.
-
Cserenkov-sugárzás .
- Nukleáris reakciók.
-
Bremsstrahlung .
Töltetlen részecskék
Fotonok
Ellentétben a töltött részecskékkel, amelyek energiájukat folyamatosan haladják útjuk során, a fotonok kölcsönhatásai lokalizálódnak.
Amikor áthaladnak egy közegen, a fotonok egy bizonyos távolságot lépnek át anélkül, hogy hatással lennének rá, majd hirtelen energiát raknak le a következő kölcsönhatások révén:
A kölcsönhatás létrejöttének valószínűsége a pálya mentén állandó, ezért a túlélő fotonok száma geometriai (exponenciális) sorokban csökken a megtett távolság mentén.
Az x távolság átlépése után megmaradó fotonok frakciója e- μx, ahol µ az abszorpciós együttható cm- 1- ben kifejezve . Ez az anyag különböző komponenseire vonatkozó különböző kölcsönhatások abszorpciós együtthatóinak összege.
Az abszorpció lehet kényelmesebben paramétereznie a tömeggyengítési együttható μ / ρ kifejezve cm 2 / g , lényegében függetlenül a sűrűsége ρ az abszorbens anyag, és attól csak az összetételétől.
Semlegesek
Neutrinos
- elektromos gyenge kölcsönhatások ( leptonok létrehozása ). Alacsony energiánál nagyon gyengék, az energia függvényében gyorsan növekednek.
Részecskék előállítása és detektálása
A részecske-vizsgálatok a radioaktív anyagok által kibocsátott sugárzás vizsgálatával kezdődtek, valamint hordozható vagy asztali részecske-detektorokkal, amelyek lehetővé tették több elemi részecske detektálását TPN- rel . Más részecskék észleléséhez meg kell változtatnia az energiaszintet.
Először a kozmikus sugarak magasságban történő megfigyeléséhez folyamodtunk, hogy csökkentsük a légkör átlépése által okozott degradációt. Ez lehetővé tette a detektorok jelentős javítását, mivel meg kellett növelni a felületüket, figyelembe véve az érdekes kozmikus sugarak kis számát. Ezután rátértünk a részecskegyorsítók gyártására , amely homogén és jól kalibrált részecskesugarat biztosít, amelynek energiaszintje fokozatosan növekszik. Ugyanakkor a detektorok előrehaladtak az így keletkező részecskék kölcsönhatásainak tanulmányozása érdekében.
Jelenleg a részecskefizikai kísérleteket olyan csapatok végzik nemzetközi együttműködésben, amelyek felelősek a kívánt kísérleti típusra jellemző detektorok felépítéséért, és azok telepítéséhez a gyors, nemzetközi együttműködésben is épített gyorsítók közelében.
A fő nemzetközi gyorsítóhelyek a következők:
- a CERN (Európai Nukleáris Kutatási Szervezet), amely a francia-svájci határon található Genf közelében . Fő felszereltsége a Super Proton Synchrotron , az LHC-t kiszolgáló körgyorsító, valamint számos kísérlet, az LEP , egy nagy elektron- és pozitronütköző, amelyet most leszereltek, valamint az LHC , egy nagy protonütköző, amelyet szeptemberben üzembe helyeztek. 2008 a régi LEP alagútban.
- a DESY (DESY), amely Hamburgban található , Németországban . Fő létesítménye a HERA, ahol elektronok, positronok és protonok ütközését okozzák.
- a SLAC (Stanford Linear Accelerator Center), amely az Egyesült Államokban , a Palo Alto közelében található . Fő létesítménye a PEP-II (elektron és pozitron ütközés).
- a Fermilab vagy az FNAL (Fermi National Accelerator Laboratory), amely az Egyesült Államokban, Chicago közelében található . Fő telepítése a Tevatron (protonok és antiprotonok ütközése).
- A Brookhaven Nemzeti Laboratórium vagy BNL, az Egyesült Államok Long Island-en található . Fő létesítménye a relativisztikus nehézion-ütköző , ahol nehéz ionok , például aranyionok és protonok ütközését tanulmányozzák .
Sok más részecskegyorsító létezik.
Megjegyzések és hivatkozások
-
Nicolas Arnaud: „ Hogyan terjesszük a részecskefizikában a legújabb ismereteket is? ", Dossier pour la science , n o 85,2014. október-december
Lásd is
Bibliográfia
- Elemi részecskék (cikksorozat), Les Dossiers de la Recherche , 23. sz. - 2006. május – július
- Jean Iliopoulos, A standard modellen túl, Pour La Science , 361. sz., 2007. november, 90–96.
- Daniel Vignaud, De neutrinos en neutrinos, Pour La Science , 361. szám, 2007. november, 106–107.
Kapcsolódó cikkek
Külső linkek