Исследовательская работа по физике «Проблема первичного строения мира» (10 класс)

Данилов Алексей Александрович

Место выполнения работы Муниципальное бюджетное образовательное учреждение муниципального образования «Город Архангельск» «Средняя общеобразовательная школа №62», Класс 10

ИССЛЕДОВАТЕЛЬСКАЯ РАБОТА

По направлению Естественные науки (физика)

На тему Проблема первичного строения мира

Научный руководитель: Преподаватель второй квалификационной

категории _____________ Е. П. Швецова

(подпись)

 

МИНИСТЕРСВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ

федеральное государственное автономное образовательное учреждение

высшего профессионального образования

«Северный (Арктический) федеральный институт имени М. В. Ломоносова»

Конференция старшеклассников

«Наука в руках молодых-2012»

Код работы___________________

ИССЛЕДОВАТЕЛЬСКАЯ РАБОТА

По направлению Естественные науки (физика)

На тему Проблема первичного строения мира

Работа допущена к защите на очный этап конференции_____________

ОГЛАВЛЕНИЕ

 

ВВЕДЕНИЕ

Физика элементарных частиц является одним из древнейших направлений физики. Первые упоминания об элементарных частицах датируется примерно VI веком до нашей эры. Данное направление в физике на данный момент является одним из наиболее быстро развивающихся и передовых. Благодаря исследованиям, проводимым на Большом Адронном Колайдере, сейчас происходят решающие открытия в этой области.

Данная тема является весьма изученной и на данный момент открыто огромное множество разнообразных частиц. Но некоторые фундаментальные вопросы ещё только предстоит объяснить.

Цель работы: делимость мира. Задачи: сбор информации о строение материи, поиск простейших составляющих, расширение познаний в области физики элементарных частиц, повышение интереса к физике как науке.

В своей работе я использовал индуктивный метод. Работа заключалась в изучении различной литературы и обобщении информации об элементарных частицах.

Объектом исследования являлись как непосредственно элементарные частицы, так и их классификация в целом.

В результате исследовательской работы получены следующие результаты: сводная таблица Excel по основным характеристикам частиц, база данных Access, схема классификации частиц, компьютерная модель атома 12 C, иллюстрации характеризующие кварковый состав частиц.

Тезис 1: Существует множество классификации элементарных частиц с различных точек зрения (по массе и т. д.). Тезис 2: Кварки являются простейшими компонентами составных частиц. Тезис 3: Все распады и другие события с частицами происходят по определённым законам.

Научное и практическое значение результатов заключается в возможности использования их или (и) её частей в каких-либо других проектах.

Практическая апробация результатов может заключаться в использовании их для подготовки различных лекций, семинаров, уроков, факультативных занятий.

ОСНОВНАЯ ЧАСТЬ

1 Физика элементарных частиц

Физика элементарных частиц (ФЭЧ), часто называемая также физикой высоких энергий или субъядерной физикой — раздел физики, изучающий структуру и свойства элементарных частиц и их взаимодействия.

Теоретическая ФЭЧ строит теоретические модели для объяснения данных, полученных в действующих экспериментах, получения предсказаний для будущих экспериментов и разработки математического инструментария для проведения исследований такого рода. На сегодняшний день основным орудием в теоретической физике элементарных частиц является квантовая теория поля. В рамках этой теоретической схемы любая элементарная частица рассматривается как квант возбуждения определённого квантового поля. Для каждого типа частиц вводится собственное поле. Квантовые поля взаимодействуют, в этом случае их кванты могут превращаться друг в друга.

Элементарная частица — собирательный термин, относящийся к микрообъектам в субъядерном масштабе, которые невозможно расщепить на составные части.

Следует иметь в виду, что некоторые элементарные частицы на данный момент считаются бесструктурными и рассматриваются как первичные фундаментальные частицы. Другие элементарные частицы имеют сложную внутреннюю структуру, но, тем не менее, по современным представлениям, разделить их на части невозможно[17].

Античастица — частица-двойник некоторой другой элементарной частицы, обладающая той же массой и тем же спином, но отличающаяся от неё знаками некоторых характеристик взаимодействия (зарядов, таких как электрический и цветовой заряды, барионное и лептонное квантовые числа).

2 Современные характеристики частиц

2.1 Масса

В специальной теории относительности под массой понимают модуль 4-вектора импульса[12]:

,

где E — полная энергия свободного тела, p — его импульс, c — скорость света. Классификацию частиц по массе см ПРИЛОЖЕНИЕ Г.

Масса известных на сей день частиц является, в общем, неотрицательной величиной, и должна быть равна нулю для тела, движущегося со скоростью света (фотон). Понятие массы особенно важно для физики элементарных частиц, так как позволяет отделять безмассовые частицы (всегда двигающиеся со скоростью света) от массивных (скорость которых всегда ниже скорости света). Кроме того, масса практически однозначно позволяет идентифицировать частицу (с точностью до зарядового сопряжения).

2.1.1 Положительная масса

К частицам с положительной массой (тардионам) относятся почти все частицы Стандартной модели: лептоны, кварки, W- и Z-бозоны. Эти частицы могут двигаться с любой скоростью, меньшей скорости света, в том числе покоиться. К тардионам относятся также все известные составные частицы: протон, нейтрон, гипероны и мезоны.

2.1.2 Нулевая масса

К известным на сегодняшний день частицам нулевой массы (безмассовым, люксонам) относятся фотоны и глюоны. Такие частицы в свободном состоянии могут двигаться только со скоростью света. Но поскольку из квантовой хромодинамики следует, что глюоны в свободном состоянии не существуют, то непосредственно наблюдать движущимися со скоростью света можно только фотоны (собственно, именно поэтому её называют скоростью света). Долгое время считалось, что нейтрино также имеют нулевую массу, однако обнаружение вакуумных нейтринных осцилляций свидетельствует о том, что масса нейтрино хоть и очень мала, но не равна нулю.

Следует отметить, что комбинация нескольких частиц нулевой массы может иметь ненулевую массу.

2.2 Время жизни

Время жизни квантовомеханической системы (частицы, ядра, атома, энергетического уровня и т. д.) — промежуток времени τ, в течение которого система распадается с вероятностью  где e = 2,71828… — число Эйлера. Если рассматривается ансамбль независимых частиц, то в течение времени τ число оставшихся частиц уменьшается (в среднем) в е раз от количества частиц в начальный момент. Понятие «время жизни» применимо в условиях, когда происходит экспоненциальный распад (то есть ожидаемое количество выживших частиц N зависит от времени t как

где N0 — число частиц в начальный момент)[9].

Классификацию частиц по времени жизни см. ПРИЛОЖЕНИЕ Г.

2.3 Спин

Спин (от англ. spin — вертеть[-ся], вращение) — собственный момент импульса элементарных частиц, имеющий квантовую природу и не связанный с перемещением частицы как целого. Спином называют также собственный момент импульса атомного ядра или атома; в этом случае спин определяется как векторная сумма (вычисленная по правилам сложения моментов в квантовой механике) спинов элементарных частиц, образующих систему, и орбитальных моментов этих частиц, обусловленных их движением внутри системы[14].

Спин измеряется в единицах  (приведённой постоянной Планка, или постоянной Дирака) и равен  где J — характерное для каждого сорта частиц целое (в том числе нулевое) или полуцелое положительное число — так называемое спиновое квантовое число, которое обычно называют просто спином (одно из квантовых чисел). В связи с этим говорят о целом или полуцелом спине частицы.

Существование спина в системе тождественных взаимодействующих частиц является причиной нового квантовомеханического явления, не имеющего аналогии в классической механике: обменного взаимодействия. Классификацию частиц по спину см. ПРИЛОЖЕНИЕ Г.

2.3.1 Свойства спина

Любая частица может обладать двумя видами углового момента: орбитальным угловым моментом и спином.

В отличие от орбитального углового момента, который порождается движением частицы в пространстве, спин не связан с движением в пространстве. Спин — это внутренняя, исключительно квантовая характеристика, которую нельзя объяснить в рамках релятивистской механики. Если представлять частицу (например, электрон) как вращающийся шарик, а спин как момент, связанный с этим вращением, то оказывается, что поперечная скорость движения оболочки частицы должна быть выше скорости света, что недопустимо с позиции релятивизма.

На июль 2004 года, максимальным спином среди известных элементарных частиц обладает барионный резонанс Δ(2950) со спином 15/2. Спин ядер может превышать 20 

2.4 Ароматы и квантовые числа

2.4.1 Лептонное число

Лептонное число, лептонный заряд — разность числа лептонов и антилептонов в данной системе. Во всех наблюдавшихся процессах лептонное число в замкнутой системе сохраняется, поэтому был сформулирован закон сохранения лептонного заряда, являющийся одним из экспериментальных оснований Стандартной Модели физики элементарных частиц. Однако причины, по которым лептонное число сохраняется, пока неизвестны. В отличие от электрического заряда, лептонный заряд, насколько это известно, не является источником какого-либо дальнодействующего калибровочного поля (поэтому более правильный термин — лептонное число). Лептонам присваивается лептонное число (по соглашению) L = +1, для антилептонов L = −1.

2.4.2 Барионное число

В физике элементарных частиц барионное число — это приблизительно сохраняемое квантовое число системы. Оно определяется как:

где  — количество кварков и  — количество антикварков.

Почему присутствует деление на три? По законам сильного взаимодействия полный цветовой заряд частицы должен быть нулевым («белым»). Этого можно добиться соединением кварка одного цвета с антикварком соответствующего антицвета, создав мезон с барионным числом 0, либо соединением трёх кварков в барион с барионным числом +1, либо соединением трёх антикварков в антибарион с барионным числом −1. Другая возможность — это экзотический пентакварк, состоящий из 4 кварков и 1 антикварка.

Итак, кварки всегда присутствуют тройками, если считать антикварк за «отрицательный кварк». Исторически барионное число было определено задолго до того, как установилась сегодняшняя кварковая модель — так что вместо изменения определения физики просто разделили давно известное квантовое число на три. Теперь более точно говорить о сохранении кваркового числа.

Частицы, не содержащие кварков или антикварков, имеют барионное число, равное 0. Это такие частицы, как лептоны, фотон, W и Z бозоны.

Барионное число приблизительно сохраняется во всех взаимодействиях Стандартной модели.

2.4.3 Странность

В физике элементарных частиц странность S — квантовое число, необходимое для описания определённых короткоживущих частиц. Странность частицы определяется как:

где — количество странных антикварков и  — количество странных кварков.

Причина для такого непонятного с первого взгляда определения в том, что концепция странности была определена до открытия существования кварков, и для сохранения смысла изначального определения странный кварк должен иметь странность −1, а странный антикварк должен иметь странность +1.

Для всех ароматов кварков (странность, очарование, прелесть и истинность) правило следующее: значение аромата и электрический заряд кварка имеют одинаковый знак. По этому правилу любой аромат, переносимый заряженным мезоном, имеет тот же знак, что и его заряд.

2.4.4 Очарование

Очарование (символ C) — квантовое число, показывающее разницу между количеством очарованных кварков () и очарованных антикварков (), представленных в составе частицы:

По соглашению, знак квантового числа согласован со знаком электрического заряда частицы, который несёт кварк соответствующего аромата. Например, очарованный кварк, который несёт электрический заряд (Q) +2 ⁄ 3, следовательно, он имеет очарование +1. Очарованный антикварк, имеет отрицательный электрический заряд (Q = −2 ⁄ 3) и отрицательное очарование (C = −1).

2.4.5 Прелесть

Прелесть (символ B′) — квантовое число, показывающее разницу между количеством прелестных антикварков () и прелестных кварков (), представленных в составе частицы:

По соглашению, прелестный кварк имеет прелесть равную −1, а прелесть прелестного антикварка +1. Соглашение заключается в том, что квантовое число кварка имеет тот же знак, что и его электрический заряд (символ Q), например, электрический заряд прелестного кварка Q = −1⁄3.

2.4.6 Истинность

Истинность (англ. truth, topness) — флейворное (ароматовое) квантовое число, свойственное t-кваркам. Обычно обозначается T. Термин используется редко, поскольку составных частиц, содержащих t-кварки, не обнаружено. В англоязычной терминологии чаще используется термин topness, чем truth, однако общепринятого русского эквивалента для topness нет.

По соглашению, t-кварк имеет T = 1, а у t-антикварка T = −1. Истинность сложных частиц, содержащих t-кварки, равна разнице количества t-кварков и t-антикварков.

Истинность, как и все прочие флейворные квантовые числа, сохраняется в сильном и электромагнитном взаимодействиях, но не сохраняется при слабом взаимодействии.

2.4.7 Электрический заряд

Электрический заряд — это физическая скалярная величина, определяющая способность тел быть источником электромагнитных полей и принимать участие в электромагнитном взаимодействии[6]. Впервые электрический заряд был введён в законе Кулона в 1785 году.

Единица измерения заряда в СИ — кулон — электрический заряд, проходящий через поперечное сечение проводника при силе тока 1 А за время 1 с. Заряд в один кулон очень велик. Если бы два носителя заряда (q1 = q2 = 1 Кл) расположили в вакууме на расстоянии 1 м, то они взаимодействовали бы с силой 9×109 H.

Закон сохранения электрического заряда гласит, что алгебраическая сумма зарядов электрически замкнутой системы сохраняется.

Закон сохранения заряда выполняется абсолютно точно. На данный момент его происхождение объясняют следствием принципа калибровочной инвариантности.

3 Элементарные частицы

3.1 Фермионы

Фермион — по современным научным представлениям: элементарные частицы, из которых складывается вещество. К фермионам относят кварки, электрон, мюон, тау-лептон, нейтрино. В физике — частица (или квазичастица) с полуцелым значением спина. Своё название получили в честь физика Энрико Ферми.

Примеры фермионов: кварки (они формируют протоны и нейтроны, которые также являются фермионами), лептоны (электроны, мюоны, тау-лептоны, нейтрино), дырки (квазичастицы в полупроводнике)[16].

3.2 Лептоны

Лептоны (греч. λεπτός — лёгкий) — фундаментальные частицы с полуцелым спином, не участвующие в сильном взаимодействии. Наряду с кварками и калибровочными бозонами, лептоны составляют неотъемлемую часть Стандартной модели.

3.2.1 Свойства

Все лептоны являются фермионами, то есть их спин равен 1/2. Лептоны вместе с кварками (которые участвуют во всех четырёх взаимодействиях, включая сильное) составляют класс фундаментальных фермионов — частиц, из которых состоит вещество и у которых, насколько это известно, отсутствует внутренняя структура.

Несмотря на то, что до сих пор никаких экспериментальных указаний на неточечную структуру лептонов не обнаружено, делаются попытки построить теории, в которых лептоны (и другая группа фундаментальных фермионов — кварки) были бы составными объектами. Рабочее название для гипотетических частиц, составляющих кварки и лептоны, — преоны.

3.2.2 Поколения лептонов

Существует три поколения лептонов:

первое поколение: электрон, электронное нейтрино

второе поколение: мюон, мюонное нейтрино

третье поколение: тау-лептон, тау-нейтрино

(плюс соответствующие античастицы). Таким образом, в каждое поколение входит отрицательно заряженный (с зарядом −1e) лептон, положительно заряженный (с зарядом +1e) антилептон и нейтральные нейтрино и антинейтрино. Все они обладают ненулевой массой, хотя масса нейтрино весьма мала по сравнению с массами других элементарных частиц (менее 1 электронвольта для электронного нейтрино)[11].

3.3 Кварки

Кварк — фундаментальная частица в Стандартной модели, обладающая электрическим зарядом, кратным e/3, и не наблюдающаяся в свободном состоянии. Кварки являются точечными частицами вплоть до масштаба примерно 0,5×10−19 м, что примерно в 20 тысяч раз меньше размера протона. Из кварков состоят адроны, в частности, протон и нейтрон. В настоящее время известно 6 разных «сортов» (чаще говорят — «ароматов») кварков. Кроме того, для калибровочного описания сильного взаимодействия постулируется, что кварки обладают и дополнительной внутренней характеристикой, называемой «цвет». Каждому кварку соответствует антикварк с противоположными квантовыми числами.

Гипотеза о том, что адроны построены из специфических субъединиц, была впервые выдвинута М. Гелл-Манном и, независимо от него, Дж. Цвейгом в 1964 году.

В силу неизвестных пока причин, кварки естественным образом группируются в три так называемые поколения. В каждом поколении один кварк обладает зарядом +2/3, а другой — −1/3. Подразделение на поколения распространяется также и на лептоны.

Кварки участвуют в сильных, слабых и электромагнитных взаимодействиях. Сильные взаимодействия (обмен глюоном) могут изменять цвет кварка, но не меняют его аромат. Слабые взаимодействия, наоборот, не меняют цвет, но могут менять аромат. Необычные свойства сильного взаимодействия приводят к тому, что одиночный кварк не может удалиться на какое-либо заметное расстояние от других кварков, а значит, кварки не могут наблюдаться в свободном виде (явление, получившее название конфайнмент). Разлететься могут лишь «бесцветные» комбинации кварков — адроны.

3.3.1 Открытые вопросы

В отношении кварков остаются вопросы, на которые пока нет ответа:

почему ровно три цвета?

почему ровно три поколения кварков?

случайно ли совпадение числа цветов и числа поколений?

случайно ли совпадение этого числа с размерностью пространства в нашем мире?

откуда берётся такой разброс в массах кварков?

из чего состоят кварки?[10]

Впрочем, история с адронами и кварками, а также симметрия между кварками и лептонами, наводит на подозрение, что кварки могут сами состоять из чего-то более простого. Рабочее название для гипотетических частиц-составляющих кварков — преоны. С точки зрения данных экспериментов, до сих пор никаких подозрений на неточечную структуру кварков не возникало. Однако попытки построить такие теории делаются независимо от экспериментов. Серьёзных успехов в этом направлении пока нет.

Другой подход состоит в построении теории Великого объединения. Польза от такой теории была бы не только в объединении сильного и электрослабого взаимодействий, но и в едином описании лептонов и кварков. Несмотря на активные усилия, построить такую теорию также пока не удалось.

3.4 Адроны

Адроны (от др.-греч. ἁδρός «крупный», «массивный»; термин предложен советским физиком Л. Б. Окунем в 1962 году, при переходе от модели Сакаты сильно взаимодействующих частиц к кварковой теории) — класс элементарных частиц, подверженных сильному взаимодействию. Адроны обладают сохраняющимися в процессах сильного взаимодействия квантовыми числами (странностью, очарованием, прелестью и др.)[5].

Адроны делятся на две основные группы в соответствии с их кварковым составом:

Барионы — состоят из трёх кварков трёх цветов, образуя так называемую бесцветную комбинацию. Именно из барионов построена подавляющая часть наблюдаемого нами вещества — это нуклоны, составляющие ядро атома и представленные протоном и нейтроном. К барионам относятся также многочисленные гипероны — более тяжёлые и нестабильные частицы, получаемые на ускорителях элементарных частиц.

Мезоны — состоят из одного кварка и одного антикварка. К мезонам относятся пионы (π-мезоны) и каоны (K-мезоны) и многие более тяжёлые мезоны.

В последнее время были обнаружены так называемые экзотические адроны, которые также являются сильновзаимодействующими частицами, но которые не укладываются в рамки кварк-антикварковой или трёхкварковой классификации адронов.

Экзотические адроны делятся на:

экзотические барионы, в частности пентакварки, минимальный кварковый состав которых — 4 кварка и 1 антикварк.

экзотические мезоны — в частности адронные молекулы, глюболы и гибридные мезоны.

3.4.1 Мезоны

Мезо́н (от др.-греч. μέσος — средний) — бозон сильного взаимодействия. В Стандартной модели, мезоны — это составные (не-элементарные) частицы, состоящие из чётного числа кварков и антикварков. К мезонам относятся пионы (π-мезоны), каоны (K-мезоны) и многие другие более тяжёлые мезоны. Первоначально мезоны были предсказаны как частицы, переносящие силы, которые связывают протоны и нейтроны.

Бо́льшая часть массы мезона происходит из энергии связи, а не из суммы масс составляющих его частиц[13].

Все мезоны нестабильны.

3.4.2 Барионы

Барионы (от греч. βαρύς — тяжёлый) — семейство элементарных частиц, сильно взаимодействующие фермионы, состоящие из трёх кварков (предполагается, но не доказано существование барионов из 5 и большего числа кварков). Барионы вместе с мезонами составляют группу элементарных частиц, участвующих в сильном взаимодействии и называемых адронами.

К основным барионам относятся: протон, нейтрон, лямбда-гиперон, сигма-гиперон, кси-гиперон, омега-гиперон. Масса омега-гиперона (3278 масс электрона) почти в 1,8 раз больше массы протона[7].

3.4.2.1 Классификация барионов

Наиболее стабильными барионами являются протон и нейтрон (вместе они составляют группу нуклонов). Первый из них, насколько это сегодня известно, абсолютно стабилен, второй испытывает бета-распад с временем жизни, близким к 1000 с. Более тяжёлые барионы распадаются за время от 10−23 до 10−10 с.

Нуклоны имеют кварковый состав uud (протон) и udd (нейтрон). Их спин равен 1/2, странность нулевая. Масса близка к 940 МэВ. Вместе со своими короткоживущими возбуждёнными состояниями нуклоны относятся к группе N-барионов.

Барионы, содержащие как минимум один странный кварк (но не содержащие более тяжёлых кварков), называются гиперонами.

В семействе барионов, кроме нуклонов, выделяют группы Δ-, Λ-, Σ-, Ξ- и Ω-барионов.

Δ-барионы (Δ++, Δ+, Δ0, Δ−), как и нуклоны, состоят из u- и d-кварков, но, в отличие от нуклонов, их спин равен 3/2. Распадаются они главным образом на нуклон и пион. Время жизни Δ-барионов близко к 10−23 с.

Λ-барионы (Λ0) — нейтральные частицы со спином 1/2 и странностью −1, состоящие из u-, d- и s-кварка. Масса 1117 МэВ. Распадаются преимущественно на протон и отрицательный пион или на нейтрон и нейтральный пион с временем жизни 2,6×10−10 с. Открыты также тяжёлые Λ-барионы (Λ+c и Λ0b), в которых странный кварк заменён очарованным (c-кварком) или прелестным (b-кварком).

Σ-барионы (Σ+, Σ0, Σ−) имеют спин 1/2, странность −1. Как и Λ-барион, состоят из u-, d- и s-кварка, но триплетны по изоспину (I=1). Нейтральный Σ0-барион имеет тот же кварковый состав, что и Λ0-барион (uds), но тяжелее, в связи с этим он очень быстро распадается в Λ0 с вылетом фотона (время жизни составляет лишь 6×10−20 с, поскольку распад происходит за счёт электромагнитного взаимодействия). Σ+ (uus) и Σ− (dds) распадаются за примерно 10−10 с на пион и нуклон. Следует отметить, что Σ+ и Σ− не являются частицей и античастицей — это самостоятельные частицы, каждая из них (как, кстати, и Σ0) имеет свою античастицу. Массы Σ-гиперонов составляют около 1200 МэВ. Обнаружены также тяжёлые Σ-барионы, не являющиеся гиперонами (то есть содержащие вместо s-кварка более тяжёлый кварк).

Ξ-барионы (Ξ0 и Ξ−) имеют спин 1/2, странность −2. Они содержат по два странных кварка; кварковый состав uss (Ξ0) и dss (Ξ−). Их масса близка к 1,3 ГэВ. Распадаются на пион и Λ0-гиперон. Существуют тяжёлые Ξ-барионы, не являющиеся гиперонами (один из странных кварков заменен c- или b-кварком).

Ω-барионы (существует лишь один тип этих частиц, Ω−-гиперон) имеют спин 3/2 и странность −3, состоят из 3 странных кварков (sss). Масса частицы 1,672 ГэВ. Преимущественные моды распада — на Λ0-гиперон и отрицательный каон или на Ξ0 и отрицательный пион. Открыты некоторые тяжёлые Ω-барионы, отличающиеся заменой одного из s-кварков на тяжёлый кварк.

Существует также широкий спектр короткоживущих возбуждённых состояний этих барионов.

Большинство лёгких барионов в основном состоянии распадаются за счёт слабого взаимодействия, поэтому их время жизни относительно велико (исключение составляет, как было отмечено выше, Σ0-гиперон).

Лёгкие барионы (гипероны, Δ-барионы и нуклоны) в зависимости от спина входят в состав одного из двух мультиплетов: декуплета со спином 3/2 (Δ-барионы, Ω-гипероны и возбуждённые состояния Σ- и Ξ-гиперонов) и октета со спином 1/2 (нуклоны, Σ-, Λ- и Ξ-гипероны).

3.5 Бозоны

Бозон (от фамилии физика Бозе) — частица с целым значением спина. Бозоны, в отличие от фермионов, подчиняются статистике Бозе — Эйнштейна, которая допускает, чтобы в одном квантовом состоянии могло находиться неограниченное количество одинаковых частиц. Системы из многих бозонов описываются симметричными относительно перестановок частиц волновыми функциями.

Различают элементарные бозоны и составные.

Элементарные бозоны являются квантами калибровочных полей, при помощи которых осуществляется взаимодействие элементарных фермионов (лептонов и кварков) в Стандартной модели. К таким калибровочным бозонам относят:

фотон (электромагнитное взаимодействие),

глюон (сильное взаимодействие)

W± и Z-бозоны (слабое взаимодействие).

Кроме этого, к элементарным бозонам относят не обнаруженные до настоящего времени гравитон (гравитационное взаимодействие) и бозон Хиггса, ответственный за механизм появления масс в электрослабой теории.

Все элементарные бозоны, за исключением W± - бозонов, являются незаряженными. W+ и W− бозоны по отношению друг к другу выступают как античастицы. Калибровочные бозоны (фотон, глюон, W± и Z-бозоны) имеет единичный спин. Гипотетический гравитон - спин 2, и бозон Хиггса - спин 0.

К составным бозонам относят многочисленные двухкварковые связанные состояния, называемые мезонами. Как и у любых бозонов, спин мезонов является целочисленным, и его значение, в принципе, не ограничено (0,1,2,3,...). Другими примерами бозонов являются ядра, содержащие чётное количество нуклонов (протонов и нейтронов)[8]. Обощенную классификацию частиц см. ПРИЛОЖЕНИЕ Е. Часицы и их характеристики см. ПРИЛОЖЕНИЕ Ж.

4 Стандартная модель

Стандартная модель — теоретическая конструкция в физике элементарных частиц, описывающая электромагнитное, слабое и сильное взаимодействие всех элементарных частиц. Стандартная модель не включает в себя гравитацию.

Стандартная модель состоит из следующих положений:

Всё вещество состоит из 24 фундаментальных частиц-фермионов: 6 лептонов (электрон, мюон, тау-лептон, электронное нейтрино, мюонное нейтрино и тау-нейтрино), 6 кварков (u, d, s, c, b, t) и 12 соответствующих им античастиц, которые можно объединить в три поколения фермионов.

Кварки участвуют в сильных, слабых и электромагнитных взаимодействиях; заряжённые лептоны (электрон, мюон, тау-лептон) — в слабых и электромагнитных; нейтрино — только в слабых взаимодействиях.

Все три типа взаимодействий возникают как следствие постулата, что наш мир симметричен относительно трёх типов калибровочных преобразований. Частицами-переносчиками взаимодействий являются:

8 глюонов для сильного взаимодействия (группа симметрии SU(3));

3 тяжёлых калибровочных бозона (W+, W−, Z0) для слабого взаимодействия (группа симметрии SU(2));

один фотон для электромагнитного взаимодействия (группа симметрии U(1)).

В отличие от электромагнитного и сильного, слабое взаимодействие может смешивать фермионы из разных поколений, что приводит к нестабильности всех частиц, за исключением легчайших, и к таким эффектам, как нарушение CP-инвариантности и нейтринные осцилляции[15].

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

В результате работы была получена достаточно полная классификация элементарных частиц и их характеристика.

В классификации частиц были выделены три больших класса частиц: бозоны, фермионы, адроны. При этом адроны заслуживают отдельного внимания, поскольку они включают в себя, как и фермионы, так и некоторые бозоны.

Так же в работе присутствует и более мелкое дробление на классы. Объединение в более мелкие классы частиц довольно логичное и понятное. Например, лептоны, называемые иначе лёгкими частицами, их масса весьма мала по сравнению с другими частицами. Но тау-лептон является тяжёлой частицей, по сравнению с ними, он всё равно относится к этому классу. Поэтому для классификации частицы нельзя судить о ней только по массе. Основными признаками, по которым частицы относятся к классам, являются масса, их спин и некоторым другим признакам.

Характеристика частиц представлена достаточно поной таблицей, отражающей почти все характеристики частиц. Некоторые данные для таблицы было найти крайне сложно. Русскоязычные источники часто были не достаточно полными и мне приходилось обращаться уже к англоязычным материалам. Пожалуй, самым трудным был поиск информации о квантовых числах частиц. В начале, здесь так же сказывался ещё очень не глубокий уровень познания физики элементарных частиц. Ближе к концу работы, зная кварковый состав частицы, я уже мог сам определить её странность, прелесть, очарование и истинность. К слову об истинности частиц, мною была найдена лишь одна частица (не считая t-кварка) истинность, которой была не нулевой. А именно истинная лямбда. Это связанно с очень коротким временем жизни t-кварка. Проблема истинности частиц до сих пор вызывает много споров.

Третьим из результатов моей работы является база данных Access по всем тем частицам, которые представлены в таблице. Она позволяет быстро сделать запрос о любой частице и получить все её характеристики в более наглядном и удобном виде.

Так же в процессе работы я столкнулся с таким видом частиц, как каскады. Они мало чем похожи на обычные частицы, у них нет даже времени жизни. В моей работе приведёна лишь одна такая частица – каскад-b. Увы, невозможно охватить всё многообразие частиц в одной работе, поскольку сейчас открыто много тысяч частиц разных классов, мной освещена лишь их малая часть.

Вообще тема моей работы крайне сложна и очень жаль, что я не могу провести какие-либо практические опыты. Ведь серьёзно не может же ученик десятого класса получить возможность работать с каким бы то ни было колайдером или чем-то вреде этого, даже с помощь и поддержкой со стороны. Меня просто не допустят до работы с таким сложным оборудованием, не говоря уже о возможности работы, и поэтому мне приходится работать исключительно с теоретическими материалами. Так же математика, заложенная в физике элементарных частиц, очень сложна для школьного уровня и поэтому недостаток развитости математического аппарата оставляет свой след.

В целом я очень доволен такой возможность поработать на эту тему. Я получил большое удовольствие в процессе и надеюсь, что теперь смогу предоставить свою работу некоторой аудитории.

 

СПИСОК ИСПОЛЬЗУЕМЫХ ИСТОЧНИКОВ

1. Л. Валантэн «Субатомная физика», М.: Мир, 1986.
2. Ландау, Л. Д., Лифшиц, Е. М. Теория поля — Издание 7-е, исправленное. — М.: Наука, 1988. — 512 с. — («Теоретическая физика», том II). — ISBN 5-02-014420-7., § 9. Энергия и импульс.
3. И.М. Капитонов «Введение в физику ядра и элементарных частиц», М.: УРСС, 1979.
4. Г. Фраунфельдер, Э. Хенли «Субатомная физика», М.: Мир, 2002.
5. http://ru.wikipedia.org/wiki/Адроны
6. http://ru.wikipedia.org/wiki/Аромат_(физика)
7. http://ru.wikipedia.org/wiki/Барион
8. http://ru.wikipedia.org/wiki/Бозон
9. http://ru.wikipedia.org/wiki/Время_жизни_квантовомеханической_системы
10. http://ru.wikipedia.org/wiki/Кварки
11. http://ru.wikipedia.org/wiki/Лептоны
12. http://ru.wikipedia.org/wiki/Масса
13. http://ru.wikipedia.org/wiki/Мезон
14. http://ru.wikipedia.org/wiki/Спин
15. http://ru.wikipedia.org/wiki/Стандартная_модель
16. http://ru.wikipedia.org/wiki/Фермионы
17. http://ru.wikipedia.org/wiki/ФЭЧ
18. http://ru.wikipedia.org/wiki/Электрон

 

ПРИЛОЖЕНИЕ А

Изотопический спин

Изотопи́ческий спин (изоспи́н) — одна из внутренних характеристик (квантовое число), определяющая число зарядовых состояний адронов. В частности, протон и нейтрон (общее наименование этих элементарных частиц — нуклоны) различаются значением проекции изоспина, тогда как абсолютные значения их изоспина одинаковы.

С точки зрения сильного взаимодействия, протон и нейтрон являются одинаковыми частицами, а многие другие свойства у них также близки. Поэтому была разработана модель, по которой любой нуклон обладает изотопическим спином, равным 1/2, у которого есть две возможные «проекции» в особом изотопическом пространстве. Когда проекция изотопического спина Iz равна +1/2, то нуклон становится протоном, а когда −1/2 — нейтроном. (Это соглашение о знаках принято в физике элементарных частиц; в ядерной физике для оси z изотопического пространства иногда выбирают противоположное направление, чтобы проекция изоспина нейтрона была равна +1/2 и суммарная проекция изоспина у большинства ядер была положительной).

Такое поведение изотопического спина выглядит естественным с точки зрения квантовой механики, поскольку в ней уже есть квантовое число с аналогичными свойствами — спин. По аналогии с этим названием и был введён термин «изотопический спин».

 

ПРИЛОЖЕНИЕ Б

Реальность кварков

Из-за непривычного свойства сильного взаимодействия — конфайнмента — часто неспециалистами задаётся вопрос: а откуда мы уверены, что кварки существуют, если их никто никогда не увидит в свободном виде? Может, они — лишь математическая абстракция, и протон вовсе не состоит из них?

Причины того, что кварки считаются реально существующими объектами, таковы:

Во-первых, в 1960-х годах стало ясно, что все многочисленные адроны подчиняются более-менее простой классификации: сами собой объединяются в мультиплеты и супермультиплеты. Иными словами, при описании всех этих мультиплетов требуется очень небольшое число свободных параметров. То есть, все адроны обладают небольшим числом степеней свободы: все барионы с одинаковым спином обладают тремя степенями свободы, а все мезоны — двумя. Первоначально гипотеза кварков как раз и заключалась в этом наблюдении, и слово «кварк», по сути, было краткой формой фразы «субадронная степень свободы».

Далее, при учёте спина оказалось, что каждой такой степени свободы можно приписать спин ½ и, кроме того, каждой паре кварков можно приписать орбитальный момент — словно они и есть частицы, которые могут вращаться друг относительно друга. Из этого предположения возникло стройное объяснение и всему разнообразию спинов адронов, а также их магнитных моментов.

Более того, с открытием новых частиц выяснилось, что никаких модификаций теории не требуется: каждый новый адрон удачно вписывался в кварковую конструкцию без каких-либо её перестроек (если не считать добавления новых кварков).

Как проверить, что заряд у кварков действительно дробный? Кварковая модель предсказывала, что при аннигиляции высокоэнергетических электрона и позитрона будут рождаться не сами адроны, а сначала пары кварк-антикварк, которые потом уже превращаются в адроны. Результат расчёта течения такого процесса напрямую зависел от того, каков заряд рождённых кварков. Эксперимент полностью подтвердил эти предсказания.

С наступлением эры ускорителей высокой энергии стало возможным изучать распределение импульса внутри, например, протона. Выяснилось, что импульс в протоне не распределён равномерно по нему, а частями сосредоточен в отдельных степенях свободы. Эти степени свободы назвали партонами (от англ. part — часть). Более того, оказалось, что партоны, в первом приближении, обладают спином ½ и теми же зарядами, что и кварки. С ростом энергии оказалось, что количество партонов растёт, но такой результат и ожидался в кварковой модели при сверхвысоких энергиях.

С повышением энергии ускорителей стало возможным также попытаться выбить отдельный кварк из адрона в высокоэнергетическом столкновении. Кварковая теория давала чёткие предсказания, как должны были выглядеть результаты таких столкновений — в виде струй. Такие струи действительно наблюдались в эксперименте. Заметим, что если бы протон ни из чего не состоял, то струй бы заведомо не было.

При высокоэнергетических столкновениях адронов вероятность того, что адроны рассеются на некоторый угол без разрушения, уменьшается с ростом величины угла. Теория предсказывает, что скорость этого уменьшения зависит от числа кварков, из которых состоит адрон. Эксперименты подтвердили, что, например, для протона скорость получается точно такая, какая ожидается для объекта, состоящего из трёх кварков. Аналогичное согласие наблюдается и для других адронов.

В целом, можно сказать, что гипотеза кварков и всё, что из неё вытекает, является наиболее консервативной гипотезой относительно строения адронов, которая способна объяснить имеющиеся экспериментальные данные. Попытки обойтись без кварков наталкиваются на трудности с описанием всех тех многочисленных экспериментов, которые очень естественно описывались в кварковой модели.

 

ПРИЛОЖЕНИЕ В

Иллюстрации

Стандартная модель

Кварковое строение протона

Кварковое строение нейтрона

 

ПРИЛОЖЕНИЕ Г

Классификация частиц по массе

Классификация частиц по времени жизни

Классификация частиц по спину

Классификация частиц по участию во взаимодействиях

 

ПРИЛОЖЕНИЕ Д

Частицы открытые на 2000 г.

 

ПРИЛОЖЕНИЕ Е

Обобщенная классификация частиц