Основы физики элементарных частиц

Концепция фундаментальных неделимых частиц восходит к древним грекам (концепция, известная как «атомизм»). В 20 веке физики начали изучать происходящее на мельчайших уровнях материи, и среди их самых поразительных современных открытий было количество различных частиц во Вселенной. Квантовая физика предсказывает 18 типов элементарных частиц, 16 из которых уже обнаружены экспериментально. Физика элементарных частиц стремится найти оставшиеся частицы.

Стандартная модель

Стандартная модель физики элементарных частиц, которая классифицирует элементарные частицы. частицы на несколько групп, лежит в основе современной физики. В этой модели описаны три из четырех фундаментальных сил физики, а также калибровочные бозоны, частицы, которые являются посредниками этих сил. Хотя гравитация технически не включена в Стандартную модель, физики-теоретики работают над расширением модели, чтобы включить и предсказать квантовую теорию гравитации.

Если есть одна вещь, которая, кажется, нравится физикам элементарных частиц, – это разделение частиц на группы. Элементарные частицы – это мельчайшие составляющие вещества и энергии. Насколько ученые могут судить, похоже, что они не состоят из комбинаций каких-либо более мелких частиц.

Разложение материи и сил

Все элементарные частицы в физике классифицируются как фермионы или бозоны. Квантовая физика демонстрирует, что частицы могут иметь собственный ненулевой «спин» или угловой момент, связанный с ними.

Фермион (названный в честь Энрико Ферми) – частица с полуцелым спином, а бозон (названный в честь Сатьендра Нат Боз) – это частица с целым или целым спином. Эти вращения приводят к различным математическим приложениям в конкретных ситуациях. Простая математика сложения целых и полуцелых чисел показывает следующее:

  • Объединение нечетного числа фермионов приводит к фермиону, поскольку полный спин по-прежнему будет полуцелым значением.
  • Объединение четного числа фермионов приводит к бозону, потому что полное вращение дает целочисленное значение.

Фермионы

Фермионы имеют спин частицы, равный полуцелому значению (-1/2, 1/2, 3/2 и т. д.). Эти частицы составляют вещество, которое мы наблюдаем в нашей Вселенной. Двумя основными составляющими вещества являются кварки и лептоны. Обе эти субатомные частицы являются фермионами, поэтому все бозоны создаются из четной комбинации этих частиц.

Кварки – это класс фермионов, из которых состоят адроны, такие как протоны и нейтроны. Кварки – это фундаментальные частицы, которые взаимодействуют посредством всех четырех фундаментальных сил физики: гравитации, электромагнетизма, слабого и сильного взаимодействия. Кварки всегда существуют в комбинации, чтобы сформировать субатомные частицы, известные как адроны.. Существует шесть различных типов кварков:

  • Нижний кварк
  • Странный кварк
  • Нижний кварк
  • Верхний кварк
  • Очаровательный кварк
  • Верхний кварк

Лептоны – это тип элементарных частиц, которые не испытывают сильного взаимодействия. Существует шесть разновидностей лептонов:

  • Electron
  • Electron Neutrino
  • Мюон
  • Мюонный нейтрино
  • Тау
  • Тау-нейтрино

Каждый из трех «ароматов» лептона (электрон, мюон и тау) состоит из «слабого дублета», вышеупомянутой частицы вместе с практически безмассовой нейтральной частицей, называемой нейтрино. Таким образом, электронный лептон является слабым дублетом электрона и электронного нейтрино.

Бозоны

Бозоны имеют спин частицы, равный в целое число (например, 1, 2, 3 и т. д.). Эти частицы являются посредниками фундаментальных сил физики в рамках квантовых теорий поля.

  • Photon
  • W-бозон
  • Z-бозон
  • Глюон
  • Бозон Хиггса
  • Гравитон

Составные частицы

Адроны – это частицы, состоящие из множества связанных вместе кварков, так что их спин имеет полуцелое значение. Адроны делятся на мезоны (которые являются бозонами) и барионы (которые являются фермионами).

  • Мезоны
  • Барионы
  • Нуклоны
  • Гипероны: короткоживущие частицы, состоящие из странных кварков

Молекулы – это сложные структуры, состоящие из нескольких атомов, связанных вместе. Основной химический строительный блок материи, атомы состоят из электронов, протонов и нейтронов. Протоны и нейтроны – это нуклоны, тип барионов, которые вместе образуют составную частицу, являющуюся ядром атома. Изучение того, как атомы связываются вместе, образуя различные молекулярные структуры, является основой современной химии.

Классификация частиц

Это может В физике элементарных частиц сложно сохранить все имена прямо, поэтому было бы полезно подумать о животном мире, где такое структурированное именование могло бы быть более знакомым и интуитивно понятным. Люди – это приматы, млекопитающие, а также позвоночные. Точно так же протоны – это нуклоны, барионы, адроны, а также фермионы.

Прискорбная разница в том, что термины имеют тенденцию звучать похожими друг на друга. Например, спутать бозоны и барионы гораздо проще, чем путать приматов и беспозвоночных. Единственный способ по-настоящему разделить эти разные группы частиц – это просто внимательно изучить их и постараться быть осторожными с тем, какое имя используется.

Отредактировала Энн Мари Хелменстин, доктор философии.

Оцените статью
recture.ru
Добавить комментарий