Атомное ядро Атомное ядро — центральная часть атома, в которой сосредоточена основная его масса (более 99,9 %). Ядро заряжено положительно, заряд ядра определяет химический элемент, к которому относят атом. Размеры ядер различных атомов составляют несколько фемтометров, что в более чем в 10 тысяч раз меньше размеров самого атома. • Атомное ядро состоит из нуклонов — положительно заряженных протонов и нейтральных нейтронов, которые связаны между собой при помощи сильного взаимодействия. • Протон (от др.-греч. πρῶτος — первый, основной) — относится к барионам, имеет спин 1/2, электрический заряд +1 (в единицах элементарного электрического заряда). • Масса протона, выраженная в разных единицах, составляет (В скобках указана погрешность величины в единицах последней значимой цифры, одно стандартное отклонение): ▫ ▫ ▫ ▫ 938,272 046(21) МэВ; 1,007 276 466 812(90) а. е. м. 1,672 621 777(74)·10−27 кг; 1836,152 672 1(14) массы электрона. • Стабилен (нижнее ограничение на время жизни — 2,9·1029 лет независимо от канала распада, 1,6·1033 лет для распада в позитрон и нейтральный пион). • Нейтрон (от лат. от латинского корня neutral и суффикса on) —частица, не имеющая электрического заряда. Нейтрон является фермионом и принадлежит к классу барионов. • Открытие нейтрона (1932) принадлежит физику Дж. Чедвику, за это открытие он получил Нобелевскую премию по физике в 1935 году. • Масса (примерно на 0,1378 % больше, чем масса протона): ▫ ▫ ▫ ▫ 939,565378(21) МэВ; 1,00866491600(43) а. е. м.; 1,674927351(74)·10−27 кг; 1838,6836601(16) массы электрона • Спин: 1/2 (фермион). • Время жизни в свободном состоянии: 880.1 ± 1.1 секунды (около 15 мин.) (период полураспада — 611 секунд). • Магнитный момент: −1,91304272(45) ядерного магнетона • Протон состоит из трёх кварков (один d-кварк и два uкварка). • Протоны, нейтроны и другие частицы, которых довольно много, потому что можно по-разному комбинировать сорта кварков, называются “барионы”. • Считается надёжно установленным, что нейтрон является связанным состоянием трёх кварков: одного «верхнего» (u) и двух «нижних» (d) кварков • Барионы (от греч. βαρύς — тяжёлый) — семейство элементарных частиц, сильно взаимодействующие фермионы, состоящие из трёх кварков. • Барионы вместе с мезонами (последние состоят из двух кварков) составляют группу элементарных частиц, участвующих в сильном взаимодействии и называемых адронами. • • • • • • 1 нанометр - 10-6 м 1 ангстрем (1 Å) - 10-10 м. 1 пикометр - 10-12 м 1 фемтометр - 10-15 м 1 ангстрем – 100 пикометров 1 нанометр 10 ангстрем Стандартная модель Стандартная модель — теоретическая конструкция в физике элементарных частиц, описывающая электромагнитное, слабое и сильное взаимодействие всех элементарных частиц. Стандартная модель не является теорией всего, так как не описывает тёмную материю, тёмную энергию и не включает в себя гравитацию. • Под элементарными подразумевают такие частицы, которым нельзя приписать внутренней структуры. Например, α-частица не является элементарной, так как она состоит из двух протонов и двух нейтронов. • Основными характеристиками физических свойств элементарных частиц являются их масса, спин, электрический заряд, магнитный момент частицы, время жизни частицы. • Большинство элементарных частиц нестабильно (имеют малое среднее время жизни), в свободном состоянии стабильны только протон, электрон и частицы, не имеющие массы покоя (всегда в движении) – фотон, нейтрино. Стандартная модель состоит из следующих положений: Всё вещество состоит из 24 фундаментальных квантовых полей спина ½, квантами которых являются фундаментальные частицы-фермионы, которые можно объединить в три поколения фермионов: ▫ 6 лептонов (электрон, мюон, тау-лептон, электронное нейтрино, мюонное нейтрино и тау-нейтрино), ▫ 6 кварков (u, d, s, c, b, t) ▫ 12 соответствующих им античастиц. Предполагается, что каждой частице соответствует античастица. • Фермион — частицы с полуцелым значением спина. Своё название получили в честь физика Энрико Ферми 6 лептонов • • • • • • электрон мюон тау-лептон электронное нейтрино мюонное нейтрино тау-нейтрино 6 кварков (u, d, c, s, t, b) • Кварк — фундаментальная частица, 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. • Слово «кварк» было заимствовано Гелл-Манном из романа Дж. Джойса «Поминки по Финнегану», где в одном из эпизодов звучит фраза «Three quarks for Muster Mark!» (обычно переводится как «Три кварка для Мастера/Мюстера Марка!»). Само слово «quark» в этой фразе предположительно является звукоподражанием крику морских птиц. Есть другая версия (выдвинутая Р. Якобсоном), согласно которой Джойс усвоил это слово из немецкого во время своего пребывания в Вене. В немецком слово Quark имеет два значения: 1) творог, 2) чепуха. В немецкий же данное слово попало из западнославянских языков (чеш. tvaroh, польск. twaróg — «творог»). • Гелл-Ман, читал лекцию по теории кварков в Академии наук. Во время обсуждения академик Зельдович спросил его: - А есть ли вообще кварки в природе? -Who knows (кто знает?) – ответил Гелл-Ман. -Тогда почему вы ими занимаетесь? -Why not? • • • • Фундаментальных взаимодействий четыре. 1. Гравитация. Переносчик безмассовый гравитон 2. Слабые взаимодействия (радиус действия 10-18м). Переносчик W и Z бозоны 3. Электромагнитные взаимодействия Переносчик безмассовый фотон 4. Сильные взаимодействия (радиус действия 10-15м). Переносчик 8 безмассовых глюонов • Кварки участвуют в сильных, слабых и электромагнитных взаимодействиях; • Заряжённые лептоны (электрон, мюон, тау-лептон) — в слабых и электромагнитных; • Нейтрино — только в слабых взаимодействиях. Частицами-переносчиками взаимодействий являются бозоны: • один фотон для электромагнитного взаимодействия (группа симметрии. • 3 тяжёлых калибровочных бозона (W+, W−, Z0) для слабого взаимодействия; • 8 глюонов для сильного взаимодействия; Все знают, что птичка садится на провод, в проводе 500 киловольт, ей ничего не будет. Вот если птичка растянется и одной лапкой возьмётся за один провод, а другой лапкой — за другой, вот тут будет нехорошо. Почему? Потому что, сам электрический потенциал U(x,y,z) не наблюдаем. Наблюдаема напряжённость электрического поля E. Напряжённость — это градиент потенциала. Иначе говоря, скорость изменения потенциала по оси x, y, z — это и называется градиент, и напряжённость электрического поля — это есть изменение потенциала. Этот принцип — что наблюдаемо не само значение электрического потенциала, а только его изменение в пространстве и времени — был открыт еще в ХIХ веке. А в квантовой теории в современном виде это было сформулировано нашим замечательным учёным В.А. Фоком в 1926 году. Он понял, что есть такой принцип в природе, который он назвал “градиентной инвариантностью”. В книге Ландау и Лифшица тоже называется по Фоку “градиентная инвариантность”. Но сейчас, поскольку все пишут по-английски, это понятие называется “gauge invariance”, по-русски переводится как “калибровочная инвариантность”. “Gauge” — слово не очень употребительное даже в английском языке, мы переводим как калибровка, калибр, но первоначально словом gauge обозначалось расстояние между рельсами. Бозон (от фамилии физика Бозе) — частица с целым значением спина. Термин был предложен физиком Полем Дираком. 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 бозон Хиггса, ответственный за механизм появления масс в электрослабой теории и не обнаруженный до настоящего времени гравитон (гравитационное взаимодействие). Глюоны (англ. gluon от glue — клей) — элементарные частицы, являющиеся причиной взаимодействия кварков, а также косвенно ответственные за соединение протонов и нейтронов в атомном ядре. В отличие от единственного фотона или трёх W- и Z-бозонов, переносящих слабое взаимодействие, в КХД существует 8 независимых типов глюонов. Внешними параметрами стандартной модели являются: • массы лептонов (3 параметра, нейтрино принимаются безмассовыми) и кварков (6 параметров), интерпретируемые как константы взаимодействия их полей с полем бозона Хиггса, • параметры CKM-матрицы смешивания кварков — три угла смешивания и одна комплексная фаза, нарушающая CPсимметрию — константы взаимодействия кварков с электрослабым полем, • два параметра поля Хиггса, которые связаны однозначно с его вакуумным средним и массой бозона Хиггса, • три константы взаимодействия, связанные соответственно с калибровочными группами U(1), SU(2) и SU(3), и характеризующие относительные интенсивности электромагнитного, слабого и сильного взаимодействий. В связи с тем, что обнаружены нейтринные осцилляции, стандартная модель нуждается в расширении, которое вводит дополнительно 3 массы нейтрино и как минимум 4 параметра PMNS-матрицы смешивания нейтрино, аналогичные CKMматрице смешивания кварков, и, возможно, ещё 2 параметра смешивания, если нейтрино являются майорановскими частицами. Также в число параметров стандартной модели иногда вводят вакуумный угол квантовой хромодинамики. По состоянию на конец XX века все предсказания Стандартной модели подтверждались экспериментально, иногда с очень высокой точностью в миллионные доли процента. Только в 2000-е годы стали появляться результаты, в которых предсказания Стандартной модели слегка расходятся с экспериментом, и даже явления, крайне трудно поддающиеся интерпретации в её рамках. С другой стороны, очевидно, что Стандартная модель не может являться последним словом в физике элементарных частиц, ибо она содержит слишком много внешних параметров, а также не включает гравитацию. Поэтому поиск отклонений от Стандартной модели— одно из самых активных направлений исследования в 2010-х годах В рамках стандартной модели в роли кирпичиков выступают кварки, а в роли носителей взаимодействия — калибровочные бозоны, которыми эти кварки обмениваются между собой. Теория струн основана на гипотезе, что все элементарные частицы и их фундаментальные взаимодействия возникают в результате колебаний и взаимодействий ультрамикроскопических квантовых струн на масштабах порядка планковской длины 10−35 м ( на 20 порядков меньше диаметра протона). Подобно гитарной струне, в такой струне могут возбуждаться, помимо основного тона, множество обертонов или гармоник. Каждой гармонике состояние. соответствует собственное энергетическое Совсем уже недавно теория струн получила дальнейшее развитие в виде теории многомерных мембран — по сути, это те же струны, но плоские. Как походя пошутил кто-то из ее авторов, мембраны отличаются от струн примерно тем же, чем лапша отличается от вермишели.