Фундаментальные взаимодействия и элементарные частицы.

Фундаментальные взаимодействия и элементарные
частицы.
В природе существует четыре типа фундаментальных взаимодействий: сильное, слабое,
электромагнитное и гравитационное. Притяжение электрона к ядру – пример
электромагнитного взаимодействия, взаимное притяжение кварков (частиц, из которых
состоят протоны и нейтроны) – пример сильного взаимодействия. Бета-распад – пример
слабого взаимодействия. Четвертое фундаментальное взаимодействие - гравитационное,
притягивающее все частицы друг к другу. Фундаментальные взаимодействия
описываются соответствующими силовыми полями. Возбуждения этих полей
представляют собой частицы, которые называют фундаментальными бозонами.
Электромагнитному полю отвечает фотон γ, сильному – глюон (или 8 глюонов с учетом
цвета), слабому – три промежуточных бозона- W+,W-,Z0, гравитационному – гравитон.
Существование всех промежуточных бозонов (кроме гравитона) экспериментально
доказано.
Все частицы, которые входят в состав атома или были обнаружены в космических лучах, а
также частицы, полученные на ускорителях элементарных частиц, делятся на две группы:
адроны и лептоны.
Адроны способны к сильному взаимодействию, лептоны же не участвуют в сильном
взаимодействии.
АДРОНЫ И КВАРКИ
Абсолютно все адроны можно построить из кварков. Кварков всего 6 (и 6 антикварков).
Ква́рк — 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, свойства которых даны в таблице. 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.
Свойства кварков
Символ
d
u
s
c
b
t
Название
Заряд
Масса
рус.
англ.
Первое поколение
нижний
down
−1/3
~ 5 МэВ/c²
2
верхний
up
+ /3
~ 3 МэВ/c²
Второе поколение
странный
strange
−1/3 95 ± 25 МэВ/c²
очарованный charm (charmed) +2/3
1,8 ГэВ/c²
Третье поколение
прелестный beauty (bottom) −1/3
4,5 ГэВ/c²
2
истинный
truth (top)
+ /3
171 ГэВ/c²
Кварки естественным образом группируются в три так называемые поколения (они так и
представлены в таблице). В каждом поколении один кварк обладает зарядом +2/3, а
другой — −1/3.
Кроме 6 кварков, имеется еще 6 антикварков т.е. всего 12 строительных кирпичиков для
построения адронов.
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.
ЛЕПТОНЫ.
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. Их тоже 6).
Следовательно, лептонов всего 12, как и кварков.
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).
Название
Заряд
Масса
Первое поколение
e−
Электрон
νe Электронное нейтрино
−1
0,510998910(13) МэВ/c²
0
< 2 эВ/c²
Второе поколение
μ−
Мюон
−1
105,6583668(38) МэВ/c²
νμ
Мюонное нейтрино
0
< 0,19 МэВ/c²
Третье поколение
τ−
Тау-лептон
−1
1776,84(17) МэВ/c²
ντ
Тау-нейтрино
0
< 18,2 МэВ/c²
Итак, имеется 12 кварков, 12 лептонов и частицы, осуществляюшие
взаимодействия: фотон γ,
глюон (или 8 глюонов с учетом цвета),
три промежуточных бозона- W+,W-,Z0 и
гравитон.