Si quhet grimca elementare e sjelljes? Grimcat elementare dhe karakteristikat e tyre kryesore

Këto tre grimca (si dhe të tjerat e përshkruara më poshtë) tërheqin dhe sprapsin reciprokisht njëra-tjetrën sipas tyre akuzat, nga të cilat ka vetëm katër lloje sipas numrit forcat themelore natyrës. Ngarkesat mund të organizohen sipas rendit të zvogëlimit të forcave përkatëse në mënyrën e mëposhtme: ngarkesa me ngjyra (forcat e bashkëveprimit midis kuarkeve); ngarkesa elektrike (elektrike dhe forcat magnetike); ngarkesë e dobët (forca në disa procese radioaktive); së fundi, masa (forcat gravitacionale, ose ndërveprimi gravitacional). Fjala "ngjyrë" këtu nuk ka të bëjë fare me ngjyrën. dritë e dukshme; është thjesht një karakteristikë e ngarkesës më të fortë dhe forcave më të mëdha.

Akuzat vazhdojnë, d.m.th. ngarkesa që hyn në sistem e barabartë me ngarkesën duke dalë prej saj. Nëse ngarkesa totale elektrike e një numri të caktuar grimcash para bashkëveprimit të tyre është, të themi, 342 njësi, atëherë pas bashkëveprimit, pavarësisht nga rezultati i tij, do të jetë e barabartë me 342 njësi. Kjo vlen edhe për ngarkesat e tjera: ngjyra (ngarkesa e fortë ndërveprimi), e dobët dhe masa (masa). Grimcat ndryshojnë në ngarkesat e tyre: në thelb, ato "janë" këto ngarkesa. Akuzat janë, si të thuash, një "çertifikatë" e së drejtës për t'iu përgjigjur forcës përkatëse. Pra, vetëm grimcat me ngjyrë ndikohen nga forcat e ngjyrave, vetëm grimcat e ngarkuara elektrike ndikohen nga forcat elektrike etj. Përcaktohen vetitë e grimcave forca më e madhe duke vepruar mbi të. Vetëm kuarkët janë bartës të të gjitha ngarkesave dhe, për rrjedhojë, i nënshtrohen veprimit të të gjitha forcave, ndër të cilat ngjyra është mbizotëruese. Elektronet kanë të gjitha ngarkesat përveç ngjyrës, dhe forca mbizotëruese për to është forca elektromagnetike.

Më të qëndrueshmet në natyrë janë, si rregull, kombinimet neutrale të grimcave në të cilat ngarkesa e grimcave të një shenje kompensohet nga ngarkesa totale e grimcave të një shenje tjetër. Kjo korrespondon me energjinë minimale të të gjithë sistemit. (Në mënyrë të ngjashme, dy magnete me shirita vendosen në një vijë, me Poli i Veriut njëri prej tyre po përballet poli jugor një tjetër, që i përgjigjet energjisë minimale të fushës magnetike.) Graviteti është një përjashtim nga ky rregull: nuk ka masë negative. Nuk ka trupa që do të bien.

LLOJET E LËNDËS

Lënda e zakonshme formohet nga elektronet dhe kuarkët, të grupuar në objekte me ngjyrë neutrale dhe më pas në ngarkesë elektrike. Forca e ngjyrës neutralizohet, e cila do të diskutohet më në detaje më poshtë, kur grimcat kombinohen në treshe. (Prandaj vetë termi "ngjyrë", marrë nga optika: tre ngjyrat kryesore, kur përzihen, japin të bardhën.) Kështu, kuarkët, për të cilët fuqia e ngjyrës është kryesore, formojnë treshe. Por kuarkët, dhe ato ndahen në u-kuarkë (nga anglishtja lart - sipër) dhe d-kuarkët (nga anglishtja poshtë - më e ulët), ata gjithashtu kanë një ngarkesë elektrike të barabartë me u-kuark dhe për d- kuark. Dy u-kuark dhe një d-Kuarku japin një ngarkesë elektrike +1 dhe formojnë një proton, dhe një u-kuark dhe dy d-Kuarkët japin ngarkesë elektrike zero dhe formojnë një neutron.

Protonet dhe neutronet e qëndrueshme, të tërhequr nga njëri-tjetri nga forcat e mbetura të ngjyrave të ndërveprimit midis kuarkeve të tyre përbërëse, formojnë një bërthamë atomike neutrale ndaj ngjyrave. Por bërthamat mbajnë një ngarkesë elektrike pozitive dhe, duke tërhequr elektrone negative që rrotullohen rreth bërthamës si planetët që rrotullohen rreth Diellit, priren të formojnë një atom neutral. Elektronet në orbitat e tyre hiqen nga bërthama në distanca dhjetëra mijëra herë më të mëdha se rrezja e bërthamës - dëshmi se forcat elektrike që i mbajnë ato janë shumë më të dobëta se ato bërthamore. Për shkak të fuqisë së ndërveprimit të ngjyrave, 99,945% e masës së një atomi është e mbyllur në bërthamën e tij. Pesha u- dhe d-Kuarkët janë rreth 600 herë më shumë se masa e një elektroni. Prandaj, elektronet janë shumë më të lehta dhe më të lëvizshme se bërthamat. Lëvizja e tyre në materie shkakton dukuri elektrike.

Ekzistojnë disa qindra lloje natyrore të atomeve (përfshirë izotopet) që ndryshojnë në numrin e neutroneve dhe protoneve në bërthamë dhe, në përputhje me rrethanat, në numrin e elektroneve në orbita. Më i thjeshti është atomi i hidrogjenit, i përbërë nga një bërthamë në formën e një protoni dhe një elektron të vetëm që rrotullohet rreth tij. E gjithë lënda "e dukshme" në natyrë përbëhet nga atome dhe atome pjesërisht "të çmontuara", të cilat quhen jone. Jonet janë atome që, pasi kanë humbur (ose fituar) disa elektrone, janë bërë grimca të ngarkuara. Lënda, e përbërë pothuajse nga një jone, quhet plazma. Yjet që digjen për shkak të reaksioneve termonukleare që ndodhin në qendra përbëhen kryesisht nga plazma, dhe duke qenë se yjet janë forma më e zakonshme e materies në univers, mund të thuhet se i gjithë universi përbëhet kryesisht nga plazma. Më saktësisht, yjet janë kryesisht hidrogjen i gaztë plotësisht i jonizuar, d.m.th. një përzierje e protoneve dhe elektroneve individuale, dhe për këtë arsye pothuajse i gjithë universi i dukshëm përbëhet prej tij.

Kjo është një çështje e dukshme. Por ka ende materie të padukshme në Univers. Dhe ka grimca që veprojnë si bartës të forcave. Ka antigrimca dhe gjendjet e ngacmuara disa grimca. E gjithë kjo çon në një bollëk qartësisht të tepruar të grimcave "elementare". Në këtë bollëk, mund të gjendet një tregues i natyrës reale, të vërtetë të grimcave elementare dhe forcave që veprojnë ndërmjet tyre. Sipas shumicës teoritë e fundit, grimcat në thelb mund të jenë objekte gjeometrike të zgjeruara - "vargje" në hapësirën dhjetë-dimensionale.

Botë e padukshme.

Në univers nuk ka vetëm materie të dukshme (por edhe vrima të zeza dhe " materie e errët”, siç janë planetët e ftohtë që bëhen të dukshëm kur ndriçohen). Ekziston gjithashtu një materie vërtet e padukshme që përshkon të gjithë ne dhe gjithë universin çdo sekondë. Është një gaz që lëviz me shpejtësi të një lloji grimcash - neutrinot elektronike.

Neutrina elektronike është partneri i elektronit, por nuk ka ngarkesë elektrike. Neutrinot mbajnë vetëm të ashtuquajturën ngarkesë të dobët. Masa e tyre e pushimit është, sipas të gjitha gjasave, zero. Por ata ndërveprojnë me fushën gravitacionale, sepse kanë energjia kinetike E, që korrespondon me masën efektive m, sipas formulës së Ajnshtajnit E = mc 2, ku cështë shpejtësia e dritës.

Roli kryesor i neutrinës është se ai kontribuon në transformimin dhe- kuarke në d kuarke, duke rezultuar në shndërrimin e një protoni në një neutron. Neutrinoja luan rolin e "gjilpërës së karburatorit" për reaksionet termonukleare yjore, në të cilat katër protone (bërthamat e hidrogjenit) bashkohen për të formuar një bërthamë heliumi. Por meqenëse bërthama e heliumit nuk përbëhet nga katër protone, por nga dy protone dhe dy neutrone, për të tillë fuzion bërthamor duhen dy dhe-Kuarkët u kthyen në dy d- kuark. Intensiteti i transformimit përcakton se sa shpejt do të digjen yjet. Dhe procesi i transformimit përcaktohet nga ngarkesat e dobëta dhe forcat e ndërveprimit të dobët midis grimcave. Ku dhe-kuark (ngarkesa elektrike +2/3, ngarkesa e dobët +1/2), duke bashkëvepruar me një elektron (ngarkesa elektrike - 1, ngarkesa e dobët -1/2), formon d-kuarku (ngarkesa elektrike -1/3, ngarkesa e dobët -1/2) dhe neutrina e elektroneve (ngarkesa elektrike 0, ngarkesa e dobët +1/2). Ngarkesat e ngjyrave (ose thjesht ngjyrat) e dy kuarkeve anulohen në këtë proces pa neutrinën. Roli i neutrinës është të largojë ngarkesën e dobët të pakompensuar. Prandaj, shkalla e transformimit varet nga sa të dobëta janë forcat e dobëta. Nëse do të ishin më të dobët se sa janë, atëherë yjet nuk do të digjen fare. Nëse do të ishin më të fortë, atëherë yjet do të ishin djegur shumë kohë më parë.

Por çfarë ndodh me neutrinot? Meqenëse këto grimca ndërveprojnë jashtëzakonisht dobët me materiet e tjera, ato pothuajse menjëherë largohen nga yjet në të cilët kanë lindur. Të gjithë yjet shkëlqejnë, duke lëshuar neutrino, dhe neutrinot shkëlqejnë nëpër trupat tanë dhe gjithë Tokën ditë e natë. Kështu ata enden nëpër Univers, derisa të hyjnë, ndoshta, në një ndërveprim të ri të YLLIT).

Transportuesit e ndërveprimit.

Çfarë i shkakton forcat që veprojnë ndërmjet grimcave në distancë? fizika moderne përgjigjet: për shkak të shkëmbimit të grimcave të tjera. Imagjinoni dy patinatorë që hedhin një top përreth. Duke i dhënë vrull topit kur gjuan dhe merr vrull me topin e marrë, të dy marrin një shtytje në drejtim nga njëri-tjetri. Kjo mund të shpjegojë shfaqjen e forcave repulsive. Por në mekanikën kuantike, e cila merr në konsideratë fenomenet në mikrobotë, lejohet shtrirja dhe delokalizimi i pazakontë i ngjarjeve, gjë që çon, me sa duket, në të pamundurën: njëri nga patinatorët e hedh topin në drejtim. nga tjetra, por megjithatë njëra ndoshta kap këtë top. Nuk është e vështirë të imagjinohet se nëse kjo do të ishte e mundur (dhe në botën e grimcave elementare është e mundur), do të kishte tërheqje midis patinatorëve.

Grimcat, për shkak të shkëmbimit të të cilave lindin forcat e ndërveprimit midis katër "grimcave të materies" të diskutuara më sipër, quhen grimca matës. Secili nga katër ndërveprimet - i fortë, elektromagnetik, i dobët dhe gravitacional - ka grupin e vet të grimcave matës. Grimcat bartëse të forta të ndërveprimit janë gluonet (janë vetëm tetë prej tyre). Një foton është një bartës i ndërveprimit elektromagnetik (ai është një, dhe ne i perceptojmë fotonet si dritë). Grimcat-bartësit e bashkëveprimit të dobët janë bozonet vektoriale të ndërmjetme (në 1983 dhe 1984 u zbuluan W + -, W- -bozone dhe neutrale Z-bozon). Bartësi i grimcave të ndërveprimit gravitacional është ende një graviton hipotetik (duhet të jetë një). Të gjitha këto grimca, përveç fotonit dhe gravitonit, të cilat mund të udhëtojnë pafundësisht distanca të gjata, ekzistojnë vetëm në procesin e shkëmbimit ndërmjet grimcave materiale. Fotonet mbushin Universin me dritë, dhe gravitone - valët gravitacionale(nuk është gjetur ende me siguri).

Një grimcë e aftë për të emetuar grimca matës thuhet se është e rrethuar nga një fushë e përshtatshme e forcës. Kështu, elektronet të afta për të emetuar fotone janë të rrethuar nga elektrike dhe fusha magnetike, si dhe fusha të dobëta dhe gravitacionale. Kuarkët janë gjithashtu të rrethuar nga të gjitha këto fusha, por edhe nga fusha e ndërveprimit të fortë. Grimcat me ngarkesë ngjyrash në fushën e forcave të ngjyrave ndikohen nga forca e ngjyrës. E njëjta gjë vlen edhe për forcat e tjera të natyrës. Prandaj, mund të themi se bota përbëhet nga materia (grimcat materiale) dhe fusha (grimcat matës). Më shumë për këtë më poshtë.

Antimateria.

Çdo grimcë i përgjigjet një antigrimcë, me të cilën grimca mund të asgjësohet reciprokisht, d.m.th. "asgjësoj", si rezultat i të cilit lirohet energji. Megjithatë, energjia "e pastër" në vetvete nuk ekziston; si rezultat i asgjësimit, shfaqen grimca të reja (për shembull, fotone), duke e mbartur këtë energji.

Një antigrimcë në shumicën e rasteve ka veti të kundërta në lidhje me grimcën përkatëse: nëse një grimcë lëviz në të majtë nën veprimin e fushave të forta, të dobëta ose elektromagnetike, atëherë antigrimca e saj do të lëvizë në të djathtë. Me pak fjalë, antigrimca ka shenja të kundërta të të gjitha ngarkesave (përveç ngarkesës në masë). Nëse grimca është e përbërë, si, për shembull, neutroni, atëherë antigrimca e saj përbëhet nga përbërës me shenja të kundërta akuzat. Kështu, një antielektron ka një ngarkesë elektrike +1, një ngarkesë të dobët +1/2 dhe quhet pozitron. Antineutroni përbëhet nga dhe-antikuarkë me ngarkesë elektrike-2/3 dhe d-antikuarkë me ngarkesë elektrike +1/3. Grimcat vërtet neutrale janë antigrimcat e tyre: antigrimca e fotonit është fotoni.

Sipas modernes konceptet teorike, çdo grimcë duhet të ketë antigrimcën e saj. Dhe shumë antigrimca, duke përfshirë pozitronet dhe antineutronet, u morën vërtet në laborator. Pasojat e kësaj janë jashtëzakonisht të rëndësishme dhe qëndrojnë në themel të të gjithave fizika eksperimentale grimcat elementare. Sipas teorisë së relativitetit, masa dhe energjia janë ekuivalente, dhe në kushte të caktuara energjia mund të shndërrohet në masë. Meqenëse ngarkesa është e ruajtur, dhe ngarkesa e vakumit (hapësirë ​​boshe) zero, nga vakuumi, si lepujt nga kapelja e magjistarit, mund të lindë çdo palë grimca dhe antigrimca (me ngarkesë totale zero), për sa kohë që energjia është e mjaftueshme për të krijuar masën e tyre.

Gjeneratat e grimcave.

Eksperimentet në përshpejtuesit kanë treguar se katërfishi (katërfishi) i grimcave materiale përsëritet të paktën dy herë më shumë. vlera të larta masat. Në gjeneratën e dytë, vendin e elektronit e zë muoni (me një masë afërsisht 200 herë më të madhe se masa e elektronit, por me të njëjtat vlera të të gjitha ngarkesave të tjera), vendi i neutrinës së elektronit është muoni (i cili shoqëron muonin në ndërveprime të dobëta në të njëjtën mënyrë si elektroni shoqëron neutrinën elektronike), dhe-kuark zë Me- kuark ( i magjepsur), a d- kuark - s- kuark ( e çuditshme). Në gjeneratën e tretë, kuarteti përbëhet nga një tau lepton, një neutrino tau, t-kuark dhe b- kuark.

Pesha t- kuarku është rreth 500 herë më i madh se masa më e lehtë - d- kuark. Është vërtetuar eksperimentalisht se ekzistojnë vetëm tre lloje të neutrinos të lehta. Kështu, gjenerata e katërt e grimcave ose nuk ekziston fare, ose neutrinot përkatëse janë shumë të rënda. Kjo është në përputhje me të dhënat kozmologjike, sipas të cilave nuk mund të ketë më shumë se katër lloje neutrinosh të lehta.

Në eksperimentet me grimca me energji të lartë, elektroni, muoni, tau-leptoni dhe neutrinot përkatëse veprojnë si grimca të veçanta. Ata nuk mbajnë një ngarkesë me ngjyra dhe hyjnë vetëm në të dobët dhe ndërveprimet elektromagnetike. Kolektivisht quhen leptonet.

Kuarkët, nga ana tjetër, nën ndikimin e forcave të ngjyrave, kombinohen në grimca fort ndërvepruese që dominojnë shumicën e eksperimenteve në fizikën me energji të lartë. Grimcat e tilla quhen hadronet. Ato përfshijnë dy nënklasa: barionet(p.sh. proton dhe neutron), të cilat përbëhen nga tre kuarkë, dhe mezonet i përbërë nga një kuark dhe një antikuark. Në vitin 1947, mezoni i parë, i quajtur pioni (ose pi-meson), u zbulua në rrezet kozmike, dhe për ca kohë besohej se shkëmbimi i këtyre grimcave - arsyeja kryesore forcat bërthamore. Hadronet omega-minus, të zbuluara në vitin 1964 në Laboratorin Kombëtar Brookhaven (SHBA) dhe grimca j-psy ( J/y-meson), i zbuluar njëkohësisht në Brookhaven dhe në Qendrën Stanford për Përshpejtuesit Linear (gjithashtu në SHBA) në vitin 1974. Ekzistenca e grimcave omega-minus u parashikua nga M. Gell-Mann në të ashtuquajturën " SU 3-teoritë" (një emër tjetër është " rrugë e tetëfishtë”), në të cilin fillimisht u sugjerua mundësia e ekzistencës së kuarkeve (dhe ky emër iu dha atyre). Një dekadë më vonë, zbulimi i grimcës J/y konfirmoi ekzistencën Me-kuark dhe më në fund i bëri të gjithë të besonin si në modelin e kuarkut ashtu edhe në teorinë që kombinonte forcat elektromagnetike dhe të dobëta ( Shikoni më poshtë).

Grimcat e brezit të dytë dhe të tretë nuk janë më pak reale se ato të të parës. Vërtetë, pasi lindin, ato zbërthehen në të miliontat ose të miliardat e sekondës në grimca të zakonshme të gjeneratës së parë: një elektron, një neutrino elektronike dhe gjithashtu dhe- dhe d- kuarke. Pyetja se pse ka disa gjenerata të grimcave në natyrë është ende një mister.

O gjenerata të ndryshme kuarkët dhe leptonet shpesh përmenden (që, natyrisht, është disi e çuditshme) si "shije" të ndryshme të grimcave. Nevoja për t'i shpjeguar ato quhet problemi i "shijes".

BOZONET DHE FERMIONET, FUSHA DHE SUBSTANCA

Nje nga dallimet themelore midis grimcave është ndryshimi midis bozoneve dhe fermioneve. Të gjitha grimcat ndahen në këto dy klasa kryesore. Ashtu si bozonet mund të mbivendosen ose të mbivendosen, por si fermionet nuk munden. Superpozicioni ndodh (ose nuk ndodh) në gjendjet diskrete të energjisë në të cilat mekanika kuantike e ndan natyrën. Këto gjendje janë, si të thuash, qeliza të veçanta në të cilat mund të vendosen grimcat. Pra, në një qelizë mund të vendosni çdo numër bozonësh identikë, por vetëm një fermion.

Si shembull, merrni parasysh qelizat ose "gjendjet" e tilla për një elektron që rrotullohet rreth bërthamës së një atomi. Ndryshe nga planetët sistem diellor, elektron sipas ligjeve Mekanika kuantike nuk mund të aplikoni për asnjë orbitë eliptike, për të ka vetëm seri diskrete lejohen "gjendjet e lëvizjes". Komplet e gjendjeve të tilla, të grupuara sipas distancës nga elektroni në bërthamë, quhen orbitalet. Në orbitalën e parë, ka dy gjendje me momente këndore të ndryshme dhe, për rrjedhojë, dy qeliza të lejuara, dhe në orbitalet më të larta, tetë ose më shumë qeliza.

Meqenëse një elektron është një fermion, çdo qelizë mund të përmbajë vetëm një elektron. Nga kjo rrjedhin pasoja shumë të rëndësishme - e gjithë kimia, pasi vetitë kimike të substancave përcaktohen nga ndërveprimet midis atomeve përkatëse. Nëse kaloni nëpër sistemin periodik të elementeve nga një atom në tjetrin në mënyrë që të rritet numri i protoneve në bërthamë për njësi (numri i elektroneve gjithashtu do të rritet në përputhje me rrethanat), atëherë dy elektronet e para do të zënë orbitalin e parë, tetë të ardhshëm do të vendosen në të dytën, etj. Ky ndryshim i njëpasnjëshëm strukturë elektronike atomet nga elementi në element dhe rregullsitë në to vetitë kimike.

Nëse elektronet ishin bozone, atëherë të gjitha elektronet e një atomi mund të zënë të njëjtën orbitale që korrespondon me energjinë minimale. Në këtë rast, vetitë e të gjithë materies në Univers do të ishin krejtësisht të ndryshme, dhe në formën në të cilën ne e njohim atë, Universi do të ishte i pamundur.

Të gjithë leptonët - elektroni, muoni, tau-leptoni dhe neutrinoja e tyre përkatëse - janë fermione. E njëjta gjë mund të thuhet për kuarkët. Kështu, të gjitha grimcat që formojnë "materien", mbushësi kryesor i Universit, si dhe neutrinot e padukshme, janë fermione. Kjo është shumë domethënëse: fermionet nuk mund të kombinohen, kështu që e njëjta gjë vlen edhe për objektet në botën materiale.

Në të njëjtën kohë, të gjitha "grimcat matës" shkëmbehen midis grimcave materiale ndërvepruese dhe të cilat krijojnë një fushë forcash ( Shiko lart), janë bozone, që është gjithashtu shumë e rëndësishme. Kështu, për shembull, shumë fotone mund të jenë në të njëjtën gjendje, duke formuar një fushë magnetike rreth një magneti ose një fushë elektrike rreth një ngarkese elektrike. Falë kësaj, një lazer është gjithashtu i mundur.

Rrotullimi.

Dallimi midis bozoneve dhe fermioneve lidhet me një karakteristikë tjetër të grimcave elementare - mbrapa. Çuditërisht, të gjitha grimcat themelore kanë momentin e vet momenti ose, më thjesht, rrotullimi rreth boshtit të tij. Momenti këndor - karakteristik lëvizje rrotulluese, si dhe impulsi total - përkthimor. Në çdo ndërveprim, momenti këndor dhe momenti ruhen.

Në mikrokozmos, momenti këndor kuantizohet, d.m.th. merr vlera diskrete. Në njësi të përshtatshme, leptonët dhe kuarkët kanë një rrotullim të barabartë me 1/2, dhe grimcat matës kanë një rrotullim të barabartë me 1 (përveç gravitonit, i cili ende nuk është vëzhguar eksperimentalisht, por teorikisht duhet të ketë një rrotullim të barabartë me 2). Meqenëse leptonet dhe kuarkët janë fermione, dhe grimcat e matësve janë bozone, mund të supozohet se "fermioniteti" është i lidhur me spin 1/2, dhe "bosoniciteti" është i lidhur me spin 1 (ose 2). Në të vërtetë, si eksperimenti ashtu edhe teoria konfirmojnë se nëse një grimcë ka një rrotullim gjysmë të plotë, atëherë ajo është një fermion, dhe nëse është numër i plotë, atëherë është një bozon.

TEORIET DHE GJEOMETRIA E GJENDESVE

Në të gjitha rastet, forcat lindin për shkak të shkëmbimit të bozoneve midis fermioneve. Kështu, forca e ngjyrave të bashkëveprimit midis dy kuarkeve (kuarkeve - fermioneve) lind për shkak të shkëmbimit të gluoneve. Një shkëmbim i tillë ndodh vazhdimisht në protone, neutrone dhe bërthama atomike. Në të njëjtën mënyrë, fotonet e shkëmbyera ndërmjet elektroneve dhe kuarkeve krijojnë forca elektrike tërheqëse që mbajnë elektronet në një atom, dhe bozonet vektoriale të ndërmjetme të shkëmbyera midis leptoneve dhe kuarkeve krijojnë forca të dobëta ndërveprimi përgjegjëse për transformimin e protoneve në neutrone kur reaksionet termonukleare në yje.

Teoria e një shkëmbimi të tillë është elegante, e thjeshtë dhe ndoshta e saktë. Quhet teoria e matësve. Por aktualisht ekzistojnë vetëm teori të pavarura të matësve të ndërveprimeve të forta, të dobëta dhe elektromagnetike dhe një teori matëse e gravitetit të ngjashme me to, megjithëse në disa mënyra të ndryshme. Një nga më të rëndësishmet probleme fizikeështë reduktimi i këtyre teorive të veçanta në një të vetme dhe në të njëjtën kohë teori e thjeshtë në të cilën do të bëheshin të gjithë aspekte të ndryshme një realitet i vetëm - si faqet e një kristali.

Teoria më e thjeshtë dhe më e vjetër e matësit është teoria e matësit të bashkëveprimit elektromagnetik. Në të, ngarkesa e një elektroni krahasohet (kalibrohet) me ngarkesën e një elektroni tjetër të largët prej tij. Si mund të krahasohen tarifat? Ju, për shembull, mund ta afroni elektronin e dytë me të parën dhe të krahasoni forcat e tyre të ndërveprimit. Por a nuk ndryshon ngarkesa e një elektroni kur ai lëviz në një pikë tjetër të hapësirës? Mënyra e vetme për të kontrolluar është të dërgoni një sinjal nga elektroni i afërt në atë të largët dhe të shihni se si reagon. Sinjali është një grimcë matës - një foton. Për të qenë në gjendje të kontrolloni ngarkesën në grimcat e largëta, nevojitet një foton.

AT matematikisht kjo teori është e shquar për saktësinë dhe bukurinë e saj ekstreme. Nga "parimi i kalibrimit" të përshkruar më sipër, e tëra elektrodinamika kuantike(teoria kuantike e elektromagnetizmit), si dhe teoria fushë elektromagnetike Maxwell është një nga më të mëdhenjtë arritjet shkencore Shekulli i 19

Pse një parim kaq i thjeshtë është kaq i frytshëm? Me sa duket, ai shpreh njëfarë korrelacioni pjesë të ndryshme Universi, duke lejuar matjet në Univers. AT terma matematikore fusha interpretohet gjeometrikisht si lakimi i një hapësire të mundshme "të brendshme". Matja e ngarkesës është matja e "lakimit të brendshëm" total rreth grimcës. Teoritë e matësve të ndërveprimeve të forta dhe të dobëta ndryshojnë nga teoria e matësve elektromagnetik vetëm në "strukturën" e brendshme gjeometrike të ngarkesës përkatëse. Pyetjes se ku ndodhet saktësisht kjo hapësirë ​​e brendshme po i përgjigjet shumëdimensionale teoritë e unifikuara fusha që nuk mbulohen këtu.

Fizika e grimcave elementare nuk është përfunduar ende. Nuk është ende e qartë nëse të dhënat e disponueshme janë të mjaftueshme për të kuptuar plotësisht natyrën e grimcave dhe forcave, si dhe natyrën e vërtetë dhe dimensionet e hapësirës dhe kohës. A na duhen eksperimente me energji 10 15 GeV për këtë, apo do të mjaftojë përpjekja e mendimit? Nuk ka ende përgjigje. Por mund të themi me besim se fotografia përfundimtare do të jetë e thjeshtë, elegante dhe e bukur. Është e mundur që nuk do të ketë aq shumë ide themelore: parimi i matësit, hapësirat e dimensioneve më të larta, kolapsi dhe zgjerimi dhe, mbi të gjitha, gjeometria.

Për të shpjeguar vetitë dhe sjelljen e grimcave elementare, ato duhet të pajisen, përveç masës, ngarkesës elektrike dhe llojit, me një sërë sasish shtesë karakteristike për to (numrat kuantikë), të cilat do t'i diskutojmë më poshtë.

Grimcat elementare zakonisht ndahen në katër klasa . Përveç këtyre klasave, supozohet ekzistenca e një klase tjetër grimcash - gravitone (kuantet e fushës gravitacionale). Eksperimentalisht, këto grimca nuk janë zbuluar ende.

Le të japim përshkrim i shkurtër katër klasa të grimcave elementare.

Vetëm një grimcë i përket njërit prej tyre - foton .

Fotonet (kuantet e fushës elektromagnetike) marrin pjesë në ndërveprimet elektromagnetike, por nuk kanë ndërveprime të forta dhe të dobëta.

Formohet klasa e dytë leptonet , e treta - hadronet dhe në fund e katërta bozonet matës (Tabela 2)

tabela 2

Leptonet (greke" leptos" - dritë) - grimcat,duke marrë pjesë në ndërveprime elektromagnetike dhe të dobëta. Këto përfshijnë grimcat që nuk kanë një ndërveprim të fortë: elektronet (), muonet (), taonet (), si dhe neutrinot e elektroneve (), neutrinot muon () dhe neutrinot tau (). Të gjithë leptonët kanë rrotullime të barabarta me 1/2 dhe prandaj janë fermionet . Të gjithë leptonët kanë një ndërveprim të dobët. Ato prej tyre që kanë një ngarkesë elektrike (d.m.th., muonet dhe elektronet) kanë gjithashtu një ndërveprim elektromagnetik. Neutrinot marrin pjesë vetëm në ndërveprime të dobëta.

hadronet (greke" adros"- i madh, masiv) - grimcat,të përfshirë në të fortë,ndërveprimet elektromagnetike dhe të dobëta. Sot njihen më shumë se njëqind hadrone dhe ato ndahen në barionet dhe mezonet .

barionet - hadronet,i përbërë nga tre kuarke (qqq) dhe ka një numër barion B = 1.

Klasa e barioneve kombinon nukleonet ( fq, n) dhe grimca të paqëndrueshme me masë më të madhe se masa e nukleoneve, të quajtura hiperonet (). Të gjithë hiperonët kanë një ndërveprim të fortë, dhe për këtë arsye ndërveprojnë në mënyrë aktive me bërthamat atomike. Rrotullimi i të gjithë barioneve është 1/2, kështu që barionet janë fermionet . Me përjashtim të protonit, të gjithë barionet janë të paqëndrueshëm. Kur një barion prishet, së bashku me grimcat e tjera, formohet domosdoshmërisht një barion. Ky model është një nga manifestimet e ligjit të ruajtjes së ngarkesës së barionit.

Mesonet - hadronet,i përbërë nga një kuark dhe një antikuark () dhe ka një numër barion B = 0.

Mezonët janë grimca të paqëndrueshme që ndërveprojnë fort që nuk mbajnë të ashtuquajturën ngarkesë barion. Këto përfshijnë -mesone ose pion (), K-meson, ose kaon ( ), dhe -mesone. Masat dhe mezonet janë të njëjta dhe të barabarta me respektivisht 273.1 , 264.1 jetëgjatësi dhe s. Masa e K-mezoneve është 970 . Jetëgjatësia e K-mesonëve ka një vlerë të rendit të c. Masa eta meson është 1074, jetëgjatësia është rreth s. Ndryshe nga leptonet, mezonet kanë jo vetëm një ndërveprim të dobët (dhe nëse janë të ngarkuar, elektromagnetik), por edhe një ndërveprim të fortë, i cili manifestohet në ndërveprimin e tyre me njëri-tjetrin, si dhe në bashkëveprimin midis mezoneve dhe barioneve. Spin-i i të gjithë mezoneve është zero, kështu që janë bozonet.

Bozonet matës - grimcat,kryerja e bashkëveprimit ndërmjet fermioneve themelore(kuarkë dhe lepton). Këto janë grimca W + , W – , Z 0 dhe tetë lloje gluonësh g. Këtu përfshihet edhe fotoni γ.

Vetitë e grimcave elementare

Çdo grimcë përshkruhet nga një grup sasive fizike– numrat kuantikë që përcaktojnë vetitë e tij. Karakteristikat më të përdorura të grimcave janë si më poshtë.

Masa e grimcave , m. Masat e grimcave ndryshojnë në një gamë të gjerë nga 0 (foton) në 90 GeV ( Z-bozon). Z-bozoni është grimca më e rëndë e njohur. Megjithatë, mund të ketë më shumë grimca të rënda. Masat e hadroneve varen nga llojet e kuarkeve që ato përmbajnë, si dhe nga gjendjet e tyre rrotulluese.

Jetëgjatësia , t. Në varësi të jetëgjatësisë, grimcat ndahen në grimca të qëndrueshme duke pasur relativisht kohe e madhe jeta, dhe e paqëndrueshme.

te grimca të qëndrueshme i referohet grimcave që prishen nga ndërveprimi i dobët ose elektromagnetik. Ndarja e grimcave në të qëndrueshme dhe të paqëndrueshme është e kushtëzuar. Prandaj, grimcat e qëndrueshme përfshijnë grimca të tilla si një elektron, një proton, për të cilin nuk është zbuluar asnjë zbërthim aktualisht, dhe një mezon π 0, i cili ka jetëgjatësi τ = 0,8 × 10 - 16 s.

te grimca të paqëndrueshme i referohet grimcave që prishen si rezultat i ndërveprimit të fortë. Zakonisht quhen rezonancat . Jetëgjatësia karakteristike e rezonancave është 10 - 23 - 10 - 24 s.

Rrotullimi J. Vlera e rrotullimit matet në njësi ħ dhe mund të marrë 0, vlera gjysmë të plota dhe të plota. Për shembull, spini i π-, K-mezoneve është i barabartë me 0. Spin i një elektroni, një muon është i barabartë me 1/2. Spin-i i një fotoni është 1. Ka grimca me vlera të mëdha mbrapa. Grimcat me një rrotullim gjysmë të plotë i binden statistikave të Fermi-Dirac, ato me një rrotullim me numër të plotë - Bose-Einstein.

Ngarkesa elektrike q. Ngarkesa elektrike është një shumëfish i plotë i e\u003d 1,6 × 10 - 19 C, i quajtur ngarkesa elektrike elementare. Grimcat mund të kenë ngarkesa 0, ±1, ±2.

Barazia e brendshme R. Numri kuantik R karakterizon vetinë e simetrisë funksioni i valës në lidhje me reflektimet hapësinore. Numri kuantik R ka vlerën +1, -1.

Së bashku me karakteristikat e përbashkëta për të gjitha grimcat, ato gjithashtu përdorin numrat kuantikë, të cilëve u atribuohen vetëm grupe individuale grimcat.

numrat kuantikë : numri i barionit AT, çuditshmëri s, sharmin (hijeshi) Me, Bukuria (fundore ose bukuri) b, sipërme (kryelartësia) t, spin izotopik I i atribuohet vetëm grimcave që ndërveprojnë fuqishëm - hadronet.

Numrat Lepton Le, L μ , Lτ . Numrat Lepton u caktohen grimcave që formojnë një grup leptonesh. Leptonet e, μ dhe τ marrin pjesë vetëm në ndërveprime elektromagnetike dhe të dobëta. Leptonet ν e, n μ dhe n τ marrin pjesë vetëm në ndërveprime të dobëta. Numrat Lepton kanë rëndësi Le, L μ , Lτ = 0, +1, -1. Për shembull, e - , neutrino elektronike n e kanë Le= +l; , kanë Le= -l. Të gjithë hadronët kanë .

numri i barionit AT. Numri i barionit ka rëndësi AT= 0, +1, -1. Barionet, për shembull, n, R, Λ, Σ, rezonancat e nukleonit kanë një numër barion AT= +1. Mesonet, rezonancat mesonike kane AT= 0, antibarionet kanë AT = -1.

Çudi s. Numri kuantik s mund të marrë vlerat -3, -2, -1, 0, +1, +2, +3 dhe përcaktohet nga përbërja e kuarkut të hadroneve. Për shembull, hiperonet Λ, Σ kanë s= -l; K + - , K– - mesonet kanë s= +l.

Bukuri Me. Numri kuantik Me Me= 0, +1 dhe -1. Për shembull, barioni Λ + ka Me = +1.

fundore b. Numri kuantik b mund të marrë vlerat -3, -2, -1, 0, +1, +2, +3. Aktualisht janë gjetur grimca që kanë b= 0, +1, -1. Për shembull, AT+ -meson ka b = +1.

kryelartësia t. Numri kuantik t mund të marrë vlerat -3, -2, -1, 0, +1, +2, +3. Deri më tani është konstatuar vetëm një kusht me t = +1.

Isospin I. Grimcat me bashkëveprim të fortë mund të ndahen në grupe grimcash me veti të ngjashme (të njëjtën vlerë të spinit, barazisë, numrit të barionit, çuditshmërisë dhe numrave të tjerë kuantikë që ruhen në ndërveprime të forta) - multiples izotopike. Vlera e isospinit I përcakton numrin e grimcave të përfshira në një shumëfish izotopik, n dhe R përbën një dyshe izotopike I= 1/2; Σ + , Σ - , Σ 0 , janë pjesë e treshe izotopike I= 1, Λ - teke izotopike I= 0, numri i grimcave të përfshira në një multiplet izotopik, 2I + 1.

G - barazi është numri kuantik që korrespondon me simetrinë në lidhje me operacionin e njëkohshëm të konjugimit të ngarkesës Me dhe ndryshimin e shenjës së komponentit të tretë I isospin. G- barazia ruhet vetëm në ndërveprime të forta.

Janë zbuluar më shumë se 350 grimca elementare. Nga këto, fotoni, elektroni dhe neutrinoja e muonit, elektroni, protoni dhe antigrimcat e tyre janë të qëndrueshme. Grimcat elementare të mbetura zbërthehen spontanisht sipas një ligji eksponencial me një konstante kohore nga rreth 1000 sekonda (për një neutron të lirë) në një pjesë të papërfillshme të sekondës (nga 10 -24 në 10 -22 s për rezonancat).

Struktura dhe sjellja e grimcave elementare studiohet nga fizika e grimcave elementare.

Të gjitha grimcat elementare i binden parimit të identitetit (të gjitha grimcat elementare të të njëjtit lloj në Univers janë plotësisht identike në të gjitha vetitë e tyre) dhe parimit të dualizmit të valëve korpuskulare (çdo grimcë elementare korrespondon me një valë de Broglie).

Të gjitha grimcat elementare kanë vetinë e ndërkonvertueshmërisë, e cila është pasojë e ndërveprimeve të tyre: të forta, elektromagnetike, të dobëta, gravitacionale. Ndërveprimet e grimcave shkaktojnë shndërrimin e grimcave dhe agregateve të tyre në grimca të tjera dhe agregatet e tyre, nëse shndërrimet e tilla nuk ndalohen nga ligjet e ruajtjes së energjisë, momentit, momentit këndor, ngarkesës elektrike, ngarkesës së barionit etj.

Karakteristikat themelore të grimcave elementare: masa, rrotullimi, ngarkesa elektrike, jetëgjatësia, barazia, barazia G, moment magnetik, ngarkesa e barionit, ngarkesa e leptonit, çuditshmëria, rrotullimi izotopik, barazia CP, barazia e ngarkesës.

YouTube enciklopedik

1 / 5

✪ Grimcat elementare

✪ CERN: Modeli standard i fizikës së grimcave

✪ Mësimi 473. Grimcat elementare. Positron. Neutrino

✪ Tullat e Universit: Grimcat elementare që përbëjnë botën. Leksion nga profesor David Tong.

✪ Bota e grimcave elementare (thotë akademiku Valery Rubakov)

Titra

Klasifikimi

Sipas kohës së jetës

• Grimcat elementare të qëndrueshme janë grimca që kanë një jetë të pafundme në gjendje të lirë (proton, elektron, neutrino, foton, gravitonin dhe antigrimcat e tyre).
• Grimcat elementare të paqëndrueshme janë grimca që zbërthehen në grimca të tjera në një gjendje të lirë në një kohë të fundme (të gjitha grimcat e tjera).

Nga pesha

Të gjitha grimcat elementare ndahen në dy klasa:

• Grimcat pa masë - grimcat me masë zero (fotoni, gluoni, gravitoni dhe antigrimcat e tyre).
• Grimcat me masë jo zero (të gjitha grimcat e tjera).

Madhësia e shpinës

Të gjitha grimcat elementare ndahen në dy klasa:

Sipas llojit të ndërveprimit

Grimcat elementare ndahen në grupet e mëposhtme:

Grimcat e përbëra

• Hadronet janë grimca që marrin pjesë në të gjitha llojet e ndërveprimeve themelore. Ato përbëhen nga kuarke dhe ndahen, nga ana tjetër, në:
  • mezone - hadrone me spin me numër të plotë, pra duke qenë bozon;
  • barionet janë hadrone me spin gjysmë të plotë, pra fermione. Këto përfshijnë, në veçanti, grimcat që përbëjnë bërthamën e atomit - proton dhe neutron.

Grimcat themelore (pa strukturë).

• Leptonet janë fermione që duken si grimca pikësore (d.m.th., nuk përbëhen nga asgjë) deri në shkallët e rendit 10 −18 m. Ata nuk marrin pjesë në ndërveprime të forta. Pjesëmarrja në ndërveprimet elektromagnetike është vërejtur eksperimentalisht vetëm për leptonët e ngarkuar (elektrone, muone, tau lepton) dhe nuk është vërejtur për neutrinot. Janë të njohura 6 lloje leptonesh.
• Kuarkët janë grimca të ngarkuara në mënyrë të pjesshme që përbëjnë hadronet. Ato nuk u vëzhguan në gjendje të lirë (mekanizmi i izolimit u propozua për të shpjeguar mungesën e vëzhgimeve të tilla). Ashtu si leptonet, ato ndahen në 6 lloje dhe konsiderohen pa strukturë, megjithatë, ndryshe nga leptonët, ata marrin pjesë në ndërveprim të fortë.
• Matës-bozonet - grimcat përmes shkëmbimit të të cilave kryhen ndërveprimet:
  • foton - një grimcë që mbart ndërveprim elektromagnetik;
  • tetë gluone - grimca që mbartin ndërveprim të fortë;
  • tre bozone të ndërmjetme-vektoriale W + , W− dhe Z 0 , duke bartur ndërveprimin e dobët ;
  • graviton - një grimcë hipotetike që mbart ndërveprimin gravitacional. Ekzistenca e gravitoneve, edhe pse ende nuk është provuar eksperimentalisht për shkak të dobësisë së ndërveprimit gravitacional, konsiderohet mjaft e mundshme; megjithatë, gravitoni nuk përfshihet në grimcat elementare të modelit standard.

Madhësitë e grimcave elementare

Pavarësisht nga shumëllojshmëri e madhe grimcat elementare, madhësitë e tyre përshtaten në dy grupe. Dimensionet e hadroneve (si barionet ashtu edhe mezonet) janë rreth 10 −15 m, që është afër distancës mesatare midis kuarkeve të tyre. Madhësitë e grimcave themelore, pa strukturë - bozonet matës, kuarkët dhe leptonet - brenda kufijve të gabimit eksperimental janë në përputhje me karakterin e tyre të pikës (kufiri i sipërm i diametrit është rreth 10 -18 m) shih shpjegimin). Nëse madhësitë përfundimtare të këtyre grimcave nuk gjenden në eksperimente të mëtejshme, atëherë kjo mund të tregojë se madhësitë e bozoneve matës, kuarkeve dhe leptoneve janë afër gjatësisë themelore (e cila ka shumë të ngjarë të jetë gjatësia e Plankut e barabartë me 1.6 10 −35 m) .

Sidoqoftë, duhet të theksohet se madhësia e një grimce elementare është një koncept mjaft kompleks, jo gjithmonë në përputhje me konceptet klasike. Së pari, parimi i pasigurisë nuk lejon që dikush të lokalizojë rreptësisht një grimcë fizike. Një paketë valësh që përfaqëson një grimcë si një mbivendosje e gjendjeve kuantike saktësisht të lokalizuara ka gjithmonë një madhësi të fundme dhe një struktura hapësinore, dhe dimensionet e paketës mund të jenë mjaft makroskopike - për shembull, një elektron në një eksperiment me ndërhyrje në dy çarje "ndjen" të dy çarjet e interferometrit të ndara nga një distancë makroskopike. Së dyti, një grimcë fizike ndryshon strukturën e vakumit rreth vetes, duke krijuar një "shtresë leshi" të grimcave virtuale afatshkurtra - çifte fermion-antifermion (shiko Polarizimi i vakumit) dhe bozonet-bartës të ndërveprimeve. Dimensionet hapësinore të këtij rajoni varen nga ngarkesat matës që ka grimca dhe nga masat e bozoneve të ndërmjetme (rrezja e guaskës së bozoneve virtuale masive është afër gjatësisë së valës së tyre Compton, e cila, nga ana tjetër, është në përpjesëtim të zhdrejtë me masë). Pra, rrezja e një elektroni nga pikëpamja e neutrinos (vetëm ndërveprim i dobët midis tyre është i mundur) është afërsisht i barabartë me gjatësinë valore Compton të bozoneve W, ~ 3 × 10 −18 m, dhe dimensionet e rajonit të ndërveprimi i fortë i një hadroni përcaktohen nga gjatësia e valës së Compton-it të hadronit më të lehtë, pi-mezonit (~ 10 -15 m ), i cili vepron këtu si një bartës ndërveprimi.

Histori

Fillimisht, termi "grimcë elementare" nënkuptonte diçka absolutisht elementare, tullën e parë të materies. Sidoqoftë, kur u zbuluan qindra hadrone me veti të ngjashme në vitet 1950 dhe 1960, u bë e qartë se të paktën hadronët kanë shkallë të brendshme lirie, domethënë ata nuk janë, në kuptimin e ngushtë të fjalës, elementare. Ky dyshim u konfirmua më vonë kur doli se hadronet përbëheshin nga kuarke.

Kështu, fizikanët janë zhvendosur pak më thellë në strukturën e materies: pjesët më elementare, pika të materies tani konsiderohen leptone dhe kuarkë. Për ta (së bashku me bozonet matës) termi " themelore grimca”.

Teoria e fijeve, e cila është zhvilluar në mënyrë aktive që nga mesi i viteve 1980, supozon se grimcat elementare dhe ndërveprimet e tyre janë pasoja të lloje te ndryshme dridhjet e “vargjeve” veçanërisht të vogla.

model standard

Modeli standard i grimcave elementare përfshin 12 shije të fermioneve, antigrimcat e tyre përkatëse, si dhe bozonet matës (fotoni, gluonet, W- dhe Z-bozonet), të cilat mbartin ndërveprime ndërmjet grimcave, dhe bozonit Higgs të zbuluar në vitin 2012, i cili është përgjegjës për praninë masë inerciale te grimcat. Sidoqoftë, Modeli Standard konsiderohet kryesisht si një teori e përkohshme dhe jo një teori vërtet themelore, pasi nuk përfshin gravitetin dhe përmban disa dhjetëra parametra të lirë (masat e grimcave, etj.) vlerat e të cilave nuk rrjedhin drejtpërdrejt nga teoria. Ndoshta ka grimca elementare që nuk përshkruhen model standard- për shembull, si një graviton (një grimcë që mbart forcat gravitacionale) ose partnerë supersimetrik të grimcave të zakonshme. Në total, modeli përshkruan 61 grimca.

Fermionet

12 shijet e fermioneve ndahen në 3 familje (gjenerata) me nga 4 grimca secila. Gjashtë prej tyre janë kuarke. Gjashtë të tjerët janë leptone, tre prej të cilëve janë neutrino, dhe tre të tjerët mbajnë një njësi ngarkesë negative: elektron, muon dhe tau lepton.

Depërtimi i mëtejshëm në thellësitë e mikrobotës shoqërohet me kalimin nga niveli i atomeve në nivelin e grimcave elementare. Si grimca e parë elementare në fundi i XIX në. elektroni u zbulua, dhe më pas në dekadat e para të shekullit të 20-të. foton, proton, pozitron dhe neutron.

Pas Luftës së Dytë Botërore, falë përdorimit të teknologjisë moderne eksperimentale, dhe mbi të gjitha, përshpejtuesve të fuqishëm, në të cilët krijohen kushte të energjive të larta dhe shpejtësive të mëdha, u konstatua ekzistenca e një numri të madh të grimcave elementare - mbi 300. Ndërmjet ato janë zbuluar eksperimentalisht dhe llogaritur teorikisht, duke përfshirë rezonancat, kuarkët dhe grimcat virtuale.

Afati grimcë elementare fillimisht nënkuptonte grimcat më të thjeshta, të mëtejshme të pazbërthyeshme që qëndrojnë në themel të çdo formimi material. Më vonë, fizikantët kuptuan të gjithë konvencionalitetin e termit "elementar" në lidhje me mikro-objektet. Tani nuk ka dyshim se grimcat kanë një strukturë ose një tjetër, por, megjithatë, emri i vendosur historikisht vazhdon të ekzistojë.

Karakteristikat kryesore të grimcave elementare janë masa, ngarkesa, jetëgjatësia mesatare, spin dhe numrat kuantikë.

masë pushimi grimcat elementare përcaktohen në raport me masën e pushimit të një elektroni.Ka grimca elementare që nuk kanë masë pushimi, - fotone. Pjesa tjetër e grimcave mbi këtë bazë ndahen në leptonet– grimcat e lehta (elektroni dhe neutrino); mezonet– grimcat mesatare me një masë që varion nga një deri në një mijë masa elektronike; barionet- grimca të rënda, masa e të cilave tejkalon një mijë masa të një elektroni dhe që përfshijnë protone, neutrone, hiperone dhe shumë rezonanca.

Ngarkesa elektrike është një tjetër karakteristikë e rëndësishme e grimcave elementare. Të gjitha grimcat e njohura kanë një ngarkesë pozitive, negative ose zero. Çdo grimcë, përveç një fotoni dhe dy mezoneve, korrespondon me antigrimca me ngarkesë të kundërt. Përafërsisht në vitet 1963-1964. hipotezuar se ka kuarket– grimcat me ngarkesë elektrike të pjesshme. Kjo hipotezë ende nuk është konfirmuar eksperimentalisht.

Sipas kohës së jetës grimcat ndahen në të qëndrueshme dhe e paqëndrueshme . Ekzistojnë pesë grimca të qëndrueshme: një foton, dy lloje neutrinos, një elektron dhe një proton. Janë grimcat e qëndrueshme që luajnë rol thelbësor në strukturën e makrotrupave. Të gjitha grimcat e tjera janë të paqëndrueshme, ato ekzistojnë për rreth 10 -10 -10 -24 s, pas së cilës ato prishen. Grimcat elementare me jetëgjatësi mesatare prej 10–23–10–22 s quhen rezonancat. Për shkak të jetëgjatësisë së tyre të shkurtër, ato kalbet edhe para se të largohen nga atomi ose bërthama atomike. Gjendjet rezonante janë llogaritur teorikisht; nuk është e mundur të rregullohen ato në eksperimente reale.

Përveç ngarkesës, masës dhe jetëgjatësisë, grimcat elementare përshkruhen gjithashtu nga koncepte që nuk kanë analoge në fizikën klasike: koncepti mbrapa . Spin është momenti këndor i brendshëm i një grimce, që nuk lidhet me zhvendosjen e saj. Spin karakterizohet numri kuantik spin s, e cila mund të marrë vlera të plota (±1) ose gjysmë të plotë (±1/2). Grimcat me rrotullim me numër të plotë bozonet, me një numër gjysmë të plotë - fermionet. Elektroni i përket fermioneve. Sipas parimit Pauli, një atom nuk mund të ketë më shumë se një elektron me të njëjtin grup numrash kuantikë. n,m,l,s. Elektronet, të cilat korrespondojnë me funksionet valore me të njëjtin numër n, janë shumë afër në energji dhe formojnë një shtresë elektronike në atom. Dallimet në numrin l përcaktojnë "nënpredhën", numrat kuantikë të mbetur përcaktojnë mbushjen e tij, siç u përmend më lart.

Në karakterizimin e grimcave elementare, ekziston një ide tjetër e rëndësishme ndërveprimet. Siç u përmend më herët, njihen katër lloje ndërveprimesh midis grimcave elementare: gravitacionale,i dobët,elektromagnetike dhe të fortë(bërthamore).

Të gjitha grimcat që kanë një masë pushimi ( m 0), marrin pjesë në ndërveprimin gravitacional, të ngarkuar - dhe në elektromagnetik. Leptonet gjithashtu marrin pjesë në ndërveprime të dobëta. Hadronet marrin pjesë në të katër ndërveprimet themelore.

Sipas teoria kuantike fusha, të gjitha ndërveprimet kryhen përmes shkëmbimit grimcat virtuale , domethënë grimca ekzistenca e të cilave mund të gjykohet vetëm në mënyrë indirekte, nga disa prej manifestimeve të tyre përmes disave efektet dytësore (grimca reale mund të fiksohet drejtpërdrejt me instrumente).

Rezulton se të katër llojet e njohura të ndërveprimeve - gravitacionale, elektromagnetike, të forta dhe të dobëta - kanë një natyrë matës dhe përshkruhen nga simetritë e matësve. Kjo do të thotë, të gjitha ndërveprimet, si të thuash, bëhen "nga një bosh". Kjo frymëzon shpresën se do të jetë e mundur të gjendet "çelësi i vetëm për të gjitha bravat e njohura" dhe të përshkruhet evolucioni i Universit nga një gjendje e përfaqësuar nga një superfushë e vetme supersimetrike, nga një gjendje në të cilën dallimet midis llojeve të ndërveprimeve, midis të gjitha llojet e grimcave të materies dhe kuanteve të fushës ende nuk janë manifestuar.

Ka një numër të madh mënyrash për të klasifikuar grimcat elementare. Kështu, për shembull, grimcat ndahen në fermione (grimcat Fermi) - grimcat e materies dhe bozonet (grimcat Bose) - kuantet e fushës.

Sipas një qasjeje tjetër, grimcat ndahen në 4 klasa: fotone, leptone, mezone, barione.

Fotonet (kuantet e fushës elektromagnetike) marrin pjesë në ndërveprimet elektromagnetike, por nuk kanë ndërveprime të forta, të dobëta, gravitacionale.

Leptonet e kanë marrë emrin nga fjalë greke leptos- dritë. Këtu përfshihen grimcat që nuk kanë muone të fortë ndërveprimi (μ - , μ +), elektronet (e - , e +), neutrinot e elektroneve (ve - , ve +) dhe neutrinot e muoneve (v - m , v + m). Të gjithë leptonët kanë spin ½ dhe për këtë arsye janë fermione. Të gjithë leptonët kanë një ndërveprim të dobët. Ato që kanë një ngarkesë elektrike (d.m.th., muonet dhe elektronet) kanë gjithashtu një ndërveprim elektromagnetik.

Mesonet janë grimca të paqëndrueshme që ndërveprojnë fuqishëm që nuk mbajnë të ashtuquajturën ngarkesë barion. Midis tyre bën pjesë R-mesone, ose pione (π +, π -, π 0), te-mezonet, ose kaonet (K + , K - , K 0), dhe kjo-mesone (η) . Pesha te-mesons është ~ 970me (494 MeV për të ngarkuar dhe 498 MeV për neutral te-mesone). Jetëgjatësia te-mezonet ka magnitude rreth 10–8 s. Ata ndahen për të formuar I-mezonet dhe leptonet ose vetem leptonet. Pesha kjo-mesonët është e barabartë me 549 MeV (1074me), jetëgjatësia është rreth 10–19 s. Kjo-mezonet zbehen me formimin e π-mezoneve dhe γ-fotoneve. Ndryshe nga leptonet, mezonet kanë jo vetëm një ndërveprim të dobët (dhe, nëse janë të ngarkuar, elektromagnetik), por edhe një ndërveprim të fortë, i cili manifestohet në ndërveprimin e tyre me njëri-tjetrin, si dhe në bashkëveprimin midis mezoneve dhe barioneve. Spin-i i të gjithë mezoneve është zero, pra ata janë bozon.

Klasa barionet kombinon nukleonet (p, n) dhe grimcat e paqëndrueshme me një masë më të madhe se masa e nukleoneve, të quajtura hiperone. Të gjithë barionet kanë një ndërveprim të fortë dhe, për këtë arsye, ndërveprojnë në mënyrë aktive me bërthamat atomike. Rrotullimi i të gjithë barioneve është ½, kështu që barionet janë fermione. Me përjashtim të protonit, të gjithë barionet janë të paqëndrueshëm. Në prishjen e barioneve, së bashku me grimcat e tjera, formohet domosdoshmërisht një barion. Ky model është një nga manifestimet ligji i ruajtjes së ngarkesës së barionit.

Përveç grimcave të listuara më sipër, numër i madh grimcat jetëshkurtër që ndërveprojnë fuqishëm, të cilat quhen rezonancat . Këto grimca janë gjendje rezonante të formuara nga dy ose më shumë grimca elementare. Jetëgjatësia e rezonancave është vetëm ~ 10–23–10–22 s.

Grimcat elementare, si dhe mikrogrimcat komplekse, mund të vërehen për shkak të gjurmëve që ato lënë kur kalojnë nëpër materie. Natyra e gjurmëve bën të mundur gjykimin e shenjës së ngarkesës së grimcës, energjisë së saj, momentit etj. Grimcat e ngarkuara shkaktojnë jonizimin e molekulave në rrugën e tyre. Grimcat neutrale nuk lënë gjurmë, por ato mund të zbulohen në momentin e kalbjes në grimca të ngarkuara ose në momentin e përplasjes me ndonjë bërthamë. Prandaj, grimcat neutrale përfundimisht zbulohen gjithashtu nga jonizimi i shkaktuar nga grimcat e ngarkuara të krijuara prej tyre.

Grimcat dhe antigrimcat. Në vitin 1928, fizikani anglez P. Dirac arriti të gjejë një ekuacion relativist kuanto-mekanik për elektronin, nga i cili rrjedhin një sërë pasojash të jashtëzakonshme. Para së gjithash, nga ky ekuacion, në mënyrë të natyrshme, pa ndonjë supozim shtesë, rrotullohet dhe vlerë numerike momenti i vet magnetik i elektronit. Kështu, doli që rrotullimi është një sasi sa kuantike dhe relativiste. Por kjo nuk e shter rëndësinë e ekuacionit të Dirakut. Ai gjithashtu bëri të mundur parashikimin e ekzistencës së një antigrimcë të elektronit - pozitron. Nga ekuacioni Dirac, për energjinë totale të një elektroni të lirë fitohen jo vetëm vlera pozitive, por edhe negative. Studimet e ekuacionit tregojnë se për një moment të caktuar të grimcave, ka zgjidhje të ekuacionit që korrespondojnë me energjitë: .

Midis energjisë më të madhe negative (- m e Me 2) dhe energjinë më të vogël pozitive (+ m e c 2) ekziston një interval vlerash energjetike që nuk mund të realizohen. Gjerësia e këtij intervali është 2 m e Me 2. Rrjedhimisht, fitohen dy rajone të eigenvlerave të energjisë: njëra fillon me + m e Me 2 dhe shtrihet në +∞, tjetra fillon nga - m e Me 2 dhe shtrihet në –∞.

Një grimcë me energji negative duhet të ketë veti shumë të çuditshme. Duke kaluar në gjendje me energji gjithnjë e më të ulët (domethënë me energji negative që rritet në vlerë absolute), ai mund të çlirojë energji, të themi, në formën e rrezatimit, për më tepër, pasi | E| nuk kufizohet me asgjë, një grimcë me energji negative mund të rrezatojë një sasi pafundësisht të madhe energjie. Një përfundim i ngjashëm mund të arrihet në këtë mënyrë: nga relacioni E=m e Me 2 rrjedh se masa e një grimce me energji negative do të jetë gjithashtu negative. Nën veprimin e një force ngadalësuese, një grimcë me masë negative nuk duhet të ngadalësohet, por të përshpejtohet, duke bërë një punë pafundësisht të madhe në burimin e forcës ngadalësuese. Duke pasur parasysh këto vështirësi, duket se duhet pranuar se shteti me energji negative duhet të përjashtohet nga konsiderata se çon në rezultate absurde. Kjo, megjithatë, do të binte ndesh me disa parime të përgjithshme të mekanikës kuantike. Kështu që Diraku zgjodhi një rrugë tjetër. Ai sugjeroi që kalimet e elektroneve në gjendje me energji negative zakonisht nuk vërehen për arsye se të gjitha nivelet e disponueshme me energji negative janë tashmë të zëna nga elektronet.

Sipas Dirac, vakum është një gjendje në të cilën të gjitha nivelet e energjisë negative janë të populluara nga elektrone, dhe nivelet me energji pozitive janë të lira. Meqenëse të gjitha nivelet nën brezin e ndaluar pa përjashtim janë të zëna, elektronet në këto nivele nuk e zbulojnë veten në asnjë mënyrë. Nëse njërit prej elektroneve të vendosur në nivele negative i jepet energji E≥ 2m e Me 2, atëherë ky elektron do të shkojë në një gjendje me energji pozitive dhe do të sillet në mënyrën e zakonshme, si një grimcë me një masë pozitive dhe një ngarkesë negative. Kjo grimcë e parë e parashikuar teorikisht u quajt pozitron. Kur një pozitron takohet me një elektron, ata asgjësohen (zhduken) - elektroni kalon nga një nivel pozitiv në një negativ të zbrazët. Energjia që korrespondon me diferencën midis këtyre niveleve lëshohet në formën e rrezatimit. Në fig. 4, shigjeta 1 përshkruan procesin e krijimit të një çifti elektron-pozitron, dhe shigjeta 2 - asgjësimi i tyre Termi "asgjësim" nuk duhet të merret fjalë për fjalë. Në thelb, ajo që po ndodh nuk është zhdukja, por shndërrimi i disa grimcave (elektroni dhe pozitroni) në të tjera (γ-fotone).

Ka grimca që janë identike me antigrimcat e tyre (d.m.th., ato nuk kanë antigrimca). Grimca të tilla quhen absolutisht neutrale. Këto përfshijnë fotonin, π 0 -mezon dhe η-mezon. Grimcat që janë identike me antigrimcat e tyre nuk janë të afta të asgjësohen. Kjo, megjithatë, nuk do të thotë se ato nuk mund të shndërrohen fare në grimca të tjera.

Nëse barioneve (d.m.th., nukleoneve dhe hiperoneve) u caktohet një ngarkesë barion (ose numër barion) AT= +1, antibarionet – ngarkesa e barionit AT= –1, dhe për të gjitha grimcat e tjera – ngarkesa e barionit AT= 0, atëherë për të gjitha proceset që ndodhin me pjesëmarrjen e barioneve dhe antibarioneve, ruajtja e barioneve të ngarkesës do të jetë karakteristike, ashtu siç është karakteristikë ruajtja e ngarkesës elektrike për proceset. Ligji i ruajtjes së ngarkesës së barionit përcakton qëndrueshmërinë e barionit më të butë, protonit. Transformimi i të gjitha sasive që përshkruajnë sistemi fizik, në të cilën të gjitha grimcat zëvendësohen me antigrimca (për shembull, elektronet me protone dhe protonet me elektrone, etj.), quhet ngarkesa e konjugimit.

Grimca të çuditshme.te-Në përbërje janë gjetur mezone dhe hiperone rrezet kozmike në fillim të viteve 50 të shekullit XX. Që nga viti 1953, ato janë prodhuar në përshpejtues. Sjellja e këtyre grimcave doli të ishte aq e pazakontë sa u quajtën të çuditshme. Sjellja e pazakontë e grimcave të çuditshme ishte se ato padyshim lindën për shkak të ndërveprimeve të forta me një kohë karakteristike të rendit 10-23 s, dhe jetëgjatësia e tyre doli të jetë e rendit 10-8-10-10 s. Rrethana e fundit tregoi se prishja e grimcave kryhet si rezultat i ndërveprime të dobëta. Ishte krejtësisht e pakuptueshme pse grimcat e çuditshme jetojnë kaq gjatë. Meqenëse të njëjtat grimca (π-mesone dhe protone) përfshihen si në krijimin ashtu edhe në zbërthimin e një hiperoni λ, dukej e habitshme që shpejtësia (d.m.th., probabiliteti) i të dy proceseve ishte kaq i ndryshëm. Hulumtimet e mëtejshme treguan se grimcat e çuditshme prodhohen në çifte. Kjo çoi në idenë se ndërveprime të forta nuk mund të luajë një rol në zbërthimin e grimcave për faktin se prania e dy grimcave të çuditshme është e nevojshme për shfaqjen e tyre. Për të njëjtën arsye, prodhimi i vetëm i grimcave të çuditshme është i pamundur.

Për të shpjeguar ndalimin e prodhimit të vetëm të grimcave të çuditshme, M. Gell-Mann dhe K. Nishijima prezantuan një numër të ri kuantik, vlera totale e të cilit, sipas supozimit të tyre, duhet të ruhet nën ndërveprime të forta. Është një numër kuantik S u thirr çuditshmëria e grimcave. Në ndërveprimet e dobëta, çuditshmëria mund të mos ruhet. Prandaj, i atribuohet vetëm grimcave që ndërveprojnë fuqishëm - mesonet dhe barionet.

Neutrino. Neutrinoja është e vetmja grimcë që nuk merr pjesë as në ndërveprime të forta as në ndërveprime elektromagnetike. Duke përjashtuar ndërveprimin gravitacional, në të cilin marrin pjesë të gjitha grimcat, neutrinoja mund të marrë pjesë vetëm në ndërveprime të dobëta.

Për një kohë të gjatë mbeti e paqartë se si ndryshojnë neutrinot nga antineutrinot. Zbulimi i ligjit të ruajtjes së barazisë së kombinuar bëri të mundur përgjigjen e kësaj pyetjeje: ato ndryshojnë në helicitet. Nën heliciteti kuptohet një marrëdhënie e caktuar ndërmjet drejtimeve të momentit R dhe mbrapa S grimcat. Heliciteti konsiderohet pozitiv nëse rrotullimi dhe momenti janë në të njëjtin drejtim. Në këtë rast, drejtimi i lëvizjes së grimcave ( R) dhe drejtimi i "rotacionit" që korrespondon me rrotullimin formojnë një vidë djathtas. Me rrotullim dhe vrull me drejtim të kundërt, heliciteti do të jetë negativ (lëvizja përkthimore dhe "rrotullimi" formojnë një vidë majtas). Sipas teorisë së neutrineve gjatësore të zhvilluar nga Yang, Lee, Landau dhe Salam, të gjitha neutrinot që ekzistojnë në natyrë, pavarësisht nga mënyra se si lindin, janë gjithmonë plotësisht të polarizuara gjatësore (d.m.th., rrotullimi i tyre drejtohet paralel ose antiparalel me momentin. R). Neutrinoja ka negativ(majtas) heliciteti (korrespondon me raportin e drejtimeve S dhe R treguar në fig. 5 (b), antineutrino - heliciteti pozitiv (djathtas) (a). Kështu, heliciteti është ajo që i dallon neutrinot nga antineutrinot.

Oriz. 5. Skema e helicitetit të grimcave elementare

Sistematika e grimcave elementare. Modelet e vëzhguara në botën e grimcave elementare mund të formulohen si ligje të ruajtjes. Tashmë ka mjaft ligje të tilla. Disa prej tyre nuk janë të sakta, por vetëm të përafërta. Çdo ligj ruajtjeje shpreh një simetri të caktuar të sistemit. Ligjet e ruajtjes së momentit R, momenti këndor L dhe energji E pasqyrojnë vetitë e simetrisë së hapësirës dhe kohës: ruajtje Eështë pasojë e homogjenitetit të kohës, e ruajtjes R për shkak të homogjenitetit të hapësirës dhe ruajtjes L- izotropia e tij. Ligji i ruajtjes së barazisë lidhet me simetrinë ndërmjet të djathtës dhe të majtës ( R-pandryshueshmëria). Simetria nën konjugimin e ngarkesës (simetria e grimcave dhe antigrimcave) çon në ruajtjen e barazisë së ngarkesës ( NGA-pandryshueshmëria). Ligjet e ruajtjes së ngarkesave elektrike, barionit dhe leptonit shprehin një simetri të veçantë NGA-funksione. Së fundi, ligji i ruajtjes së spinit izotopik pasqyron izotropinë e hapësirës izotopike. Mosrespektimi i njërit prej ligjeve të ruajtjes nënkupton shkelje në këtë ndërveprim të llojit përkatës të simetrisë.

Në botën e grimcave elementare, zbatohet rregulli i mëposhtëm: lejohet çdo gjë që nuk është e ndaluar nga ligjet e ruajtjes. Këto të fundit luajnë rolin e rregullave ndaluese që rregullojnë ndërkonvertimet e grimcave. Para së gjithash, ne vërejmë ligjet e ruajtjes së energjisë, momentit dhe ngarkesës elektrike. Këto tre ligje shpjegojnë qëndrueshmërinë e elektronit. Nga ruajtja e energjisë dhe momentit rrjedh se masa totale e pushimit të produkteve të zbërthimit duhet të jetë më e vogël se masa e pushimit të grimcës në kalbje. Kjo do të thotë se elektroni mund të kalbet vetëm në neutrino dhe fotone. Por këto grimca janë elektrikisht neutrale. Pra, rezulton se elektroni thjesht nuk ka kujt të transferojë ngarkesën e tij elektrike, kështu që është i qëndrueshëm.

Kuarkët. Ka aq shumë grimca që quhen elementare saqë ka dyshime serioze për natyrën e tyre elementare. Secila prej grimcave që ndërveprojnë fuqishëm karakterizohet nga tre numra kuantikë shtesë të pavarur: ngarkesa P, hiperngarkesë Në dhe ngarkesa e barionit AT. Në këtë drejtim, u shfaq një hipotezë se të gjitha grimcat janë ndërtuar nga tre grimca themelore - bartës të këtyre ngarkesave. Në vitin 1964, Gell-Mann dhe, pavarësisht nga ai, fizikani zviceran Zweig parashtruan një hipotezë sipas së cilës të gjitha grimcat elementare janë ndërtuar nga tre grimca të quajtura kuarke. Këtyre grimcave u caktohen numra kuantikë thyesorë, në veçanti, një ngarkesë elektrike e barabartë me +⅔; –⅓; +⅓ respektivisht për secilin nga tre kuarkët. Këto kuarke zakonisht shënohen me shkronja U,D,S. Përveç kuarkeve, konsiderohen edhe antikuarkët ( u,d, s). Deri më sot njihen 12 kuarkë - 6 kuarkë dhe 6 antikuarkë. Mezonët formohen nga një çift kuark-antikuark, dhe barionet formohen nga tre kuarkë. Kështu, për shembull, një proton dhe një neutron përbëhen nga tre kuarke, gjë që e bën protonin ose neutronin pa ngjyrë. Prandaj, dallohen tre ngarkesa të ndërveprimeve të forta - të kuqe ( R), e verdhe ( Y) dhe jeshile ( G).

Çdo kuarku i caktohet i njëjti moment magnetik (µV), vlera e të cilit nuk përcaktohet nga teoria. Llogaritjet e bëra në bazë të këtij supozimi i japin protonit vlerën e momentit magnetik μ p = μ q, dhe për neutron μ n = – ⅔μ katrore.

Kështu, për raportin e momenteve magnetike, vlera μ p / μn = –⅔, në përputhje të shkëlqyer me vlerën eksperimentale.

Në thelb, ngjyra e kuarkut (si shenja e ngarkesës elektrike) filloi të shprehë ndryshimin në vetinë që përcakton tërheqjen dhe zmbrapsjen e ndërsjellë të kuarkut. Për analogji me kuantet e fushave të ndërveprimeve të ndryshme (fotonet në ndërveprimet elektromagnetike, R-mezonet në ndërveprime të forta etj.), u futën grimcat-bartës të bashkëveprimit ndërmjet kuarkeve. Këto grimca u emëruan gluonet. Ata transferojnë ngjyrën nga një kuark në tjetrin, duke rezultuar në mbajtjen e kuarkut së bashku. Në fizikën e kuarkut, hipoteza e izolimit është formuluar (nga anglishtja. mbylljet- robëria) e kuarkeve, sipas të cilave është e pamundur të zbritet një kuark nga një e tërë. Ajo mund të ekzistojë vetëm si një element i tërësisë. Ekzistenca e kuarkeve si grimca reale në fizikë vërtetohet në mënyrë të besueshme.

Ideja e kuarkeve doli të ishte shumë e frytshme. Ai bëri të mundur jo vetëm sistemimin e grimcave tashmë të njohura, por edhe parashikimin e një numri të reja. Situata që është zhvilluar në fizikën e grimcave elementare të kujton situatën që u krijua në fizikën atomike pas zbulimit në 1869 nga D. I. Mendelev të ligjit periodik. Megjithëse thelbi i këtij ligji u sqarua vetëm rreth 60 vjet pas krijimit të mekanikës kuantike, ai bëri të mundur sistemimin e elementeve kimike të njohura në atë kohë dhe, përveç kësaj, çoi në parashikimin e ekzistencës së elementeve të rinj dhe vetive të tyre. . Pikërisht në të njëjtën mënyrë, fizikanët kanë mësuar të sistemojnë grimcat elementare, dhe sistematika e zhvilluar në disa raste bëri të mundur parashikimin e ekzistencës së grimcave të reja dhe parashikimin e vetive të tyre.

Pra, në kohën e tanishme, kuarkët dhe leptonet mund të konsiderohen vërtet elementare; janë 12 të tilla, ose së bashku me antigrimcat - 24. Përveç kësaj, ka grimca që ofrojnë katër ndërveprime themelore (kuanta ndërveprim). Janë 13 nga këto grimca: gravitoni, foton, W± - dhe Z-grimca dhe 8 gluone.

Teoritë ekzistuese të grimcave elementare nuk mund të tregojnë se cili është fillimi i serisë: atomet, bërthamat, hadronet, kuarkët Në këtë seri, çdo strukturë materiale më komplekse përfshin një strukturë më të thjeshtë si. pjesë përbërëse. Me sa duket, kjo nuk mund të vazhdojë pafundësisht. Supozohej se zinxhiri i përshkruar i strukturave materiale bazohet në objekte të një natyre thelbësisht të ndryshme. Është treguar se objekte të tilla mund të jenë formacione jo pika, por të zgjatura, megjithëse jashtëzakonisht të vogla (~10 -33 cm), të quajtura superstrings. Ideja e përshkruar nuk është e realizueshme në hapësirën tonë katërdimensionale. Kjo fushë e fizikës është përgjithësisht jashtëzakonisht abstrakte dhe është shumë e vështirë të gjesh modele vizuale që ndihmojnë në një perceptim të thjeshtuar të ideve të ngulitura në teoritë e grimcave elementare. Sidoqoftë, këto teori i lejojnë fizikantët të shprehin ndërthurjen dhe ndërvarësinë e mikro-objekteve "më elementare", lidhjen e tyre me vetitë e hapësirës-kohës katërdimensionale. Më premtuese është e ashtuquajtura M-teoria (M - nga mister- një gjëegjëzë, një mister). Ajo operon hapësirë ​​dymbëdhjetë-dimensionale . Në fund të fundit, gjatë kalimit në botën katërdimensionale të perceptuar drejtpërdrejt nga ne, të gjitha dimensionet "ekstra" "shemben". M-teoria ende teoria e vetme, gjë që bën të mundur reduktimin e katër ndërveprimeve themelore në një - të ashtuquajturat Superfuqi.Është gjithashtu e rëndësishme që teoria M lejon ekzistencën e botëve të ndryshme dhe vendos kushtet që sigurojnë shfaqjen e botës sonë. Teoria M nuk është ende mjaft e zhvilluar. Besohet se finalja "teoria e gjithçkaje" në bazë të teorisë M do të ndërtohet në shekullin XXI.

Grimcat elementare janë grimca që kanë ky moment nuk u gjet asnjë strukturë e brendshme. Edhe në shekullin e kaluar, atomet konsideroheshin grimca elementare. Struktura e tyre e brendshme - bërthamat dhe elektronet - u zbulua në fillim të shekullit të 20-të. në eksperimentet e E. Rutherford. Madhësia e atomeve është rreth 10 -8 cm, bërthamat janë dhjetëra mijëra herë më të vogla dhe madhësia e elektroneve është shumë e vogël. Është më pak se 10 -16 cm, siç del nga teoritë dhe eksperimentet moderne.

Kështu, tani elektroni është një grimcë elementare. Sa i përket bërthamave, ato strukturën e brendshme zbuluar menjëherë pas zbulimit të tyre. Ato përbëhen nga nukleone - protone dhe neutrone. Bërthamat janë mjaft të dendura: distanca mesatare midis nukleoneve është vetëm disa herë madhësia e tyre. Për të zbuluar se nga përbëhen nukleonet, u deshën rreth gjysmë shekulli, por në të njëjtën kohë u shfaqën dhe u zgjidhën mistere të tjera të natyrës.

Nukleonet përbëhen nga tre kuarkë, të cilët janë elementarë me të njëjtën saktësi si një elektron, d.m.th., rrezja e tyre është më e vogël se 10 -16 cm Rrezja e nukleoneve - madhësia e zonës së zënë nga kuarkët - është rreth 10 -13 cm. grimca - barione, të përbëra nga tre kuarkë të ndryshëm (ose identikë). Kuarkët mund të formojnë treshe në mënyra të ndryshme, dhe kjo përcakton ndryshimet në vetitë e një barioni, për shembull, ai mund të ketë një rrotullim të ndryshëm.

Për më tepër, kuarkët mund të kombinohen në çifte - mesone, të përbërë nga një kuark dhe një antikuark. Spin-i i mezoneve merr vlera të plota, ndërsa për barionet merr vlera gjysmë të plota. Së bashku barionet dhe mezonet quhen hadrone.

Kuarkët nuk janë gjetur në formë të lirë, dhe sipas koncepteve të pranuara aktualisht, ato mund të ekzistojnë vetëm në formën e hadroneve. Para zbulimit të kuarkeve, hadronet konsideroheshin grimca elementare për ca kohë (dhe ky emër është ende mjaft i zakonshëm në literaturë).

Tregimi i parë eksperimental i strukturë e përbërë hadronet ishin eksperimente mbi shpërndarjen e elektroneve nga protonet në përshpejtuesin linear në Stanford (SHBA), të cilat mund të shpjegoheshin vetëm duke supozuar praninë e disa objekteve pika brenda protonit.

Shumë shpejt u bë e qartë se këto ishin kuarke, ekzistenca e të cilave u supozua edhe më herët nga teoricienët.

Këtu është një tabelë e grimcave elementare moderne. Përveç gjashtë llojeve të kuarkeve (vetëm pesë janë shfaqur deri më tani në eksperimente, por teoricienët sugjerojnë se ekziston edhe një i gjashti), kjo tabelë rendit leptonet - grimca të cilave u përket edhe elektroni. Muoni dhe (kohët e fundit) t-leptoni janë zbuluar gjithashtu në këtë familje. Secila prej tyre ka neutrinën e vet, kështu që leptonet ndahen natyrshëm në tre çifte e, n e; m, n m ;t, n t.

Secili prej këtyre çifteve kombinohet me çiftin përkatës të kuarkeve në një katërfish, i cili quhet brez. Vetitë e grimcave përsëriten brez pas brezi, siç mund të shihet nga tabela. Vetëm masat ndryshojnë. Brezi i dytë është më i rëndë se i pari, dhe brezi i tretë është më i rëndë se i dyti.

Në natyrë, grimcat e gjeneratës së parë gjenden kryesisht, dhe pjesa tjetër krijohen artificialisht në përshpejtuesit e grimcave të ngarkuara ose gjatë bashkëveprimit të rrezeve kozmike në atmosferë.

Përveç spin 1/2 kuarkeve dhe leptoneve, të quajtura kolektivisht grimca të materies, në tabelë renditen grimcat me spin 1. Këto janë kuantet e fushave të krijuara nga grimcat e materies. Nga këto, grimca më e njohur është fotoni, një kuant i fushës elektromagnetike.

Të ashtuquajturat bozone të ndërmjetme W+ dhe W- , të cilat kanë masa shumë të mëdha, u zbuluan së fundmi në eksperimente në banak R-rrezet me energji prej disa qindra GeV. Këta janë bartës të ndërveprimeve të dobëta midis kuarkeve dhe leptoneve. Dhe së fundi, gluonët janë bartës të ndërveprimeve të forta midis kuarkeve. Ashtu si vetë kuarkët, gluonët nuk janë gjetur në formë të lirë, por shfaqen në fazat e ndërmjetme të reaksioneve të krijimit dhe asgjësimit të hadroneve. Kohët e fundit, janë zbuluar avionë hadronësh të gjeneruar nga gluonët. Meqenëse të gjitha parashikimet e teorisë së kuarkeve dhe gluoneve - kromodinamika kuantike - pajtohen me përvojën, nuk ka pothuajse asnjë dyshim për ekzistencën e gluoneve.

Një grimcë me spin 2 është një graviton. Ekzistenca e tij buron nga teoria e gravitetit të Ajnshtajnit, parimet e mekanikës kuantike dhe teoria e relativitetit. Do të jetë jashtëzakonisht e vështirë për të zbuluar gravitonin eksperimentalisht, pasi ai ndërvepron shumë dobët me materien.

Së fundi, tabela me pikëpyetje tregon grimcat me spin 0 (H-mesone) dhe 3/2 (gravitinos); ato nuk janë gjetur eksperimentalisht, por ekzistenca e tyre supozohet në shumë modele teorike moderne.

Grimcat elementare

Hadronet - emer i perbashket për grimcat që marrin pjesë në ndërveprime të forta . Emri vjen nga fjala greke që do të thotë "i fortë, i madh". Të gjithë hadronët janë të ndashëm me dy grupe të mëdha mezonet dhe barionet.

barionet(nga fjala greke që do të thotë "i rëndë") janë hadrone me rrotullim gjysmë të plotë . Barionet më të famshëm janë protoni dhe neutroni . Barionet përfshijnë gjithashtu një numër grimcash me një numër kuantik, të quajtur dikur çuditshmëri. Njësia e çuditshmërisë zotërohet nga barioni lambda (L°) dhe familja e barioneve sigma (S - , S+ dhe S°). Indekset +, -, 0 tregojnë shenjën e ngarkesës elektrike ose neutralitetin e grimcës. Barionët xy (X - dhe X°) kanë dy njësi të çuditshmërisë. Baryon W - ka një çuditshmëri të barabartë me tre. Masat e barioneve të listuara janë rreth një herë e gjysmë më e madhe se masa e protonit, dhe jetëgjatësia e tyre karakteristike është rreth 10 -10 s. Kujtojmë se protoni është praktikisht i qëndrueshëm, ndërsa neutroni jeton më shumë se 15 minuta. Duket se barionet më të rënda janë jetëshkurtër, por në shkallën e mikrokozmosit, kjo nuk është kështu. Një grimcë e tillë, madje duke lëvizur relativisht ngadalë, me një shpejtësi të barabartë, të themi, me 10% të shpejtësisë së dritës, arrin të përshkojë një distancë prej disa milimetrash dhe të lërë gjurmën e saj në detektorin e grimcave elementare. Një nga vetitë e barioneve që i dallon ato nga llojet e tjera të grimcave mund të konsiderohet prania e një ngarkese të ruajtur të barionit. Kjo vlerë paraqitet për të përshkruar fakt i përjetuar qëndrueshmëria në të gjitha proceset e njohura të diferencës midis numrit të barioneve dhe antibarioneve.

Protoni- një grimcë e qëndrueshme nga klasa e hadroneve, bërthama e një atomi hidrogjeni. Është e vështirë të thuhet se cila ngjarje duhet të konsiderohet zbulimi i protonit: në fund të fundit, si një jon hidrogjeni, ai ka qenë i njohur për një kohë të gjatë. Zbulimi i protonit gjithashtu luajti një rol në krijimin nga E. Rutherford model planetar atomi (1911), dhe zbulimi i izotopeve (F. Soddy, J. Thomson, F. Aston, 1906-1919), dhe vëzhgimi i bërthamave të hidrogjenit të rrëzuara nga grimcat alfa nga bërthamat e azotit (E. Rutherford, 1919). Në 1925, P. Blackett mori në dhomën e reve (shih. Detektorë rrezatimi bërthamor) fotografitë e para të gjurmëve të protonit, duke konfirmuar zbulimin e transformimit artificial të elementeve. Në këto eksperimente, grimca a u kap nga një bërthamë azoti, e cila lëshoi ​​një proton dhe u shndërrua në një izotop oksigjeni.

Së bashku me neutronet, protonet formojnë bërthamat atomike të të gjithëve elementet kimike, dhe numri i protoneve në bërthamë përcakton numrin atomik të një elementi të caktuar. Protoni ka një ngarkesë elektrike pozitive të barabartë me ngarkesën elementare, d.m.th. vlere absolute ngarkesa e një elektroni. Kjo është verifikuar eksperimentalisht me një saktësi prej 10 -21 . masë protonike m p \u003d (938,2796 ± 0,0027) MeV ose ~ 1,6-10 -24 g, d.m.th. protoni është 1836 herë më i rëndë se elektroni! Nga këndvështrimi modern, protoni nuk është një grimcë e vërtetë elementare: ai përbëhet nga dy u-kuarke me ngarkesa elektrike +2/3 (në njësi të ngarkesës elementare) dhe një d-kuark me ngarkesë elektrike -1/3. Kuarkët janë të lidhur së bashku nga shkëmbimi i të tjerëve grimcat hipotetike- gluonet, kuantet e fushës që mbartin ndërveprime të forta. Të dhënat e eksperimenteve në të cilat u konsideruan proceset e shpërndarjes së elektroneve nga protonet tregojnë me të vërtetë praninë e qendrave të shpërndarjes së pikave brenda protoneve. Këto eksperimente janë, në një farë kuptimi, shumë të ngjashme me ato të Rutherford-it, që çuan në zbulim bërthama atomike. Duke qenë grimcë e përbërë, protoni ka përmasa të fundme ~ 10 -13 cm, megjithëse, natyrisht, nuk mund të përfaqësohet si një top i fortë. Përkundrazi, protoni i ngjan një reje me një kufi të paqartë, i përbërë nga grimca virtuale që shfaqen dhe asgjësohen.

Protoni, si të gjithë hadronet, merr pjesë në secilin prej tyre ndërveprimet themelore. Kështu që. ndërveprimet e forta lidhin protonet dhe neutronet në bërthama, ndërveprimet elektromagnetike - protonet dhe elektronet në atome. Shembuj të ndërveprimeve të dobëta janë zbërthimi beta i një neutroni ose shndërrimi intranuklear i një protoni në një neutron me emetimin e një pozitroni dhe një neutrine (për një proton të lirë, një proces i tillë është i pamundur për shkak të ligjit të ruajtjes dhe shndërrimit të energji, pasi neutroni ka disa një masë e madhe). Rrotullimi i protonit është 1/2. Hadronet me rrotullim gjysmë të plotë quhen barionë (nga fjala greke për "të rëndë"). Barionet përfshijnë një proton, një neutron, hiperone të ndryshme (L, S, X, W) dhe një numër grimcash me të reja numrat kuantikë, shumica e të cilave ende nuk janë zbuluar. Për të karakterizuar barionet, është futur një numër i veçantë - ngarkesa e barionit, e barabartë me 1 për barionet, - 1 - për antibarionet dhe O - për të gjitha grimcat e tjera. Ngarkesa e barionit nuk është burim i fushës së barionit; ajo u prezantua vetëm për të përshkruar rregullsitë e vërejtura në reaksionet me grimcat. Këto rregullsi shprehen në formën e ligjit të ruajtjes së ngarkesës së barionit: ndryshimi midis numrit të barioneve dhe antibarioneve në sistem ruhet në çdo reagim. Ruajtja e ngarkesës së barionit e bën të pamundur kalbjen e protonit, sepse është më i lehtë nga barionet. Ky ligj është empirik në natyrë dhe, natyrisht, duhet të testohet eksperimentalisht. Saktësia e ligjit të ruajtjes së ngarkesës së barionit karakterizohet nga qëndrueshmëria e protonit, vlerësimi eksperimental për jetëgjatësinë e të cilit jep një vlerë të paktën 1032 vjet.