Елементарните частици

Обяснението на света минава задължително през търсенето и изследването на основните съставни части на материята. Елементарни частици сe наричат такива частици, които са първични, неделими, от които се предполага, че се състои цялата материя.

Тъждественост на елементарните частици

Ето от най-удивителните свойства на елементарни частици, отличаващо тези частици от обикновените неелементарни частици, като например песъчинки или прашинки е това, че всички елементарни частици са еднакви. Например всички електрони във Вселената са абсолютно еднакви или тъждествени. А като следствие, са тъждествени едно на друго и техните най-прости свързани състояния - атомите и простите молекули.

Докога ще делим "неделимите"

Нашето разбиране за структурата на материята се развива постепенно. Стъпка по стъпка се оказва, че светът е подреден не така, както изглежда на пръв поглед и че сложността на едно ниво може да бъде по-лесно обяснена като се детайлизира и премине на следващото ниво.

Какво се случи досега:

• Спорът за структурата на материята е от преди повече от две хиляди години. Според Аристотел материята е непрекъсната, делимостта на веществото е безкрайна, а според Демокрит: съществува една граница на делене на материята - атомът. Поддръжниците на атомистичната теория (Демокрит, Левкип, Анаксагор, Анаксимандър, Епикур) са смятали, че многообразието на света е нищо друго освен комбинация на неизменни частици - атомите.

Еволюция на представите на атома. Илюстрация: edu.delfa.net

• доста по-късно било открито, че атомът се състои от ядро и електрони. През 1897 г. Дж. Томсън открива електрона. Томсън предполага, че атомите, а оттам и цялата материя са съставени от отрицателни електрони, вградени в положителни сфери като сливи в пудинг.
• 1911г. Ърнест Ръдърфорд бомбардирайки атомите на златно фолио с алфа частици установява, че атомът се състои от свръхплътно компактно ядро с положителен заряд и отрицателно заредени леки електрони около него.
• и ядрото се оказва "делимо" на протони и неутрони: През 1919 г. Ръдърфорд в продуктите от разпада на атомните ядра на някои елементи открива протоните. През 1932 г. Джеймс Чадуик открива неутрона.
• в космически лъчи през 1937 г. са били открити частици с маса от 207 пъти масата на електрона, наречени мюони (μ-мезони).
• след това, през годините 1947-1950 били открити пионите (т.е. π-мезони), които според съвременните представи, осъществяват взаимодействието между нуклоните (частиците на ядрото - протони и неутрони), било открито и изследвано взаимното превръщане на протони и неутрони и става ясно, че тези частици не са "неделими" елементарни частици.
• През 1964 г. независимо един от друг Мъри Гел-Ман и Георг Цвайг предложили модела на кварките - частици, от които може би се състоят адроните - протони, неутрони и други..
• днес фундаменталните частици се търсят в 11-тото измерение от струнната теория...

Менажерия от елементарни частици

През следващите години благодарение на развитието на технологията на ускорителите, изследването на космическите лъчи и ядрените реакции, броят на новооткритите частици бързо се разраства и вече броят на субатомните частици е вече над 400.

Те са на третото стъпало на квантовата стълба и са наистина са неделими, поне за достъпните засега мащаби енергия, но не всички са фундаментални, тоест основни, без вътрешна структура. В многообразието на елементарните частици се открива повече или по-малко стройна система на класификация. В долната таблица е представена информация за някои елементарни частици с време на живот повече от 10^–20 сек. Съществуват още частици, които не са влезли в таблицата

Елементарните частици се обединяват в три групи: лептони, адрони и бозони, като последните в тази таблица са представени само от фотоните.

При детайлно изучаване на всеки обект се оказва, че той се състои само от няколко вида елементарни частици: шест кварки и шест лептони. Стандартният модел разглежда частиците като геометрични точки, а всички размерите, показани тук съответстват на масите на частиците

Илюстрация: В мире науки

Характеристики определящи вида на частиците

Най-важните определящи характеристики на субатомните частици са маса, електричен заряд и спин:

• маса

Съотношението на Айнщайн Е =mc² показва, че частици с нулева маса в покой се движат със скоростта на светлината, например фотона. Най-леките частици са лептоните. Протонът и неутронът са почти 2000 пъти по-тежки, а масата на най-тежките частици, създадени в лабораторни условия са 200 000 пъти масата на електрона.

• заряд

Електричният заряд на частиците варира в доста тесни граници: 0, +1 и -1, винаги е кратен на основната единица на заряд. Някои частици като фотоните и неутриното нямат електричен заряд. Ако зарядът за протон се приема за +1, то за електрона е -1.

Кварките имат дробни стойности на електричния си заряд или -1 / 3 или +2 / 3 от елементарния електричен заряд , в зависимост от аромата си. Антикварките имат противоположен заряд на съответните им кварки -2 / 3 или +1 / 3. Тъй като електричния заряд на адрона е сума от зарядите на съставните кварки, всички адрони имат целочислени заряди: такива комбинации от три кварка (бариони), три антикварки (антибариони) или кварк и един антикварк (мезони), така че сборът е винаги целочислен заряд.

• спин

Спинът на частицата е много важна характеристика (за нея си има отделна публикация) и в зависимост от неговата стойност, всички частици са разделени на две групи:

• взаимодействията между материалните частици се поддържат от частици със спин 0, 1 и 2, се наричат "бозони" - в чест на индийския физик Сатиендра Нат Бозе;
• веществото във Вселената се образува от частици с полуцяло число спин (т.е. спин-1/2, или 3/2 - "фермиони" в чест на Енрико Ферми

• античастиците

Всяка частица има своя античастица (виж Антиматерията ) със същата маса, електричен заряд, спин и магнитен момент , само електричният заряд и магнитният момент са противоположни по знак при частиците и античастиците.

При сблъсък на вещество и антивещество, те взаимно се унищожават - анихилират, като отделят гама кванти с огромна енергия ( E = 2mc²) или нова двойка частици.

Лептони

Super-Kamiokande или Super-K, обсерватория за наблюдение на неутрино в Япония. Снимка: Super-Kamiokande

Думата лептон има гръцки произход - λεπτός и означава лек. И наистина, това са най-леките познати частици.Доскоро се смяташе, че електронът е най-леката от частиците с ненулева маса в покой, докато нe се установи (едва през 2011 г), че и неутриното също има маса.

Колкото и малка да е масата на неутриното, количеството му в космоса е толкова голямо, че има важно следствие за обяснението на тъмната материя във Вселената.

Лептоните са фермиони, тоест техният спин е 1/2. Има заредени лептони - електрон, мюон, тау-лептон и неутрални лептони - неутрино. Заредените лептони участват както в слаби, така и в електромагнитните взаимодействия, а след като имат маса, се влияят и от гравитацията. Неутралните лептони (неутринотата) може да се каже, че участват само в слабите взаимодействия, защото масата им е пренебрежимо малка.

Всеки лептон има съответна античастица - антилептон и така общо стават 12. Учените са категорични - няма други лептони за откриване - те са точно 6 х 2, разделени на 3 поколения.

Когато брoят на претендиращите за фундаменталност надхвърли 400, особено когато са толкова разнородни, определено има излишни, тоест съставни частици и трябва да се мине на ново ниво на структуриране. Менажерия от елементарни частици - кои са фундаменталните? (без мащаб) Илюстрация: hetdex.org

Лептоните, заедно с кварките, се смятат до днес за истински елементарни или фундаментални частици, но още през 1974 г. Пати (Jogesh Pati) и Салам (Abdus Salam) предположиха, че кварките и лептоните всъщност се състоят от още "по-елементарни" частици - преони. Тази хипотеза все още няма убедителни потвърждения.  Досега при изследванията в съвременните ускорители на частици, в които се работи с енергии от порядъка на 100 GeV, вътрешна структура у лептоните никога не е била наблюдавана. При адроните обаче не е така - наблюдавани са ясно изразени адронни спектрални линии, които безспорно говорят за наличието на вътрешна структура.

Кварки

През 1964 г. независимо един от друг Мъри Гел-Ман  (Murray Gell-Mann) и Георг Цвайг (George Zweig) предложили модела на кварките - частици, от които може би се състоят адроните.

Три кварки грачат

Името кварк било въведено от Гел-Ман. Думата няма смисъл и е заимствана от романа на Дж. Джойс  "Бдение над Финеган" от:

Three quarks for Muster Mark! Sure he has not got much of a bark And sure any he has it's all beside the mark.

Думата "кварк" в този цитат се предполага, че е звукоподражание на крясъка на чайките. Има и друга версия, според която Джойс е научил думата от немски по време на престоя си във Виена. Немската дума Quark има две значения: 1) извара, 2) глупост.

На вкус и цвят

Днес са известни 6 различни "класа", наричани - "аромати"(flavor) кварки, чиито свойства са дадени в таблицата. В допълнение, за калибровъчно описание за силните взаимодействия се въвежда и допълнителна характеристика, наречена "цвят".

За да се разграничат трите вида, в които се въплъщава всеки от 6-те кварки, се използва термина "цвят". Разбира се, кварките нямат видим цвят. Цвят или цветен заряд е по-сложен аналог на спина, който характеризира взаимодействието между кварки и глуони. Името на тази характеристика е избрано по аналогия с оптиката, където червения, зеления и синия цвят когато смесят дават бял.

Работата е там е, че в рамките на силните взаимодействия е възможно или привличането на две частици с противоположен цвят (цвят и антицвят) или три частици с определена комбинация от цветове, чиято сума дава "бял" цвят, естествено "квантов цвят", а не видим.

Всеки кварк има един от трите цвята, а глуоните - един от 8 цвята или антицвята.

Илюстрация: factroom.ru

На всеки кварк съответства антикварк с противоположни квантови числа, заряд и антицвят.

Кварките са групирани в три "поколения" .  За разлика от лептоните, които имат цял електрически заряд +1, −1 или 0, кварките имат дробен електрически заряд, като във всяко поколение единия кварк има заряд +²/₃, а другия −¹/₃.

Всички кварки имат спин 1/2 , тоест те са фермиони.

Кварките от първо поколение - горен (u) и долен (d) имат най-малки маси от всички кварки. По-тежките кварки бързо се променят в u- и d- кварки чрез процеса на разпад на частиците: трансформация от състояния с по-висока маса в състояния с по-малка. Поради това, че общо взето са стабилни, u- и d- кварките са най-често срещани във Вселената, като има предвид, че останалите кварки могат да се пораждат единствено при високоенергийни сблъсъци, свързани с космически лъчи или в ускорители на частици.

И ето, че се събраха 6*3=18 кварка, всеки със свой собствен аромат и цвят и още толкова антикварка. Повече видове няма - това са всичките, няма други - не че някакъв вид кварките все още не са открити, а има експериментални и теоретични аргументи, че повече видове няма.

Адроните - "най-яките" частици

Името "адрон"  произлиза от гръцки ἁδρός ,  хадрóс и означава як, дебел, масивен. Адроните са множество частици, които се делят на две основни групи според броя на кварките, които ги съставят:

Бариони		Мезони
Барионите ( βαρύς -тежки) се състоят от три кварки от трите цвята (или антицвята), образувайки безцветна комбинация. Съществуват около 120 типа бариони, сред тях са ядрените частици (нуклони) - протоните и неутроните. Бариони са и многочислените хиперони - по-тежки и нестабилни частици, получени в последните години в ускорителите на елементарни частици. Имат полуцяло число спин: 1/2, 3/2. Те са фермиони.		Мезоните се състоят от един кварк и един антикварк с противоположни цветове. Има около 140 типа мезони. Мезони са пионите (π-мезони) и каоните (K-мезони) и други . Спинът им е цяло число 0, 1. Те са бозони.

  Зарядът на адроните се получава от сбора на зарядите на съставящите ги кварки.

Бариони
Мезони

След кварките - накъде?

Историята на откриването на все по-фундаментални и по-фундаментални частици, а също и симетрията между кварките и лептоните (по 3 поколения, 6 частици), ни навеждат на подозрението, че самите кварки може също да се състоят от нещо по-просто. Работното название за тези хипотетични частици е преони. Засега съществуването им не е потвърдено експериментално.

Самите кварки не съществуват в свободно състояние, те винаги са "свързани" помежду си в частици. Това е така, защото силите, които свързват кварките заедно, не намаляват с увеличаването на разстоянието помежду им, а напротив - се увеличават. Това се дължи на свойствата на силното взаимодействие - глуонно поле, което се свързва кварките вътре в адроните. Но затова - в следваща публикация.

Класификация на частиците (мезоните са адрони и бозони, барионите са адрони и фермиони едновременно)

Източници:
Elementary Particles and the World of Planck Scale
CОВРЕМЕННЫЕ ПРОБЛЕМЫ ФИЗИКИ
Story of the Universe, CMS Education
Елегантната вселена, Брайън Грийн
Kvant. елементарние частици
Фундаментальние частици и взаимодействия ,Н.Г. Гончарова 
Элементарные частицы
Глава 6. Физика атома и атомного ядра. Элементарные частицы
Кратка история на времето от големия взрив до черните дупки, Стивън Хокинг
 Particle Physics, The Institute for Particle Physics (IPP) belongs to the Physics Department of the ETH Zürich 
Кварки. елементарние частици. Свойства кварков, Владимир Каланов, “Знания-сила”
Кварки, или откуда берётся масса, Лекция Дмитрия Дьяконова 
Кварки, М.Ю. Хлопов 
Кварки, лептони, калибровочние бозони
Микромир, элементарные частицы, вакуум
How do I know the proton isn’t made of 3 anti-down quarks? , physics.stackexchange.com 
D0 observes b-version omega, cerncourier

Още по темата

19/02/2015

Физика

Бозоните и фундаменталните взаимодействия