Мир элементарных частиц Ученые продолжают поиск ответа на вопрос: из каких частиц состоит вся материя? Путь «вглубь материи» не завершен…

Как обнаружить элементарную частицу? Обычно изучают и анализируют следы (траектории или треки), оставленные частицами.

Самый большой в мире детектор элементарных частиц

Треки элементарных частиц в детекторе

Все частицы делятся на два класса: Фермионы, которые составляют вещество; Бозоны, через которые осуществляется взаимодействие. Фермионы подразделяются на лептоны и кварки.

Этапы в развитии физики элементарных частиц г.г. От электрона до позитрона – 1970г.г. От позитрона до кварков. От гипотезы о кварках (1964г) до «Великого объединения»,т.е. до наших дней

Протон нейтрон элементарные частицы Электрон Фотон Элементарная частица – микрообъект, который невозможно разделить на части, но может иметь внутреннюю структуру.

Элементарные частицы – «кирпичики мироздания», из которых состоит атом 1906г. Эрнест Резерфорд предложил планетарную модель атома. 1913г. Нильс Бор объяснил излучение и поглощение энергии атомом водорода. 1931г. П. Дирак предсказал существование позитрона и аннигиляции электрона и позитрона при их взаимодействии.

Античастицы – частицы с одинаковой массой, но с противоположными знаками зарядов. При взаимодействии аннигилируют (исчезают)

АНТИЧАСТИЦЫ – это элементарные частицы, отличающиеся от соответствующих им частиц знаком электрического, барионного и лептонного зарядов, а также некоторых других характеристик. Массы частицы и античастицы строго одинаковы. Античастица чаще всего обозначается тем же символом, что и частица, но с тильдой наверху, например: «n~» – антинейтрон, но антиэлектрон (позитрон) обозначается «е+».Существует несколько частиц, которые в точности совпадают со своими античастицами (например, фотон).

Открытие первой античастицы – позитрона (1932г.) ПОЗИТРОН– элементарная частица с положительным зарядом, равным заряду электрона, с массой, равной массе электрона. Она является античастицей по отношению к электрону.

Электрон – позитронная пара возникает при взаимодействии γ-кванта с веществом. γ е - + е +

Фотографируя траекторию частиц космических лучей в камере Вильсона, Андерсон обнаружил трек, принадлежащий частице с массой e - (а), в магнитном поле частица двигалась по окружности r=(m e- v)/( e - B) (F л =F ц ); ее направление движения было неизвестно и зависело от знака заряда. + В

Для определения движения частицы Андерсон разместил на ее пути свинцовую пластинку толщиной 6мм, тормозившую частицу, r уменьшился (V), движение снизу вверх и обладает (+), т.е. античастица электрона – позитрон е+ В + +

АННИГИЛЯЦИЯ – это один из видов взаимопревращений элементарных частиц, в котором частица и соответствующая ей античастица превращаются в электромагнитное излучение.

Аннигиляция – процесс взаимодействия элементарной частицы с ее античастицей, в результате которой они превращаются в γ-кванты (фотоны) или другие частицы. е - + е + 2 γ Один γ-квант не образуется т.к. одновременно должны быть выполнены законы сохранения импульса и энергии.

Все элементарные частицы превращаются друг в друга 1932г. Карл Андерсон «встретился» с позитроном Начиная с 1932 года было открыто более 400 элементарных частиц. Каждая элементарная частица имеет античастицу. 1969г.- В СССР получен антигелий

Элементарные частицы существуют в 2 х разновидностях: частицы и античастицы Античастицы(ā) – элементарная частица имеющая (по отношению к а) равную массу покоя, одинаковый спин, время жизни и противоположный заряд. Первая античастица обноружена в 1932г. Американским физиком К. Андерсоном в космическом излучении.

Открытие античастиц В 1947г. – антипион 1955г. - антипротон 1956г. – антинейтрон Получены атомы антидейтерия, антитрития, антигелия. Истинно нейтральной частицей является фотон, совпадающий со своей античастицей.

Большинство элементарных частиц имеют сложную структуру 1963г. Мюррей Геллман и Джордж Цвейг предположили, что нуклоны состоят из кварков. 1969г. Кварки были обнаружены экспериментально

Структура атома

Кварковый состав протона и нейтрона

КВАРКИ – это точечные, бесструктурные образования, относящиеся к истинно элементарным частицам, которые были введены для систематизации многочисленных (более сотни) элементарных частиц, открытых в XX веке (электрон, протон, нейтрон и т.д.). Характерной особенностью кварков, не встречающейся у других частиц, является дробный электрический заряд, кратный 1/3 элементарного. Попытки обнаружить кварки в свободном состоянии к успеху не привели.

Кварки имеют дробный электрический заряд u – кварк +2/3 е, d – кварк -1/3 е Протон uud, нейтрон udd При увеличении расстояния между ними сила притяжения неограниченно возрастает, при разрыве связи рождаются новые кварки и антикварки, которые могут объединиться в новые адроны.

Кварки

Кварки (цвет) Каждый аромат (тип) кварков может иметь три цветовых заряда: КРАСНЫЙ, ЗЕЛЕНЫЙ, СИНИЙ. Антикварки имеют антицвета, как бы нейтрализующие цвета: АНТИКРАСНЫЙ-ФИОЛЕТОВЫЙ, АНТИЗЕЛЕНЫЙ-КРАСНЫЙ, АНТИСИНИЙ- ЖЕЛТЫЙ. Цветные кварки образуют бесцветные комплексы

Характеристики кварков Цветовой заряд (цвет): красный, зеленый, синий. Аромат кварков: s - странный, c - очаровательный, b - красивый, t - правдивый Существуют 6 кварков и 6 антикварков, каждый из которых может иметь три цвета. Свободные кварки не наблюдаемы.

Гипотезы…

Кварки (аромат) Кварк (аромат) Заряд кварка Антикварк (аромат) Заряд антикварка u+2/3еũ-2/3е c+2/3еc̃-2/3е t+2/3еt̃-2/3е d-1/3еd̃d̃+1/3е s-1/3еs̃̃+1/3е b-1/3еb̃b̃+1/3е

С 1932г. Открыто более 400 элементарных частиц. Для классификации используют электрический заряд, спин (собственный момент количества движения), время жизни виды взаимодействия.

СПИН – это собственный момент импульса элементарной частицы. Имеет квантовую природу и (в отличие от момента импульса обычных тел) не связан с движением частицы как целого.

БОЗОНЫ Бозоны – частицы с целым спином 0, ħ, 2 ħ …(фотон, мезон) Для бозонов принцип Паули не существует, поэтому в одном энергетическом состоянии может находится любое число бозонов.

ФЕРМИОНЫ Фермионы – частицы с полуцелым спином: ħ /2, 3/2 ħ … (е -, р, n, v е- - электронное нейтрино) Для фермионов справедлив принцип Паули: в одном и том же энергетическом состоянии могут находится не более 2 х фермионов с противоположными спинами.

Виды взаимодействий ГРАВИТАЦИОННОЕ ЭЛЕКТРОМАГНИТНОЕ СИЛЬНОЕ СЛАБОЕ Теория, которая дает единое объяснение сильному, слабому и электромагнитному взаимодействию, называют «Великое объединение». Ученые работают над созданием единой теории взаимодействий

Частицы летят навстречу друг другу…

Фундаментальные взаимодействия Сильное - взаимодействие между кварками (глюоны). Электромагнитное- взаимодействие между электрически заряженными телами. Слабое – взаимодействие между лептонами, а также между лептона и кварками (бозоны). Гравитационное – взаимодействие между всеми частицами (гравитоны).

Всего открыто более 364 элементарных частиц

Гравитационное – взаимодействие между всеми частицами (гравитоны).

НЕЙТРИНО – это легкая (возможно, безмассовая) электрически нейтральная частица, участвующая только в слабом и гравитационном взаимодействиях. Отличительное свойство нейтрино – огромная проникающая способность. Считается, что эти частицы заполняют все космическое пространство со средней плотностью около 300 нейтрино на 1 см 2.

Классификация элементарных частиц По отношению к сильному взаимодействию лептоны адроны (легкий) (большой) не участвуют участвуют 6 частиц, 6 античастиц 300 частиц

Лептоны

Адроны – элементарные частицы, участвующие в сильном взаимодействии. Лептоны – фундаментальная частица, не участвующая в сильном взаимодействии (12 частиц – 6 частиц и 6 античастиц). Все лептоны – фермионы – полуцелый спин. В реакциях слабого взаимодействия лептонов участвуют лептон – нейтринные дублеты. Нейтрино всегда возникает в реакции вместе с определенным лептоном. Для выделения класса лептонов вводят квантовое число – лептонный заряд L. L=1 – для лептонов L=-1 – для антилептонов L=0 – для адронов

Структура адронов Адроны барионы мезоны кварки кварки и антикварки

Адроны имеют сложную внутреннюю структуру, но разделить их на части невозможно. Ряд элементарных частиц являются бесструктурными (фундаментальные) частицами – это частицы, которые до настоящего момента времени не удалось описать как составные.

К классу адронов относится около 300 элементарных частиц, участвующих в сильном взаимодействии Барионы – фермионы со спином ħ/2, 3/2ħ, участвующие в сильном взаимодействии. Мезоны – бозоны со спином 0, ħ участвующие в сильном взаимодействии. Барионы – фермионы со спином ħ/2, 3/2ħ, участвующие в сильном взаимодействии. Барионы – нуклоны, гипероны

ПРОТОН Время жизни протона (10 31 лет) – стабильная частица, все другие адроны распадаются. Американские физики-теоретики Геллман и Цвейг предположили, что адроны являются составными частицами (т.к. их m > чем m лептонов).

Нуклоны Нуклоны (p,n) состоят из 3 х фундаментальных, электрически заряженных частиц, называемых кварками. Экспериментально подтверждено в 1969г. При рассеянии е - с энергией 20ГэВ на протонах и нейтронах. Было обнаружено пространственное распределение электрического заряда в нуклоне

ГИПЕРОНЫ это элементарные частицы, относящиеся к классу барионов наряду с нуклонами (протон, нейтрон). Гипероны более массивны, чем нуклоны, и имеют отличную от нуля характеристику элементарных частиц, называемую странностью.

Любое взаимодействие обусловлено обменом частиц. В 1956г. Американский физик Швингер предположил, что переносчиком слабого взаимодействия являются 2 заряженных промежуточных векторных бозона W + и W -. В 1961г. – американский физик открыл Глэшоу отрицательный и нейтральный бозон. Бета – распад происходит с участием W- бозона. Сначала нейтрон распадается на протон и W -, затем промежуточный бозон W - распадается на е - и v е.

Фундаментальные частицы – кварки и лептоны. Кварки (в сильном взаимодействии), лептоны (не участвующие в сильном взаимодействии) образуют начальный уровень материи Вселенная состоит из 48 фундаментальных частиц

Стандартная модель элементарных частиц

Фундаментальные частицы 6лептонов и 6 антилептонов 18 кварков( 6 кварков 3 цветов) и 18 антикварков 13 переносчиков различных видов взаимодействий Многие физики еще «в пути»!

Линейный ускоритель

Большой линейчатый ускоритель

Ускоритель элементарных частиц

Элементарные частицы могут путешествовать во времени Исследования при помощи уникального прибора – Большого адронного коллайдера – позволят ученым отправлять элементарные частицы в прошлое. Это следует из теории, которую в ближайшее время планируют проверить на этом крупнейшем в мире ускорителе, находящемся на территории Женевы.

Адронный коллайдер

Создание огромного адронного коллайдера в России

Ускоритель элементарных частиц

Физикам впервые удалось в течение относительно длительного времени удерживать атомы антивещества в специальной ловушке. Антиматерия - это "двойник" обычной материи с той разницей, что все частицы антивещества имеют противоположный знак заряда. При взаимодействии частиц вещества и антивещества происходит их взаимное уничтожение.

Американские физики, работающие с ускорителем частиц "Теватрон" в Национальной лаборатории им. Энрико Ферми, готовы объявить о сенсационном открытии. Возможно, им удалось обнаружить новую элементарную частицу или даже новый вид физического взаимодействия