Атомное ядро Атомное ядро центральная часть атома, в которой сосредоточена основная его масса (более 99,9 %). Ядро заряжено положительно, заряд ядра определяет химический элемент, к которому относят атом. Размеры ядер различных атомов составляют несколько фемтометров, что в более чем в 10 тысяч раз меньше размеров самого атома.

Атомное ядро состоит из нуклонов положительно заряженных протонов и нейтральных нейтронов, которые связаны между собой при помощи сильного взаимодействия.

Протон (от др.-греч. πρ τος первый, основной) относится к барионам, имеет спин 1/2, электрический заряд +1 (в единицах элементарного электрического заряда). Масса протона, выраженная в разных единицах, составляет (В скобках указана погрешность величины в единицах последней значимой цифры, одно стандартное отклонение): 938, (21) МэВ; 1, (90) а. е. м. 1, (74)·10 27 кг; 1836, (14) массы электрона. Стабилен (нижнее ограничение на время жизни 2,9·10 29 лет независимо от канала распада, 1,6·10 33 лет для распада в позитрон и нейтральный пион).

Нейтрон (от лат. от латинского корня neutral и суффикса on) частица, не имеющая электрического заряда. Нейтрон является фермионом и принадлежит к классу барионов. Открытие нейтрона (1932) принадлежит физику Дж. Чедвику, за это открытие он получил Нобелевскую премию по физике в 1935 году. Масса (примерно на 0,1378 % больше, чем масса протона): 939,565378(21) МэВ; 1, (43) а. е. м.; 1, (74)·1027 кг; 1838, (16) массы электрона Спин: 1/2 (фермион). Время жизни в свободном состоянии: ± 1.1 секунды (около 15 мин.) (период полураспада 611 секунд). Магнитный момент: 1, (45) ядерного магнетона

Протон состоит из трёх кварков (один d-кварк и два u- кварка). Считается надёжно установленным, что нейтрон является связанным состоянием трёх кварков: одного «верхнего» (u) и двух «нижних» (d) кварков Протоны, нейтроны и другие частицы, которых довольно много, потому что можно по-разному комбинировать сорта кварков, называются барионы. Барионы (от греч. βαρύς тяжёлый) семейство элементарных частиц, сильно взаимодействующие фермионы, состоящие из трёх кварков. Барионы вместе с мезонами (последние состоят из двух кварков) составляют группу элементарных частиц, участвующих в сильном взаимодействии и называемых адронами.

1 нанометр м 1 ангстрем (1 Å) м. 1 пикометр м 1 фемтометр м 1 ангстрем – 100 пикометров 1 нанометр - 10 ангстрем

Стандартная модель Стандартная модель теоретическая конструкция в физике элементарных частиц, описывающая электромагнитное, слабое и сильное взаимодействие всех элементарных частиц. Стандартная модель не является теорией всего, так как не описывает тёмную материю, тёмную энергию и не включает в себя гравитацию.

Под элементарными подразумевают такие частицы, которым нельзя приписать внутренней структуры. Например, α-частица не является элементарной, так как она состоит из двух протонов и двух нейтронов. Основными характеристиками физических свойств элементарных частиц являются их масса, спин, электрический заряд, магнитный момент частицы, время жизни частицы. Большинство элементарных частиц нестабильно (имеют малое среднее время жизни), в свободном состоянии стабильны только протон, электрон и частицы, не имеющие массы покоя (всегда в движении) – фотон, нейтрино.

Стандартная модель состоит из следующих положений: Всё вещество состоит из 24 фундаментальных квантовых полей спина ½, квантами которых являются фундаментальные частицы-фермионы, которые можно объединить в три поколения фермионов: 6 лептонов (электрон, мюон, тау-лептон, электронное нейтрино, мюонное нейтрино и тау-нейтрино), 6 кварков (u, d, s, c, b, t) 12 соответствующих им античастиц. Предполагается, что каждой частице соответствует античастица. Фермион частицы с полуцелым значением спина. Своё название получили в честь физика Энрико Ферми

6 лептонов электрон мюон тау-лептон электронное нейтрино мюонное нейтрино тау-нейтрино

6 кварков (u, d, c, s, t, b) Кварк фундаментальная частица, обладающая электрическим зарядом, кратным e/3, и не наблюдающаяся в свободном состоянии. Кварки являются точечными частицами вплоть до масштаба примерно 0,5·10 19 м, что примерно в 20 тысяч раз меньше размера протона. Из кварков состоят адроны, в частности, протон и нейтрон. В настоящее время известно 6 разных «сортов» (чаще говорят «ароматов») кварков. Кроме того, для калибровочного описания сильного взаимодействия постулируется, что кварки обладают и дополнительной внутренней характеристикой, называемой «цвет». Каждому кварку соответствует антикварк с противоположными квантовыми числами.

Гипотеза о том, что адроны построены из специфических субъединиц, была впервые выдвинута М. Гелл-Манном и, независимо от него, Дж. Цвейгом в 1964 году. Слово «кварк» было заимствовано Гелл-Манном из романа Дж. Джойса «Поминки по Финнегану», где в одном из эпизодов звучит фраза «Three quarks for Muster Mark!» (обычно переводится как «Три кварка для Мастера/Мюстера Марка!»). Само слово «quark» в этой фразе предположительно является звукоподражанием крику морских птиц. Есть другая версия (выдвинутая Р. Якобсоном), согласно которой Джойс усвоил это слово из немецкого во время своего пребывания в Вене. В немецком слово Quark имеет два значения: 1) творог, 2) чепуха. В немецкий же данное слово попало из западнославянских языков (чеш. tvaroh, польск. twaróg «творог»). Гелл-Ман, читал лекцию по теории кварков в Академии наук. Во время обсуждения академик Зельдович спросил его: - А есть ли вообще кварки в природе? -Who knows (кто знает?) – ответил Гелл-Ман. -Тогда почему вы ими занимаетесь? -Why not?

Фундаментальных взаимодействий четыре. 1.Гравитация. Переносчик безмассовый гравитон 2. Слабые взаимодействия (радиус действия м). Переносчик W и Z бозоны 3. Электромагнитные взаимодействия Переносчик безмассовый фотон 4. Сильные взаимодействия (радиус действия м). Переносчик 8 безмассовых глюонов

Кварки участвуют в сильных, слабых и электромагнитных взаимодействиях; Заряжённые лептоны (электрон, мюон, тау-лептон) в слабых и электромагнитных; Нейтрино только в слабых взаимодействиях.

Частицами-переносчиками взаимодействий являются бозоны: один фотон для электромагнитного взаимодействия (группа симметрии. 3 тяжёлых калибровочных бозона (W+, W, Z 0 ) для слабого взаимодействия; 8 глюонов для сильного взаимодействия;

Все знают, что птичка садится на провод, в проводе 500 киловольт, ей ничего не будет. Вот если птичка растянется и одной лапкой возьмётся за один провод, а другой лапкой за другой, вот тут будет нехорошо. Почему? Потому что, сам электрический потенциал U(x,y,z) не наблюдаем. Наблюдаема напряжённость электрического поля E. Напряжённость это градиент потенциала. Иначе говоря, скорость изменения потенциала по оси x, y, z это и называется градиент, и напряжённость электрического поля это есть изменение потенциала.

Этот принцип что наблюдаемо не само значение электрического потенциала, а только его изменение в пространстве и времени был открыт еще в ХIХ веке. А в квантовой теории в современном виде это было сформулировано нашим замечательным учёным В.А. Фоком в 1926 году. Он понял, что есть такой принцип в природе, который он назвал градиентной инвариантностью. В книге Ландау и Лифшица тоже называется по Фоку градиентная инвариантность. Но сейчас, поскольку все пишут по-английски, это понятие называется gauge invariance, по-русски переводится каккалибровочная инвариантность. Gauge слово не очень употребительное даже в английском языке, мы переводим как калибровка, калибр, но первоначально словом gauge обозначалось расстояние между рельсами.

Бозон (от фамилии физика Бозе) частица с целым значением спина. Термин был предложен физиком Полем Дираком. Элементарные бозоны являются квантами калибровочных полей, при помощи которых осуществляется взаимодействие элементарных фермионов (лептонов и кварков) в Стандартной модели. К таким калибровочным бозонам относят: фотон (электромагнитное взаимодействие), глюон (сильное взаимодействие) W± и Z-бозоны (слабое взаимодействие). Кроме этого, к элементарным бозонам относят бозон Хиггса, ответственный за механизм появления масс в электрослабой теории и не обнаруженный до настоящего времени гравитон (гравитационное взаимодействие).

Глюоны (англ. gluon от glue клей) элементарные частицы, являющиеся причиной взаимодействия кварков, а также косвенно ответственные за соединение протонов и нейтронов в атомном ядре. В отличие от единственного фотона или трёх W- и Z-бозонов, переносящих слабое взаимодействие, в КХД существует 8 независимых типов глюонов.

Внешними параметрами стандартной модели являются: массы лептонов (3 параметра, нейтрино принимаются безмассовыми) и кварков (6 параметров), интерпретируемые как константы взаимодействия их полей с полем бозона Хиггса, параметры CKM-матрицы смешивания кварков три угла смешивания и одна комплексная фаза, нарушающая CP- симметрию константы взаимодействия кварков с электрослабым полем, два параметра поля Хиггса, которые связаны однозначно с его вакуумным средним и массой бозона Хиггса, три константы взаимодействия, связанные соответственно с калибровочными группами U(1), SU(2) и SU(3), и характеризующие относительные интенсивности электромагнитного, слабого и сильного взаимодействий.

В связи с тем, что обнаружены нейтринные осцилляции, стандартная модель нуждается в расширении, которое вводит дополнительно 3 массы нейтрино и как минимум 4 параметра PMNS-матрицы смешивания нейтрино, аналогичные CKM- матрице смешивания кварков, и, возможно, ещё 2 параметра смешивания, если нейтрино являются майорановскими частицами. Также в число параметров стандартной модели иногда вводят вакуумный угол квантовой хромодинамики.

По состоянию на конец XX века все предсказания Стандартной модели подтверждались экспериментально, иногда с очень высокой точностью в миллионные доли процента. Только в 2000-е годы стали появляться результаты, в которых предсказания Стандартной модели слегка расходятся с экспериментом, и даже явления, крайне трудно поддающиеся интерпретации в её рамках. С другой стороны, очевидно, что Стандартная модель не может являться последним словом в физике элементарных частиц, ибо она содержит слишком много внешних параметров, а также не включает гравитацию. Поэтому поиск отклонений от Стандартной модели одно из самых активных направлений исследования в 2010-х годах

В рамках стандартной модели в роли кирпичиков выступают кварки, а в роли носителей взаимодействия калибровочные бозоны, которыми эти кварки обмениваются между собой. Теория струн основана на гипотезе, что все элементарные частицы и их фундаментальные взаимодействия возникают в результате колебаний и взаимодействий ультрамикроскопических квантовых струн на масштабах порядка планковской длины м ( на 20 порядков меньше диаметра протона). Подобно гитарной струне, в такой струне могут возбуждаться, помимо основного тона, множество обертонов или гармоник. Каждой гармонике соответствует собственное энергетическое состояние. Совсем уже недавно теория струн получила дальнейшее развитие в виде теории многомерных мембран по сути, это те же струны, но плоские. Как походя пошутил кто-то из ее авторов, мембраны отличаются от струн примерно тем же, чем лапша отличается от вермишели.