From Wikipedia, the free encyclopedia
Във физиката на елементарните частици под елементарна частица се разбира частица, за която няма експериментални доказателства за наличието на вътрешна структура, т.е. не е съставена от други, по-малки частици. Елементарните частици са основните градивни единици на материята; от тях са изградени съставните частици, като протоните и неутроните. Стандартният модел във физиката на елементарните частици подрежда многообразието от елементарни частици и обяснява техните свойства и взаимодействия. В стандартния модел елементарните частици се подреждат в три поколения, като всяко поколение съдържа два кварка – горен и долен, и два лептона – единият е електрически зареден, а другият е електронеутрален. Различните типове взаимодействия между фундаменталните частици се осъществяват чрез преносителите на взаимодействия – така наречените калибровъчни бозони.
В стандартния модел има четири калибровъчни бозона, благодарение на които се осъществяват електромагнитното и слабото взаимодействие и още осем глуонни полета, които пренасят силното взаимодействие между кварките.[1][2]
Атомите са съставени от други, по-малки частици – електрони, протони и неутрони. Протоните и неутроните от своя страна са съставени от още по-малки частици, наричани с общото име кварки. Днес са известни няколкостотин елементарни частици – повече от атомите в периодичната система на елементите. До 70-те години на XX век се е смятало, че един от най-важните въпроси на атомната физика е кои са елементарните частици, с други думи фундаменталните частици – от които са съставени всички други частици в природата и които не са изградени от други, по-малки частици. Днес опитите за единно обяснение на всички частици и явления в микросвета са обединени в т. нар. „теория на всичко“. Една такава теория е например суперструнната теория, но тя все още няма експериментално потвърждение. Днес основната парадигма относно елементарните частици е, че всяка теория като стандартния модел има горна граница на енергиите, при които теорията е валидна. При преминаване към по-високи енергии (което съответства на по-малки разстояния) е нужна нова теория, която може да съдържа нови частици или други обекти, например „струни“. Тази нова теория е подложена на едно много силно ограничение: старата теория трябва да се получи като граничен случай (нискоенергетична граница) на новата теория. Понякога това може да означава, че „старите“ частици са съставни и са изградени от „новите“ такива, но може и „старите“ (нискоенергетичните) частици да съответствуват на „новите“, но да придобиват нови свойства, например ненулева маса. Двете явления се срещат и в стандартния модел, при преход от по-високи енергии към по-ниски. Пример за първото е изграждането на адроните от кварки и глуони, а пример за второто е придобиването на маса от кварките чрез механизма на Хигс или придобиването на маса от адроните.
В зависимост от своя спин елементарните частици се делят на бозони и фермиони, подчиняващи се съответно на статистиката на Бозе—Айнщайн и статистиката на Ферми—Дирак. Частиците, изграждащи материята, са фермиони (имат полуцял спин). Те са разделени на 12 групи, условно наречени аромати. Частиците, изграждащи фундаменталните полета на взаимодействие, са бозоните (имат цял спин).[3]
Преди създаването на стандартния модел (началото на 70-те години на XX век) елементарните частици са били класифицирани въз основа на масата си.
В днешно време елементарните частици се класифицират въз основа на стандартния модел – теория, която систематизира и обяснява всички експериментални наблюдения във физиката на високите енергии и ядрената физика до този миг.
Известни са четири фундаментални взаимодействия (сили) между елементарните частици. Подредени в намаляващ ред, те са: силно, електромагнитно, слабо и гравитационно взаимодействие. Стандартният модел обединява електромагнитното и слабото взаимодействие в едно взаимодействие, наречено електрослабо. Съществуват теории, които разширяват стандартния модел, като обединяват и другите взаимодействия, но тези теории все още не са потвърдени експериментално. Теориите за Великото обединение (началото на 80-те години на XX век) обединяват силното и електрослабото взаимодействие. Суперструнната теория от края на 80-те години на XX век обединява всичките четири взаимодействия. Същото се стреми да направи нейният конкурент – теорията за примкова квантова гравитация (от края на 90-те години на XX век).
Стандартният модел (СМ) съдържа 12 типа (аромата) елементарни фермиони и техните античастици, както и елементарните бозони, които носят фундаменталните взаимодействия.
Стандартният модел е подкрепен с огромен експериментален материал. Някои негови предсказания, например аномалният магнитен момент на електрона, са едни от най-точните в човешкото познание. Съвпадението между теория и експеримент в този случай е 10 части на трилион (10-11). Като всяка добра физическа теория, стандартният модел има граници на валидност. Експериментално той е изучен до енергии от около 150 GeV, които съответстват на разстояния около и над 10-20m. Теоретично той би могъл да е валиден до много по-високи енергии (тъй като всички негови взаимодействия са пренормируеми и константите на взаимодействие се изменят само логаритмично с енергията). В крайна сметка съществува енергетичен мащаб, при който дори теоретично стандартният модел престава да бъде валиден и трябва да бъде заместен от друга теория, на която той е нискоенергетична граница. Стандартният модел, както и всяка друга квантова теория на полето, е фундаментално несъвместим с общата теория на относителността (ОТО). Последната обаче може да бъде линеаризирана и в този орязан вариант да бъде квантувана. Тази теория е непренормируема и бързо губи прогностична стойност. Частицата, която пренася гравитационното взаимодействие в тази квантова теория, се нарича гравитон. Той, както и всички останали ефекти на квантовата гравитация, не е наблюдаван експериментално и няма особени надежди това да се случи скоро. Опити да се създаде високоенергетична теория, която включва стандартния модел и пълната квантова версия на ОТО са суперструнната теория и примковата квантова гравитация. Тези теории също страдат от липса на експериментални потвърждения и такива не се очакват в близко бъдеще.
Много от физиците очакват, че скоро (например в експериментите с големия адронен колайдер в ЦЕРН) ще бъде открита физика отвъд стандартния модел. Една от възможностите е за проявяване на суперсиметрия при мащаба на слабите взаимодействия (който е и енергетичният мащаб на експериментите). Точният вид на теорията, която включва тази суперсиметрия, е неизвестен, но е възможно да се формулира някакво суперсиметрично разширение на стандартния модел. То се нарича минимален суперсиметричен стандартен модел (МССМ) и съдържа много повече свободни параметри от стандартния модел. Това не е особен теоретичен проблем, тъй като МССМ не претендира да бъде фундаменатална теория, а само параметризация на очакваните експериментални резултати. Повече от половината от частиците в МССМ не са открити още. Както във всички суперсиметрични теории, в МССМ на всеки бозон съответства суперсиметричен партньор – фермион, чието име завършва на „-ино“ (например фотон – фотино) и на всеки фермион съответства суперсиметричен партньор – бозон, чието име започва със „с-“ (например електрон – селектрон). Един от най-популярните кандидати за състава натъмната материя е масивният суперсиметричен партньор на някой от неутралните бозони в стандартния модел. Тъй като не е известно на кой точно, тази частица се нарича неутралино.
12-те фундаментални фермиона (6 кварка и 6 лептона) са разделени на 3 поколения (по 4 частици във всяко от тях). Заредените лептони имат отрицателен единичен заряд.
Първо поколение
|
Второ поколение
|
Трето поколение
|
На 12-те елементарни фермиона отговарят 12 антифермиона. Трите заредени лептона имат положителен единичен заряд.
Първо поколение
|
Второ поколение
|
Трето поколение
|
Кварките и антикварките не съществуват в свободни състояния поради свойството на силното взаимодействие, наречено удържане (на английски: confinement). Всеки кварк е носител на един от трите цвята на силното взаимодействие (наречени условно „червен“, „зелен“ и „син“), а антикварките носят съответно три антицвята („античервен“, „антизелен“, „антисин“). Цветните частици взаимодействат чрез обмяна на глуони (така както заредените частици взаимодействат чрез обмяна на фотони) – също носители на цветове. Основно свойство на силното взаимодействие с обмен на цветни частици е, че силата му се увеличава с нарастване на разстоянието между частиците (за разлика от електромагнитното взаимодействие, където се наблюдава обратното).
Като свободни частици в природата се наблюдават само безцветни (или бели) състояния, наречени адрони. Безцветна частица би могла да се получи при взаимодействие на кварк и антикварк, носещи определен цвят и съответния му антицвят. Такива структури се наричат мезони. Друг вариант за получаване на безцветна частица е комбинирането на три кварка (или три антикварка), които носят трите различни цвята (или антицвята). Такива структури се наричат бариони (или съответно антибариони). Протонът и неутронът са примери за адрони – бариони. Съществуват и по-екзотични начини за образуване на стабилни безцветни състояния, които обаче все още са експериментално ненаблюдавани – пентакваркът, например, се състои от 4 кварка и 1 антикварк.
Кварките носят дробен електричен заряд ( или (), който не се наблюдава самостоятелно поради конфайнмънта. Структурите, които образуват, имат сумарен целочислен или нулев заряд. Антикварките носят противоположния на съответния кварк заряд ( или ).
В стандартния модел векторните бозони (със спин 1) (глуоните, фотонът, W и Z бозоните) са преносители на взаимодействията, а скаларният бозон на Хигс (нулев спин) осъществява получаването на маса при частиците.
Глуоните са носители на силното взаимодействие и носят едновременно цвят и антицвят. Глуоните са безмасови частици, но никога не са наблюдавани експериментално, поради конфайнмънта на силното взаимодействие. Тяхното съществуване е доказано по косвен начин от ражданите от тях адронни струи.
Слабите взаимодействия се пренасят от три масивни калибровъчни бозона – два електрически заредени и един неутрален: W+, W− и Z0. Електромагнитното взаимодействие се пренася от безмасов фотон.
Seamless Wikipedia browsing. On steroids.
Every time you click a link to Wikipedia, Wiktionary or Wikiquote in your browser's search results, it will show the modern Wikiwand interface.
Wikiwand extension is a five stars, simple, with minimum permission required to keep your browsing private, safe and transparent.