Презент. к лекции 1. Фунд. и элем. частицы

вещественные объекты;
молекулы;
атомы;
ядра атомов (нуклиды);
элементарные

частицы;
фундаментальные частицы.

Дираком. Теория Дирака описывала не только электрон с отрицательным электрическим

зарядом, но и аналогичную частицу с положительным зарядом. Позитрон был открыт в 1932 году американским физиком Андерсоном при наблюдении космического излучения, а позднее такую частицу обнаружили и при одном из видов β-распада атомного ядра. Кроме электрического заряда, все остальные характеристики позитрона полностью совпадают с характеристиками электрона. Позитрон был первой античастицей, обнаруженной физиками.
В 1955 г. была обнаружена античастица – антипротон. Вскоре потом был открыт и антинейтрон. Большинство других элементарных частиц также имеют античастицы. Но у фотона, π-мезона и еще нескольких элементарных частиц не существуют отличных от них античастиц. Можно сказать, что они тождественны своим античастицам.
Античастицы рождаются в ядерных реакциях при достаточно больших энергиях, но в веществе они живут очень недолго. Дело в том, что при столкновении частицы и античастицы происходит их аннигиляция (взаимное уничтожение). При этом масса частицы и античастицы и кинетическая энергия превращаются в энергию γ-квантов или других частиц.
Например, при столкновении позитрона и электрона они аннигилируют друг с другом и в результате реакции образуются два или три γ-кванта (фотона) и выделяется энергия, равная полной энергии сталкивающихся частиц, согласно закону сохранения энергии.
Энергия, выделяющаяся при аннигиляции частицы и античастицы сравнима с энергией самой мощной ядерной бомбы – Царь-бомбы.

они взаимодействуют друг с другом. При этом все элементарные частицы

превращаются друг в друга, и эти превращения – главный факт их существования!
В микромире наблюдаются все фундаментальные взаимодействия, которые возможны в макромире: гравитационные, электромагнитные, сильные, т.к. они обладают массой, большинство частиц - электрическим зарядом и нуклоны также являются элементарными частицами.
В мире элементарных частиц был введен еще один вид фундаментальных взаимодействий – слабые взаимодействия.
Слабые взаимодействия, или слабые ядерные взаимодействия, — одно из четырёх фундаментальных взаимодействий в природе, характерное для элементарных частиц. Оно ответственно, в частности, за бета-распад ядра.
Свойства слабых взаимодействий несколько отличаются от других видов фундаментальных взаимодействий. Эти взаимодействия называются слабыми, поскольку два других взаимодействия - сильные и электромагнитные, которые характеризуются значительно большей интенсивностью. Однако они значительно сильнее четвёртого из фундаментальных взаимодействий, гравитационных которые в микромире проявляются совсем незначительно, вследствие ничтожной массы элементарных частиц.
Слабое взаимодействие является сверхкороткодействующим — оно проявляется на расстояниях, значительно меньших размера атомного ядра (характерный радиус взаимодействия 2·10−18 м).
Стандартная модель физики элементарных частиц описывает электромагнитные взаимодействия и слабые взаимодействия как разные проявления единого электрослабого взаимодействия, теорию которого разработали около 1968 года Ш. Глэшоу, А. Салам и С. Вайнберг. За эту работу они получили Нобелевскую премию по физике за 1979 год.

способны рождаться и уничтожаться (испускаться и уничтожаться). В этом отношении

они полностью аналогичны фотонам. Вследствие корпускулярно-волнового дуализма фотона и других элементарных частиц, можно считать, что электромагнитное взаимодействие между заряженными частицами можно описывать двумя способами.
Первый способ – взаимодействие между частицами происходит через электромагнитные поля. Этот способ описания взаимодействий очень удобен в макромире. В мире элементарных частиц. В 40-х г.г. 20 в. была разработана физическая теория квантовых свойств электромагнитного поля, которая получила название – квантовая электродинамика (КЕД). За ее создание Р. Фейнману и двум другим ученым была присуждена Нобелевская премия по физике. КЭД – одна из самых точных научных теорий, известных в настоящее время. Успехи квантовой электродинамики при описании свойств электромагнитного поля навели физиков на мысль рассматривать все элементарные частицы в виде квантов соответствующих физических полей, которые получили названия – квантовые поля.
Второй способ – заключается в том, что взаимодействия между элементарными частицами можно описывать через обмен частицами. Например, переносчиком электромагнитных взаимодействий между элементарными частицами является элементарная частица – фотон или γ-квант.

тем, что в экспериментах с элементарными частицами проявляются, в первую

очередь, именно корпускулярные свойства, т.к. энергия их в ядерных реакциях очень велика и длина волны элементарных частиц настолько мала, что в эксперименте ее обнаружить невозможно.
Началу описания взаимодействий между частицами через обмен частицами было положено еще в 1935 г., когда японский физик Юкава предсказал существование новой элементарной частицы, которая могла бы быть переносчиком сильного взаимодействия между ними. Юкава рассчитал, что эта новая частица должна иметь массу, промежуточную между массами электрона и протона. Она получила название – мезон, который был открыт в 1947 г. в космических лучах. Новая частица в дальнейшем получила название пи-мезон или пион. В последующие годы был открыт целый ряд других мезонов, которые также считались переносчиками сильного взаимодействия. В современной квантовой электродинамике считается, что переносчиками сильных взаимодействий являются частицы, которые получили название – глюоны.
Переносчиками слабого взаимодействия являются частицы, которые получили название - бозоны.
В 1983 г. после интенсивных поисков эти частицы были открыты, благодаря построению мощных ускорителей заряженных частиц.
Гравитационные взаимодействия осуществляются через частицы – гравитоны, которые еще экспериментально не обнаружены.

частиц на встречных пучках, предназначенный для разгона протонов и тяжёлых

ионов (ионов свинца) и изучения продуктов их соударений.
Коллайдер построен с помощью Европейского Совета ядерных исследований, который находится около г. Женева, на границе Швейцарии и Франции. БАК является самой крупной экспериментальной установкой в мире. В строительстве и исследованиях участвовали и участвуют более 10 тысяч учёных и инженеров из более ста стран.
«Большим» он назван из-за своих размеров: длина основного кольца ускорителя составляет 26659 м; «коллайдером» (англ. collider — сталкиватель) — из-за того, что пучки частиц ускоряются в противоположных направлениях и сталкиваются в специальных точках столкновения; «адронным» — из-за того, что он ускоряет адроны, так назвали тяжёлые частицы, которые участвуют в сильных взаимодействиях. Частицы, которые не участвуют в сильном взаимодействии, были названы – лептоны (легкие частицы).
Современные ускорители, в том числе и БАК, сообщают заряженным частицам скорости, близкие к скорости света. Что же происходит при столкновениях частиц сверхвысоких энергий? Они отнюдь не дробятся на составные части. Они рождают новые частицы, в том числе и те, которые были уже известны, т.е. новые частицы нельзя было рассматривать как составные части их «родителей». Однако неделимость элементарных частиц не означает, что у них отсутствует внутренняя структура.

установили, что элементарные частицы в своем большинстве не являются элементарными

в том смысле, что они имеют структуру.
Были проведены опыты, подобные опытам Резерфорда, в которых протоны и нейтроны обстреливались электронами. В результате исследователи выявили внутреннюю структуру этих частиц.
Составляющие протонов и нейтронов назвали кварками.
У кварков и электронов в настоящее время внутренней структуры не обнаружено, поэтому они были названы фундаментальными частицами.
В настоящее время известны два вида фундаментальных частиц. Одни входят в состав элементарных частиц и называются участниками взаимодействий. Вторые обеспечивают фундаментальные взаимодействия между частицами и называются переносчиками взаимодействий.
Элементарные частицы, входящие в состав протонов и нейтронов - участники взаимодействий – разделяются на два вида: кварки и лептоны.
Все фундаментальные частицы называются – фермионы.
Вся Вселенная состоит из 48 фундаментальных частиц или 56 «самых элементарных» частиц (36 кварков, 8 глюонов, 12 лептонов и фотонов)!

г. Это название взято им из книги английского писателя Д.

Джойса «Поминки по Финнегану», герои которой живут странной, с точки зрения нормального человека, жизнью. Кварки – это плод воображения одного из героев романа.
Когда физики стали изучать кварки, то обнаружили у них небычные свойства. Кварки не наблюдаются в свободном состоянии. Являясь составной частью элементарных частиц, они не могут их покинуть. Кварки находятся как бы в заточении внутри этих частиц. В то же время на малых расстояниях внутри элементарных частиц кварки ведут себя как свободные, почти не взаимодействующие друг с другом частицы.
С помощью современных ускорителей элементарных частиц экспериментально обнаружено шесть видов или ароматов кварков: верхний (u), нижний (d), очарованный (с), странный (s), прелестный (b), вершинный или истинный (t). Каждый вид кварков имеет определенное значение массы, электрического заряда, спина и других величин.
Каждый кварк определенного аромата может обладать 3-мя различными цветовыми зарядами: красным, зеленым и синим.
Современное естествознание считает, что из четырех фундаментальных частиц: 2-х видов кварков, электронов и электронных нейтрино и с помощью четырех фундаментальных взаимодействий можно «построить» весь существующий мир!