Стандартная модель
элементарных частиц
Стандартная модель
Стандартная модель — теоретическая конструкция в физике элементарных частиц, описывающая электромагнитное, слабое и сильное взаимодействие всех элементарных частиц. Стандартная модель не включает в себя гравитацию.
Элементарная частица — собирательный термин, относящийся к микрообъектам в субъядерном масштабе, которые невозможно расщепить на составные части
http://ru.wikipedia.org/wiki/%D1%F2%E0%ED%E4%E0%F0%F2%ED%E0%FF_%EC%EE%E4%E5%EB%FC
http://www.neoesoterik.org/poleznaa-informacia/fizika/elementarnye-casticy
www.light-fizika.my1.ru
Стандартная модель
Открытие электрона — 1897 г., Джозеф Томсон
Планетарная модель атома — 1911 г., Эрнест Резерфорд
Открытие протона — 1919 г., Эрнест Резерфорд
Открытие нейтрона — 1932 г., Джеймс Чедвик
www.light-fizika.my1.ru
Стандартная модель
Открытие кварков — 1968 г., Стэнфордский линейный ускоритель
www.light-fizika.my1.ru
Стандартная модель
«Ну, и кто это заказывал?» Исидор Исаак Раби
Открытие мюона — в середине 1930-х г.г., идентична электрону, в 200 раз тяжелее
Открытие нейтрино — 1950-е г.г., Фредерик Райнес и Клайд Коуэн
Чрезвычайно редко взаимодействует с веществом
Предсказано в начале 1930-х Вольфгангом Паули
www.light-fizika.my1.ru
Стандартная модель
Открытие остальных кварков
Более тяжелого родственника электрона
Еще двух видов нейтрино
www.light-fizika.my1.ru
Нейтрино
В процессе β-распада из ядра вылетает электрон. Но совершенно одинаковые ядра испускают электроны различной энергии. Это противоречит ЗСЭ.
Гипотеза В.Паули : Очевидно, рождается еще какая-то частица, уносящая энергию. Это нейтрино («нейтрончик»), или антинейтрино. Эта частица всегда движется со скоростью света; очень слабо взаимодействует с веществом; в процессе движения осциллирует, т.е. превращается в другие виды нейтрино.
www.light-fizika.my1.ru
Стандартная модель
Разделение на поколения
Почему так много частиц, ведь вещество построено из 2-х видов кварков и электрона?
Почему семейств три?
Почему такой разброс масс?
Являются ли свойства случайными или имеют какое-то разумное объяснение?
www.light-fizika.my1.ru
Стандартная модель
Основные свойства элементарных частиц — микроскопические размеры и масса обусловливают квантовое поведение;
Способность рождаться и уничтожаться (испускаться и поглощаться)
www.light-fizika.my1.ru
Адроны
— частицы, участвующие во всех видах фундаментальных взаимодействий. Они состоят из кварков и подразделяются, в свою очередь, на:
мезоны — адроны с целым спином, то есть являющиеся бозонами;
барионы — адроны с полуцелым спином, то есть фермионы. К ним, в частности, относятся частицы, составляющие ядро атома, — протон и нейтрон .
Адроны подразделяются на обычные (нестранные) ч-цы (протон, нейтрон, p-мезоны), странные ч-цы, «очарованные» и «красивые» ч-цы. Этому делению отвечает наличие у адронов особых квант. чисел: странности S, «очарования» С и «красоты» b. Внутри разных групп адронов имеются семейства ч-ц, близких по массе, с очень сходными св-вами по отношению к сильному вз-ствию, но с разл. значениями электрич. заряда. Э. ч., входящие в каждое такое семейство (простейший пример к-рого — протон и нейтрон), имеют общее квант. число — изотопический спин I (см. Изотопическая инвариантность), принимающий, как и обычный спин, целые и полуцелые значения. Семейства наз. изотопич. мультиплетами.
www.light-fizika.my1.ru
Принципы внутренней симметрии
Протон и нейтрон – частицы, симметричные относительно сильного взаимодействия: почти одинаковая масса, одинаковый спин,
одинаковые ядерные силы
Группы Ли (SU(3)) описывают структуру семейств множества элементарных частиц на основе математической теории групп: полного набора преобразований, оставляющего что-либо неизменным
В конце 50-х г.г. Возникло более широкое понимание внутренней симметрии, что привело к образованию значительно более обширных семейств частиц с одинаковым спином и близкими массами: протон, нейтрон и 6 гиперонов
www.light-fizika.my1.ru
Адроны
Hadros — большой, сильный (сильно взаимодействующие частицы)
www.light-fizika.my1.ru
Адроны
Мезоны — частицы, состоящие из кварка и антикварка
www.light-fizika.my1.ru
Фермионы
Кварк-лептонная симметрия
Все адроны являются комбинациями кварков . Такое допущение было сделано в 1964 г. (Г. Цвейгом и независимо от него М. Гелл-Маном, США).
Всё многообразие адронов возникает за счёт различных сочетаний u- , d-, s-, с- и b-кварков, образующих связанные состояния. Обычным адронам (напр., нуклонам, p-мезонам) соответствуют связанные состояния, построенные только из u- и d-кварков [для мезонов с возможным участием комбинаций (ss ~ ), (cc ~ ), (bb ~ ) ]. Наличие в связанном состоянии, наряду с u- и d-кварками, одного s-, с- или b-кварка означает, что соответствующий адрон странный (S=-1), «очарованный» (С = + 1) или «красивый» (b=+1). В состав бариона могут входить два и три s-кварка (соотв. с- или 6-кварка), возможны и их более сложные сочетания.
Допуская наличие ч-ц (кварков), связанных с этим простейшим представлением, можно заключить, что все адроны явл. комбинациями кварков. Такое допущение было сделано в 1964 (Г. Цвейг и независимо от него М. Гелл-Ман, США). Исходя из SU(3)- симметрии, они предположили наличие трёх фундам. ч-ц со спином 1 / 2 : u-, d-, s-кварков (совр. обозначения), из к-рых построены адроны. Наблюдаемая размерность унитарных мультиплетов (8 и 10) была воспроизведена при допущении, что мезоны составлены из кварка (q) и антикварка ( q ~ ),— символически: М=(qq ~ ), a барионы из трёх кварков,— символически: В=(qqq). В дальнейшем с учётом новых эксперим. фактов эта модель строения адронов была расширена путём включения в неё ещё двух кварков: «очарованного» (с) и «красивого» (b). Все эксперим. данные хорошо согласуются с предлож. моделью.
Всё многообразие адронов возникает за счёт разл, сочетаний u- , d-, s-, с- и b-кварков, образующих связ. состояния. Обычным адронам (напр., нуклонам, p-мезонам) соответствуют связ. состояния, построенные только из u- и d-кварков [для мезонов с возможным участием комбинаций (ss ~ ), (cc ~ ), (bb ~ ) ]. Наличие в связ. состоянии, наряду с u- и d-кварками, одного s-, с- или b-кварка означает, что соответствующий адрон странный (S=-1), «очарованный» (С = + 1) или «красивый» (b=+1). В состав бариона могут входить два и три s-кварка (соотв. с- или 6-кварка), возможны и их более сложные сочетания.
www.light-fizika.my1.ru
Фермионы
www.light-fizika.my1.ru
Фермионы
Ненаблюдаемость свободных кварков, по-видимому, носит принципиальный характер. Существуют теоретические и экспериментальные доводы в пользу того, что силы, действующие между кварками, не ослабевают с расстоянием, т. е. для отделения кварков друг от друга требуется бесконечно большая энергия, или, иначе, возникновение кварков в свободном состоянии невозможно. Это делает их совершенно новым типом структурных единиц вещества. Возможно, что кварки выступают как последняя ступень дробления адронной материи.
Ненаблюдаемость свободных кварков, по-видимому, носит принципиальный хар-р. Существуют теор. и эксперим. доводы в пользу того, что силы, действующие между кварками, не ослабевают с расстоянием, т. е. для отделения кварков друг от друга требуется бесконечно большая энергия, или, иначе, возникновение кварков в свободном состоянии невозможно. Это делает их совершенно новым типом структурных единиц в-ва. Возможно, что кварки выступают как последняя ступень дробления адронной материи.
www.light-fizika.my1.ru
Виды взаимодействий
- Вызывает процессы, протекающие с наибольшей, по сравнению с другими процессами, интенсивностью Обусловливает связь протонов и нейтронов в ядрах атомов Время протекания процессов 10 -23 с
- Вызывает процессы, протекающие с наибольшей, по сравнению с другими процессами, интенсивностью
- Обусловливает связь протонов и нейтронов в ядрах атомов
- Время протекания процессов 10 -23 с
Сильное
- процессы менее интенсивны, чем процессы сильного взаимодействия, а порождаемая им связь частиц заметно слабее Обусловливает связь атомарных электронов с ядрами и связь атомов в молекулах Время протекания процессов 10 -20 с
- процессы менее интенсивны, чем процессы сильного взаимодействия, а порождаемая им связь частиц заметно слабее
- Обусловливает связь атомарных электронов с ядрами и связь атомов в молекулах
- Время протекания процессов 10 -20 с
Электро магнитное
Слабое
- вызывает очень медленно протекающие процессы, в том числе распады квазистабильных элементарных частиц, времена жизни большинства которых лежат в диапазоне 10 -6 —10 -14 с
- вызывает очень медленно протекающие процессы, в том числе распады квазистабильных элементарных частиц, времена жизни большинства которых лежат в диапазоне 10 -6 —10 -14 с
www.light-fizika.my1.ru
Переносчики взаимодействий
три промежуточных векторных бозона W+, W− и Z0, переносящие слабое взаимодействие
фотон — частица, переносящая электромагнитное взаимодействие
глюоны — частицы, переносящие сильное взаимодействие
www.light-fizika.my1.ru
Свойства взаимодействий
www.light-fizika.my1.ru
Глюоны
Глюонные силы, связывающие кварки в протоне, не ослабевают при удалении одного кварка от другого. В результате при попытке «вырвать» кварк из протона глюонное поле порождает дополнительную кварк-антикварковую пару, и от протона уже отделяется не кварк, а пи-мезон. Пи-мезон уже может улететь сколь угодно далеко от протона, потому что силы между адронами ослабевают с расстоянием
www.light-fizika.my1.ru
Фундаментальные (бесструктурные) частицы
- лептоны — фермионы, которые имеют вид точечных частиц (т. е. не состоящих ни из чего) вплоть до масштабов порядка 10−18 м. Не участвуют в сильных взаимодействиях. Участие в электромагнитных взаимодействиях экспериментально наблюдалось только для заряженных лептонов (электроны, мюоны, тау-лептоны) и не наблюдалось для нейтрино. Известны 6 типов лептонов.
- кварки — дробнозаряженные частицы, входящие в состав адронов. В свободном состоянии не наблюдались (для объяснения отсутствия таких наблюдений предложен механизм конфайнмента). Как и лептоны, делятся на 6 типов и считаются бесструктурными, однако, в отличие от лептонов, участвуют в сильном взаимодействии.
- калибровочные бозоны — частицы, посредством обмена которыми осуществляются взаимодействия:
- фотон — частица, переносящая электромагнитное взаимодействие;
- восемь глюонов — частиц, переносящих сильное взаимодействие;
- три промежуточных векторных бозона W+, W− и Z0, переносящие слабое взаимодействие;
- гравитон — гипотетическая частица, переносящая гравитационное взаимодействие. Существование гравитонов, хотя пока не доказано экспериментально в связи со слабостью гравитационного взаимодействия, считается вполне вероятным; однако гравитон не входит в Стандартную модель элементарных частиц.
www.light-fizika.my1.ru
Антивещество
Существование античастицы электрона – позитрона – было предсказано Полем Дираком в 1931 г., обнаружен через год в камере Вильсона
www.light-fizika.my1.ru
6 10 29 -1 τ стабильно 3) L Мезоны- переносчики взаимодействия ν τ 0 1 B 2,2 10 -6 1784 0 -1 γ стабильно 3) S 0 W 0 C 0 5 10 -13 Z 0 1 -1 0 стабильно 3) 8,3 10 4 глюон 9,3 10 4 стабилен 0 0 3 10 -25 0 0 3 10 -25 0 0 стабилен 6) 0 0 0 Q - Электрический заряд, L - Лептонный заряд, B - Барионный заряд, S - Странность, C - Очарование " width="640"
Сколько существует элементарных частиц?
Если не считать самые короткоживущие частицы – резонансы – и векторные бозоны, получается таблица из 39 частиц и античасиц. Всего частиц более 200.
Тип частицы
Лептоны
Символ
e -
Масса m , МэВ
Спин
ν e
0,511
μ -
1/2
Время жизни, с
Q
105
ν μ
6 10 29
-1
τ
стабильно 3)
L
Мезоны- переносчики взаимодействия
ν τ
0
1
B
2,2 10 -6
1784
0
-1
γ
стабильно 3)
S
0
W
0
C
0
5 10 -13
Z 0
1
-1
0
стабильно 3)
8,3 10 4
глюон
9,3 10 4
стабилен
0
0
3 10 -25
0
0
3 10 -25
0
0
стабилен 6)
0
0
0
Q - Электрический заряд, L - Лептонный заряд, B - Барионный заряд, S - Странность, C - Очарование
10 38 0 +1 1189 900 Σ0 0 2,6 10 -10 0 0 0 Σ- +1 1192 0 +1 1 Ξ 0 1197 -1 0,8 10 -10 +1 +1 Ξ - 0 1315 6 10 -20 0 0 0 1,5 10 -10 1321 Ω - -1 Λ + 0 -1 2,9 10 -10 1672 0 -1 0 2280 1,6 10 -10 -1 0 0,8 10 -10 -1 -1 -1 0 ~ 10 -13 +1 0 -2 0 -2 0 -3 0 0 1 " width="640"
Сколько существует элементарных частиц?
Мезоны (адроны)
π 0
π +
135
140
K 0
0
K +
498
0,8 10 -16
494
0
2,6 10 -8
η 0
η +
+1
1864
0
F +
0
1869
Барионы (адроны)
1,2 10-8
0
p
+1
5 10 -13
0
2020
938,3
0
0
0
n
~ 10 -12
1/2
Λ
+1
0
939,6
2 10 -13
+1
0
+1
Σ+
1115
+1
10 38
0
+1
1189
900
Σ0
0
2,6 10 -10
0
0
0
Σ-
+1
1192
0
+1
1
Ξ 0
1197
-1
0,8 10 -10
+1
+1
Ξ -
0
1315
6 10 -20
0
0
0
1,5 10 -10
1321
Ω -
-1
Λ +
0
-1
2,9 10 -10
1672
0
-1
0
2280
1,6 10 -10
-1
0
0,8 10 -10
-1
-1
-1
0
~ 10 -13
+1
0
-2
0
-2
0
-3
0
0
1
Элементарные частицы
www.light-fizika.my1.ru
Красота как критерий истинности
Теория тяготения Ньютона
Менее красива
14 уравнений; ничего нельзя изменить без разрушения всей теории
3 уравнения; нестрогая (можно изменить вид зависимости без изменения теории)
Теория относительности Эйнштейна
Более красива
26
www.light-fizika.my1.ru
26
Получите свидетельство
Вход
Стандартная модель элементарных частиц (4.39 MB)
0
1117
117
Нравится
0
