Cząstka elementarna - Elementary particle

W fizyce cząstek An elementarna cząstka lub podstawowym cząstek jest subatomową cząstek , że nie składa się z innymi cząsteczkami. Cząstki obecnie uważane za elementarne obejmują fundamentalne fermiony ( kwarki , leptony , antykwarki i antyleptony ), które generalnie są „ cząstkami materii ” i „ cząstkami antymaterii ”, a także fundamentalne bozony ( bozony cechowania i bozon Higgsa ), które generalnie są to " cząstki siły ", które pośredniczą w interakcjach między fermionami. Cząstka zawierająca dwie lub więcej cząstek elementarnych jest cząstką złożoną .

Zwykła materia składa się z atomów , niegdyś uważanych za cząstki elementarne – atomos oznaczające po grecku „niemożliwy do przecięcia” – chociaż istnienie atomu pozostawało kontrowersyjne do około 1905 roku, ponieważ niektórzy czołowi fizycy uważali cząsteczki za matematyczne złudzenia, a materię jako ostatecznie złożoną. od energii . Subatomowe składniki atomu zostały po raz pierwszy zidentyfikowane na początku lat 30. XX wieku; elektronów i protonów , wraz z fotonu , cząstki z promieniowaniem elektromagnetycznym . W tym czasie niedawne pojawienie się mechaniki kwantowej radykalnie zmieniło koncepcję cząstek, ponieważ pojedyncza cząstka mogła pozornie obejmować pole jak fala , co jest paradoksem wciąż niewyjaśniającym zadowalającego wyjaśnienia.

Dzięki teorii kwantowej odkryto , że protony i neutrony zawierają kwarkigórne i dolne – obecnie uważane za cząstki elementarne. A w cząsteczce , trzy stopnie swobody elektronu ( ładunek , spin , orbita ) mogą się rozdzielić poprzez funkcję falową na trzy quasicząstki ( holon , spinon i orbiton ). Jednak swobodny elektron – taki, który nie krąży wokół jądra atomowego, a zatem nie ma ruchu orbitalnego – wydaje się niepodzielny i pozostaje uważany za cząstkę elementarną.

Około 1980 roku status cząstki elementarnej jako rzeczywiście elementarnej – ostatecznego składnika substancji – został w większości odrzucony na rzecz bardziej praktycznego spojrzenia, ucieleśnionego w Modelu Standardowym fizyki cząstek elementarnych , który jest znany jako teoria, która odniosła największy sukces doświadczalny w nauce. Wiele opracowań i teorii wykraczających poza Model Standardowy , w tym popularna supersymetria , podwaja liczbę cząstek elementarnych poprzez założenie, że każda znana cząstka wiąże się z dużo masywniejszym partnerem „cienia”, chociaż wszyscy tacy superpartnerzy pozostają nieodkryci. Tymczasem elementarny bozon pośredniczący w grawitacjigrawiton – pozostaje hipotetyczny. Ponadto, zgodnie z niektórymi hipotezami, czasoprzestrzeń jest skwantowana, więc w obrębie tych hipotez prawdopodobnie istnieją „atomy” samej przestrzeni i czasu.

Przegląd

Wszystkie cząstki elementarne są albo bozonami, albo fermionami . Klasy te wyróżniają się statystyką kwantową : fermiony podlegają statystyce Fermiego-Diraca, a bozony podlegają statystyce Bosego-Einsteina . Ich spin różnicuje twierdzenie o statystyce spinowej : dla fermionów jest to liczba połówkowa , a dla bozonów liczba całkowita .

Cząstki elementarne
Fermiony elementarneHalf-całkowitą wirowaniaStosuj się do statystyk Fermiego-Diraca Bozony elementarneInteger wirowaniaStosuj się do statystyk Bosego-Einsteina
Kwarki i antykwarkiObrót = 1/2Miej ładunek kolorowy!Uczestniczyć w silnych interakcjach Leptony i antileptonsObrót = 1/2Brak opłaty za kolor!elektrosłabej interakcje Bozony wskaźnikoweSpin = 1, 2  [‡]Przewoźnicy sił Bozony skalarneSpin = 0
Trzy generacje
  1. W górę (u), w
    dół (d)
  2. Urok (c),
    Dziwne (s)
  3. Góra (t),
    dół (b)
Trzy generacje
  1. elektron (
    mi
    ),  [†]
    neutrino elektronowe (
    ν
    mi
    )
  2. Mion (
    μ
    ),
    neutrino mionowe (
    ν
    μ
    )
  3. Tau (
    τ
    ),
    neutrino tawowe (
    ν
    τ
    )
Unikalny

bozon Higgsa (
h0
)

Uwagi :
[†] Antyelektron (
mi+
) jest zwyczajowo nazywany „ pozytonem ”.
[‡]Wszystkie znane bozony przenoszące siły mają spin = 1 i dlatego są bozonami wektorowymi. Hipotetyczny grawiton ma spin = 2 i jest bozonem tensorowym; nie wiadomo, czy jest to również bozon miernika.

W Modelu Standardowym cząstki elementarne są reprezentowane dla celów predykcyjnych jako cząstki punktowe . Choć niezwykle udany, Model Standardowy ogranicza się do mikrokosmosu przez pominięcie grawitacji i ma pewne parametry dodane arbitralnie, ale niewyjaśnione.

Kosmiczna obfitość cząstek elementarnych

Zgodnie z obecnymi modelami nukleosyntezy Wielkiego Wybuchu , pierwotny skład widzialnej materii Wszechświata powinien wynosić około 75% wodoru i 25% helu-4 (w masie). Neutrony składają się z jednego kwarka górnego i dwóch dolnych, natomiast protony z dwóch kwarków górnego i jednego dolnego. Ponieważ inne powszechne cząstki elementarne (takie jak elektrony, neutrina lub słabe bozony) są tak lekkie lub tak rzadkie w porównaniu z jądrami atomowymi, możemy pominąć ich wkład masowy w całkowitą masę obserwowalnego Wszechświata. Można zatem stwierdzić, że większość widocznej masy Wszechświata składa się z protonów i neutronów, które, jak wszystkie bariony , z kolei składają się z kwarków górnych i dolnych.

Niektóre szacunki sugerują, że w obserwowalnym wszechświecie znajduje się około 10 80 barionów (prawie w całości protony i neutrony).

Liczba protonów w obserwowalnym wszechświecie nazywana jest liczbą Eddingtona .

Jeśli chodzi o liczbę cząstek, niektóre szacunki sugerują, że prawie cała materia, z wyjątkiem ciemnej materii , występuje w neutrinach, które stanowią większość z około 10 86 elementarnych cząstek materii występujących w widzialnym wszechświecie. Inne szacunki sugerują, że w widzialnym wszechświecie istnieje około 10 97 cząstek elementarnych (nie licząc ciemnej materii ), głównie fotony i inne bezmasowe nośniki sił.

Model standardowy

Model Standardowy fizyki cząstek elementarnych zawiera 12 rodzajów fermionów elementarnych oraz odpowiadające im antycząstki , a także bozony elementarne pośredniczące w oddziaływaniach oraz bozon Higgsa , o którym 4 lipca 2012 r. doniesiono, że prawdopodobnie został wykryty przez dwa główne eksperymenty w Wielkim Zderzaczu Hadronów ( ATLAS i CMS ). Jednak Model Standardowy jest powszechnie uważany za tymczasowy teoria zamiast naprawdę fundamentalna, ponieważ nie wiadomo, czy jest on zgodny z Einsteina „s ogólnej teorii względności . Mogą istnieć hipotetyczne cząstki elementarne nieopisane przez Model Standardowy, takie jak grawiton , czyli cząstka, która przeniosłaby siłę grawitacyjną , oraz scząstki , supersymetryczne współtowarzyszy zwykłych cząstek.

Podstawowe fermiony

12 podstawowych fermionów jest podzielonych na 3  generacje po 4 cząstki każda. Połowa fermionów to leptony , z których trzy mają ładunek elektryczny -1, zwany elektronem (
mi
), mion (
μ
) i tau (
τ
); pozostałe trzy leptony to neutrina (
ν
mi
,
ν
μ
,
ν
τ
), które są jedynymi fermionami elementarnymi bez ładunku elektrycznego ani barwnego. Pozostałe sześć cząstek to kwarki (omówione poniżej).

Pokolenia

Generacje cząstek
Leptony
Pierwsza generacja Drugie pokolenie Trzecia generacja
Nazwa Symbol Nazwa Symbol Nazwa Symbol
elektron
mi
mion
μ
tau
τ
neutrino elektronowe
ν
mi
neutrino mionowe
ν
μ
neutrino tau
ν
τ
Kwarki
Pierwsza generacja Drugie pokolenie Trzecia generacja
kwark górny
ty
kwark powabny C kwark górny
T
kwark dolny
D
dziwny kwark
s
kwark dolny
b

Masa

Poniższa tabela przedstawia aktualne zmierzone masy i szacunki masy dla wszystkich fermionów, stosując tę ​​samą skalę pomiaru: miliony elektronowoltów w stosunku do kwadratu prędkości światła (MeV/c 2 ). Na przykład najdokładniej znana masa kwarka dotyczy kwarka górnego (
T
) przy 172,7  GeV /c 2 lub 172 700  MeV /c 2 , oszacowane za pomocą schematu na powłoce .

Aktualne wartości elementarnych mas fermionowych
Symbol cząstek Nazwa cząstki Wartość masy Schemat szacowania masy kwarków (punkt)

ν
mi
,
ν
μ
,
ν
τ
Neutrino
(dowolny typ)
< 2  eV/c 2

mi
Elektron 0,511  MeV/c 2

ty
kwark górny 1,9  MeV/c 2 Schemat MSbar ( μ MS = 2 GeV)

D
kwark dolny 4,4  MeV/c 2 Schemat MSbar ( μ MS = 2 GeV)

s
Dziwny kwark 87 MeV/c 2 Schemat MSbar ( μ MS = 2 GeV)

μ
Mion
( Mu lepton )
105,7  MeV/c 2

C
Kwarc urok 1 320  MeV/c 2 Schemat MSbar ( μ MS = m c )

τ
Tauon ( tau lepton ) 1 780  MeV/c 2

b
Kwark dolny 4 240  MeV/c 2 Schemat MSbar ( μ MS = m b )

T
Górny kwark 172 700  MeV/c 2 Schemat na powłoce

Szacunki wartości mas kwarków zależą od wersji chromodynamiki kwantowej używanej do opisu oddziaływań kwarków. Kwarki są zawsze zamknięte w otoczce gluonów, które nadają znacznie większą masę mezonom i barionom, w których występują kwarki, więc wartości mas kwarków nie można zmierzyć bezpośrednio. Ponieważ ich masy są tak małe w porównaniu z efektywną masą otaczających gluonów, niewielkie różnice w obliczeniach powodują duże różnice w masach.

Antycząstki

Istnieje również 12 podstawowych antycząstek fermionowych, które odpowiadają tym 12 cząstkom. Na przykład antyelektron (pozyton)
mi+
jest antycząstką elektronu i ma ładunek elektryczny +1.

Generacje cząstek
Antyleptony
Pierwsza generacja Drugie pokolenie Trzecia generacja
Nazwa Symbol Nazwa Symbol Nazwa Symbol
pozyton
mi+
antymion
μ+
antytau
τ+
antyneutrino elektronowe
ν
mi
antyneutrino mionowe
ν
μ
antyneutrino tau
ν
τ
Antykwarki
Pierwsza generacja Drugie pokolenie Trzecia generacja
w górę antykwark
ty
urok antykwark
C
górny antykwark
T
dół antykwark
D
dziwny antykwark
s
dolny antykwark
b

Kwarki

Izolowane kwarki i antykwarki nigdy nie zostały wykryte, fakt ten tłumaczy się zamknięciem . Każdy kwark nosi jeden z trzech ładunek koloru o silnej interakcji ; antykwarki podobnie niosą antykolor. Cząstki naładowane kolorem oddziałują poprzez wymianę gluonową w taki sam sposób, jak naładowane cząstki oddziałują poprzez wymianę fotonów . Jednak gluony same są naładowane kolorem, co skutkuje wzmocnieniem silnej siły, gdy cząstki naładowane kolorem są oddzielane. W przeciwieństwie do siły elektromagnetycznej , która zmniejsza się, gdy naładowane cząstki oddzielają się, cząstki naładowane kolorem odczuwają rosnącą siłę.

Jednak kolorowe cząstki mogą się łączyć, tworząc neutralne kolorystycznie cząstki kompozytowe zwane hadronami . Kwark może łączyć się w parę z antykwarkiem: kwark ma kolor, a antykwark odpowiada mu antykolor. Kolor i antykolor znoszą się, tworząc neutralny kolorystycznie mezon . Alternatywnie, trzy kwarki mogą istnieć razem, jeden kwark jest „czerwony”, inny „niebieski”, inny „zielony”. Te trzy kolorowe kwarki razem tworzą neutralny kolorystycznie barion . Symetrycznie trzy antykwarki o kolorach „antired”, „antiblue” i „antigreen” mogą tworzyć neutralny kolorystycznie antybarion .

Kwarki przenoszą również ułamkowe ładunki elektryczne , ale ponieważ są one zamknięte w hadronach, których ładunki są integralne, ładunki ułamkowe nigdy nie zostały wyizolowane. Zauważ, że kwarki mają ładunki elektryczne + 23 lub − 13 , podczas gdy antykwarki mają odpowiednie ładunki elektryczne − 23 lub + 13 .

Dowód na istnienie kwarków pochodzi z głębokiego rozpraszania nieelastycznego : wystrzeliwanie elektronów w jądra w celu określenia rozkładu ładunku w nukleonach (które są barionami). Jeśli ładunek jest jednorodny, pole elektryczne wokół protonu powinno być jednorodne, a elektron powinien rozpraszać się elastycznie. Elektrony o niskiej energii rozpraszają się w ten sposób, ale powyżej określonej energii protony odchylają niektóre elektrony pod dużymi kątami. Odrzucany elektron ma znacznie mniej energii i emitowany jest strumień cząstek . To nieelastyczne rozpraszanie sugeruje, że ładunek w protonie nie jest jednorodny, ale jest rozdzielony na mniejsze naładowane cząstki: kwarki.

Podstawowe bozony

W Modelu Standardowym bozony wektorowe ( spin -1) ( gluony , fotony oraz bozony W i Z ) pośredniczą w siłach, natomiast bozon Higgsa (spin-0) odpowiada za masę wewnętrzną cząstek. Bozony różnią się od fermionów tym, że wiele bozonów może zajmować ten sam stan kwantowy ( zasada wykluczenia Pauliego ). Ponadto bozony mogą być elementarne, jak fotony, lub kombinacją, jak mezony . Spin bozonów to liczby całkowite, a nie połówkowe.

Gluony

Gluony pośredniczą w oddziaływaniu silnym , które łączą się z kwarkami i w ten sposób tworzą hadrony , które są albo barionami (trzy kwarki), albo mezonami (jeden kwark i jeden antykwark). Protony i neutrony to bariony połączone gluonami, tworzące jądro atomowe . Podobnie jak kwarki, gluony wykazują kolor i antykolor – niezwiązane z koncepcją koloru wizualnego, a raczej silnymi oddziaływaniami cząstek – czasami w kombinacjach, łącznie osiem odmian gluonów.

Bozony elektrosłabe

Istnieją trzy słabe bozony cechowania : W + , W i Z 0 ; pośredniczą one w słabej interakcji . Bozony W są znane z tego, że pośredniczą w rozpadach jądrowych: W zamienia neutron w proton, a następnie rozpada się na parę elektron i elektron-antyneutrino. Z 0 nie przekształca smaku ani ładunków cząstek, ale raczej zmienia pęd; jest to jedyny mechanizm elastycznego rozpraszania neutrin. Słabe bozony cechowania odkryto w wyniku zmiany pędu elektronów z wymiany neutrino-Z. Bezmasowy foton pośredniczy w oddziaływaniu elektromagnetycznym . Te cztery bozony cechowania tworzą oddziaływanie elektrosłabe między cząstkami elementarnymi.

bozon Higgsa

Chociaż siły słabe i elektromagnetyczne wydają się nam zupełnie różne przy codziennych energiach, teoretycznie obie siły łączą się jako pojedyncza siła elektrosłaba przy wysokich energiach. Przewidywanie to zostało wyraźnie potwierdzone przez pomiary przekrojów dla wysokoenergetycznego rozpraszania elektron-proton w zderzaczu HERA w DESY . Różnice przy niskich energiach są konsekwencją wysokich mas bozonów W i Z, które z kolei są konsekwencją mechanizmu Higgsa . Poprzez proces spontanicznego łamania symetrii , Higgs wybiera specjalny kierunek w przestrzeni elektrosłabej, który powoduje, że trzy elektrosłabe cząstki stają się bardzo ciężkie (słabe bozony), a jedna pozostaje z nieokreśloną masą spoczynkową, ponieważ jest zawsze w ruchu (foton). . 4 lipca 2012 roku, po wielu latach eksperymentalnych poszukiwań dowodów na jego istnienie, ogłoszono , że bozon Higgsa został zaobserwowany w Wielkim Zderzaczu Hadronów w CERN. Peter Higgs, który jako pierwszy założył istnienie bozonu Higgsa, był obecny na ogłoszeniu. Uważa się, że bozon Higgsa ma masę około 125 GeV. Istotności statystycznej tego odkrycia został zgłoszony jako 5-sigma, co oznacza pewność około 99,99994%. W fizyce cząstek elementarnych jest to poziom istotności wymagany do oficjalnego nazwania obserwacji eksperymentalnych odkryciem . Trwają badania nad właściwościami nowo odkrytej cząstki.

Grawiton

Graviton hipotetyczna elementarna spin-2 cząstki zaproponowano pośredniej grawitacji. Chociaż pozostaje nieodkryty ze względu na trudności związane z jego wykryciem , czasami jest umieszczany w tabelach cząstek elementarnych. Konwencjonalny grawiton jest bezmasowy, chociaż istnieją modele zawierające masywne grawitony Kaluza-Kleina .

Poza modelem standardowym

Chociaż dowody eksperymentalne w przeważającej mierze potwierdzają przewidywania wyprowadzone z Modelu Standardowego , niektóre jego parametry zostały dodane arbitralnie, nie zdeterminowane konkretnym wyjaśnieniem, które pozostają tajemnicze, na przykład problem hierarchii . Te niedociągnięcia próbują rozwiązać teorie wykraczające poza Model Standardowy .

Wielkie zjednoczenie

Jedno z rozszerzeń Modelu Standardowego próbuje połączyć oddziaływanie elektrosłabe z oddziaływaniem silnym w jedną „wielką zunifikowaną teorię” (GUT). Taka siła zostałaby spontanicznie rozbita na trzy siły przez mechanizm podobny do Higgsa . Teoretyzuje się, że to przebicie zachodzi przy wysokich energiach, co utrudnia obserwację unifikacji w laboratorium. Najbardziej dramatyczną prognozą wielkiej unifikacji jest istnienie bozonów X i Y , które powodują rozpad protonów . Jednak brak obserwacji rozpadu protonów w obserwatorium neutrin Super-Kamiokande wyklucza najprostsze GUT, w tym SU(5) i SO(10).

Supersymetria

Supersymetria rozszerza Model Standardowy, dodając kolejną klasę symetrii do Lagrange'a . Te symetrie wymieniają cząstki fermionowe na bozonowe . Taka symetria przewiduje istnienie supersymetrycznych cząstek , określanych skrótowo jako scząstki , które obejmują sleptony , squarki , neutralinos i charginos . Każda cząstka w Modelu Standardowym miałaby superpartnera, którego spin różni się o 12 od zwykłej cząstki. Z powodu złamania supersymetrii cząstki są znacznie cięższe niż ich zwykłe odpowiedniki; są tak ciężkie, że istniejące zderzacze cząstek nie byłyby wystarczająco silne, aby je wytworzyć. Jednak niektórzy fizycy uważają, że scząstki zostaną wykryte przez Wielki Zderzacz Hadronów w CERN .

Teoria strun

Teoria strun to model fizyki, w którym wszystkie „cząstki” tworzące materię składają się ze strun (mierzonych na długości Plancka), które istnieją w 11-wymiarowym (zgodnie z M-teorią , wiodącą wersją) lub 12-wymiarowym ( zgodnie z teorią F ) wszechświat. Struny te wibrują z różnymi częstotliwościami, które określają masę, ładunek elektryczny, ładunek barwny i spin. „Struna” może być otwarta (linia) lub zamknięta w pętli (jednowymiarowa kula, jak koło). Gdy sznurek porusza się w przestrzeni, zamiata coś, co nazywa się arkuszem świata . Teoria strun przewiduje brany od 1 do 10 (1 brana to struna, a 10 brana to obiekt 10-wymiarowy), które zapobiegają rozdarciu „tkaniny” przestrzeni przy użyciu zasady nieoznaczoności (np. elektron krążący wokół atom wodoru ma prawdopodobieństwo, aczkolwiek niewielkie, że w danym momencie może znajdować się gdziekolwiek indziej we wszechświecie).

Teoria strun sugeruje, że nasz wszechświat to zaledwie 4-brana, wewnątrz której istnieją 3 wymiary przestrzenne i 1 wymiar czasowy, który obserwujemy. Pozostałe 7 wymiarów teoretycznych jest albo bardzo małych i zwiniętych (i zbyt małych, aby były dostępne makroskopowo) albo po prostu nie/nie mogą istnieć w naszym wszechświecie (ponieważ istnieją w większym schemacie zwanym " wieloświatem " poza naszym znanym wszechświatem).

Niektóre przewidywania teorii strun obejmują istnienie niezwykle masywnych odpowiedników zwykłych cząstek z powodu wzbudzeń wibracyjnych podstawowej struny oraz istnienie bezmasowej cząstki o spinie 2 zachowującej się jak grawiton .

Technicolor

Teorie Technicolor próbują zmodyfikować Model Standardowy w minimalny sposób, wprowadzając nową interakcję podobną do QCD. Oznacza to, że dodaje się nową teorię tzw. Technikwarków, oddziałujących za pośrednictwem tzw. Technigluonów. Główną ideą jest to, że bozon Higgsa nie jest cząstką elementarną, ale stanem związanym tych obiektów.

Teoria preonu

Zgodnie z teorią preonów istnieje jeden lub więcej rzędów cząstek bardziej fundamentalnych niż te (lub większość z nich) znalezionych w Modelu Standardowym. Najbardziej podstawowe z nich są zwykle nazywane preonami, które wywodzą się od „pre-kwarków”. Zasadniczo teoria preonów próbuje zrobić dla Modelu Standardowego to, co Model Standardowy zrobił dla zoo cząstek, które pojawiło się przed nim. Większość modeli zakłada, że ​​prawie wszystko w Modelu Standardowym można wyjaśnić za pomocą trzech do pół tuzina cząstek fundamentalnych i reguł rządzących ich interakcjami. Zainteresowanie preonami osłabło, odkąd w latach 80. eksperymentalnie wykluczono najprostsze modele.

Teoria akcelerona

Akcelerony to hipotetyczne cząstki subatomowe, które integralnie łączą nowo odkrytą masę neutrina z ciemną energią, o której przypuszcza się, że przyspiesza ekspansję wszechświata .

W tej teorii na neutrina oddziałuje nowa siła wynikająca z ich interakcji z akceleronami, prowadząca do ciemnej energii. Ciemna energia pojawia się, gdy wszechświat próbuje rozerwać neutrina. Uważa się, że akcelerony wchodzą w interakcje z materią rzadziej niż z neutrinami.

Zobacz też

Uwagi

Dalsza lektura

Ogólni czytelnicy

Podręczniki

  • Bettini, Alessandro (2008) Wprowadzenie do fizyki cząstek elementarnych . Uniwersytet w Cambridge Naciskać. ISBN  978-0-521-88021-3
  • Coughlan, GD, JE Dodd i BM Gripaios (2006) The Ideas of Particle Physics: An Introduction for Scientists , 3rd ed. Uniwersytet w Cambridge Naciskać. Tekst licencjacki dla osób niebędących na kierunku fizyka.
  • Griffiths, David J. (1987) Wprowadzenie do cząstek elementarnych . John Wiley & Synowie. ISBN  0-471-60386-4 .
  • Kane, Gordon L. (1987). Współczesna fizyka cząstek elementarnych . Księgi Perseusza . Numer ISBN 978-0-201-11749-3.
  • Perkins, Donald H. (2000) Wprowadzenie do fizyki wysokich energii , wyd. Uniwersytet w Cambridge Naciskać.

Zewnętrzne linki

Najważniejszym adresem dotyczącym obecnej wiedzy eksperymentalnej i teoretycznej na temat fizyki cząstek elementarnych jest Particle Data Group , gdzie różne międzynarodowe instytucje gromadzą wszystkie dane eksperymentalne i przedstawiają krótkie recenzje współczesnego rozumienia teoretycznego.

inne strony to: